Substituts zwitterioniques chiraux de groupes aryles pour la catalyse asymétrique – ChirASCat

Partant de l’observation que ces deux familles de ligands étaient composées en particulier par des groupes aryles qui pointent en direction du centre métallique, notre stratégie consiste à remplacer ces derniers par des bétaines de pyrimidinium, qui sont des hétérocycles mésoioniques, et qui permettraient de mimer de manière géométrique les propriétés générales des cycles aryles. La chiralité serait alors aisément apportée par des amines chirales énantiopures. Ce projet est à notre connaissance le premier exemple d’introduction des hétérocycles mésoioniques dans la structure de ligands pour la chimie organométallique.

Deux nouvelles familles de phosphines, dérivées de la structure générale des phosphines de Buchwald par substitution du groupe aryle distal par une bétaine de pyrimidinium, ont été synthétisées. Elles diffèrent uniquement par la position par laquelle l’hétérocycle est connecté à la partie phosphinique. Dans les deux cas, une interaction faible peut être observée entre le centre métallique et le carbone en ipso de l’hétérocycle et nous avons montré que ces hétérocycles ne sont pas aussi innocents qu’initialement envisagé. Une troisième famille basée sur les NHCs est également toujours à l’étude.

Mené à son terme, ce projet permettra :
- de montrer que de nouvelles approches en catalyse asymétrique sont toujours envisageables
- d’aboutir à des composés complexes hautement énantio-enrichis, à haute valeur ajoutée pour les industries chimiques et pharmaceutiques.
- d’ouvrir un domaine de recherche extrêmement vaste par la création de nouveaux ligands chiraux originaux et hautement efficaces.

Les résultats obtenus forment une base préliminaire très solide et intéressante pour une continuation et un développement ultérieurs et ont déjà donné lieu à trois publications : (1) V. César, S. Labat, K. Miqueu, J.-M. Sotiropoulos, R. Brousses, N. Lugan, G. Lavigne, Chem. Eur. J. 2013, 19, 17113-17124 (Publication sur la réactivité originale des NHCs dérivant des bétaines de pyrimidinium) ; (2) L. Noël-Duchesneau, N. Lugan, G. Lavigne, A. Labande, V. César, Organometallics 2014, 33, 5085-5088 (publication initiale sur le représentant achiral de la première famille de phosphines) ; (3) L. Noël-Duchesneau, N. Lugan, G. Lavigne, A. Labande, V. César, manuscrit soumis (publication sur le représentant achiral de la deuxième faille de phosphines).

S’il existe de nombreux ligands chiraux dont l’efficacité en catalyse organométallique asymétrique est parfaitement établie, la conversion d’un système catalytique achiral en sa version chirale reste problématique et non directe. En effet, les changements structuraux requis pour une induction chirale sont susceptibles d’induire une trop forte réorganisation de la sphère de coordination du centre métallique et, par conséquent, une diminution des performances par rapport à celles du catalyseur initial. Ce projet introduit une manière simple de remédier à cette difficulté. Partant de l’observation que les ligands chiraux traditionnels, comme les carbènes N-hétérocycliques ou les phosphines, contiennent des groupements aryles dans le proche environnement du centre métallique, nous proposons de remplacer de tels groupements par des bétaïnes de pyrimidinium chirales, actuellement très utilisées au laboratoire comme précurseurs de carbènes N-Hétérocycliques (NHCs) anioniques. Les avantages de ces hétérocycles incluent 1) une synthèse simple et parfaitement maitrisée à partir d’amines énantiopures commerciales, 2) un mime parfait des propriétés géométriques des cycles aryles, et enfin, 3) une grande stabilité chimique et thermique. Cette étude se concentrera en particulier sur deux familles de ligands monodentes très efficaces : les carbènes N-hétérocycliques et les biarylphosphines développées par Buchwald. Comme les substituants aryles de ces ligands pointent en direction du centre métallique, la substitution formelle de ces cycles par des bétaïnes chirales va permettre un contrôle précis de l’environnement géométrique du centre actif, et donc une forte induction chirale. Le couplage croisé de Suzuki-Miyaura asymétrique catalysé au palladium représentera la catalyse modèle pour évaluer l’efficacité des nouveaux ligands chiraux. L’optimisation du système catalytique sera facilitée par la grande modularité des ligands. Ces derniers seront ensuite utilisés dans des réactions catalytiques difficiles pour lesquelles aucun système catalytique chiral n’a encore montré de résultats probants. En particulier, nous ciblons les réactions de formation de liaisons C-C et C-N catalysées à l’or(I) pour lesquelles la coordination linéaire des complexes d’or(I) est un obstacle à un développement énantiosélectif, ainsi que les réactions catalysées au cuivre(I) qui connaissent un fort engouement ces dernières années.