Acides de Lewis : échelles d'acidité et activité catalytique – ALEA

L’activité catalytique de triflates métalliques et de sels analogues a été examinée en détail, du fait de leur faible nucléophilie et de la très forte acidité de Lewis du centre métallique. De nouvelles réactions de cyclisation impliquant une activation chimiosélective de substrats polyfonctionnels ont permis de mettre en évidence l’activité catalytique et la sélectivité en fonction des sels métalliques. Des
fonctions principalement de type oléfine, allène, dérivés allyliques, dérivés carbonylés, éthers d’énol ont été combinées en tant qu’électrophiles et/ou nucléophiles. Afin de rationaliser l’emploi du meilleur catalyseur dans un processus donné, nous avons établi des échelles d’acidité-basicité relatives à ces superacides de Lewis.Des données d’affinité pour la coordination d’acides et de superacides de Lewis à des substrats organiques ont été obtenues par l’apport de la spectrométrie de masse, complétées par des méthodes quantiques de calcul. En particulier, la méthode originale d’échange de ligands sur un triflate métallique par des techniques d’ionisation par électrospray couplées à la spectrométrie de masse a été mise à profit pour décrire une échelle quantitative de basicité de Lewis de ligands organiques, de cétones insaturées cycliques, d’esters et de diols. Les interactions entre des catalyseurs de type triflate métallique et des substrats
organiques ont été aussi examinées par nano-calorimétrie.

Nous avons développé de nouvelles cyclisations utilisant de faibles charges en catalyseurs. Ces cyclisations amènent une grande diversité structurale, dans des processus à économie d’atomes, participant ainsi au concept de la « chimie verte ». Nous avons décrit, par exemple, des cycloisomérisations d’éthers d’énol insaturés menant à des éthers polycycliques, des cyclisations impliquant des allènes et des composés carbonylés, ainsi que des réarrangements permettant l’accès à des énones cycliques polysubstituées. La spectrométrie de masse s’est
montrée une technique bien adaptée pour examiner les corrélations cation métallique-substrat et des échelles d’acidité/basicité ont pu ainsi être établies.Ces études ont ouvert une série de possibilités intéressantes et de nouveaux partenariats, académiques et industriels.
Nous avons développé également des applications synthétiques dans le domaine des composés odorants. De nouvelles structures et analogues de terpénoïdes naturels ont été préparés via les méthodologies de cyclisation par les acides de Lewis et testés pour leurs propriétés olfactives par nos partenaires industriels.
Ce projet a ouvert des perspectives de catalyse acide de Lewis supportée sur des polymères et a favorisé la mise en place de trois nouvelles collaborations académiques et de deux contrats industriels.

Les principales perspectives du projet concernent :
a) l’établissement d’échelles d’acidité (et de superacidité) et de basicité de Lewis, par l’apport des mesures expérimentales et des calculs afin de mieux rationaliser les intéractions entre substrats organiques et acides et superacides de Lewis ;
b) la possibilité de prévoir la meilleure adaptation entre le substrat et le catalyseur, pour un meilleur contrôle et une efficacité accrue des processus amenant à une plus forte sélectivité et à une diminution des taux catalytiques ;
c) la mise au point de nouvelles cyclisations catalytiques impliquant des substrats polyfonctionnels par un contrôle chimiosélectif de l’affinité des divers groupes fonctionnels avec le catalyseur ;
d) la synthèse de produits cibles intéressants pour leurs propriétés organoleptiques.

Le projet concerne essentiellement la recherche fondamentale, avec une collaboration internationale pour les aspects de chimie théorique. Les résultats du projet seront valorisés par des publications, ainsi que par des communications dans des congrès nationaux et internationaux.

Dans ce projet, diverses applications synthétiques sont prévues dans le domaine des arômes et parfums. Les cyclisations catalytiques devraient permettre la préparation d’une vaste série de composés possédant un squelette original, difficile à obtenir par d’autres méthodes. Les structures polycycliques fortement substituées, portant des motifs gem-diméthyle, sont des analogues de composés terpéniques, présentant potentiellement des propriétés olfactives et/ou aromatisantes.
En conséquence, la valorisation des résultats synthétiques se situe principalement dans le domaine des molécules odorantes.

17 publications scientifiques ont été issues de ce projet (+ 2 en cours), ainsi qu’un chapitre d’ouvrage, 2 revues et 2 brevets. De plus, 11 conférences et 30 communications à des congrès on été présentées. Parmi les publications on compte 2 Angew. Chem., une dans le domaine de la spectrométrie de masse et l’autre en méthodologie de synthèse par des superacides de Lewis, articles qui témoignent de la qualité des recherches effectuées.

Résumé :

Le projet de recherche soumis traite des aspects synthétiques et physicochimiques de la catalyse mettant en œuvre les superacides de Lewis, étant donné leur activité exceptionnelle.
Cette étude implique deux groupes de recherche de l’Institut de Chimie de Nice ; une équipe spécialisée en synthèse organique, catalyse et chimie fine, l’autre en chimie organique physique.

Les superacides de Lewis sont des sels formés d’un cation métallique et de la base conjuguée d’un superacide de Brønsted. Récemment, ces sels ont démontré un potentiel catalytique exceptionnel dans l’activation électrophile, particulièrement pour la fonctionnalisation des oléfines non activées. Nous escomptons nous focaliser sur l’activité catalytique des triflates, triflimidures et sels analogues, dérivés de l’acide triflique (CF3SO3H), du triflimide (HN(SO2CF3)2), et d’acides de structure proche, du fait de leur faible nucléophilie et de la très forte acidité de Lewis du centre métallique.
Il reste nécessaire d’établir des échelles d’acidité-basicité relatives à ces superacides de Lewis, de façon a rationaliser l’étape d’optimisation du catalyseur dans un processus donné. Des échelles de basicité de Lewis seront édifiées sur la base de mesures de spectrométrie de masse, en suivant la formation compétitive d’adduits ioniques par ionisation « electrospray ».

De façon complémentaire, à partir de la dissociation induite par collision d’adduits mixtes formés d’un sel et de deux ligands différents, la méthode cinétique permettra de quantifier les basicités relatives. Les échelles d’acidité et de basicité, correspondant à l’interaction acide de Lewis/ligand organique, seront également établies à partir de mesures calorimétriques (titrage calorimétrique isotherme ou ITC).
En parallèle à ces études expérimentales, et dans le cadre d’une collaboration internationale, des calculs de chimie quantique seront menés sur les aspects énergétiques et structuraux des adduits stables ligand/acide de Lewis.

A l’aide de ces données sur les interactions substrat /catalyseur, nous proposons d’examiner l’activité catalytique des divers sels (triflates, triflimidures, etc.) essentiellement dans des nouvelles réactions de cyclisation utilisant de faibles charges en catalyseurs. Ces cyclisations amènent une grande diversité structurale, dans des processus à économie d’atomes, participant ainsi au concept de la « chimie verte ». Le développement de nouvelles méthodologies inclura des cyclisations de molécules polyfonctionnelles par l’activation chimiosélective d’un groupement fonctionnel spécifique, en fonction des données acquises sur l’affinité substrat/catalyseur. Les réactions vont impliquer en particulier des systèmes oléfiniques, des dérivés d’allènes et d’allyles, des éthers d’énol et des époxydes, dans le but de synthétiser des systèmes polycycliques hautement substitués.

Les applications synthétiques de ces méthodologies catalytiques dans le domaine des arômes et parfums seront également examinées. De nouvelles structures et analogues de terpénoïdes naturels seront préparés via les méthodologies de cyclisation par les acides de Lewis.
Ces nouveaux produits seront testés pour leurs propriétés olfactives.
Avec l’aide de sociétés avec lesquelles nous avons déjà des contacts, la valorisation de ces molécules par des demandes de brevet sera prospectée.