1 page de garde · 2015. 5. 5. · 1 Introduction générale Les stratégies en synthèse organique ne cessent de se développer avec l’apparition de nouvelles méthodologies répondant

MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECH ERCHE SCIENTIFIQUE

Université d’Oran

Faculté des Sciences Département de Chimie

MEMOIRE présenté par

Amina HEMRI

Pour obtenir le diplôme de

Magister Discipline : Chimie

Spécialité : Chimie Moléculaire: Analyse, Modélisation, Synthèse

Soutenu le 12/04/ 2012 devant la commission d’examen :

Mme. D. El ABED Pr., Université d’Oran Es-Sénia Président

Mr. M. SASSI Pr., Université d’Oran Es-Sénia Examinateur

M r. M. HAMADOUCHE M.C.(A), Université d’Oran Es-Sénia Examinateur

Melle. H. HABIB ZAHMANI M.C.-(A), Université d’Oran Es-Sénia Co-Rapporteur

Mr. S. HACINI Pr., Université d’Oran Es-Sénia Rapporteur

ADDITION DE MICHAEL DE

DÉRIVÉS 1,3-DICARBONYLÉS EN

MILIEU HÉTÉROGÈNE

Remerciements

Ce travail a été réalisé au Laboratoire de Chimie Fine du Département de Chimie, de la

Faculté des Sciences de l’Université d’Oran Es-Sénia, sous la direction de Mr S. Hacini et

Melle H. Habib Zahmani.

Mes sincères remerciements vont tout d’abord à Melle H. Habib Zahmani, maître de

Conférences, pour avoir dirigé ce travail avec patience et compétence scientifique, pour les

nombreux conseils, pour les analyses RMN, les nombreuses relectures et les encouragements,

surtout pour sa disponibilité et son soutien durant ce travail. Je la remercie très

chaleureusement.

Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance et ma gratitude à Monsieur le Professeur S.

Hacini, pour avoir suivi de prés la réalisation de ce travail, ainsi que pour les conseils

judicieux qu’il m’a prodigués tout au long la préparation de mon Magister.

Je suis sensible à l’honneur que m’a fait Madame le Professeur D. El Abed, qui a bien voulu

faire partie du jury et accepté sa présidence. Je la remercie vivement.

J’exprime toute ma gratitude à Monsieur le Professeur M. Sassi, et à M. Hamadouche.

Maître de conférences, pour avoir aimablement accepté de faire partie de ce jury.

Enfin je ne saurai oublier de remercier tous ceux qui m’ont apportée aide ou conseil pendant

ce travail.

Liste des abréviations utilisées

Chromatographie et spectroscopie

d d.d Hz J

m MHz ppm Rdt R f

RMN

s t td

Doublet Doublet dédoublé Hertz Constante de couplage Massif Méga Hertz Partie par million Rendement Rapport frontal Résonance magnétique nucléaire Singulet Triplet Triplet de doublet

Produits chimiques

Boc

Bn Cy DBU DCM DMAP DMF DMSO EDDA M MOM n-BuLi OTs Ph PPh3 TBAF TBS THF TFA TMEDA TMS Triton β

Tert-butyloxycarbonyle Benzyle Cyclohexyl 1,8-Diazabicyclo-[5.4.0]-undéc-7-ène Dichlorométhane 4-Diméthylaminopyridine N,N-diméthyl formamide Diméthylsulfoxyde Acétate d’éthylènediammonium Métal Méthoxyméthyl n-Butyllithium Tosylate (p-toluène sulfonate) Phényle Tri-phenylphosphine Fluorure de tetra-n- butylammonium Tert-butyldiméthylsilyl Tétrahydrofurane Acide trifluoracétique N,N,N’,N’- tétraméthyléthylènediamine Ttriméthylsilyle Benzyl (triméthyl) azanium hydroxyde

Notations et symboles

A° °C Cat CCM d.r e. e équiv h nm Nu M .O µL t.a R

Angstrom Degré Celsius Catalyseur Chromatographie sur couche mince Rapport diastéréoisomérique Excès énantiomérique Equivalent Heure Nanomètre Nucléophile Micro-onde Microlitre Température ambiante Alkyle

Sommaire

I . Introduction Générale .......................................................................................................... 1

Chapitre І :

Étude de l’addition de Michael

I. Introduction .......................................................................................................................... 2

II. L’addition de Michael en synthèse ........................................................................................... 2

II.1. Mécanisme ................................................................................................................................. 2

II.2. Addition de Michael intramoléculaire ............................................................................ 3

II.3. Addition de Michael intermoléculaire ................................................................................... 3

III. Les différents catalyseurs utilisés dans l’addition de Michael ..................................... 5

III.1. Les organocatalyseurs ........................................................................................................... 5

III.2. Les complexes de coordination et organométalliques ................................................ 15

III.3. Les acides de Lewis .............................................................................................................. 20

III.4. Catalyse enzymatique .................................................................................................. 22

III.5. A partir d’autres catalyseurs .............................................................................................. 23

IV. Conclusion ....................................................................................................................... 24

Chapitre ІІ :

Les zéolithes

I. Introduction ........................................................................................................................ 25

II. Les matériaux poreux ..................................................................................................... 25

III. Les zéolithes ..................................................................................................................... 26

III.1. Historique et définition ...................................................................................................... 26

III.2. Structure .................................................................................................................... 28

III.3. Propriétés et applications des zéolithes .......................................................................... 29

III.3.1. L’échange ionique ...................................................................................................... 29

III.3.2. La séparation et l’adsorption ................................................................................... 30

III.3.3. La catalyse hétérogène .............................................................................................. 31

III.4. Les zéolithes de type A et les tamis moléculaires 3A° et 4A° ....................................... 32

IV . Conclusion .................................................................................................................................. 36

Chapitre Ш :

Addition de Michael catalysée par les tamis moléculaires

I. Introduction ............................................................................................................................... 37

II. Variation de la nature et de la quantité du tamis moléculaire ....................................... 38

III. Variation du solvant de la réaction ...................................................................................... 40

IV. Étude comparative avec d’autres bases ............................................................................... 41

V. Recyclage du tamis moléculaire 3A°broyé ......................................................................... 42

VI. Variation de la nature de l’accepteur de Michael ............................................................ 43

VI.1. Addition de Michael avec des cétones α,β-insaturées ................................................... 43

VI.2. Addition de Michael avec la méthylvinylcetone et le pyruvate de méthyle ................. 46

VII. Analyse spectrale et détermination structurale des produits ..................................... 48

X. Conclusion .................................................................................................................................... 55

Conclusion générale .................................................................................................................. 56

Références bibliographiques ................................................................................................ 57

Partie expérimentale

I. Généralités .................................................................................................................................... 62

II. Modes opératoires et donnés spectroscopiques ................................................................. 63

II.1. Procédure générale de transestérification ....................................................................... 63

II.2. Procédure générale de la Réaction de Michael ............................................................ 65

Annexe ................................................................................................................................................ 77

Introduction

Générale

1

Introduction générale

Les stratégies en synthèse organique ne cessent de se développer avec

l’apparition de nouvelles méthodologies répondant aux critères économiques et écologiques.

Parmi les procédés qui jouent un rôle central dans ces développements, nous citerons la

catalyse hétérogène, considérée comme un des piliers de la chimie verte.

En effet, l’introduction de nouveaux catalyseurs, -tels que des organocatalyseurs, des métaux,

des organométalliques, des microorganismes …- parfois recyclables, permet de réduire les

coûts des transformations réactionnelles et de diminuer les rejets polluants, ce qui est d’un

intérêt économique et environnemental considérable. De plus, les étapes de purification des

produits et/ou de séparation des isomères peuvent parfois être évitées par l’utilisation de

réactions catalysées plus sélectives.

Dans le but d’obtenir des molécules polyfonctionnalysées -représentant des synthons utiles

en synthèse- et de créer des liaisons covalents de façon simple et économique, nous nous

sommes intéressés à la réactivité des dérivés 1,3-dicarbonylés. Ces derniers constituent une

classe de composé potentiellement importante en synthèse organique. Pour cela, nous avons

développé une étude de la réaction de Michael en milieu hétérogène, faisant intervenir ces

dérivés en présence d’aldéhydes et de cétones α,β-insaturés.

Dans le premier chapitre de notre mémoire, nous exposons quelques travaux de recherche

relevés dans la littérature, concernant l’application d’addition de Michael vis-à-vis des dérivés

1,3-dicarbonylés en présence de différents catalyseurs (organocatalyseurs, complexes

organométalliques, acides de Lewis, microorganismes, ….).

Dans le deuxième chapitre, nous rapportons un petit rappel bibliographique sur les

catalyseurs hétérogène et en particulier sur les zéolithes.

Le troisième chapitre portera sur l’application de l’addition de Michael -catalysé par des tamis

moléculaires-, de dérivés 1,3-dicarbonylés sur des aldéhydes et des cétones α,β-insaturés.

Les modes opératoires et les données spectroscopiques des produits obtenus sont regroupés

dans la partie expérimentale.

Enfin, quelques spectres de RMN des molécules préparées au cours de nos travaux sont

présentés en annexe.

Chapitre I

Etude de l’addition de

Michael

Chapitre 1 Étude de l’addition de Michael

2

I. Introduction

Depuis quelques années, la sensibilisation croissante de l’opinion et des gouvernements aux

problèmes liés à l’écologie contraint les chimistes,-industriels et académiques-, à mettre au point de

nouveaux procédés de fabrication et de nouvelles stratégies de synthèse respectant au mieux

l’environnement.1 Pour cela les quantités de déchets, de sous-produits et de solvants doivent être

réduits, les produits utilisés doivent être moins toxiques et les catalyseurs recyclés.

Dans ce contexte, l’utilisation dans les réactions organiques de catalyseurs hétérogènes est en

pleine émergence.2 En effet, ils permettent l’obtention de produits propres après une simple filtration

ou une distillation du milieu réactionnel.3 La formation de sous produits est généralement limitée. De

plus, on peut fréquemment recycler et réutiliser ces catalyseurs.

Même si de nombreuses catalyses hétérogènes dans des additions de Michael ont été décrites

dans la littérature, peu d’entre elles concernent les dérivées 1,3-dicarbonylés dont nous nous sommes

proposés d’étudier la réactivité dans de telles conditions réactionnelles.

II. L’addition de Michael en synthèse

II.1. Mécanisme

L’addition conjuguée est une réaction très utilisée en synthèse, notamment pour les possibilités

de cyclisation qu’elle offre.4 Découverte en 1887 par Michael,5 elle implique l’addition en position 4

d’un nucléophile sur une cétone α,β-insaturée.

R1R2

O

R3 R4

R1R2

O

R3 R4Nu

R1R2

O

R3 R4Nu

Nu Nu :énolate malonate, etc..R2N-, RO-, RS-...

1 Metzger, J. O. Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2975. 2 Schwarz, J. A. Chem. Rev. 1995, 95, 477. 3 Shuttleworth, S. J.; Allin, S. M.; Shaima, P. K. Synthesis 1997, 12, 17. 4 a) Perlmutter, P. Conjugate Addition Reaction in Organic Synthesis; Pergmon: Ox ford, 1992. b) Ballini, R.; Bosica, G.; Fiorini, D.; Palmieri, A.; Petrini, M. Chem. Rev 2005, 105, 933. b) Enders, D.; Saint-Dizier, A.; Lannou, M.-I; Lenzen, A. Eur. J. Org. Chem. 2006, 29. c) Lièby-Muller, F.; Simon, C.; Constantieux, T.; Rodriguez, J. QSAR et Combinatorial Science. 2006, 25, 432. 5 a) Michael, A. Prakt. Chem / Chem. Ztg. 35, 349, 1887. b) Michael, A. Prakt. Chem / Chem. Ztg. 49, 20, 1894.


3

De très nombreux exemples existent dans la littérature,6 faisant intervenir des accepteurs de

Michael et des nucléophiles variés. L’accepteur peut être virtuellement n’importe quelle oléfine

conjuguée à un groupe électroattracteur. Le nucléophile est normalement un carbanion stabilisé, mais

par extension on appelle aussi donneurs de Michael les nucléophiles centrés sur un hétèroatome.

O

O

N

NO2CO2Me

Triton B acétonitrile

O

O

N

NO2

CO2Me

P

O

MeO H

OMe

RNO2

sans solvant , 90°C

P

O

MeOMeO

R

NO2

II.2. Addition de Michael intramoléculaire

Les exemples d’utilisation de l’addition de Michael intramoléculaire en synthèse sont

nombreux.7 On peut citer la réaction d’oxy-Michael utilisée par Kishi dans sa synthèse de la (±)

batrachotoxinine, qui permet, en déprotégeant l’alcool primaire en présence d’un fluorure, de former

avec un excellent rendement l’hétérocycle ponté. L’énolate est alors piégé in situ sous forme de

triflate d’énol.8

O

O

TBSOOTBS

MOMO

NAc

TBSO

O

1) (Me2N)3S(Me3SiF2)2) PhNTf2 , Et3N

95 %

O

OTf

TBSO HOTBS

MOMO

NAc

O

O

batrachotoxinine A( )

6 a) Nyerges, M.; Bitter, I.; Kádas, I.; Tóth, G.; Töke, L. Tetrahedron 1995, 51, 1489. b) Yamashita, M.; Sugiura, M.; Oshikawa, T.; Inokawa, S. Synthesis 1990, 62. 7 a) Nicolaou, K. C.; Edmonds, D. J.; Bulger, P. G. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7134; b) Bue, S. K.; Padura A. Advanced in Heterocyclic Chemistry. 2007, 94, 1. 8 Kurosu, M.; Marcin, L. R.; Grinsteiner, T. J.; Kishi, Y. J. Am. Chem . Soc. 1998, 120, 6627.


4

II.3. Addition de Michael intermoléculaire

Comparativement aux intramoléculaires, il existe assez peu de synthèse reposant sur une

addition de Michael intermoléculaire. En effet la stéréochimie est en général plus difficile à maitriser,

ce qui rend ce type de stratégie moins attractif. Cependant, on peut noter cet exemple relativement

simple tiré de la synthèse du (±) –mégaphone par Yamaguchi.9

O

O

CO2Me

OMe

MeO

MeO

O

O

O

CO2Me

OMe

MeO

MeO

O

MeOH, Et3N, 5 °C92 %, d.r 90:2

- mégaphone( )

Cette addition de l’anion d’un malonate sur la méthylvinylcetone s’avère extrêmement efficace tant

du point de vue du rendement (92 %) que de la stéréochimie (90: 2).

Dépendant des centres prochiraux dans la composante de la réaction, l’addition de Michael est

une réaction stérèogène pouvant introduire jusqu’à trois centres chiraux: un par centre prochiral du

donneur et deux de ceux de l’accepteur.

L’addition de Michael présente une économie d’atome pouvant aller jusqu’à 100 %, le réactif

nucléophile venant se greffer en entier sur le substrat électrophile donnant lieu à l’adduit de Michael

comme seul produit de la réaction.

Les développements récents de l’addition de Michael concernent en grande partie, le domaine

de la catalyse. Les nouvelles stratégies catalytiques apparaîssent à ce jour comme très séduisantes.

Parmi elles, l’activation par des composés acides, basiques ou des complexes multifonctionnels

représente un outil très puissant pour la catalyse organique, laissant apparaître de nouvelles

applications.

9 Matsumoto, T.; Imai, S.; Usui, S.; Suetsugu, A.; Kawatsu, S,; Yamaguchi, T. Chem. Lett. 1984. 67.


5

III. Les différents catalyseurs utilisés dans l’addition de Michael

III.1. Les organocatalyseurs

L’organocatalyse comme son nom l’indique, consiste en une addition dans le milieu

réactionnel de composés organiques en petite quantité (sous-stœchiométrique). Ces catalyseurs sont

normalement stables, faciles d’accès, peu dispendieux et non toxiques. Aussi leur mécanisme

d’action catalytique est souvent différent de celui de métaux de transition et se rapproche d’avantage

de celui des enzymes. L’organocatalyse s’est développée ces dernières années, en particulier dans des

réactions énantiosélectives.10 Plusieurs transformations asymétriques, qui se sont avérées difficiles

par des approches traditionnelles, ont été accomplies avec succès grâce aux organocatalyseurs.

Les organocatalyseurs utilisés dans les additions de Michael sont très divers: dérivés d’amino-acides,

oligopeptides, dérivés d’urée11……

Au cours de ces dernières années, Rodriguez et collaborateurs ont étudié l’utilisation en

quantité catalytique de base de type phosphazène dans l’addition de Michael de β-cétoester vis-à-vis

de différents accepteurs.12 L’emploi de 2-tert-butylimino-2-diéthylamino-1,3-diméthylperhydro-1,3,

2-diazaphosphorane greffé sur du polystyrène (PBEMP) permet l’obtention des adduits, par une

simple filtration et un rinçage de la résine, avec une pureté supérieure à 90 %.

OR1

O O

R2Z

OR1

O O

ZR2

H2O-t.a

N

PN

N

NEt2tBu

[65-100] %

Dans une méthode développée en 2005, Vallribera13 et coll. ont effectué la même réaction, mais

cette fois en présence de triphenylphosphine comme catalyseur.

10 a)Tsogoeva, S. B., Eur. J. Org. Chem 2007, 1701. b) Erkkilä, A.; Majander, I.; Pihko, P. M. Chem. Rev. 2007, 107, 5416. c) Doudoni, A.; Massi. A.; Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 4638. 11 Okino, T.; Hoashi, Y.; Furukawa, T.; Xu, X.; Takemoto, Y. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 119. 12 Bensa, D.; Brunel, J. M.; Buono, G.; Rodriguez, J. Synlett 2001, 5, 715. 13

Gimbert, C.; Lumbierres, M.; Marchi, C.; Manas, M. M.; Sebastian, R. M.; Vallribera, A. Tetrahedron 2005, 61, 8598.


6

R1 R2

O O

R3

Z R1 R2

O O

R3

Z

PPh3

Le mécanisme de synthèse proposé comprend deux étapes :

La première étape est l’initiation. L’oléfine et la phosphine se condensent pour former un β-

ylurephosphonium. Celui-ci arrache le proton α du dicarbonylé conduisant à un système conjugué.

Z PR3Z

R3P

PR3Z R1 R2

O O

R3

PR3Z R1 R2

O O

R3

Dans la deuxième étape qui est la propagation, le dicarbonylé conjugué s’additionne avec l’oléfine

pour former l’intermédiaire I1. Ce dernier est protoné pour donner le produit final.

R1 R2

O O

R3

Z R1 R2

O O

ZR3

I1

R1 R2

O O

ZR3

R1 R2

O O

ZR3

R1 R2

O O

R3

R1 R2

O O

R3

Par ailleurs, la guanidine et ses dérivés ont été également utilisés en catalyse. La guanidine qui

est un composé cristallin formé lors de l’oxydation de la guanine, se trouve aussi dans l’urine, étant

un produit du métabolisme.


7

H2N NH2

NH

NH

NNH

N

O

NH2

Guanidine Guanine

Récemment, divers dérivés de la guanidine ont été synthétisés, spécialement conçus pour des

applications en organocatalyse. En 2009, l’équipe de Feng a publié la synthèse d’une guanidine

substituée chirale à partir de α-aminoamide cyclique et de carbonediimide.14

N

NR1

O

N

NR2

R2

H

NaOHHH N

NR1

O

N

NR2

R2

H

H

HCl

Cl

+H+

NH

NR1

O

H

n.BuLi

n-hexaneTHF,-20°C

N

NR1

OLi

Li

THF,-20°C

N

C

N

R2

R2

N

NR1

OLi

N

NR2

R2

Li

La guanidine chirale obtenue est multifonctionnelle. Une partie de la molécule joue le rôle d’un

acide de Lewis qui active les accepteurs, tandis que l’autre partie joue le rôle de base de Brönsted,

activant les nucléophiles. Ce catalyseur a été utilisé pour la création de deux centres stéréogènes en

étudiant l’addition de Michael d’un β-cétoester avec une nitroolefine.

14 Yu, Z.; Liu, X.; Zhou, L.; Lin, L.; Feng, X. Angew. Chem. 2009, 121.5297.


8

O

OtBu

O

RNO2

N

N N

H

R2

H

R2

NH

O

O

OO

But

N

R

O

O

EtOAc,-15 °C

Guanidine chirale

* *

OtBu

NO2

OO

R

La même année, l’équipe de Tan15 a effectué une condensation d’E-4-oxoarylbutenamide avec

le dithiomalonate dialkylé, en présence d’une guanidine bicyclique. L’adduit est obtenu avec un

rendement de 85 % et avec un excès énantiomerique de 97 %.

SY

SY

O

O

N O

O

O

O

Cl

toluène

N

NNH

tBuBut

Sy

O

SyO

O CNO

OO

85 %97 % ee

Y= Cl

La famille des acides aminés constitue une source inépuisable de motifs organiques richement

fonctionnalisés aux applications multiples. Le motif proline est très utilisé comme base pour le

développement d’un nouveau type de catalyseur bifonctionnel pour la synthèse asymétrique.

En 2002, Miller et collaborateur16 ont décrit une réaction asymétrique à partir de malonate

substitué et d’acétone. La séquence est catalysée par une bis-amine dérivée de la proline. L’induction

asymétrique obtenue de l’ordre de 89 % est très intéressante.

15 Jiang, Z.; Yang, Y.; Pan, Y.; Zhao, Y.; Liu, H.; Tan, C. H. Chem. Eur. J. 2009, 15, 4925. 16 Jarvo, E. R.; Miller, S. J. Tetrahedron 2002, 58, 2481.


9

Me Me

O

EtO OEt

Ph

O O

Me Ph

OCO2EtEtO2C

NH H

N

THF, t. a

Récemment, le groupe de Yu17 a réussi la synthèse du catalyseur trifluoroprolinoléther.

N CO2H

H

a)SOCl2, CH3OH

b) Boc2O, Et3NN CO2CH3

Boc

TMSCl

ArMgBr N

H

Ar

Ar

OTMS

Ar : 3,4,5- F3C6H2Cat 1

Le catalyseur synthétisé est employé dans la préparation des hydropyranes, possédant des

activités biologiques. La séquence est basée sur une addition d’un aldéhyde α,β-insaturé et un

dicarbonylé, suivie d’une cyclisation .

R

CHO O O OHO

O

1) CH2Cl2, Ph CO2H2) Ac2O, CH2Cl2 Et3N, DMAP

N

H

Ar

Ar

OTMS

R

En 2009, le groupe de Garcia18 a obtenu par réaction multicomposés un cycle à six chaînons

possédant cinq centres de chiralité. La méthodologie fait intervenir un composé 1,3-dicarbonylé, un

aldéhyde α,β-insaturé et le nitrométhane en présence de la proline substituée (cat1). Pour expliquer

l’obtention du produit, le groupe a proposé un mécanisme basé sur la réaction de Michael suivie de la

réaction d’Henry.

Me NO2R2 R3

O O

R1O

R3H

R1 OH

R2OCHO

NO2

TBAF

N

H

Ar

Ar

OTMS

17 Zheng, F.; Ye, H.; Zhong, W.; Yu, C. Tetrahedron 2009, 65, 10016. 18 Aleman, J.; Marzo, L.; Suanzes, J. A.; Marcos, V.; Garcia Ruano, J. L. Chem. Eur. J. 2009, 15, 6576.


10

Au cours de la réaction, une première condensation entre l’amine et l’aldéhyde donne un

iminium, qui va réagir avec un atome de carbone nucléophile du composé dicarbonylé. L’addition du

nitrométhane permet la récupération du catalyseur et la formation de l’intermédiaire I2. Ce dernier se

cyclise en produit final en présence de TBAF.

R1 O

N R

HN R

R1

R2 R3

O O

N R

R1

COR3

R2

O

NO2-Me

TBAF

OH

HR3

R1

NO2

HO

R2OC

I2

NO2

R2OC COR3OH

R1

Parmi les grandes familles des organocatalyseurs, on peut citer les dérivés de quinine et de

quinidine. Ces derniers sont des alcaloïdes présents dans l’écorce de quinquina. Les deux

diastéréoisomères différent par la configuration du centre chiral porteur du groupement OH et du

carbone en α.

RS

N **

*SS

*

N

HO

OCH3

*

N

**

*

N

OCH3

OHR

S

SS

Quinine Quinidine

La quinine et la quinidine, ainsi que leurs dérivés sont utilisés comme auxilliaires chiraux dans

plusieurs réactions énantiosélectives. La plus célèbre étant la dihydroxylation de Sharpless.19

19 a) Jacobsen, E. N.; Marko, I.; Mungale, W. S.; Shroeder, G.; Sharpless, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1988, 10, 1968. b) Gorzalez, J.; Aurigemma, C.; Truesdale, L. Org. Syn. 2004, 10, 603.


11

Concernant l’addition de Michael, l’utilisation d’un système de catalyseur à base de quinine ou

quinidine a montré une bonne efficacité en terme d’activité catalytique et d’induction asymétrique.

En 2007, Chen et collaborateurs20 ont synthétisé un anticoagulant chiral le S-Warafin par

condensation de 4-hydroxycoumarine et 4-phenylbut-3-énone en présence de la quinine contenant

une amine primaire à la place du groupement hydroxyle.

O O

OH

Ph

O

O O

OPh

N

OMe

NH

NH2

OH

20 mol %

DCM, 40 % TFA, t.a, 12h

90 % 92 % ee

En 2009, Wang et son équipe21 ont synthétisé la quinine sodique en deux étapes.

N

MeO

HO N

NaSEt

DMF, 110 °C N

HO

HO N

NaOH

H2O, t.aN

NaO

HO N

Cat 2

Ce catalyseur est utilisé en petite quantité (1 mol %) dans la préparation de molécules contenant un

carbone quaternaire, qui peuvent servir à la synthèse de produits naturels et pharmaceutiques. La

réaction est réalisée dans l’eau et à température ambiante.

OCH3

O O

ArNO2

1 mol % Cat 2H2O, t.a

*CO2CH3

*NO2OAr

Ar: p-FC6H4

88 %-86 % ee 9.6:1 d.r.

20 Xie, J. W.; Yue, L.; Chen, W.; Du, W.; Zhu, J.; Deng, J. G.; Chen, Y. C. Org. Lett. 2007, 9, 413. 21 Chen, F. X.; Shao, C.; Liu, Q.; Gong, P.; Liu, C. L.; Wang, R. Chirality. 2009, 21, 600.


12

Une année après, une équipe espagnole22 a décrit l’utilisation de sels d’ammonium quaternaire

de Cinchona (cat 3) pour générer l’énolate de β-cétoester et permettre ainsi une addition conjuguée

avec différents accepteurs de Michael. On accède ainsi aux adduits correspondants avec de bons

rendements et de bons excès énantiomériques.

O

CO2tBu CO2MeCat 3,

*

O

CO2tBu

CO2MeiPr2 NEt, 8h, 25 °C

CH2Cl2

88 %94 % e.e

N+

N+

R2O

N

R1

OR2

N

R1 2 X_

cat 3 :

De nombreux travaux ont été publiés concernant l’utilisation des dérivés thiourées comme

catalyseur dans la réaction de Michael.23

L’introduction par Rueping de catalyseur thio-urée chiral bifonctionnel permet de former de

dihydrofuranes avec un très bon rendement et une très bonne sélectivité à partir de composé 1,3-

dicarbonylé et de (E)-2,2-bromonitrostyrene.24

Me

Me

O

OPh

Br

NO2

TMEDA, CHCl3 -20 °C.

O

O

MeMe

NO2

Ph

N

N

NPh

S 88 %80 % ee

22 Tari, S.; Chinchilla, R.; Najera, C. Tetrahedron. Asymmetry. 2010, 21, 2872 23 Ju, Y. D.; Li, L.; Lai, G. Q.; Qiu, H. Y.; Jiang, J. X.; Lu, Y.; Xu, L. W. Tetrahedron Lett. 2008, 49, 6773. 24 Para, A.; Uria, U.; Besselievre, F.; Merino, E.; Rueping, M. Org. Lett. 2010, 12, 24, 5680.


13

L’intermédiaire (S)-diéthyl-2-(4-méthyl)-1-nitropentan-2-yl) malonate est important et très

utilisé pour la synthèse de produits pharmaceutiques, tel que le prégabalin (agent convulsant). En

2011 Li et collaborateurs25 ont obtenu ce synthon à partir de diéthyle malonate et d’un nitroalcène,

en présence d’un organocatalyseur dérivé de thiourée.

NO2

OEt

OEt

O

O20 mol %

sans solvant t. a, 74 % , ee 77 %

NO2

CO2EtEtO2C

NH2

CO2H

Prégabalin

N N

S

CF3

F3C

NH H

Les carbènes N-hétérocycliques sont des composés neutres cycliques comportant un carbone

divalent à six électrons de valence entouré de deux atomes d’azote. Ils peuvent être classés en quatre

grandes familles.26

NN

R4R3

R1 R2NN

R3 R4

R1 R2N

N

N

R3

R1 R2

Imidazolylidène Imidazolinylidène Triazolylidène

N NR1 R2

Benzimidazolylidène

La famille des carbènes N-hétérocycliques s’est développée très rapidement depuis la première

synthèse d’un carbène N-hétérocyclique libre par Arduengo.27 Ces composés ont suscité un intérêt

croissant en catalyse organométallique et en organocatalyse.

25 Liu, J. M.; Wang, X.; Ge, Z. M.; Sun, Q.; Cheng, T. M.; Li, R. T. Tetrahedron 2011, 67, 636. 26 a) Hermann, W. A.; Angew. Chem . Int. Ed. 2002, 41, 1290. b) Bourissou, D.; Guerret, O.; Galbai, F.; Bertiand, G.; Che. Rev. 2000, 100, 39. 27 Arduengo Ш, A. J.; Harow, R. L.; Kline, M. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 361.


14

En 2009, l’équipe de Rodriguez a mis au point une synthèse stéréosèlective de spirolactones et

spirolactames à partir de β-cétoesters cycliques et d’accepteurs du Michael. Après une étape de

métathèse, la séquence principale consiste en une addition de Michael intramoléculaire catalysée par

un N,N-diaryl-1,3-imidazol(in)-2-ylidène.28

O

O O

CH2Cl2,100 °C, M.O, 20+10 min

N N

iPr

iPr

iPr

Pri

O

CN

NN

Ru

O

Mes MesClCl

PriO

O O

NC

O

CN

O

97 %d r 20:1

CH2Cl2 , 24 °C, 20h

20 mol %

Une année plus tard, Sarkar et Studer29 ont décrit la même stratégie pour la synthèse des

dihydropyronones. Pour activer l’addition de Michael, ils ont utilisé un carbène triazolium et ils ont

introduit la quinone substituée comme agent oxydant.

Ph H

OO O

N N

N I

DBU, THF, t.aO

O

Ph

O

O O

But

But

tBu

tBu

HO OH

28 Boddaert, T.; Coquerel, Y.; Rodriguez, J. Adv. Synth. Catal. 2009, 351, 1744. 29 Sarkar, S. D.; Studer, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 9266.


15

Un cycle catalytique a été proposé pour expliquer la formation de dihydropyranone.

-H+-2 e-

transfer de proton

N

N N

R1 H

O

N

N N

R1

OH

N

N N

R1

O

R3 R2

O O

N

N N

O

OR3

O

R2

R1

R3

O O

R2

R1

NN

NO

O

O

R1

R3

O

R2 O O

But

But

tBu

tBu

HO OH

addition de Michael

+2 e

-2H+

III.2. Les complexes de coordination et organométalliques

Un complexe est une molécule résultant de l’association d’un ion métallique et d’un ou

plusieurs ligands pouvant être un ion monoatomique, une molécule diatomique ou polyatomique. Un

organométallique est un complexe à liaisons métal-carbone fortement covalentes dans lequel l’ion

métallique a un degré d’oxydation faible. Les propriétés des complexes de métaux de transitions sont

particulièrement bien adaptées à l’étude de réaction de création de liaisons carbone-carbone. En effet,

l’environnement électronique du métal est facilement modulable par un choix approprié des ligands

et ceux-ci influent à la fois sur la réactivité et la sélectivité des réactions.30

Les premières additions conjuguées d’organométalliques sur des substrats α,β-insaturés ont été

effectuées avec des organomagnésiens mais ces réactions ne sont pas sélectives et conduisent à un

mélange de produit d’addition 1,2 et 1,4.31

30 Chimie Organique: Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Ed: De Boeck 2003, P 1311. 31 Grignard, V. C. Acad. Sci. 1900, 130, 1322.


16

Depuis, les additions conjuguées sur les substrats α,β-insaturés ont été fréquemment réalisées

en présence de dérivés du cuivre comme les cuprates32 aisément préparés par transmétallation à partir

d’un organolithien, d’un réactif de grignard ou d’un organozincique sur un complexe de cuivre.33

Dans les réactions d’addition de Michael des composés 1,3-dicarbonylés, les complexes et les

organométalliques les plus fréquemment utilisés sont les dérivés du fer, du palladium et du cuivre.

Depuis son introduction en 1997 par Christoffers et coll,34 le fer se classe parmi les meilleurs

catalyseurs dans la réaction de Michael, comme on peut le constater dans l’exemple suivant

(rendement de 92 % sans solvant).

CO2Et

OO

CO2EtO

Me

O92 %

FeCl3, 6H2O

12h, t.a

Avec la même réaction, Sodeoka et coll35 ont obtenu les adduits de Michael avec des rendements de 90 % et des excès énantiomèriques de 38 % en utilisant cette fois un complexe de palladium comme catalyseur.

O

CO2Et

O

OCO2EtCH2Cl2 , -20°C

PdP OH2

OH2P

2+O

2 TfO

Pour expliquer l’obtention de ce produit, ils ont proposé le cycle catalytique suivant :

32 a) Kozlowski, J. A. Organocuprats in the conjugate addition reaction in comprehensive organic Synthesis, Pergamon press, Oxford 1991, 4, 169. b) Taylor Organocopper reagents–A pratical approach Oxford University Press 2003, Chapitres 5. 33 a) Krause, N.; Geroed, A. Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 186. b) Straus, D. S.; Glass, C. K. Med. Res. Dev. 2001, 21, 185 34 a) Christoffers, J. Chem. Commun. 1997, 943. b) Christoffers, J. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1997, 3141. 35 Hamashima, Y.; Hotta, D.; Umebayashi, N.; Tsuchiya, Y.; Suzuki,T.; Sodeoka, M. Adv. Synth. Catal. 2005, 1576.


17

PdP OH2

OH2P

2+

, 2 TfO

PdP

P

OH

TfOH H2O

R1 R2

O O

R3

R1

R2

O

OR3Pd

P

2TfO

P

O

R1

R2

O

OR3Pd

P

P

2TfO

O

TfO , H

R1

R2

O

OPd

P

P

2TfO

2

R3

O

R1 R2

O O

R3

O

H2O

TfO

Durant la réaction, il se forme le complexe de palladium hydroxylé PdOH et l’acide

trifluoroacetique. Le premier joue le rôle d’une base de Bronsted et le deuxième joue le rôle d’acide

de Bronsted.

Le palladium peut aussi activer la réaction de Michael. Il est stable, non sensible à l’air et

facilement recyclable. En utilisant 10 % de palladium sur charbon, Verboom et coll36 ont pu accéder

à des hydropyranes avec 98 % de rendement. Cette approche implique une réaction de Michael

suivie d’une cyclisation intramoléculaire.

Ph

CN

CN 10 % Pd/ C

MeOH

NC COCH3

COCH3

H

CN

Ph

O

Ph HCOCH3NC

H2N CH3

98 %

CH3

CH3

O

O

Les ligands Salen ou catalyseurs de Jacobsen sont des bases de Schiff obtenues par

condensation des dérivés de l’aldéhyde salicylique avec les 1,2-diamines.37 Le premier ligand a été

élaboré par Köchi à partir d’aldéhyde salicylique et d’éthylénediamine.38

36 Nikishkin, N. I.; Huskens, J.; Verboom, W. Eur. J. Org. Chem. 2010, 6820. 37 Jacobsen, E. N.; Larrow, J. F.; Garo, Y.; Hong, Y.; Nie, X.; Zepp, C. M. J. Org .Chem. 1994, 59, 1939. 38 Siddall, T. L.; Miyaura, N.; Huffman, J. C.; Kochi, J. K. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1983, 1185.


18

OH

N N

HO

OH

CHOH2N NH2

Des complexes métalliques utilisant des ligands salen diversement substitués, ont été synthétisés

récemment par Jacobsen. Ce sont des catalyseurs efficaces de plusieurs réactions intéressantes en

synthèse asymétrique.39

En 2002, Kozlowski40 a préparé un complexe Salen bimétallique à partir du biphenol en quatre

étapes.

OH

OH

1) NaH, MOM Cl OH

OH

CHO

EtOH

X NH2H2N OH

OH

N N

HO

HO2) n BuLi, DMF, TMEDA3) HCl, THF

OH

OH

N N

HO

HO

NiOAc2

EtOH,

O

OH

N N

O

HO

Ni

Cs2 CO3O

O

N N

O

O

Ni

Cs Cs

base de bronsted

Acide de lewis

Ce catalyseur a été par la suite utilisé pour activer une addition de Michael de la cyclohéxenone et du

dibenzylmalonate.

39 Jay, F.; Jacobsen, E. N. Topics Organomet. Chem, 2004, 6, 123. 40 Annamalai, V.; Dimauro, E. F.; Caroll, P. J.; Kozlowski, M. C. J. Org. Chem. 2003, 68, 1973.


19

O

O

N N

O

O

Ni

Cs Cs

BnO2C

BnO2C

O

THF, t.a, 48h

O

CO2Bn

BnO2C

Le métal central joue le rôle d’acide de Lewis qui active l’accepteur, tandis que le fragment

basique constitué par le groupement métal-phenoxyde jouant le rôle de base de Brönsted active le

donneur de Michael. Le schéma suivant démontre le cycle catalytique avec régénération de

catalyseur:

BnO2C

BnO2C

M 1 OM 2

BnO OBn

OOM2

M1 HO

O

O

BnO OBn

OOM 2

M 1 OH

OBn

OBnO

O

OM2

M1 OHO

CO2Bn

CO2Bn

M1= La, Sm, Al, NiM2= Li, Na, Cs

En 2007, Evans41 et collaborateurs ont obtenu des adduits de Michael aliphatiques possédant

deux centres chiraux avec de très bons excès énantiomèriques. La séquence fait intervenir des

nitroalcènes et des 1,3-dicétones en présence de [(Ni)-bis(R,R)-dibenzylcyclohexane-1,2-diamine]Br2

à température ambiante.

41 Mito, S.; Seidel, D.; Evans, D. A. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 11583.


20

MeO OMe

O O

PhNO2

toluène, t.a

NH

NH

Ni

X

X

NH

NH

O

OOMe

OMe

Ni

HN

NH

NO

O

Ph

MeONO2

O Ph

CO2Me

95 % ee

III.3. Les acides de Lewis

Les acides de Lewis sont définis comme des molécules jouant le rôle d’accepteurs de doublets

d’électrons. Le proton est un cas particulier important mais beaucoup d’autres entités peuvent jouer

un rôle important dans la catalyse de réactions organiques. Parmi, les plus importantes figurent les

cations métalliques et les composés covalents des métaux. L’activité catalytique des ions métalliques

provient de la formation d’un complexe donneur-accepteur entre le cation et le produit de départ, qui

doit jouer le rôle de base de Lewis.

Depuis une vingtaine d’années, l’utilisation des acides de Lewis comme catalyseurs de

l’addition de Michael s’est développé.42

La réaction de β-cetoesters43 ou d’α- nitroesters44 dans l’eau catalysée par 10 mol % de triflate

d’ytterbium yb(OTf)3 n’est effective qu’après 3 à 5 jours et uniquement avec des vinylcétones et des

dérivés de l’acroléine.

ROR'

O

R''

O

OR'

R''

RO

O

10 % Yb(OTf)3

H2O, t.a

98 % L’ajout à la séquence des ligands hydroxyles ou aminés, permet de réduire le temps de la réaction et

d’optimiser les rendements.45

42 Christoffers, J. Synlett 2001, 723. 43 Keller, E.; Feringa, B. L. Tetrahedron Lett. 1996, 37, 1879. 44 Keller, E.; Feringa, B. L. Synlett. 1997, 842. 45 Ding, R.; Katebzadeh, K.; Roman, L.; Bergquist, K. E.; Lindstrom, U. M. J. Org. Chem. 2006, 71. 352.


21

En 1999, Kotsuki46 a fait intervenir l’acide trifluorométhane sulfonique comme catalyseur.

O

CO2Et

CO2EtTfOH

5 h

OCO2Et

CO2Et

92%

L’utilisation d’un système de catalyseur à base d’un acide de Lewis contenant du scandium et

d’un surfactant (agent colloïdal) a montré une efficacité supérieure en terme d’activité catalytique et

de temps de réaction plus court dans le cas des vinylcétones, mais ce système s’est avéré inefficace

vis-à-vis des acrylates.47

OR'

O OR''

O 10 mol % de Sc (O3 SOC12H25)3

H2O, 30°C, 12-35h 68-100%

OR'

R''

O O

O

L’utilisation des acides de Lewis chiraux connait également un grand essor et la réactivité de

nombreux métaux de transition et lanthanides a été explorée.48 On peut citer un bel exemple

d’application de cette méthodologie développé par Shibasaki pour sa synthèse énantiosélective de la

(-)-Strychnine.

La première étape consiste en l’addition de Michael d’un malonate sur la 2-cyclohexénone catalysée

par un complexe d’aluminium chiral.49 Celui-ci est facilement obtenu par addition de deux

équivalents de BINOL sur un équivalent d’hydrure de lithium et d’aluminium. Les rendements ainsi

que l’induction asymétrique obtenus sont excellents (e.e > 99 %) avec un taux catalytique de

seulement 0.1mol %. Cette réaction a pu être conduite à l’échelle de 1 Kg.

46 Arimura, K.; Ohishi, T.; Maruzasa, R.; Kotsuki, H. J. Org. Chem. 1999, 64, 3770. 47 Mori. Y.; Kakumoto. K.; Manabe, K.; Kobayashi, S. Tetrahedron lett. 2000, 41, 3107. 48 Comelles. J.; Moreno-Manas, M.; Vallribera, A. Arkivoc 2005, 9, 207. 49 Ohshima, T.; Xu, Y.; Takita, R.; Shibasaki, M. Tetrahedron 2004, 60, 9569.


22

O

AlO O

OO

OCO2Me

CO2MeH

92 %, 99 % e.e

MeO2C CO2Me

Strychnine

III.4. Catalyse enzymatique

La catalyse enzymatique présente de nombreux avantages en termes de mise en œuvre et

d’impact sur l’environnement. Elle permet d’opérer dans des conditions douces de température,

pression et pH, dans des milieux aqueux et parfois même dans des solvants organiques. La réaction

biocatalytique est peu polluante avec une consommation d’énergie modérée ce qui lui permet de

répondre parfaitement aux contraintes imposées par le développement durable.

En 2005, Berglund et coll.50 ont employé une stratégie de synthèse faisant intervenir l’enzyme

lipase dans la réaction de Michael.

R1 R1

O OR2

O 20 °C

R1

R1

O

O

R2

OCandida Antarctica Lipase B

Deux ans plus tard, la même réaction a été décrite par Lin et coll.51

mais cette fois en

présence de l’enzyme hydrolase à 50°C.

R1 R1

O OR2

O

Hydrolase 50°CR1

R1

O

O

R2

O

DMF

40 %

50 Svedendahl, M.; Hult, K.; Berglund, P. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17989. 51 Xu, J. M.; Zhang, F.; Wu, Q. Y.; Lin, X. F. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 2007, 49, 50.


23

III.5. A partir d’autres catalyseurs

L’utilisation d’hydrotalcite Mg-Al-O-tBu décrite par Figueras52 parait tout à fait prometteuse.

L’hydrotalcite possède une structure de type Mg(OH)2 dans laquelle des cations de degré d’oxydation

2 (Mg dans ce cas) sont remplacés de manière isomorphe par des cations au degré d’oxydation 3 (Al

dans ce cas). La charge positive résultant de cette substitution est compensée par l’introduction

d’anion (t-BuO- dans ce cas). De bons résultats dans l’addition de Michael sont obtenus, à la fois en

terme de rendement et de temps de réaction. La méthodologie a été généralisée à l’addition de

différents donneurs de Michael (nitrométhane ou nitroéthane, diméthyle ou diéthylmalonate,

acetoacetate d’éthyle) sur l’acrylate de méthyle et divers cétones et aldéhydes α,β-insaturés, y

compris des aldéhydes cinnamiques.

R4

OMgAL-OtBu

R4CO2R2

O

CO2R1R1

R2

O

O

R386- 98 %

R3

L’oxyde de magnésium a également été utilisé pour l’addition de Michael de dérivés 1,3-

dicarbonylés sur la chalcone, 2-cyclohexénone, l’acrylate de méthyle avec des temps de réaction très

courts de 30 mn à 2 heures à température ambiante avec des rendements quantitatifs.53

R

R

O

OO

R1

MgO

toluène, 2 h

O

R1

RO

O

R

93 %

Ma54 et collaborateurs ont eu l’idée d’effectuer des additions de Michael de céto-allènes sur

des dérivés de malonate en présence de carbonate de potassium. Ils ont pu accéder ainsi des α-

pyrones en une seule étape avec des rendements de 33 à 92 %.

52 Kantam, M. L.; Kavita, B.; Reddy, C. V.; Figueras, F. Tetrahedron 2000, 56, 9357. 53 Xu, C.; Baterley, J. K.; Enache, D. I.; Kmight, D. W.; Hutching, G. J. Synthesis 2005, 19, 3468. 54 Yin, S.; Li, L.; Tao, F.; Ma, S. Org. Lett. 2002, 44, 505.


24

10 % K2CO3

DMF, 80°C, 4 h° H

O

MeH

Bn

CO2Me

CO2Me

O

H

Bn

Me

MeO2C

O

H

88 %

Me

Me

O

O

•

H

H

Me

O

Bn

La mis en jeu lors de l’addition de Michael des liquides ioniques tels que 1-méthyl-3-

butylimidazolium d’hydroxyde ([bmIm] OH) permet l’accès à des adduits aliphatiques et cycliques.55

Par distillation, les produits sont obtenus avec de bons rendements et avec une très bonne pureté

chimique. Il est aussi possible de recycler le liquide ionique.

Me

Me

O

O

COMe[bmIn] OH

0.5 h

COMe

COMe

MeOC

95 %

IV. Conclusion Au vu de cette étude bibliographique, il apparait donc que l’addition de Michael des dérivés

1,3-dicarbonylés en milieu hétérogène a été peu étudiée. Elle ne fonctionne qu’avec des substrats

très spécifiques et les conditions opératoires sont difficiles à généraliser et doivent être adaptées à

chaque couple de substrats. Elle donne cependant des résultats tout à fait intéressants en terme de

pureté des produits et de sélectivité des réactions.

55 Banerjee, S.; Jana, R.; Ranu, B. C. Tetrahedron 2007, 63, 776.

Chapitre II

Les zéolithes

Chapitre 2 les Zéolithes

25

I. Introduction

Les zéolithes sont des matériaux présents aujourd’hui dans de nombreux secteurs

d’activités, autant dans les domaines innovants tels que l’agriculture, l’aquaculture, le

traitement des déchets, que les domaines comme la pétrochimie et l’industrie des tensio-actifs

qui utilisent une grande partie de la production annuelle. Les zéolithes sont restées cantonnées

prés de 200 ans dans des musées minéralogiques à cause de leur beauté.

-Figure .1. Deux zéolithes naturelles : la Scolecite (à droite) et la Stilbite (à gauche)-

La possibilité de synthétiser les zéolithes avec des structures, tailles et polarités contrôlées a

permis de les utiliser ensuite dans divers applications allant de la séparation de gaz à des

procédés catalytiques. Actuellement, le facteur déterminant du choix des zéolithes est le

facteur écologique car elles sont une alternative plus propre et respectueuse de

l’environnement.

II. Les matériaux poreux

Les matériaux poreux sont des matériaux présentant un grand nombre de cavités.

L’existence de ces cavités crée une surface interne importante: il en résulte une grande surface

par unité de volume. Ces matériaux sont de ce fait métastables.


26

Les matériaux sont classés en différents catégories, en fonction de la taille de leurs pores.56 On

distingue ainsi les matériaux microporeux qui possèdent des pores de taille inferieure à 2 nm,

les solides macroporeux dont les pores mesurent plus de 50 nm et la catégorie intermédiaire

est appelée matériaux mésoporeux.

Les zéolithes font partie des matériaux microporeux. On regroupe les matériaux microporeux

et mésoporeux dans la famille des matériaux nanoporeux (taille de pores inférieure à 50 nm).

Trois exemples de matériaux sont représentés sur la figure cis-dessous.

Figure 2 : Vues de microscopie électronique de la surface poreuse de trois types de silices : a) un matériau microporeux: une zéolithe Y. b) un matériau mésoporeux et c) un matériau macroporeux.

III. Les zéolithes

III.1. Historique et définition

Le terme zéolithe ou (zéolite), trouvé pour la première fois dans la littérature

scientifique au ХѴШ éme siècle, est dérivé des deux mots grecs zéo (je bous) et lithos (pierre).

Les observations réalisées par le minéralogiste suédois A.F.Cronstdlt57 sont à l’origine de

cette désignation. Pendant un chauffage rapide, certains minéraux (comme la stillite) semblent

fondre et bouillir en même temps, en dégageant une énorme quantité de vapeur d’eau.

56 Rouquerol, J.; Avnir, D.; Fairbridge, C. W.; Everett, D. H.; Haynes, J. H.; Pernicone, N.; Ramsay, J. D. F.; Sing, K. S. W.; Unger, K. K. « Recommendation for the characterization of porous solids.» Pure and Applied Chemistry. 1994, 66 (8), 1739. 57 Cronstedt, A. F.; Konge. Vetensskap. Acad. Hande Stockh. 1750, 17, 120.


27

Ce phénomène de gonflement peut en outre être répété après l’exposition du minéral à l’air

humide. Les zéolithes appartiennent à la catégorie des solides nanoporeux (taille de pore

inférieure à 5 nm). La structure cristalline donne aux zéolithes des pores de forme et de taille

parfaitement homogène, ce qui a des conséquences importantes sur les propriétés du matériau.

Elles sont constituées d’un arrangement de tétraèdres TO4 (où T désigne un atome de silicium

ou d’aluminium) qui sont connectés par leurs sommets.58

Figure 3: Représentation schématique de la structure des zéolithes

L’arrangement régulier de tétraèdre crée un réseau de cavités dont la forme et le diamètre

varient en fonction de la structure cristalline du matériau. Depuis leur découverte en 1756 par

Croustdlt, les zéolithes ont été étudiées pendant deux siècles sans que l’on sache les

synthétiser. Le travail de Barrer dans les années 1950 a révolutionné le monde des matériaux

poreux en montrant qu’il était possible de synthétiser des matériaux zéolithique.59 On connait

actuellement 194 structures de zéolithes, dont 62 ont été observées dans des matériaux

naturels. Les pores peuvent être cylindrique ou sphériques, connectés ou non. L’internationale

zéolithe Association attribue à chaque structure cristalline un code à trois lettres: LTA, FAU,

MFI……60

58 Baerlocher, C.; Meier, W. M.; Olson, D. H. Atlas of zeolite framework typs. Elsevier Sciences. 2001. 59 a) Claire Deville, H. st. Compts Rendus de l’Academie des Sciences. 1862, 54, 324. b) Barrer, R. M., Journal of the Chemical Society Abstracts. 1948, 2158. 60 International Zeolite Association in: http: // www. iza-structure. org / databases/.


28

a b c

Figure 4: Charpentes zéolithiques caractéristiques: a: Zéolithe A (LTA), b: Zéolithe Y (FAU), c: ZSM-5 (MFI)

III.2. Structures

Les zéolithes sont des aluminosilicates cristallins et poreux, résultant de l’assemblage

de tétraèdre SiO4 et AlO4 joints par les atomes d’oxygène qu’ils partagent.61 Cette structure

cristalline crée un réseau de pores de taille uniforme qui distingue les zéolithes des autres

adsorbants microporeux.

La formule chimique des zéolithes est :

Mn+x/n [(AlO2

-)x (SiO2)y], m H2O

Où n est la valence du cation M, x+y le nombre total de tétraèdres par maille élémentaire et le

x/y est le rapport Si/Al, qui selon la règle de Lowenstein est supérieur à 1.62

La plupart des zéolithes, très hydrophiles, contiennent des molécules d’eau adsorbées.

Le rapport entre le nombre d’atomes de silicium et d’aluminium peut varier entre un rapport

(matériau purement Silice) et 1(autant d’aluminium que de Silicium). La substitution (par

rapport à un matériau purement silicé) d’un silicium de degré d’oxydation +IV par un

aluminium de degré d’oxydation +III, conduit à l’introduction d’un défaut de charge négatif

61 Donald Breck, W., Zeolite molecular sieves: Structure, Chemistry and use. John Wiley et Sons New-York. 1974. 62 Louvenstein, W. Am. Minerral. 1954, 39, 92.


29

qui est compensé par l’introduction d’un cation qui ne fait pas partie du réseau cristallin dit

cation extra charpente, la nature de ce cation peut être diverse. Le cation sodium est le plus

courant, mais on trouve aussi K+, Ba2+, Ca2+. Les matériaux naturels contiennent souvent un

mélange de cations. On étend souvent le terme de zéolithe à des matériaux, contenant d’autres

atomes dans la charpente que les atomes d’aluminium et de silicium. Ainsi, on retrouve sous

le terme de zéolithe des matériaux contenant du phosphore (AlPO), mais aussi du Germanium

ou du Gallium.63

III.3. Propriétés et applications des zéolithes

Les propriétés physico-chimiques des zéolithes dépendent du type structural et de leur

composition chimique et permettent leur utilisation dans divers secteurs industriels.64 En

général, les zéolithes utilisés industriellement sont des produits synthétiques car ils ne

contiennent pas les impuretés que l’on retrouve dans les zéolithes naturelles.

III.3.1 . L’échange ionique

La substitution d’un ion Si4+ par un ion Al3+ dans la charpente d’une zéolithe crée une

charge négative qui doit être compensée par un cation (cation alcalin, alcalino-terreux,

ammonium (NH4+), ammonium quaternaire (R4N

+). Ce phénomène est à l’origine des

propriétés d’échange d’ions d’une zéolithe. Le nombre d’ions échangeables détermine la

capacité d’échange: plus la zéolithe est riche en aluminium, plus la capacité d’échange en

cations est grande. Il en résulte que les zéolithes trouvent beaucoup d’applications dans la

protection de l’environnement. Elles interviennent principalement comme adoucisseurs d’eau,

en échangeant les ions calcium et magnésium de l’eau contre les ions sodium de la zéolithe

(remplacement des polyphosphates dans les lessives).

63 a) Flanigen, E. M. F., Lok, B. M.; Patton, R. L.; Wilson, S. T. Aluminophosphate molecular sieves and the Periodic Table, Studies in Surface Science and Catalysis 1986, 28, 103. b) Blauwhoff, P. M. M.; Gosselink, J. W.; Keiffer, E. P.; Sie, S. T.; Stork, W. H. J., Catalysis and Zeolite: Fundamentals and Application, Weitkamp, J. and Puppe, L. (Eds.), Springer, Brelin, 1999, 564. 64 a) Nagy, J. B.; Bodart, P.; Hannus, I.; Kiricsi, I. Synthesis, Characterization and Use of Zeolitic Microporous Materials, Konza, Z and Tubac, V. (Technical Editors), Deca Green Ltd, Ziseged, 1998, 192. b) Blauwhoff; P. M. M. Gosselink, J. W.; Kieffer, E. P.; Sie, S. T.; Stork, W. H. J. Catalysis and Zeolite: Fundamentals and Application, Weitkamp, J. and Puppe, L. (Eds.), Springer, Brelin, 1999, 564.


30

Les propriétés d’échangeurs ioniques sont aussi utilisées dans les centrales nucléaires pour

éliminer certains déchets comme le césium et le strontium, ou dans le traitement des eaux usés

(NH4+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, et Cu2+). Par ailleurs, elles sont utilisées dans les engrais agricoles

pour favoriser la libération lente et contrôlée des cations fertilisants. Le tableau suivant

présente les principales applications des zéolithes échangeuses d’ions.

Application Zéolithes (type structural) Rôles Références

Détergence Traitement des effluents d’origine nucléaire Traitement des eaux usées Agriculture

Zéolithes A (LTA) Adoucissement 65 Zéolithes P (GIS) de l’eau Mordénite (MOR) Rétention : 66 Clinoptilolite (HEU) 137Cs+, 90Sr2+ Clinoptilolite (HEU) Rétention : 66 Phillipsite (PHI) NH4

+, Cd2+, Pb2+, Chabasite (CHA) Zn2+, et Cu2+ Clinoptilolite (HEU) Libération des 66 Phillipsite (PHI) cations fertilisant Chabasite (CHA)

III.3.2. La séparation et l’adsorption :

Les similitudes d’affinité chimique, de taille ou de forme entre une molécule et la

porosité des différentes zéolithes permettent à ces dernières d’être utilisées comme tamis

moléculaires dans la séparation et l’adsorption sélective de molécules. Leur grande capacité

d’adsorption fait de ces solides d’excellents adsorbants sélectifs. Ainsi la zéolithe échangée au

sodium est utilisée pour éliminer le CO2 du gaz naturel. Son homologue contenant le

potassium est très hydrophile, elle est utilisée comme déshydratant.

En ce qui concerne la séparation de gaz, l’industrie est très demandeuse de matériaux ayant un

pouvoir de séparation. A titre d’exemple, la séparation de l’azote et de l’oxygène de l’air est

réalisée à travers la zéolithe 5A°.67

65 Nagy. J. B.; Bodart, P.; Hannus.I.; Kirisci, I., Synthesis, Characterization and Use of Zeolitic Microporous Materials, Konza, Z.; Tubac, V. (Technical Editors), Deca Green Ltd, Zseged. 1998, 192. 66 Dyer, A. An Introduction to Zeolite Molecular Sieves, John Wiley and Sons, Chichester, 1988, 149. 67 Stem, S. C.; Evans, W. E. Application: EPO3 84540, 1990.


31

Les zéolithes Faujasits sont utilisées dans la séparation d’hydrocarbures provenant du

traitement du pétrole. Par exemple, les procédés Parex, développé par Universal68 et Eluxyl,

développé par l’IFP69, permettent tous deux d’extraire d’un mélange d’hydrocarbures de

composition C8, le para-xyléne. Enfin des zéolithes sont aussi utilisées dans la production

d’oxygène médical à partir de l’air70 ou pour piéger une partie du CO2 libéré lors de la

production de ciment.

III.3.3. La catalyse hétérogène

Les propriétés acides des zéolithes71 et leurs caractéristiques structurelles qui leur

confèrent des propriétés de sélectivité de forme, font que ces matériaux sont largement utilisés

dans les procédés de catalyse hétérogène.72 Depuis les années 1960, le domaine de la synthèse

de produits organiques catalysé par des zéolithes et de matériaux microporeux apparentés ne

cesse de croitre.73

Les catalyseurs zéolithiques présentent, en plus d’une activité catalytique importante, une

forte sélectivité en raison de l’existence d’une sélectivité d’adsorption. Ils sont utilisés

principalement dans l’industrie pétrochimique. La zéolithe y est utilisée dans le processus de

craquage des hydrocarbures, processus qui permet de réduire la taille des molécules

d’hydrocarbure d’un mélange.

68 Roeseler, C. M.; Kulprathpanja and Rekoske, J. E. « Adsorptive separation process for recovery of para-xylene » 2004, U. S. classification: 585/820; 585/825; 585/827; 585/828; International Classification: CO 7C, 712. 69 Hotier, G., Balannec, B. « From batch elution to simulated countercurrent chromatography » Revue de l’institut Français du pétrole, 1991, 46 (6), 803. 70 Talu, O.; Li, J.; Kumar, R.; Mthias, P. M.; Moyer. J. D.; Sckork, Jr. M. Measurement and analysis of oxygen / nitrogen / 5A°- zeolite adsorption equilibria for air preparation, Gas separation and purification 1996, 10, 149. 71 a) Espeel, P.; Patron, R.; Toufar, H.; Martens, J.; Holderich, W.; Jacobs, P. Catalysis and Zeolite: Fundamentals and Application, Weitkamp, J.; Puppe, L. (Eds), Springer, Berlin, 1999, 564. b) Weitkamp, J. Zeolite and Catalysis, Solide State Ionics. 2000, 131, 175. 72 Davis, M. E. Zeolite-based Catalysts for Chemicals Synthesis, Microporous and Mesoporous Materials 1998, 21, 173. 73 Venuto, P. B. Organic Catalysis over zeolites: a perspective on reaction paths within micropores, Microporous Materials. 1994, 2, 297.


32

La Pt-moordénite et la Pt-ZSM-5 sont utilisées dans l’isomérisation des alcanes linéaires en

alcanes branchés et enfin la ZSM-5 est utilisée dans la transformation d’alcanes en alcènes.

III.4. Les zéolithes de Type A et les tamis moléculaires 3A° et 4A°

Les zéolithes de structure LTA (Linde Type A), présentent une structure poreuse: Elles

font partie des zéolithes dites à sodalités; la sodalité est composée de 24 tétraèdres dont les

atomes T forment un octaèdre tronqué. Elles ont pour formule chimique AlxSi24−xO48Mm+

x/m

(0 < x < 12), leur structure est un agencement cubique de sodalités. La maille élémentaire,

cubique de paramètre à ~ 12 Å, est constituée de 8 sodalités centrées sur les sommets de la

maille; l’espace au centre de la maille forme une cage (dite cage α) d’environ 11 Å de

diamètre.74

Les cages α sont reliées entre elles selon une symétrie cubique et séparées par des fenêtres

octogonales d’environ 4 Å de diamètre. Les 24 atomes T de la structure LTA sont

cristallographiquement équivalents, tandis qu’il existe trois types non équivalents d’atomes

d’oxygène, notés O1, O2 et O3, de multiplicité respective 12, 24 et 12.

74 a) Breck, D. W.; Eversole, W. G.; Milton, R. M.; Reed, T. B.; Thomas, T. L. «Crystalline zeolites. 1. The properties of a new synthetic zeolite, type-A.» J. Am. Chem. Soc. 1956, 78 (23), 5963. b) Reed, T. B.; Breck, D. W. «Crystalline zeolites. 2. Crystal structure of synthetic zeolite, Type-A.» J. Am. Chem. Soc. 1956, 78(23), 5972.


33

Schéma de la cage de zéolithe A mettant en évidence les différents types d’atomes

d’oxygène : O1 en bleu (12 atomes par maille), O2 en rouge (24 atomes par maille) et O3 en

gris (12 atomes par maille).

Tous les atomes de silicium de la structure de référence sont cristallographiquement

équivalents et dessinés en jaune. La figure est centrée sur une cage α et présente plus d’une

maille élémentaire pour que la cage α soit complète. Les atomes ne faisant pas partie de la

maille élémentaire sont dessinés transparents.

Les zéolithes de type A sont des zéolithes purement synthétiques.75 Différentes zéolithes de

structure LTA ont été synthétisées, impliquant principalement des cations monovalents (Na+,

K+, Ag+,...), divalents (Ca2+) ou même plusieurs cations (Ca2+ et Na+, par exemple), pour

différents rapports Si/Al. La structure cristalline forme des cavités avec des fenêtres d’entrée

de taille calibrée de l’ordre de grandeur des dimensions des molécules. Ces fenêtres jouent le

rôle des mailles d’un tamis d’où l’autre nom des zéolithes: tamis moléculaire. Le diamètre

des fenêtres varie de 0,3 à 1,3 nm. Les dénominations suggèrent cette dimension (en

Angstrom): 3A°, 4A°, 5A°, 10X (8A°), 13X (9A°)

75 a) Fyfe, C. A.; Kennedy, G. J.; Kokotailo, G. T. et Deschutter, C. T. « Investigation of the dealumination of high silica zeolite A (ZK-4) by 29 Si magic-angle-spinning n.m.r. spectroscopy », J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1984, 1093. b) Corma, A.; Rey, F.; Rius, J.; Sabater, M. J. et Valencia, S. « Supramolecular self-assembled molecules as organic directing agent for synthesis of zeolites », Nature 431. 2004. 287. c) Caullet, P.; Paillaud, J. L.; Simon-Masseron, A.; Soulard, M. et Patarin, J. « The fluoride route: a strategy to crystalline porous materials », C. R. Chimie 8, 2005, 245.


34

Figure 5: MEB-FEG des zéolites 4A (gauche) et 5A (droite).

La propriété intéressante des tamis moléculaires est que le diamètre des cavités est de l’ordre

du dixième de nanomètre, donc de l’ordre de grandeur de petites molécules. Ils ont donc la

particularité d’être relativement sélectifs. Une zéolithe 3A°; par exemple accepte NH3, mais

rejette CH4. A partir de 10X, une zéolithe peut adsorber des molécules organiques de grande

dimension. Les zéolithes sont utilisés sous forme d’extrudés ou de poudre fixés sur un

support.

Les tamis moléculaires type 3A° et 4A° ont pour formule chimique typique respectivement:

mK2O. nNa2O. Al2O3. 2SiO2. zH2O et mNa2O·Al2O3 ·2.SiO2·zH2O. Ces zéolithes sont

souvent utilisés comme agent déshydratant; mais peuvent également adsorber l'azote ou

l'oxygène dans l'air à basse température.

Le formulaire ci-dessous énumère 4 types de déshydratants

Type de

déshydratant

La taille

des pores (A°)

Adsorber

les substances

Repousser les

substances

3A 3 H2O Tous les autres

4A 4 H2O, Azote Ar, Kr, grande molécule de gaz

13X 8.5 H2O, La plupart des gaz, petites molécules liquides

Grandes molécules liquides


35

La zéolithe A comme la plupart des zéolithes existant, possède un caractère acide,76 qui

confère aux zéolithes des propriétés de catalyseur pour certaines réactions comme

l’isomérisation d’alcènes, le craquage catalytique, etc. Les types de réactions qu'une zéolithe

peut catalyser dépendent du type de sites, de leur quantité, de leur force, de leur

l'environnement (présence ou non d’eau par exemple).77

Dans une zéolithe, les sites acides de Brönsted sont les groupements hydroxyles (OH)

pointants entre un atome de silicium et un atome d'aluminium ou terminaux sur un atome

d’aluminium. Les groupements silanol (Si -OH) sont aussi des groupements OH mais pas

assez acides et ne sont donc pas considérés comme des sites de Brönsted. Les sites acides de

Brönsted n’ont pas tous la même activité catalytique. Les sites du type Al-OH-Si (hydroxyles

pontés) sont souvent les plus acides et dans certains cas les seuls à avoir l’activité suffisante

pour catalyser des réactions chimiques. Les groupements Al-OH sont des sites acides plus

faibles et dans beaucoup de cas, ils ne présentent pas d'activité catalytique. Il en est de même

pour les groupements Si-OH.

Différents sites acides de Brönsted dans les zéolithes

O

Si

O

Al

O

Si

O

H

O O OO O O

O

Al

O O

Si

O

O O O O

H H

a) Al-OH-Si b) Al-OH c) Si-OH

Les espèces susceptibles d'avoir une acidité de Lewis sont:

• les atomes d'aluminium tri-coordinnés de la charpente issus de la déshydratation de

certains sites de Brönsted lors d'étapes de calcination ou d’échange ionique des

zéolithes.

• les oxydes d’aluminium (AlO+ ou AlxOyn+) en position extra-réseau qui peuvent êtres

engendrés par déalumination et/ou désilylation et qui sont accepteurs d'électrons.

76 Rolimann, L. D. in Zeolites Science and Technology, NATO ASI Ser. 80, Martinus Nijhoff, 109, Den Haag, 1984. 77 Barthomeuf, D.; Beaumont, R. J. Catal. 1973, 30, 288.


36

Différents sites acides de Lewis dans les zéolithes

O

Si

O

Al

O O O O

O

Si

O

Al

O

Si

O

O O OO O O

AlO+O

Si

O

Al

O

Si

O

O O OO O O

Na+

a) Aluminium tri-coordoné b) Oxyde d’aluminium en position c) Cation compensateur de charge extra-réseau

En général, dans les zéolithes les deux sites acides de Brönsted et de Lewis existent

simultanément. La combinaison de l’effet discriminant des pores et des propriétés acides fait

des zéolithes un catalyseur de choix pour un grand nombre de composés organiques.

IV. Conclusion

Cette étude sur la structure et les caractéristiques des zéolithes ainsi que leurs

propriétés montre leurs intérêts et leurs utilisations dans différents domaines (industrie,

agriculture,…).

On a noté quelques applications78, 79, 80 en synthèses organiques, utilisant les tamis

moléculaires comme catalyseurs.

Concernant la réaction d’addition de Michael de dérivés 1,3-dicarbonylés, catalysée

par une base de Lewis en présence du tamis moléculaires, une seule publication 81 a été

signalée, d’où l’intérêt de nos travaux.

78 Muller, F. L.; Allais, C.; Constantieux, T.; Rodriguez, J. Chem. Commun. 2008, 4207. 79 Kakinuma, T.; Oriyama, T. Tetrahedron lett. 2010, 51, 290. 80 Pitsch, I.; Deutsch, J.; Pohl, M. M.; Schulz, A.; Tuan, V. A.; Tuyen, N. D.; Frunza, L.; Jaeger, C.; Kosslick, H. Catalysis Today 2010, 152, 54. 81 Villano, R.; Scettri, A. Synthesis 2005, 5, 757.

Chapitre III

Addition de Michael

Catalysée Par les tamis

moléculaires

Chapitre 3 Addition de Michael catalysée par les tamis moléculaires

37

I. Introduction

Notre laboratoire s’intéresse depuis quelques temps déjà à la réactivité des dérivés 1,3-

dicarbonylés dans le but d’accéder à de nouvelles molécules polyfonctionnelles

potentiellement bioactives. Notre stratégie consiste à appliquer et développer de nouvelles

méthodologies de synthèse en prenant en compte des aspects importants de la chimie verte,

tels que les critères de la sélectivité, d’accessibilité et de propreté.

Dans ce contexte, le laboratoire a une bonne expérience dans l’élaboration de

transformations domino anioniques initiées par addition de Michael à partir de β-cétoesters.

En effet, récemment, Dr H. Habib-Zahmani a développé une cascade réactionnelle à trois

composants, mettant en jeu des dérivés α,β-insaturés, des aldéhydes et des alcools.82 La

séquence est initiée par une addition de Michael, suivie d’une aldolisation intermoléculaire et

d’une déshydratation in-situ, conduisant diastéréoselectivement à des oléfines et des diènes

trisubstitués. La réaction de Michael est catalysée par le DBU ou K2CO3.

Z R H

O

R' OHZ

R

OR'

DBU

ou K2CO3

22-93 %25 exemples

En parallèle, Dr H. Habib-Zahmani s’est intéressée à l’obtention de cycloheptanes

fonctionnalisés. L’étape-clé de cette synthèse est une addition de Michael avec des dérivés

1,3-dicarbonylés et des accepteurs de Michael sur support solide catalysée par une base de

type phosphazène.83

82

Habib Zahmani, H.; Hacini, S.; Boris, C.; Faure, R.; Rodriguez, J. Synthesis 2005, 2151. 83 Habib Zahmani, H. thèse de Doctorat d’état, Université d’Oran 2007.


38

O

Z

R H

OP

NN tBu

NEt2

t.a

OH

RZ

O

THF,O

Z

1) oxydation

2) protection3) fragmentation

Notre principal objectif dans ce travail est d’améliorer la propreté et l’efficacité de ces

réactions, et d’en simplifier le traitement, afin de pouvoir constituer plus facilement une

librairie de produits. Pour cela, nous nous sommes intéressés à l’utilisation des tamis

moléculaires pour l’addition de Michael.

RZ

OR'

R Z

O Otamis moléculaire

Z: CHO, COMe, CO2Me, CNR: H, Me

OR'

O O

Le but de cette étude est d’utiliser le tamis moléculaire commercial comme agent basique à la

place de K2CO3 ou de DBU, ce qui devrait faciliter le traitement en fin de réaction. En effet,

une simple filtration suivie d’une évaporation du solvant conduisait à l’adduit de Michael.

Nous tenons aussi au cours de ce travail à trouver les conditions opératoires adéquates pour

former à la fin de la réaction des produits bruts propres qui ne nécessitent pas d’étape de

purification par chromatographie ou par distillation.

Les tamis moléculaires qui existent dans notre laboratoire sont les tamis 3A° et 4A° en billes.

C’est avec ces deux tamis que nous nous sommes donc attachés à essayer de mettre au point

les conditions réactionnelles de l’addition de Michael. Par la suite, nous avons essayé de

généraliser la réaction en testant tous les dérivés 1,3-dicarbonylés et les accepteurs de Michael

disponibles au laboratoire.


39

II. Variation de la nature et de la quantité du tamis moléculaire :

Nous avons commencé notre étude en testant l’activité de deux tamis moléculaires (3A°

et 4A°) sous différentes formes.

Des essais sur la quantité de tamis ont été aussi effectués afin de trouver les bonnes conditions

opératoires pour généraliser par la suite notre réaction d’addition de Michael.

La réaction test a été réalisée sur une condensation à partir de 2-carboxylate de benzyle

cyclopentanone et d’acroléine dans le toluène.

OO

O OO

H

O O

O

toluène

tamis moléculaire

Les résultats sont rassemblés dans le tableau І.

Tableau 1 : Variation de la nature et de la quantité du tamis moléculaire

Essai Tamis moléculaire Conditions

réactionnelles

résultats

1 Tamis 4A° billes t.a, 30ha Adduit, Rdt quant

2 Tamis 3A° billes t.a, 20ha, b Adduit, Rdt quant

3 Tamis 3A° poudre

t.a, reflux 48hb

Peu d’adduit

4 Tamis 3A° poudre activé

t.a, 24hb Peu d’adduit

5 Tamis 3A°billes broyés

t.a, 1h 50mnb Adduit, Rdt quant

a 1,5 g du tamis / 1 mmol de substrat, b 500 mg du tamis / 1 mmol de substrat.

Rdt quant: Rdt > 97%.


40

L’utilisation de 1,5 g du tamis moléculaire 4A° en billes pour 1 mmol de substrat

permet la formation de l’adduit de Michael après 30 h à température ambiante (essai 1).

En comparaison, avec la même quantité en tamis moléculaire 3A°, la réaction est plus rapide,

puisque l’adduit se forme en 20 heures (essai 2a). Ces résultats expérimentaux, nous ont donc

incités à étudier l’effet catalytique de tamis moléculaire 3A°sur l’addition de Michael.

Nous avons d’abord pensé à diminuer la quantité du tamis 3A°. Avec 500 mg de ce dernier, la

conversion n’est pas totale, après 24 heures nous observons sur le spectre RMN-1H l’adduit et

le β-cétoester (essai 2b).

Dans les mêmes conditions opératoires, le tamis moléculaire 3A° en poudre ne permet pas la

formation de l’adduit, même après prolongation du temps au reflux (essais 3, 4). Mais de

manière surprenante, lorsque l’on prend le tamis moléculaire 3A° en billes, qu’on le broie et

qu’on l’utilise dans notre réaction de Michael, on observe la formation de l’adduit de Michael.

Celui-ci est obtenu avec un rendement quasi quantitatif en 1h 50mn si on utilise 500 mg de

tamis pour 1 mmol de substrat (essai 5). Ce sont généralement ces proportions du tamis

moléculaire 3A° que l’on utilisera dans la suite de nos travaux (sauf indication contraire).

III. Variation du solvant de la réaction

Des essais de solvant ont été effectués en utilisant comme substrat le 2-carboxylate de

benzyle cyclopentanone et l’acroléine en vue de la formation de l’adduit de Michael 5

correspondant en présence de tamis moléculaire 3A°broyé.

OO

O OO

H

O O

O

tamis moléculaire

3 A° broyé


41

Tableau 2 : Variation du solvant de la réaction

Essai Solvant Temps a Résultats

1 THF 26h Adduit + produit de départ

2 CH2Cl2 96h Adduit + produit de départ

3 MeOH 1h Spectre complexe

4 Toluène 1h 50mn Adduit

a t.a.

Dans le cas des essais 1 et 2, l’utilisation du tétrahydrofurane ou du dichlorométhane

permet d’obtenir le β-cétoéster α-substitué mélangé avec les produits de départ. Le spectre

RMN du proton du brut montre toujours la présence des deux substrats de départ après 4 jours

à température ambiante.

La réaction est réalisée dans le méthanol conduit à un mélange de produits non identifiables

(essai 3). Par contre, dans le toluène, la condensation du cétoester benzylique avec l’acroléine

fournit proprement l’adduit avec un rendement supérieur 90 % et sans purification par

chromatographie (essai 4).

IV. Étude comparative avec d’autres bases :

Pour compléter notre étude, nous avons ensuite testé plusieurs bases disponibles dans le

laboratoire.

OO

O OO

H

O O

O

Solvant

Base


42

Tableau 3 : une comparaison avec d’autres bases

Essai Base Conditions Résultats

1 DMAPa THF, t.a, 18h Produit de départ

2 DBUa THF, t.a, 18h 40 %

3 Montmorillonite K-10b Toluène, t.a, 24h Produit de départ

4 K2CO3a THF, t.a, 3h adduit, Rdt quant

5 K2CO3a Toluène, t.a, 3h adduit, Rdt quant

6 Tamis 3A° billes broyés b Toluène, t.a, 1h 50mn adduit, Rdt quant

a5 mol % de base, b500 mg de base / 1 mmol de substrat.

Rdt quant: Rdt > 97%.

Avec 5 mol % de 4-diméthylaminopyridine dans le THF à température ambiante, on ne

récupère que les produits de départ même après un temps prolongé (essai 1).

De plus, l’utilisation de 1,8- diazabicyclo-[5.4.0]-undèc-7-ène (DBU), nous a permis d’isoler

l’adduit attendu avec un rendement moyen de 40 % (essai 2). Dans les conditions suivants-

Montmorillonite K-10, THF-, nous isolons après 24 heures, juste les produits de départ (essai

3).

Les essais 4 et 5 montrent qu’avec K2CO3, la réaction a lieu de la même manière et avec un

très bon rendement. Nous avons aussi remarqué que K2CO3 et le tamis 3A° broyé présentent

la même réactivité vis-à-vis de notre séquence sauf qu’avec le tamis moléculaire 3A° broyé,

le temps de la réaction est plus court (essai 6).

L’efficacité catalytique du tamis moléculaire 3A° broyé est ainsi confirmée par cette étude

comparative.


43

V. Recyclage du tamis moléculaire 3A°broyé

Afin de limiter le coût des réactions, nous avons essayé de recycler le tamis moléculaire

3A° broyé. Après formation de l’adduit de Michael et filtration sur célite, celui-ci est

réengagé dans une nouvelle addition de Michael. La réaction est suivie par CCM.

Les tamis 3A° ne sont pas et ne seront pas réactivés avant chaque utilisation, mais feront

l’objet d’un rinçage au toluène après filtration sur célite.

OO

O OO

H

O O

O

toluène, t.a

tamis 3A° broyé

Tableau 4 : Recyclage du tamis moléculaire 3A°broyé

Essai Nombre de recyclage Temps Rdt

1 1ère utilisation 1h 50mn 99 %

2 1ier recyclage 1h 50mn 99 %

3 2 éme recyclage 3h 90 %

4 3 éme recyclage 3h 87 %

5 4 ème recyclage 5h 50 %

Il résulte de cette étude que les tamis moléculaires 3A° broyés peuvent pratiquement

être utilisés deux fois sans perte d’efficacité (99%), alors que dans la deuxième réutilisation le

rendement du produit final étant de l’ordre 90 %. Le troisième et le quatrième recyclages

donnent le produit final en mélange avec le �-cétoester de départ.


44

Après avoir mis au point ces conditions opératoires pour la réaction entre le 2-oxo-

cyclopentane-carboxylate de benzyle et l’acroléine, nous avons essayé de généraliser la

réaction à d’autres accepteurs de Michael et à d’autre dérivés 1,3-dicarbonylés afin d’accéder

aux adduits de Michael diversement fonctionnalisés.

VI. Variation de la nature de l’accepteur de Michael

VI.1. Addition de Michael avec des cétones α,β-insaturées

Une fois les conditions opératoires établies, la suite de notre étude a porté sur la

réactivité de l’acroléine et d’aldéhydes α,β-insaturés substitués en position 2 et 3 vis-à-vis de

β-cétoesters cycliques et acycliques. Plusieurs essais ont été effectués dans le but de tester

l’efficacité de notre nouvelle méthodologie afin de la généraliser.

OR1 R2 R4OR1

O OO OO

R3

R4

R2

R3

O

tamis moléculaire 3A° broyé

toluène

Les conditions ont été effectuées avec du tamis moléculaire 3A° broyé (500 mg du tamis pour

1 mmol de substrat) dans le toluène à température ambiante, ou au reflux de toluène. On

signalera que l’on a procédé à l’ajout du tamis moléculaire (1g, 2g, 3g) dans les cas où les

rendements à l’adduit sont faibles. Voici ci-dessous les résultats que nous avons obtenus.


45

Tableau 5 : Addition de Michael avec des cétones α,β-insaturées

Essai

Dérivé 1, 3- dicarbonylé

Accepteur de Michael

Conditions de réaction

Résultat

1

O

O O

O

t.a, 24h Reflux, 9ha

CO2MeO

O

3 56% + Produit de départ

2

O

O O

O

t. a, 24h

reflux, 9ha

CO2EtO

O

4 60%

+ Produit de départ 3

O

O O

1

O

t. a ,1h 50mna

OH

O O

O5 99%

4

O O

O

reflux 24hb

COMeO

O

6 98%

5 O

O O

O

t.a, 24ha

O

OCO2Et

7

98% 98% 6

O

O O

O

t.a, 8ha

O

O O

O8

97% 7

O O

O O

Ph

O

reflux, 24hc

O O

OPh

O O

9 98% 98%

8 O

O O

O

reflux, 48hd

_

9

O

O O

O

reflux, 48hd

_

a 500 mg du tamis /1 mmol de substrat, b 1 g du tamis /1 mmol de substrat, c 2 g du tamis /1 mmol

de substrat, d 3 g du tamis / 1 mmol.


46

La réactivitée de cyclopentanone ester vis-à-vis de l’addition de Michael avec

l’acroléine s’est révélée beaucoup plus difficile à maitriser. En effet, dans le cas de 2-

carboxylate de méthyle cyclopentanone et 2-carboxylate d’éthyle cyclopentanone, les

conditions opératoires ne permettent pas une conversion totale de β-cétoester et l’acroléine en

adduit correspondant (essais 1et 2). L’utilisation du tamis 3A° broyé à température ambiante

ou au reflux du toluène, a donné les composés 3 et 4 avec des rendements en produit purifiés

de 56 % et 60 %; la réaction est incomplète, il reste du substrat de départ. Au contraire, la

condensation de 2-carboxylate de benzyle cyclopentanone et l’acroléine permet l’obtention

d’adduit attendu 5 avec un rendement de 99 % (essai 3).

La même méthode, nous a aussi permis d’isoler le composé 6 issu de la réaction de l’acetyl-

cyclopentanone et l’acroléine avec un rendement en accord avec le résultat obtenu

précédemment (essai 4). Cette fois-ci pour que l’addition soit complète, il fallait doubler la

quantité de tamis et chauffer le mélange des produits de départ au reflux du toluène pendant

24 heures. Le composé cyclique à six chaînons 2-carboxylate d’éthyle cyclohexanone donne

également un excellent résultat, puisque le produit attendu 7 est obtenu avec un rendement de

à 98 % après une simple filtration sur célite et évaporation du solvant (essai 5).

Afin de généraliser la séquence à l’utilisation d’autres β-cétoesters, nous avons envisagé le

cas des dérivés 1,3-dicarbonylés acycliques. La mise en jeu de l’acétoacétate de méthyle

conduit à la formation de l’adduit de Michael monosubstitué 8 avec un rendement de 97%

(essai 6). La condensation du diester diméthyl-2-phényle malonate avec l’acroléine conduit

au produit attendu 9 toujours avec un rendement quantitatif, mais dans ce cas la conversion

des substrats de départ n’est complète que si on utilise un grand excès de tamis broyé (essai

7).

Une limitation de la méthode réside en l’impossibilité d’utiliser des accepteurs de Michael

substitué en position 2 ou en position 3, tel que le crotonaldéhyde et le méthacryladéhyde. La

condensation de chacun de ces aldéhydes avec la 2-carboxylate de benzyle cyclopentanone

réalisée au reflux du toluène, ne conduit qu’à la dégradation du substrat et l’isolement

d’alcool benzylique (essais 8, 9).


47

VI.2. Addition de Michael avec la méthylvinylcétone et le pyruvate de méthyle

Après avoir montré que la réaction était assez générale dans le cas de l’acroléine

comme accepteur de Michael, nous nous sommes intéressés à d’autres accepteurs et plus

précisément à la méthylvinylcétone et au pyruvate de méthyle. Les mêmes conditions

opératoires ont été appliquées avec différents β-cétoesters cycliques et acycliques. A chaque

fois, on changeait la quantité de tamis moléculaires 3A° broyé afin d’obtenir des adduits de

Michael bruts propres.

OR1 R2 R4OR1

O OO OO

R3

R4

R2

R3

O

tamis moléculaire 3A° broyé

toluène

Tableau 6 : Addition de Michael avec la méthylvinylcétone et le pyruvate de méthyle

Essai Dérivé 1.3 -dicarbonylée

Accepteur de Michael

Conditions de réaction

Produit /Rdt

1 O

O O

O

5h t. a, puis 48 h refluxa

OCO2Et

O

10 98%

2

O

O O

O

5h t.a, reflux 30ha

OCO2Me

O

11 58%

3 O

O O

O

reflux, 10hb

OCO2Me

O

1197 %

4

O

O O

2

O

reflux, 24hb

OCO2tBu

O

12 98%


48

5 O

O O

O

reflux, 10hb

O

O

CO2Et

13 98%

6

O

O O

O

t.a, 12hb

O

O O

O14

96 %

7 O O

O O

Ph

O

reflux, 24hc

O O

O

Ph

O O

15 96%

8

O

O O

PhO

O

O

reflux, 32hb

CO2MeO

O

O

OPh

16

60% a 300 mg du tamis /1 mmol de substrat, b 500 m g du tamis /1 mmol de substrat, c 2 g du tamis /1 mmol de substrat.

Dans beaucoup de cas, nous avons obtenu les adduits de Michael attendus avec une

grande pureté après une simple filtration sur célite pour enlever le catalyseur. Presque toutes

les réactions effectuées avec la méthylvinylcétone nécessitent un chauffage au reflux du

toluène pour qu’elles soient complètes (essais 1, 3, 4, 5 et 7).

La condensation de 2-carboxylate d’éthyle cyclopentanone avec la méthylvinylcétone

conduisant à l’adduit de Michael correspondant 10 en utilisant juste 300 mg de tamis broyé

pour 1mmol de substrat (essai 1). Par contre avec la même quantité du tamis, 2-carboxylate de

méthyle cyclopentanone conduit à un mélange d’adduit et adduit décarboxylé. La

décarboxylation a eu lieu a cause du temps de reflux prolongé (essai 2). L’augmentation de la

quantité du tamis broyé a été bénéfique et nous a permis d’isoler le composé attendu 11 dans

un temps plus court et un rendement de 97% (essai 3). Dans le cas de 2-carboxylate de

tertbutyle cyclopentanone, en appliquant les mêmes conditions opératoires que

précédemment, on obtient un rendement brut de 98 % l’adduit 12 (essai 4).


49

La condensation de 2-carboxylate d’éthyle cyclohexanone et la méthylvinylcétone (essai 5)

permet la formation du produit attendu 13 avec un excellent rendement après un reflux de 10

heures dans le toluène.

Les β-cétoesters cycliques ayant donné de résultats réellement satisfaisants, nous nous

sommes également intéressés aux β-cétoesters acycliques. La mis en oeuvre d’acétoacétate de

méthyle et la méthylvinylcétone a permis à la réaction de donner le produit souhaité 14 quasi

quantitatif juste à température ambiante (essai 6). L’acétoacétate de méthyle possède en α

deux protons labiles, mais en aucun cas, nous n’avons observé un mélange de produits issus

de la mono ou de la double addition de Michael. Lorsque le diméthyl-2-phenylmalonate réagit

avec la cétone α,β-insaturé, la réaction nécessite un grand excès de tamis broyé pour qu’elle

soit complète (essai 7).

Enfin, la condensation de 2-carboxylate de méthyle cyclopentanone avec (E) 2-oxo-4-

phenylbut-3-enoate de méthyle a permis d’obtenir sans difficulté l’adduit de Michael 16 sous

la forme de diastérioisomères (essai 8) à température ambiante. Le mélange réactionnel brut

n’étant pas propre, le produit attendu est obtenu avec un rendement de 60 % après purification

par chromatographie sur gel de silice.

VII. Analyse spectrale et détermination structurale des produits

Les différentes adduits préparés ont été identifiés sur la base de leurs caractéristiques

spectrales RMN-1H, RMN-13C et infrarouge. La détermination structurale détaillée de deux

types d’adduit de Michael -cyclique et acyclique-, est présentée ci-après.

VII.1. Spectrométrie IR

On observe sur le spectre infrarouge l’existence des bandes caractéristiques qui

correspondent aux vibrations d’élongation de liaison C-H de l’aldéhyde à 2730,3 cm-1 et une

bande à 3468 cm-1 correspond aux traces d’eau.


50

L’élongation de la liaison C=O d’une cétone et d’un aldéhyde large et forte à 1735,3 cm-1.

Concernant la liaison C-O de l’ester, l’intensité est forte à 1292 cm-1 et à 1224,9 cm1.

Spectre Infrarouge du composé 4

VII.2. RMN-1H et RMN-13C

• Composé cyclique :

L’analyse du composé cyclique 5 le 2-carboxylate de benzyle-2-(3-oxopropyl)

cyclopentanone par RMN-1H et RMN-13C, nous a révélé des tendances générales

extrapolables à tous les cas étudiés, et qui nous a permis d’identifier précisément tous les

produits cycliques obtenus.

CO2EtO

O

Chapitre 3

-Spectre RMN-1H du composé

En effet le spectre RMN-1H du composé

-Un signal sous forme de triplet

-Un autre signal sous forme de doublet à 5,12

-Les pics du noyau aromatique

forme de multiplets.

5,12 ppm (d)

9,67 ppm (t)

J = 1.70 Hz

J = 1.03 Hz


H du composé 5

H du composé 5 est caractérisé par :

Un signal sous forme de triplet à 9,67 ppm correspondant au proton d’aldéhyde

autre signal sous forme de doublet à 5,12 ppm correspondant au proton H

aromatique apparaissent dans l’intervalle (7,30 ppm

1

2

3

4 5

6

O

7

8

9

1011

12

O

13

O 14O

12 13

7,30 -7,


51

ppm correspondant au proton d’aldéhyde H8.

ppm correspondant au proton H10.

dans l’intervalle (7,30 ppm-7,34 ppm) sous

,34 ppm (m)

Chapitre 3

-Spectre RMN-13 C du composé

En RMN-13C, l’analyse

quaternairs qui n’apparaissent pas sur le RMN

l’autre à 170,82 ppm pour les carbonyles C2 et C9 respectivement. Les deux autres pics

apparaissent à 135,28 ppm et à 58,83

respectivement. On observe aussi un pic à 200,

carbones aromatiques apparaissent

Six carbones apparaissent sous forme de carbones secondaires sur le spectre de RMN

l’un à 66,98, l’autre à 39,2 6

aux carbones C10, C7, C3, C6, C5 et C4 respectivement.


C du composé 5

C, l’analyse spectrale du composé 5 montre l’existence de

qui n’apparaissent pas sur le RMN-DEPT. Un pic apparait à


ppm et à 58,83 ppm attribuables aux carbones quaternaires C11 et C1

observe aussi un pic à 200,91 ppm correspond à C8 de l’aldéhyde. Les

tiques apparaissent entre 127,83 et 128,48 ppm.

Six carbones apparaissent sous forme de carbones secondaires sur le spectre de RMN

ppm et les autres entre 33,77 ppm et 19,40

aux carbones C10, C7, C3, C6, C5 et C4 respectivement.


52

montre l’existence de quatre pics

Un pic apparait à 214,23 ppm et


quaternaires C11 et C1

ppm correspond à C8 de l’aldéhyde. Les

Six carbones apparaissent sous forme de carbones secondaires sur le spectre de RMN-DEPT

ppm correspondent

Chapitre 3

La figure ci-dessous regroupe les différents déplacements

170,82 ppm

214,23 ppm

200,91ppm

58,83 ppm

• Composé a

Nous présentons ci-dessous

oxohexanoate de méthyle) par RMN

le 3-oxo-butanoate de méthyle

- Spectre RMN-1


dessous regroupe les différents déplacements.

1

2

3

4 5

6

O

7 8

9

1011

12

O

13

O 14O

12 13

66,98

135,28

acyclique :

dessous L’analyse du produit acyclique

par RMN-1H et RMN-13C résultant de la réaction de Michael entre

e et la méthylvinylcetone.

1H du composé 14


53

ppm

8 ppm

L’analyse du produit acyclique 14 (2-acétyle-5-

C résultant de la réaction de Michael entre

Chapitre 3

Sur ce spectre le produit fait apparaitre les signaux suivants

-Trois signaux sous forme de singulet à

respectivement aux protons H5,

- Deux signaux sous forme de triplet à

- un dernier signal apparait à

H6.

La figure suivante résume les différents déplacements qui caractérisent le produit

3,39 ppmJ = 7,07 Hz

2,10 ppm

1,99 ppm

- Spectre RMN-13


le produit fait apparaitre les signaux suivants :

Trois signaux sous forme de singulet à 3,59 ppm, 2,10 ppm et 1,99 ppm

H5, H9 et H1.

Deux signaux sous forme de triplet à 3,39 ppm et à 2,36 ppm relatif aux protons H3, H7.

un dernier signal apparait à 1,93 ppm sous forme d’un doublet de doublet

La figure suivante résume les différents déplacements qui caractérisent le produit

12

34 O 5

67

8

9

O O

O

3,59 ppm

13 C du composé 14


54

10 ppm et 1,99 ppm, qui correspondent

relatif aux protons H3, H7.

de doublet pour le proton

La figure suivante résume les différents déplacements qui caractérisent le produit 14.

m


55

Le spectre de la RMN du carbone 13 révèle la présence de trois pics qui n’apparaîssent

pas sur le spectre RMN-DEPT. Un pic apparait à 207,02 ppm, le deuxième à 202,36 ppm et le

troisième à 169,57 ppm pour les carbonyles C2, C8 et C4 respectivement.

On observe aussi trois pics l’un à 52,00 ppm, l’autre à 29,46 ppm et le dernier à 28,62 ppm

attribuables aux carbones tertiaires C5, C9 et C1.

Le carbone C3, qui est sont un des carbone primaire (confirmés par RMN-DEPT)

apparaissent à 57,57 ppm.

Les carbones secondaires C7 et C6 résonnent à 39,19 ppm et à 21,29 ppm respectivement.

Les principales valeurs des déplacements chimiques en RMN-13 C sont présentées dans la

figure suivante:

12

34 O 5

67

8

9

O O

O

207,02 ppm

202,36 ppm

169,57 ppm57,57 ppm

28,62 ppm52,00 ppm

29,46 ppm

X. Conclusion:

Au cours de cette étude, nous avons montré l’efficacité du tamis moléculaire 3A° broyé

dans le toluène; ceci constitue un nouveau système catalytique pour l’addition de Michael des

dérivés 1,3-dicarbonylés avec des composés carbonylés α,β-insaturés.

Cette méthode facile à mettre en œuvre, sélective et respectueuse de l’environnement, permet

une préparation hautement efficace d’adduits de Michael diversement fonctionnalisés. Une

simple filtration du milieu réactionnel et l’évaporation du solvant suffisent à obtenir des

produits d’une très bonne pureté chimique avec de bons rendements. De plus, les tamis

moléculaires sont facilement manipulables et réutilisables.

Conclusion

Générale

56

Conclusion générale

L’objective de notre travail était de préparer des molécules polyfonctionnalisées, à

partir des réactifs aisément accessibles par une simple réaction de Michael, en respectant au

mieux les principes de la chimie verte.

L’application de cette réaction sur les dérivés 1,3-dicarbonylés avec des aldéhydes et

cétones α,β-insaturés, en présence du tamis moléculaire permet d’obtenir, par simple

filtration, des adduits d’un grande pureté avec de très bons rendements.

Nous avons comparé la réactivité des tamis moléculaires 3A° et 4A° et nous avons

observé que le tamis moléculaire 3A° broyé est plus efficace dans la réaction d’addition de

Michael. De plus, nous avons montré que ce catalyseur pouvait être réutilisé.

Nous avons également testé différents accepteurs de Michael avec une série de dérivés

1,3-dicarbonylés, en présence du tamis moléculaire 3A° broyé. Nous avons noté que les

aldéhydes et les cétones α,β-insaturés non substitués en position α ou β donnaient des résultats

satisfaisants.

Cette application permet de former en une seule étape un centre asymétrique et une liaison carbone-carbone. C’est une méthode -propre et économique-, fort intéressante à développer pour l’obtention de composés polyfonctionnalisés potentiellement exploitables en synthèse.

Bibliographie

57

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61

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[83] Habib Zahmani, H. thèse de Doctorat d’état, Université d’Oran 2007.

Partie

Expérimentale


62

I. Généralités

Réactifs :

Les produits chimiques et les solvants mis en œuvre dans nos réactions sont des produits

commerciaux et disponibles au niveau du laboratoire.

Réactions :

Toutes les réactions sont faites à température ambiante ou au reflux, avec une agitation

magnétique.

Chromatographie :

Les chromatographies sur couche mince (CCM) ont été effectuées sur des plaques de silice

Merck 60F254 et révélées sous une lampe Ultra-violet (λ= 254 nm), ou par l’utilisation d’un

révélateur de carbonyle [p-anisaldéhyde (5 ml), éthanol (90 ml), acide acétique (30 gouttes)], ou

d’un révélateur de liaisons multiples [ KMnO4 3 g, K2CO3 20 g, H2O 300 ml, NaOH 5 % 5 ml ].

Les séparations de produits par chromatographie sur colonne ont été effectuées sur gel de silice

Merck 230-400 Mesh.

Spectroscopie :

� Résonance magnétique nucléaire

Les spectres RMN du proton et de carbone ont été enregistrées sur un appareil Brucker AC

300 (300 MHz) et AC 400 (400 MHz), dans un solvant deuterié. Les déplacements chimiques δ

sont donnés en partie par million (ppm) par apport au TMS utilisé comme référence. Les mesures

ont été effectuées dans le chloroforme deuterié (CDCl3), 7.26 ppm en RMN du proton et 77.16

ppm en RMN du carbone. Chaque spectre 13C est accompagné d’une séquence augmentation des

distortions par transfert de polarisation DEPT, qui en différenciant le CH et le CH3 des CH2 et en


63

élimine le signal les quaternaire, permet l’attribution des signaux. Les abréviations s, d, t, q, m, nd

et dd signifient respectivement singulet, doublet, triplet, quadruplet, massif, non déterminé et

doublet de doublet. Les constantes de couplage sont exprimées en Hertz (Hz).

� Spectrométrie infrarouge

Les spectres infrarouges ont été enregistrés sur un spectromètre Alpha-p Bruker ATR

diamond FT-IR. Les fréquences d’absorption sont exprimées en cm-1.

� Point de fusion

Les points de fusion ont été déterminés sur un appareil banc chauffant KOFLER.

II. Mode opératoires et donnés spectroscopiques

ІІ.1. Procédure générale de transestérification

O

OR'

O

R'' OHDMAP, tamis 3A°

toluène, reflux, 24 h

O

OR''

O

Dans un ballon bicol muni d’un Dean-Stark rempli de tamis moléculaire 3A° et de toluène,

d’un réfrigérant, d’un système d’agitation magnétique, on place le β-cétoester (1 équiv; 2,5 mmol)

dissous dans 20 ml de toluène. On ajoute le DMAP (1,1 équiv) et l’alcool (3 équiv). Le mélange

est ensuite porté au reflux pendant 24 heures. Le solvant est évaporé sous pression réduite. Le

résidu huileux est purifié par chromatographie sur gel de silice.


64

2- carboxylate d’éthyle cyclopentanone 1 g 6,40 mmol

Alcool tertiobutylique 1,61 mL 19,20 mmol

D MAP 861 mg 7,04 mmol

Toluène 30 mL

Conditions de réaction 24 heures au reflux

Aspect huile jaune

R f (éther diéthylique 20/éther de pétrole 80) 0,54

Rendement C10H16 O3 (184,23 g/mol) 90 %

12

3

4 5

6 O7

O

8

O

8

8

2-carboxylate d’éthyle cyclopentanone 1 g 6,40 mmol

Alcool benzylique 1,21 mL 19,20 mmol

DMAP 861 mg 7,04 mmol

Toluène 30 mL


Aspect huile jaune



1 H RMN

13 C RMN

H1 : 2,37; t, J = 6,4 Hz (1H) nd : 2,28-2,25; m (2H) nd : 2,20-2,04; m (4H) H8: 1,42; s (9H)

C2: 212,18 C6: 168,26 C7: 80,86 C1: 55,20 C3: 37,49 C8: 27,47 C5: 26,94 C4: 20,41

2-carboxylate de tertiobutyle cyclopentanone 1

2-carboxylate de benzyle cyclopentanone 2


65

12

3

4 5

O

6 7O8

9

O

10

11

10

9

1'2'

3'

4' 5'

OH

6' 7'O8'

9'

O

10'

11'

10'9'

II.2. Procédure générale de la réaction de Michael

OO

O O

OH

O O

O

toluène

Base

� Avec le DBU

Dans un ballon monocol de 50 ml, muni d’une agitation magnétique, on place le

dérivé, 1,3-dicarbonylé (β-cétoester) 0,64 mmol (1 équiv) dans 7ml de THF. Nous ajoutons

successivement 5 mol % de DBU et 0,96 mmol (1,5 équiv) d’accepteur de Michael. On

agite à température ambiante, l’avancement de la réaction est suivi par CCM. Le solvant

est évaporé sous pression réduite, le résidu huileux est repris avec 30 ml d’une solution

1 H RMN

13 C RMN

H9, H10, H11: 7,39-7,32; m (5H) H10a: 5,21; s (1H) H10b: 4,66; s (1H) nd: 2,53-2,34; m (1H) H1: 2,28; t, J = 6,61 Hz (1H) nd: 2,24-2,11; m (1H) nd : 1,89-1,76; m (1H) nd : 1,75-1,57; m (3H)

C2: 206,05 C6: 172,39 C8: 135,95 C9: 128,36 C10: 128,30 C11: 127,92 C7: 66,64 C1: 57,08 C3: 28,95 C5: 26,90 C4: 23,14

H(OH): 12,20; s 1(H) C6’: 172,27 C2’: 169,75 C8’: 135,45 C9’: 127,66 C11’: 127,31 C10’: 126,77 C1’: 97,50 C3’: 65,54 C7’: 64,93 C5’: 41,39 C4’: 29,80


66

d’acide chlorhydrique 1N. Après extraction avec de l’éther diéthylique (3x 40ml), les

phases organique sont ensuite lavées à l’eau (2x 20 ml) puis avec solution saturée de NaCl

(20ml). Après séchage sur sulfate de magnésium, on filtre et on évapore le solvant sous

pression réduite. Le produit est purifié par chromatographie sur gel de silice.

� Avec le DMAP

Dans un ballon de 10 ml, muni d’une agitation magnétique, nous introduisons le

β-cétoester 0,64 mmol (1 équiv) dans 7 ml de toluène (ou THF). Nous additionnons, par

la suite, l’accepteur de Michael 0,96 mmol (1.5 équiv) et une quantité catalytique du

DMAP (500mg /1mmol). On agite à température ambiante, pendant 18 heures.

L’avancement de la réaction est suivi par CCM. Le mélange réactionnel est filtré et le

solvant est évaporé sous pression réduite.

� Avec le Tamis moléculaire 3A° broyé ou K2CO3 ou Montmorillonite K-10:

Dans un ballon de 10ml, muni d’un système d’agitation magnétique, on dissout le β-

cétoester 0.64 mmol (1 équiv) dans 10ml de toluène. On ajoute par la suite, un accepteur

de Michael (1.5 équiv) et une quantité catalytique du tamis moléculaire 3A° broyé (ou du

K2CO3 ou Montmorillonite K-10). Le mélange réactionnel est agité à température ambiante

ou au reflux, l’avancement de la réaction est suivi par CCM. Le résidu est filtré sur célite

et le solvant est évaporé sous pression réduite.

2- carboxylate de méthyle cyclopentanone 100 mg 0,70 mmol

Acroléine 70 µL 1.05 mmol

Tamis moléculaire 3A° broyé 350 mg

Toluène 10 mL

Conditions de réaction 24 heures à t. a

heure 9 heures reflux

Aspect huile jaune



2- carboxylate de méthyle-1-(3-oxopropyl) cyclopentanone 3


67

1

2

3

4 56

78

9O

10O

OO

IR (film): 2954,1728, 1445, 1272-1050.

2- carboxylate d’éthyle cyclopentanone 100 mg 0,64 mmol

Acroléine 63 µL 0,96 mmol


Toluène 10 mL

Conditions de réaction 24 heurs à t. a

Aspect huile incolore

R f (éther diéthylique 50/éther de pétrolé 50) 0,30

Rendement C11H16 O4 (212,24 g/ mol) 60 %

1

56

2

3

4

O

78

9

10

O

11

OO

1 H RMN

13 C RMN

H3, H4, H5, H6, H7: 1,50-2,60; m (10H) H10: 3,25; s (3H) H8: 9,70; s (1H)

C2: 214,5 C8: 201,1 C9: 171,1 C1: 58,8 C10: 52,5 C3: 39,3 C7: 37,8 C6: 33,8 C5: 25,4 C4: 19,5

1 H RMN

13 C RMN

H8: 9,72; s (1H) H 10: 3,85; q, J = 7,4 Hz (2H) H3, H4, H5, H6, H7: 1,49-2,66; m (10H) H11: 1.25; t, J = 7,3 Hz (3H)

C2: 215,8 C8: 202,1 C9: 172,6 C1: 70,9 C10: 61,6 C7: 38,1 C3: 37,3 C6: 24,1 C5: 19,9 C11: 14,8 C4: 8,9

2-carboxylate d’éthyle-1-(3-oxopropyl) cyclopentanone 4


68

2- carboxylate de benzyle cyclopentanone 100 mg 0,46 mmol

Acroléine 45,88 µL 0,69 mmol


Toluène 10 ml

Conditions de réaction 1heure 50 à t. a

Aspect huile jaune



1

23

4 5 6

O

7

8

9

10 11

12

O

13

O 14O

1312

2-acétylcyclopentanone 100 mg 0,75 mmol


Tamis moléculaire 3A° broyé 750 g

Toluène 10 mL


1 H RMN

13 C RMN

H8: 9,67; t, J = 1,03 Hz (1H) H12, H13, H14: 7.34-7.30; m (5H) H10: 5,12; d, J = 1,70 Hz (2H) nd: 2,66-2,58; m (1H) nd: 2,50-2,42; m (3H) nd: 2,41-2,26; m (4H) nd: 2,24-2,12; m (2H)

C2: 214,23 C8: 200,91 C9: 170,82 C11: 135,28 C12: 128,48 C14: 128,25 C13: 127,83 C10: 66,98 C1: 58,83 C7: 39,26 C3: 37,77 C6: 33,88 C5: 25,33 C4: 19,40

2-acétyl-2(3-oxopropyl) cyclopentanone 6

2-carboxylate de benzyle -1-(3-oxopropyl) cyclopentanone 5


69

Aspect huile jaune



12

3

4 5 6 7

8

9 10

O

O O

2-carboxylate d éthyle cyclohexanone 100 mg 0,56 mmol


Tamis moléculaire 3A° broyé 280 m g

Toluène 10 mL

Conditions de réaction 24 heures à t.a



Rendement C12H18 O4 (226,27g/mol) 98 %

123

4

56

O

78

9

10O

1112

OO

IR (film) : 2937, 2856, 171.

1 H RMN

13 C RMN

H8: 10,01; s (1H) nd: 2,55-2,45; m (4H) nd: 2,30-2,28; m (6H) H10: 2,15; s (3H)

C2: 213,1 C9: 210,4 C8: 204,2 C1: 75,5 C7: 29,4 C3 : 27,8 C10: 25,2 C6: 20,1 C4: 18,2 C5: 17,4

1 H RMN

13 C RMN

H9: 9,70; s (1H) H11: 4,17; q, J = 7,1 Hz (2H) H3, H4, H5, H6: 2,40; m (12H) H7, H8 H12 : 1,23; t, J = 7,1 Hz (3H)

C2: 208,1 C9: 201,6 C10: 172,1 C11: 61,8 C1: 60,2 C6: 41,3 C3: 39,7 C8: 36,9 C5: 27,8 C4: 27.2 C7: 22,8 C12: 14,4

2- carboxylate d’éthyle-2-(3-oxopropyl)cyclohexanone 7


70

3-oxobutanoate de méthyle 100 mg 0,86 mmol



Toluène 10 mL



R f (éther diethylique 50/éther de pétrole 50) 0,35

Rendement C8H12 O4 (172,18 g/mol ) 97%

1 23

4 O 5

6

O

7

O

8

O

Diméthyle-2-phényle malonate 100 mg 0,48 mmol



Toluène 10 mL


Aspect huile jaune


Rendement C14H16 O5 (264,27g/ mol) 98 %

1 H RMN

13 C RMN

H8: 9,61; t, J = 1,03 Hz (1H) H5: 3,61; s (3H) H3 3,40; t, J = 7,07 Hz (1H) H7: 2,41; td, J = 7,36; 1,03 Hz (2H) H1: 2,12; s (3H) H6: 1,99-2,02; m (2H)

C2: 202,27 C8: 200,80 C4: 169,49 C5: 57,85 C3: 52,23 C7: 40, 69 C1: 28,83 C6: 19,84

2-acétyl-5-oxo-pentanoate de méthyle 8

2-(3-oxopropyl)-2-phényle malonate de méthyle 9


71

1O2

34

5 O6

O

7

O

8

910

11O

4

6

7

2-carboxylate d’éthyle cyclopentanone 100 mg 0,64 mmol

Méthylvinylcetone 78,60 µL 0,96 mmol


Toluène 10 mL

Conditions de réaction 5 heures à t.a puis 14 heures reflux Aspect huile incolore

Rf (éther diéthylique 50/éther de pétrole 50) 0,15

Rendement C12H18 O 4 (226,27g/mol ) 98 %

12

3

4 5 6

O

7 8 9

10

1112O O

O

1 H RMN

13 C RMN

H11: 9,64; s (1H) H6,H7,H8: 7,30-7,34; m (5H) H4: 3,73; s (3H) H4: 3,72; s (3H) H10: 2,62; t, J = 7.60 Hz (2H) H9: 2,46; t, J = 7.45 Hz (2H)

C11: 200,49 C1: 170,66 C3: 168,38 C5: 136,30 C8: 129,06 C6: 128,29 C7: 127,54 C2: 61,73 C4: 52,70 C10: 39,67 C9: 27,97

1 H RMN

13 C RMN

H11: 4,06; q, J = 14,16; 7,17 Hz (2H) nd: 2,66-2,54; m (1H) nd: 2,42-2,20; m (4H) H9: 2,09; s (3H) nd: 2,00-1,92; m (2H) nd: 1,89-1,76; m (3H) H12: 1,15; t, J = 7,17 Hz (3H)

C2: 214,64 C8: 207,53 C10: 171,13 C1: 61,15 C11: 58,71 C7: 38,61 C3: 37,71 C6: 34,04 C9: 29,67 C5: 26,27 C4: 19,34 C12: 13,82

2- carboxylate d’éthyle -2-(3-oxobutyl) cyclopentanone 10


72

2-carboxylate de méthyle cyclopentanone 100 mg 0,70 mmol



Toluène 10 mL

Conditions de réaction 10 heures reflux



Rendement C11H16 O4 (212,24g/ mol). 97 %

12

3

4 5 6

O

7 8

10

11O O

O9

IR (film) : 2959, 1750, 1718,1442,1364,1258,1164.

tert-butyl 2-oxo-cyclopentanecarboxylate 100 mg 0,54 mmol



Toluène 10 mL


Aspect huile jaune


Rendement C14H22 O4 (254,32g/mol) 98%

1 H RMN

13 C RMN

H11: 3,61; s (3H) H9: 2,04; s (3H) H3, H4, H5, H6, H7: 2,68-1,72; m (10H)

C2: 214,53 C8: 207,47 C10: 171,56 C1: 58,73 C11: 52,25 C3: 38,57 C7: 37,67 C5: 33,92 C9: 29,63 C6: 26,75 C4: 19,29

2-carboxylate de méthyle-2-(3-oxobutyl) cyclopentanone 11

2-carboxylate de tert-butyle 2-(3-oxobutyl)cyclopentanone 12


73

12

3

4 56

O

7 8

9

10

11

12

O

O12

O12

2-carboxylate d’éthyle cyclohexanone 100 mg 0,58 mmol



Toluène 10 mL





12

3

45

6

O7

8 9

10

11 12

O

13

O

O

1 H RMN

13 C RMN

nd : 2,70-2,59; m (1H) nd : 2,37-2,27; m (3H) nd : 2,22-2,11; m (2H) H9: 2,05 ; s (3H) nd : 1,96-1,89; m (3H) nd: 1,84-1,76; m (1H) H12: 1,36 ; s (9H)

C2: 214,99 C8: 207,73 C10: 170,44 C11: 81,73 C1: 59,28 C7: 38,68 C3: 37,79 C6: 34,30 C9: 29,70 C12: 27,69 C5: 26,83 C4: 19,40

1 H RMN

13 C RMN

H8: 4,04; q d, J = 7,17; 1,70 Hz (2H) nd: 2,46-2,13; m (6H) H13: 1,16; s (3H) nd: 1,92-1,85; m (2H) nd: 1,79-1,60; m (2H) nd: 1,51-1,43; m (2H) H9: 1,11; t, J = 7,17 Hz (3H)

C2: 207,43 C12: 207,23 C7: 171,56 C8: 60,97 C1: 59,54 C11: 40,60 C3: 38,34 C10: 36,20 C13: 29,48 C6: 27,98 C4: 27,12 C5: 22,15 C9: 13,74

2-carboxylate d’éthyle -2-(3-oxobutyl) cyclohexanone 13


74

3-oxobutanoate de méthyle 100 mg 0,86 mmol

Méthylvinylcetone 105,62 µL 1,29mmol


Toluène 10 mL





1 23

4 O 5

67

8

9

O O

O

2-phenyl-malonate de méthyle 100 mg 0,48 mmol



Toluène 10 mL


Aspect huile jaune



1 H RMN

13 C RMN

H5: 3,59; s (3H) H3: 3,39; t, J = 7,07 Hz (1H) H7: 2,36; t, J = 6,88 Hz (2H) H1: 2,10; s (3H) H9: 1,99; s (3H) H6: 1,93; dd, J = 6,80; 2,26 Hz (2H)

C2: 207,02 C8: 202,36 C4: 169,57 C3: 57,57 C5: 52,00 C7: 39,19 C9: 29,46 C1: 28,62 C6: 21,29

2-acétyle-5-oxohexanoate de méthyle 14

2-(3-oxobutyl)-2-phenyl-malonate de méthyle 15


75

O 12

3 4O

56

7

8

9

10

1112

11

4

10

O O

O

2-carboxylate de méthyle cyclopentanone 100 mg 0,70 mmol

2-oxo-4-phenylbut-3-énoate de méthyle 200,68 mg 1,05 mmol


Toluène 10 mL


Aspect solide jaune Pf = 115-113°C

Rf (éther diéthylique 50/éther de pétrole 50)

Rendement C18H20 O5 (332,35/mol) 60%

1 H RMN

13 C RMN

H12, H11, H10: 7,30-7,34; m (5H) H4: 3,72; s (6H) H6: 2,59; t, J = 7,49 Hz (2H) H5: 2,43; t, J = 7,27 Hz (2H) H8 : 2,04, s (3H)

C7: 207,04 C1: 170,83 C3: 168,39 C9: 136,43 C10: 129,07 C11: 128,22 C12: 127,63 C2: 61,72 C4: 52,64 C6: 39,01 C8: 29,76 C5: 29,17

Methyl 1-(4-méthoxy-3,4-dioxo-1-phenylbutyl)-2 16

161611117oxocyclopentanecarboxylate


76

6

4

910

*

5

O

8

16

*

7

12

3O

15

O14

O1113

O

O

12

Deux diastérèoisomères

1 H RMN

13 C RMN

H12, H13, H14: 7,28-7,34; m (5H) H6: 3,67; t; J = 7,54 Hz (1H) H10: 3,60; s (3H) H16: 3,54; s (3H) H7: 2,01; dd; J = 7.44, 3.42 Hz (2H) nd: 2,94-2,90; m (2H) nd : 2,88-2,78; m (4H)

C2: 214.51 C10: 191,33 C11: 170,45 C6: 160,76 C13: 138,65 C14: 129,35 C15: 128,24 C16: 127,26 C1: 63,90 C7: 52,65 C12: 52,51 C8: 43,45 C9: 41,22 C3: 39,05 C5: 31,58 C4: 19,05

C2: 212.81 C10: 191,20 C11: 170,14 C6: 160,67 C13: 138,09 C14: 128,75 C15: 128,10 C16: 127,17 C1: 63,71 C7: 52,59 C12: 52,43 C8: 42,49 C9: 40,58 C3: 38,11 C5: 29,63

Annexe

75 M

Hz

( C

DC

l 3)

Fig

ure

1: S

pect

re d

e R

MN

-13C

du

com

posé

5

1

23

45

6

O

7

8

9

1011

12 O

13

O14

O

1312

77

Fig

ure

2 : S

pect

re d

e R

MN

-1 H d

u co

mpo

sé 5

300

MH

z (

CD

Cl 3)

1

23

45

69

OO

78

6

O

7

8

9

1011

12 O

13

14

1312

Fig

ure

12

3

45

6

O

78

9

10

11

12

O

O12

O12

300

MH

z (

CD

Cl 3)

Fig

ure

3 : S

pect

re d

e R

MN

-1 H d

u co

mpo

sé 1

2

79

Fig

ure

75 M

Hz

( C

DC

l 3)

Fig

ure

4 : S

pect

re d

e R

MN

-13C

du

com

posé

12

12

3

45

6

O

78

9

10

111

2

O

O1

2O

12

80

Fig

ure

75 M

Hz

( C

DC

l

Fig

ure

5 : S

pect

re d

e R

MN

-13C

du

com

posé

13

MH

z (

CD

Cl 3)

12

3 45

6

O7

89

10

1112

O

13

O

O

81

300

MH

z (

CD

Cl 3)

Fig

ure

6: S

pect

re d

e R

MN

-1 H d

u co

mpo

sé 1

3

12

3 45O

O

82

1

6

7

89

10

1112

O

13

O

O

Fig

ure

Fig

ure

7 : S

pect

re d

e R

MN

-1 H d

u co

mpo

sé 1

4

300

MH

z (

CD

Cl 3)

12

34

O5

67

8 9

OO

O

83

Fig

ure

Fig

ure

8 : S

pect

re d

e R

MN

-13C

du

com

posé

14

75 M

Hz

( C

DC

l 3)

12

34

O5

67

8 9

OO

O

84

85

Récapitulatif des molécules synthétisées

O

O

O

O

O O

O

OO

O

O

OO

O

O

O

O O

O

OO

O

O OO

O

OO

O O

OO O

O

OO O

O

O

O

OO

O

O

β-cétoesters cycliques

Produits de la réaction d’addition de Michael avec des β-cétoesters cycliques

86

O

O O

O

O

O O

O

O O

O O

O

O O

O O

O

Produits de la réaction d’addition de Michael avec des β-cétoesters acycliques

Résumé

Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’étude de la

réaction de Michael en milieu hétérogène. Pour cela, nous avons additionné des dérivés 1,3-

dicarbonylés -cycliques et acycliques- sur des aldéhydes et cétones α,β-insaturés, en présence

de tamis moléculaires.

Nous avons commencé par étudier l’effet des tamis moléculaire de 3 et 4A°, sous différentes

formes, dans le milieu réactionnel. Avec le tamis moléculaire 3A° broyé, nous avons obtenu

des adduits de Michael avec des rendements quantitatifs.

Dans un second temps, nous avons mis en œuvre cette addition de Michael avec différentes

cétones et aldéhydes α,β-insaturés.

Les conditions réactionnelles mise en point, nous ont permis d’accéder à des produits

cycliques et acycliques possédant un centre quaternaire, en une seule étape. L’étape de

purification des produits s’effectue par une simple filtration.

Cette transformation chimio- et régio- sélective, facile à mettre en œuvre, s’est révélée

intéressante pour l’obtention de β-cétoesters polyfonctionnalysés exploitables dans des

schémas de synthèse.

Mots- clés :

Addition de Michael; Dérivés 1,3 dicarbonylés; Tamis moléculaire; Catalyseur hétérogène;

Fonctionnalisation; Zéolithe; Chimie verte; β-cétoesters.

Documents

1 page de garde · 2015. 5. 5. · 1 Introduction générale Les stratégies en synthèse organique ne cessent de se développer avec l’apparition de nouvelles méthodologies répondant