FONCTIONNALISATION C-H D’HETEROCYCLES DERIVES DE LA

1

UNIVERSITE DE REIMS CHAMPAGNE-ARDENNE

ECOLE DOCTORALE SCIENCES, TECHNOLOGIES, SANTE

THESE DE DOCTORAT

Présentée par

Alexandre Alain VASSEUR

En vue d’obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE REIMS CHAMPAGNE-ARDENNE

SPECIALITE : CHIMIE ORGANIQUE

FONCTIONNALISATION C-H D’HETEROCYCLES DERIVES DE LA BIOMASSE : REACTIONS PALLADO-CATALYSEES

DE HECK DESHYDROGENANTES

Soutenue le 08 novembre 2012 devant le jury :

M. Jean-Cyrille HIERSO, Professeur, Université de Bourgogne. Rapporteur

M. Jérôme WASER, Professeur, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Rapporteur

M. Nicolas RABASSO, Maître de Conférences, Université Paris-Sud 11. Examinateur

M. Norbert HOFFMANN, Directeur de Recherche CNRS, Université de Reims. Examinateur

M. Jacques MUZART, Directeur de Recherche CNRS, Université de Reims. Invité

M. Jean LE BRAS, Chargé de Recherche CNRS, Université de Reims. Directeur de thèse

2

Ce mémoire est le résultat d’un travail réalisé au sein de l’équipe Catalyse de l’UMR CNRS

7312 sous la direction du Dr. Jean LE BRAS. Je tiens à lui exprimer ma sincère reconnaissance pour

m’avoir accueilli dans son laboratoire ainsi que pour ses conseils, sa disponibilité et la totale liberté

avec laquelle il m’a laissé évoluer au cours de ces trois années. Je tiens également à remercier M. le

Dr. Jacques MUZART pour ses conseils, ses remarques, les discussions scientifiques échangées et

l’aide précieuse qu’il m’a fourni lors de la rédaction du manuscrit.

Par ailleurs, j’exprime ma reconnaissance envers les Professeurs Jean-Cyrille HIERSO et

Jérôme WASER pour avoir accepté d’être les rapporteurs de cette thèse. Je suis également

reconnaissant envers MM. les Dr. Nicolas RABASSO et Norbert Hoffmann pour avoir accepté de

participer à ce jury.

Mes remerciements s’adressent aussi au personnel technique et administratif de l’unité et au

Dr. Dominique Harakat avec qui j’ai travaillé sur les études mécanistiques par spectrométrie de

masse à ionisation électrospay.

Enfin, je remercie le CNRS et la région Champagne-Ardenne pour le soutien financier dont ils

m’ont fait bénéficier.

3

Sommaire

Instrumentation ............................................................................................................. 9

Liste des abréviations ................................................................................................... 11

INTRODUCTION ............................................................................................................ 13

Chapitre 1 : Réactions de Heck Déshydrogénantes de furanes et thiophènes avec

des styrènes .................................................................................................................. 17

Introduction ................................................................................................................ 18

La réaction de Mizoroki - Heck .............................................................................. 18

La réaction de Heck oxydante ............................................................................... 20

La Réaction de Heck Déshydrogénante (RHD)...................................................... 21

Partie A : Réactions de Heck Déshydrogénantes de furanes avec des styrènes dans

des conditions douces .................................................................................................. 24

Introduction ................................................................................................................ 24

A.1. Bibliographie ....................................................................................................... 26

A.2. Résultats et discussion ....................................................................................... 36

A.2.1. Constat de départ ........................................................................................ 36

A.2.2. Effet du co-solvant ...................................................................................... 38

A.2.3. Synthèse de styrylfuranes........................................................................... 39

A.2.4. Limites de la méthode ................................................................................ 41

A.2.5. Conclusion ................................................................................................... 41

A.3. Partie expérimentale .......................................................................................... 42

A.3.1. Informations générales ............................................................................... 42

A.3.2. Préparation du (E)-3-furylacrylate de méthyle .......................................... 42

A.3.3. Synthèse de styrylfuranes........................................................................... 43

Partie B : Réactions de Heck Déshydrogénantes de thiophènes avec des styrènes

dans des conditions douces ......................................................................................... 48

Introduction ................................................................................................................ 48

B.1. Bibliographie ....................................................................................................... 49

4

B.2. Résultats et discussion ....................................................................................... 52

B.2.1. Constat de départ ........................................................................................ 52

B.2.2. Synthèse de styrylthiophènes..................................................................... 52

B.2.2.1. Avec les 2-alkylthiophènes .................................................................. 52

B.2.2.2. Avec les 2-halogénothiophènes .......................................................... 53

B.2.3. Limites de la méthode ................................................................................. 54

B.2.4. Valorisation de la réaction .......................................................................... 55

B.2.5. Conclusion ................................................................................................... 56

B.3. Partie expérimentale .......................................................................................... 56

B.3.1. Informations générales ............................................................................... 56

B.3.2. Synthèse de 5-alkyl-2-styrylthiophènes ..................................................... 57

B.3.2. Synthèse de 2-halogéno-5-styrylthiophènes ............................................. 61

Partie C : Influence de l’oxydant sur l’activité du catalyseur ..................................... 65

Introduction ................................................................................................................ 65

C.1. Bibliographie ....................................................................................................... 65

C.1.1. La benzoquinone, un réoxydant du Pd(0) en Pd(II) ................................... 65

C.1.2. La benzoquinone, un promoteur de l’activation de liaisons C-H .............. 68

C.1.3. La benzoquinone, un promoteur de l’élimination réductrice ................... 69

C.1.4. La benzoquinone, un promoteur de la transmetallation oxydante .......... 76

C.1.5. La benzoquinone, un promoteur de l’oxydation de l’hydrure de Palladium

H-Pd ............................................................................................................. 77

C.1.6. La benzoquinone, un inhibiteur de l’élimination ββββ-H ................................ 78

C.1.7. La benzoquinone, un promoteur de la migration de ligand ...................... 80

C.2. Résultats et discussion ........................................................................................ 80

C.2.1. Constat de départ ........................................................................................ 80

C.2.2. Etude de l’étape d’activation de liaison C-H .............................................. 81

C.2.3. Influence de la benzoquinone sur la vitesse initiale .................................. 82

C.2.4. Influence de la benzoquinone sur l’étape d’insertion de l’alcène ............ 83

C.2.5. Cycle catalytique.......................................................................................... 86

5

C.3. Conclusion ........................................................................................................... 87

C.4. Partie expérimentale .......................................................................................... 88

C.4.1. Préparation du 2-méthylthiophène-5d ...................................................... 88

C.4.2. Mode opératoire pour le suivi cinétique des réactions ............................. 88

Chapitre 2 : Etude SM-IES de la RHD de furanes avec des acrylates en utilisant la

benzoquinone comme oxydant et le DMSO comme solvant ..................................... 89

Introduction ................................................................................................................ 90

Partie D : Introduction à l’électrospray couplé masse, ............................................... 91

Introduction ................................................................................................................ 91

D.1. Schéma général du spectromètre de masse Q-TdV .......................................... 91

D.2. Source et interface ............................................................................................. 92

D.3. L’analyseur quadripolaire .................................................................................. 93

D.4. La cellule de collision .......................................................................................... 95

D.5. L’analyseur à Temps de Vol ................................................................................ 95

D.6. L’analyse SM/SM-IES .......................................................................................... 98

D.7. Conclusion ........................................................................................................... 98

Partie E : Etude SM-IES de la RHD de furanes et d’acrylates en utilisant la

benzoquinone comme oxydant et le DMSO comme solvant ..................................... 99

Introduction ................................................................................................................ 99

E.1. Bibliographie ....................................................................................................... 99

E.2. Résultats et discussion ...................................................................................... 110

E.2.1. Méthodologie ............................................................................................ 110

E.2.2. Réaction étudiée ........................................................................................ 110

E.2.3. Rôle du DMSO ............................................................................................ 111

E.2.3.1. Analyse par SM-IES(+) de Pd(OAc)2 et de BQ, dans un mélange

AcOH/DMSO ....................................................................................... 111

E.2.3.2. Effet positif du solvant sur l’activité du catalyseur .......................... 113

E.2.4. Etude de l’étape de l’activation de liaison C-H de l’hétéroarène ............ 114

6

E.2.4.1. Analyse par SM-IES(+) de Pd(OAc)2, BQ, et A1 dans un mélange

AcOH/DMSO ....................................................................................... 114

E.2.5. Etude de l’insertion de l’alcène et de l’élimination ββββ-H .......................... 120

E.2.5.1. Analyse par SM-IES(+) du mélange Pd(OAc)2, BQ, A1 et D1 dans un

mélange AcOH/DMSO ..................................................................... 120

E.2.5.2. Réaction secondaire : activation de l’acrylate de t-butyle D1 ......... 123

E.2.5.3. Insertion de l’alcène dans la liaison Pd-furyle .................................. 124

E.2.5.3. Réaction d’élimination ββββ-H et rôle complexant du produit généré 125

E.2.6. Evolution du milieu réactionnel ................................................................ 127

E.2.7. Cycles catalytiques .................................................................................... 129

E.3. Conclusion ......................................................................................................... 130

E.4. Partie expérimentale ........................................................................................ 131

E.4.1. Dispositif expérimental ............................................................................. 131

E.4.2. Mode opératoire ....................................................................................... 131

E.4.3. SMHR des espèces observées ................................................................... 131

E.4.4. Agrandissement des spectres présentées en partie E ............................. 132

E.4.5. Spectres SM/SM des espèces identifiées ................................................. 143

Chapitre 3 : RHD d’hétéroarènes avec des styrènes en milieu aérobie et effet négatif

des co-oxydants métalliques ..................................................................................... 148

Introduction .............................................................................................................. 149

Partie F : RHD d’hétéroarènes avec des styrènes en milieu aérobie ....................... 150

F.1. Bibliographie ..................................................................................................... 150

F.2. Résultats et discussion ...................................................................................... 161

F.2.1. Constat de départ ...................................................................................... 161

F.2.2. Etude du système oxydant ........................................................................ 161

F.2.3. Synthèse de styrylfuranes dans des conditions aérobies ........................ 162

F.2.3.1. A partir d’alkylfuranes ....................................................................... 162

F.2.3.2. A partir du 2-(méthoxyméthyl)furane ............................................... 164

F.2.3.3. A partir du furane ............................................................................... 164

7

F.2.4. Synthèse de styrylthiophènes dans des conditions aérobies .................. 165

F.2.5. Synthèse de styrylindoles dans des conditions aérobies ......................... 168

F.2.6. Limites de la méthode ............................................................................... 168

F.2.7. Conclusion .................................................................................................. 168

F.3. Partie expérimentale ........................................................................................ 169

F.3.1. Informations générales ............................................................................. 169

F.3.2. Synthèse de styrylfuranes, styrylthiophènes et styrylindoles ................. 169

F.3.3. Synthèse de styrylfuranes en milieu aérobie ........................................... 170

F.3.3.1. A partir d’alkylfuranes ....................................................................... 170

F.3.3.2. A partir du 2-(méthoxyméthyl)furane ............................................... 173

F.3.3.3. A partir du furane ............................................................................... 175

F.3.4. Synthèse de styrylthiophènes en milieu aérobie ..................................... 178

F.3.4.1. A partir d’alkylthiophènes ................................................................. 178

F.3.4.2. A partir du thiophène ......................................................................... 181

F.3.5. Synthèse de styrylindoles en milieu aérobie ............................................ 181

Partie G : Etude mécanistique de la réaction et de l’effet des co-oxydants

métalliques ................................................................................................................. 182

G.1. Etude du mécanisme ........................................................................................ 182

G.1.1. Activation de la liaison C-H ....................................................................... 182

G.1.2. Rôle de l’oxygène moléculaire ................................................................. 183

G.1.3. Analyse par SM-IES du mélange réactionnel ........................................... 184

G.1.4. Cycle catalytique ....................................................................................... 187

G.2. Influence du co-oxydant métallique ................................................................ 188

G.2.1. Influence sur le profil cinétique................................................................ 188

G.2.2. Analyse par SM-IES de la réaction en présence d’acétate d’argent ....... 190

G.2.3. Conclusion ................................................................................................. 192

G.3. Partie expérimentale ........................................................................................ 192

G.3.1. Mode opératoire pour les suivis cinétiques des réactions ..................... 192

G.3.2. Dispositif expérimental............................................................................. 193

8

G.3.3. SMHR des espèces observées ................................................................... 193

G.3.4. Spectres SM/SM des espèces identifiées ................................................. 194

CONCLUSION .............................................................................................................. 196

9

Instrumentation

Les solvants

La plupart des réactions sont réalisées avec les solvants commerciaux. Lorsque les traces

d’eau doivent être éliminées, ils sont purifiés par distillation sous argon : le tétrahydrofurane (THF) et

l’éther diéthylique sur sodium / benzophénone. L’eau utilisée comme solvant est à pH = 7.

Chromatographies

L’évolution des réactions a été suivie par chromatographie sur couche mince de silice (Merck

Art 5554 DC Alufolien Kieselgel 60 PF254). La purification des produits se fait par chromatographie

sur gel de silice (MERCK Kieselgel 60, 0,063-0,200 nm).

Caractérisation des produits :

Les spectres de résonance magnétique nucléaire (RMN) du proton 1H et du carbone

13C sont

enregistrés sur un appareil Brucker AC 250, respectivement à 250,13 et 62,89 MHz, à température

ambiante dans CDCl3 avec le tétraméthylsilane comme référence interne, ou dans l’acétone-d6. Pour

les spectres du fluor 19

F, enregistrés à 235,36 MHz, la référence utilisée est le

trichlorofluorométhane. Les déplacements chimiques sont exprimés en ppm, les couplages en hertz

et la multiplicité des signaux est symbolisée comme suit : s (singulet), sl (singulet large), d (doublet), t

(triplet), q (quadruplet), quint (quintuplet), sext (sextuplet), sept (septuplet), m (massif ou multiplet).

Les spectres NOEDIFF ont été enregistrés sur un appareil Brucker DRX 500 (1H : 500 MHz,

13C : 125,8

MHz).

Les spectres infrarouges (IR) sont enregistrés sur un appareil Avatar 320 FT-IR, en pastille de

KBr pour les solides ou en film pour les huiles.

Les spectres de masse basse et haute résolution ont été réalisés sur un appareil Q-TdV

(Micromass Manchester) possédant une source électrospray. Les spectres de masse théoriques sont

calculés à partir du programme « Masslynx ».

10

Les analyses élémentaires sont effectuées sur un appareil Perkin-Elmer CHN 2400.

Les chromatographies en phase gazeuse (CPG) sont réalisées sur un appareil THERMOQUEST

FOCUS GC équipé d’une colonne DB1 (30 m x 0,25 mm x 0,25 μm). La programmation utilisée est :

température initiale 50 °C, palier de 15 °C/min, température finale : 250 °C, débit de N2 : 1 mL/min.

Les spectres de chromatographie en phase gazeuse couplée masse (CPG/SM) ont été réalisés

sur un appareil THERMOQUEST TRACE GC série 2000 couplé à un spectromètre THERMOQUEST

TRACE MS. La colonne est une TR1-MS (30 m x 0,25 mm x 0,25 μm). La programmation utilisée est :

température initiale 50 °C, palier de 20 °C/min, température finale : 250 °C, débit d’Hélium : 1

mL/min. Les spectres de masse sont réalisés en impact électronique (I.E., 70 eV).

11

Liste des abréviations

A

Ac : acétyle

APTS : acide paratoluènesulfonique

Ar : aryle

atm : atmosphère

B

BBT : 5-(but-3-èn-1-yl)-2,2'-bithiophène

BINAP : (diphénylphosphino)-1,1’-binaphtyle

Bn : benzyle

Boc : tertiobutylocarbonyle

BQ : benzoquinone

Bu : butyle

Bz : benzoate

Bzq : benzoquinoline

C

CPG : chromatrographie en phase gazeuse

D

dba : dibenzylidéneacétone

DCM : dichlorométhane

DILAM : Désorption/ionisation laser assistée par matrice

DMAc : N,N-diméthylacétamide

DMF : N,N-diméthylformamide

dmphen : 2,9-diméthyl-1,10-phénanthroline

DMSO : diméthylsulfoxyde

E

e.e. : excès énantiomérique

EP : éther de pétrole

équiv. : équivalent Et : éthyle

eV : électronvolt

H

h : heure

I

IMes : 1,3-bis(2,4,6-triméthylphényl)imidazol-2-ylidène

IPA : ionisation à pression atmosphérique

IR : Infrarouge

12

M

Me : méthyle

min : minute

MW : volume/volume/heure

m/z : rapport masse sur charge

N

n- : normal

NBS : N-bromosuccinimide

P

Ph : phényle

PPV : poly(p-phénylènevinylène)

Pr : propyle

Q

Q : quadripôle

R

Rdt : rendement

RHD : réaction de Heck déshydrogénante

RMN : résonnance magnétique nucléaire

S

SCL : systèmes conjugués linéaires

SM/SM : spectrométrie de masse en tandem

SMHR : spectre de masse haute résolution

SM-IES : spectrométrie de masse à ionisation électrospray

T

t-amylOH : alcool tertio-amylique

t-Bu : tertio-butyl

TA : température ambiante

TDF : théorie de la fonctionnelle de la densité

TdR : taux de roulement

TdV : temps de vol

Tf : triflate

TFA : acide trifluoroacétique

THF : tétrahydrofurane

TIPS : triisopropylsilyle

TM : tamis moléculaire

TMBA : acide 2,4,6-triméthylbenzoique

U

u.m.a. : unité de masse atomique

13

INTRODUCTION

Les molécules organiques développées industriellement, sont utilisées dans des domaines

aussi variés que la chimie médicinale, la pharmacochimie, l’agrochimie, les cosmétiques, et les

matériaux organiques, d’où la nécessité de développer des méthodes de synthèse nouvelles et

efficaces. Par ailleurs, les exigences de plus en plus strictes du développement industriel, du contrôle

des autorités de tutelles et des autorisations de mise sur le marché nécessitent une évolution vers

une chimie plus performante et plus soucieuse de l’environnement.1

L’une des solutions à ces défis est le développement de réactions catalysées par des métaux

de transition. L’utilisation de catalyseurs issus de ces métaux a révolutionné la synthèse organique

classique en permettant l’accès à toute une gamme de réactions inédites, plus propres, jusqu’alors

impossibles ou indirectes. Ces outils de synthèse ont connu un essor important ces dernières années

et les complexes de palladium sont parmi les plus étudiés et utilisés.

En effet, depuis une trentaine d’années, leur utilisation comme catalyseur en synthèse

organique a connu un formidable développement comme le montre le graphique présenté ci-après

(interrogation de la base de données Scifinder avec le mot-clef « palladium » en fonction des

années). La plupart des réactions pallado-catalysées désormais enseignées dès le second cycle

universitaire étaient inconnues il y a quarante ans.

Interrogation du mot-clef "Palladium" dans la base de données Scifinder.

1 Bruneau, C. L’Actualité chimique, 1999, 11, 127-129.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

No

mb

re d

e r

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on

ses

Années

14

Les catalyseurs au palladium sont devenus un outil de synthèse extrêmement performant

tant en recherche fondamentale qu’en milieu industriel.2 En effet, les modulations possibles des

complexes palladiés permettent une adaptation à un grand nombre de substrats et de réactions. De

plus, ces complexes peuvent être compatibles avec la présence dans les substrats de toute une

gamme de fonctionnalités (cétones, alcools, aldéhydes, groupements soufrés…), évitant ainsi parfois

des étapes lourdes de protection-déprotection. L’exemple suivant illustre l’intérêt ces nouvelles

réactions.

Schéma 1. Méthode traditionnelle de synthèse du précurseur de l’himbacine.

Le composé diénique 1 est un précurseur direct de l’himbacine, produit naturel et

antagoniste des récepteurs de la thrombine,3 actuellement en essais clinique. La voie

traditionnellement utilisée4 pour synthétiser ce diène est constituée de cinq étapes nécessitant des

purifications intermédiaires et l’élimination délicate d’un produit secondaire soufré. Une autre

stratégie,5 implique une réaction de Heck catalysée par du palladium (0) (schéma 2). Cette séquence

réactionnelle ne nécessite que deux étapes et ne requière pas la purification du triflate

intermédiaire. Elle présente donc le double avantage d’être à la fois plus économique et plus

écologique (moins de déchets sont produits).

2 Campagne, J-M.; Prim, D. Les complexes de palladium en synthèse organique, CNRS Edition : Paris, 2001.

3 Wang, Y.; Greenlee, W. J.; Hu, Z.; Xia, Y.; Ahn, H-S.; Boykow, G.; Hsieh, Y.; Palamanda, J.; Agans-Fantuzzi, J.;

Kurowski, S.; Graziano, M.; Chintala, M. J. Med. Chem. 2008, 51, 3061-3064. 4 (a) Chackalamannil, S.; Davies, R. J.; Asberom, T.; Doller, D.; Leone D. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 9812-9813.

(b) Tanikaga, R.; Nozaki, Y.; Tamura, T. Kaji, A. Synthesis, 1983, 134-136. 5 Lai, G.; McAllister, T. Synth. Comm. 1999, 29, 409-413.

15

Schéma 2. Méthode industrielle de synthèse du précurseur de l’himbacine.

La catalyse au palladium (0) est aujourd’hui relativement bien maîtrisée et de nombreuses

méthodes de couplages ont été développées.6 Bien que plus ancienne, le procédé Wacker étant

utilisé de façon industrielle depuis les années 1960,7 la chimie du palladium (II) est moins connue et

donc moins utilisée industriellement que celle du Pd(0). Pourtant, elle est attrayante puisqu’elle

permet des conditions douces et de nouvelles perspectives de synthèse.

L’utilisation en synthèse organique des complexes de palladium (II) repose sur deux

propriétés :

- Leur propriété d’oxyder de nombreux substrats, impliquant de facto leur réduction en Pd(0).

En conséquence, la catalyse au palladium (II) requiert l’utilisation d’un oxydant en quantité

stœchiométrique, d’où l’incompatibilité de l’utilisation des ligands de type phosphine, qui

ont grandement contribué au succès du palladium (0) mais qui sont sensibles à l’air.

- La capacité du palladium (II) à se coordonner aux oléfines.

L’un des potentiels importants pour la mise au point de nouvelles voies de synthèse via des

complexes de palladium (II) réside dans la fonctionnalisation de liaisons C-H. C’est dans le cadre

d’une recherche fondamentale que nous nous sommes intéressés à ce concept dans des Réactions

de Heck Déshydrogénantes (RHD) impliquant des hétérocycles dérivés de la biomasse.

Le travail présenté s’articule autour de deux objectifs : la valorisation d’hétérocycles pouvant

être dérivés de la biomasse tels que les furanes et l’utilisation de conditions réactionnelles plus

respectueuses de l’environnement que celles traditionnellement utilisées.

6 Tsuji J. Palladium Reagents and Catalysts : New Perspectives for the 21st Century, Wiley and Sons : New York,

2004. 7 Smidt, J.; Hafner, W.; Jira, R.; Sedlmeier, J.; Sieber, R.; Ruttinger, R.; Kojer, H. Angew. Chem. 1959, 71, 176-182.

16

Le premier chapitre présentera tout d’abord des RHD mettant en jeu des furanes. Puis, nous

exposerons une nouvelle méthode de RHD de furanes avec des styrènes à température ambiante et

extensible aux thiophènes. L’influence de l’oxydant sur l’activité du catalyseur sera discutée.

Le second chapitre sera consacré à l’étude mécanistique de la RHD de furanes avec des acrylates

dans les conditions réactionnelles développées au chapitre précédent. Cette étude est réalisée par

« Spectrométrie de Masse - Ionisation par Electrospray » (SM-IES) dont le principe sera détaillé. Des

exemples d’études mécanistiques déjà réalisées à l’aide de cette technique seront fournis.

Le troisième chapitre s’intéressera aux RHD ayant recours à une réoxydation du palladium (0) par

l’oxygène en présence ou non d’une quantité catalytique de co-oxydant. Après un état des lieux de la

littérature, une méthode de couplage de Heck déshydrogénant de furanes, thiophènes et indoles

avec des styrènes faisant intervenir l’oxygène comme unique oxydant sera proposée, et le

mécanisme de la réaction sera étudié. Nous montrerons également que l’utilisation de co-oxydants

métalliques en association avec l’oxygène peut avoir un effet négatif sur la transformation.

17

Chapitre 1 :

Réactions de Heck Déshydrogénantes de

furanes et thiophènes avec des styrènes

18

Introduction

La réaction de Mizoroki - Heck

La réaction de Heck ou réaction de Mizoroki – Heck est une réaction de couplage pallado-

catalysée entre des oléfines et des halogénures ou triflates de dérivés aromatiques ou vinyliques, en

présence de bases telles que la triéthylamine et l’acétate ou carbonate de sodium.8 Ces réactions ont

été d'abord connues comme des vinylations d’halogénures d'aryle (ou arylation d’oléfines) en

présence de Pd(0) (Schéma I1).

Schéma I1. Vinylation d’un halogénure d’aryle selon la réaction de Heck.

Dans leurs travaux originels, Heck et Nolley ont cité la publication signée par Mizoroki, Mori et

Osaki. Les articles des équipes de Mizoroki et Heck ont été soumis respectivement le 20 octobre

19709 et le 13 janvier 1972,

10 mais, le 12 janvier 1971, Julia et Duteil déposèrent un pli cacheté

auprès de la Société Chimique de France révélant la même réaction. Ce pli cacheté, ouvert le 5 mai

1973 et ensuite publié,11

n’est pas mentionné dans la plupart des comptes-rendus et revues. Ce type

de réaction, qui aurait pu se nommer « réaction de Mizoroki-Julia-Heck », a conduit à pléthore

d’articles et, récemment à un livre.12

Avant de trouver les conditions catalytiques menant à l’addition du palladium dans la liaison

Arène – Halogène, Heck a réalisé, à la fin des années 1960, la synthèse in situ de complexes ArPdX à

partir de la réaction entre des sels de palladium et des aryles stanneux, mercuriques ou plombeux.13

8 Clayden J.; Greeves, N.; Warren, S. Organic Chemistry 1

st Ed., Oxford University Press: Oxford, 2000.

9 Mizoroki, T.; Mori, K.; Ozaki, A. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1971, 44, 581.

10 Heck, R. F.; Nolley, J. P., Jr. J. Org. Chem. 1972, 37, 2320-2322.

11 Julia, M.; Duteil, M. Bull. Soc. Chim. Fr. 1973, 2790.

12 Oestreich, M. The Mizoroki-Heck Reaction Ed., Wiley: Chichester, 2009.

13 (a) Heck, R. F. J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 5518-5526. (b) Heck, R. F. J. Am. Chem. Soc. 1969, 91, 6707-6714.

19

Ces dernières années, cette transmétallation a été revisitée. Effectuée désormais en utilisant

des quantités catalytiques de palladium, elle est couramment nommée « réaction de Heck

oxydante »,14

« réaction de type Mizoroki – Heck »,15

ou « réaction de couplage croisé de Heck ».16

La réaction de Mizoroki-Heck est initiée par une espèce à base de Pd(0). Selon les conditions

réactionnelles, elle procède suivant deux mécanismes majeurs : le mécanisme neutre et le

mécanisme cationique. Le mécanisme cationique s'effectue en présence d’additifs, notamment des

sels d'argent. L'argent en fixant les anions halogénures favorise ainsi l'état à 16 électrons du

complexe de palladium cationique. Dans ces conditions, on assiste parfois à une plus grande

efficacité de la réaction accompagnée d'une augmentation des stéréosélectivités.

Schéma I2. Cycle catalytique du mécanisme neutre de la réaction de Mizoroki - Heck.

Le cycle débute par la génération du Pd(0) suite à la réduction du Pd(II) en présence de

ligands. Une addition oxydante de l’halogénure d’aryle au Pd(0) précède la syn-addition de l’oléfine

14

(a) Enquist, P.-A.; Nilsson, P.; Sjöberg, P.; Larhed, M. J. Org. Chem. 2006, 71, 8779-8786 et references citées.

(b) Gligorich, K. M.; Sigman, M. S. Chem. Commun. 2009, 3854–3867 15

Ye, Z.; Chen, F.; Luo, F.; Wang, W.; Lin, B.; Jia, X.; Cheng, J. Synlett 2009, 2198-2200. 16

Stefani, H. A.; Pena, J. M.; Gueogjian, K.; Petragnani, N.; Vaz, B. G.; Eberlin, M. N. Tetrahedron Lett. 2009, 50,

5589-5595.

20

au complexe organo-palladié précédemment formé. L’étape d’élimination de l’hydrure en β est

cruciale pour l'orientation future de la réaction. En effet, si elle ne se réalise pas, on assiste à d'autres

processus réactionnels (formant une suite en cascade avec la réaction de Heck). L’élimination β-H

génère la nouvelle oléfine substituée et l'hydrure de palladium. C'est alors qu'intervient la base qui

décompose cet hydrure de palladium en regénérant le Pd(0) et en piègeant l’acide HX formé. A

quelques exceptions près, dues notamment aux composés de départ, l’alcène formé est

généralement de stéréochimie E. L’étape de rotation est fondamentale car elle permet de placer un

hydrogène en β-syn du palladium, ce qui donne la possibilité d’une syn-élimination.17

Les réactions de Heck sont devenues aujourd’hui des méthodes versatiles de construction

asymétrique de liaison C-C et sont parmi les mieux éprouvées dans la construction des carbones

tertiaires et quaternaires chiraux. En effet, l'utilisation du BINAP en 1989 par Shabasaki et al.18

ainsi

que les travaux du groupe d’Overmann19

la même année, ont posé les fondements des réactions

asymétriques de Heck. Celles-ci ont connu une rapide expansion dans les années qui suivirent, et

sont largement utilisées en synthèse de produits naturels.20

Dans ce cadre, les travaux de Narasaka et

al.21

sur les réactions amino-Heck ont ouvert le chemin à la synthèse des hétérocycles azotés. La

réaction de Heck tolère une grande variété de substrats et réactifs conduisant ainsi à des produits

pouvant être densément fonctionnalisés. L’alcène peut en effet être mono- ou disubstitué, riche ou

pauvre en électrons.

La réaction de Heck oxydante

La réaction de Heck oxydante implique une catalyse au palladium (II) et des halogénures

d’aryles mercuriques, stanneux, ou encore plombeux, d’où une production de déchets plus

importante que dans la réaction de Mizoroki – Heck. La première étape du cycle catalytique consiste

dans ce cas en une transmetallation pour générer l’espèce ArPdX. Après la syn-addition de l’alcène et

l’élimination β-H conduisant à un hydrure de palladium et au produit de couplage, une élimination

17

Rabasso, N. Chimie Organique. Hétéroéléments, stratégies de synthèse et chimie organométallique 2e Ed., De

Boeck Université: Paris, 2009. 18

Sato, Y.; Sodeoka, M.; Shibasaki, M. J. Org. Chem. 1989, 54, 4738-4739. 19

Carpenter, N. E.; Kucera, D. J.; Overman, L. E. J. Org. Chem. 1989, 54, 5846-5848. 20

Amy B. D.; Overmann L. E. Chem. Rev. 2003, 103, 2945-2963. 21

Kitamura, M.; Narasaka, K. Chem. Rec. 2002, 2, 268-277; Kitamura, M.; Yanagisawa, H.; Yamane M.;

Narasaka, K. Heterocycles 2005, 62, 273-277.

21

réductrice fournit le Pd(0) qui est ensuite réoxydé pour régénérer les espèces catalytiques actives

(Schéma I3).

Schéma I3. Cycle catalytique du mécanisme de la réaction de Heck oxydante.

La Réaction de Heck Déshydrogénante (RHD)

Le couplage pallado-catalysé d’un arène ArH avec un alcène peut également conduire à un

alcène arylé. Comme la réaction de Heck oxydante présentée précédemment, celui-ci nécessite du

Pd(II) comme catalyseur et un réoxydant. Bien que cette réaction soit parfois appelée « réaction

oxydante de type Heck »,22,23

son mécanisme est différent puisqu’une activation de la liaison C-H de

l’arène se substitue à l’étape de trans-métallation (Schéma I4).

22

Rodriguez, A.; Moran, W. J. Eur J. Org. Chem. 2009, 1313-1316. 23

Ferreira, E. M.. Zhang, H.. Stoltz, B. M. dans The Mizoroki-Heck Reaction Oestreich, M. Ed Wiley : Chichester,

2009.

22

PdIIX2activation C-H

syn-insertion

élimination -H

oxydation

PdIIX

R

Ar

HPdIIX

Pd0

2 HX + oxydant

oxydant réduit

HX

HX

ArPdIIX

R

Ar

R

Ar-H

Commence ici

éliminationréductrice

X = OAc, OCOCF3...

Schéma I4. Cycle catalytique du mécanisme de la Réaction de Heck Déshydrogénante.

L’équipe de Fujiwara ayant, en 1967, révélé la synthèse de stilbène à partir de la réaction d’un

complexe PdCl2-styrène avec du benzène24

, puis en 1968, le couplage oxydant entre le styrène et le

benzène avec un taux de roulement (TdR) égal à deux25

, ces réactions pallado-catalysées sont parfois

appelées « réactions de Fujiwara »,26, 27

« réactions de Fujiwara – Moritani »,28,29

réactions de

Fujiwara – Moritani oxydantes de Heck ».30

Cependant, Fujiwara et Kitamura ont utilisé, en 2005, le

terme de « réaction de Fujiwara » pour les hydroarylations pallado-catalysées d’alcynes et

d’alcènes.31

Par conséquent, notre équipe a proposé en 2011 le terme de « Réaction de Heck

Déshydrogénante » (RHD) pour désigner les couplages pallado-catalysés oxydants d’arènes et

d’hétéroarènes avec des alcènes,32

terme plus approprié qui avait déjà été utilisé par le passé.33

Parmi les trois méthodes de synthèse d’alcènes arylés présentées ci-dessus, et si l’on considère

uniquement les substrats, c’est la RHD qui respecte le plus le principe de l’économie d’atome,

24

Moritani, I.; Fujiwara, Y. Tetrahedron Lett. 1967, 1119-1122. 25

Fujiwara, Y.; Moritani, I.; Matsuda, M.; Teranishi, S. Tetrahedron Lett. 1968, 3863-3865. 26

Dams, M.; De Vos, D. E.; Celen, S.; Jacobs, P. A. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3512-3515. 27

Zhang, Y.-H.; Shi, B.-F.; Yu, J.-Q. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5072-5074. 28

Mikami, K.; Hatano, M.; Terada, M. Chem. Lett. 1999, 55-56. 29

Zhang Zhang, H.; Ferreira, E. M.; Stoltz, B. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 6144-6148. 30

Pan, D.; Yu, M.; Chen, W.; Jiao, N. Chem. Asian J. 2010, 5, 1090-1093. 31

Fujiwara, Y.; Kitamura, T. Handbook of C-H Transformations Dyker, G. Ed., Wiley: Darmstadt, 2005, 1, pp 194-

202. 32

Le Bras, J.; Muzart, J. Chem. Rev. 2011, 111, 1170-1214. 33

Ferreira, E.M.;Zhang,H.; Stoltz,B.M. Tetrahedron 2008, 64, 5987-6001.

23

puisque son résultat est la formation d’une liaison C-C à partir de deux liaisons C-H. Par ailleurs, la

réaction de Heck et la réaction oxydante de type Heck génèrent des quantités stoechiométriques de

sels halogénés peu valorisables. Compte-tenu de ces observations, une recherche active sur les RHD

intermoléculaires se développe puisqu’elles excluent une étape préalable de fonctionnalisation de

l’arène et peuvent limiter la production de déchets.

Nous proposons dans ce chapitre une nouvelle méthode de RHD de furanes avec le styrène

dans des conditions douces. Nous montrerons ensuite sa compatibilité non seulement avec les

styrènes halogénés, mais aussi avec les thiophènes. Enfin, l’influence de l’oxydant sur l’activité du

catalyseur sera discutée.

24

Partie A : Réactions de Heck Déshydrogénantes de furanes

avec des styrènes dans des conditions douces

Introduction

La valorisation non alimentaire de la biomasse en chimie fine constitue un défi majeur du

21ème

siècle. Son utilisation comme source de matière première alternative suscite de nombreux

travaux puisqu’elle présente l’avantage d’être renouvelable.

L’aldéhyde pyromucique (souvent appelé furfural) est une molécule facilement accessible à

partir de la biomasse, par hydrolyse de sous-produits de l’agriculture comme la paille, les coques de

céréales et les poudres de bois.34

Ainsi, les hémicelluloses contenues dans la biomasse sont

hydrolysées en hexoses (glucose et fructose) et en pentoses (principalement le xylose). Ces derniers,

après cyclo-déshydratation,35,36

mènent à l’aldéhyde pyromucique (schéma A1). Avec une production

annuelle avoisinant les 250.000 tonnes, l’aldéhyde pyromucique apparait comme le seul composé

organique insaturé produit en grandes quantités à partir de sucres.33

Schéma A1. De la biomasse à l’aldéhyde pyromucique.

Cette molécule est utilisée comme solvant pour l’extraction sélective d’oléfines et de

composés aromatiques issus d’huile de lubrification. Elle est aussi utilisée comme intermédiaire pour

la chimie pharmaceutique, des parfums et des arômes. Par ailleurs, outre ses propriétés

thermodurcissantes et sa résistance à la corrosion lui valant d’être utilisé dans la composition de

matériaux, l’aldéhyde pyromucique est une « molécule plateforme » offrant une clef d’accès à une

large variété de molécules par des procédés chimiques industriels simples (Schéma A2).

34

Mamman, A. S.; Lee, J.-M.; Kim, Y.-C.; Hwang, I. T.; Park, N.-J.; Hwang, Y. K.; Chang, J.-S.; Hwang, J.-S. Biofuels,

Bioprod. Bioref. 2008, 2, 438–454. 35

a) McKillip, W. J. Chem. Technol. 1981, 11, 501-527. b) Lichtenthaler F. W. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 728-737. 36

Lichtenthaler, F. W.; Brust, A.; Cuny, E. Green Chem. 2001, 3, 201-209.

25

Schéma A2. L’aldéhyde pyromucique : une clef d’accès à des intermédiaires pour la chimie fine.

Nous nous proposons dans cette partie de valoriser, par des réactions de Heck

déshydrogénantes, cette classe d’hétérocycles dérivés de la biomasse. Nous présenterons ainsi une

nouvelle réaction permettant de vinyler des furanes non seulement avec le styrène, mais aussi avec

le p-bromostyrène dans des conditions douces.

26

A.1. Bibliographie

Parmi les arènes utilisés pour les RHD, les furanes font partie de ceux qui ont reçu le moins

d’attention, probablement en raison de leur sensibilité aux conditions acides généralement requises.

En 1976, Kozhevnikov révèle le premier couplage pallado-catalysé oxydant mettant en jeu un

furane et du Pd(II) en quantité catalytique. Le couplage du furane avec l’éthylène, dans le DMF à

96°C, en présence d’acétate de cuivre (II) comme réoxydant, d’acétate de palladium comme

catalyseur et de chlorure de calcium comme additif est alors réalisé avec un faible rendement

(Schéma A3). 37

Schéma A3. Première RHD mettant en jeu un furane.

En 1978, l’équipe de cet auteur a utilisé l’hétérophosphomolybdate de vanadium (IV)

H6PMo9V3O40 avec l’acétate de lithium à la place de l’association Cu(OAc)2/CaCl2 mais l’efficacité

reste faible38

(Schéma A4). Les auteurs ont précisé que cette réaction pouvait être effectuée avec des

quantités catalytiques d’hétéropolyacide, étant donné la présence d’oxygène dans le mélange.

Schéma A4. RHD du furane et de l’éthylène en présence d’une combinaison H6PMo9V3O40/LiOAc

Par la suite, des couplages déshydrogénants ont été réalisés entre des furanes substitués et

des alcènes porteurs de groupements électroattrateurs.

37

Kozhevnikov, I. V. React. Kinet. Catal. Lett. 1976, 5, 439-443; Chem. Abstr. 1977, 86, 106247. 38

Taraban'ko, V. E.; Kozhevnikov, I. V.; Matveev, K. I. Kinet. Katal. 1978, 19, 1160-1166.

27

Ainsi, plusieurs combinaisons d’acétate de cuivre (II)/oxygène dans un système dioxane/acide

acétique39,40

testées par les équipes de Fujiwara se sont révélées inefficaces avec de faibles quantités

de sel de cuivre (schéma A5).

Z Cu(OAc)2 Température Durée Rendement

CO2Me 0,1 équiv. 96 °C 3 h Mono : 7 % ; Di : 1 %

CO2Me 2,05 équiv. 96 °C 3 h Mono : 20 % ; Di : 9 %

CN 0,50 équiv. 100 °C 8 h Mono : 21 % ; Di : 13 %

CN 2,00 équiv. 100 °C 8 h Mono : 39 % ; Di : 21 %

Schéma A5. Résultats obtenus par Fujiwara en 1979 et 1981 pour les RHD du furane avec des

acrylates ou des acrylonitriles.

Les travaux de l’équipe de Miura confirmeront en 2008 cette conclusion par des expériences

réalisées à 120°C dans du DMF41

contenant de l’acétate de lithium (schéma A6), deux équivalents

d’acétate de cuivre (II) restant nécessaires pour obtenir des rendements moyens, y compris pour les

RHD impliquant des furanes substitués en position 2.

R Durée Rdt

t-Bu 2 h 57 %

1,3-dioxolan-2-yl 8 h 40 %

Schéma A6. Résultats obtenus par Miura en 2008 pour les RHD de furanes substitués en position 2

avec des acrylates en présence de Cu(OAc)2 et de LiOAc.

39

Maruyama, O.; Yoshidomi, M.; Fujiwara, Y.; Taniguchi, H. Chem. Lett. 1979, 1229-1230. 40

Fujiwara, Y.; Maruyama, O.; Yoshidomi, M.; Taniguchi, H. J. Org. Chem. 1981, 46, 851-855. 41

Maehara, A.; Satoh, T.; Miura, M. Tetrahedron 2008, 64, 5982-5986.

28

En 1984, Tsuji et Nagashima ont utilisé un perester en tant qu’oxydant pour des réactions de

couplage déshydrogénant réalisées dans l’acide acétique. Ces réactions font intervenir du benzoate

de palladium comme catalyseur à 100 °C42

(Schéma A7).

Schéma A7. Résultats obtenus par Tsuji en 1984 pour la RHD de furanes avec des acrylates en

utilisant un perester comme oxydant.

Quinze ans plus tard, Fujiwara et ses collaborateurs ont utilisé du t-BuOOH en association

avec des quantités catalytiques de benzoquinone (BQ)43

(Schéma A8). Ils ont ainsi montré que les

RHD étaient possibles entre le sylvane (nom trivial pour le 2-méthylfurane) et les acrylonitriles, les

énones ou encore l’acroléine.

Schéma A8. RHD impliquant le sylvane selon la méthode développée par Fujiwara en 1999.

D’autre part, cette équipe a aussi appliqué sa méthode aux RHD de benzofuranes (également

encore appelés coumarones) (Schéma A9).

Schéma A9. RHD impliquant le benzofurane selon la méthode développée par Fujiwara en 1999.

42

Tsuji, J.; Nagashima, H. Tetrahedron 1984, 40, 2699-2702. 43

Jia, C.; Lu, W.; Kitamura, T.; Fujiwara, Y. Org. Lett. 1999, 1, 2097-2100.

29

En 2003, l’équipe d’Ishii44

a développé un système proche de celui proposé par Kozhevnikov

et ses collaborateurs 25 ans plus tôt. Ainsi, un mélange de produits mono- et disubstitués a été

obtenu avec des rendements acceptables, sous oxygène et en présence de quantités catalytiques

d’acétylacétone et d’acétate de sodium comme additifs (Schéma A10).

Schéma A10. RHD du furane avec l’acrylate d’éthyle selon les conditions d’Ishii

développées en 2003.

La même équipe a ensuite observé que la vinylation de l’acide pyromucique ou de l’acide

benzofuroïque s’accompagnait de la décarboxylation45

(Schéma A11), ce qui contraste avec la

réactivité des acides benzoïques.46

Un mélange de deux régioisomères est obtenu, la réaction

pouvant s’opérer selon la séquence pallado-décarboxylation/activation de liaison C-H ou selon la

séquence activation de liaison C-H/pallado-décarboxylation.

R Durée Rendement Ratio

H 5 h 39 % 1 : 1

CH=CH-CH=CH 4 h 51 % > 95 : 5

Schéma A11. Vinylation – décarboxylation de l’acide pyromucique ou benzofuroique selon Ishii.

Les expériences sont parfois réalisées dans le DMF avec de l’acétate de lithium comme

additif. Selon Miura et ses collaborateurs, l’un des rôles de LiOAc est de fournir des ligands acétate

stabilisateurs des intermédiaires de palladium (0).41

Notons que Kozhevnikov, qui avait, 30 ans

auparavant, observé la favorisation du couplage oxydant par l’ion acétate, suspectait sa participation

à la formation du complexe ArPdOAc à partir de l’arène ArH.37

44

Yokota, T.; Tani, M.; Sakaguchi, S.; Ishii, Y. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 1476-1478. 45

Maehara, A.; Tsurugi, H.; Satoh, T.; Miura, M. Org. Lett. 2008, 10, 1159-1162. 46

Miura, M.; Tsuda, T.; Satoh, T.; Pivsa-Art, S.; Nomura, M. J. Org. Chem. 1998, 63, 5211-5215.

30

En 2008, notre équipe a réalisé la synthèse de difurylalcanes en utilisant de la benzoquinone

en quantité stœchiométrique comme oxydant.47

Ainsi, l’utilisation du trifluoroacétate de palladium

(II) dans un mélange MeCN/AcOH fournit un mélange dans des rapports 85 : 15 de 2-phénylbis(5-

méthyl-2-furyl)éthane et de phénylbis(5-méthyl-2-furyl)éthane (Schéma A12) avec un rendement de

60 %, à partir du sylvane. L’emploi de différents alcènes a montré l’influence de leur substitution sur

la sélectivité. Avec des styrènes et des esters α,β−insaturés, la réaction principale a lieu en position β

alors qu’avec des allylalcènes, les composés majoritaires sont des 2-difuryles (Schéma A12).

R Z Rendement (%) ββββ/αααα Ratio

H Ph 60 85 : 15

" 4-MeC6H4 50 75 : 25

" 4-ClC6H4 62 83 : 17

" 4-BrC6H4 60 87 : 13

" 3-ClC6H4 62 89 : 11

" 2-naphthyl 30 84 : 16

" C6F5 76 75 : 25

" CO2Et 57 100 : 00

" CO2t-Bu 71 100 : 00

" Bn 94 15 : 85

" 4-MeOC6H4CH2 52 40 : 60

" 3,4-(MeO)2C6H3CH2 62 "

Me Ph 70 100 : 00

" 4-MeOC6H4 74 85 : 15

" 2-MeOC6H4 75 83 : 17

" 2-BnOC6H4 41 80 : 20

Et Ph 65 100 : 00

Schéma A12. Résultats obtenus en 2008 par notre laboratoire pour la synthèse de difurylalcanes.

La sélectivité envers la formation des difurylalcanes dépend également de la nature du

catalyseur, comme le montre le schéma A13. En effet, le couplage du sylvane procure avec

l’allylbenzène un mélange de 5,5'-(3-phénylpropane-1,1-diyl)bisylvane et de 5,5'-(1-phénylpropane-

47

Thiery, E.; Harakat, D.; Le Bras, J.; Muzart, J. Organometallics 2008, 27, 3996-4004.

31

2,2-diyl)bisylvane dans des proportions 1 : 1 avec de l’acétate de palladium (II) et dans des

proportions 15 : 85 avec du trifluoroacétate de palladium (II). Lorsque le styrène est mis en jeu à la

place de l’allylbenzène avec du trifluoroacétate de palladium (II), le couplage conduit à deux

composés (le 5,5'-(2-phényléthane-1,1-diyl)bisylvane et le 5,5'-(1-phényléthane-1,1-diyl)bisylvane

dans des proportions 85 : 15 alors que l’utilisation d’acétate de palladium fournit en plus le (E)-2-

styrylsylvane. Enfin, avec l’acrylate de t-butyle et l’acétate de palladium, le (E)-2-styrylsylvane et le

tert-butyl-3,3-bis(5-méthylfuran-2-yl)propanoate sont obtenus dans des proportions 90 : 10 alors que

l’utilisation de trifluoroacétate de palladium ne fournit que le tert-butyl-3,3-bis(5-méthylfuran-2-

yl)propanoate.

Schéma A13. Dépendance de la sélectivité vis-à-vis de la nature du catalyseur.

En 2009, notre laboratoire est parvenu à réaliser des couplages pallado-catalysés de type

Heck déshydrogénant de furanes avec des styrènes48

(Schéma A14) avec des rendements supérieurs

à ceux obtenus habituellement. Les styrènes sont une classe de composés riches en électrons

capables de se polymériser et de se rompre facilement en benzaldéhydes dans des conditions

pallado-oxydantes.49

De ce fait, seuls quelques exemples de couplages de Heck déshydrogénants

mettant en jeu ces composés avaient été décrits, mais avec des rendements modestes (<40

%)44,50,51,52

et une gamme de substrats peu étendue.53,54,55,56

En effet, les méthodes efficaces

rapportées faisaient intervenir généralement des alcènes pauvres en électrons.37-46,57

48

Aouf, C.; Thiery, E.; Le Bras, J.; Muzart, J. Org Lett. 2009, 11, 4096-4099. 49

Cornell, C. N.; Sigman, M. S. Inorg. Chem. 2007, 46, 1903-1909. 50

Cai, G. ; Fu, Y.; Li, Y.; Wan, X.; Shi, Z. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 7666-7673. 51

Wang, J.-R.; Yang, C.-T. ; Liu, L. ; Guo, Q.-X. Tetrahedron Lett. 2007, 48, 5449-5453. 52

Amatore, C.; Cammoun, C.; Jutand, A. Adv. Synth. Catal. 2007, 349, 292-296. 53

Grimster, N. P.; Gauntlett, C.; Godfrey, C. R. A.; Gaunt, M. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 3125. 54

Cho, S. H.; Hwang, S. J.; Chang, S. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 9254. 55

Koubachi, J.; Berteina-Raboin, S.; Mouaddib, A.; Guillaumet, G. Synthesis 2009, 271. 56

Cheng, D.; Gallagher, T. Org. Lett. 2009, 11, 2639. 57

Zhao, J.; Huang, L.; Cheng, K.; Zhang, Y. Tetrahedron Lett. 2009, 50, 2758-2761.

32

Schéma A14. RHD de furanes avec des styrènes selon la méthode développée au laboratoire.

La méthode mise au point par le laboratoire fait intervenir l’acétate de palladium (II) comme

catalyseur, l’acide propionique comme solvant, l’éther diéthylique ou le THF comme co-solvant et

l’oxygène et des quantités catalytiques de benzoquinone et d’acétate de cuivre comme réoxydants.

Ces transformations s’opèrent à 40 - 60 °C. L’utilisation d’acide propionique comme solvant conduit à

des rendements plus élevés que ceux obtenus avec l’acide acétique et à des résultats reproductibles.

Ces conditions contrastent avec celles utilisées précédemment37,39,41,45

puisqu’elles fournissent de

bons résultats avec des quantités inférieures de sels de cuivre (II). Cette méthode semble générale

car elle fonctionne avec des furanes mono-, di- et trisubstitués ainsi qu’avec des styrènes porteurs de

groupements électroattrateurs et donneurs. Elle conduit toujours aux isomères E, montrant ainsi une

bonne stéréosélectivité. Comme cela a déjà été observé pour les réactions impliquant les furanes

substitués en 2 par un groupement électroattracteur ou électrodonneur avec les acrylates, le

couplage a lieu sur le carbone 5 démontrant également une bonne régiosélectivité. De plus, ces

transformations laissent certaines liaisons carbone-halogène intactes comme le montrent les

exemples mettant en jeu les chloro- et fluorostyrènes.

33

En outre, notre équipe a également remarqué que la benzoquinone peut, dans des

conditions acides,58

être utilisée en tant qu’unique oxydant48

(Schéma A15). Des résultats

sensiblement identiques ont été observés avec le trifluoroacétate de palladium.

Schéma A15. RHD du sylvane avec le styrène en présence

de BQ comme unique oxydant.

En 2009 également, Cheng et Zhang ont montré que l’utilisation d’acétate d’argent comme

oxydant et de pyridine comme additif permettait de réaliser des couplages oxydants pallado-

catalysés efficaces de furanes et d’esters ou amides α,β-insaturés,57

dans le DMF à 120 °C (Schéma

A16).

Schéma A16. RHD de furanes avec des acrylates ou des acrylamides en présence de pyridine et

d’acétate d’argent.

En 2010, Kar et ses collaborateurs ont utilisé de l’acétate de cuivre (II) dans le DMF et sous air

pour effectuer des réactions pallado-catalysées de Heck déshydrogénantes (Schéma A17)59

. Ils ont

remarqué qu’avec des substrats ayant pour substituants R2 = CO2Et et R

3 = Et, la réaction peut se

dérouler en l’absence d’oxydant. Ces dernières conditions conduisent néanmoins à la réaction de

Heck classique, c’est-à-dire à un couplage au niveau de l’unité ArBr quand R2 = H et R

3 = Me. Selon

58

Des conditions acides sont requises pour régénérer Pd(II) en Pd(0) avec la benzoquinone: (a) Bäckvall, J.-E.;

Byström, S. E.; Nordberg, R. E. J. Org. Chem. 1984, 49, 4619-4631. (b) Grennberg, A.; Bäckvall, J.-E.; Gogoll, A.

Organometallics 1993, 12, 1790-1793. (c) Nahra, F.; Liron, F.; Prestat, G.; Mealli, C.; Messaoudi, A.; Poli, G.

Chem. Eur. J. 2009, 15, 11078-11082. (d) Delcamp, J. H.; Brucks, A. P.; White, M. C. J. Am. Chem. Soc. 2008,

130, 11270-11271. Dans des conditions particulières, quelques régénérations ont lieu en absence de conditions

protiques : Babjak, M.; Zálupský, P.; Gracza, T. Arkivoc 2005, v, 45-57. 59

Patra, P.; Ray, J. K.; Kar, G. K. Tetrahedron Lett. 2010, 51, 3580-3582.

34

eux, l’absence de couplage de Heck quand R2 = CO2Et et R

3 = Et est due à l’encombrement stérique

causé par la présence des deux esters. Aucune explication n’est fournie quant aux réactions de Heck

déshydrogénantes en l’absence de réoxydant. Cependant, les rendements obtenus selon cette

méthode restent faibles (jamais plus de 55 %) et la récupération des composés de départ n’est pas

mentionnée. Nous pouvons supposer que la régénération des espèces palladiées actives s’effectue

via la participation d’unités de bromure d’aryle.32

Schéma A17. RHD selon les conditions développées par Kar en 2010.

En 2011, l’équipe de Tolstikov a appliqué la méthode développée par notre laboratoire48

en

2009 au phlomisoate de méthyle en vue de réaliser la synthèse de dérivés diterpènoïdes (schéma

A18). Ainsi, la réaction du phlomisoate de méthyle avec le styrène, catalysée par Pd(OAc)2, en

présence de Cu(OAc)2 et de BQ dans un mélange EtCOOH/Et2O donne stéréosélectivement le dérivé

15,16-distyryle correspondant et seulement quelques traces de furanolabsanoïdes monosubstitués

en position 15 ou 16.60

Le couplage réalisé avec l’acrylate de méthyle à la place du styrène dans des

conditions similaires a fourni un mélange de produits monosubstitués en position 15 ou 16 et

disubstiués en position 15 et 16, dont le ratio change au cours de la réaction.

Schéma A18. RHD du phlomisoate de méthyle avec le styrène selon la méthode développée par

notre équipe et appliquée par Tolstikov.

60

Kharitonov, Yu. V.; Shul’ts, E. E.; Shakirov. M. M. Tolstikov, G. A. Russ. J. Org. Chem. 2011, 47, 597-600.

35

Récemment, Liu et ses collaborteurs sont parvenus à oléfiner la liaison C-H vinylique d’un

hétéroarène au lieu de vinyler la liaison C-H en position 5 par catalyse à l’acétate de palladium et en

utilisant de l’acétate d’argent dans un mélange ClCH2CH2Cl/DMSO61

(schéma A19).

Schéma A19. Oléfination de liaisons C-H vinyliques d’hétéroarènes selon Liu.

En conclusion, la Réaction de Heck Déshydrogénante est une stratégie intéressante pour la

fonctionnalisation d’arènes. Des progrès ont été accomplis non seulement en matière de

régiosélectivité, de réoxydation, de fonctionnalisation d’arènes acido-sensibles ou d’arènes inactivés

mais aussi dans l’extension de ce type de couplage, aux oléfines riches en électrons tels que les

styrènes. Cependant, un certain nombre d’inconvénients demeurent. En effet, les méthodes les plus

efficaces font souvent appel à des conditions drastiques : des quantités importantes de catalyseur,

des temps réactionnels longs, des températures parfois élevées (jusqu’à 140 °C) et des réoxydations

conduisant à des quantités abondantes de sous-produits. Par ailleurs, notre équipe avait avancé que

les substrats bromés étaient peu disposés à réagir48

et les exemples mettant en jeu des alcènes

riches en électrons sont encore peu nombreux.

Par conséquent, notre intérêt s’est porté sur l’optimisation de la RHD de furanes avec des

alcènes riches en électrons, les styrènes. Dans un premier temps, l’objectif était de travailler dans

des conditions plus douces (température ambiante et sous air), tout en conservant des rendements

satisfaisants, et de rendre la méthode compatible avec l’utilisation de bromostyrènes.

61

Zhang, Y.; Cui, Z.; Li, Z.; Liu, Z-Q. Org. Lett. 2012, 14, 1838-1841.

36

A.2. Résultats et discussion

A.2.1. Constat de départ

Lors des travaux précédents du laboratoire, il avait été remarqué l’existence d’une période

d’induction dépendante de la nature du furane, la transformation se faisant plus rapidement avec

des furanes riches en électrons (figure A1).

Figure A1. Profils cinétiques de la RHD de furanes substitués en position 2 avec le styrène dans les

conditions développées par le laboratoire en 2009.

Cette période d’induction a été imputée au temps nécessaire au catalyseur pour passer de

l’état de trimère aux états de dimère ou monomère. En effet, l’acétate de palladium (II) à l’état

solide existe sous la forme d’un trimère, dans lequel les unités sont unies par des ponts acétates.62

Une telle structure est conservée tant dans l’acide acétique63

que dans un mélange acide

propionique/THF48

comme l’ont démontré des études par spectrométrie UV (Figure A2).

62

Skapinski, A. C.; Smart, M. L. J. Chem. Soc, Chem. Commun. 1970, 658-659. 63

Kurzeev, S. A.; Kazankov, G. M.; Ryabov, A. D. Inorg. Chim. Acta 2002, 340, 192-196.

37

Figure A2. Spectre UV de l’acétate de palladium 1,25 x 10-2

M.

Le laboratoire a supposé que l’espèce catalytique sous sa forme trimérique était inactive et a

proposé que la période d’induction soit associée à la complexation avec l’arène pour conduire à un

dimère puis à un monomère, ces derniers constituant les espèces catalytiques actives. Ces étapes,

favorisées par des arènes riches en électrons, sont présentées au schéma A20.

Schéma A20. Etapes de complexation du catalyseur sous sa forme trimérique à l’arène pour donner

des espèces catalytiques actives.

Par ailleurs, il avait été observé en 2008 que lorsque la benzoquinone était utilisée seule

comme réoxydant, le co-solvant pouvait avoir un effet déterminant sur le cours de la

transformation : tandis que des solvants peu coordonnants du palladium fournissent des produits de

type Heck (schéma A14), des solvants coordonnants fournissent des difurylalcanes (schéma A12). En

conséquence, nous avons focalisé notre étude sur l’influence de solvants polaires plus ou moins

coordonnants du palladium, sur la Réaction de Heck Déshydrogénante d’hétérocycles avec des

styrènes, lorsque la benzoquinone est utilisée comme unique oxydant. Malgré le fait qu’ils peuvent

conduire à la formation de difurylalcanes, des solvants coordonnants pourraient présenter l’avantage

de supprimer la période d’induction observée en figure A1, puisqu’ils permettraient de rompre les

ponts acétate. Enfin, la volonté d’utiliser des solvants polaires s’explique aussi par le fait qu’ils

faciliteront ultérieurement une étude mécanistique par spectrométrie de masse. En effet, les

solvants peu polaires, comme l’éther diéthylique, ne permettent pas d’obtenir des signaux

exploitables pour une telle étude.

38

A.2.2. Effet du co-solvant

Le couplage en 4 heures du sylvane (A1) et du 2-méthylthiophène (B1) avec le styrène (C1) a

été étudié en présence d’acétate de palladium, de benzoquinone (BQ), d’acide acétique et d’une

série de co-solvants (Tableau A1)

Entrée 1 Co-solvant 1-C1 (%)b

1 A1 Et2O 11

2 A1 CF3CH2OH 8

3 A1 MeOH 8

4 A1 t-BuOH 9

5 A1 CH2Cl2 11

6 A1 DMF 9

7 A1 DMAc 8

8 A1 DMSO 67 (64)

9 B1 DMSO 58

10c B1 DMSO (67)

11d B1 DMSO 45

a A1 ou B1 (2,0 mmol), C1 (1,0 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), AcOH (2 mL), co-solvant (2 mL), TA, 4 h.

b

rendement determiné par CPG ; rendement isolé entre parenthèses. c La réaction est réalisée en 24 h.

d BQ (0,5

équiv.), Cu(OAc)2 (0,1 équiv.), O2 (1 atm), 24 h.

Tableau A1. Etude de l’influence du co-solvant sur le couplage de A1 et B1 avec le styrène C1.a

Le tableau A1 montre que la réaction s’avère inefficace lorsqu’elle est réalisée avec Et2O,

CF3CH2OH, MeOH, t-BuOH, CH2Cl2, DMF ou encore le DMAc comme co-solvant (entrées 1 à 7). Seul le

DMSO fournit de bons résultats permettant ainsi l’obtention du composé A1-C1 avec un rendement

isolé de 64 % (entrée 8). Cette observation est surprenante puisque que le DMSO est un solvant

complexant du palladium. Or, notre équipe avait montré, en 2008, que l’utilisation d’acétonitrile

comme co-solvant et de benzoquinone comme oxydant, pouvait mener à des difurylalcanes.47

D’autre part, avec le DMSO et le 2-méthylthiophène (entrées 9 et 10), le produit de couplage B1-C1

est isolé avec un rendement de 67 % en 24 heures (entrée 10). L’utilisation d’une quantité plus

importante de benzoquinone (2 équivalents) que celle utilisée par le laboratoire précédemment48

reste nécessaire pour élargir notre méthode aux thiophènes. En effet, l’utilisation d’une quantité

39

d’oxydant plus faible (une combinaison de 0,5 équivalent de benzoquinone et de 10 % d’acétate de

cuivre) ne conduit qu’à un rendement de 45 % (entrée 11).

A.2.3. Synthèse de styrylfuranes

Ces nouvelles conditions réactionnelles ont été utilisées pour la synthèse d’une variété de

styrylfuranes (tableau A2). Après quelques légères modifications, des rendements moyens à bons ont

été obtenus (de 40 à 79 %). De plus, la méthode est compatible avec l’utilisation du p-bromosytrène,

pour lesquel aucun exemple de RHD n’est rapporté (entrées 2, 5 et 9). Jusqu’à présent, les dérivés

bromés étaient réputés peu disposés à réagir en RHD.48

Seuls Glorius et son équipe étaient parvenus

à faire réagir deux exemples dans des réactions de couplage via une activation de liaison C-H tout en

laissant la liaison C-Br intacte64

grâce à une catalyse au rhodium (III).

Quelque soit la nature du groupement porté par les furanes en position 2, le couplage

s’effectue toujours en position 5 avec une bonne stéréosélectivité, les composés étant tous obtenus

sous forme d’isomères E.

Ce sont les furanes substitués en 2 par un groupement alkyle qui procurent les meilleurs

résultats (entrées 1 à 5). Quant aux furanes disubstitués en 2 et 5 (entrées 8 et 9), le système

apparaît moins sélectif. Leur réaction dans les mêmes conditions conduit à une conversion

importante à totale (selon la quantité de catalyseur utilisée) du styrène mais à un rendement très

faible en produit de couplage. L’augmentation à cinq équivalents de la quantité d’arène s’est alors

avérée nécessaire. Précédemment, les couplages réalisés avec ce type d’arène avaient d’ailleurs

nécessité des quantités de palladium (10 % molaire à la place de 5) et des températures plus élevées

(60 °C).48

Ainsi, les rendements plus modestes observés pour ces arènes montrent que la position 3

du furane réagit difficilement.

Quant au furane porteur d’un groupement électroattracteur en position 2 (entrées 6), il

nécessite une légère augmentation de température réactionnelle pour atteindre des rendements

moyens.

Soulignons enfin que le furfurol (ou alcool furfurylique) a pu être couplé avec un très bon

rendement (entrée 7). Malgré les conditions oxydantes utilisées, aucune trace d’aldéhyde

pyromucique ou d’acide pyromucique n’a été détecté en CPG, montrant que cette méthode est

hautement sélective vis-à-vis de l’activation de liaison C-H.

64

Patureau, F. W.; Glorius, F. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 9982-9983.

40

entrée A C Pd (%) durée A-C, %b

1 A1 C1 5 24

2 A1 C2 5 24

3 A2 C1 5 24

4 A3 C1 5 24

5 A3 C2 5 24

6c A4 C1 5 48

7 A5 C1 5 24

8d A6 C1 5 24

9d A6 C2 10 48

a A (2,0 mmol), C (1,0 mmol), BQ (2,0 mmol) AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), TA.

b rendement isolé.

c La réaction est

réalisée à 40 °C. d

A (5 mmol).

Tableau A2. Synthèse de styrylfuranes selon la méthode développée par le laboratoire.a

41

A.2.4. Limites de la méthode

La réaction s’avère compatible aussi bien avec les furanes porteurs de groupements

électroattracteurs qu’électrodonneurs. Les principales limites résident dans la difficulté à réaliser ces

réactions en absence de substitution du cycle furanique. En effet, la RHD via cette méthode, du

furane avec le styrène n’a conduit au 2-styrylfurane qu’avec un rendement de 14 %. Par ailleurs, la

méthode s’est révélée inefficace pour la réaction du furylacrylate de méthyle avec le p-

bromostyrène.

A.2.5. Conclusion

Les conditions réactionnelles mises au point permettent le couplage régiosélectif et

stéréosélectif dans des conditions douces d’une large gamme de furanes avec le styrène et le p-

bromostyrène en laissant pour ce dernier la liaison carbone-halogène intacte.

Cette méthode élargit les possibilités de valorisation des composés dérivés de la biomasse.

Ainsi, la vinylation de furanes peut ouvrir une voie pour la synthèse d’hétérocycles d’intérêt

biologique (schéma A21). Les vinylfuranes, peuvent mener, après fonctionlisation de la double liaison

vinylique, à des précurseurs de synthèse de la castanospermine, la goniothalamine, la

swainsonine65

… Notons également que le 2-hydroxyméthyl-5-styrylfurane est un intermédiaire clef

de molécules ayant montré une activité inhibitrice de l’artériosclérose.66

65

Mukherjee, D.; Yousuf, S. K.; Taneja, S. C. Org. Lett. 2008, 10, 4831-4834. 66

Takezawa, H.; Hayashi, M.; Iwasawa, Y.; Hosoi, M.; Lida, Y.; Tsuchiya, Y.; Horie, M.; Kamei, T. 1988, (Banyu Pharmaceutical

CO., LTD), Eur. Patent 0318860A2.

42

Schéma A21. Exemples de molécules d’intérêt biologique synthétisables à partir de motifs amines

α-furfuryliques ou encore de motifs alcools α-furfuryliques.

A.3. Partie expérimentale

A.3.1. Informations générales

La Benzoquinone (BQ), Cu(OAc)2, Pd(OAc)2, A1, A2, A3, A5, A6, C1 et C2 sont des produits

comerciaux et utilisés sans purification.

A.3.2. Préparation du (E)-3-furylacrylate de méthyle

Le (E)-3-furylacrylate de méthyle (A4) a été préparé selon une méthode standard : l’acide (E)-

3-furylacrylique est dissout dans du méthanol ; après ajout d’une quantité catalytique de H2SO4, le

milieu est porté à reflux pendant 24 h.

43

A.3.3. Synthèse de styrylfuranes

A l’acétate de palladium (11,2 – 24,4 mg, 0,05 – 0,1 mmol) et la benzoquinone (216 mg, 2

mmol) mis en solution dans un mélange solvant/co-solvant AcOH (2 mL)/DMSO (2 mL) sont ajoutés

l’arène (2 – 5 mmol) et l’alcène (1 mmol). Le mélange est agité à température ambiante (sauf pour la

synthèse de A4-C1 : 40 °C) pendant 24h – 48 h. Après ajout de Et2O (20 mL), la réaction est traitée

par une solution aqueuse saturée de NaHCO3 (20 mL). La phase aqueuse est extraite avec Et2O (20

mL × 2). Les phases organiques sont lavées avec une solution de NaOH 2M (20 mL x 2), avec H2O (20

mL x 2), séchées sur MgSO4, et filtrées sur coton. Le solvant est évaporé sous vide. Les produits sont

séparés sur colonne de gel de silice flash (éluant : éther de pétrole/acétate d’éthyle, 98-70 : 2-30).

(E)-2-styrylsylvane (A1-C1). Solide blanc ; 64 %.

Point de fusion : 59 – 61 °C.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,31 (s, 3H, H7), 5,97 (d, 1H, J = 2,1 Hz, H4), 6,20 (d, 1H, J = 3,0 Hz,

H5), 6,80 (d, 1H, J = 16,2 Hz, H2), 6,95 (d, 1H, J = 16,2 Hz, H1), 7,19 (t, 1H, J = 7,1 Hz, HAr), 7,29 (t, 2H, J =

7,4 Hz, HAr), 7,41 (d, 2H, J = 7,2 Hz, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 13,7 (C7), 107,8 (C4), 109,9 (C5), 116,6 (C2), 125,4 (CH), 126,1

(2CH), 127,1 (2CH), 128,6 (C1), 137,2 (C), 151,7 (C6), 152,2 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 2921, 1593, 1531, 1486, 1443, 1358, 1260, 1182, 1013, 958, 776, 751, 693.

Analyse élémentaire (%) pour C13H12O théorique : C 84,75 ; H 6,57 ; obtenue : C 84,42 ; H 6,68.

(E)-2-(4-bromostyryl)sylvane (A1-C2). Cristaux blancs ; 73 %.

Point de fusion : 91 - 93 °C.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,24 (s, 3H, H7), 5,91 (d, J = 2,2 Hz, 1H, H4), 6,14 (d, J = 3,0 Hz, 1H,

H5), 6,68 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2), 6,78 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,17 (d, J = 8,5 Hz, 2H, HAr), 7,32 (d, J =

8,5 Hz, 2H, HAr),

44

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 14,2 (C7), 108,4 (C4), 111,0 (C5), 117,7 (C2), 121,2 (C-Br), 124,5

(2CH), 128,0 (C1), 132,2 (2CH), 136,7 (C), 151,9 (C6), 153,0 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 2922, 1589, 1561, 1483, 1361, 1262, 1181, 957, 786, 761, 707

Analyse élémentaire (%) pour C13H11BrO théorique : C, 59,34 ; H, 4,21 ; obtenue : C, 59,67 ; H, 4,15.

(E)-2-éthyl-5-styrylfurane67

(A2-C1). Huile jaune ; 68 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 1,51 (t, J = 7,50 Hz, 3H, H8), 2,93 (q, J = 7,50, 2H, H7), 6,25 (d, J

= 2,9 Hz, 1H,H4), 6,47 (d, J = 3,1 Hz, 1H, H5), 7,07 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2), 7,22 (d, J = 16,2 Hz, 1H,

H1), 7,35-7,50 (m, 1H, HAr), 7,55 (t, J = 7,3 Hz, 2H, HAr), 7,68 (d, J = 7,4 Hz, 2H, HAr).

(E)- 5-styrylsylvan-3-oate de méthyle (A3-C1). Cristaux blancs ; 79 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,46 (s, 3H, H6), 3,64 (s, 3H, H7), 6,39 (s, 1H, H4), 6,61 (d, 1H, J =

16,3 Hz, H2), 6,85 (d, 1H, J = 16,3 Hz, H1), 7,08 (m, 1H, HAr), 7,17 (t, 2H, J = 7,3 Hz, HAr), 7,28 (d, 2H, J =

7,6 Hz, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 13,9 (C6), 51,3 (C7), 108,8 (C4), 115,1 (CCO2), 115,6 (C2), 126,4

(2CH), 127,6 (CH), 127,7 (C1), 128,7 (2CH), 136,7 (C), 151,0 (C5), 159,0 (C3), 164,2 (CO2).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3024, 2953, 2920, 1708, 1639, 1598, 1437, 1396, 1310, 1227, 1201, 1123, 1088,

998, 964, 822, 779, 751, 691.

SMHR : pour C15H14O3Na théorique : 265,0841 ; obtenue : 265,0846.

67

Barluenga, J. ; Fanlo, H.; Lopez S.; Flórez J. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 4136–4140.

45

(E)-5-(4-bromostyryl)sylvan-3-oate de méthyle (A3-C2). Cristaux blancs ; 61 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,47 (s, 3H, H6), 3,69 (s, 3H, H7), 6,41 (s, 1H, H4), 6,57 (d, J = 16,2

Hz, 1H, H2), 6,75 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,12 (d, J = 8,4 Hz, 2H, HAr), 7,29 (d, J = 8,3 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 14,3 (C6), 51,8 (C7), 109,8 (C4), 115,6 (CCO2), 116,6 (C2), 121,8 (C-

Br), 126,6 (C1), 128,2 (2CH), 132,2 (2CH), 136,0 (C), 151,1 (C5), 159,6 (C3), 164,5 (CO2).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3051, 3033, 1705, 1640, 1598, 1439, 1395, 1307, 1228, 1124, 1081, 999, 970, 816,

773, 705.

Analyse élémentaire (%) pour C15H13BrO3 théorique : C, 56,10 ; H, 4,08 ; obtenue : C, 56,22 ; H,

4,03.

(E)- 2-acrylate de méthyle-5-styrylfurane (A4-C1). Cristaux jaunes ; 40 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 3,68 (s, 3H, H9), 6,27 (m, 2H, H8 et H4), 6,49 (d, 1H, J = 3,4 Hz, H5),

6,72 (d, 1H, J =16,2 Hz, H2), 7,03 (d, 1H, J = 16,2 Hz, H1), 7,20 (m, 4H, H7, 3HAr), 7,35 (t, J = 6,8 Hz, 2H,

2HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 51,5 (C9), 111,2 (C5), 114,8 (C4), 115,5 (C8), 117,3 (C2), 126,5 (2CH),

128,0 (CH), 128,6 (2CH), 129,6 (C7), 130,6 (C1), 136,3(C), 150,1(C6), 155,3 (C3), 167,4 (CO2).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 2964, 1714, 1620, 1504, 1432, 1383, 1308, 1239, 1176, 1025, 963, 802, 752, 692.


(E)-5-styrylfurfurol (A5-C1). Gomme jaune pâle ; 78 %.

46

RMN 1H (250 MHz, acétone-d6) δ (ppm) : 4,58 (s, 2H, H7), 6,34 (d, J = 2,8 Hz, 1H, H4), 6,40 (d, J = 2,8

Hz, 1H, H5), 7,02 (m, 2H, H1 et H2), 7,23 (t, J = 7,1 Hz, 1H, HAr), 7,34 (t, J = 7,4 Hz, 2H, HAr), 7,52 (d, J =

7,4 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, acétone-d6) δ (ppm) : 58,6 (C7), 111,3 (C4), 112,0 (C5), 118,8 (C2), 128,4 (2CH),

128,5 (C1), 129,7 (CH), 130,9 (2CH), 139,3 (C), 154,8 (C3), 157,7 (C6).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3256, 3030, 2932, 2863, 1635, 1596, 1490, 1448, 1359, 1262, 1193, 1014, 957, 779,

749.


(E)- 5-methyl-4-styrylsylvane (A6-C1). Gomme jaune pâle ; 54 %.


Hz, 1H, H2), 6,85 (d, J = 16,1 Hz, 1H, H1), 7,17 (t, J = 7,2 Hz, 1H, HAr), 7,29 (t, J = 7,4, 2H, HAr), 7,41 (d, J =

7,6 Hz, 2H, HAr).

RMN 13


126,5 (CH), 127,0 (C1), 128,7 (2CH), 138,1 (C), 148,5 (C6), 150,6 (C5).

IR (film) ν (cm-1

) : 3028, 2961, 2918, 1644, 1581, 1447, 1260, 1224, 1095, 1009, 954, 800, 751, 693.

SMHR : pour C14H15O théorique : 199,1123 ; obtenue : 199,1125.

(E)- 5-methyl-4-(4-bromostyryl)sylvane (A6-C2). Semi-solide orange ; 40 %.


Hz, 1H, H2), 6,84 (d, J = 16,1 Hz, 1H, H1), 7,28 (d, J = 8,4 Hz, 2H, HAr), 7,42 (d, J = 8,3 Hz, 2H, HAr).

47

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 11,9 (C7), 13,6 (C8), 103,5 (C4), 119,5 (C3), 120,2 (C2), 120,5 (C-Br),

125,1 (C1), 127,5 (2CH), 131,8 (2CH), 137,0 (C), 148,9 (C6), 150,8 (C5).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 2964, 2919, 1639, 1562, 1485, 1262, 1099, 1071, 954, 803, 751, 693.

SMHR : pour C14H13BrO théorique : 276,0150 ; obtenue : 276,0113.

48

Partie B : Réactions de Heck Déshydrogénantes de

thiophènes avec des styrènes dans des conditions douces

Introduction

Les thiophènes sont une classe d’hétérocycles très peu présente dans la nature. Ils peuvent

être extraits des tagettes, un genre de plantes de la famille des Asteraceae, dont font partie l’œillet

d’inde, la rose d’Inde, la tagette citron ou encore le souci français. Ces plantes synthétisent,

principalement au niveau de leurs racines, le 2,2’ : 5’,2’’-terthiophène et le 5-(but-3-èn-1-yl)-2,2'-

bithiophène (BBT), à partir desquels la plante biosynthétise plusieurs dérivés décrits au schéma B1.68

Ces composés présentent notamment des propriétés insecticides et antimicrobiennes.69,70

Schéma B1. Principaux thiophènes extraits des tagettes.

Un certain nombre de réactions permettant de convertir les furanes en thiophènes sont

connues. Elles s’effectuent à haute température (400 à 500 °C) en présence de H2S et de catalyseurs

alumino-supportés (schéma B2).71,72,73

68

Marotti, I.; Marotti, M.; Piccaglia, R.; Nastri, A.; Grandi, S.; Dinelli, G. J. Sci. Food Agric. 2010, 90, 1210-1217. 69

Green, M. M.; Singer, J. M. J. Am. Mosc Control Assoc. 1993, 7, 282-286. 70

Franz, Ch. Mathé, A. Buchbauer, G. Essential Oils: Basic and Applied Research, Allured Publishing: Vienne,

1997. 71

Li, Q.; Xu, Y.; Liu, C.; Kim, J. Catal. Lett. 2008, 122, 354-358. 72

Mashkina, A. V.; Khairulina, L. N. Kinet. Catal. 2008, 49, 245-252. 73

Mashkina, A. V. Kinet. Catal. 2011, 84, 1223-1228.

49

O S

Al2O3 calciné

500 °C

97 %

H2S (10 équiv.)

MW = 0,2 h-1

Schéma B2. Synthèse catalytique du thiophène à partir du furane.

Nous montrerons dans cette partie que la méthode de couplage présentée dans la partie

précédente est compatible avec une large gamme de thiophènes et avec des styrènes halogénés ou

non.

B.1. Bibliographie

Le thiophène est un cycle insaturé à 5 chaînons où un atome de soufre donne des électrons

aux systèmes π, jouant ainsi le rôle de substituant +E activateur du cycle. La conjugaison étant

importante (ER = 121 kJ.mol–1

), le thiophène est presque aussi stable que le benzène.74

En

conséquence, les réactions de couplage de Heck déshydrogénant avec les thiophènes n’ont bénéficié

que de peu d’études et requièrent des températures élevées. La plupart des résultats concernant ces

hétérocycles font partie d’études globales regroupant les O- et N-arènes.

En 1976, Kozhevnikov a réalisé le couplage du thiophène avec l’éthylène dans les mêmes

conditions réactionnelles que celles utilisées pour ses RHD entre le furane et cet alcène. A l’instar des

furanes, les rendements sont faibles (Schéma B3).37

Schéma B3. RHD du thiophène avec l’éthylène selon les conditions de Kozhevnikov.

La méthode élaborée en 1978 faisant appel à un hétéropolyacide comme oxydant et de

l’acétate de lithium comme additif dans l’acide acétique à 96 °C38

ne s’est pas révélée plus efficace

(schéma B4).

74

Joule, J. A.; Mills K. Heterocyclic Chemistry, John Wiley & Sons, Chichester, 2010.

50

Schéma B4. RHD du thiophène avec l’éthylène en présence d’une combinaison H6PMo9V3O40/LiOAc

Alors que les conditions de Fujiwara faisant intervenir l’acétate de cuivre comme oxydant

dans un mélange dioxane/AcOH à 100 °C avaient conduit à des vinylfuranes avec des rendements

moyens,39,40

elles ne mènent à des vinylthiophènes qu’avec des rendements très faibles (schéma B5).

Schéma B5. Résultats obtenus par Fujiwara en 1979 et 1981 pour les RHD entre le thiophène et des

acrylates ou des acrylonitriles.

L’équipe d’Ishii est la première qui, en 2004, est parvenue à réaliser une RHD impliquant un

thiophène avec un bon rendement.75

Le 2-méthylthiophène et l’acrylate d’éthyle ont été couplés

avec un rendement de 86 %, en utilisant de l’acétate de palladium sur charbon comme catalyseur,

une combinaison HPMo11V/O2 comme oxydant et de l’acétate de sodium comme additif dans l’acide

propionique à 60 °C (schéma B6).

Schéma B6. RHD entre le 2-méthylthiophène et l’acrylate d’éthyle selon les conditions

développées par Ishii.

En 2008, Miura a montré qu’avec le diphényl(thiéno)méthanol, l’emploi d’acétate de

palladium comme catalyseur, d’acétate de cuivre monohydrate comme oxydant et d’acétate de

75

Tani, M.; Sakaguchi, S.; Ishii, Y. J. Org Chem. 2004, 69, 1221-1226.

51

lithium comme additif dans le DMF à 96 °C pouvait se révéler plus efficace pour le couplage avec

l’acrylate d’éthyle qu’avec un alcène riche en électrons, tel que le styrène (schéma B7).41

Schéma B7. RHD impliquant le diphényl(thiéno)méthanol selon les conditions de Miura.

Le seul article à notre connaissance, principalement consacré aux thiophènes, a été publié

par Zhang et ses collaborateurs57

qui ont montré que l’utilisation de l’acétate d’argent au lieu

l’acétate de cuivre (II), de DMF et de pyridine, améliorait le rendement (schéma B8). La méthode

mise au point est également utilisable avec le furane et le sylvane.

Schéma B8. RHD mettant en jeu des thiophènes selon les conditions élaborées par Zhang en 2009.

D’une manière générale, de bons rendements avec une bonne régio- et stérosélectivité sont

observés en ce qui concerne les couplages avec les acrylates et les acrylamides. En revanche, les

résultats sont mitigés avec les acrylonitriles où les rendements sont inférieurs à 50 % et les

stéréosélectivités faibles.

Il convient de souligner en conclusion que les alcènes mis en jeu lors de ces transformations

sont des alcènes pauvres en électrons et requièrent des températures élevées. Un seul couplage de

Heck déshydrogénant faisant intervenir un alcène riche en électrons, le styrène, a été rapporté

(schéma B7), et le rendement obtenu est faible comparé à ceux obtenus avec des alcènes appauvris

en électrons. En conséquence, nous avons ambitionné d’étendre la méthode présentée en partie A

52

aux thiophènes et styrènes, et d’étudier sa compatibilité avec les styrènes halogénés pour lesquels

aucun exemple n’est connu.

B.2. Résultats et discussion

B.2.1. Constat de départ

Nous avions remarqué dans le paragraphe A.2.2. que dans un mélange AcOH/DMSO, avec la

benzoquinone comme oxydant et l’acétate de palladium comme catalyseur, la RHD du 2-

méthylthiophène avec le styrène fournissait le 2-styryl-5-méhtylthiophène avec un rendement de 67

% à température ambiante et en 24 h (schéma B9). Par conséquent, nous avons examiné la

compatibilité de cette méthode pour les 2-alkylthiophènes et les 2-halogénothiophènes avec le

styrène et des styrènes halogénés.

Schéma B9. RHD du 2-méthylthiophène avec le styrène selon la méthode développée en partie A.

B.2.2. Synthèse de styrylthiophènes

B.2.2.1. Avec les 2-alkylthiophènes

Les 2-alkylthiophènes ont pu être couplés avec des styrènes à température ambiante

(tableau B1). La RHD s’effectue non seulement avec les chlorostyrènes (entrée 3 à 6), mais également

avec les bromostyrènes (entrée 7 à 10). Les rendements en 24 h varient de 59 à 97 % avec une

quantité de catalyseur n’excèdant pas 5 % molaire, à l’exception de la RHD du 2-éthylthiophène avec

le 2-bromostyrène qui en requière 10 % molaire (entrée 8).

53

Entrée B C

Pd

(%) B-C, rdtb (%)

Entrée B C

Pd

(%) B-C, rdtb (%)

1 B1 C1 5

6 B2 C5 5

2 B2 C1 5

7 B1 C2 5

3 B1 C4 5

8 B2 C2 10

4 B2 C4 5

9 B1 C3 5

5 B1 C5 5

10 B2 C3 5

a B (2,0 mmol), C (1,0 mmol), BQ (2,0 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), TA.

b Rendement isolé.

Tableau B8. RHD d’alkylthiophènes avec des styrènes.a

B.2.2.2. Avec les 2-halogénothiophènes

La méthode a pu être appliquée aux 2-chloro- et 2-bromothiophènes sans affecter la liaison

Ar-X. Ainsi, ces composés ont été couplés de façon régiosélective et stéréosélective aussi bien avec le

styrène, qu’avec le chlorostyrène et le bromostyrène. Ces réactions réalisées à température

ambiante fournissent des rendements de 56 à 92 %. Des temps réactionnels plus longs que lors des

réactions avec les 2-alkylthiophènes ont été cependant nécessaires (48 h à la place de 24 h). Enfin,

les réactions mettant en jeu le 2-bromothiophène demandent une quantité de catalyseur plus élevée

que celle requise pour le 2-chlorothiophène (10 % molaire au lieu de 5 % molaire).

54

+

Pd(OAc)2 (0,05 - 0,1 équiv.)

BQ (2 équiv.)

AcOH/DMSO (1 : 1)

TA, 48 h

R2

S R2S

R2 = H (C1), p-Br (C2), o-Br (C3), p-Cl (C4), m-Cl (C5),

SBr

B4

R R

B C B-C

SCl

B3

2 équiv.

Entrée B C

Pd

(%) B-C, rdt (%)

Entrée B C

Pd

(%) B-C, rdt (%)

1 B3 C1 5

5 B3 C5 5

2 B4 C1 10

6 B4 C2 10

3 B3 C4 5

7 B3 C2 5

4 B4 C4 10

8 B4 C3 10

a B (2,0 mmol), C (1,0 mmol), BQ (2,0 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), TA.

b Rendement isolé.

Tableau B2. RHD de 2-halogénothiophènes avec des styrènes.

B.2.3. Limites de la méthode

A température ambiante, la diminution de la quantité en oxydant conduit à des résultats

nettement moins bons. Deux équivalents de benzoquinone restent donc nécessaires pour effectuer

ces couplages. Un prochain défi consistera à mettre au point une méthode permettant ces synthèses

à température ambiante et en utilisant un oxydant plus respectueux de l’environnement comme par

exemple l’oxygène moléculaire.

Comme pour le furane, le thiophène est peu disposé à réagir dans ces conditions. En effet, le

styrylthiophène n’a été isolé qu’avec un rendement de 28 %. Le constat est similaire pour les

thiophènes substitués en 3 par un groupement électroattracteur comme le 3-bromothiophène.

SCl

B3-C2, 65 %

Br

55

B.2.4. Valorisation de la réaction

Les thiophènes substitués en 2 sont utiles comme intermédiaires dans les colorants, les

parfums, les médicaments et les inhibiteurs.76

Certains produits de couplages synthétisés présentent

un intérêt comme intermédiaires de fabrication de polymères électroluminescents.77

Les

styrylthiophènes sont aussi reconnus pour entrer dans la composition de films polymériques semi-

conducteurs.78,79

Pour vinyler un thiophène substitué en position 2, la littérature met souvent en avant une

réaction de formylation suivie d’une réaction de Wittig.80

La méthode proposée ici offre donc une

possibilité d’accès simplifié à ces composés. Enfin, la réaction apparaît bien adaptée aux thiophènes

et styrènes halogénés où les rendements sont parfois supérieurs à 90 %. Ces résultats rendent cette

méthode intéressante pour fournir des intermédiaires de la synthèse d’oligothiophènes, une famille

de polymères conjugués qui deviennent conducteurs lorsqu’ils sont dopés, c’est-à-dire lorsque des

électrons sont ajoutés ou enlevés des orbitales p conjuguées. Les applications des polymères

conducteurs concernent des domaines variés comme le stockage d’énergie (batteries, piles), la

protection anti-statique et électromagnétique, les semi-conducteurs organiques et les capteurs

électrochimiques. La mise en évidence des propriétés d’électroluminescence du poly(p-

phénylènevinylène) (PPV) par le groupe de Friend en 199081

marque un tournant dans les recherches

sur les systèmes conjugués. En effet, depuis 1990, les propriétés semi-conductrices de la forme

neutre des systèmes conjugués linéaires (SCL) font l’objet de recherches visant le développement

d’applications dans des domaines tels que les transistors à effet de champ organiques, les diodes

électroluminescentes organiques et plus récemment les cellules photovoltaïques.

76

Campaigne, E. dans Comprehensive Heterocyclic Chemistry, Katritzky A. R., Rees, C. W., Eds.; Pergamon:

Oxford, 1984, p 910. 77

Heun, S.; Bad, S.; Ludemann, A.; Anémian, R. M.; Schulte, N. DE 10 2008 044 868 A1. 78

Videlot-Ackermann, C.; Ackermann, J.; Brisset, H.; Kawamura, K.; Ymoshimoto, N.; Raynal, P.; El Kassmi, A.;

Fages, F. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16346-16347. 79

Smith, J. R.; Ratcliffe, N. M.; Campbell, S. A. Synthetic Metals, 1995, 73, 171-182. 80

(a) Jiang, B.; Dou, Y.; Xu, X. Y.; Xu, M. Org Lett. 2008, 10, 593-596. (b) Molander, G. A.; Oliveira, R. A.

Tetrahedron Lett. 2008, 49, 1266-1268. (c) El-Batta, A.; Jiang, C. C.; Zhao, W.; Anness, R.; Coosky, A. L.;

Bergdahl, M. J. Org. Chem. 2007, 72, 5244-5259. (d) Thiemann, T.; Watanabe, M. ; Tanaka, Y.; Mataka, S. New J.

Chem. 2006, 30, 359-369. 81

Burroughes, J. H.; Bradley, D. D. C.; Brown, A. R.; Marks, R. N.; Mackay, K.; Friend, R. H.; Burns, P. L.; Holmes,

A. B. Nature, 1990, 347, 539-541.

56

B.2.5. Conclusion

Des RHD stéréosélectives et régiosélectives de thiophènes substitués en position 2 par un

halogène ou un groupement alkyle avec des styrènes, notamment halogénés, ont été réalisées dans

des conditions douces et avec des rendements atteignant 92 %.

Ces réactions constituaient les seuls exemples de couplage entre des substrats bromés, sans

porter atteinte à la liaison carbone – halogène. Récemment l’équipe de Liu a décrit des couplages de

Heck déshydrogénants de thiophènes avec des acétates allyliques en faisant appel au carbonate

d’argent comme oxydant, dans un système dioxane/DMSO à 110 °C.82

Cependant, la méthode

s’avère peu régiosélective et ne permet pas de maintenir intacte les liaisons Ar-Br. Quant au 2-

chlorothiophène, les rendements globaux sont inférieurs à 45 % (tableau B3).

Entrée R Durée (h) I (E), rdt (%) I (Z), rdt (%) II, rdt (%) III, rdt (%)

1 2-Me 12 63 7 13

2 2-Et 12 56 6 11

3 2-Cl 21,5 32 9 4

4 2-Br 20 26 2 2 33

Tableau B3. Résultats obtenus par Liu pour la RHD de thiophènes substitués en position 2 avec

l’acétate allylique.

A.3. Partie expérimentale

A.3.1. Informations générales

La Benzoquinone (BQ), Pd(OAc)2, B1, B2, B3, B4, C1, C2, C3, C4 et C5 sont des produits

commerciaux et utilisés sans purification.

82

Zhang, Y.; Li, Z.; Liu, Z-Q. Org. Lett. 2012, 14, 226-229.

57

A.3.2. Synthèse de 5-alkyl-2-styrylthiophènes


mmol) en solution dans un mélange solvant/co-solvant AcOH (2 mL)/DMSO (2 mL) sont ajoutés

l’arène (2 mmol) et l’alcène (1 mmol). Le mélange est agité à température ambiante pendant 24 h.

Après ajout de Et2O (20 mL), la réaction est traitée par une solution aqueuse saturée de NaHCO3 (20

mL). La phase aqueuse est extraite avec Et2O (20 mL × 2). Les phases organiques sont lavées avec une

solution de NaOH 2M (20 mL x 2), avec H2O (20 mL x 2), séchées sur MgSO4, et filtrées sur coton. Le

solvant est évaporé sous vide. Les produits sont séparés sur colonne de gel de silice flash (éluant :

éther de pétrole/acétate d’éthyle, 100-0 : 98-2).

(E)-2-méthyl-5-styrylthiophène (B1-C1).83

Cristaux blancs ; 67 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,42 (s, 3H, H7), 6,55-6,60 (m, 1H, H4), 6,76-6,79 (m, 2H, H5 et H2),

7,10 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,17 (m, 1H, HAr), 7,28 (t, J = 7,41, 2H, HAr), 7,38 (d, J = 7,54 Hz, 2H, HAr).

(E)-2-éthyl-5-styrylthiophène (B2-C1). Cristaux blancs cassés ; 72 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 1,28 (t, J = 7,5 Hz, 3H, H8), 2,78 (q, J = 7,4 Hz, 2H, H7), 6,63 (d, J =

3,3 Hz, 1H, H4), 6,80 (m,2H, H5 et H2), 7,23-7,03 (m, 2H, H1 et HAr), 7,28 (t, J = 7,4 Hz, 2H, HAr), 7,39 (d,

J = 7,5 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 15,9 (C8), 23,9 (C7), 122,4 (C4), 124,0 (C5), 126,3 (2CH), 126,4 (CH),

127,2 (C2), 127,4 (C1), 128,8 (2CH), 137,3 (C), 140,6 (C6), 147,0 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3058, 3023, 2965, 1627, 1594, 1538, 1473, 1352, 1201, 951, 769, 747, 690.

SMHR : pour C14H14S théorique : 214,0816 ; obtenue : 214,0817.

83

Katritzky, A. R.; Serdyuk, L.; Xie, L.; Ghiviriga, I. J. Org. Chem. 1997, 62, 6215–6221.

58

(E)-2-(4-chlorostyryl)-5-méthylthiophène (B1-C4). Cristaux jaunes clairs ; 97 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,40 (s, 3H, H7), 6,60 (m, 2H, H2 et H4), 6,76 (d, J = 3,3 Hz, 1H, H5),

7,01 (d, J = 16,0 Hz, 1H, H1), 7,32-7,14 (m, 4H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 15,7 (C7), 122,8 (C4), 125,7(C5), 126,0 (C2), 126,9 (C1) , 127,3 (2CH),

128,8 (2CH), 132,8 (C-Cl), 135,8 (C), 139,7 (C6), 140,5 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3015, 2917, 1623, 1540, 1470, 1345, 1236, 956, 797, 699.

Analyse élémentaire (%) pour C13H11ClS théorique : C, 66,51 ; H, 4,72 ; S, 13,66 ; obtenue : C, 66,66 ;

H, 4,38 ; S, 13,93.

(E)-2-(4-chlorostyryl)-5-éthylthiophène (B2-C4). Cristaux blancs cassés ; 70 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 1,27 (t, J = 7.5 Hz, 3H, H8), 2,78 (q, J = 7.5, 2H, H7), 6,65 (m, 2H, H2

et H4), 6,80 (d, J = 3.4 Hz, 1H, H5), 7,05 (d, J = 16.0 Hz, 1H, H1), 7,24 (m, 4H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 15,9 (C7), 23,9 (C8), 122,9 (C4), 124,1 (C5), 125,7 (C2), 126,8 (C1),

127,4 (2CH), 128,9 (2CH), 132,8 (C-Cl), 135,8 (C), 140,1 (C6), 147,4 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3014, 2968, 2935, 1623, 1538, 1490, 1471, 1263, 95673, 751, 697.

SMHR : pour C14H13ClS théorique : 248,0426 ; obtenue : 248,0427.



RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,44 (s, 3H, H7), 6,64 (m, 2H, H2 etH4), 6,82 (d, J = 3.4 Hz, 1H, H5),

7,01-7,28 (m, 4H, HAr et H1), 7,37 (s, 1H, HAr).

59

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 15,8 (C7), 123,0 (C4), 123,6 (C5), 124,5 (C2), 125,5 (C1), 126,0 (CH),

127,2 (2CH), 129,9 (CH), 134,7 (C-Cl), 139,2 (C), 140,0 (C6), 140,4 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3059, 3014, 2918, 1586, 1560, 1407, 1234, 1165, 948, 775, 708.

Analyse élémentaire (%) pour C13H11ClS théorique : C, 66,51 ; H, 4,72 ; S, 13,66 ; Obtenue : C, 66,12 ;

H, 4,72 ; S, 13,91.

(E)-2-(3-chlorostyryl)-5-éthylthiophène (B2-C5). Huile jaune ; 80 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 1,30 (t, J = 7,5 Hz, 3H, H8), 2,81 (q, J = 7,5 Hz, 2H, H7), 6,75-6,60

(m, 2H, H2 et H4), 6,86 (d, J = 3,4 Hz, 1H, H5), 7,30-7,06 (m, 4H, HAr et H1), 7,39 (s, 1H, HAr).

RMN 13


126,0 (CH), 127,1 (CH), 127,2 (CH), 129,9 (2CH), 134,7 (C-Cl), 139,2 (C), 139,9 (C6), 147,6 (C3).

IR (film) ν (cm-1

) : 3064, 3020, 2968, 1591, 1564, 1427, 1231, 1165, 946, 776, 682.

SMHR : pour C14H13ClS théorique : 248,0426 ; obtenue : 248,0424.

(E)-2-(4-bromostyryl)-5-méthylthiophène (B1-C2). Cristaux jaunes ; 90 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,42 (s, 3H, H7), 6,63 (m, 2H, H2 et H4), 6,78 (d, J = 3,2 Hz, 1H, H5),

7,04 (d, J = 16,0 Hz, 1H, H1), 7,19 (d, J = 8,3 Hz, 2H, HAr), 7,37 (d, J = 8,3 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 15,7 (C7), 121,0 (C-Br), 122,9 (C4), 125,7 (C5), 126,0 (C2), 127,0

(C1), 127,7 (2CH), 131,8 (2CH), 136,2 (C), 139,8 (C6), 140,5 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3074, 3012, 2914, 1623, 1583, 1400, 1236, 1164, 956, 770, 698.

Analyse élémentaire (%) pour C13H11BrS théorique : C, 55,92 ; H, 3,97 ; S, 11,48 ; obtenue : C, 56,20 ;

H, 3,95 ; S, 11,74.

60

(E)-2-(4-bromostyryl)-5-éthylthiophene (B2-C2). Cristaux jaunes clairs ; 56 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 1,19 (t, J = 7,5 Hz, 3H, H8), 2,69 (q, J = 7,5, 2H, H7), 6,57 (m, 2H, H2

et H4), 6,72 (d, J = 3,4 Hz, 1H, H5), 6,98 (d, J = 16,0 Hz, 1H, H1), 7,12 (d, J = 8,4 Hz, 2H, HAr), 7,28 (d, J =

8,4 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 15,9 (C8), 23,9 (C7), 121,0 (C-Br), 123,0 (C4), 124,1 (C5), 125,7 (C2),

126,8 (C1), 127,7 (2CH), 131,8 (2CH), 136,3 (C), 140,1 (C6), 147,5 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 2965, 1622, 1582, 1470, 1434, 1235, 1178, 956, 770, 701.

Analyse élémentaire (%) pour C14H13BrS théorique : C, 57,35 ; H, 4,47 ; S, 10,94 ; obtenue : C, 57,56 ;

H, 4,24 ; S, 11,10.

(E)-2-(2-bromostyryl)-5-méthylthiophène (B1-C3). Cristaux jaunes ; 56 %.



H5), 6,95-7,25 (m, 4H, H1, H2 et HAr), 7,51 (m, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 15,8 (C7), 123,8 (C-Br), 124,8 (C4), 125,6 (C5), 126,0 (C2), 126,3

(C1), 127,3 (CH), 127,6 (CH), 128,5 (CH), 133,2 (CH), 137,0 (C), 140,2 (C6), 140,6 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3063, 3034, 2943, 1688, 1618, 1582, 1257, 1159, 943, 791, 701.

Analyse élémentaire (%) pour C13H11BrS théorique : C, 55,92 ; H, 3,97 ; S, 11,48 ; obtenue : C,

56,09 ; H, 3,99 ; S, 11,33.

61

(E)-2-(2-bromostyryl)-5-éthylthiophène (B2-C3). Cristaux jaunes pales ; 68 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 1,30 (t, J = 7,5 Hz, 3H, H8), 2,81 (q, J = 7,6 Hz, 2H, H7), 6,66 (td, J =

3,5, 1,02 Hz, 1H, H4), 6,88 (d, J = 3,5 Hz, 1H, H5), 6,97-7,18 (m, 3H, H1, H2 et HAr), 7,22 (td, J = 7,7, 0,9

Hz, 1H, HAr), 7,53 (m, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 15,9 (C8), 23,9 (C7), 123,8 (C-Br), 124,1 (C4), 124,9 (C5), 125,5 (C2),

126,3 (C1), 127,1 (CH), 127,6 (CH), 128,5 (CH), 133,1, 137,0 (C), 140,1 (C6), 147,9 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3059, 3036, 2969, 1618, 1581, 1456, 1258, 1200, 941, 802.

Analyse élémentaire (%) pour C14H13BrS théorique : C, 57,35 ; H, 4,.47 ; S, 10,94 ; obtenue : C,

57,43 ; H, 4,44 ; S, 10,92.

A.3.2. Synthèse de 2-halogéno-5-styrylthiophènes


mmol) mis en solution dans un mélange solvant/co-solvant AcOH (2 mL)/DMSO (2 mL) sont ajoutés

l’arène (2 mmol) et l’alcène (1 mmol). Le mélange est agité à température ambiante pendant 48 h.

Après ajout de Et2O (20 mL), la réaction est traitée par une solution aqueuse saturée de NaHCO3 (20

mL). La phase aqueuse est extraite avec Et2O (20 mL × 2). Les phases organiques sont lavées avec une

solution de NaOH 2M (20 mL x 2), avec H2O (20 mL x 2), séchées sur MgSO4, et filtrées sur coton. Le

solvant est évaporé sous vide. Les produits sont séparés sur colonne de gel de silice flash (éluant :

éther de pétrole/acétate d’éthyle, 100-0 : 98-2).

(E)-2-chloro-5-styrylthiophene (B3-C1). Cristaux jaunes pale ; 72 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,67-6,74 (m, 3H, H4, H5 et H2), 6,97 (d, J = 16,1 Hz, 1H, H1), 7,16-

7,36 (m, 5H, HAr).

62

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 121,4 (C4), 125,5 (C5), 126,5 (2CH), 126,8 (CH), 127,9 (C2), 128,6

(C1), 128,7 (C), 128,8 (2CH), 136,6 (C3), 141,8 (C6).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3021, 1623, 1593, 1224, 1193, 948, 795, 749, 689.

Analyse élémentaire (%) pour C12H9ClS théorique : C, 65,30 ; H, 4,11 ; S, 14,53 ; obtenue : C, 64,87 ;

H, 4,05 ; S, 14,04.

(E)-2-bromo-5-styrylthiophene (B4-C1). Cristaux jaunes ; 77 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,64 (m, 2H, H4 et H2), 6,79 (d, J = 3,8 Hz, 1H, H5), 6,93 (d, J =

16,0 Hz, 1H, H1), 7,16 (m, 3H, HAr), 7,27 (d, J = 7,2 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 111,2 (C6), 121,3 (C4), 126,4 (C5), 126,5 (C2), 128,0 (3CH), 128,9

(C1), 130,6 (CH), 136,6 (C), 144,6 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3075, 3021, 2951, 1623, 1592, 1429, 1226, 1192, 948, 795, 749, 689.

Analyse élémentaire (%) pour C12H9BrS : C, 54,35 ; H, 3,42 ; S, 12,09 ; obtenue : C, 54,43 ; H, 3,40 ; S

12,04.

(E)-2-chloro-5-(4-chlorostyryl)thiophène (B3-C4). Cristaux blancs cassés ; 88 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,50 (d, J = 16,1 Hz, 1H, H2), 6,62 (m, 2H, H4 et H5), 6,81 (d, J =

16,1 Hz, 1H, H1), 7,12 (m, 4H, HAr).

RMN 13


(2CH), 129,1 (C), 133,4 (C-Cl), 135,1 (C3), 141,4 (C6).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3094, 3014, 1623, 1589, 1261, 1230, 943, 794, 696.

Analyse élémentaire (%) pour C12H8Cl2S : C, 56,48 ; H, 3,16 ; S, 12,57 ; obtenue : C, 56,45; H, 3,22; S,

12,41.

63

(E)-2-bromo-5-(4-chlorostyryl)thiophène (B4-C4). Cristaux jaunes ; 76 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,51-6,61 (m, 2H, H2 et H4), 6,77-6,89 (m, 2H, H1 et H5), 7,14

(m, 4H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 111,6 (C6), 121,8 (C4), 126,7 (C5), 127,4 (C2), 127,6 (C1), 129,0

(2CH), 130,6 (2CH), 133,5 (C-Cl), 135,1 (C), 144,2 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3083, 3013, 1622, 1587, 1433, 1230, 1093, 1055, 794, 748, 696.

Analyse élémentaire (%) pour C12H8BrClS : C, 48,10 ; H, 2,69; S,10,70 ; obtenue : C, 47,98 ; H, 2,66 ; S,

10,82.

(E)-2-chloro-5-(3-chlorostyryl)thiophène (B3-C5). Solide jaune ; 92 %.



16,1 Hz, 1H, H1), 7,15 (m, 3H, HAr), 7,30 (m, 1H, HAr).

RMN 13


(CH), 129,4 (C-Cl), 129,9 (CH) , 134,7 (C), 138,5 (C3), 141,2 (C6).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3061, 3027, 1625, 1591, 1436, 1252, 1085, 783, 768, 675.

Analyse élémentaire (%) pour C12H8Cl2S : C, 56,48 ; H, 3,16 ; S, 12,57 ; obtenue : C, 56,62 ; H, 3,13 ; S,

12,84.

(E)-2-bromo-5-(4-bromostyryl)thiophène (B4-C2). Cristaux jaunes ; 56 %.


64

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,46-6,73 (m, 2H, H4 et H2), 6,73-7,02 (m, 2H, H5 et H1), 7,13 (d, J

= 8,0 Hz, 2H, HAr), 7,31 (d, J = 7,8 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 111,7 (C6), 121,7 (C4), 121,9 (C-Br), 126,8 (C5), 127,5 (C2), 127,9

(2CH), 130,7 (C1), 131,9 (2CH), 135,6 (C), 144, 2 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3082, 3012, 1622, 1582, 1433, 1419, 1074, 1056, 794, 768, 746, 704.

SMHR : pour C12H8Br2S théorique : 341,8713 ; obtenue : 341,8706.

(E)-5-(4-bromostyryl)-2-chlorothiophène (B3-C2). Cristaux jaunes ; 65 %.



16,1 Hz, 1H, H1), 7,22 (d, J = 8,3 Hz, 2H, HAr), 7,40 (d, J = 8,3 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 121,7 (C-Br), 122,1 (C4), 125,9 (C5), 126,9 (C2), 127,2 (C1), 127,9

(2CH), 129,2 (C), 132,0 (2CH), 135,6 (C3), 141,4 (C6).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 1652, 1621, 1609, 1582, 1563, 1526, 1439, 1425, 1231, 997, 956, 943, 793, 704.

Analyse élémentaire (%) pour C12H8BrClS : C, 48,10 ; H, 2,69 ; S, 10,70 ; obtenue : C, 47,94 ; H, 2,41 ;

S, 10,64.

(E)-2-bromo-5-(2-bromostyryl)thiophene (B4-C3). Cristaux jaunes ; 57 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,91-6,97 (m, 1H), 7,02-7,52 (m, 5H), 7,84-7,57 (m, 2H);

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 112,1 (C6), 123,6 (C4), 124,0 (C-Br), 126,4 (C5), 127,0 (C2), 127,2

(C1), 127,6 (CH), 129,0 (CH), 130,6 (CH), 133,2 (CH), 136,3 (C), 144,1 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 3022, 1617, 1520, 1465, 1426, 1251, 966, 939, 783, 699.

SMHR : pour C14H13ClS théorique 341,8713 ; obtenue : 341,8705.

65

Partie C : Influence de l’oxydant sur l’activité du catalyseur

Introduction

Les réactions de Heck déshydrogénantes requièrent une quantité stœchiométrique

d’oxydant. Si certaines équipes concentrent leurs efforts sur l’utilisation de l’oxygène moléculaire

comme unique oxydant afin de parvenir à des réactions plus respectueuses de l’environnement,84

d’autres privilégient l’emploi d’oxydants organiques, comme par exemple la benzoquinone, parce

qu’ils peuvent excercer un rôle supplémentaire sur l’activité du catalyseur. Il est en effet établi que la

benzoquinone puisse intervenir sur certaines étapes réactionnelles du cycle catalytique.

Après avoir présenté les différents rôles que peut jouer la benzoquinone dans les réactions

pallado-catalysées, nous exposerons une étude mécanistique destinée à définir le rôle de la

benzoquinone dans nos conditions réactionnelles.

C.1. Bibliographie

C.1.1. La benzoquinone, un réoxydant du Pd(0) en Pd(II)

Bäckvall et al, ont montré l’oxydation du palladium (0) par la benzoquinone en milieu

acide.85

BQ se complexerait au Pd(0) et le complexe ainsi généré réagirait avec l’acide acétique pour

conduire au palladium (II) et à l’hydroquinone libre (schéma C1).

Schéma C1. Mécanisme de réoxydation du Pd(0) par la benzoquinone proposé par Bäckvall.

Des études mécanistiques menées par Stahl en 200686

soulignent les similarités entre les

réactions de O2 et d’alcènes déficients en électrons (BQ par exemple) avec Pd(0). Leurs études

84

Gligorich, K. M.; Sigman, M. S. Chem. Commun. 2009, 3854-3867. 85

Grennberg, H.; Gogoll, A; Bäckvall, J. E. Organometallics 1993, 12, 1790-1793. 86

Popp, B. V.; Thorman J. L.; Stahl. S. S. J. Mol. Catal-A Chem. 2006, 251, 2-7.

66

cinétiques révèlent que les deux réactions procèdent via une voie associative d’addition/substitution

(schéma C2).

Schéma C2. Similarités mécanistiques entre l’oxydation du Pd(0) par O2 et par BQ.

Si des conditions acides sont généralement requises pour permettre la réoxydation du Pd(0)

en Pd(II) par BQ, Booker-Milburn87

a montré que des réactions pallado(II)-catalysées

intermoléculaires de 1,2-carboamination de diènes pouvaient s’effectuer en absence de conditions

acides lorsque l’on utilise (MeCN)2Pd(OTs)2 comme catalyseur à la place de Pd(OAc)2 (Schéma C3).

Schéma C3. Réactions pallado-catalysées intermoléculaires de 1,2-carboamination de diènes selon

les conditions de Booker-Milburn

87

Houlden, C. E.; Bailey, C. D.; Ford, J. G.; Gagné, M. R.; Lloyd-Jones, G. C.; Booker-Milburn, K. I. J. Am. Chem.

Soc. 2008, 130, 10066-10067.

67

Lors de la synthèse d’oxazinanones à partir d’oxazolidinones, l’équipe de Poli a montré que,

même en absence de BQ, un solvant protique, tel que l’acide acétique, était nécessaire, sans doute

parce qu’une assistance d’ionisation via la protonation de ligands acétate coordonnés est requise88

(schéma C4)

Schéma C4. Nécessité d’un solvant protique pour la synthèse pallado-catalysée d’oxazinanones.

Dans des conditions faisant intervenir la benzoquinone, des calculs TDF sur l’étape de

réoxydation du palladium ont fourni un profil structural et énergétique avec un mouvement

d’électrons entre l’acide acétique, la benzoquinone et le centre métallique (schéma C5). Cette étude

montre que les interactions hydrogènes permanentes entre deux molécules d’acide acétique et la

benzoquinone sont indispensables pour abaisser la barrière énergétique à franchir afin de passer de

la forme I à II.

Schéma C5. Profil structural et de l’énergie libre avec le mouvement global d’électrons pour

l’étape de réoxydation du palladium par BQ.

88

Nahra, F.; Liron, F.; Prestat, G.; Mealli, C.; Messaoudi, A. Poli G. Chem. Eur. J. 2009, 15, 11078-11082.

68

C.1.2. La benzoquinone, un promoteur de l’activation de liaisons C-H

Lors de l’alkylation du groupement aryle de 4,4-diméthyl-2-benzyloxazolines avec un organo-

stannique (schéma C6), Yu a mis en évidence le rôle crucial de la benzoquinone dans l’activation de la

liaison C-H lorsque l’acétate de cuivre est utilisé en tant qu’oxydant, dans l’acétonitrile à 100 °C.89

Dans ces conditions, Yu propose que la benzoquinone favorise l’activation de la liaison C-H en

empêchant la formation du complexe trimétallique [Cu2Pd(OAc)6] inactif vis-à-vis des substrats

considérés.

Schéma C6. Réactions d’alkylation du 4,4-diméthyl-2-benzyloxazolines selon les conditions de Yu.

Lors du couplage oxydant de la benzo[h]quinoline avec le benzène (schéma C7), Hull et

Sanford formulent l’hypothèse que la benzoquinone pourrait se lier à un complexe palladié cyclo-

métallique promouvant ainsi l’activation de la liaison C-H de l’arène.90

Schéma C7. RHD de la benzo[h]quinoline avec le benzène selon les conditions de Sanford.

89

Chen, X.; Li, J.-J.; Hao, X.-S.; Goodhue, C. E.; Yu, J.-Q. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 78-79. 90

Hull, K. L.; Sanford, M. S. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 11904-11905.

69

En effet, l’utilisation de différents dérivés de la benzoquinone variant selon le nombre de

substituants méthyles influe sur la régiosélectivité au niveau du benzène. Les auteurs proposent la

formation d’un intermédiaire cyclopalladié comportant le substrat et la quinone (schéma C8). Cette

espèce réagirait avec l’arène d’où une influence des effets stériques et électroniques des

substituants de la quinone sur la régiosélectivité du couplage. L’utilisation DMSO améliore le

rendement probablement parce qu’il ralentit la décomposition/agrégation du Pd(0).

Schéma C8. Mécanisme selon Sanford pour la réactions présentée au schéma C7.

C.1.3. La benzoquinone, un promoteur de l’élimination réductrice

En 2001, Espinet a conclu que le couplage pallado-catalysé d’aryles stanniques avec des

halogénures d’allyles en présence de BQ impliquait des complexes de type π-allylpalladium. (Schéma

C9).91

Schéma C9. Mécanisme simplifié du couplage pallado-catalysé d’halogénures d’allyle et d’aryles

stannique proposé par Espinet.

91

Albéniz, A. C.; Espinet, P.; Martín-Ruiz, B. Chem. Eur. J. 2001, 7, 2481-2489

70

Au cours de cette réaction, la benzoquinone se coordonnerait au centre métallique du

complexe II et favoriserait l’élimination réductrice au détriment d’une élimination β-H afin de fournir

sélectivement le produit de couplage (schéma C10). La capacité de la benzoquinone à promouvoir

cette élimination réductrice dépendrait de la nature du solvant utilisé. Tandis que dans un solvant

non coordonnant tel que le CDCl3, des quantités catalytiques de BQ suffisent, un excès de BQ dans un

solvant coordonnant comme l’acétonitile, est nécessaire.

Schéma C10. Rôle de la benzoquinone dans la réaction étudiée par Espinet en 2001.

En 2005, Christina White a observé un rôle similaire de la benzoquinone lors d’oxydations

allyliques de liaisons C-H faisant appel à un système Pd(OAc)2/BQ/AcOH/sulfoxyde. Un tel système

conduit dans des conditions douces à un allylacétate branché de façon sélective et efficace92

(schéma

C11).

Schéma C11. Réactions d’oxydation allylique de liaisons C-H selon les conditions de White.

92

Chen, M. S.; Prabagaran, N.; Labenz N. A.; White, M. C. J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 6970-6971.

71

Selon les auteurs, le ligand sulfoxyde favoriserait l’activation de la liaison C-H tandis que la

benzoquinone favoriserait une élimination réductrice (schéma C12).

Schéma C12. Mécanisme de l’oxydation allylique de liaisons C-H proposée par White.

Bäckvall a étudié par des calculs selon la TDF les réactions de carbohydroxylation pallado-

catalysées de 1,3-cyclohexadiènes substitués par une chaine allènique (schéma C13). 93

Schéma C13. Réaction de carbohydroxylation de 1,3-cyclohexadiènes substitués par un allène

étudiée par Bäckvall.

Les calculs montrent que l’étape de formation de la liaison C-C se déroule via l’insertion

d’une des deux doubles liaisons du 1,3-cyclohexadiène dans la liaison Pd-vinyle de l’intermédiaire

vinylpalladium. Cette réaction conduit à un intermédiaire (π-allyl)palladium ; la coordination de la

benzoquinone et d’une double liaison du substrat au Pd crée un complexe π-allyle cationique très

réactif et facilement attaqué par l’eau (schéma C14).

93

Karlsson E. A.; Bäckvall, J. E. Chem. Eur. J. 2008, 14, 9175 – 9180.

72

Schéma C14. Mécanisme proposé par Bäckvall pour les réactions de carbohydroxylation de 1,3-

cyclohexadiène substitué par une chaîne allènique.

L’étude TDF de l’élimination réductrice R-R (R = Me, Ph, vinyle) se produisant à partir des

intermédiaires plausibles de réactions pallado-catalysées a été réalisée par Espinet en 2009.94

Celle-ci

inclue des systèmes tétracoordonnés cis-[PdR2(PMe3)2] plans carrés, eux-mêmes possibles

intermédiaires de systèmes cis-[PdR2(PMe)3L] formés en solution ou par addition de promoteurs de

couplage (L = acétonitrile, éthylène, anhydride maléique, lacune électronique) (schéma C15). Chaque

intermédiaire a été modélisé pour toutes les combinaisons de R et L. Les résultats indiquent que

l’énergie d’activation varie de 0,6 à 28,6 kcal/mol en phase gazeuse selon R (vinyl-vinyl < Ph-Ph < Me-

Me et selon L (acide maléique < lacune électronique < éthylène < PMe3 = MeCN).

Par ailleurs, l’étude de l’effet de l’ajout d’une série de composés éthylèniques a fourni l’ordre

d’énergie d’activation suivant : p-benzoquinone < acide maléique < trans-1,2-dicyanoethylène < 3,5-

diméthylcyclopent-1-ène < 2,5-dihydrofurane < ethylène < trans-2-butène. Ces résultats montrent

que la benzoquinone utilisée en tant que ligand permet d’abaisser la barrière énergétique

d’activation pour que le processus d’élimination réductrice puisse s’opérer.

94

Pérez-Rodriguez, M.; Braga, A. A. C.; Garcia-Melchor, M.; Pérez-Temprano, M. H.; Casares, J. A.; Ujacque, G.;

de Lera, A. R.; Alvarez, R.; Maseras, F.; Espinet, P. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3650-3657.

73

Schéma C15. Les quatre intermédiaires plausibles pour le profil réactionnel de l’élimination

réductrice étudiés par Espinet en TDF.

L’équipe de Sanford s’est concentrée sur le mécanisme du couplage pallado-catalysé de la

benzo[h]quinoline avec des arènes95

(schéma C16). Dans les conditions proposées, ces

transformations s’opèrent avec une grande régiosélectivité. Elles conduisent à des sélectivités

modestes à excellentes en faveur du couplage sur la position la moins encombrée stériquement des

arènes 1,2- et 1,3-disubstitués. Cependant, ce système est unique en ce sens où un très large excès

de benzoquinone est requis. De plus, la structure de la quinone a une influence considérable sur la

régiosélectivité du couplage avec certains arènes, suggérant que la quinone agit comme un ligand

durant l’étape sélectivement déterminante.

Schéma C16. Couplage de la benzo[h]quinoline avec des arènes selon Sanford.

Des études cinétiques ont défini davantage le rôle de la benzoquinone. Le mécanisme

impliquerait une activation de la liaison C-H de l’arène s’effectuant selon un équilibre suivie d’une

élimination réductrice favorisée par coordination de la benzoquinone conduisant ainsi au produit de

couplage (schéma C17).

95

Hull, K. L.; Sanford, M. S. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9651-9653.

74

Schéma C17. Mécanisme proposé par Sanford pour le couplage de la benzo[h]quinoline avec des

arènes.

Sakaki apporte des précisions quant à ce mécanisme grâce à une étude théorique.96

Une

première activation hétérolytique de la liaison C-H de la benzo[h]quinoline (HBzq) par Pd(OAc)2

conduirait à l’espèce Pd(Bzq)(OAc). Le centre palladié Pd(Bzq)(OAc) étant plus riche en électrons que

Pd(OAc)2, la benzoquinone se coordonne plus facilement à Pd(Bzq)(OAc) avec une barrière

d’activation plus basse pour mener au complexe plan carré distordu Pd(Bzq)(OAc)(BQ) qui est plus

stable que Pd(Bzq)(OAc). Une seconde activation C-H du benzene s’opère avec une barrière

d’activation modérée et une faible endothermicité. L’étape finale est une élimination réductrice,

s’opérant avec une faible barrière d’énergie. Dans ce mécanisme, la benzoquinone jouerait un rôle

clef dans l’accélération de la réaction :

• La benzoquinone, ligandée au palladium permet de changer la géométrie du complexe. Le

complexe plan carré Pd(Ph)(Bzq)(OAc) devient alors Pd(Ph)(Bzq)(OAc)(BQ) à géométrie

bipyramidale à base triangulaire plus favorable pour une élimination réductrice.

• La benzoquinone stabilise l’état de transition et le complexe ainsi formé par des interactions

électroniques de rétro-donnation. Ces effets contribuent ainsi à abaisser la barrière

énergétique d’activation correspondant à l’élimination réductrice.

L’étape cinétiquement déterminante serait la seconde activation C-H dont la barrière

d’activation est considérablement plus élevée que celle correspondant à la première activation C-H.

Pour cette étape, bien que la benzoquinone diminue la densité électronique du palladium dans le

complexe Pd(Bzq)(OAc), celle-ci ne jouerait pas de rôle majeur, la barrière d’énergie de cette étape

n’étant que très faiblement abaissée.

96

Ishikawa, A.; Nakao, Y.; Sato, H.; Sakaki, S. Dalton Trans. 2010, 39, 3279–3289.

75

En 2011, Sanford est revenue sur l’étude de cette réaction et s’est intéressée au changement

de sélectivité en fonction de la concentration de benzoquinone97

(schéma C18).

Schéma C18. Modification de la sélectivité selon la quantité de benzoquinone mise en jeu.

L’étape cinétiquement déterminante serait déterminée par la concentration de

benzoquinone. Pour la réaction du complexe [(bzq)Pd(OAc)]2 avec le 1,3-diméthoxybenzène, l’étape

cinétiquement déterminante serait la complexation de la benzoquinone (étape 2 du schéma C19)

lorsqu’elle est introduite en faible concentration (1 équivalent) tandis qu’en milieu saturé en

benzoquinone (20 équivalents), l’étape cinétiquement déterminante serait l’activation de la liaison C-

H (étape 1 du schéma C19). Le mécanisme exact de la complexation de la benzoquinone et de la

promotion de l’élimination réductrice reste à élucider. Selon les auteurs, la liaison avec la

benzoquinone pourrait se faire via un intermédiaire pentacoordonné (comme présentée au schéma

C19) ou via une réaction de substitution de ligand et dans ce cas, l’intermédiaire pentacoordonné

serait un état de transition.

97

Lyons, T. W.; Hull, K. L.; Sanford, M. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4455–4464.

76

Schéma C19. Mécanisme proposé par Sanford pour la réaction présentée au schéma C18.

C.1.4. La benzoquinone, un promoteur de la transmetallation oxydante

La méthoxycarbonylation de borures d’aryle et d’alcène, réalisée par Yamamoto en utilisant

une combinaison [Pd(OAc)2/PPh3] comme catalyseur et la benzoquinone comme oxydant

stoechiométrique dans du méthanol à température ambiante, fournit les esters de méthyle

correspondants avec de bons rendements (schéma C20).98

Schéma C20. Méthoxycarbonylation de borures d’aryle et d’alcène réalisée par Yamamoto.

Une étape de transmetalation assistée par la benzoquinone est proposée pour expliquer

l’efficacité de ces conditions (schéma C21).

98

Yamamoto, Y. Adv. Synth. Catal. 2010, 352, 478-492.

77

Pd(0)Ph3P

OO

B(OR)2

OMe

Htransmetalation

oxydantePd(II)

Ph3P

OHO

Ph

+ MeOB(OR)2

PPh3, - CO CO, - PPh3,

Pd(II)OC

OHO

PhPd(II)

OC

OHO

Ph

Pd(II)OC

OHO

Ph

MeOH

Pd(II)OC

OMe

Ph

L

Pd(II)

OMe

LO

Ph

ou/et Pd(II)

L

PhO

OMe

PhCO2Me + Pd(0)(BQ)PPh3

L = CO ou PPh3

BQ,PPh3

- HQ

Schéma C21. Mécanisme proposé pour la méthoxycarbonylation de borures d’aryle et d’alcène

réalisée par Yamamoto.

C.1.5. La benzoquinone, un promoteur de l’oxydation de l’hydrure de

Palladium H-Pd

Stahl a formulé l’hypothèse que la benzoquinone agisse comme un promoteur de l’oxydation

d’hydrure de palladium.99

En étudiant la réaction du complexe (IMes)2(H)(O2CPh) en présence

d’oxygène, Stahl propose que la benzoquinone se coordonne à l’hydrure de palladium ; ceci

favoriserait l’élimination réductrice de PhCO2H et donc la formation d’un complexe PdII-OOH (schéma

C22).

99

Decharin N.; Stahl S. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5732–5735.

78

Schéma C22. Mécanisme proposé par Stahl pour la réoxydation de l’hydrure de palladium par BQ,

O2 et une combinaison O2/BQ.

C.1.6. La benzoquinone, un inhibiteur de l’élimination ββββ-H

Larhed et son équipe100

se sont intéressés aux réactions domino pallado-catalysées de Heck-

Suzuki entre la N,N-diméthyl-2-(vinyloxy)éthanamine et des acides arylboroniques. Lorsque la

réaction catalysée par Pd(OAc)2 est effectuée sous oxygène, la formation de N,N-diméthyl-2-

(styryloxy)éthanamine est observée. Dans des conditions différentes avec notamment la

benzoquinone à la place de O2 en tant qu’oxydant, le cours de la réaction est modifié et donne accès

à des N,N-diméthyl-2-(éthoxy)éthanamine α,β-arylées (schéma C23).

100

Trejos, A.; Fardost, A.; Yahiaoui, S.; Larhed, M. Chem. Commun. 2009, 7587-7589

79

Schéma C23. Réactions domino pallado-catalysées de Heck-Suzuki mises au point par Larhed.

Ces résultats ont été rationalisés sur la base du mécanisme décrit par le schéma C24. Une

possible coordination de BQ au Pd jouerait un rôle clef puisqu’elle empêcherait l’étape d’élimination

β-H (et donc la formation de N,N-diméthyl-2-(styryloxy)éthanamine) pour favoriser une élimination

réductrice (schéma C24).

Schéma C24. Cycle catalytique proposé pour la reaction Domino de Heck/Suzuki de diarylation de

vinyléther.

80

C.1.7. La benzoquinone, un promoteur de la migration de ligand

Szabó a rapporté en 1998 une étude théorique de la migration de chlorures induite par la

benzoquinone dans les complexes (η3-allyl)palladium de BQ et du motif allylique.

101 La benzoquinone

et ses dérivés coordonneraient le palladium selon un mode η2. La benzoquinone, ligand encombrant,

oriente Cl- vers le motif allyle, facilitant la migration de ce dernier. Plusieurs types de coordination,

tels que endo et exo, sont possibles fournissant des complexes arylpalladium de stabilité semblable.

Szabó résume les effets des substituants de la benzoquinone de la façon suivante :

• Les substituants électro-attracteurs diminuent l’énergie d’activation pour la migration de

ligands.

• Les substituants présentant des paires d’électrons libres déstabilisent les complexes (η3-

allyl)palladium-quinone.

• Les substituants encombrants intéragissent avec le ligand Cl- et le motif allyle.

Pour conclure, outre son rôle d’oxydant, la benzoquinone est donc un ligand du palladium

pouvant induire des effets électroniques et/ou stériques facilitant certaines étapes du cycle

catalytique. Elle pourrait promouvoir l’activation de liaisons C-H, l’élimination réductrice, des

transmétalations oxydantes, l’oxydation d’hydrures de palladium (II), la migration de ligands ou

encore inhiber les éliminations β-H. Par le biais d’études cinétiques, nous montrerons que la

benzoquinone exerce un rôle positif sur l’insertion de l’alcène dans la liaison Ar-Pd.

C.2. Résultats et discussion

C.2.1. Constat de départ

L’étude du couplage de B1 avec C1 a montré que l’agent oxydant a une influence sur le

rendement de la réaction, ce qui laisse entendre qu’il intervient sur une ou plusieurs étapes du cycle

catalytique. En effet, alors que l’utilisation de 2 équivalents de BQ permet l’obtention du produit de

couplage avec un rendement de 67 %, l’utilisation d’une combinaison BQ (0,5 équiv.)/Cu(OAc)2 (0,1

équiv.)/O2 diminue le rendement à 45 % (tableau A1). Afin de déterminer plus précisément le rôle de

BQ, des études cinétiques ont été entreprises.

101

Szabó, K. J. Organometallics 1998, 17, 1677-1686

81

C.2.2. Etude de l’étape d’activation de liaison C-H

Des études cinétiques mettant en jeu le 2-méthylthiophène (B1) et le 2-méthylthiophène

deutéré en position 5 (B5) avec le styrène (C1) selon les conditions réactionnelles énoncées dans la

partie B ont été menées (figure C1).

aConditions : B1 ou B5 (2 mmol), C1 (1 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (2 mmol), AcOH (2 mL),

DMSO (2 mL), TA.

Figure C1. Etudes cinétiques mettant en jeu B1 et B5 avec le styrène (C1).a

L’évolution des vitesses de formation du produit de couplage de Heck déshydrogénant

montre un effet isotopique cinétique en accord avec une activation de la liaison C-H, conformément

à ce qui est généralement considéré pour ce type de couplage.102

De plus, la valeur élevée du rapport

des constantes KH et KD (KH/D = 4,06) indique que cet effet isotopique concorde davantage avec un

clivage pallado-induit de la liaison C-H qu’avec une réaction de Friedel-Crafts induite par un acide de

Lewis.103

102

Boele, M.; Van Strijdonck, G.; de Vries, A.; Kamer, P.; de Vries, J.; Van Leeuwen, P. J. Am. Chem Soc. 2002,

124, 1586. 103

García-Rubia, A.; Urones, B.; Arrayás, R.; Carretero J. C. Chem. Eur. J. 2010, 16, 9676-9685.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250

B1

B5

temps (minutes)

ren

de

me

nt

(%)

82

C.2.3. Influence de la benzoquinone sur la vitesse initiale

Le couplage de B1 avec C1 a été suivi en CPG en utilisant 1 équivalent ou 2 équivalents de

benzoquinone et aussi une combinaisaon BQ/Cu(OAc)2/O2 (figure C2).

S

+

Pd(OAc)2 (0,05 équiv.)Oxydant

AcOH/DMSO (1 : 1)TA, 4 h

S

B1, 2 équiv. C1B1-C1

aConditions : B1 (2 mmol), C1 (1 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (1 ou 2 équiv.) ou BQ (0,5

mmol)/Cu(OAc)2 (0,1 mmol)/O2 (1 atm), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), TA, 4 h.

Figure C2. Suivis des couplages de B1 avec C1 avec 2 équiv., 1 équiv. de BQ ou une combinaison BQ

/CuOAc)2/O2.a

Les vitesses initiales ne dépendent pas de la quantité de benzoquinone. Par conséquent, BQ

n’a pas d’influence sur l’étape lente, et donc sur l’étape d’activation de la liaison C-H. En revanche,

nous remarquons que le plateau est plus rapidement atteint en présence d’une quantité plus faible

de benzoquinone, ce qui démontre une influence de celle-ci sur les intermédiaires réactionnels. Par

ailleurs, l’emploi de quantités catalytiques de benzoquinone et de CuII réduit fortement le rendement

de B1-C1.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 100 200

BQ (2 équiv.)

BQ (1 équiv.)

BQ (0,5 équiv.), Cu(OAc)2

(0,1 équiv.), O2 (1 atm.)

temps (minutes)

ren

de

me

nt

(%)

83

C.2.4. Influence de la benzoquinone sur l’étape d’insertion de l’alcène

Le suivi cinétique de la RHD de A1 avec C1, en fonction des quantités de benzoquinone (1 ou

2 équivalents) montre qu’une diminution de la quantité de benzoquinone a un effet négatif plus

marqué sur le rendement que lorsque B1 est mis en jeu. En effet, le plateau est d’autant plus vite

atteint avec A1 que la quantité de benzoquinone est faible (figure C3).

aConditions : A1 (2 mmol), C1 (1 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (1 ou 2 équiv.), AcOH (2 mL),

DMSO (2 mL), TA, 2 h.

Figure C3. Cinétique de la RHD de A1 avec C1 en fonction de la quantité de BQ.a

Cet effet n’est cependant pas observé lorsque ces expériences sont menées avec des alcènes

pauvres en électrons tels que l’acrylate de t-butyle (figure C4).

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50 100 150

BQ (1 équiv.)

BQ (2 équiv.)

temps (minutes)

ren

de

me

nt

(%)

84

aConditions : A1 (2 mmol), D1 (1 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (1 ou 2 équiv.), AcOH (2 mL),

DMSO (2 mL), TA, 2 h.

Figure C4. Cinétique de la RHD entre A1 et l’acrylate de t-butyle en fonction de la quantité de BQ.a

Les études théoriques conduites par Sakaki ont montré qu’après une activation C-H de

l’arène par Pd(OAc)2, le centre palladié de l’espèce ArPdOAc résultante est électroniquement plus

riche en électrons que celui de l’acétate de palladium (II) d’où une coordination facile de la

benzoquinone.96

En conséquence, nous proposons que l’activation de la liaison C-H de l’arène

conduise à un complexe ArPd(OAc) interagissant facilement avec la benzoquinone. Le complexe

ArPd(BQ)(OAc) résultant apparaît alors moins riche en électrons que le précédent et peut alors

coordonner plus aisément des alcènes riches en électrons tels que le styrène C1 pour donner le

complexe ArPd(BQ)(C1)(OAc).

Les différences observées entre les figures C2 et C3 sur les effets de la benzoquinone peuvent

s’expliquer par le fait que A1 est plus nucléophile que B1.104

Par conséquent, le complexe

(A1)Pd(OAc), où le centre métallique est plus riche en électrons que dans le complexe (B1)Pd(OAc),

requière probablement davantage la présence de la benzoquinone pour la coordination d’alcènes

riches en électrons tels que les styrènes afin d’accéder à l’espèce ArPdBQ(C)(OAc) (Schéma C25, voie

A). En revanche, les alcènes pauvres en électrons tels que les acrylates pourraient intéragir

directement avec le complexe ArPdOAc résultant de l’activation C-H de l’arène et celui-ci serait donc

moins sensible aux variations de la quantité de la benzoquinone (schéma C25, voie B). A partir de

l’espèce ArPdBQ(C)(OAc), une insertion de la liaison C=C de C1 dans la liaison Ar-Pd, suivie d’une

élimination β-H fournit le produit de couplage de Heck déshydrogénant et le complexe HPd(BQ)OAc.

Ce dernier, par réaction avec AcOH restitue Pd(OAc)2.

104

Mayr, H.; Kempf, B.; Ofial A. R. Acc. Chem. Res. 2003, 36, 66-77.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150

BQ (1 équiv.)

BQ (2 équiv.)

temps (minutes)

ren

de

me

nt

(%

)

85

XPd

DMSO

DMSO

OAc

+BQ

XPd DMSO

O

O

-

Pd DMSO

O

O

X

- Pd(0)- AcOH

rapide

PhXOAc

AcOXPd

OAc

O O

PhPh

Voie A : alcènes riches en électrons

X = O, S

XPd

DMSO

OAc

X- Pd(0)

rapide

Acrylate-O O

OO

XO

OPdAcO

DSMO DMSO

Voie B : Alcènes pauvres en électrons

Schéma C25. Les deux voix mécanistiques possibles selon la nature de l’alcène.

Afin d’analyser ces hypothèses, un suivi cinétique de RHD a été conduit avec la 2-

chlorobenzoquinone qui, étant électroniquement moins riche que la benzoquinone, devrait faciliter

davantage l’interaction de (A1)Pd(BQ)OAc avec l’alcène C1 (figure C5).

aConditions : A1 (2 mmol), C1 (1 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (1 mmol) ou 2-Cl-BQ (1 mmol),

AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), TA, 2 h.

Figure C5. Cinétique de la RHD de A1 avec C1 en présence de BQ ou de 2-chlorobenzoquinone.a

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 50 100

BQ (1 équiv.)

2Cl-BQ (1 équiv.)

temps (minutes)

ren

de

me

nt

(%)

86

Les résultats obtenus confirment l’hypothèse. En effet, la réaction de A1 avec C1 est plus

efficace en présence de 2-chlorobenzoquinone qu’en présence de benzoquinone. Les quinones

facilitent donc la complexation d’alcènes riches en électrons au centre palladié.

La possibilité pour la benzoquinone ligandée au palladium de s’insérer dans la liaison Ar-Pd a

été écartée. En effet, dans des réactions de Heck classiques mettant en jeu la benzoquinone, C1, le 4-

iodobenzoate de méthyle dans le THF en présence de Pd(OAc)2, PPh3 et de Et3N, seul le (E)-4-

styrylbenzoate de méthyle est observé, montrant que C1 est plus sujet que la benzoquinone a

réaliser une réaction d’insertion.

C.2.5. Cycle catalytique

La période d’induction observée dans le mélange Et2O/AcOH a été attribuée à la

complexation du furane A à l’espèce catalytique trimérique inactive menant aux espèces palladiées

monomériques et dimériques actives (schéma C26). Par contre, aucune période d’induction n’a été

observée lorsque le mélange DMSO/AcOH est utilisé comme solvant. Ceci s’explique par le fait que le

DMSO peut agir comme ligand du palladium pour fournir le complexe monomérique

Pd(OAc)2(DMSO)2.105

Schéma C26. Mécanisme de la formation des espèces catalytiques monomèriques et dimériques

actives à partir de l’acétate de palladium trimérique.

Les résultats obtenus et ces observations permettent de proposer le cycle catalytique du

schéma C27 pour les réactions conduites dans le mélange AcOH/DMSO. L’activation d’une liaison C-H

de l’arène par L2Pd(OAc)2 forme l’intermédiaire III. Après complexation de la benzoquinone et

coordination de l’alcène à cet intermédiaire, l’insertion de l’alcène dans la liaison Ar-Pd mène à

l’intermédiaire VI qui subit l’élimination β-H pour fournir le produit de couplage et l’hydrure de

palladium VII. Ce dernier, par réaction avec AcOH restitue l’espèce catalytique active.

105

(a) Zierkiewicz, W. Privalov T. Organometallics 2005, 24, 6019-6028. (b) Stash, A. I.; Perepelkova, T. I.;

Kravtsova, S. V.; Noskov, Yu. G.; P. Romm, I. Russ. J. Coord. Chem. 1998, 24, 36–39.

87

Schéma C27. Cycle catalytique proposé.

C.3. Conclusion

Il était connu que la benzoquinone, en sus de son rôle d’oxydant, pouvait avoir, un rôle de

promoteur de l’activation de la liaison C-H, de l’élimination réductrice, de l’oxydation de l’hydrure de

palladium, de la transmetallation oxydante, de la migration de ligand, ou encore un rôle d’inhibiteur

de l’élimination β-H. Nous avons montré que la benzoquinone pouvait favoriser l’étape d’insertion de

l’alcène dans la liaison Ar-Pd. En revanche, la benzoquinone n’a pas d’influence sur l’étape

d’activation de la liaison C-H de l’arène dans nos conditions réactionnelles.

88

C.4. Partie expérimentale

C.4.1. Préparation du 2-méthylthiophène-5d

Le 2-méthylthiophène-5d a été préparé selon une méthode standard. Dans un schlenk mis

sous argon, le 2-méthylthiophène est mis en solution dans le THF (20 mL). Le n-butyllithium en

solution dans l’hexane (1,4 équiv.) est ensuite ajouté au milieu réactionnel placé à 0 °C. Après 2 h

d’agitation à température ambiante, l’eau deutérée (1,4 équiv.) est additionnée au mélange

réactionnel remis à 0 °C, lequel est ensuite laissé sous agitation à température ambiante pendant 10

min. Après ajout de Et2O (20 mL) et un traitement avec une solution aqueuse saturée de NH4Cl (20

mL), la phase organique est extraite et séchée sur MgSO4. Le 2-méthylthiophène-5d est ensuite

obtenu par évaporation sous vide (pression de 160 mbar et bain à 40 °C).

C.4.2. Mode opératoire pour le suivi cinétique des réactions

L’acétate de palladium (11,2 mg, 0,05 mmol), la benzoquinone (54 - 216 mg, 0,5 - 2 mmol) ou

la 2-chlorobenzoquinone (142,5 mg , 1 mmol), et l’acétate de cuivre (II) (0 – 18,2 mg, 0 – 0,1 mmol)

sont mis en solution dans AcOH (2 mL) et DMSO (2 mL). Après ajout de l’arène (2 mmol), de l’alcène

(1 mmol) et du nitrobenzène (103 µL, 1 mmol), le mélange est agité à température ambiante. Des

échantillons sont prélevés toutes les 15 min (environ 0,2 mL) pendant 2 h ou 4 h, filtrés avec Et2O sur

silice et analysés par CPG. Lorsque la réaction est effectuée oxygène, un ballon rempli de O2 est

adapté au dispositif réactionnel.

89

Chapitre 2 :

Etude SM-IES de la RHD de furanes avec

des acrylates en utilisant la benzoquinone

comme oxydant et le DMSO comme

solvant

90

Introduction

La spectrométrie de masse est une méthode analytique qui permet l'étude d'objets isolés en

phase gazeuse. Elle peut être appliquée à tous les domaines scientifiques qui relèvent de l’étude de

la matière dès lors que celle-ci peut être, d’une part volatilisée et, d’autre part ionisée. Ces domaines

s'étendent de la chimie et la biochimie à l'analyse de particules cosmiques, en passant par la

protéomique, l’environnement, l’archéologie ...

Au cours des deux dernières décennies, la spectrométrie de masse a connu un

développement très important, dû essentiellement à l’amélioration des techniques d’ionisation à

pression atmosphérique (IPA), en particulier l’ionisation par électrospray (IES), qui permet l’étude

d’espèces ioniques en solution. Ce mode d’ionisation a ouvert un accès direct à l’investigation de

réactions chimiques en solution. En principe, l’IES rend possible la détection et l’étude, non

seulement des réactifs et des produits, mais aussi, des intermédiaires réactionnels de courte durée

de vie, ce qui apporte de nouvelles connaissances sur les mécanismes.

L’IES et sa version tandem SM/SM-IES, sont rapidement devenues des techniques de choix

pour l’étude mécanistique de réactions en solution.

Dans un premier temps, ce chapitre sera consacré à la présentation de généralités sur la

technique et dans un deuxième temps à l’étude par spectrométrie de masse - ionisation par

électrospray (SM-IES) de la Réaction de Heck Déshydrogénante de furanes avec des acrylates selon

les conditions développées par notre équipe au chapitre 1.

91

Partie D : Introduction à l’électrospray couplé masse106, 107

Introduction

La spectrométrie de masse est une technique d'analyse, dont les fondements ont été posés à

la fin du XIXème siècle. Elle consiste à séparer des molécules, préalablement ionisées et mises dans

leur état gazeux, en fonction de leur masse et de leur charge. Les premières analyses de

spectrométrie de masse ont été décrites en 1912 par Joseph J. Thompson. Cette technique a

longtemps été employée sur des petites et moyennes molécules, et reste d’actualité, car elle tire

avantage de sa grande sensibilité.

Malgré les années de développement intensif de la spectrométrie de masse, l'analyse des

macromolécules est restée difficile pendant plus de 70 ans car ces composés sont facilement

dégradés par l’ionisation. A la fin des années 80, deux méthodes décrites par J. Fenn (IES : ionisation

electrospray) et par K. Tanaka (DILAM : desorption/ionisation laser assistée par matrice),

récompensées par le prix Nobel de chimie 2002, permettent d'éviter la dégradation des

macromolécules au cours de la phase d'ionisation. L’ionisation électrospray (IES) est une technique

douce d’ionisation, à pression atmosphérique, qui permet le transfert des ions d’une solution vers

une phase gazeuse.

D.1. Schéma général du spectromètre de masse Q-TdV

L’appareil utilisé par notre laboratoire est schématisé ci-après (schéma D1). Il est constitué

de deux analyseurs : un quadripolaire et un à temps de vol (TdV). Le spray est formé à pression

atmosphérique, puis la pression diminue au fur et à mesure que les ions parcourent les différents

compartiments du spectromètre. Une pompe à palette et deux pompes turbo permettent d’obtenir

le vide. Les différentes étapes, de la formation du spray à la détection, sont détaillées par la suite.

106

de Hoffmann, E.; Charete J.; Stroobant, V. Spectrométrie de masse 2e Ed., Dunod: Paris, 1999. 107

Gross, J. H. Mass Spectrometry: A Textbook, Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, 2004.

92

Schéma D1. Modèle d’un spectromètre de masse Q-TdV.

D.2. Source et interface

L’échantillon est injecté dans un capillaire métallique avec un faible débit (1 à 10 μL.min-1

). La

solution est soumise à un champ électrique intense, obtenu par une différence de potentiel entre le

capillaire et une contre électrode (2 à 5 kVolt). Le champ électrique engendrant une accumulation de

charges à la surface de l’échantillon, déstabilise la surface du liquide. Celui-ci prend la forme d'un

cône (cône de Taylor) à la pointe duquel sont émises des gouttelettes chargées. Un courant de gaz

inerte (N2), nommé gaz de nébulisation, aide à la formation du spray et à sa stabilisation (schéma

D2). Il est à noter que le capillaire peut subir un potentiel positif ou négatif selon le mode d’ionisation

choisi (IES(+) ou IES(-)).

Schéma D2. La source et l’interface, mode IES(+).

93

Les gouttelettes chargées sont attirées par le cône d’échantillonnage (tension accélératrice, 5

à 200 Volt), alors que les neutres sont récupérés sur une cible. Les premières subissent alors un flux

de gaz de séchage (N2) afin d’évaporer le solvant et d’obtenir des ions en phase gazeuse (schéma D2).

Il est déjà possible, dans l’interface, de fragmenter les ions en variant la tension d’accélération et la

pression du gaz de séchage.

Deux modèles ont été proposés pour former un ion en phase gazeuse à partir d’une

gouttelette d’électrolyte. Le premier, le modèle de la charge résiduelle, a été proposé par Dol en

1968. L’évaporation du solvant entraîne une tension de charge trop importante dans la gouttelette

qui éclate, jusqu’à l’obtention d’un ion solvaté qui passera en phase gazeuse après l’évaporation des

dernières molécules de solvant (Schéma D3).

Schéma D3. Le modèle de la charge résiduelle.

Le modèle de l’évaporation des ions a été proposé en 1976 par Thomson et Iribarne.108

Ils

proposent que lorsque les gouttelettes atteignent une taille de l’ordre de 10 nm, des ions sont

expulsés, se retrouvant en phase gazeuse.

Lors du séchage des gouttelettes d’électrolyte, les ions peuvent entrer en collision ce qui

provoque une dispersion angulaire. Les ions arrivent donc dans le spectromètre de masse par un

hexapôle, qui permet de refocaliser le faisceau d’ions et ainsi d’augmenter la sensibilité de l’appareil.

D.3. L’analyseur quadripolaire

Le faisceau d’ions arrive alors dans le premier analyseur : le quadripôle, constitué de quatre

électrodes cylindriques, de section hyperbolique ou circulaire, parfaitement parallèles (schéma D4).

108

Iribarne, J.V.; Thomson, B. A. J. Chem. Phys. 1976, 64, 2287–2294.

94

Les électrodes opposées, distantes de 2r0, sont soumises au même potentiel, alors que les électrodes

adjacentes sont portées à des potentiels de même valeur, mais opposés.

Schéma D4. L’analyseur quadripolaire.

Les ions, soumis à un champ quadripolaire, suivent alors une trajectoire selon l’axe z. Le

champ résulte de l’application de potentiels Φ0 sur les électrodes tel que : Φ0 = U – V cosωt et – Φ0 =

– (U – V cosωt), où ω est la fréquence angulaire, U le potentiel pouvant aller de 500 à 2000 volts, et V

l’amplitude du voltage de la radio fréquence compris entre 0 et 3000 volts.

Pour être détecté, un ion doit avoir une trajectoire stable selon l’axe z, c’est-à-dire que ses

coordonnées en fonction de x et y doivent être strictement inférieures à r0, sinon il se déchargera

lors de sa collision avec les parois du quadripôle et ne pourra pas être analysé. Il est possible de

définir, en fonction des valeurs U et V, une zone de stabilité pour des ions de même masse (schéma

D5).

Schéma D5. Diagramme de stabilité pour différentes masses en fonction de U et V.

95

La droite de fonctionnement de l'analyseur, définie par le constructeur, correspond au

potentiel U en fonction de l’amplitude du voltage de la radio fréquence V tel que U/V = constante.

Un balayage de U et V, suivant cette droite, permet l'observation successive de tous les ions dont la

zone de stabilité est coupée par la droite de fonctionnement. La résolution entre ces ions est

d'autant plus grande que la pente de la droite est élevée.

Il est à noter que l’analyseur quadripolaire nécessite une source d’ions continue pour réaliser

le balayage, et que la perte d’ions (trajectoire instable) entraîne une perte de sensibilité. Cet

analyseur a une résolution unitaire et permet donc de travailler uniquement en basse résolution.

D.4. La cellule de collision

Le spectromètre de masse est ensuite équipé d’une cellule de collision qui permet de

fragmenter les ions. Pour ce faire, un gaz (He) est envoyé dans la cellule et entre en collision avec les

ions provoquant leur fragmentation. Il est possible de choisir la pression du gaz injecté dans la cellule

qui correspondra à une énergie définie exprimée en eV DIC (dissociation induite par collission). Cette

cellule servira en analyse SM/SM-IES

D.5. L’analyseur à Temps de Vol

Un deuxième hexapôle suit la cellule de collision afin de refocaliser le faisceau d’ions avant

l’entrée dans l’analyseur à Temps de Vol (TdV pour tube à temps de vol). Il existe deux types

d’appareil : le TdV mode linéaire, et le mode réflectron dont notre spectromètre est équipé.

Dans un premier temps, les ions sont accélérés par un champ électrique (tension

accélératrice, V = 10-25 kV), et acquièrent ainsi la même énergie cinétique (EC = z.e.V). Les ions sont

ensuite envoyés au même moment vers le tube de vol, au moyen de deux électrodes (pusher et

puller) auxquelles un potentiel sera appliqué à un instant donné (schéma D6).

96

Schéma D6. Accélération et expulsion des ions en fonction du temps.

En mode linéaire, le tube de vol est libre de tout champ et la séparation des ions ne va

dépendre que de leur vitesse, induite par l’énergie cinétique acquise lors de la phase d’accélération.

Comme EC = ½ m.v2 et que EC est la même pour tous les ions, leur vitesse dans le tube de vol va être

inversement proportionnelle à leur masse (schéma D7).

Schéma D7. Analyseur Temps de Vol mode linéaire.

La résolution de l’analyseur TdV permet de distinguer deux ions de masse proche. La

résolution est d’autant élevée que tous les ions, de rapport m/z égal, arrivent dans le laps de temps

∆t le plus court au niveau du détecteur. Expérimentalement, les ions de même rapport m/z vont

atteindre celui-ci avec une dispersion dans les temps d’arrivée, due notamment à une incertitude sur

l’énergie initiale des ions. Le TdV en mode linéaire ne corrige pas les écarts d’énergie (schéma D8) et

ne permet pas de travailler en haute résolution.

97

Schéma D8. Analyseur Temps de Vol mode linéaire.

Le réflectron permet de corriger les écarts en énergie d’ions de même rapport m/z. Il est

principalement constitué d’un miroir électrostatique imposant un champ électrique s’opposant à la

progression des ions, qui vont être renvoyés vers l’analyseur. Avec un même rapport m/z, les ions,

dont les vitesses sont plus élevées, vont pénétrer plus profondément dans le réflecteur, et parcourir

un trajet plus long, alors que les ions de plus faible vitesse vont être renvoyés plus tôt, et

effectueront un trajet plus court. Ainsi, les ions de même m/z arriveront au détecteur dans un laps de

temps ∆t plus court augmentant la résolution de l’analyseur (schéma D9). L’analyseur TdV en mode

réflectron permet de travailler en haute résolution. Une référence externe, des sels d’iodure de

sodium et de césium, est alors ajoutée au moment de l’analyse.

Schéma D9. Analyseur Temps de Vol mode réflectron.

98

D.6. L’analyse SM/SM-IES

Pour réaliser des analyses SM/SM-IES, il est nécessaire d’utiliser un spectromètre de masse

possédant deux analyseurs. L’analyseur quadripolaire va permettre le choix des ions d’un rapport

m/z défini. Ces ions seront fragmentés dans la cellule de collision puis les fragments seront analysés

par l’analyseur TdV. La sélection d’une seule masse au niveau de l’analyseur quadripolaire ne permet

pas l’ajout de la référence et les spectres SM/SM-IES sont donc réalisés en basse résolution.

D.7. Conclusion

Les développements récents de la technique de spectrométrie de masse, et en particulier du

mode d’ionisation électrospray, ont ouvert l’accès à l’étude directe des réactions chimiques en

solution.

Nous allons voir que la technique permet l’identification d’intermédiaires réactionnels y

compris ceux de courte durée de vie. En fonction des différentes versions de spectromètres, on peut

accéder aux informations telles que la SM/SM et la SMHR.

La technique permet des études qualitatives et quantitatives. A titre d’exemple,

l’appréciation du ratio des abondances d’intermédiaires dans un mélange de catalyseurs reflète dans

certains cas la stéréosélectivité intrinsèque des catalyseurs.

La spectrométrie de masse en mode d’ionisation électrospray et la version tandem SM/SM-

IES sont donc rapidement devenues des techniques de choix pour l’étude mécanistique des réactions

chimiques en milieu liquide.

99

Partie E : Etude SM-IES de la RHD de furanes et d’acrylates

en utilisant la benzoquinone comme oxydant et le DMSO

comme solvant

Introduction

La spectroscopie de masse est basée sur la séparation des espèces ioniques en fonction de

leur masse mono-isotopique sur leur charge (m/z). L’identification d’espèces détectées est réalisée

par comparaison des modèles de distribution des isotopes calculés et observés. Le palladium possède

six isotopes, les ions contenant cet atome seront détectés en masse sous forme d’amas isotopiques

centrés sur l’isotope le plus abondant (106) (schéma E1).

Schéma E1. Amas isotopiques des ions contenant du palladium.

E.1. Bibliographie

Différents travaux relatent l’utilisation de la technique SM/SM-IES pour identifier des

intermédiaires des réactions pallado-catalysées et proposer des mécanismes réactionnels. En 2004,

l’équipe d’Eberlin a étudié, par analyse SM-IES, le couplage du tétrafluoroborate de 4-

méthoxybenzènediazonium avec le 2,3-dihydrofurane (schéma E2). Les auteurs ont proposé un

équilibre entre les espèces [p-MeOC6H4Pd(MeCN)3]+, [p-MeOC6H4Pd(MeCN)2]

+, [p-

100

MeOC6H4Pd(MeCN)(dba)]+ et [p-MeOC6H4Pd(dba)2]

+ et ont suggèré que l’intermédiaire le plus à

même à insérer l’oléfine est le complexe mixte [p-MeOC6H4Pd(MeCN)(dba)]+.109

Schéma E2. Mécanisme proposé proposé par Eberlin.

109

En 2005, Guo et al. ont étudié la réaction domino de double addition-cyclisation entre le 2-

(2,3-allènyl)malonate de diméthyle, PhI et le (E)-N-benzylidène-4-méthylbenzènesulfonamide en

présence de palladium tétrakis-triphénylphosphine et de carbonate de potassium dans le THF à 85 °C

(schéma E3).110

Différents intermédiaires palladiés, détectés en SM-IES, ont permis de proposer une

première étape d’addition oxydante de l’iodobenzène sur le palladium. Le complexe résultant

subirait ensuite une carbopalladation avec le 2-buta-2,3-diènylmalonate de diméthyle conduisant à

un intermédiaire π-allylpalladium. La déprotonation et l’addition du malonate sur l’imine mèneraient

109

Sabino, A. A.; Machado, A. H. L.; Correia, C. R. D.; Eberlin, M. N. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 2514-2518. 110

Guo, H.; Qian, R.; Liao, Y.; Ma, S.; Guo, Y. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13060-13064.

101

à une espèce palladiée qui, après une amination allylique intramoléculaire, fournirait le produit et le

palladium bis-(triphénylphosphine).

Schéma E3. Mécanisme proposé par Guo.

110

.

L’année suivante, une réaction de Heck oxydante analysée en SM-IES par Larhed et al,

concernait le couplage en milieu aérobie de l’acide p-tolylboronique avec la 1-vinylpyrrolidin-2-one

en présence de Pd(OAc)2, NaOAc, et de 2,9-diméthyl-1,10-phénanthroline (dmphen) dans

l’acétonitrile (schéma E4).111

Les espèces palladiées détectées suggèrent des échanges de ligands

entre un des ligands dmphen et l’acétonitrile.

111

Enquist, P.-A.; Nilsson, P.; Sjöberg, P.; Larhed, M. J. Org. Chem. 2006, 71, 8779-8786.

102

Schéma E4. Cycle catalytique proposé par Larhed.111

L’équipe de Pfaltz a étudié par cette technique, la substitution allylique pallado-catalysée du

1,3-diphénylallylbenzoate par le malonate de diméthyle et a conclu qu’un complexe dinucléaire allyl-

palladium (I) se formait de manière réversible (schéma E5).112

112

Market, C.; Neuburger, M.; Kulicke, K.; Meuwly, M.; Pfaltz, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 5892-5895.

103

Schéma E5. Mécanisme proposé par Pfaltz pour la substitution allylique du 1,3-

diphénylallylbenzoate par le malonate de diméthyle.

L’équipe de Roglans a proposé un cycle catalytique basé sur une étude SM-IES pour la

réaction de Suzuki-Miyaura entre le tétrafluoroborate de 4-méthylbenzènediazonium et le

trifluorophénylborate de potassium catalysée par le tris-(dibenzylidèneacétone)dipalladium (schéma

E6). D’après les intermédiaires détectés, le couplage suivrait les étapes : addition oxydante, trans-

métallation puis élimination réductrice (schéma E6).113

Schéma E6. Réaction de Suzuki-Miyaura étudiée par Roglans via la SM-IES.113

113

Masllorens, J.; González, I.; Roglans, A. Eur. J. Org. Chem. 2007, 158-166.

Pd2(dba)3

N2BF4

N2

Pd(dba)n(MeCN)m

BF4-

BF3KBF3KBF4

Pd(dba)n(MeCN)m

n = 1, m = 0, [M+H]+, m/ z = 523

n = 1, m = 1, [M+H]+, m/ z = 564

n = 1, m = 0, [M]+, m/z = 431

n = 1, m = 1, [M]+, m/z = 472

n = 2, m = 0, [M]+, m/z = 665

104

L’étude par l’équipe d’Eberlin du couplage de Stille entre le 1,2-dichloro-4-iodobenzène et le

tributylvinylétain en présence de palladium tétrakis-triphénylphosphine dans l’acétonitrile a conduit

à proposer le cycle catalytique présenté au schéma E7.114

Schéma E7. Mécanisme proposé par Eberlin pour le couplage de Stille.114

En 2008, notre laboratoire a étudié le mécanisme de la synthèse de difurylalcanes,47

à partir

du sylvane et du styrène, catalysée par le trifluoroacétate de palladium en présence de

benzoquinone (schéma E8). La réaction dans un mélange dans un mélange AcOH/MeCN impliquerait

deux activations de liaisons C-H successives de l’alkylfurane, suivie de deux insertions de l’alcène

114

Santos, L. S.; Rosso, G. B.; Pilli, R. A.; Eberlin, M. N. J. Org. Chem. 2007, 72, 5809-5812.

105

entre lesquelles interviendrait une étape de β-élimination ; Une élimination réductrice libérerait le

produit.

Schéma E8. Mécanisme de la synthèse de difurylalcanes.47

En 2009, l’équipe de Larhed a exploré une réaction de Heck oxydante menant à la synthèse

de styrènes par vinylation d’acides arylboroniques ou d’aryltrifluoroborates, avec l’acide

vinylboronique (Schéma E9).115

Bien que tous les complexes cationiques détectés ne soient pas

catalytiquement actifs, l’étude par SM-IES soutient la voie d’une production d’éthylène complexé à

partir d’acétate de vinyle et d’hydrure de palladium suivie d’une arylation (schéma E9). Une suite de

complexation/décomplexation de l’alcène au centre palladié précèderait l’étape de transmetallation.

115

Lindh, J.; Sävmarker, J.; Nilsson, P.; Sjöberg Per, J. R.; Larhed M. Chem. Eur. J. 2009, 15, 4630.

106

Schéma E9. Mécanisme de la réaction d’acides arylboroniques ou d’aryltrifluoroborates avec

l’acide vinylboronique.

En 2010, Costa et al se sont intéressés au mécanisme de la réaction domino de Heck-

lactonisation à partir de O-iodophénols et d’énolates catalysée par Pd(OAc)2 avec Ag2CO3 comme

base, dans l’acétone à reflux, en présence ou en absence de triphénylphosphine (schéma E10).116

Des

intermédiaires arylpalladium cationiques ont été interceptés par SM-IES et caractérisés par SM/SM-

116

Fernandes, T. de A.; Gontijo Vaz, B.; Eberlin, M. N.; da Silva, Alcides J. M.; Costa, P. R. R. J. Org. Chem.

2010, 75, 7085-7091.

107

IES. Selon l’auteur, l’intervention d’intermédiaires pallado-cationiques est alors démontrée ici pour la

première fois. Le schéma E10 montre le cycle catalytique proposé.

Schéma E10. Mécanisme proposé par Costa.

116

Récemment McIndoe et ses collaborateurs ont utilisé une phosphine anionique [PPh2(m-

C6H4SO3)]- comme ligand pour étudier une réaction de Sonogashira, ce qui a permis de détecter, en

mode IES négatif, des intermédiaires clefs de cette réaction (schéma E11).117

117

Krista, L. V.; Henderson, M. A.; Oliver, A. G.; McIndoe J. S. Chem. Commun. 2010, 46, 7412.

108

Schéma E11. Mécanisme proposé par McIndoe pour la réaction de Sonogashira.

117

En 2012, notre équipe a réalisé l’étude SM-IES de l’oxydation de Wacker dans les conditions

de Tsuji (schéma E12).118

Alors que généralement sont considérés des intermédiaires mononucléaires

dans le mécanisme, notre laboratoire a montré que les plus impliqués sont des complexes bi-

palladiés. De plus, l’étape de réoxydation du palladium se produirait avant la décomplexation de la

cétone puisque la décomplexation du produit à partir de Pd2Cl5(RCOMe), de degré d’oxydation (II),

serait la dernière étape du cycle catalytique.

118

Harakat, D.; Muzart, J.; Le Bras, J. RSC Adv. 2012, 2, 3094-3099.

109

Schéma E12. Mécanisme de l’oxydation de Wacker d’alcènes en présence de BQ.118

L’analyse SM-IES est, aujourd’hui, de plus en plus utilisée pour l’observation d’intermédiaires

catalytiques et la détermination de mécanismes. Nous emploierons cette technique pour étudier le

mécanisme de la RHD de furanes avec des acrylates en utilisant la benzoquinone comme oxydant et

le DMSO comme solvant.

110

E.2. Résultats et discussion

E.2.1. Méthodologie

Il existe deux façons d’étudier une réaction en utilisant les techniques IPA : « online » et

« offline ». L’étude en « mode offline » comprend plusieurs étapes : mise au point des conditions en

mélangeant les réactifs pour produire les différents intermédiaires, puis détermination par SM-IES

de la composition de la solution au cours de la transformation des réactifs en produits, avec

caractérisation éventuelle par SM/SM. Cet objectif est réalisable s’il y a une concentration

raisonnable d’intermédiaires, et si ces espèces ne dégradent pas trop vite. Une des limites inhérentes

à cette approche, est l’impossibilité d’analyser des espèces de courte durée de vie.

En mode « online », le réacteur est directement couplé à la source d’ionisation du

spectromètre de masse, permettant la détection de la masse des produits stables et des

intermédiaires de durée de vie de l’ordre de la milliseconde. Ainsi, des changements de composition

du milieu réactionnel peuvent être observés. Le réacteur « online » le plus simple, est la seringue

d’injection même. Plusieurs groupes ont développé des appareils adaptés à l’étude de réactions

radicalaires, photochimiques, électrochimiques, ou organométalliques.

C’est le mode « online » que nous utiliserons. L’analyse du milieu réactionnel s’effectue par

injection directe du brut réactionnel prélevé à l’aide de la seringue utilisée pour l’infusion

électrospray. Pour chaque massif, une hypothèse sera formulée quant à sa nature. L’observation de

décalages du rapport m/z lors de l’utilisation d’arènes ou d’acrylates différents ainsi que les SM/SM

permettront d’appréhender ces hypothèses. De plus, les SM/SM permettront d’apporter des

informations quant aux types de liaisons engagées entre les substrats présents et le centre

métallique. Enfin, les analyses en Haute Résolution pourront confirmer les formules brutes

proposées.

E.2.2. Réaction étudiée

Puisque l’efficacité de l’ionisation par SM-IES dépend de la polarité de la molécule, nous

avons choisi les acrylates comme alcènes. La réaction du sylvane (A1) avec l’acrylate de t-butyle (D1)

en présence de Pd(OAc)2 et de benzoquinone dans un mélange AcOH/DMSO à température

ambiante mène en 4 heures au produit de type Heck avec un rendement de 91 % et au 2,2'-bisylvane

avec un rendement de 7 % (schéma E13).

111

Schéma E13. RHD du sylvane avec l’acrylate de t-butyle.

E.2.3. Rôle du DMSO

E.2.3.1. Analyse par SM-IES(+) de Pd(OAc)2 et de BQ, dans un mélange AcOH/DMSO

Nous avons d’abord analysé par SM-IES(+) un mélange de Pd(OAc)2 et de benzoquinone dans

le mélange AcOH/DMSO (1 : 1) dans le but de connaître le comportement du palladium, et de

visualiser les espèces présentes avant le début de la réaction (spectre E1). Après 5 minutes

d’agitation, cinq massifs contenant du palladium ont été détectés à m/z = 242,9, 260,9, 320,9, 466,9,

544,9. Ces massifs ont été respectivement attribués aux espèces cationiques [Pd(OAc)(DMSO)]+,

[Pd(DMSO-H)(DMSO)]+, [Pd(OAc)(DMSO)2]

+, [Pd2(OAc)3(DMSO)]

+, et [Pd2(OAc)3(DMSO)2]

+.

AV 667

200 250 300 350 400 450 500 550 600m/z0

100

%

11BR1075 120 (2.230) Cm (99:128) 1: TOF MS ES+ 4.52e4x2 320.9

320.0

319.0

262.9259.9

241.9264.9

325.0

546.9

544.9

468.9

465.9

542.9

541.9472.9

548.9

550.9

AV 667

460 465 470 475m/z0

100

%

11BR1075 120 (2.230) Cm (91:123)7.55e3468.9

466.9

464.9

463.9

470.9

472.9

474.9

AV 667

460 465 470 475mass0

100

%

11BR1075 (0.019) Is (1.00,1.00) C8H15O7Pd2S1.64e12468.9

466.9

464.9

463.9

462.9

470.9

472.9

474.9

aConditions : Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (2 mmol), AcOH (2,0 mL), DMSO (2 mL), TA, 5 min.

Spectre E1. SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de Pd(OAc)2 et BQ après 5 min.a

112

Ces propositions ont été confirmées par l’analyse en Spectrométrie de Masse en Haute

Résolution (SMHR). De plus, quand AcOH est remplacé par l’acide acétique deutéré (CD3CO2D), les

massifs sont décalés de 3 ou 9 unités, selon le nombre de ligand acétate (spectre E2 et tableau E1).

AV 761

200 250 300 350 400 450 500 550 600m/z0

100

%

12HR81 94 (2.964) Cm (1:166) 1: TOF MS ES+ 2.02e3326.0

323.0

322.0

263.0

246.0 320.0

556.0

554.0328.0

552.0

478.0475.0

473.0330.0

551.0

482.0 550.0

558.0

560.0

562.0

aConditions : Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (2 mmol), CD3CO2D (2 mL), DMSO (2 mL), TA, 5 min.

Spectre E2. SM-IES(+) d’une solution CD3CO2D/DMSO de Pd(OAc)2 et BQ après 5 min.a

Structures proposées m/z observés dans

AcOH/DMSO CD3CO2D/DMSO

[Pd(OAc)(DMSO)]+ 242,9 246,0

[Pd(DMSO-H)(DMSO)]+ 260,9 261,0

[Pd(OAc)(DMSO)2]+ 320,9 324,0

[Pd2(OAc)3(DMSO)]+ 466,9 476,0

[Pd2(OAc)3(DMSO)2]+ 544,9 554,0

Tableau E1. Comparatif des rapports m/z des massifs observés dans un système AcOH/DMSO

et dans un système CD3CO2D/DMSO.

Les structures proposées à partir du spectre E1 correspondent probablement aux espèces

neutres [Pd(OAc)2(DMSO)], [Pd(OAc)(DMSO-H)(DMSO)], [Pd(OAc)2(DMSO)2], [Pd2(OAc)4(DMSO)], et

[Pd2(OAc)4(DMSO)2]. Concernant l’étude menée avec l’acide acétique deutéré, un nouveau massif à

m/z = 488,1 a été attribué à l’espèce solvatée [Pd(DMSO)4(CD3CO2)]+.

113

E.2.3.2. Effet positif du solvant sur l’activité du catalyseur

L’acétate de palladium (II) à l’état solide existe sous la forme d’un trimère,62

et une telle

structure est maintenue dans l’acide acétique.63

Comme le montre l’étude SM-IES(+), l’utilisation de

DMSO comme co-solvant conduit à la formation d’espèces mono- et dinucléaires (schéma E14).

Schéma E14. Comportement de l’acétate de palladium trimérique dans un système AcOH/DMSO.

Cela permet de comprendre l’effet positif du solvant constaté dans ces réactions. En effet,

Davies et Macgregor, dans une récente revue d’études computationnelles sur les activations de

liaisons C-H métallo-induites, supposent que l’activation pallado-induite du benzène se fasse par

assistance d’un ligand acétate (schéma E15).119

Dans l’espèce [Pd(OAc)2]3, les unités Pd(OAc)2 sont

jointes par des doubles ponts acétates et par conséquent, aucun ligand acétate ne peut participer à

l’activation d’une liaison C-H. En revanche, les espèces mononucléaires et dinucléaires présentées au

schéma E14 possèdent un ligand acétate disponible. Ceci explique la période d’induction observée

pour les RHD de furanes dans un système Et2O/RCO2H (R = Me, Et), dans lequel la structure du

trimère est plutôt stable.48

Il a été observé que cette période d’induction dépendait de la nature du

furane, la complexation de [Pd(OAc)2]3 par des furanes électroniquement riches menant

probablement plus facilement à des espèces palladiées monomériques et dimériques actives.48

Par

contre, aucune période d’induction n’est observée dans un mélange AcOH/DMSO comme solvant,

puisque le DMSO agit comme un ligand du palladium fournissant des espèces mononucléaires et

dinucléaires pouvant participer à la RHD.120

119

Boutadla, Y.; Davies, D. L.; Macgregor, S. A.; Poblador-Bahamonde, A. I. Dalton Trans. 2009, 5820-5831. 120

Le DMSO est un ligand ambident. D’après des études théoriques, le mode de coordination du DMSO au

Pd(II) peut se faire par le soufre ou l’oxygène selon l’environnement de ligands, alors que pour Pd(0) elle se

ferait principalement par l’atome de soufre : Zierkiewicz, W.; Privalov, T. Organometallics 2005, 24, 6019-6028.

114

Schéma E15. Mécanisme proposé par Davies et Macgregor pour l’activation C-H du benzène par

l’acétate de palladium.

Enfin, l’observation du massif correspondant à [Pd(DMSO-H)(DMSO)]+ suggère que l’espèce

[Pd(OAc)2(DMSO)2] puisse aussi réagir avec une des liaisons C(sp3)-H du DMSO.

E.2.4. Etude de l’étape de l’activation de liaison C-H de l’hétéroarène

E.2.4.1. Analyse par SM-IES(+) de Pd(OAc)2, BQ, et A1 dans un mélange AcOH/DMSO

Nous avons analysé par SM-IES(+) un mélange de Pd(OAc)2, BQ, et A1 en solution dans

AcOH/DMSO (1 : 1). L’ajout de A1 au milieu précédemment analysé se traduit par l’apparition de 5

nouveaux massifs à m/z = 343,0, 345,0, 455,0, 488,9, et 566,9 après 5 minutes d’agitation. Ces

massifs ont été attribués respectivement aux espèces [Pd(A1-H)(DMSO)2]+, [Pd(A1)(DMSO)2H]

+,

[Pd(A1-H)2(BQ)(DMSO)H]+, [Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)]

+, et [Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)2]

+ (spectre E3).

Ces formules brutes ont été confirmées par analyse SMHR. De plus, lorsque le 2-éthylfurane (A2) est

utilisé à la place de A1, les rapports m/z correspondant aux espèces [Pd(A-H)(DMSO)2]+,

[Pd(A)(DMSO)2H]+, [Pd(A-H)2(BQ)(DMSO)H]

+, [Pd2(A-H)(OAc)2(DMSO)]

+ sont décalés de 14 ou de 28

unités de masse selon le nombre de ligands furyles (spectre E4 et tableau E2).

Tableau E2. Comparatif des rapports m/z des massifs observés lorsque A1 ou A2 sont utilisés

comme substrats.

Structures proposées m/z observés avec

A1 comme substrat A2 comme substrat

[Pd(A-H)(DMSO)2]+ 343,0 357,1

[Pd(A)(DMSO)2H]+ 345,0 359,1

[Pd(A-H)2(BQ)(DMSO)H]+ 455,0 483,2

[Pd2(A-H)(OAc)2(DMSO)]+ 488,9 503,1

115

AV 667

200 250 300 350 400 450 500 550 600m/z0

100

%

11BR1077 1 (0.019) Cm (1:40) 1: TOF MS ES+ 2.79e4321.0

320.0

319.0

262.9259.9

242.9 267.0

325.0

345.0 546.9

544.9542.9455.0

349.0 425.0

351.0

468.9

492.9

548.9

550.9

568.9 589.2

aConditions : A1 (2 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (2 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), TA, 5 min.

Spectre E3. SM-IES(+) lors de l’ajout du sylvane dans une solution AcOH/DMSO de Pd(OAc)2 et de

BQ après 5 min.a

AV 736

250 300 350 400 450 500 550 600m/z0

100

%

12BR63 131 (2.442) Cm (82:145) 1: TOF MS ES+ 1.54e4321.1

320.1

319.1

312.2

263.0

259.0 279.1

373.1

325.1

357.1

356.1

355.1

327.1

391.3

471.4

451.2

450.2

405.2449.2

427.0

547.1

545.1483.2

543.1

505.1542.1

549.1

551.1

569.3 585.3

[Pd(OAc)(DMSO)]+

[Pd(DMSO-H)(DMSO)]+

[Pd(OAc)(DMSO)2]+

Pd S O

S

O

OEt

Pd

S

O

O OEt Et

OO

+ H

[Pd2(OAc)3(DMSO)]+

[Pd2(OAc)3(DMSO)2]+

Pd

OO

SO

Pd

O O

OEt

Pd SO

S

O

OEtO

Pd SO

S

O

OEtO

S

O

Pd S O

S

O

O

Et

+ H

aConditions : A2 (2 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (2 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), TA, 5 min.

Spectre E4. SM-IES(+) lors de l’ajout du 2-éthylfurane dans une solution AcOH/DMSO de Pd(OAc)2

et de BQ après 5 min.a

116

Il est difficile de confirmer la présence de [Pd2(A2-H)(OAc)2(DMSO)2]+ en raison de la

complexité du spectre dans la région m/z = 560 – 600. Le complexe désolvaté [Pd(A2-H)2(BQ)H]+ est

observé à m/z = 405,2. Deux nouvelles espèces à m/z = 373,1 et 451,2 ont été identifiées par SMHR

comme correspondant aux complexes [Pd(A2-H)(DMSO)(Me2SO2)]+ et [Pd(A2-H)(DMSO)2(Me2SO2)]

+.

Il est intéressant de noter que le complexe [Pd(A-H)2(BQ)(DMSO)H]+ implique la coordination

de la benzoquinone au palladium alors que nous n’avions jamais observé une telle interaction par

SM-IES dans d’autres réactions pallado-oxydantes.47,118

Afin de confirmer la présence de la

benzoquinone dans ce complexe, l’analyse SM-IES(+) d’un mélange de Pd(OAc)2, 2-

chlorobenzoquinone et A2 dans le mélange AcOH/DMSO (1 : 1) a été réalisée. Après 5 min

d’agitation, le massif attendu pour [Pd(A2-H)2(2Cl-BQ)(DMSO)H]+ a été observé à m/z = 517,1 et sa

formule brute a été confirmée par SMHR. Le complexe désolvaté [Pd(A2-H)2(2Cl-BQ)H]+ est

également détecté à m/z = 439,1 (spectre E5).

AV 759

200 250 300 350 400 450 500 550 600m/z0

100

%

12BR136 95 (1.770) Cm (86:99) 1: TOF MS ES+ 405321.0

320.0261.0

260.0

243.0

242.0

241.0

201.0

263.0

295.0

323.0

373.1

372.1

325.0

371.1

359.0

471.3

468.9

439.1

378.2

437.0

472.3

517.1

547.0

565.4 585.2

aConditions : A2 (2 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), 2Cl-BQ (2 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), TA, 5 min.

Spectre E5. SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de A2, Pd(OAc)2, et 2Cl-BQ après 5 min.a

Finalement, seuls deux massifs du spectre E3 à m/z = 413,0 et 425,0 n’ont pu être identifiés.

117

La SM/SM-IES(+) de [Pd(A1-H)(DMSO)2]+ identifié à m/z = 343,0 montre la perte de DMSO et

de A1 (tableau E3). Celle de A1 est assez surprenante mais cette observation est probablement due à

la superposition du signal avec celui à m/z = 345,0 correspondant à [Pd(A1)(DMSO)2H]+ et montrant

une fragmentation similaire (tableau E3). [Pd(A1-H)2(BQ)(DMSO)H]+ est dissocié par SM/SM-IES(+)

pour produire le DMSO, BQ, et le Pd. La perte du palladium est une fragmentation classique connue

comme la résultante d’une élimination réductrice de l’espèce R2Pd.121

La perte de benzoquinone

confirme donc qu’un tel composé se coordonne réellement au palladium. Les SM/SM-IES(+) de

[Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)]+, and [Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)2]

+ fournissent des fragmentations similaires

et montrent les pertes de DMSO, AcOH et de Pd. Enfin, la perte d’acide organique a été confirmée

par utilisation de CD3CO2D comme solvant.122

Structures proposées Pertes observées par ESI(+)-MS/MS

[Pd(A1-H)(DMSO)2]+ DMSO, A1

[Pd(A1)(DMSO)2H]+ DMSO, A1

[Pd(A1-H)2(BQ)(DMSO)H]+ DMSO, BQ, Pd,

[Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)]+ DMSO, AcOH, Pd

[Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)2]+ DMSO, AcOH, Pd

Tableau E3. Fragmentations observées lors de l’analyse SM/SM des massifs du spectre E2.

[Pd(A-H)(DMSO)2]+, [Pd2(A-H)(OAc)2(DMSO)]

+, et [Pd2(A-H)(OAc)2(DMSO)2]

+ peuvent être

reliées aux espèces neutres Pd(A-H)(OAc)(DMSO)2, Pd2(A-H)(OAc)3(DMSO), et Pd2(A-

H)(OAc)3(DMSO)2, tandis que [Pd(A-H)2(BQ)(DMSO)H]+ peut correspondre à la forme protonée de

[Pd(A-H)2(BQ)(DMSO)].

E.2.4.2. Espèces catalytiques actives vis-à-vis de liaisons C-H

Le complexe Pd(A1-H)(OAc)(DMSO)2 résulte de la réaction de A1 avec l’espèce

monopalladiée Pd(OAc)2(DMSO)2 présente sur le spectre E1. Cette dernière constitue donc une

espèce intervenant dans l’étape d’activation de la liaison C-H de l’hétéroarène (schéma E16).

121

Qian, R.; Guo, Y.; Lü, L. Chin. J. Chem. 2008, 26, 123-129. 122

Les fragmentations de [Pd(A1-H)(DMSO)2]+, [Pd(A1)(DMSO)2H]

+ et de [Pd(A1-H)2(BQ)(DMSO)H]

+ ont montré

la perte d’un fragment de 60 unités de masse, ce qui aurait pu être attribué à la perte de AcOH. Cependant,

cette perte est également observée quand CD3CO2D est employé comme solvant et viendrait donc

probablement de la fragmentation de A1 ou du DMSO.

118

Schéma E16. Réaction de A1 avec l’espèce monopalladiée Pd(OAc)2(DMSO)2.

Par ailleurs, les complexes Pd2(A1-H)(OAc)3(DMSO), et Pd2(A1-H)(OAc)3(DMSO)2 peuvent

résulter de la réaction de A1 avec les espèces dinucléaires Pd2(OAc)4(DMSO) et Pd2(OAc)4(DMSO)2

d’où une indication de l’implication également de complexes bi-palladiés dans l’activation de liaison

C-H de l’hétéroarène (schéma E17).

Schéma E17. Réaction de A1 avec les espèces bi-palladiées Pd2(OAc)4(DMSO)2 et Pd2(OAc)4(DMSO).

E.2.4.3. Rôle de la benzoquinone dans la formation du bifuryle

Le complexe Pd(A1-H)(OAc)(DMSO)2 serait capable d’activer la liaison C-H d’un second

hétéroarène pour donner le complexe [Pd(A1-H)2(DMSO)2]. Comme nous l’avons suggéré en partie C

du chapitre 1, ce dernier apparaitrait plus riche en électrons que le précédent et que

Pd(OAc)2(DMSO)2, ; il pourrait donc ainsi coordonner facilement la benzoquinone pour donner le

complexe [Pd(A-H)2(BQ)(DMSO)] (schéma E18).

119

Schéma E18. Réaction du complexe [Pd(A1-H)(OAc)(DMSO)2] avec A1 et BQ.

Le complexe [Pd(A1-H)2(BQ)(DMSO)] pourrait être un intermédiaire de la formation de

bifuryle A1-A1. A la suite d’une élimination réductrice favorisée par la présence de benzoquinone,91-

97 l’espèce Pd(A1-H)2(BQ)(DMSO) pourrait fournir le produit d’homocouplage A1-A1. Notons que lors

des travaux précédents réalisés en 2008 par notre équipe, aucune trace de A1-A1 n’avait été

observée quand le couplage de A1 avec C1 était réalisé dans CH3CN.47

Néanmoins, le complexe de

bifuryle [Pd(A1-H)2]+ fut observé mais sans coordination de la benzoquinone. L’acétonitrile, solvant

coordonnant, empêcherait donc probablement la complexation de la benzoquinone et donc

l’élimination réductrice.

La réaction d’élimination réductrice doit s’accompagner de la formation de palladium (0).

Cette présence de Pd(0) est suggérée par le complexe [Pd(A1)(DMSO)2] identifié au spectre E3 sous

la forme cationique [Pd(A1)(DMSO)2H]+ (schéma E19). Le Pd(0) serait alors maintenu en solution par

ligandation avec le DMSO et le substrat A1. Cependant, les similarités très proches au niveau des

SM/SM-IES entre Pd(A1-H)(OAc)(DMSO)2 et [Pd(A1)(DMSO)2] suggèrent aussi que ce dernier peut

être obtenu par réduction du précédent via des processus électrochimiques ayant lieu au cours du

procédé électrospray (notamment au cours de l’étape de désolvatation). Néanmoins, ce phénomène

n’est probablement pas significatif puiqu’il n’est pas observé pour d’autres amas.

120

Schéma E19. Réaction d’élimination réductrice [Pd(A1-H)2(BQ)(DMSO)].

E.2.5. Etude de l’insertion de l’alcène et de l’élimination ββββ-H

E.2.5.1. Analyse par SM-IES(+) du mélange Pd(OAc)2, BQ, A1 et D1 dans un mélange

AcOH/DMSO

Nous avons ensuite analysé par SM-IES(+) un mélange de Pd(OAc)2, BQ, A1 et D1 dans un

mélange AcOH/DMSO (1 : 1) après 5 min d’agitation. Malgré la faible intensité du signal, un massif à

m/z = 371,0 a pu être identifié comme correspondant à [Pd(D1-H)(OAc)(DMSO)H]+ (spectre E6). Deux

amas isotopiques relativement proches l’un de l’autre à m/z = 393,1 et 395,1, sont attribuables aux

complexes [Pd(A1-D1+H)(DMSO)]+ et [Pd(A1-H)(A1-D1)]

+.

AV 688

250 300 350 400 450 500 550 600 650m/z0

100

%

11HR743 105 (3.295) Cm (97:142) 1: TOF MS ES+ 2.26e3395.1

393.1

323.0

320.0

319.0

289.2260.9

233.1

392.1

325.0

391.1

341.0

349.0

455.1

397.1

413.0

453.1

417.0

457.0

475.1 546.9

544.9

542.9

541.9

494.0

548.9

550.9621.0

617.1

616.0 625.0

aConditions : A1 (2 mmol), D1 (1 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (2 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2

mL), TA, 5 min.

Spectre E6. SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de A1, D1, Pd(OAc)2, et BQ après 5 min.a

121

Le complexe [Pd(A1-D1+H)(DMSO)]+ est également observé à m/z = 473,1 correspondant

ainsi à l’espèce solvatée [Pd(A1-D1+H)(DMSO)2]+. Cependant, il est contaminé par un complexe à m/z

= 475,1 lequel, selon l’analyse SMHR, pourrait être attribué à [Pd(A1)(A1-D1)(DMSO)H]+. Néanmoins,

la SM/SM-IES(+) ne met pas en évidence la perte de A1 et de A1-D1 comme attendu et cette

proposition ne peut donc pas être confirmée. Enfin, un autre amas a été détecté à m/z = 617,0 et

attribué à [Pd2(A1-D1+H)(OAc)2(DMSO)]+ ou [Pd2(A1-H)(D1-H)(OAc)2(DMSO)H]

+ (schéma E20).

Schéma E20. Structures possibles pour l’amas observé à m/z = 617,0.

Toutes les propositions formulées sont en accord avec les analyses par SMHR. Par ailleurs,

l’étude SM-IES(+) du couplage de A2 avec D1 et de A1 avec l’acrylate d’éthyle (D2) révèle des

décalages de 14 ou 28 unités de masse comme attendu, à l’exception de [Pd(D2-

H)(OAc)(DMSO)H]+123

qui présente une rapport m/z proche de celui de [Pd(A1-H)(DMSO)2]+ et

[Pd2(A1-D2+H)(OAc)2(DMSO)]+/[Pd2(A1-H)(D2-H)(OAc)2(DMSO)H]

+ dont la structure ne peut donc pas

être confirmé en raison de la complexité du spectre (tableau E4 et spectres E7 et E8). Soulignons que

le massif a m/z = 481 n’a pas pu être identifié.

Tableau E4. Comparatif des rapports m/z des massifs observés lorsque A1 ou A2 sont utilisés avec

D1 ou D2 comme substrats.

123

Si la présence de [Pd(D2-H)(OAc)(DMSO)H]+ n’a pas pu être confirmé, il faut noter que le signal à m/z = 371

attribué à Pd(D1-H)(OAc)(DMSO)H]+ n’est pas observé lorsque D2 est utilisé comme alcène.

Structures proposées m/z observés pour couplage de

A1 avec D1 A2 avec D1 A1 avec D2

[Pd(D-H)(OAc)(DMSO)H]+ 371,0 371,0 -

[Pd(A-D+H)(DMSO)]+ 393,1 407,2 365,1

[Pd(A-H)(A-D)]+ 395,1 423,2 367,3

[Pd(A-H)(A-D)(DMSO)]+ 473,1 501,3 445,2

[Pd2(A-D+H)(OAc)2(DMSO)]+ ou

[Pd2(A-H)(D-H)(OAc)2(DMSO)H]+

617,0 631,4 -

122

AV 736

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650m/z0

100

%

12BR65 224 (4.174) Cm (163:289) 1: TOF MS ES+ 3.04e4391.3

321.1

320.1

319.1

312.2261.0

265.0

325.1

377.3

351.1

407.2

409.2

411.2471.4

469.0

464.0

547.1487.2

542.1551.1

585.3


mL), TA, 10 min.


AV 737

200 250 300 350 400 450 500 550 600m/z0

100

%

12BR67 196 (3.649) Cm (195:283) 1: TOF MS ES+ 2.38e3x2321.0

320.0

319.1

242.4 255.1

261.0

481.1455.2325.0

413.1

412.1367.3

365.1369.1

391.3

547.0483.1

544.0

542.0

541.1

549.0

551.1

574.1 593.1


mL), TA, 10 min.


123

La SM/SM-IES de [Pd(D1-H)(OAc)(DMSO)H]+ montre la perte de DMSO, AcOH et C4H8 (tableau

E5), cette dernière confirmant la présence d’un groupement t-butyle. [Pd(A1-D1+H)(DMSO)]+ est

dissocié en DMSO et C4H8. La SM-IES(+) de [Pd(A1-H)(A1-D1)(DMSO)]+ montre également une perte

de C4H8. De plus, la perte de A1-D1 est observée, ce qui indique la coordination du produit au centre

palladié. Enfin, la fragmentation par SM/SM-IES(+) de [Pd2(A1-D1+H)(OAc)2(DMSO)]+/[Pd2(A1-H)(D1-

H)(OAc)2(DMSO)H]+ révèle la perte de DMSO, AcOH, Pd et C4H8. Parmi les deux structures possibles,

[Pd2(A1-D1+H)(OAc)2(DMSO)]+ ou [Pd2(A1-H)(D1-H)(OAc)2(DMSO)H]

+, la première semble la plus

probable, avec une perte du groupement acétate de t-butyle (m/z = 116) (schéma E20).

Structures proposées Pertes observées par SM/SM-IES(+)

[Pd(D1-H)(OAc)(DMSO)H]+ DMSO, AcOH, C4H8

[Pd(A1-D1+H)(DMSO)]+ DMSO, C4H8

[Pd(A1-H)(A1-D1)(DMSO)]+ DMSO, C4H8, A1-D1

[Pd2(A1-D1+H)(OAc)2(DMSO)]+ ou

[Pd2(A1-H)(D1-H)(OAc)2(DMSO)H]+

DMSO, AcOH, Pd, C4H8, CH3CO2t-Bu

Tableau E5. Fragmentations oberservées lors de l’analyse SM/SM des massifs du spectre E4.

Les structures proposées au tableau E4 sont probablement reliables aux espèces neutres

Pd(D-H)(OAc)(DMSO), Pd(A-D+H)(OAc)(DMSO), Pd(A-H)(A-D)(OAc), Pd(A-H)(A-D)(OAc)(DMSO), et

[Pd2(A-D+H)(OAc)3(DMSO)]/Pd2(A-H)(D-H)(OAc)2(DMSO).

E.2.5.2. Réaction secondaire : activation de l’acrylate de t-butyle D1

L’espèce Pd(OAc)(DMSO)(D1-H) résulte de la réaction de D1 avec les complexes

mononucléaires de Pd(II) (schéma E21). Les SM/SM ne révèlent pas de perte de D1, indiquant ainsi

que l’alcène est lié au palladium par une liaison σ. Ainsi, les espèces mono-palladiées sont efficaces

pour l’activation de liaison C-H de l’acrylate de t-butyle.

124

Schéma E21. Réaction du complexe [Pd(OAc)2(DMSO)2] avec D1.

E.2.5.3. Insertion de l’alcène dans la liaison Pd-furyle

Le massif correspondant à Pd(A1-D1+H)(OAc)(DMSO) résulte de l’insertion de D1 dans la

liaison furyl-Pd(II) de Pd(A1-H)(OAc)(DMSO)2 suite à sa complexation au centre palladié comme cela

est généralement proposé pour la deuxième étape d’une RHD (schéma E22).

Schéma E22. Réaction du complexe Pd(A1-H)(OAc)(DMSO)2 avec D1.

De même, l’intermédiaire dinucléaire Pd2(A1-D1+H)(OAc)3(DMSO) pourrait résulter de

l’insertion de D1 dans la liaison Pd-furyle de Pd2(A1-H)(OAc)3(DMSO). Cela signifie que l’insertion

d’alcènes dans une liaison organo-palladiée de complexes dinucléaires est possible (schéma E23).

Schéma E23. Réaction d’insertion de D1 dans la liaison liaison Pd-A1 de Pd2(A1-H)(OAc)3(DMSO).

125

L’autre complexe dinucléaire Pd2(A1-H)(D1-H)(OAc)2(DMSO) pourrait provenir de

l’association des deux espèces monucléaires Pd(A1-H)(OAc)(DMSO)2 et Pd(D1-H)(OAc)(DMSO) ou de

l’activation C-H de D1 par Pd2(A1-H)(OAc)3(DMSO). La double activation C-H d’arènes et d’alcènes par

le palladium (II) suivie d’une élimination réductrice pour fournir le produit de Heck correspondant a

été discutée dans les premières études concernant les RHD.124

Il a été proposé que l’étape

cinétiquement déterminante puisse correspondre à la formation d’une liaison σ entre le palladium et

l’alcène.119b

Cependant, la comparaison de la réactivité de PhH vis-à-vis de PhCH=CD2 et PhCH=CH2

permet de conclure que la rupture de la liaison hydrogène en β du styrène n’est pas impliquée dans

l’étape cinétiquement déterminante.125

Les études ultérieures s’accordent sur la formation des

espèces ArPd(II) à partir d’un mélange CH2=CHR/ArH/Pd(OAc)2 comme étape cinétiquement

déterminante, laquelle est suivie par l’insertion de l’alcène.32

Il convient cependant de souligner que

la détection par SM-IES(+) de Pd(D1-H)(OAc)2(DMSO) suggère que l’activation C-H de D1 par Pd(II) est

possible et peut donc jouer un rôle dans le mécanisme.

E.2.5.3. Réaction d’élimination ββββ-H et rôle complexant du produit généré

Le produit de couplage de Heck est formé après une étape d’élimination β-H que subissent

les complexes organo-palladiés Pd2(A-D+H)(OAc)3(DMSO) et Pd(A-D+H)(OAc)(DMSO). Cette étape

génère également un hydrure de palladium [HPdOAc], qui après une élimination réductrice de l’acide

acétique, fournit du palladium (0) (schéma E24 et E25)

Schéma E24. Réaction d’élimination ββββ-H subie par le complexe Pd(A-D+H)(OAc)(DMSO).

124

(a) Danno, S.; Moritani, I.; Fujiwara, Y. Tetrahedron 1969, 25, 4819-4823; (b) Fujiwara, Y.; Moritani, I.; Asano,

R.; Tanaka, H.; Teranishi, S. Tetrahedron 1969, 25, 4815-4818; (c) Danno, S.; Moritani, I.; Fujiwara, Y.; Teranishi,

S. J. Chem. Soc. B 1971, 196-198. 125

Shue, R. S. J. Am. Chem. Soc. 1971, 93, 7116-7117.

126

Schéma E25. Réaction d’élimination ββββ-H subie par le complexe Pd2(A-D+H)(OAc)3(DMSO).

Le produit de couplage possède une nature complexante pour l’espèce organo-palladiée. En

effet, les complexes Pd(A1-H)(A1-D1)(OAc) et Pd(A1-H)(A1-D1)(OAc)(DMSO) pourrait venir de la

coordination de A1-D1 à Pd(A1-H)(OAc)(DMSO)2 (schéma E26). Afin d’analyser cette hypothèse, nous

avons réalisé l’étude SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de Pd(OAc)2, BQ, A1-D1, et A1. Celle-ci

révèle que A1-D1 se comporte comme un ligand des complexes furyl-Pd(II). Après 5 minutes

d’agitation, deux nouveaux amas isotopiques, en plus de ceux observés en absence de A1-D1, sont

détectés à m/z = 395,2 et 473,2 et peuvent donc être attribués aux espèces chargées [Pd(A1-H)(A1-

D1)]+ et [Pd(A1-H)(A1-D1)(DMSO)]

+ (spectre E9).

Schéma E26. Complexation de A1-D1 à l’espèce organo-palladiée (II) Pd(A-H)(OAc)(DMSO)2.

127

AV 740

300 350 400 450 500 550 600m/z0

100

%

12BR70A 123 (2.281) Cm (108:123) 1: TOF MS ES+ 266x2

323.0

320.1

319.1

317.1

325.1

347.1 395.2

351.1

547.1

546.1

413.1 543.1475.2

427.1

472.2

429.1477.2

542.1

491.0 541.0

549.1

551.1

589.4555.3

619.2

aConditions : A1 (2 mmol), A1-D1 (0,5 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), BQ (2 mmol), AcOH (2 mL),

DMSO (2 mL), TA, 5 min.

Spectre E9. SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de A1, A1-D1, Pd(OAc)2, et BQ après 5 min.a

E.2.6. Evolution du milieu réactionnel

Le suivi par SM-IES(+) du couplage de A1 avec D1 a été effectué sur 24 h. Après 2,5 h,

l’abondance de la plupart des amas identifiés a diminué par rapport celle observée à t = 5 min

(spectre E10). Les espèces restantes correspondent à celles résultantes de l’activation C-H de A1 ou

de la coordination de A1-D1 au centre palladié. Ceci corrèle avec le fait que A1 soit introduit en excès

par rapport à D1 et que la réaction soit presque achevée comme cela a pu être constaté lors du suivi

cinétique par CPG relaté au chapitre 1.

Après 24 h de réaction, le spectre SM-IES(+) apparaît comme relativement complexe et la

plupart des signaux ont une faible intensité (spectre E11). Comme observé au bout de 2,5 h, les

massifs dont l’abondance est la plus importante sont ceux qui ont été attribués à l’activation C-H de

A1 ou à la coordination de A1-D1 au métal.

128

AV 688

250 300 350 400 450 500 550 600m/z0

100

%

11HR746 81 (2.537) Cm (14:135) 1: TOF MS ES+ 1.02e3455.1

454.1

395.1

394.1

393.1349.1

319.1258.3

371.0

453.1

419.1

457.1

475.1

477.1

479.1569.2555.1

524.1 621.0

aConditions : A1 (2 mmol), D1 (1 mmol), Pd(OAc)2, (0,05 mmol), BQ (2 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2

mL), TA, 2,5 h.

Spectre E10. SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de A1, D1, Pd(OAc)2, et BQ après 2,5 h.a

AV 666

250 300 350 400 450 500 550 600 650m/z0

100

%

11BR1074 158 (2.937) Cm (106:159) 1: TOF MS ES+ 452289.2

233.1

259.1

475.1

311.2 455.0

349.1367.2 454.0

569.1

477.1 568.1

479.1 567.1

573.1

599.3649.1


mL), TA, 24 h.

Spectre E11. SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de A1, D1, Pd(OAc)2, et BQ après 24 h.a

129

E.2.7. Cycles catalytiques

Les différents résultats et observations découlant de ces études SM-IES(+) permettent de

proposer les cycles catalytiques des schémas E27 et E28. Le trimère inactif [Pd(OAc)2]3 réagit avec le

DMSO pour donner des dérivés monomériques et dimériques I et I’ (schéma E27). I’ active une liaison

C-H du DMSO et de D1, tandis que I’ et I activent une liaison C-H de A1 pour donner les complexes

Pd-furyle. Après quelques roulements de cycle, le produit de couplage A1-D1 est présent dans le

milieu réactionnel et peut par conséquent agir comme ligand de l’intermédiaire II. L’insertion de D1

mène à l’intermédiaire III, lequel subit une élimination β-H pour donner l’intermédiaire IV. Une

élimination réductrice fournit ensuite le complexe Pd(0) V ; une réoxydation de Pd(0) par BQ/AcOH

clôture le cycle.

Concernant la formation de A1-A1, le complexe II active la liaison C-H de A1 pour fournir

l’intermédiaire VI (schéma E28). Ce dernier, riche en électrons coordonne la benzoquinone pour

donner l’intermédiaire VII, lequel après une élimination réductrice libère le produit de couplage A1-

A1 et le Pd(0). Le Pd(0) est ensuite réoxydé par l’association BQ/AcOH.

Schéma E27. Cycle catalytique pour la RHD de A1 avec D1.

130

Schéma E28. Cycle catalytique pour l’homocouplage déshydrogénant de A1.

E.3. Conclusion

Les propositions mécanistiques concernant les RHD impliquent généralement des

intermédiaires mononucléaires. En faisant appel à la SM-IES, nous avons montré que les espèces

dinucléaires peuvent jouer un rôle. Les intermédiaires mononucléaires et dinucléaires furyl-Pd(II)

obtenus par activation de liaisons C-H, ainsi que des complexes résultant de l’insertion de l’alcène

dans la liaison furyl-Pd(II) ont été interceptés et caractérisés.

Des réactions secondaires, telles que l’activation d’une des liaisons C-H du DMSO ou encore

de l’alcène ont été identifiées. Enfin, un intermédiaire impliqué dans l’homocouplage de furanes via

une activation C-H a été également détecté et caractérisé. De plus, la coordination de la

benzoquinone au palladium a été mise en évidence pour la première fois par SM-IES.

131

E.4. Partie expérimentale

E.4.1. Dispositif expérimental

Toute les expériences (SM, SMHR et SM/SM) ont été réalisées avec un spectromètre tandem

Quadripôle-Temps-de-vol (Q-Tdv micro Waters « Micromass » Manchester UK), équipé d’une source

d’ionisation électrospray (Z-Spray), la désolvatation des ions est assistée par l’arrivée à contre

courant d’un gaz de séchage (flux d’azote) chauffé à une température de 50 à 80 °C. La tension du

cône d’extraction variait entre 20 et 40 V, la tension du capillaire IES est comprise entre 3000 et 3500

V. La dissociation induite par collision (DIC) a été réalisée par introduction d’argon dans la cellule de

collision.

L’injection des échantillons a été réalisée à un débit de 3 à 6 µL/min, la quantité d’échantillon

dont nous disposions n’imposait pas de travailler à des débits plus faibles.

E.4.2. Mode opératoire

Nous avons suivi le mode opératoire mis au point dans le chapitre 1. L’acétate de palladium

(11,2 mg, 0,05 mmol) et la benzoquinone (216 mg, 2 mmol) sont mis en solution dans un mélange

AcOH (2 mL)/DMSO (2 mL). Après ajout de l’arène A (2 mmol) et de l’alcène D (1 mmol), le mélange

est agité à température ambiante. Le prélèvement du mélange réactionnel se fait directement à

l’aide de la seringue utilisée pour l’injection dans le spectromètre de masse. Le brut de réaction est

ainsi analysé sans modification.

E.4.3. SMHR des espèces observées

Le 106

Pd a été utilisé pour la détermination des masses exactes.

[Pd(OAc)(DMSO)]+ : C4H9O3PdS, théorique : 242,9307 ; obtenue : 242,9308.

[Pd(DMSO-H)(DMSO)]+ : C4H11O2PdS2, théorique : 260,9235 ; obtenue : 260,9235.

[Pd(OAc)(DMSO)2]+ : C6H15O4PdS2, théorique : 320,9447 ; obtenue : 320,9451.

[Pd2(OAc)3(DMSO)]+ : C8H15O7Pd2S, théorique : 466,8608 ; obtenue : 466,8600.

[Pd2(OAc)3(DMSO)2]+ : C10H21O8Pd2S2, théorique : 544,8747 ; obtenue : 544,8739.

[Pd(A1-H)(DMSO)2]+ : C9H17O3PdS2, théorique : 342,9654 ; obtenue : 342,9657.

132

[Pd(A1)(DMSO)2H]+ : C9H19O3PdS2, théorique : 344,9810 ; obtenue : 344,9806.

[Pd(A1-H)2(BQ)(DMSO)H]+ : C18H21O5PdS, théorique : 455,0144 ; obtenue : 455,0142.

[Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)]+ : C11H17O6Pd2S, théorique : 488,8815 ; obtenue : 488,8810.

[Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)2]+ : C13H23O7Pd2S2, théorique : 566,8955 ; obtenue : 566,8951.

[Pd(A2-H)(DMSO)(Me2SO2)]+ : C10H19O4PdS2, théorique : 372,9760 ; obtenue : 372,9746.

[Pd(A2-H)(DMSO)2(Me2SO2)]+ : C12H25O5PdS3, théorique : 450,9899 ; obtenue : 450,9908.

[Pd(A2-H)2(2-ClBQ)(DMSO)H]+ : C20H24ClO5PdS, théorique : 517,0068 ; obtenue : 517,0079.

[Pd(D1-H)(OAc)(DMSO)H]+ : C11H21O5PdS, théorique : 371,0139 ; obtenue : 371,0140.

[Pd(A1-D1+H)(DMSO)]+, C14H23O4PdS, théorique : 393,0352 ; obtenue : 393,0347.

[Pd(A1-H)(A1-D1)]+ : C17H21O4Pd, théorique : 395,0475 ; obtenue : 395,0473.

[Pd(A1-H)(A1-D1)(DMSO)]+ : C19H27O5PdS, théorique : 473,0609 ; obtenue : 473,0598.

[Pd2(A1-D1+H)(OAc)2(DMSO)]+ or [Pd2(A1-H)(D1-H)(OAc)2(DMSO)H]

+, C18H29O8Pd2S : théorique :

616,9647 ; obtenue : 616,9646.

E.4.4. Agrandissement des spectres présentées en partie E

E.4.4.1. Agrandissement du spectre E1 entre m/z = 200-400 et m/z = 400-600.

AV 667

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400m/z0

100

%

11BR1075 120 (2.230) Cm (99:128) 1: TOF MS ES+ 4.52e4x2 320.9

320.0

319.0

262.9259.9

242.9264.9

325.0

133

AV 667

400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600m/z0

100

%

11BR1075 120 (2.230) Cm (99:128) 1: TOF MS ES+ 1.46e4546.9

544.9

543.9

468.9

466.9

465.9

463.9

542.9

470.9

541.9472.9

540.9

548.9

550.9

552.9


AV 761

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400m/z0

100

%

12HR81 94 (2.964) Cm (1:166) 1: TOF MS ES+ 2.02e3326.0

323.0

322.0

263.0

246.0 320.0268.0

328.0

330.0

134

AV 761

400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600m/z0

100

%

12HR81 94 (2.964) Cm (1:166) 1: TOF MS ES+ 1.25e3556.0

554.0

553.0

552.0

478.0

475.0

473.0

472.0

480.0551.0

482.0 550.0

549.0

558.0

560.0

562.0


AV 667

220 240 260 280 300 320 340 360 380 400m/z0

100

%

11BR1077 1 (0.019) Cm (1:40) 1: TOF MS ES+ 2.79e4321.0

320.0

319.0

262.9259.9

242.9 267.0 317.0

325.0

345.0

343.0

342.0349.0

351.0

135

AV 667

440 460 480 500 520 540 560 580m/z0

100

%

11BR1077 1 (0.019) Cm (1:40) 1: TOF MS ES+ 9.91e3546.9

544.9

543.9

542.9455.0

454.0

453.0

451.0

457.0468.9

470.9490.9

488.9

486.9

485.9

541.9

494.9540.9

501.0535.1

548.9

550.9

568.9

552.9 572.9


AV 736

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400m/z0

100

%

12BR63 4 (0.075) Cm (1:112) 1: TOF MS ES+ 3.14e4321.1

320.1

319.1

312.2

261.0

259.0243.0279.1

295.1

373.1

325.1372.1

359.1356.1

355.1

327.1

391.3

136

AV 736

400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600m/z0

100

%

12BR63 4 (0.075) Cm (1:112) 1: TOF MS ES+ 1.19e4471.4

451.2

450.2

405.2

449.2

409.2

435.2427.1

455.2

547.1

483.2 545.1

485.2 544.1

543.1

505.1507.1

542.1

529.2

549.1

551.1

569.3

585.3

589.3

E.4.4.5. Agrandissement du spectre E5 entre m/z = 400-600.

AV 759

420 440 460 480 500 520 540 560m/z0

100

%

12BR136 95 (1.770) Cm (86:99) 1: TOF MS ES+ 314471.3

468.9441.1

439.1

438.1

437.0

465.9

464.9

443.1

472.3

472.3 517.1472.9

485.3

473.3516.1 547.0521.1

543.0

533.1

550.9

PdO OEt Et

OO

+ H

Cl

Pd

S

O

O OEt Et

OO

+ H

Cl

137


AV 688

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400m/z0

100

%

11HR743 93 (2.917) Cm (93:147) 1: TOF MS ES+ 2.88e3395.1

393.1

323.0

320.0

319.0

289.2260.9

258.3202.2233.1 264.9 317.0

392.1

325.0

391.1339.0

347.0371.0

397.1

AV 688

420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640m/z0

100

%

11HR743 93 (2.917) Cm (93:147) 1: TOF MS ES+ 2.50e3455.1

454.1

413.0

453.1

417.0

431.0

451.1

457.0

546.9475.1

544.9

542.9477.1

541.9492.9

540.9496.0

548.9

550.9621.0

617.0

552.9 616.0

571.0

623.0

625.0

641.0

138


AV 736

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380m/z0

100

%

12BR65 224 (4.174) Cm (163:289) 1: TOF MS ES+ 1.95e4321.1

320.1

319.1

312.2261.0214.0

229.2 258.3 265.0 301.3

325.1

377.3

351.1329.2

349.1

359.1

AV 736

400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650m/z0

100

%

12BR65 224 (4.174) Cm (163:289) 1: TOF MS ES+ 2.40e4407.2

409.2

411.2471.4

469.0425.2

464.0

485.2

547.1

487.2 544.1

505.3 551.1569.3

611.4631.4

139


AV 737

220 240 260 280 300 320 340 360 380 400m/z0

100

%

12BR67 196 (3.649) Cm (195:283) 1: TOF MS ES+ 2.38e3321.0

320.0

319.1

242.4

229.2219.0

255.1

261.0295.1

325.0

367.3365.1

349.1

345.1

369.1

391.3

AV 737

400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600m/z0

100

%

12BR67 196 (3.649) Cm (195:283) 1: TOF MS ES+ 1.37e3x2 481.1

479.1455.2

413.1

412.1

411.1

454.2

427.1

447.2

478.1

477.1

547.0

483.1 545.1

544.0

542.0

493.1541.1

505.1

549.0

551.1

574.1

593.1

140


AV 740

200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450m/z0

100

%

12BR70A 203 (3.768) Cm (1:237) 1: TOF MS ES+ 7.12e3401.3

321.1

320.1

319.1

289.2261.0

243.0201.0 290.2

325.1

347.1

395.2

351.1393.2

413.1

427.1

429.1

431.1

431.3

AV 740

460 480 500 520 540 560 580 600m/z0

100

%

12BR70A 203 (3.768) Cm (1:237) 1: TOF MS ES+ 4.79e3547.1

545.1

475.2

455.2457.2

544.1

543.1

477.2

542.1

491.1541.1495.1

507.1535.2

549.1

551.1

589.4555.3 569.1

573.1 590.4

141

E.4.4.10. Agrandissement du spectre E10 entre m/z = 200-450 et m/z = 450-

660.

AV 688

220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420m/z0

100

%

11HR746 81 (2.537) Cm (14:135) 1: TOF MS ES+ 439395.1

394.1

393.1

349.1

339.0319.1

289.2258.3

243.0 279.0 309.0

371.0

397.1

419.1417.0

421.1

427.0

431.1

AV 688

440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640m/z0

100

%

11HR746 81 (2.537) Cm (14:135) 1: TOF MS ES+ 1.02e3455.1

457.1

475.1

473.1477.1

479.1569.2555.1

525.1481.0

505.1621.0599.3

142

E.4.4.11. Agrandissement du spectre E11 entre m/z = 200-450 et m/z = 450-

660.

AV 666

200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450m/z0

100

%

11BR1074 158 (2.937) Cm (71:159) 1: TOF MS ES+ 607289.2

233.1

187.2

224.1

215.1259.1

234.1

311.2

349.1313.1 367.2391.2

369.2

419.0

415.0

437.2

AV 666

460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660m/z0

100

%

11BR1074 158 (2.937) Cm (71:159) 1: TOF MS ES+ 355475.1

455.0

474.1

569.1

477.1568.1

479.1567.1

525.1493.1

495.1

555.1553.1

551.1

571.1

573.1

599.3

574.1

649.1

615.9 646.2

143

E.4.5. Spectres SM/SM des espèces identifiées

E.4.5.1. SM/SM-IES(+) de [Pd(A1-H)(DMSO)2]+

AV 446

180 200 220 240 260 280 300 320 340m/z0

100

%

11BR248 157 (2.929) Cm (60:299) 1: TOF MSMS 343.00ES+ 756265.0

264.0

260.0

343.0

283.0

282.0

342.0

E.4.5.2. SM/SM-IES(+) de [Pd(A1)(DMSO)2H]+.

AV 852

220 240 260 280 300 320 340 360m/z0

100

%

12BR226 64 (2.251) Cm (64:82) 1: TOF MSMS 345.00ES+ 209x2 267.0

266.0

263.0

239.0

345.0285.0

284.0 344.0

144

E.4.5.3. SM/SM-IES(+) de [Pd(A1-H)2(BQ)(DMSO)H]+

AV 667

150 200 250 300 350 400 450 500m/z0

100

%

11BR1079 92 (1.717) Cm (79:92) 1: TOF MSMS 455.00ES+ 1.02e3x4 377.0

376.0

349.0

347.0239.0

395.0

455.0

E.4.5.4. SM/SM-IES(+) de [Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)]+

AV 734

250 300 350 400 450 500 550m/z0

100

%

12BR60 66 (1.229) Cm (1:218) 1: TOF MSMS 488.90ES+ 68x4 410.9

409.9

386.9

385.9

354.9

281.0 353.3

488.9

488.9

460.9

428.9489.1

489.3

145

E.4.5.5. SM/SM-IES(+) de [Pd2(A1-H)(OAc)2(DMSO)2]+

AV 667

200 250 300 350 400 450 500 550 600m/z0

100

%

11BR1078 56 (1.047) Cm (56:160) 1: TOF MSMS 569.00ES+ 2.44e3490.9

489.9

412.9

411.9

387.9

360.9283.0

462.9

568.9

567.9

508.9

AcOH

DMSO

Pd

DMSO

E.4.5.6. SM/SM-IES(+) de [Pd(D1-H)(OAc)(DMSO)H]+

AV 668

220 240 260 280 300 320 340 360 380m/z0

100

%

11BR1086 40 (0.745) Cm (40:188) 1: TOF MSMS 371.00ES+ 207293.0

236.0

233.0

232.0

221.0

292.0237.0

255.0

239.0 273.0

315.0

314.0

311.0

310.0

371.0

370.0

353.0343.0

371.1

146

E.4.5.7. SM/SM-IES(+) de [Pd(A1-D1+H)(DMSO)]+

AV 668

240 260 280 300 320 340 360 380 400 420m/z0

100

%

11BR1085 106 (1.977) Cm (42:147) 1: TOF MSMS 393.00ES+ 2.27e3337.0

336.0

258.0 315.1276.0 332.1

393.1

392.1

355.0

E.4.5.8. SM/SM-IES(+) de [Pd(A1-H)(A1-D1)(DMSO)]+

AV 668

240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480m/z0

100

%

11BR1088 131 (2.443) Cm (50:238) 1: TOF MSMS 473.00ES+ 1.18e3x16 394.1

265.0

263.0

265.0 338.0

338.0356.0

393.1

395.1

473.1

412.1

417.0

147

E.4.5.9. SM/SM-IES(+) de [Pd2(A1-D1+H)(OAc)2(DMSO)]+ ou [Pd2(A1-H)(D1-

H)(OAc)2(DMSO)H]+

AV 668

200 300 400 500 600 700 800m/z0

100

%

11BR1089 110 (2.047) Cm (58:127) 1: TOF MSMS 619.00ES+ 151289.2

619.0

618.1

395.1290.2

394.1

357.0

559.0503.0

397.1 563.0 620.0

148

Chapitre 3 :

RHD d’hétéroarènes avec des styrènes en

milieu aérobie et effet négatif des co-

oxydants métalliques

149

Introduction

Si la méthode présentée précédemment a permis les RHD de furanes et thiophènes avec des

styrènes dans des conditions douces et avec de bons rendements, celle-ci requiert une quantité

stoechiométrique en benzoquinone. La benzoquinone ou encore certains sels métalliques comme le

cuivre (II), l’argent (I) ou le manganèse (III) sont les oxydants les plus couramment utilisés pour

régénérer l’espèce palladiée active. Encore souvent utilisés en quantités stoechiométriques pour ces

réactions, ils présentent l’inconvénient de conduire à des sous-produits nocifs pour l’environnement

et la santé. D’une part, la benzoquinone et ses dérivés sont des métabolites du foie formés à partir

du benzène et responsables de troubles du système nerveux, d’anémies, de leucopénie ou encore de

thrombocytopénie, d’où sa nocivité pour la santé lorsqu’elle est inhalée.126, 127, 128

D’autre part, les

métaux posent le problème de ne pas être biodégradables et par conséquent, tout le long de la

chaîne alimentaire, ils se concentrent dans les organismes vivants et peuvent ainsi atteindre des taux

très élevés chez certaines espèces consommées par l’homme. Cette bio-accumulation explique leur

forte toxicité.

C’est dans ce contexte que s’inscrit la nécessité de développer des méthodes plus

respectueuses de l’environnement et moins couteuses. Ainsi, l’utilisation de l’oxygène moléculaire

comme réoxydant est de plus en plus étudiée. Notre atmosphère étant constituée d’environ 20 %

d’oxygène, O2 utilisé comme oxydant du Pd(0) représente l’oxydant idéal non seulement d’un point

de vue économique mais aussi d’un point de vue environnemental.129

Ce chapitre présentera un état des lieux des avancées en matière de RHD ayant recours à une

réoxydation de l’espèce palladium (0) par l’oxygène. Puis après avoir décrit une nouvelle méthode de

RHD d’hétéroarènes avec des styrènes, nous proposerons un mécanisme sur la base d’investigations

par SM-IES et nous montrerons l’impact négatif de la présence de co-oxydants métalliques dans

certaines conditions réactionnelles.

126

WHO, benzene, in Who Air quality guidelines for Europe, 2nd

edition, World Health Organization, Regional

Office for Europe, Copenhagen, 1998. 127

IPCS, Benzene, Environmental Health Criteria 150. International Programme on Chemical Safety, World

Health Organization, Geneva, 1993. 128

Paustenbach, D. J.; Bass, R. D.; Price, P. Environ. Health Perpec. 1993, 101, 77. 129

Boisvert, Luc.; Denney, M. C.; Hanson, S. K.; Goldberg, K. I. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15802-15814.

150

Partie F : RHD d’hétéroarènes avec des styrènes en milieu

aérobie

F.1. Bibliographie

La réaction décrite par Fujiwara et al. en 1969 est le premier exemple d’arylation d’oléfine via

l’activation par le palladium de liaisons C-H aromatiques. 130

Le couplage du styrène avec le benzène,

est effectué avec une quantité stoechiométrique d’acétate de palladium, dans l’acide acétique à

reflux (Schéma F1). Le chlorure de palladium peut également être utilisé mais requiert l’addition

d’acétate de sodium ou de potassium. L’acide acétique serait le solvant le plus approprié car il

permet d’obtenir un milieu réactionnel homogène.

Schéma F1. RHD pallado-induite du benzène avec le styrène.130

Cette équipe a également réalisé, le même couplage avec des quantités catalytiques

d’acétate de palladium (0,1 équiv.) et d’acétate de cuivre en présence d’oxygène (Schéma F2), mais

avec toutefois la formation de trans, trans-diphénylbutadiène et de traces de β-acétoxystyrène.

Notons que le couplage peut également utiliser de l’acétate d’argent (I) à la place de l’acétate de

cuivre (II) mais avec des rendements inférieurs (25 % avec 0,1 équiv. de AgOAc contre 44 % avec 0,1

équiv. de Cu(OAc)2).

Ph PhPh

PhH +

Cu(OAc)2 (0,1 équiv.)

O2 (50 atm), 80 °C, 8 h

PhH/AcOH (4 : 1)

Pd(OAc)2 (0,1 équiv.)

44 %45 équiv.

+Ph

Ph

18 %

AcOPh+

traces

Schéma F2. RHD pallado-induite du benzène avec le styrène en présence de Cu(OAc)2.130

130

Fujiwara,Y.; Moritani, I.; Danno, S.; Asano, R.; Teranishi, S. J. Am. Chem. Soc. 1969, 91, 7166-7169.

151

En 1971, Shue et ses collaborateurs parviennent à utiliser uniquement l’oxygène comme

réoxydant (schéma F3).131

Ce procédé catalytique peut être considéré comme le premier à n’utiliser

que de l’oxygène pour régénérer les espèces palladiées actives.132

Schéma F3. RHD impliquant le benzène.131

En 1997, Miura et ses collaborateurs ont couplé le biphényl-2-ol au styrène via une catalyse

par l’acétate de palladium avec l’air associé à une quantité catalytique d’acétate de cuivre comme

oxydant, dans du DMF, à 80 °C pendant 5 h. (schéma F4).133

Miura n’expose cependant qu’un seul

exemple, l’étude portant essentiellement sur des couplages intramoléculaires de 2-phénylphénols

avec des acrylates et des arylamides pour donner des dérivés 6H-benzo[c]chromènes substitués en

position 6.

Schéma F4. RHD du biphényl-2-ol avec un styrène.

Cette même année, Park et Hwang ont accompli les mêmes couplages que ceux réalisés par

Fujiwara en 1969, mais en ayant recours à des phosphines (Schéma F5) et des températures et

pressions en oxygène plus faibles.134

Cependant, leurs conditions s’avèrent moins efficaces et des

131

Shue, R. S. Chem. Commun. 1971, 1510-1511. 132

(a) Gligorich, K. M.; Sigman, M. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 6612-6615. (b) Muzart, J. Chem. Asian J.

2006, 1, 508-515. 133

Miura, M.; Tsuda, T.; Satoh, T.; Nomura, M. Chem. Lett. 1997, 1103-1104. 134

Park, Y. W.; Hwang, S. W. Bull. Korean Chem. Soc. 1997, 18, 218-221.

152

composés de type stilbènique sont formés à partir de la réaction entre le styrène et les phosphines

arylées.

Schéma F5. RHD du benzène avec le styrène.134

En 2003, l’équipe de Jacobs décrit le couplage du benzène avec l’acrylate de n-butyle en

employant des conditions catalytiques similaires à celles de Shue. Le 3-phénylacrylate de n-butyle est

obtenu avec des sélectivités dépendantes du temps (Schéma F6).135

La diminution de la quantité de

catalyseur explique l’accroissement des temps de réactions.

Schéma F6. RHD du benzène avec l’acrylate de n-butyle.135

Le triacétate de manganèse (III) comme co-oxydant de l’oxygène s’est avéré efficace lorsque

le 4-phénylbut-3-èn-2-one était mis en jeu (Schéma F7).

Schéma F7. RHD du benzène avec le 4-phénylbut-3-èn-2-one.135

La même équipe a réalisé le couplage pallado-catalysé de l’anisole avec le 4-phenylbut-3-èn-

2-one, via une activation C-H, catalysée par le palladium, en présence d’oxygène comme unique

oxydant et d’acide benzoïque pour accélérer la réaction (Schéma F8). Par la suite, un catalyseur

135

Dams, M.; De Vos, D. E.; Celen, S.; Jacobs, P. A. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3512-3515.

153

hétérogène, constitué d’un support polymérique modifié par l’acide benzoïque et imprégné

d’acétate de palladium a été utilisé pour le couplage de l’anisole avec le trans-cinnamate d’éthyle.136

Schéma F8. RHD du méthoxybenzène avec le 4-phénylbut-3-èn-2-one.135

En 2003, le groupe d’Ishii a décrit le couplage de l’acrylate d’éthyle avec le benzène catalysé

par l’acétate de palladium en présence de petites quantités d’acétylacétone et d’acide

molybdovanadophophorique (H7PMo8V4O40) sous 1 atm d’oxygène (schéma F9).137

Ces conditions

conduisent à un mélange de produits de couplage et de double couplage de type Heck ainsi qu’à des

traces de produits de type Wacker. Ces mêmes réactions effectuées dans l’acide acétique ont donné

des résultats moins sélectifs et nécessitent des temps réactionnels plus longs. Il convient de souligner

que l’efficacité de ces réactions dépend grandement de la structure de l’hétéropolyacide.

Schéma F9. RHD du benzène avec l’acrylate d’éthyle.137

L’équipe a développé des couplages d’hétéroarènes tels que le furane (Schéma F10) ou le 2-

méthylthiophène138

avec des acrylates.

Schéma F10. RHD du furane et de l’acrylate d’éthyle.138

136

Hajek, J.; Dams, M.; Detrembleur, C; Jérôme, R.; Jacobs, P. A.; De Vos, D. E. Catal. Commun. 2007, 8, 1047-

1051. 137

Yokota, T.; Tani, M.; Sakaguchi, S.; Ishii, Y. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 1476-1478. 138

Tani, M.; Sakaguchi, S.; Ishii, Y. J. Org. Chem. 2004, 69, 1221-1226.

154

La réaction permettant le couplage du 2-méthylthiophène et de l’acrylate d’éthyle a été

réalisée avec un bon rendement dans l’acide propionique et avec de l’acétate de palladium (II) sur

charbon comme catalyseur à 60 °C. La présence d’acétate de sodium reste requise pour cette

réaction, mais celle d’acétylacétone n’est plus nécessaire (Schéma F11). Le système

Pd(OAC)2/hétéropolyacide/O2 a également été utilisé pour la RHD du benzène avec différents alcènes

activés (acrylonitriles, acryladéhydes…)44,139 et l’éthylène.

140

Schéma F11. RHD du 2-méthylthiophène et de l’acrylate d’éthyle.138

Gaunt et ses collaborateurs ont décrit en 2006 une méthode efficace pour les RHD de

pyrroles avec des acrylates via une catalyse par l’acétate de palladium dans le mélange

AcOH/dioxane/DMSO, à 35 °C avec de l’oxygène comme unique oxydant (Schéma F12).141

Schéma F12. RHD de pyrroles avec des acrylates.141

Par ailleurs, les auteurs font remarquer que la nature du groupement protecteur détermine

la régiosélectivité de la transformation. En effet, alors qu’avec un pyrrole N-Boc, la réaction a lieu en

position C2, elle se produit en position C3 avec un pyrrole N-TIPS (Schéma F13).

Schéma F13. Dépendance de la régiosélectivité avec la nature du groupement protecteur.141

139

Yamada, T.; Sakaguchi, S.; Ishii, Y. J. Org. Chem. 2005, 70, 5471-5474. 140

Yamada, T.; Sakakura, A.; Sakaguchi, S.; Obora, Y.; Ishii, Y. New J. Chem. 2008, 32, 738-742. 141

Beck, E. M.; Grimster, N. P.; Hatley, R.; Gaunt, M. J. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 2528-2529.

155

En 2007, Djakovitch et Rouge ont rapporté la vinylation d’indoles dans le DMF/DMSO, en

utilisant de l’air et des quantités catalytiques d’acétate de cuivre (II) ou de chlorure de cuivre (II)

comme réoxydant (Schéma F14).142

La nature de l’anion du cuivre influence l’efficacité et la

régiosélectivité de la réaction (Schéma F14). Pd(OAc)2/Cu(OAc)2 fournit un seul produit indolique

vinylé en C3 tandis que PdCl2/CuCl2 conduit à un mélange de produits.

Pd((II) (0,1 équiv)Cu (II) (0,1 équiv.)

DMF/DMSO (10 : 1)air (1 atm), 70 °C, 20 h

NH

+ CO2nBu

NH

CO2nBu

2 équiv.

68 %82 %63 %58 %

R

R = HR = MeR = C6H5R = CO2Me

R

NH

CO2nBu

100

NH

CO2nBu+

0:

67 33:

X = OAc

X = Cl

PdX2 (0,1 équiv)CuX2 (0,1 équiv.)

DMF/DMSO (10 : 1)air (1 atm), 70 °C, 20 h

R = H

Schéma F14. Vinylation de NH-indoles et influence de l’anion sur la régiosélectivité.142

Cette même année, Guo et Liu parviennent à coupler des anilides avec des acrylates dans des

conditions douces et en utilisant de l’oxygène moléculaire associé à 3 % molaire d’acétate de cuivre

en guise d’oxydant.143

Les rendements varient entre 57 et 91 % (schéma F15) mais leurs conditions

s’avèrent inéfficaces dès qu’un dérivé halogéné est mis en jeu. Il en est de même lorsque l’acrylate

est remplacé par un alcène riche en électrons tel que le styrène.

Schéma F15. RHD d’anilides avec des acrylates.143

142

Djakovitch, L.; Rouge, P. J. Mol. Catal. A: Chem. 2007, 273, 230-239. Djakovitch, L.; Rouge, P. Catal. Today

2009, 140, 90-99. 143

Wang, J. -R.; Yang, C. –T.; Liu, L.; Guo, Q. –X. Tetrahedron Lett. 2007, 48, 5449-5453.

156

Signalons également que l’équipe de Jutand a effectué l’ortho-fonctionnalisation

régiosélective d’acétanilides, catalysée par l’acétate de palladium avec une quantité catalytique en

benzoquinone qui est recyclée par voie électrochimique, offrant ainsi une alternative intéressante

sur le plan environnemental144

(Schéma F16).

Schéma F16. Ortho-fonctionnalisation régiosélective d’acétanilides.144

En 2009, Yu et ses collègues décrivent la RHD de benzènes mono- ou disubstitués avec des

acrylates en utilisant de l’acétate de palladium avec un ligand azoté comme catalyseur et de

l’anhydride acétique à 90 °C dans des conditions aérobies145

(schéma F17). Quelque soit la nature des

substituants, le couplage à lieu majoritairement en position méta du cycle et l’ajout d’acétate

d’éthyle permet parfois d’améliorer le rendement, notamment lorsque la quantité d’arène est

diminuée. Ces conditions réactionnelles se révèlent compatibles avec des alcènes disubstitués tels

que le cinnamate de méthyle ou d’éthyle.

Schéma F17. RHD de benzènes mono- ou disubstitués.

145

144

Amatore, C.; Cammoun, C.; Jutand, A. Adv. Synth. Catal. 2007, 349, 292. 145

Zhang, Y. –H.; Shi, B. –F.; Yu, J. –Q. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5072-5074.

157

Cette équipe a également synthétisé des divinylbenzènes à partir de l’acide 2-

phénylacétique, via deux RHD successives dans des conditions aérobies, en utilisant de l’acétate de

palladium et un ligand dérivé de la valine dans du tAmylOH à 90 °C146

(schéma F18). Les alcènes

généralement impliqués sont pauvres en électrons ; seuls deux exemples mettent en jeu des alcènes

riches en électrons. Le remplacement du ligand Ac-Val-OH par 10 ou 20 % molaire de benzoquinone

ne permet d’effectuer qu’une seule RHD.

Schéma F18. RHD de l’acide 2-phénylacétique avec des acrylates.146

La même année, Ishii et ses collaborateurs ont présenté la synthèse de cinnamotriles à partir

d’acrylonitriles et de benzènes en recourant au système catalytique Pd(OAc)2/HPMoV/O2 (schéma

F19).147

Rendement (%)

Entrée Ar-H total (MONO + DI) MONO (o : m : p) DI

1 benzène 47 47 2

2 Toluène 47 43 (23 : 29 : 48) 4

3 Anisole 67 43 (22 : 15 : 63) 24

4 Chlorobenzène 28 28 (36 : 27 : 37) indéterminé

5 p-xylène 37 37 traces

Schéma F19. Synthèse de cinnamonitriles.147

146

Engle, K. M.; Wang, D. –H.; Yu, J. –Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6169-6173. 147

Obora, Y.; Okabe, Y.; Ishii, Y. Org. Biomol. Chem. 2010, 8, 4071-4073.

158

Recemment, Zakrzewski et son équipe ont développé l’oléfination pallado-catalysée et

aérobie de férrocènes avec des alcènes pauvres en électrons et des diènes (acrylate d’éthyle, (E)-

cinnamate de méhtyle, fumarate de diéthyle, acide sorbique, sorbate d’éthyle).148

Dans le cas des

acrylates et du cinnamate, la réaction conduit à un mélange de férrocènes mono- et disubstitués

(schéma F22).

Schéma F20. Oléfination de ferrocènes.148

Zhu et al ont rapporté une séquence d’annellation/oléfination via une activation C-H menant

à des isoindolinones à partir du N-tosylbenzamide.149

La transformation s’opère dans le toluène à 110

°C avec de l’acétate de palladium comme catalyseur, un ligand de type phénantroline et de l’oxygène

moléculaire comme unique oxydant (schéma F21). Ces conditions s’avèrent compatibles non

seulement avec les alcènes aliphatiques, mais aussi avec les alcènes conjugués.

Schéma F21. Synthèse d’isoindolinones à partir du N-tosylbenzamide.149

148

Piotrowicz, M.; Zakrzewski, J.; Makal, A.; Bak, J.; Malinska, M.; Wozniak, K. J. Organomet. Chem. 2011, 696,

3499-3506. 149

Zhu, C.; Falck, J. R. Org. Lett. 2011, 13, 1214-1217.

159

Booker-Milburn et Lloyd-Jones ont également proposé une méthode pallado-catalysée de

synthèse directe d’isoindolinones mais à partir de N-méthoxybenzamides et d’acrylates ou encore

d’acrylamides.150

La formation d’isoindolinones se déroule selon la séquence d’activation de liaisons

C-H/réaction de Heck/réaction d’aza-Wacker. Des quantités catalytiques de benzoquinone associées

à l’oxygène moléculaire sont utilisées comme réoxydant (schéma F22).

Schéma F22. Méthode pallado-catalysée de synthèse directe d’isoindolinones à partir de N-

méthoxybenzamides.150

Très récemment, Cheng et al ont décrit une méthode d’ortho-oléfination pallado-catalysée

sélective d’arènes assistée par une double liaison C-C allylique à température ambiante et dans des

conditions aérobies (schéma F23).151

Les auteurs ont proposé un mécanisme impliquant une

coordination initiale de la liaison C=C allylique au palladium suivie d’une métallation de la liaison o-C-

H.

Schéma F23. Méthode d’ortho-oléfination pallado-catalysée sélective d’arènes.151

150

Wrigglesworth, J. W.; Cox, B.; Lloyd-Jones, G. C.; Booker-Milburn, K. I. Org. Lett. 2011, 13, 5326-5329. 151

Gandeepan, P.; Cheng, C-H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5738-5741.

160

L’équipe d’Ishii a réalisé l’oléfination pallado-catalysée régio- et stéréosélective via une

activation C-H de l’aminobenzène avec des acrylates grâce au système PdII/HPMoV/TMBA/O2 dans du

DMF à 60 °C (schéma F24).152

Schéma F24. RHD d’aminobenzène avec des acrylates.152

En conclusion, les exemples ci-dessus mettent en lumière les progrès concernant la

réoxydation du palladium (0). Il est possible d’effectuer des RHD en utilisant uniquement l’oxygène

comme oxydant terminal. Cependant, la capacité de l’oxygène moléculaire ou atmosphérique à

oxyder n’est généralement pas suffisante et il est nécessaire d’y associer de petites quantités de

métaux.

Par ailleurs, la gamme de substrats mise en jeu dans ces réactions est généralement

restreinte aux alcènes porteurs de groupements électroattracteurs et peu d’exemples sont décrits

avec des hétérocycles, ce qui limite les applications.

En conséquence, notre intérêt s’est porté sur la mise au point d’une méthode permettant les

RHD de styrènes avec des furanes, des thiophènes et des indoles en utilisant l’oxygène comme

oxydant terminal, en association éventuelle avec une quantité catalytique de co-oxydant.

152

Mizuta, Y.; Obora, Y.; Shimizu, Y.; Ishii Y. ChemCatChem 2012, 4, 187-191.

161

F.2. Résultats et discussion

F.2.1. Constat de départ

La synthèse via des RHD de styrylfuranes dans des conditions aérobies a déjà été effectuée

au sein de notre laboratoire48

mais en présence de 10 % molaire de benzoquinone, de 50 % molaire

de sels de cuivre (II) et à une température de 40 – 60 °C pour être réaliser de manière efficace.

Nous avons présenté les RHD de furanes et de thiophènes avec des styrènes à température

ambiante en utilisant le DMSO comme co-solvant et la benzoquinone comme oxydant

stoechiométrique.

Par conséquent, nous avons choisi d’explorer la possibilité de réaliser ces RHD en utilisant le

DMSO sous oxygène atmosphérique sans avoir recours à l’emploi d’oxydant organique. Le système

catalytique Pd(OAc)2/DMSO est connu pour être efficace pour l’oxydation des fonctions alcools et de

nombreuses réactions induites par Pd(II) avec uniquement l’utilisation de l’oxygène moléculaire pour

régénérer l’espèce active. 153,154

F.2.2. Etude du système oxydant

Puisque des co-oxydants métalliques en quantités catalytiques sont souvent utiles pour une

réoxydation efficace du palladium lors des RHD et pour demeurer dans des conditions douces en

température et en pression, nous avons étudié leur influence sur l’efficacité du couplage du sylvane

(A1) avec le styrene (C1) en présence de Pd(OAc)2 comme catalyseur, d’une combinaison

DMSO/AcOH comme solvant et d’oxygène moléculaire comme oxydant stoechiométrique (Tableau

F1).

153

(a) Larock, R. C.; Hightower, T. R. J. Org. Chem. 1993, 58, 5298-5300. (b) van Benthem, R. A. T. M.; Hiemstra,

H.; Michels, J. J.; Speckamp, W. N. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1994, 357-359. (c) van Benthem, R. A. T. M.;

Hiemstra, H.; Longarela, G. R.; Speckamp, W. N. Tetrahedron Lett. 1994, 35, 9281-9284. (d) Larock, R. C.;

Hightower, T. R.; Kraus, G. A.; Hahn, P.; Zheng, D. Tetrahedron Lett. 1995, 36, 2423-2426. (e) van Benthem, R. A.

T. M.; Hiemstra, H.; van Leeuwen, P. W. N. M.; Geus, J. W.; Speckamp, W. N. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1995,

34, 457-460. (f) Larock, R. C.; Hightower, T. R.; Hasvold, L. A.; Peterson, K. P. J. Org. Chem. 1996, 61, 3584-3585.

(g) Peterson, K. P.; Larock, R. C. J. Org. Chem. 1998, 63, 3185-3189. 154

Steinhoff B. A.; Stahl S. S. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4348-4355

162

Entrée Co-oxydant Rendements

b

4 h 24 h

1 AgOAc 8 % 9 %

2 Cu(OAc)2 28 % 50 %

3 Cu2O 17 % 23 %

4 Fe3O4 18 % 33 %

5 Mn(OAc)3 41 % 66 %

6 Mn(OAc)2 45 % 79 %

7 MnO 42 % 79 %

8 MnO2 39 % 78 %

9 Mn2O3 45 % (64 %)

10 aucun 51 % (68 %)

aSylvane (2 mmol), styrène (1 mmol), Pd(OAc)2 (0,05

mmol), co-oxydant (0 - 0,1 mmol), AcOH (2 mL),

DMSO (2 mL), O2 (1 atm), TA, 4-24 h. b Rendement en

CPG. Rendement isolé entre parenthèse

Tableau F1. Influence du co-oxydant sur la RHD du sylvane avec le styrène.a

L’utilisation de AgOAc ou de Cu(OAc)2 mènent à de faibles rendements en 4 heures (tableau

F1, entrées 1 et 2). Le rendement n’est pas amélioré après 24 h lorsque la réaction est réalisée avec

AgOAc (entrée 1) alors qu’il devient moyen avec Cu(OAc)2 (entrée 2). Tandis que les oxydes

métalliques de cuivre ou de fer n’augmentent pas le rendement (entrées 3 et 4), les sels et oxydes de

manganèse fournissent 39 à 45 % du produit de couplage en 4 h (entrées 5 à 9). De manière

surprenante, en l’absence de co-oxydant, le rendement croît à 51 % en 4 heures et le composé A1-C1

est isolé avec un rendement de 68 % lorsque le temps de réaction est de 24 h. Vu ces résultats,

l’étude a été poursuivie avec un système Pd(OAc)2/AcOH/DMSO et O2 comme réoxydant.

F.2.3. Synthèse de styrylfuranes dans des conditions aérobies

F.2.3.1. A partir d’alkylfuranes

Le 2-styrylsylvane ou encore le 4-méthyl-2-stryrylsylvane ont été obtenus avec des

rendements respectifs de 68 % et de 61 % (Tableau F2, entrées 1 et 2).

163

Entrée A C T

(°C)

Durée

(h) Rdt (%)

b

Entrée A C

T

(°C)

Durée

(h) Rdt (%)

b

1 A1 C1 TA 24

6c A7 C5 40 48

2 A7 C1 40 24

7 A1 C6 TA 24

3 A1 C4 40 24

8 A7 C6 40 24

4 A7 C4 40 24

9 A1 C7 TA 24

5 A1 C5 40 24

10 A7 C7 40 48

a A (2,0 mmol), C (1,0 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), O2 (1 atm), 24 h

b Rendement

isolé. C Pd(OAc)2 (0,1 mmol).

Tableau F2. RHD de 2-alkylfuranes avec des styrènes en milieu aérobie.a

Lorsque le cycle aromatique du système styrénique est substitué par un chlore, un fluor, ou

un groupement acétoxyle, une température de 40 °C est souvent nécessaire. Les produits de

couplage sont obtenus avec des rendements de 50 % et 88 % (entrées 3 à 10) en conservant la liaison

carbone-hétéroatome.

164

F.2.3.2. A partir du 2-(méthoxyméthyl)furane

Comme attendu, le furfurol est peu disposé à donner les produits de couplage dans ces

conditions, celui-ci s’oxydant facilement en aldéhyde pyromucique, à partir duquel les RHD sont

difficilement réalisables. En conséquence, l’alkylation de la fonction alcool s’est avèrée nécessaire

afin d’éviter cette oxydation. La RHD du 2-(méthoxyméthyl)furane avec le styrène dans nos

conditions conduit au (E)-2-(méthoxyméthyl)-5-styrylfurane avec un rendement de 57 % en 24 h

(entrée 1). Les réactions menées avec les chlorostyrènes et le 4-fluorostyrène (entrée 2 à 4)

fournissent également de bons rendements (jusqu’à 95 %), avec toutefois des quantités de

catalyseurs et des temps réactionnels plus importants en ce qui concerne les chlorostyrènes.

Entrée A C Pd

(%)

Durée

(h) Rdt (%)

b

Entrée A C

Pd

(%)

Durée

(h) Rdt (%)

b

1 A8 C1 5 24

3 A8 C5 10 48

2 A8 C4 10 48

4 A8 C6 5 24

a A8 (2,0 mmol), C (1,0 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 – 0,10 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), O2 (1 atm), 40 °C, 24 –

48 h. b Rendement isolé.

Tableau F3. RHD du methoxyméthylfurane avec les styrènes en milieu aérobie.a

F.2.3.3. A partir du furane

Les réactions menées avec le furane conduisent à un mélange de 2-styrylfurane et de 2,5-

distyrylfurane avec une conversion totale du styrène (tableau F4). Quelque soit le substituant porté

par le cycle aromatique du styrène, le 2-styrylfurane est toujours obtenu majoritairement. La RHD du

furane avec les styrènes selon la méthode présentée au chapitre 1 n’avait conduit qu’à un

rendement de 14 % malgré une conversion totale du styrène. Cette transformation est désormais

possible lorsque l’on se place à 40 °C (entrée 1). Un excès de furane (8 équivalents) demeure

toutefois nécessaire afin de contrecarrer d’autres réactions du styrène.

165

+

A9, 8 équiv.

Pd(OAc)2 (0,05 - 0,1 équiv.)

AcOH/DMSO (1 : 1)O2 (1 atm)

TA - 40 °C, 24 - 48 h

O

R1

R1

A9-C, 35 - 41 %

O

R1

C-A9-C, 12 - 28 %

R1 = H (C1), p-Cl (C4), m-Cl (C5), p-F (C6)

O

+

R1

C

f

a A9 (8,0 mmol), C (1,0 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 – 0,10 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), O2 (1 atm), TA – 40 °C,

24 – 48 h. b Rendement isolé.

Tableau F4. RHD du furane avec les styrènes en milieu aérobie.a

F.2.4. Synthèse de styrylthiophènes dans des conditions aérobies

Les alkylthiophènes fournissent également de bons résultats avec les styrènes lorsque la

réaction est conduite à 60 °C et qu’ils sont introduits dans les mêmes proportions (tableau F5). En

effet, l’emploi de 2 équiv. d’alkylthiophène empoisonne le catalyseur.

Entrée A C Pd

(%)

Durée

(h)

Temp

(°C) A9-C, Rdt (%) C-A9-C, Rdt (%)

1 A9 C1 10 24 TA

2 A9 C4 10 24 40

3 A9 C5 10 24 40

4 A9 C6 5 48 40

O

C1-A9-C1, 28 %

166

Entrée B C Durée

(h) B1-C, Rdt (%)

b

1 B1 C1 24

2 B1 C4 48

3 B1 C5 48

4 B1 C6 48

a B1 (1,0 mmol), C (1,0 mmol), Pd(OAc)2 (0,10 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), O2 (1 atm), 60 °C, 24 – 48 h.

b

Rendement isolé.

Tableau F5. RHD du 2-méthylthiophène avec les styrènes en milieu aérobie.a

Ce problème d’empoisonnement n’est pas rencontré lorsque le 3-méthylthiophène est mis

en jeu. Au contraire, nous sommes alors confrontés à une conversion très rapide du styrène, même à

40 °C, d’où la nécessité d’introduire 5 équivalents de 3-méthylthiophène (entrées 1 à 4, tableau F6).

Le substituant méthyle en position 3 du thiophène influe sur la régiosélectivité de la transformation ;

un mélange difficilement séparable de 3-méthyl-5-styrylthiophène et de 3-méthyl-2-styrylthiophène

dans des proportions 9 : 1 est obtenu. Zhang et ses collaborateurs avaient d’ailleurs été confrontés à

ce problème de régiosélectivité au cours de leurs travaux.57

167

Entrée B C durée

(h) B6-C, rdt (%)

1 B6 C1 24

2 B6 C4 48

3 B6 C5 48

4 B6 C6 24

a B1 (5,0 mmol), C (1,0 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), O2 (1 atm), 40 °C, 24 – 48 h.

b

rendement isolé.

Tableau F6. RHD du 3-méthylthiophène avec les styrènes en milieu aérobie.a

Contrairement au furane, la réaction de couplage du thiophène avec le styrène ne s’effectue

qu’au niveau d’un seul carbone ; le 2-styrylthiophène est obtenu avec un rendement de 50 %

(schéma F25).

Schéma F25. RHD du thiophène avec le styrène en milieu aérobie.

S

B6-C6, 64 %

S+ F

F

168

F.2.5. Synthèse de styrylindoles dans des conditions aérobies

A température ambiante et avec 0,05 équiv. de catalyseur, la méthode est également

applicable à la synthèse de styryl-N-méthylindole. Cependant, la gamme d’indole demeure limitée

aux N-alkylindoles non substitués ou substitués par un groupement alkyle (schéma F26).

Schéma F26. RHD de N-alkylindoles avec le styrène en milieu aérobie.

F.2.6. Limites de la méthode

Les principales limites de la méthode résident dans la restriction de sa compatibilité aux

hétéroaarènes porteurs principalement de groupements électrodonneurs. En effet, les 2-

halogénothiophènes ou les bromostyrènes, par exemple, réagissent difficilement dans ces

conditions. Des problèmes de régiosélectivité peuvent également intervenir avec certains substrats,

notamment avec le furane et le 3 méthylthiophène.

F.2.7. Conclusion

En conclusion, des furanes, thiophènes et indoles ont été couplés avec des styrènes via une

activation C-H pour donner des produits de type Heck avec des rendements moyens à bons. Si

certaines réactions requièrent une charge en catalyseur de 10 % molaire pour atteindre une

conversion totale du styrène, elles sont réalisées dans des conditions douces en température (60 °C

au maximum) et en pression (1 atm). Comme observé au chapitre 1, les furanes et thiophènes

subsitués en position 2 réagissent en position C5. Quant au 3-méthylthiophène, la position C5 est

très largement la plus réactive. Si les furanes conduisent à un mélange de styrylfuranes (composés

majoritaires) et de bis(styryl)furanes, les réactions menées avec le thiophène fournissent seulement

le produit monosubstitué. Les RHD avec le p-acétoxystyrène et les chloro- et fluorostyrènes laissent

les liaisons C-O et C-halogènes intactes. Enfin, la méthode est applicable à certains indoles.

169

Par ailleurs, nous avons montré que des co-oxydants standards de réactions pallado-

catalysées ne sont pas toujours bénéfiques pour les RHD. En effet, l’oxygène moléculaire utilisé

comme seul oxydant peut conduire à des systèmes catalytiques plus actifs que ceux constitués par

l’utilisation d’une combinaison O2/Cu(OAc)2 ou O2/AgOAc.

F.3. Partie expérimentale

F.3.1. Informations générales

Le DMSO, AcOH, BQ, PhNO2, Mn2O3, Cu(OAc)2, MnO2, MnO, Cu2O, Mn(OAC)3, Mn(OAc)2,

Ag(OAc), Pd(OAc)2, tous les arènes (sauf A8) et styrènes sont disponibles commercialement et ont

été utilisés sans purification. Le Fe3O4155

et le 2-(methoxymethyl)furane156

ont été préparés selon la

litérature. PhNO2 a servi de référence pour les etudes cinétiques et la détermination de rendements

par CPG.

F.3.2. Synthèse de styrylfuranes, styrylthiophènes et styrylindoles

A l’acétate de palladium (11,2 – 24,4 mg, 0,05 – 0,1 mmol) en solution dans un mélange

AcOH (2 mL)/DMSO (2 mL) sont ajoutés l’arène (1 - 8 mmol) et l’alcène (1 mmol). Le mélange est

agité sous un atmosphère d’oxygène, à température ambiante ou à une température de 40 – 60 °C

pendant 24 à 48 h. Après ajout de Et2O (20 mL), la réaction est traitée par une solution aqueuse

saturée de NaHCO3 (20 mL). La phase aqueuse est extraite avec Et2O (20 mL × 2). Les phases

organiques sont lavées avec une solution de NaOH 2M (20 mL x 2), avec H2O (20 mL x 2), séchées sur

MgSO4, et filtrées sur coton. Le solvant est évaporé sous vide. Les produits sont séparés sur colonne

de gel de silice flash (éluant : éther de pétrole/acétate d’éthyle, 100-0 : 70-30).

155

Wang, N.; Zhu, L.; Wang, M.; Wang, D.; Tang, H. Ultrason. Sonochem. 2010, 17, 78-83. 156

Greeves, N.; Torode, J. S. Synthesis, 1993, 1109-1112

170

F.3.3. Synthèse de styrylfuranes en milieu aérobie

F.3.3.1. A partir d’alkylfuranes

(E)-2-styrylsylvane (A1-C1).

48 Solide blanc ; 68 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,31 (s, 3H, H7), 5,97 (d, 1H, J = 2,1 Hz, H4), 6,20 (d, 1H, J = 3,0 Hz,

H5), 6,80 (d, 1H, J = 16,2 Hz, H2), 6,95 (d, 1H, J = 16,2 Hz, H1), 7,19 (t, 1H, J = 7,1 Hz, HAr), 7,29 (t, 2H, J =

7,4 Hz, HAr), 7,41 (d, 2H, J = 7,2 Hz, HAr).

(E)- 4-méthyl-2-styrylsylvane (A7-C1).157

Huile jaune ; 61 %.


Hz, 1H, H2), 6,84 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,10 (t, J = 7,1 Hz, 1H, HAr), 7,21 (t, J = 7,4, 2H, HAr), 7,33 (d, J =

7,3 Hz, 2H, HAr).

(E)-2-(4-chlorostyryl)sylvane (A1-C4).48

Solide blanc ; 88 %.


H5), 6,63 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2), 6,77 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,10-7,22 (m, 4H, HAr).

(E)-2-(4-chlorostyryl)-4-méthylsylvane (A7-C4). Cristaux jaunes ; 56 %.


157

Kikas, I.; Skoric, I.; Maric, Z.; Sindler-Kulyk, M. Tetrahedron 2010, 66, 9405-9414.

171


Hz, 1H, H2), 6,72 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,10-7,20 (m, 4H, HAr).

RMN 13


128,3 (2CH), 129,8 (2CH), 133,6 (C-Cl), 137,0 (C), 149,1 (C6), 151,2 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 508, 620, 704, 822, 859, 953, 1003, 1090, 1152, 1177, 1300, 1361, 1403, 1443,

1487, 1532, 1615, 1639, 1861, 2918, 2954, 3033.

SMHR : pour C14H13ClO théorique : 232,0655 ; Obtenue : 232,0658.

(E)-2-(3-chlorostyryl)sylvane (A1-C5).48

Huile incolore ; 74 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,22 (s, 3H, H7), 5,89 (d, J = 2,3 Hz, 1H, H4), 6,13 (d, J = 3,03 Hz,

1H, H5), 6,66 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2), 6,76 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,20-6,99 (m, 3H, HAr), 7,29 (s, 1H,

HAr).

(E)-2-(3-chlorostyryl)-4-méthylsylvane (A7-C5). semi-solide jaune ; 51 %.


Hz, 1H, H2), 6,80 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,28-7,03 (m, 3H, HAr), 7,35 (s, 1H, HAr).

RMN 13


124,0 (CH), 125,5 (CH), 126,6 (CH), 129,5 (CH), 134,3 (C-Cl), 139,1 (C), 147,9 (C6), 149,7 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 511, 565, 624, 684, 684, 777, 807, 873, 902, 951, 998, 1083, 1152, 1200, 1306,

1363, 1427, 1468, 1533, 1564, 1591, 1615, 2865, 2919, 2952, 3022.

SMHR : pour C14H13ClO théorique : 232,0655 ; obtenue : 248,0659.

172

(E)-2-(4-fluorostyryl)sylvane (A1-C6). Solide blanc ; 82 %.


H5), 6,61 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2), 6,81 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 6,89 (t, J = 8,6 Hz, 2H, HAr), 7,27 (dd, J =

8,3, 5,6 Hz, 2H, HAr).

(E)-2-(4-fluorostyryl)-4-méthylsylvane (A7-C6). Cristaux jaunes ; 58 %.

Point de fusion : 67 – 70 °C


Hz, 1H, H2), 7,00 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,10 (t, J = 8,6 Hz, 2H, HAr), 7,47 (dd, J = 8,3, 5,6 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 10,8 (C8), 12,5 (C7), 113,5 (C4), 116,6 (2CH), 117,3 (C5), 117,5 (C2),

124,9 (C1), 128,5 (2CH), 134,6 (C), 148,7 (C6), 151,2 (C3), 163,0 (C-F).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 516, 622, 658, 769, 819, 857, 952, 1001, 1097, 1154, 1223, 1301, 1444, 1502, 1536,

1596, 1619, 2862, 2920, 3037.

SMHR : pour C14H13FO théorique : 216,0950 ; obtenue : 216,0954.

(E)-2-(4-acétoxystyryl)sylvane (A1-C7).


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,20 (s, 3H, H8), 2,25 (s, 3H, H7), 5,92 (d, J = 2,1 Hz, 1H, H4), 6,14

(d, J = 2,9 Hz, 1H, H5), 6,68 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2), 6,85 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 6,96 (d, J = 8,5 Hz, 2H,

HAr), 7,35 (d, J = 8,5 Hz, 2H, HAr).

173

(E) 2-(4-acétoxystyryl) -4-méthylsylvane (A7-C7). Cristaux blancs ; 50 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,18 (s, 3H, H8), 2,49 (s, 3H, H9), 2,51 (s, 3H, H7), 6,37 (s, 1H, H4),

6,97 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2), 7,14 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,28 (d, J = 8,5 Hz, 2H, HAr), 7,66 (d, J = 8,5

Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 8,1 (C8), 9,8 (C7), 19,4 (C9), 110,9 (C4), 114,6 (C5), 115,1 (C2), 120,0

(2CH), 122,3 (C1), 125,2 (2CH), 133,5 (C), 146,1 (C6), 147,9 (C3), 148,5 (C-O-C=O), 167,7 (O-C=O).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 520, 636, 831, 863, 910, 946, 1013, 1194, 1301, 1368, 1441, 1501, 1537, 1618,

1761, 2920.

SMHR : pour C16H16O3 théorique : 256,1099 ; obtenue : 256,1109.

F.3.3.2. A partir du 2-(méthoxyméthyl)furane

(E)-2-(méthoxyméthyl)-5-styrylfurane (A8-C1). Huile jaune ; 57 %.


(d, J = 3,1 Hz, 1H, H5), 6,77 (d, J = 16,3 Hz, 1H, H2), 6,99 (d, J = 16,3 Hz, 1H, H1), 7,15 (m, 1H, HAr), 7,25

(t, J = 7,4 Hz, 2H, HAr), 7,37 (d, J = 7,3 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 56,5 (C8), 65,1 (C7), 107,8 (C4), 110,1 (C5), 114,9 (C2), 124,9

(2CH), 126,1 (CH), 126,2 (C1), 127,3 (2CH), 135,6 (C), 149,9 (C3), 152,2 (C6).

IR (film) ν (cm-1

) : 578, 693, 726, 752, 789, 851, 903, 957, 1000, 1020, 1089, 1190, 1258, 1359, 1448,

1495, 1529, 1576, 1598, 1638, 2822, 2928, 2987, 3027.

SMHR : pour C14H14O2 théorique : 214,0994 ; obtenue : 214,0997.

174

(E)-2-(4-chlorostyryl)-5-(méthoxyméthyl)furane (A8-C4). Cristaux jaunes ; 95 %.



(d, J = 3,0 Hz, 1H, H5), 6,57 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2), 6,78 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,09 (m, 4H, HAr).

RMN 13


127,0 (2CH), 128,3 (2CH), 132,5 (C-Cl), 135,0 (C), 151,1 (C3), 152,7 (C6).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 507, 661, 710, 808, 854, 955, 1024, 1090, 1187, 1266, 1369, 1404, 1446, 1489,

1524, 1589, 1636, 2819, 2891, 2922, 2895, 3117

SMHR : pour C14H13ClO2 théorique : 248,0604 ; Obtenue : 248,0603.

(E)-2-(3-chlorostyryl)-5-(méthoxyméthyl)furane (A8-C5). Semi-solide jaune ; 69 %.


(d, J = 3,0 Hz, 1H, H5), 6,67 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2), 6,83 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,19-6,98 (m, 3H, HAr),

7,28 (s, 1H, HAr).

RMN 13


128,5 (CH), 128,7 (CH), 130,1 (CH), 132,6 (CH), 137,3 (C-Cl), 141,6 (C), 154,5 (C3), 155,8 (C6).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 582, 622, 687, 736, 785, 838, 904, 953, 999, 1019, 1090, 1187, 1259, 1363, 1427,

1472, 1528, 1555, 1593, 1638, 2820, 2895, 2928, 2985, 3058.

SMHR : pour C14H13ClO2 théorique 248,0604 ; Obtenue : 248,0605.

(E)-2-(4-fluorostyryl)-5-(méthoxyméthyl)furane (A8-C6). Semi-solide jaune ; 64 %.


(d, J = 3,0 Hz, 1H, H5), 6,96 (d, J = 16,3 Hz, 1H, H2), 7,33-7,13 (m, 3H, H1 et HAr), 7,60 (m, 2H, HAr).

175

RMN 13


127,0 (C1), 128,6 (2CH), 133,9 (C), 152,1 (C3), 154,2 (C6), 163,1 (C-F).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 517, 661, 719, 794, 821, 862, 905, 960, 1020, 1092, 1159, 1193, 1226, 1264, 1367,

1413, 1451, 1504, 1530, 1598, 1637, 2824, 2898, 2930, 2996, 3041.

SMHR : pour C14H13FO2 théorique: 233,0900 ; Obtenue : 233,0901.

F.3.3.3. A partir du furane

(E)-2-styrylfurane (A9-A1).


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,35 (d, J = 3,1 Hz, 1H, H4), 6,49-6,39 (m, 1H, H5), 6,89 (d, J = 16,3

Hz, 1H, H2), 7,04 (d, J = 16,3 Hz, 1H, H1), 7,24 (m, 1H, HAr), 7,34 (t, J = 7,3 Hz, 2H, HAr), 7,46 (d, J = 7,4

Hz, 2H, HAr et H1).

2,5-di(E)-styrylfurane (C1-A9-C1).48

Solide jaune ; 28 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,38 (s, 2H, H4 et H5), 6,88 (d, J = 16,2 Hz, 2H, H2 et H2’), 7,14 (d, J

= 16,2 Hz, 2H, H1 et H1’), 7,29-7,19 (m, 3H, HAr), 7,35 (t, J = 7,4, 4H, HAr), 7,50 (d, J = 7,4 Hz, 4H, HAr).

O

2

1

3

45

6Cl

(E)-2-(4-chlorostyryl)furane (C9-C4). Solide blanc ; 41 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,40 (m, 1H, H4), 6,46 (m, 1H, H5), 6,88 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H2),

7,02 (d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,30-7,45 (m, 5H, HAr et H6).

158

Cella, R.; Stefani, A. H. Tetrahedron 2006, 62, 5656-5662.

176

RMN 13


(2CH), 134,3 (C-Cl), 136,8 (C), 143,6 (C6), 154,2 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 516, 592, 737, 794, 826, 862, 925, 965, 1015, 1096, 1154, 1222, 1412, 1487, 1508,

1556, 1595, 1635, 3037.


O

2

1

3

45

3'

2'

1'

Cl

Cl

2,5-bis(E)-(4-chlorostyryl)furane (C4-A9-C4). Solide jaune ; 20 %.



= 16,2 Hz, 2H, H1 et H1’), 7,23 (d, J = 8,4 Hz, 4H, HAr), 7,33 (d, J = 8,4 Hz, 4H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 113,9 (C4 et C5), 118,7 (C2 et C2’), 128,2 (C1 et C1’), 129,6 4(4CH),

131,0 (4CH), 135,3 (C-Cl), 137,6 (C), 155,0 (C3 et C3’).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 515, 747, 791, 819, 857, 959, 1019, 1096, 1155, 1226, 1377, 1506, 1556, 1595,

1631, 2923, 3041.

SMHR : pour C20H14Cl2O théorique : 340,0422 ; Obtenue : 340,0424.

(E)-2-(3-chlorostyryl)furane (A9-C5). Cristaux jaunes ; 37 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,27 (m, 1H), 6,32 (m, 1H), 6,76 (d, J = 16,2 Hz, 1H), 6,85 (d, J =

16,3 Hz, 1H), 7,21-7,11 (m, 3H), 7,31 (d, J = 7,2 Hz, 2H).

RMN 13


(CH), 129,5 (CH), 132,0 (CH), 136,7 (C-Cl), 141,0 (C), 144,6 (C6), 154,9 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 488, 591, 689, 740, 786, 800, 881, 925, 960, 1012, 1076, 1147, 1198, 1258, 1408,

1476, 1554, 1638, 2924, 3058.


177

2,5-bis(E)-(3-chlorostyryl)furane (C5-A9-C5). Solide jaune ; 12 %.



= 16,2 Hz, 2H, H1 et H1’), 7,15-7,30 (m, 7H, HAr), 7,41 (s, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 112,8 (C4 et C5), 117,9 (C2 et C2’), 125,3 (2CH), 126,7 (2CH), 126,8

(2CH), 128,2 (C1 et C1’), 130,6 (2CH), 135,4 (C-Cl), 139,5 (C), 153,5 (C3 et C3’).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 431, 684, 776, 869, 903, 951, 1020, 1086, 1258, 1423, 1468, 1567, 1588, 1632,

2924.

SMHR : pour C20H14Cl2O théorique : 340,0422 ; Obtenue : 340,0419.

(E)-2-(4-fluorostyryl)furane (A9-C6). Solide blanc ; 35 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,21 (m, 1H, H4), 6,29 (m, 1H, H5), 6,67 (d, J = 16,3 Hz, 1H, H2),

6,95-6,95 (m, 3H, H1, 2HAr), 7,26-7,31 (m, 2H, 2HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 109,7 (C4), 112,7 (C5), 116,5 (C2), 116.9 (CH), 117,4 (CH), 127,0

(C1), 128,8 (2CH), 134,2 (C), 143,2 (C6), 154,1 (C3), 163,3 (C-F).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 505, 590, 662, 738, 816, 859, 880, 924, 962, 1012, 1082, 1105, 1146, 1175, 1201,

1259, 1402, 1484, 1551, 1632, 1727, 3030.

SMHR : pour C12H9FO théorique : 188,0637 ; Obtenue : 188,0639.

2,5-bis(E)- (4-fluorostyryl)furane (C6-A9-C6). Solide jaune ; 23 %.


178

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,28 (m, 2H, H4 et H5), 6,69 (d, J = 16,2 Hz, 2H, H2 et H2’), 6,93-

7,03 (m, 6H, H1, H1’ et 4HAr), 7,34-7,40 (m, 4H, 4HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 112,2 (C4 et C5), 116,6 (C2 et C2’), 116,9 (2CH), 127,0 (C1 et C1’),

128,8 (2CH), 134,1 (C), 153,7 (C3 et C3’), 163,3 (2 C-F).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 502, 668, 709, 734, 771, 809, 857, 959, 986, 1012, 1086, 1158, 1265, 1380, 1404,

1489, 1545, 1633, 1890, 3043.

SMHR : pour C20H14F2O théorique : 308,1013 ; Obtenue : 308,1021.

F.3.4. Synthèse de styrylthiophènes en milieu aérobie

F.3.4.1. A partir d’alkylthiophènes

(E)-2-méthyl-5-styrylthiophène (B1-C1). Cristaux blancs ; 69 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,40 (s, 3H, H7), 6,58 (m, 1H, H4), 6,72-6,78 (m, 2H, H5 et H2), 7,08

(d, J = 16,2 Hz, 1H, H1), 7,16 (m, 1H, HAr), 7,26 (t, J = 7,41, 2H, HAr), 7,36 (d, J = 7,54 Hz, 2H, HAr).

S

2

1

3

45

6

7Cl


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,38 (s, 3H, H7), 6,55 (m, 1H, H4), 6,62 (d, J = 16,1 Hz, 1H, H2), 6,75

(d, J = 3,2 Hz, 1H, H5), 7,00 (d, J = 16,0 Hz, 1H, H1), 7,14-7,27 (m, 4H, HAr).


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,44 (s, 3H, H7), 6,61-6,68 (m, 2H, H4 et H2), 6,82 (d, J = 3,3 Hz, 1H,

H5), 7,08 (d, J = 16,1 Hz, 1H, H1), 7,15-7,21 (m, 3H, HAr), 7,31 (s, 1H, HAr).

179

(E)-2-(4-fluorostyryl)-5-méthylthiophène (B1-C6). Cristaux jaunes ; 55 %.


RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,35 (s, 3H, H7), 6,52 (m, 1H, H4), 6,62 (d, J = 16,0 Hz, 1H, H2), 6,70

(d, J = 3,3 Hz, 1H, H5), 6,90 (m, 3H, H1 et HAr), 7,25 (dd, J = 8,3, 5,57 Hz, 2H, HAr).

RMN 13


128,1 (2CH), 133,9 (C), 139,8 (C6), 141,1 (C3), 162,6 (C-F).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 528, 577, 793, 817, 854, 953, 1040, 1096, 1158, 1232, 1470, 1507, 1597, 1627,

2369, 2920, 3066.

SMHR : pour C13H11FS théorique : 218,0566 ; Obtenue : 218,0566.

(E)-4-méthyl-2-styrylthiophène (B6-C1). Cristaux blancs ; 66 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,57 (s, 3H, H7), 7,07 (d, J = 5,1 Hz, 1H, H4), 7,14 (d, J = 16,0 Hz,

1H, H2), 7,32 (d, J = 5,0 Hz, 1H, H6), 7,45-7,55 (m, 2H, H1 et HAr), 7,60 (t, J = 7,5 Hz, 2H, HAr), 7,73 (d, J =

7,5 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 14,5 (C7), 120,8 (C6), 123,4 (C4), 126,8 (2CH), 128,0 (C2), 128,3 (C1),

129,2 (2CH), 131,4 (CH), 136,1 (C), 137,0 (C5), 137,9 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 521, 590, 618, 713, 751, 811, 955, 1015, 1184, 1384, 1424, 1490, 1531, 1593, 1621,

2921, 3024.

SMHR : pour C13H12S théorique : 200,0660 ; Obtenue : 200,0661.

(E)-2-(4-chlorostyryl)-4-méthylthiophène (B6-C4). Cristaux blancs ; 72 %.


H6), 7,09 (d, J = 16,0 Hz, 1H, H1), 7,17-7,28 (m, 4H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 13,1 (C7), 119,9 (C6), 122,3 (C4), 125,4 (C2), 126,5 (2CH) 127,9

(2CH), 130,0 (C1), 132,0 (C-Cl), 135,0 (C), 135,1 (C5), 135,3 (C3).

180

IR (KBr) ν (cm-1

) : 521, 616, 713, 808, 831, 851, 954, 1008, 1088, 1183, 1242, 1290, 1401, 1427, 1490,

1618, 2340, 2369, 2862, 2922, 3020.

SMHR : pour C13H11ClS théorique : 234,0268 ; Obtenue : 234,0269.

(E)-2-(3-chlorostyryl)-4-methylthiophene (B6-C5). Cristaux jaunes ; 67 %.


H6), 7,30-7,09 (m, 4H, H1 et HAr), 7,38 (s, 1H, HAr).

RMN 13


(CH), 128,1 (C1), 130,8 (CH) 131,8 (CH), 135,5 (C-Cl), 136,9 (C), 137,3 (C5), 140,2 (C3).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 520, 615, 706, 739, 775, 828, 880, 947, 1082, 1216, 1248, 1424, 1476, 1562, 1590,

1623, 2961, 3018.

SMHR : pour C13H11ClS théorique : 234,0268 ; Obtenue : 234,0269.

(E)-2-(4-fluorostyryl)-4-méthylthiophène (B6-C6). Cristaux blancs ; 64 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,33 (s, 3H, H7), 6,81-6,88 (m, 2H, H4 et H2), 7,10-7,20 (m, 4H, H6,

H1 et HAr), 7,44 (dd, J = 8,4, 5,5 Hz, 2H, HAr).

RMN 13

C (63 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 14,2 (C7), 115,9 (C6), 120,4 (C4), 123,1 (C2), 127,9 (CH), 128,0 (C1),

128,8 (CH), 131,1 (2CH), 133,8 (C), 135,9 (C5), 136,6 (C3), 162,5 (C-F).

IR (KBr) ν (cm-1

) : 524, 594, 614, 705, 722, 778, 814, 851, 927, 946, 954, 1097, 1155, 1228, 1295,

1407, 1439, 1596, 1621, 2928, 3022.

SMHR : pour C13H11FS théorique : 218,0566 ; Obtenue : 218,0567.

181

F.3.4.2. A partir du thiophène

(E)-2-styrylthiophène (B7-C1).159

Solide jaune clair ; 50 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 6,75-6,93 (m, 2H, H4 et H2), 6,96 (d, J = 3,1 Hz, 1H, H6), 7,02-7,20

(m, 3H, H5, H1 et HAr), 7,24 (t, J = 7,3, 2H, HAr), 7,36 (d, J = 7,2 Hz, 2H, HAr).

F.3.5. Synthèse de styrylindoles en milieu aérobie

(E)-1-méthyl-3-styryl-1H-indole (E1-C1).160

Solide blanc ; 57 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 3,84 (s, 3H, H5), 7,34 (d, J = 14,2 Hz, 2H, H2 et H1), 7,40-7,66 (m,

7H, HAr), 7,75 (d, J = 7,2 Hz, 2H, HAr et H4), 8,24 (d, J = 6,3 Hz, 1H, HAr).

(E)-1,2-diméthyl-3-styryl-1H-indole (E2-C1).161

Cristaux jaunes ; 42 %.

RMN 1H (250 MHz, CDCl3) δ (ppm) : 2,64 (s, 3H, H6), 3,76 (s, 3H, H5), 7,22-7,91 (m, 10H, H2, H1 et HAr),

8,22 (s, 1H, HAr).

159

Ren, G.; Cui, X.; Yang, E.; Yang, F.; Wu, Y. Tetrahedron, 2010, 66, 4022-4028. 160

Gao, H.; Wu, X.; Zhang, J. Chem. Eur. J. 2011, 17, 2838-2841. 161

Adam, W.; Takayama, K. J. Org. Chem. 1980, 45, 447-452.

182

Partie G : Etude mécanistique de la réaction et de l’effet des

co-oxydants métalliques

G.1. Etude du mécanisme

G.1.1. Activation de la liaison C-H

Le suivi cinétique de réaction mettant en jeu le 2-méthylthiophène (B1) et le 2-

méthylthiophène deutéré (B5) en position 5 avec le styrène (C1) selon les conditions réactionnelles

énoncées au tableau F5 ont été menées sur 2 h (Figure G1).

aConditions : B1 (1,0 mmol), C1 (1,0 mmol), Pd(OAc)2 (0,10 mmol), DMSO (2 mL), AcOH (2 mL), O2 (1

atm), 40 °C.

Figure G1. Effet isotopique cinétique.a

L’effet isotopique cinétique important montrent que l’étape d’activation de la liaison C-H

constitue l’étape cinétiquement déterminante du cycle catalytique102

comme cela était le cas lorsque

deux équivalents de benzoquinone étaient utilisés en guise d’oxydant. La valeur du rapport kH/D = 4,4

concorde davantage avec un clivage pallado-induit de la liaison C-H qu’avec une réaction de Friedel-

Crafts induite par un acide de Lewis.103

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200temps (min)

ren

de

me

nt

(%)

183

G.1.2. Rôle de l’oxygène moléculaire

Les réactions menées sous atmosphère inerte démontrent que l’oxygène joue un rôle

primordial. Ainsi, en l’absence d’oxygène, la RHD du 2-méthylthiophène avec le styrène s’effectue

avec un rendement de 14 % en 24 heures contre 69 % dans les conditions initiales.

Schéma G1. RHD du 2-méthylthiophène avec le styrène sous atmosphère inerte.

Selon la Litérature, la régénération du catalyseur par l’oxygène à partir de HPdX peut se faire

selon deux voies.162

La première voie implique une réduction du PdII en Pd

0 à la suite de laquelle la

réoxydation passerait par un intermédiaire peroxopalladium (II) qui après une protonolyse conduirait

au palladium (II) et à l’eau oxygénée, elle-même décomposée ensuite en eau et en oxygène via une

catalyse au palladium (schéma G2). La seconde voie implique une insertion de l’oxygène dans la

liaison H-Pd. Dans ce cas, le palladium reste au degré d’oxydation (II) tout le long du cycle

catalytique.

Schéma G2. Mécanisme de réoxydation des espèces actives par l’oxygène.

162

Muzart, J. Chem. Asian J. 2006, 1, 508-515.

184

G.1.3. Analyse par SM-IES du mélange réactionnel

Le mécanisme de la réaction a été étudié par SM-IES. Tout d’abord, nous avons suivi par SM-

IES(+) le comportement du Pd(OAc)2 en solution dans AcOH/DMSO (1 : 1) sous oxygène. Après 5 min

d’agitation à température ambiante, 5 amas isotopiques ont été détectés et attribués aux espèces

chargées [Pd(OAc)(DMSO)]+, [Pd(DMSO-H)(DMSO)]

+, [Pd(OAc)(DMSO)2]

+, [Pd2(OAc)3(DMSO)]

+, et

[Pd2(OAc)3(DMSO)2]+ (spectre G1).

AV 875

m/z250 300 350 400 450 500 550 600

%

0

100

12HR417 510 (19.993) Cm (372:559) 1: TOF MS ES+ 8.21e4321.0

320.0

319.0

261.0

323.0

325.0

547.0

545.0468.9

465.9 543.0470.9

472.9

549.0

551.0

a Conditions : Pd(OAc)2 (0,05 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), O2 (1 atm), TA, 5 min.

Spectre G1. SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de Pd(OAc)2 sous O2 après 5 min.a

Ces espèces sont identiques à celles observées dans les RHD réalisées en présence de BQ comme

oxydant terminal. [Pd(OAc)(DMSO)]+ et [Pd(OAc)(DMSO)2]

+ proviennent de l’espèce solvatée

Pd(OAc)2(DMSO)2. [Pd2(OAc)3(DMSO)]+ et [Pd2(OAc)3(DMSO)2]

+ sont probablement liés au complexe

dinucléaire Pd2(OAc)4(DMSO)2. Enfin, [Pd(DMSO-H)(DMSO)]+ est attribué à l’espèce neutre Pd(DMSO-

H)(DMSO)(OAc) qui résulte de l’activation par le palladium d’une des liaisons C-H d’un ligand DMSO

au niveau de Pd(OAc)2(DMSO)2.

L’étude SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de Pd(OAc)2 et de sylvane A1 sous oxygène

atmosphérique n’a fourni que des spectres complexes difficiles à interpréter. Heureusement,

l’utilisation de n-butylfurane (A10) au lieu de A1 a permis d’obtenir des spectres simplifiés comme le

spectre G2 qui correspond au mélange de Pd(OAc)2, A10, C1, AcOH, DMSO agité à température

ambiante sous oxygène pendant 1 h 30.

185

AV 873

m/z250 300 350 400 450 500 550

%

0

100

12HR414 55 (2.170) Cm (38:169) 1: TOF MS ES+ 1.36e4411.1

410.1

409.1321.0

279.0 319.0333.1

413.1

415.1

424.9488.4 503.0

aConditions : A10 (2 mmol), C1 (1 mmol), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL) O2 (1

atm), TA, 1 h 30.

Spectre G2. SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de A10, C1, Pd(OAc)2 après 1 h 30 sous O2.a

La principale caractéristique du spectre G2 est l’amas intense à m/z = 411,1 attribué à

l’espèce chargée [Pd(A10-C1+H)(DMSO)]+. Sa formule brute a été confirmée par SMHR ; la SM/SM-

IES(+) montre la perte de DMSO et de palladium (voir la partie expérimentale). De plus, quand la

réaction est effectuée avec l’éthylfurane (A2) à la place de A10, l’amas isotopique est déplacé de 28

unités de masse, de même que lorsque le tert-butylstyrène (C8) est utilisé à la place de C1 (tableau

G1). Une telle espèce résulte de l’insertion de C1 dans la liaison furyl-Pd(II) du complexe Pd(A10-

H)(DMSO)2(OAc). Ce dernier a été identifié à m/z = 389,1 sous la forme chargée [Pd(A10-

H)(DMSO)(OAc)Na]+ (spectre G3). La formule brute de cette espèce a été vérifiée par SMHR et la

SM/SM-IES(+) montre la perte de A10, AcOH et DMSO. De plus, l’utilisation de A2 au lieu de A10

permet de confirmer la structure proposée (tableau G1). Les espèces désolvatées et hydratées

[Pd(A10-C1+H)]+ et [Pd(A10-C1+H)(H2O)]

+ sont observées respectivement à m/z = 333,1 et m/z =

351,1. La SM/SM-IES(+) de ces deux espèces dont les formules brutes sont confirmées par SMHR

montre la perte de Pd et indique la présence d’eau pour la seconde. Les décalages de 28 unités

observés lors de l’utilisation de A2 ou de C8 corroborent les hypothèses formulées (tableau G1).

186

AV 873

m/z240 260 280 300 320 340 360 380 400

%

0

100

12HR414 55 (2.170) Cm (38:169) 1: TOF MS ES+ 1.57e3321.0

320.0

279.0

277.0

261.0

255.0

319.0

281.0295.0

323.0

333.1

335.1

351.1

391.1355.1388.1 393.1

Pd

OnBu

Pd

OnBuOHH

PdOnBu

O

O

S

O

Na

[Pd(OAc)(DMSO)2]+

[Pd(DMSO-H)(DMSO)]+

242.9

[Pd(OAc)(DMSO)]+

Spectre G3. Agrandissement du spectre G2 entre m/z = 240 et m/z = 400.

Structures proposées m/z observé pour le couplage de

A10 avec C1 A2 avec C1 A2 avec C8

[Pd(A-C+H)(DMSO)]+ 411,1 383,1 439,2

[Pd(A-C+H)]+ 333,1 305,0 361,1

[Pd(A-C+H)(H2O)]+ 351,1 323,0 379,1

[Pd(A-H)(DMSO)(OAc)Na]+ 389,1 361,0 361,1

Tableau G1. Comparaison des rapports m/z observés pour les espèces détectées lors de la RHD de

A10 avec C1, et A2 avec C1 ou C8.

Aucun autre amas lié aux composés A, C et A-C n’a été observé au-delà de m/z = 400. Par

conséquent, et contrairement à ce qui avait été observé en présence de BQ, les espèces bi-palladiées

ne semblent pas jouer un rôle primordial dans la réaction. En effet, aucun complexe di-nucléaire

impliqué dans une étape du cycle n’a été intercepté. La benzoquinone a donc une influence sur la

structure des espèces actives. Cependant, les aduits de benzoquinone sont généralement difficiles à

détecter par SM-IES et leur rôle dans la formation d’espèces dinucléaires n’a pas pu être déterminé

au cours du chapitre précédent. L’espèce hydratée [Pd(A10-C1+H)(H2O)]+ n’a pas été observée avec

la benzoquinone comme oxydant. Sa présence peut provenir du processus de réoxydation du

187

palladium sous oxygène qui génère de l’eau oxygénée celle-ci se décomposant en eau et en oxygène

(schémas G2). 163,164,165

G.1.4. Cycle catalytique

Suite aux données SM-IES(+), le cycle catalytique du schéma G3 est proposé. Le trimère

[Pd(OAc)2]3 I, se dissocie en presence de DMSO en fournissant l’espèce inactive (ou peu active) II et

l’espèce monomère active III. L’espèce III réagit avec une des liaisons C-H du DMSO ou de l’arène A,

menant aux complexes Pd(DMSO)2(DMSO-H)(OAc) et IV. L’insertion de C1 dans la liaison Pd-furyl de

IV conduit à l’espèce V qui, après une élimination β-H donne le complexe VI. Ensuite, l’intermédiaire

VI réagit avec l’oxygène et l’acide acétique pour régénérer le catalyseur, ou il subit une élimination

réductrice donnant le complexe de palladium (0) VII qui est réoxydé par O2/AcOH.

Schéma G3. Cycle catalytique proposé.

163

Steinhoff, B. A.; Fix, S. R. F.; Stahl, S. S. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 766-767. 164

Campbell, A. N.; Stahl S. S. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 851-863. 165

Zhuangzhi Shi, S.; Chun, Z.; Conghui, T.; Ning, J. Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 3381-3430.

188

G.2. Influence du co-oxydant métallique

G.2.1. Influence sur le profil cinétique

Le suivi cinétique par CPG de la RHD de B1 avec C1 réalisé sous oxygène en guise d’unique

oxydant, ou en association avec 0,1 équiv. de Cu(OAc)2 ou de AgOAc montre que l’étape

cinétiquement déterminante (c’est-à-dire l’activation de la liaison C-H) n’est pas affectée par le co-

oxydant métallique (figure G2).

aConditions : B1 (1,0 mmol), C1 (1,0 mmol), DMSO (2 mL), Pd(OAc)2 (0,10 mmol), Cu(OAc)2 ou AgOAc

(0 ou 0,1 mmol), AcOH (2 mL), O2 (1 atm), 40 °C.

Figure G2. Influence de la presence d’un co-oxydant métallique sur le rendement de B1-C1.a

L’acétate d’argent a cependant un effet négatif sur le rendement après l’étape cinétiquement

déterminante. Le suivi cinétique de la conversion de C1 indique que la faible efficacité du processus

n’est pas due à des réactions secondaires telles que la polymérisation ou l’oxydation de C1 par le co-

oxydant métallique, mais que AgOAc ralentit la transformation (figure G3) en agissant probablement

comme poison du catalyseur.

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200

temps (min)

ren

de

me

nt

(%)

O2

O2 + 0,1 équiv. de Cu(OAc)2

O2 + 0,1 équiv. de AgOAc

189

aConditions: B1 (1,0 mmol), C1 (1,0 mmol), DMSO (2 mL), Pd(OAc)2 (0,10 mmol), Cu(OAc)2 ou AgOAc

(0 ou 0,1 mmol), AcOH (2 mL), O2 (1 atm), 40 °C.

Figure G3. Evolution de la conversion C1 lors de la formation B1-C1 en présence ou non

d’un co-oxydant.a

L’effet négatif de Cu(OAc)2 et de AgOAc sur le rendement est plus marqué pour les RHD de A1 avec

C1 (figures G4 et G5). En effet, la presence de 0,1 équivalent de Cu(OAc)2 a un effet très négatif sur la

conversion et donc les rendements tandis que AgOAc bloque totalement la progression de la

transformation après quelques minutes d’agitation.

aConditions : A1 (1,0 mmol), C1 (1,0 mmol), DMSO (2 mL), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), Cu(OAc)2 ou AgOAc

(0 ou 0,1 mmol), AcOH (2 mL), O2 (1 atm), TA.

Figure G4. Influence de la presence d’un co-oxydant métallique sur le rendement de A1-C1.a

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50 100 150 200

temps (min)

Co

nv

ers

ion

(%

)

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200

ren

de

me

nt

(%

)

temps (min)

O2



O2



190

aConditions : A1 (1,0 mmol), C1 (1,0 mmol), DMSO (2 mL), Pd(OAc)2 (0,05 mmol), Cu(OAc)2 ou AgOAc

(0 ou 0,1 mmol), AcOH (2 mL), O2 (1 atm), TA.

Figure G5. Evolution de la conversion C1 lors de la formation A1-C1 en présence ou non

d’un co-oxydant.a

G.2.2. Analyse par SM-IES en présence d’acétate d’argent

L’analyse SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO d’acétate de palladium et d’acétate d’argent

a permis d’identifier la présence d’espèces monoargentées [Ag(DMSO)]+, [Ag(DMSO)2]

+, bi-argentées

[Ag2(OAc)(DMSO)]+, [Ag2(OAc)(DMSO)2]

+ ainsi que de systèmes bi-métalliques hétéronucléaires

[Ag2Pd(OAc)3(DMSO)]+, [AgPd2(OAc)4(DMSO)]

+, [AgPd2(OAc)4(DMSO)2]

+ et [Ag2Pd2(OAc)5(DMSO)]

+

dont les formules brutes ont été confirmées par SMHR (spectre G4 et G5). Ces espèces chargées

correspondent respectivement aux complexes neutres [Ag(OAc)(DMSO)], [Ag(OAc)(DMSO)2],

[Ag2(OAc)2(DMSO)], [Ag2(OAc)2(DMSO)2] et

[Ag2Pd2(OAc)6(DMSO)]. Seuls deux amas du spectre G1

sont détectés dans de telles conditions : [Pd (OAc)(DMSO)2]+ et [Pd2(OAc)3(DMSO)2]

+.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 50 100 150 200

ren

de

me

nt

(%)

temps (min)

O2



191

AV 662

m/z200 400 600 800 1000 1200 1400

%

0

100

11HR682 98 (3.079) Cm (90:98) 1: TOF MS ES+ 2.88e4x2184.9

186.9

264.9

352.8430.8

a Conditions : Pd(OAc)2 (0,05 mmol), Ag(OAc) (0,1 mmol), AcOH (2 mL), DMSO (2 mL), O2 (1 atm), TA,

5 min.

Spectre G4. SM-IES(+) d’une solution AcOH/DMSO de Pd(OAc)2 (0,05 mmol) et de AgOAc (0,1

mmol) sous O2 au bout de 5 min.

AV 662

m/z400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

%

0

100

11HR682 98 (3.079) Cm (90:98) 1: TOF MS ES+ 969430.8

432.8576.8

574.8

546.9478.9

714.8

710.8580.7

631.8709.8

802.7716.8798.7 806.7

Spectre G5. Agrandissement du spectre G4 entre m/z = 400 et 850.

192

Nous avions proposé au chapitre 2 que le complexe trinucléaire [Pd(OAc)2]3 était inactif à

cause des ponts acétates. De façon similaire, nous suspectons que des complexes

(Ag)x(Pd)y(OAc)n(DMSO)m (x, y, m = 1, 2 ; n = 1, 2, 3, 4, 5) soient également inactifs à cause des ponts

formés par les acétates entre le palladium et l’argent.

G.2.3. Conclusion

L’étude par SM-IES(+) du milieu réactionnel a permis l’identification de l’intermédiaire

réactionnel Pd(A-H)(DMSO)(OAc)

résultant de l’activation de la liaison C-H de l’arène et des

intermédiaires Pd(A-C+H)(OAc)(DMSO),

Pd(A-C+H)(OAc) et

Pd(A-C+H)(OAc)(H2O) résultant de

l’insertion de l’alcène dans la liaison Pd-Ar. Contrairement à ce qui avait été observé au chapitre 2,

les complexes dinucléaires de palladium ne semblent pas jouer de rôle, ce qui laisse entendre que

précédemment, la présence de la benzoquinone les rendait actifs.

L’étude par SM-IES de la RHD en présence d’acétate argent a permis de proposer que

l’impact négatif de Cu(OAc)2 et AgOAc pourrait être dû à la formation de systèmes bi-métalliques

[Ag]x[Pd]y et [Cu]x[Pd]y (x, y = 1, 2), dans lesquels aucun ligand acétate n’est disponible pour

participer à l’activation de liaisons C-H.

G.3. Partie expérimentale

G.3.1. Mode opératoire pour les suivis cinétiques des réactions

A l’acétate de palladium (11,2 - 22,4 mg, 0,05 – 0,1 mmol) et au co-oxydant (0 ou 0,1 mmol)

mis en solution dans un mélange solvant/co-solvant AcOH (2 mL)/DMSO (2 mL) sont ajoutés l’arène

(1 mmol – 97 µL pour B1 ou 2 mmol – 180 µL pour A1), l’alcène C1 (115 µL - 1 mmol) et le

nitrobenzène (103 µL – 1 mmol). Un ballon d’oxygène est adapté au dispositif et le mélange est agité

à température ambiante ou à 40 °C. Des échantillons sont prélevés toutes les 15 min (environ 0,2 mL)

pendant 3 h, filtrés sur silice avec Et2O et analysés par CPG.

193

G.3.2. Dispositif expérimental

Toutes les expériences (SM, SMHR et SM/SM) ont été réalisées avec un spectromètre

tandem Quadripôle-Temps-de-vol (Q-TdV micro Waters « Micromass » Manchester UK), équipé

d’une source d’ionisation électrospray (Z-Spray), la désolvatation des ions est assistée par l’arrivée à

contre courant d’un gaz de séchage (flux d’azote) chauffé à une température de 50 à 80 °C. La

tension du cône d’extraction variait entre 20 et 40 V, la tension du capillaire IES était comprise entre

3000 et 3500 V. La dissociation induite par collision (DIC) a été réalisée par introduction d’argon

dans la cellule de collision.

L’injection des échantillons a été réalisée à un débit de 3 à 6 µL/min, la quantité d’échantillon

dont nous disposions n’imposait pas de travailler à des débits plus faibles.

G.3.3. SMHR des espèces observées

[Pd(A10-C1+H)]+ : C16H19OPd, théorique : 333,0471 ; obtenue : 333,0469.

[Pd(A10-C1+H)(H2O)]+ : C16H21O2Pd, théorique : 351,0576 ; obtenue : 351,0568.

[Pd(A10-C1+H)(DMSO)]+ : C18H25O2PdS, théorique : 411,0610 ; obtenue : 411,0617.

[Pd(A10-H)(DMSO)(OAc)Na]+ : C12H20NaO4PdS, théorique : 389,0015 ; obtenue : 389,0019.

[Ag(DMSO)]+ : C2H6AgOS, théorique : 184,9190 ; obtenue : 184,9193.

[Ag(DMSO)2]+ : C4H12AgO2S2, théorique : 264,9330 ; obtenue : 264,9330.

[Ag2(OAc)(DMSO)]+ : C4H9Ag2O3S, théorique : 350,8374 ; obtenue : 350,8366.

[Ag2(OAc)(DMSO)2]+ : C6H15Ag2O4S2, théorique : 428,8514 ; obtenue : 428,8520.

[Ag2Pd(OAc)3(DMSO)]+ : C8H15Ag2O7PdS théorique : 574,7675 ; obtenue : 574,7665.

[AgPd2(OAc)4(DMSO)]+ : C10H18AgO9Pd2S théorique : 632,7792 ; obtenue : 632,7803.

[AgPd2(OAc)4(DMSO)2]+ : C12H24AgO10Pd2S2 théorique : 710,7931 ; obtenue : 710,7935.

[Ag2Pd2(OAc)5(DMSO)]+ : C12H21Ag2O11Pd2S théorique : 798,6976 ; obtenue : 798,6971.

194

G.3.4. Spectres SM/SM des espèces identifiées

G.3.4.1. SM/SM-IES(+) de [Pd(A10-H)]+

AV 876

m/z140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340

%

0

100

12BR408 10 (0.161) Cm (10:39) 1: TOF MSMS 333.20ES+ 72227.3

177.1

143.2195.1

213.1

333.3

227.3

332.3

332.2

255.2228.3

249.2

247.1273.2

331.3291.2

Pd

G.3.4.2. SM/SM-IES(+) de [Pd(A10-C1+H)(H2O)]+

AV 876

m/z160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

%

0

100

12BR409A 61 (1.132) Cm (27:155) 1: TOF MSMS 351.20ES+ 97x6 273.0

227.2

195.0 213.0

227.2 272.0227.3

351.1

351.1351.1

333.1

332.1273.1291.1

290.9 308.1

333.2

351.2

351.2

351.2H2O

Pd

195

G.3.4.3. SM/SM-IES(+) de [Pd(A10-H)(OAc)(DMSO)Na]+

AV 876

m/z150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425

%

0

100

12BR410 111 (2.062) Cm (1:290) 1: TOF MSMS 389.10ES+ 191389.2

311.1

310.1

283.2205.1

181.2 227.0 255.0

329.2

388.2

361.2390.2

AcOH

DMSO

OnBu

G.3.4.4. SM/SM-IES(+) de [Pd(A10-C1+H)(DMSO)]+

AV 876

m/z150 200 250 300 350 400 450

%

0

100

12BR412 75 (1.392) Cm (18:81) 1: TOF MSMS 411.20ES+ 333333.2

332.2

227.3331.2

351.2

411.3

410.2DMSO

Pd

196

CONCLUSION

Depuis la découverte de la réaction de Heck déshydrogénante par Fujiwara en 1967,

d’importants progrès ont été réalisés. Alors que ces réactions étaient en premier lieu accomplies en

ayant recours à des quantités stoechiométriques de palladium, des méthodes efficaces ne faisant

intervenir que des quantités catalytiques sont aujourd’hui disponibles. La plupart des RHD

catalytiques utilise cependant des conditions drastiques, avec par exemple une température

relativement élevée, et requière un oxydant terminal autre que l’oxygène moléculaire, cet oxydant

étant parfois couteux. Ces conditions, qui constituent un problème pour des applications à grande

échelle, diminuent considérablement l’aspect vert de ces procédés ainsi que leur compatibilité avec

le principe d’économie d’atome. Par ailleurs, des méthodes permettant l’amélioration ou le contrôle

de la régiosélectivité ainsi que la formation de liaison C-C impliquant une variété d’hétéroarènes et

d’alcènes, notamment les alcènes riches en électrons restaient à mettre au point.

C’est avec l’objectif de contribuer à la résolution de ces problématiques que ces travaux de

thèse ont été effectués. Dans un premier temps, des furanes et des thiophènes ont pu être couplés

dans des conditions douces en utilisant la benzoquinone comme réoxydant dans un mélange

AcOH/DMSO. La méthode décrite au cours du premier chapitre est compatible avec des substrats

halogénés, incluant les styrènes et les thiophènes bromés.166

En comparaison avec les réactions

catalysées par Rh(III) précédemment rapportées par l’équipe de Glorius, cette méthode apparaît

avantageuse puisqu’elle concerne une plus large gamme de substrats et met en jeu un catalyseur

moins couteux. En se coordonnant au Pd, le DMSO permet la formation d’espèces catalytiques

monomériques et dimériques actives. Nous avons attribué à BQ un rôle original : celle-ci agit dans

nos conditions comme un promoteur de l’insertion d’alcènes électroniquement riches dans la liaison

Ar-Pd.

Pour étudier et proposer le mécanisme de cette réaction, l’électrospray couplé à la

spectrométrie de masse a été un outil précieux. Quinze complexes de palladium ont été interceptés,

et caractérisés,167

ce qui conduit à en retenir douze, dont des complexes dinucléaires ou contenant la

benzoquinone, comme pouvant être des intermédiaires de la réaction. Trois complexes sont le

résultat de réactions secondaires, dont un identifié comme étant un intermédaire impliqué dans

l’homocouplage de furanes via une activation C-H.

L’oxygène est le réactif de choix pour régénérer des espèces palladiées catalytiquement

actives afin d’aboutir à des procédés plus verts et plus compatibles avec le principe d’économie

166

Vasseur, A.; Muzart, J.; Le Bras, J. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12556-12560. 167

Vasseur, A.; Harakat, D.; Muzart, J.; Le Bras, J. J. Org. Chem. 2012, 77, 5751-5758.

197

d’atome et les contraintes économiques. Des résultats intéressants ont été obtenus avec le mélange

AcOH/DMSO.168

Des furanes, thiophènes et indoles ont été ainsi couplés avec le styrène, des styrènes

halogénés ou encore le p-acétoxystyrène avec des rendements convenables. Dans ces conditions,

l’utilisation de co-oxydants métalliques, pourtant souvent employés pour mener à bien de telles

réactions, peut avoir un effet négatif qui serait dû à la formation de complexes bi-métalliques

hétéronucléaires inéfficaces pour activer la liaison C-H de l’arène. Il s’agit là d’une des seules études

mettant en évidence l’avantage d’utiliser l’oxygène comme seul oxydant, plutôt que de l’utiliser en

association avec d’autres co-oxydants pour achever ces tranformations.

Notre équipe poursuit l’étude de la fonctionnalisation de liaisons C-H, l’objectif étant le

couplage de Heck déshydrogénant d’hétéroarènes avec des alcènes disubsitués dans des conditions

douces. Des premiers résultats prometteurs ont déjà été obtenus à l’aide d’un ligand original

(schéma 3).

Schéma 3. Résultats préliminaires de RHD d’hétéroarènes avec des alcènes disubstitués.

Nous nous sommes également engagés dans la valorisation de ces réactions, les RHD étant

encore très peu utilisées pour des synthèses organiques ciblées. Notre équipe a ainsi réalisé la

synthèse d’un analogue de la goniothalamine dont la réaction de Heck déshydrogénante est une

étape clef.

168

Vasseur, A.; Harakat, D.; Muzart, J.; Le Bras, J. Adv. Synth. Catal. 2012, soumis.

198

Schéma 4. Synthèse d’un analogue de produit naturel mettant en jeu une RHD.

Par ailleurs, la synthèse monotope de composés originaux via des RHD est en cours, comme

celle présentée au schéma 5.

Schéma 5. Synthèse monotope de composés originaux via une RHD.

199

Résumé

Ce mémoire décrit des réactions pallado-catalysées de Heck déshydrogénantes d’hétéroarènes

pouvant être dérivés de la biomasse avec des alcènes riches en électrons tels que les styrènes.

Le premier chapitre, présente une méthodologie permettant le couplage croisé de Heck

désydrogénant de furanes et thiophènes avec des styrènes dans des conditions douces et discute de

l’influence de l’agent oxydant sur l’activité du catalyseur.

Le second chapitre est consacré à l’étude mécanistique par SM-IES de réactions de Heck

déshydrogénantes de furanes avec des acrylates en présence de benzoquinone comme agent

oxydant et de DMSO comme solvant.

La présentation d’une nouvelle méthodologie pour les réactions de Heck déshydrogénantes

d’hétérocyles avec des styrènes dans des conditions aérobies et l’explication de l’effet négatif de co-

oxydants métalliques représentent le dernier chapitre.

Abstract

This thesis describes Pd-catalyzed dehydrogenative Heck reactions of heteroarenes that could be

derived from the biomass with electron-rich alkenes such as styrenes.

The first chapter presents a new methodology enabling cross coupling dehydrogenative Heck

Reactions of furans and thiophenes with styrenes under Mild conditions and discusses the Influence

of the oxidizing agent on the reaction rate.

The second chapter focuses on ESI-MS studies of the dehydrogenative Heck reactions of furans with

acrylates using benzoquinone as reoxidant and DMSO as solvent.

The presentation of a new methodology for aerobic dehydrogenative Heck reactions of heterocycles

with styrenes and the explanation about the negative effect of metallic co-oxidants represent the

third chapter.

Documents

FONCTIONNALISATION C-H D’HETEROCYCLES DERIVES DE LA