Chapitre II Nouveaux semi-conducteurs organiques
IV. Des systèmes plus étendus
2. Couplage de Stille sur réactifs supportés
Découvert par hasard par les équipes de C. Earborn99 et celle de M. Kosugi100 en 1976-1977, puis décrit et théorisé en 1986 par J. K. Stille101, le couplage pallado-catalysé qui porte son nom est grandement utilisé pour la synthèse de produits organiques car il permet la création efficace de liaison Csp2-Csp2.102
Ce couplage fait réagir par l’intermédiaire d’un catalyseur au palladium un composé stannylé avec un dérivé halogéné. Le mécanisme communément admis103 de cette réaction a pour espèce active un complexe de palladium au degré d’oxydation 0 (Schéma 19). Tout d’abord, l’étape d’addition oxydante permet l’attaque du dérivé halogéné sur le complexe. Ensuite, le composé stannylé entre en jeu lors de l’étape de transmétallation qui voit la libération d’un halogénure d’étain. Enfin la dernière étape est une élimination réductrice permet d’obtenir le produit final et de régénérer l’espèce active.
Schéma 19 : Mécanisme du couplage organométallique de Stille.
Les principaux avantages qui font de cette réaction l’une des plus utilisée pour la formation de systèmes conjugués linéaires sont sa compatibilité avec une grande majorité de groupements fonctionnels, sa mise en œuvre facile, son efficacité ainsi que la stabilité des réactifs organostanniques.
Le principal inconvénient de cette réaction réside dans ses sous-produits : l’halogénure d’étain libéré au cours du cycle catalytique est toxique. Pour empêcher la contamination des produits, on peut ANR-07-JCJC-0026, Synthèse, caractérisation et utilisation de nouveaux réactifs stanniques supportés sur liquiddes ioniques recyclables.
99 D. Azarian, S. S. Dua, C. Earborn, D. R. M. Walton, J. Organomet. Chem., 1976, 117, C55-C75.
100 a) M. Kosugi, K. Sasazawa, Y. Shimizu, T. Migita, Chem. Lett., 1977, 301-302; b) M. Kosugi, Y. Shimizu, T.
Migita, Chem. Lett., 1977, 1423-1424.
101 J. K. Stille, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1986, 25, 508-524.
102 C. Cordovilla, C. Bartolomé, J. Ma Martínez-Ilarduya, P. Espinet, ACS Catal., 2015, 5, 3040-3053.
103 P. Espinet, A. Echavarren, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 4704-4734.
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envisager de fixer l’étain sur un support ce qui permettra de le séparer et de le récupérer facilement à la fin de la réaction. (Figure 32).
Figure 32 : Exemples d’organostannanes supportés sur bille de polystyrène (P-Ph), et sur liquide ionique (IL-Ph).
D’une manière générale, la synthèse supportée est utilisée pour pouvoir récupérer le produit final facilement avec une grande pureté. Cette technique s’adapte à un grand nombre de réaction chimiques.104 De plus cette méthode est utile pour créer rapidement et facilement des librairies de molécules, notamment dans le domaine pharmaceutique où elle permet de faire du screening de principes actifs à haut débit. Du fait des purifications aisées, de nouvelles voies de synthèse totale de molécules naturelles ont été développées autour d’étapes utilisant des réactifs supportés.105
Cette technique permet de retenir et de recycler un réactif. On peut ainsi s’intéresser à des espèces chimiques dont les sous-produits sont toxiques ou peuvent contaminer le produit final. Il peut être ainsi judicieux de fixer les dérivés organiques de l’étain pour éviter que ses sous-produits toxiques ne contaminent les produits obtenus.
a. Organostanniques supportés sur polymère insoluble
Dès 2005, l’équipe de J. P. Quintard et d’E. Le Grognec a développé des halogénures de trialkylétain supportés sur polymère qui permettent une halogénation régiosélective d’anilines.106 Le fait de fixer l’étain sur une résine possède, dans ce cas, des avantages majeurs : tout d’abord la sélectivité est plus importante lorsque l’étain est supporté (on réduit la part de produits polyhalogénés) et ensuite les produits ne sont pas contaminés par des résidus d’étain (ce qui permet de calculer le rendement correctement).
Le groupement organostannique fixé sur la résine peut être fonctionnalisé par des groupements allyles,107 vinyles108 ou aryles.109 On peut alors le mettre en jeu dans d’autres types de réaction comme l’allylation d’aldéhydes107 ou encore le couplage de Stille.110 Dans ce dernier cas, l’ajout du support n’influe pas sur la réactivité de l’étain, les rendements sont équivalents ainsi que les proportions d’homocouplage. Les différences majeures avec un couplage classique sont la contamination des produits finaux et la recyclabilité de l’étain supporté.
Lorsque l’étain est fixé au support solide, il est plus facilement récupérable et donc ne contamine plus les produits finaux. Après filtration pour séparer le support du brut réactionnel, ce dernier est analysé
104 S. V. Ley, I. R. Baxendale, R. N. Bream, P. S. Jackson, A. G. Leach, D. A. Longbottom, M. Nesi, J. S. Scott, R. I. Storer, S. J. Taylor, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2000, 23, 3815-4195.
105 S. Basu, H. Waldmann, Bioorg. Med. Chem., 2014, 22, 4430-4444.
106 J.-M. Chrétien, F. Zammattio, E. Le Grognec, M. Paris, B. Cahingt, G. Montavon, J.-P. Quintard, J. Org.
Chem., 2005, 70, 2870-2873.
107 J.-M. Chrétien, F. Zammattio, D. Gauthier, E. Le Grognec, M. Paris, J.-P. Quintard, Chem. Eur. J., 2006, 12, 6816-6828.
108 G. Kerric, E. Le Grognec, V. Fargeas, F. Zammattio, J.-P. Quintard, M. Biesemans, R. Willem, J. Organomet.
Chem., 2010, 695, 1414-1424.
109 G. Kerric, E. Le Grognec, F. Zammattio, M. Paris, J.-P. Quintard, J. Organomet. Chem., 2010, 695, 103-110.
110 J.-M. Chrétien, A. Mallinger, F. Zammattio, E. Le Grognec, M. Paris, G. Montavon, J.-P. Quintard, Tet..
Lett., 2007, 48, 1781-1785.
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par ICP-MS pour déterminer le taux d’étain. Ce taux reste inférieur à 15 ppm dans la grande majorité des cas. En supportant le réactif qui engendre des sous-produits toxiques, on peut éviter la contamination des produits finaux avant même les étapes de purification.
Cette méthode nécessite des temps de réaction plus important que lorsqu’on n’utilise pas de support (Schéma 20). En rallongeant le temps de réaction à 40 heures au lieu des 18 heures habituelles, on s’assure que la réaction ait bien lieu, avec des taux de conversion approchant les 100 %.
Schéma 20 : Exemple d’un couplage de Stille utilisant un réactif supporté sur billes de polymères.
L’autre point fort de cette méthode est la recyclabilité de l’étain. Grace au support, on peut récupérer l’étain après couplage sous forme d’halogénure. Après lavage, on peut régénérer facilement le réactif qui sera ensuite engagé dans un nouveau couplage. La résine peut être utilisée trois fois de suite en conservant de bons rendements (> 60 %), néanmoins les pores de la résine emprisonnent aussi le catalyseur ce qui la noircit mais surtout fait chuter les rendements après régénération. Une méthode pour éliminer le palladium de la résine est d’utiliser un ligand lors de la phase de lavage. On augmente ainsi la durée de vie du réactif supporté.
Grace au support solide, l’étain utilisé lors du couplage de Stille peut être efficacement récupéré pour être recyclé. Il s’agit donc d’une méthode de choix pour la synthèse de molécules actives que ce soit pour des matériaux ou pour des applications biologiques.
b. Organostannique supporté sur liquide ionique
Parallèlement, l’équipe de S. Legoupy, a développé un support soluble pour l’étain à base de liquide ionique.111 La structure du liquide ionique est basée sur l’utilisation du motif imidazolium quaternisé avec un groupement éthyle et la chaine alkyle à 6 atomes de carbone sur laquelle est greffée l’étain.
Sous forme de chlorure d’étain, ce réactif peut être utilisé comme catalyseur dans des réactions de déhalogénation,112 d’amination réductrice.113 La principale utilisation de ce composé reste le couplage de Stille.114
L’étain supporté sur liquide ionique peut aussi être fonctionnalisé par des groupements aromatiques, vinyle ou allyles,115 qui à leur tour peuvent porter des fonctions chimiques (alcools par exemple).116 L’ajout du support n’empêche pas d’avoir accès à un grand nombre de dérivés stannylés qui peuvent réagir par couplage de Stille.
111 J. Vitz, D. H. Mac, S. Legoupy, Green Chem., 2007, 9, 431-433.
112 P. D. Pham, S. Legoupy, Tetrahedron. Lett., 2009, 50, 3780-3782.
113 P. D. Pham, P. Bertus, S. Legoupy, Chem. Commun., 2009, 41, 6207-6209.
114 P. D. Pham, J. Vitz, C. Chamignon, A. Martel, S. Legoupy, Eur. J. Org. Chem., 2009, 3249-3257.
115 N. Louaisil, P. D. Pham, F. Boeda, D. Faye, A.-S. Castanet, S. Legoupy, Eur. J. Org. Chem., 2011, 143-149.
116 D. Faye, M. Vybornyi, F. Boeda, S. Legoupy, Tetrahedron, 2013, 69, 5421-5425.
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Le principal intérêt du support liquide ionique est qu’il soit liquide et qu’il puisse servir à la fois de réactif et de solvant. Cette propriété permet de s’affranchir d’un solvant et par conséquent de rendre le couplage de Stille un peu plus éco-compatible. L’absence de solvant ne semble pas influer sur la réactivité, puisque les rendements sont bons quel que soit le groupement attaché à l’étain.
Pour récupérer le produit final, on agit sur une autre propriété du liquide ionique : son affinité pour les solvants organiques. Il est miscible avec le dichlorométhane mais pas avec le diéthyléther. On peut ainsi extraire les produits facilement du milieu réactionnel, d’autant plus que le catalyseur reste piégé avec le liquide ionique ce qui limite la contamination.
A l’instar de son homologue insoluble, le support soluble permet lui aussi de régénérer et de recycler l’étain. Le réactif supporté peut être utilisé jusqu’à cinq fois de suite sans diminution significative de rendement (Schéma 21).
Schéma 21 : Réactivité et recyclabilité du réactif stannylé supporté sur liquide ionique IL-allyl.
Au sein de la région Pays-de-la-Loire, deux équipes ont travaillé en parallèle sur des thématiques similaires. Ce projet est né de la volonté de combiner ces deux savoir-faire et de les appliquer à la synthèse de matériaux actifs, ce qui n’avait jamais été fait auparavant.
La contamination par des impuretés peut altérer les performances d’un matériau.117 Ces méthodes mettent l’accent sur la récupération et le recyclage de sous-produits qui peuvent être toxiques. De plus, ces approches permettent d’optimiser un couplage organométallique et de produire ainsi des matériaux plus respectueux de l’environnement.