Catalyse acide de Lewis - Lewis acid catalysis

La première réaction de Diels-Alder catalysée par l'acide de Lewis

Dans la catalyse acide de Lewis des réactions organiques, un acide de Lewis à base de métal agit comme un accepteur de paires d'électrons pour augmenter la réactivité d'un substrat. Les catalyseurs acides de Lewis courants sont basés sur des métaux du groupe principal tels que l' aluminium , le bore , le silicium et l' étain , ainsi que de nombreux métaux à blocs d précoces ( titane , zirconium ) et tardifs ( fer , cuivre , zinc ). L'atome de métal forme un adduit avec une paire isolée portant un atome électronégatif dans le substrat, tel que l' oxygène (à la fois sp 2 ou sp 3 ), l' azote , le soufre et les halogènes . La complexation a un caractère de transfert de charge partiel et rend le donneur à paire unique plus électronégatif, activant le substrat vers une attaque nucléophile, un clivage de liaison hétérolytique ou une cycloaddition avec des 1,3-diènes et des 1,3-dipôles.

De nombreuses réactions classiques impliquant la formation de liaisons carbone-carbone ou carbone-hétéroatome peuvent être catalysées par des acides de Lewis. Les exemples incluent la réaction de Friedel-Crafts , la réaction d'aldolisation et divers processus péricycliques qui se déroulent lentement à température ambiante, tels que la réaction de Diels-Alder et la réaction ène . En plus d'accélérer les réactions, les catalyseurs acides de Lewis sont capables d'imposer une régiosélectivité et une stéréosélectivité dans de nombreux cas.

Les premiers développements des réactifs acides de Lewis se sont concentrés sur des composés facilement disponibles tels que TiCl 4 , BF 3 , SnCl 4 et AlCl 3 . Au fil des ans, des catalyseurs polyvalents portant des ligands conçus pour des applications spécifiques ont facilité l'amélioration de la réactivité et de la sélectivité des réactions catalysées par un acide de Lewis. Plus récemment, les catalyseurs acides de Lewis avec des ligands chiraux sont devenus une classe importante d'outils pour la catalyse asymétrique .

Les défis dans le développement de la catalyse acide de Lewis comprennent un renouvellement inefficace du catalyseur (causé par l'affinité du catalyseur pour le produit) et l'exigence fréquente d'une liaison en deux points pour la stéréosélectivité, ce qui nécessite souvent l'utilisation de groupes auxiliaires.

Mécanisme

Deux modes communs de catalyse acide de Lewis dans les réactions avec des mécanismes polaires

Dans les réactions avec des mécanismes polaires, la catalyse acide de Lewis implique souvent la liaison du catalyseur aux hétéroatomes basiques de Lewis et le retrait de la densité électronique, ce qui facilite à son tour le clivage de la liaison hétérolytique (dans le cas de la réaction de Friedel-Crafts ) ou active directement le substrat vers une attaque nucléophile ( dans le cas de réactions d'addition de carbonyle ). La dichotomie peut avoir des conséquences importantes dans certaines réactions, comme dans le cas des réactions de substitution d'acétal favorisées par l'acide de Lewis, où les mécanismes S N 1 et S N 2 présentés ci-dessous peuvent donner des résultats stéréochimiques différents. En étudiant le rapport de produit dans un système bicyclique, Danemark et ses collègues ont montré que les deux mécanismes pouvaient être opérationnels en fonction de la dentité de l'acide de Lewis et de l'identité du groupe R'.

(À gauche) La substitution d'acétal favorisée par l'acide de Lewis peut se faire via le mécanisme S N 1 ou S N 2 . (À droite) Système modèle du Danemark pour le mécanisme de substitution de l'acétal. Si le mécanisme S N 1 est opérationnel pour la substitution acétal, les deux réactions présentées ici devraient se dérouler via le même ion oxocarbénium et donner des résultats stéréochimiques similaires. Les résultats indiquent que le mécanisme varie en fonction de l'acide de Lewis et du groupe R.

Dans les réactions de Diels-Alder et de cycloaddition 1,3-dipolaire , les acides de Lewis abaissent l' énergie LUMO du diénophile ou du dipolaire, respectivement, le rendant plus réactif envers le diène ou le dipôle.

Catalyse acide de Lewis avec substrats carbonylés

Parmi les types de réactions qui peuvent être catalysées par les acides de Lewis , celles avec des substrats contenant du carbonyle ont reçu la plus grande attention. La première découverte majeure dans ce domaine remonte à 1960, lorsque Yates et Eaton ont signalé l'accélération significative de la réaction de Diels-Alder par AlCl 3 lorsque l'anhydride maléique est le diénophile.

Les premières études théoriques qui dépendaient de l' analyse orbitale frontière ont établi que la catalyse acide de Lewis fonctionne via l'abaissement de l'énergie LUMO du diénophile. Des études récentes, cependant, ont montré que cette justification derrière les réactions de Diels-Alder catalysées par un acide de Lewis est incorrecte. On constate que les acides de Lewis accélèrent la réaction de Diels-Alder en réduisant la répulsion stérique déstabilisante de Pauli entre le diène et le diénophile en interaction et non en abaissant l'énergie du LUMO du diénophile et, par conséquent, en améliorant l'interaction orbitale normale de la demande d'électrons. L'acide de Lewis se lie via une interaction donneur-accepteur au diénophile et via ce mécanisme polarise la densité orbitale occupée loin de la double liaison réactive C = C du diénophile vers l'acide de Lewis. Cette densité orbitale occupée réduite sur la double liaison C = C du diénophile s'engagera, à son tour, dans une interaction orbitale moins répulsive à coquille fermée à coquille fermée avec le diène entrant, réduisant la répulsion stérique déstabilisante de Pauli et abaissant ainsi le Diels- Barrière de réaction d'aulne. De plus, le catalyseur acide de Lewis augmente également l'asynchronicité de la réaction de Diels-Alder, rendant l'orbitale π occupée située sur la double liaison C=C du diénophile asymétrique. En conséquence, cette asynchronicité accrue entraîne une réduction supplémentaire de la répulsion stérique déstabilisante de Pauli ainsi qu'une diminution de la pression sur les réactifs pour se déformer, en d'autres termes, elle réduit la contrainte d'activation déstabilisante (également appelée énergie de distorsion). Ce mécanisme catalytique de travail est connu sous le nom de catalyse d'abaissement de Pauli , qui intervient dans une variété de réactions organiques.

La justification originale derrière les réactions de Diels-Alder catalysées par l'acide de Lewis est incorrecte, car en plus d'abaisser l'énergie du LUMO du diénophile, l'acide de Lewis abaisse également l'énergie du HOMO du diénophile et augmente donc la demande inverse en électrons énergie orbitale LUMO-HOMO écart. Ainsi, en effet, les catalyseurs acides de Lewis renforcent l'interaction orbitale de demande d'électrons normale en abaissant le LUMO du diénophile, mais ils affaiblissent simultanément l'interaction orbitale de demande d'électrons inverse en abaissant également l'énergie du HOMO du diénophile. Ces deux phénomènes antagonistes s'annulent efficacement, ce qui entraîne des interactions orbitales presque inchangées par rapport aux réactions de Diels-Alder non catalysées correspondantes et ce n'est pas le mécanisme actif derrière les réactions de Diels-Alder catalysées par l'acide de Lewis.

En plus de l'accélération de la vitesse, les réactions catalysées par l'acide de Lewis présentent parfois une stéréosélectivité accrue, ce qui a stimulé le développement de modèles de stéréoinduction. Les modèles ont leurs racines dans la connaissance des structures des complexes acide de Lewis-carbonyle qui, grâce à des décennies de recherche en calculs théoriques , en spectroscopie RMN et en cristallographie aux rayons X , ont été assez fermement établies au début des années 1990 :

  • Complexation : Le complexe dans lequel l'acide de Lewis interagit avec le composé carbonyle par l'intermédiaire d'une liaison avec la paire isolée d'oxygène est à la fois favorisé sur le plan thermodynamique et pertinent sur le plan catalytique. Plusieurs complexes de métaux de transition d'aldéhydes et de cétones ont été caractérisés cristallographiquement.
  • Géométrie courbée : L'angle de liaison métal-oxygène-carbone est inférieur à 180°, et le métal est syn au plus petit substituant, à moins qu'il ne soit influencé par un groupe chélatant sur le plus grand substituant.
  • Une préférence s-trans pour les composés ,β-insaturés.

Addition et addition conjuguée aux composés carbonylés

La réaction d'aldol de Mukaiyama et la réaction de Sakurai font référence à l'addition d' éthers d'énol de silyle et d'allylsilanes à des composés carbonylés, respectivement. Ce n'est que sous catalyse acide de Lewis que ces réactions se produisent dans des conditions synthétiquement utiles. On pense que les états de transition acycliques fonctionnent dans les deux réactions pour l'addition 1,2 ou 1,4, et les facteurs stériques contrôlent la stéréosélectivité. Ceci contraste avec l' état de transition cyclique rigide de Zimmerman-Traxler qui a été largement accepté pour la réaction d'aldolisation avec les énolates de lithium, de bore et de titane . En conséquence, la géométrie de la double liaison dans le silyl énol éther ou l'allylsilane ne se traduit pas bien en stéréochimie du produit. Un modèle pour le Sakurai 1,2-addition, proposé par Kumada, est présenté dans le schéma ci-dessous ; le diastéréoisomère syn est prédominant lorsque le (E) silane est utilisé, et également légèrement favorisé lorsque le (Z) silane est utilisé. Une analyse similaire par Heathcock explique le fait qu'avec des substrats simples, il n'y a pratiquement pas de diastéréosélectivité pour la réaction aldol de Mukaiyama intermoléculaire.

Modèle d'état de transition ouvert pour la réaction de Sakurai

Le catalyseur acide de Lewis joue un rôle dans la stéréosélectivité lorsque l'aldéhyde peut chélater sur le centre métallique et former un intermédiaire cyclique rigide. Le résultat stéréochimique est alors cohérent avec l'approche de l' anti nucléophile du substituant le plus volumineux sur le cycle.

Contrôle de la chélation sur les réactions de Mukaiyama et Sakurai.PNG

Réaction de Diels-Aulne

Les acides de Lewis tels que ZnCl 2 , BF 3 , SnCl 4 , AlCl 3 et MeAlCl 2 peuvent catalyser à la fois les réactions normales et inverses de Diels-Alder à demande électronique . L'augmentation de la vitesse est souvent spectaculaire et la régiosélectivité envers les produits de type ortho ou para est souvent améliorée, comme le montre la réaction entre l' isoprène et l'acrylate de méthyle .

Les géométries des états de transition de la réaction de Diels-Alder dans des conditions thermiques (à gauche) et catalysées par BF 3 (à droite). Les longueurs des liaisons en formation (en angströms) sont indiquées, indiquant un état de transition plus asynchrone pour la réaction catalysée.
Régiosélectivité d'une réaction de Diels-Alder avec et sans catalyse AlCl3

On pense que la réaction catalysée de Diels-Alder est concertée . Une étude informatique au niveau B3LYP/6-31G(d) a cependant montré que l' état de transition de la réaction de Diels-Alder catalysée par le BF 3 entre le propénal et le 1,3-butadiène est plus asynchrone que celui de la réaction thermique – la liaison la plus éloignée du groupe carbonyle est formée avant l'autre liaison.

Ene réaction

La réaction carbonylène est presque toujours catalysée par des acides de Lewis dans les applications synthétiques. Un mécanisme par étapes ou en grande partie asynchrone a été proposé pour la réaction catalysée sur la base d' études d' effet isotopique cinétique . Néanmoins, les états de transition cycliques sont fréquemment invoqués pour interpréter la diastéréosélectivité. Dans une revue séminale au début des années 1990, Mikami et ses collègues ont proposé un état de transition tardif, semblable à une chaise, qui pourrait rationaliser de nombreux résultats stéréochimiques observés, y compris le rôle du volume stérique dans la diastéréosélectivité :

Sélectivité de la réaction ène par volume stérique

Plus récemment, cependant, le même groupe a effectué des calculs HF/6-31G* sur des réactions d'ène catalysées par un acide de Lewis à l'étain ou à l'aluminium. Citant que le gloxylate de méthyle chélate les acides de Lewis de l'étain mais pas ceux de l'aluminium, ils ont invoqué un état de transition précoce semblable à une enveloppe et ont rationalisé le résultat stéréochimique divergent de la réaction ène entre (E) -2-butène et le glyoxylate de méthyle.

Résultat stéréochimique divergent de la réaction ène entre le (E)-2-butène et le glyoxylate de méthyle.

Application en synthèse

Les réactions d'addition de carbonyle catalysées par l'acide de Lewis sont couramment utilisées pour former des liaisons carbone-carbone dans la synthèse de produits naturels . Les deux premières réactions présentées ci-dessous proviennent des synthèses de la (+)-lycoflexine et de l'acide zaragozique C, respectivement, qui sont des applications directes des réactions de Sakurai et de Mukaiyama. La troisième réaction, en route vers la (+)-fawcettimine, est une ouverture de cyclopropane catalysée par un acide de Lewis qui est analogue à une réaction de Mukaiyama- Michael .

Addition de carbonyle catalysée par un acide de Lewis dans la synthèse de produits naturels

La réaction de Diels-Alder catalysée ou favorisée par les acides de Lewis est une méthode puissante et largement utilisée dans la synthèse de produits naturels pour atteindre la complexité d'échafaudage en une seule étape avec contrôle stéréochimique. Les deux réactions présentées ci-dessous sont une réaction intramoléculaire de Diels-Alder envers la (-)-fusarisétine A et une réaction intermoléculaire hétéro-Diels-Alder envers la (-)-épibatidine, respectivement.

Addition de carbonyle catalysée par un acide de Lewis dans la synthèse de produits naturels

Friedel–Artisanat et réactions associées

Dans l' alkylation de Friedel-Crafts , un acide de Lewis - généralement un simple sel d'halogénure métallique - favorise le clivage hétérolytique d'une liaison carbone-halogène dans un halogénure d'alkyle et génère un carbocation , qui subit une substitution aromatique électrophile . Bien que très utile en synthèse, la réaction souffre souvent de réactions secondaires qui résultent d'un réarrangement du carbocation , d'une migration d'alkyle et d'une suralkylation. De même, dans l' acylation de Friedel-Crafts , un acide de Lewis aide à la génération d'un ion acylium à partir d'un chlorure d'acide (ou parfois d'un anhydride d'acide). Bien que l'ion acylium soit souvent supposé être l'intermédiaire actif, il existe des preuves que le dication acylium protoné est l'électrophile actif qui subit une substitution aromatique électrophile ultérieure.

Des variantes importantes de la réaction de Friedel-Crafts comprennent la chlorométhylation (avec du formaldéhyde et du HCl), la formylation (avec du HCl et du CO ou du CN ) et l' acylation avec un nitrile comme source d'acyle. L'acylation à base de nitrile est particulièrement utile car elle permet une ortho-acylation directe de l' aniline sans protéger le groupement amine. Une combinaison d'un acide de Lewis faible et d'un acide fort est nécessaire pour que la réaction se déroule, à travers le mécanisme indiqué ci-dessous. Guidés par ce mécanisme et sachant que les trihalogénures de gallium sont parmi les acides de Lewis les plus puissants, les chimistes des procédés de Merck ont ​​pu développer des conditions hautement efficaces pour cette condition vers un candidat médicament.

Réaction de Sugasawa

Catalyse acide de Lewis asymétrique

Ligands chiraux communs

La catalyse asymétrique par les acides de Lewis repose sur des catalyseurs avec des ligands chiraux coordonnés au centre métallique. Au fil des ans, un petit nombre d'échafaudages de ligands chiraux se sont démarqués comme ayant des propriétés catalytiques « privilégiées » adaptées à un large éventail d'applications, souvent de mécanismes indépendants. Les efforts de recherche actuels en catalyse acide de Lewis asymétrique utilisent ou modifient principalement ces ligands plutôt que de créer de nouveaux échafaudages de novo . Les échafaudages "privilégiés" partagent quelques caractéristiques communes, notamment la stabilité chimique et la relative facilité d'élaboration. La majorité des échafaudages sont multidentés . La plupart d'entre eux ont également une rigidité d'échafaudage élevée au sein du ligand. Plusieurs d'entre eux disposent de modèles de stéréo-induction assez matures. Certains échafaudages « privilégiés », identifiés par Jacobsen et Zhou, sont présentés ci-dessous.

Bisoxazolines (BOX)

Structure générique des ligands BOX (à gauche) et PyBOX (à droite).

Les ligands chiraux bisoxazoline (BOX) les plus courants sont constitués de deux fragments chiraux oxazoline identiques, substitués par un groupe volumineux aux positions 4, reliés par un lieur. Le ligand est bidenté lorsque le lieur est une unité carbonée unique, mais est tridenté (généralement méridien) lorsque le lieur porte un atome de coordination supplémentaire, tel qu'un azote de pyridine dans le cas des ligands PyBOX. L'impact de la densité du ligand et de la géométrie intermédiaire active sur le résultat stéréochimique a été soigneusement examiné.

De nombreuses réactions catalysées par un acide de Lewis à base de BOX bidentées sont basées sur des catalyseurs au cuivre (II) avec des substrats adaptés à la liaison en deux points. Le résultat stéréochimique est cohérent avec un intermédiaire plan carré torsadé qui a été proposé sur la base de structures cristallines apparentées. Le substituant en position 4 de l'oxazoline bloque une face énantiotopique du substrat, conduisant à l'énantiosélectivité. Ceci est démontré dans la réaction de type aldol suivante , mais est applicable à une grande variété de réactions telles que les réactions de type Mannich , la réaction ène , l' addition de Michael , la cyclisation de Nazarov et la réaction hétéro -Diels-Alder .

Boîte modèle stéréochimique

D'autre part, une liaison en deux points sur un acide de Lewis portant le ligand PyBOX tridenté méridionalement aboutirait à un complexe pyramidal carré . Une étude utilisant le benzyloxyacétaldéhyde comme électrophile a montré que le résultat stéréochimique est cohérent avec la liaison de l'oxygène du carbonyle équatoriale et la liaison de l'oxygène de l'éther axialement.

Modèle stéréochimique PyBox

BINAP

Développé par Noyori, BINAP (2,2'-diphénylphosphino-1,1'-binaphtyl) est une famille de ligands diphosphines chiraux comportant deux fragments triarylphosphine installés sur un squelette binaphtalène. BINAP se chélate sur un métal (généralement un métal de transition tardif) pour former un complexe symétrique en C 2 . Comme indiqué ci-dessous dans la structure d'un complexe (R) -BINAP ruthénium , parmi les quatre sites de coordination restants sur un centre métallique octaédrique , les deux sites équatoriaux (violet) sont fortement influencés par les groupes phényle équatoriaux, tandis que les deux sites axiaux ( vert) sont influencés par les groupes phényle axiaux.

A gauche : Structure de (R) -BINAP. À droite : Structure d'un complexe de ruthénium (R) -BINAP, mettant en évidence les sites de coordination équatorial (violet) et axial (vert), et les groupes phényle équatoriaux et axiaux qui renforcent l'environnement asymétrique pour les ligands entrants.

Sur la base de la structure, des modèles pour l'énantiosélectivité observée dans de nombreuses réactions catalysées par l'acide de Lewis basées sur le BINAP ont été proposés. Par exemple, dans la réaction énantiosélective de Diels-Alder catalysée au palladium illustrée ci-dessous, on pense que le diénophile coordonne le centre métallique au niveau des sites équatoriaux. Ainsi , le groupe phényle sur le phosphore équatorial obstrue le Si -face , ce qui entraîne une excellente énantiosélectivité. Un modèle très similaire a été utilisé pour rationaliser le résultat d'une réaction d'alkylation asymétrique catalysée par le nickel, où le substrat porte également un auxiliaire qui lui permet de se chélater sur le métal. D'autre part, on pense qu'une réaction d'hétéro-ène catalysée par le cuivre (I) passe par un intermédiaire tétraédrique , offrant un mode alternatif de stéréo-induction en changeant le centre métallique.

Une réaction de Diels-Alder asymétrique catalysée par BINAP-palladium. Dans le modèle de l'intermédiaire de réaction, les cycles binaphtyle sont omis pour plus de clarté.

BINOL

Le BINOL (1,1'-binaphtyl-2,2'-diol) est généralement utilisé conjointement avec des métaux acides de Lewis oxophiles tels que l'aluminium, le titane, le zirconium et divers métaux des terres rares. Dans les cas où BINOL lui-même ne fournit pas un contrôle énantiosélectif idéal, il peut être facilement élaboré par substitution aux positions 3,3' (via lithiation ) et 6,6' (via le composé 6,6'-dibromure préparé par électrophile aromatique substitution ) pour moduler le volume stérique et les propriétés électroniques. Par exemple, des catalyseurs à base d'aluminium à base de BINOL substitué 3,3'-disilyle encombrant ont été développés en tant qu'exemples précoces de réaction hétéro -Diels-Alder asymétrique catalytique et de réarrangement de Claisen , tandis que l'introduction de groupes électroattracteurs aux positions 6,6' était crucial pour augmenter l'acidité de Lewis, et donc l'activité catalytique, des catalyseurs au zirconium (IV) vers une réaction de type Mannich . À ce jour, cependant, aucun modèle pour les facteurs cruciaux régissant la stéréoinduction dirigée par BINOL n'a été généralement accepté.

A gauche : (R) -BINOL. Centre : catalyseur d'aluminium à base de BINOL substitué 3,3'-disilyle encombrant. A droite : catalyseur au zirconium à base de BINOL substitué aux positions 6 et 6' par un groupe trifluorométhyle électroattracteur.

TADDOL

TADDOL signifie tétraaryl-1,3-dioxolane-4,5-diméthanol. La large application des catalyseurs au titane TADDOLate vers les additions de carbonyle et les cycloadditions a été introduite par Seebach et ses collègues, et a été soigneusement résumée dans une revue séminale, dans laquelle un modèle de stéréo-induction de travail qui était en accord avec la sélectivité observée dans une grande variété de réactions a été mis malgré l'absence d'une image claire du mécanisme.

Stéréomodèle TADDOL par Seebach

Applications

La catalyse acide de Lewis a été utilisée dans l'étape de réglage de l'asymétrie pour les synthèses de nombreux produits naturels . La première réaction illustrée ci-dessous, issue de la synthèse du squelette du taxane , utilise un catalyseur à base de cuivre supporté par un ligand phosphoramidite chiral pour une réaction d'addition de carbonyle conjugué. La seconde réaction, issue de la synthèse de l' ent - hyperforine , utilise un catalyseur fer-PyBOX pour une réaction asymétrique de Diels-Alder .

Catalyse acide de Lewis asymétrique dans la synthèse de produits naturels

Voir également

Les références