Corinne Aubert

Programme interdisciplinaire :
Chimie pour un développement durable
La chimie économe d’atomes,
limitant les déchets et les besoins énergétiques
Dr. Corinne Aubert
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6
Laboratoire de Chimie Organique , UMR 7611 ; FR 2769
CNRS, Campus Gérard Mégie, 3 rue Michel-Ange, Paris, 2 octobre 2006
médecine
capteurs et senseurs
matériaux
surfaces
nanoparticules
biologie moléculaire
CHIMIE
MOLÉCULAIRE
géologie
environnement
• Science contemporaine se miniaturise toujours plus, de la physique (nanotechnologies,
ordinateur moléculaire) à la biologie et la médecine (capteurs, puces…)
• Interconnexion des domaines avec les développements d’hybrides et de conjugués rend
nécessaire une connaissance d’un langage propre à l’échelon moléculaire, ainsi que les
compétences synthétiques associées
• Nécessité de nouveaux objets fonctionnels et molécules actives et de procédures plus écocompatibles.
Les 12 principes de la chimie verte
1.
Prévention
2.
Economie d’atomes
3.
Conception de synthèses chimiques moins dangereuses
4.
Conception de produits chimiques plus sûrs
5.
Réduction de l’utilisation de solvants et d’auxiliaires de synthèse
6.
Réduction de la dépense énergétique
7.
Utilisation de matières premières renouvelables
8.
Réduction des produits dérivés qui peuvent générer des déchets
9.
Utilisation de la catalyse
10.
Conception de substances non-persistantes
11.
Méthodes d’analyse en temps réel pour prévenir la pollution
12.
Développement d’une chimie sécuritaire pour prévenir les accidents
Anastas, P. T.; Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998
L’économie d’atomes
Ce principe est un des plus importants pour l’établissement d’une chimie durable :
• toute la matière introduite doit se retrouver dans le produit final
• optimisation de l’incorporation des réactifs dans le produit final
⇒ valable mais trop restrictif
Anastas, P. T.; Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998, p. 30
Trost, B. M. Science 1991, 254, 1471; Angew. Chem. Int. Ed. Engl.1995, 34, 258
Réactions non économiques en atomes
Réaction de Wittig :
R1
O
+
R3
R1
R3
+
(C6H5)3P
R4
R2
R2
(C6H5)3P O
R4
Réaction de métathèse des oléfines : Réaction de Chauvin-Grubbs-Schrock
R2
cat.
+
R1
R2
- H2C=CH2
cat.
- H2C=CH2
R1
L’économie d’atomes
Une des économies d’atomes la plus importante à considérer :
Economie de solvants :
Solutions :
- réaction
- séparation
- purification
- réactions sans solvants, réactions sur support
- milieux non usuels
- diminuer le nombre d’étapes de la synthèse
⇒ économie d’atomes et / ou d’étapes
L’économie d’atomes et d’étapes
Comment ?
- limitation des produits non désirés
- Processus sélectifs :
- besoin énergétique plus faible
- Découverte de nouvelles réactions
- cascades de réactions
- Economie d’étapes :
- réactions multi-composants
- chimie organométallique
- Outils :
- catalyse acide/base
- organocatalyse
- chimie radicalaire
Nouvelles réactions, processus sélectifs : quelques exemples
Cyclisations [5+2] métallocatalysées
0.5 mol%Rh(PPh3)3Cl
E
0.5 mol% AgOTf
E
toluène, 110 °C, 20 min
E
E
H
83%
Wender, P. A.; Takahashi, H.; Witulski, B. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4720
Cycloadditions [5+2+1]
O
R1
O
O
+
2.5 mol% [Rh(CO)2Cl]2
dioxane, 0.5 M, 60 °C
R2
H
CO (1-2 atm), H3O+
R1
HO
R2
48-97%
Wender, P. A.; Gamber, G. G.; Hubbard, R. D.; Zhang, L. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 2876
Cascades de réactions métallocatalysées
[5+2] / [4+2] : accès aux pharmacophores d’inhibiteurs de kinases
H
échelle de 100 mmol
O
+
O
N
O
1 mol% [Rh(CO)2Cl2]
OR
+
N H
0.5 M TCE, rt, 4h, H+
O
R'
O
92%
R'
Wender, P. A.; Gamber, G. G.; Scanio, M. J. C. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 3895
Conia ene, [2+2+2], [4+2] : accès aux squelettes des Phyllocladanes
Formation de :
E
E'
séquence en un seul pot
Me3Si
[Ene] [2+2+2] [4+2]
42 %
Me3Si
Cruciani, P.; Aubert, C.; Malacria, M. J. Org. Chem.1995, 60, 2664
H
E
E'
- 6 liaisons C–C
- 4 cycles
- régio- et chimiosélectivités totales
- diastéréosélectivité élevée
- un seul métal
Cascades de réactions radicalaires
Synthèse totale biomimétique diastéréosélective de l’epi-illudol
OH OH
Si O
Br
1. AIBN, Bu3SnH
2. oxydation
3. n-Bu4NF
Biosynthèse
OH
OTBS
47%
humulène
epi-illudol
Rychlet Elliott, M.; Dhimane, A.-L.; Malacria, M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 3427
Accès au squelette triquinane linéaire
10 étapes élémentaires radicalaires
CN
Bu3SnH / AIBN
O
Si
Si
SO2Ph
Formation de :
Si
O
CN
Si
Br
50% ; α-CN: β-CN, 90:10
Devin, P.; Fensterbank, L.; Malacria, M. J. Org. Chem. 1998, 63, 6764 ,
- 5 liaisons C–C
- 3 centres quaternaires contigus
- 4 centres stéréogènes
Organocatalyse
Réaction d’aldolisation intramoléculaire énantiosélective
O
O
O
O
L-proline (3 mol%)
DMF, t.a., 20 h
O
p-TsOH
benzène
O
CO2H
N
H
L-proline
O
OH
100 %, 93% ee
Hajos, Z. G.; Parrish, D. R. J. Org. Chem. 1974, 39, 1615
Synthèse énantiosélective de carbohydrates en 2 étapes
O
O
10 mol%
H
TIPSO
L-proline
OH
H
TIPSO
OTIPS
92%, 4:1 (anti:syn); 95% ee
O
H
TIPSO
OH
+
OTIPS
TIPS = Si(i-Pr)3
H
OSiMe3
OAc
MgBr2•Et2O
CH2Cl2
- 20 to 4 °C
87%; dr >19:1, 95% ee
Northrup, A. B.; MacMillan, D. W. C. Science 2004, 305, 1752
TIPSO
TIPSO
O
OH
OAc
OH
mannose
Réactions multi-composants (MCR)
3 réactifs ou plus, procédure en un seul pot
300 à 400 connues, 20-25% avec des isonitriles
réaction de Ugi à l’origine des bibliothèques de dérivés peptidiques
Réaction de Ugi (1959)
O
R1 CHO
R3 NC
R2 NH2
R4 CO2H
R4
Dömling, A. ; Ugi, I. Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3168
Multicomponent reactions Zhu, J.; Bienaymé, H. Eds.; Wiley : Weinheim 2005
R1
N
R2
H
N
O
R3
Réactions multi-composants
Cascade MARDI (Michael Aldol Retro Dieckman) : anionique, 3 composants
R2 = H
Y
X
MeO2C
O
CO2Me
R1
OH
O
CO2Me
X Y
X = CH2, N–Ar, S
Y = CH2, O
base
+
R1
62-96%
H
R2
MeOH
CO2H
R1, R2 = H, alkyl
R1 = H
Y
X
MeO2C
Filippini, M.-H.; Rodriguez, J. J. Org. Chem. 1997, 62, 3034
Coquerel, Y.; Bensa, D.; Doutheau, A.; Rodriguez, J. Org. Lett. 2006, 8, ASAP.
R2