Liquides ioniques et sels d`onium à tâches spécifiques

Liquides Ioniques et Sels d‘Onium à Tâches Spécifiques
comme nouveaux outils pour le développement durable
Mathieu Pucheault, Michel Vaultier
UMR CNRS 6510, SESO, Campus de Beaulieu, Université de Rennes1
Rennes, 35042 cedex, France
Biocatalyse dans les liquides ioniques
Liquides ioniques
Définition : Association d’un cation (organique encombrant) et d’un anion (in)organique
dont le point de fusion est inférieur à 100°C.
X-:
Cl-, Br-, BF4-, PF6-,
Exemple d’ions utilisés : (A+ X-) =
... ,TfO-, NTf2-
+/-
Avantages :
Caractéristiques :
• Superstabilisation des enzymes (t1/2 x 2500)
• Conditions extrêmes (100-150 bars, 40-150 ºC)
• Activité catalytique conservée
A+:
N+
• Pas de pression de vapeur saturante (non volatil)
• Bonne stabilité thermique (>200°C) et chimique (air, eau)
• Bons solvants (produits polaires et apolaires, complexes de [MT], polymères)
• Synthèse aisée donc accès ad libitum aux structures désirées
• Recyclables
S+
P+
Collaboration P. Lozano, Université de Murcie, Espagne
Dédoublement cinétique dynamique
bicatalytique en flux continu
Principe : Utiliser des enzymes dans les liquides ioniques
7th European Award A-IQS on Enzyme Technology (2003) http://www.nature.com/nsu/020415/020415-3.html
Lozano, P.; De Diego, T.; Sauer, T.; Vaultier, M.; Gmouh, S.; Iborra, J. L. J. Supercritical Fluids 2007, 40, 93-100
N+
Rdt 79% e.e. 97%
Lozano, P.; De Diego, T.; Gmouh, S.; Vaultier, M.; Iborra, J. L. Biocatal. Biotrans. 2005, 23, 169-176
N+
N
De Diego, T.; Lozano, P.; Gmouh, S.; Vaultier, M.; Iborra, J. L. Biomacromol. 2005, 6, 1457-1464
Lozano, P.; Diego, T.; Larnicol, M.; Vaultier, M.; Iborra, J. L. Biotech. Lett. 2006, 28, 1559-1565
« Ionic Liquids in Synthesis »; Wasserscheid P., Welton T. Ed., Wiley, 2003
Digitalisation des réactions
Ajout d’une fonction
Principe : Utiliser des gouttes de liquides ioniques comme microréacteurs
Caractéristiques :
Définition : Sels d’onium auquel est attaché de manière covalente une fonction lui conférant une
réactivité spécifique.
Cas particulier, le Liquide Ionique à Tâche Spécifique (LITS) dont le point de fusion est inférieur à
J.H. Davis, Jr. Chem. Lett. 2004
100°C.
Lien
Caténaire (or)
Couche de téflon
Diélectrique (SiO2 or Si3N4)
V
• Déplacement des gouttes par electromouillage (EWOD)
• Pas d’évaporation des gouttes (LI non volatil)
• Opération de base réalisées (séparation, fusion, dispense
à partir d’un réservoir)
• Multiplexage possible
Sels d’Onium à Tâches Spécifiques (SOTS)
+/-
Collaboration G. Marchand, LETI, CEA Grenoble:
Réseau d’électrodes (or)
V
V
Schéma de principe de la digitalisation
V = 0V
q = 110°
GF
V =60V
q = 88,5°
Principe du déplacement par électromouillage
GF: groupe fonctionnel
P. Dubois et al. Anal. Chem. 2006
« Lab on a chip »
Exemple :
NTf2-,
N+
Dispense
Brevet FR 2872715, WO 2006018560, phases nationales
Synthèse Organique Supportée sur Sel d’Onium (SOSSO)
Utilisation : en solution dans un solvant organique classique ou une matrice liquide ionique non
fonctionnelle (LITS binaire)
• Piégeage d’ions (Hg2+)
• Acide/base supportés
Réactif
Multiplexage
= [tmC5OH]NTf2
OH
• Amines
• Phosphines
• Complexes de [MT]
Catalyseur
Principe : Utiliser un Sel d’Onium à Tâche Spécifique en tant que support soluble pour la synthèse
organique en utilisant un solvant moléculaire (CH3CN, DMF, DMA, DMSO, H2O, THF, …)
Substrat
+/-
Lien
Substrat
GF
Sous produits
Réactif
Réactifs supportés sur sel d’onium
+/-
Principe : Utiliser un Sel d’Onium à Tâche Spécifique
pour immobiliser un réactif dans une phase liquide ionique.
Lien
+/-
GF
Liquide ionique +
SOTS
+/Recyclage /
régénération du réactif
synthèse d’un analogue du diméthyle sulfure supporté sur un sel d’ammonium
et utilisation dans une réaction d’hydroboration/oxydation
Lien
Produit n
GF
Avantages de la synthèse supportée :
Avantages spécifiques de la SOSSO:
• Purification aisée
S
BH3
= [B]
1. [B] (0.37 eq.), CH2Cl2
OH
3
Produit 1
GF
Réactifs 2 n
+ n-2 lavages
Produit
Application :
NTf2,- Me3N
Lien
Phase organique
R
R
• Phase homogène (réaction en 3 dimensions)
• Automatisation possible
• Caractérisables simplement (RMN 1H, RMN 13C, SM)
• Utilisation excès réactifs
• Faible poids moléculaire (grande charge spécifique)
• Utilisation moindre de solvant
• Possibilité de solutions concentrées
B
• Synthèse aisée
R
R
2. NaOH (3M), H2O2
R
R A
• Modulables (solubilité)
Références :
OH
R
NTf2,- Me3N
B
3
+ [bmim][NTf2]
S
BH3
• Peu coûteux (halogénures)
Vaultier, M.; Gmouh, S;; Hassine, F. 2005 190 pp. WO2005 005345
Vaultier, M.; Gmouh, S. 129 pp. 2004 WO2004 029004
Vaultier, M.; Roche, C.; Gmouh, S.; Commercon, A.. Fr. Demande 2006 67pp. FR 2882057
• Grande échelle envisageable
Verron, J.; Joerger, J.-M.; Pucheault, M.; Vaultier, M. Tetrahedron Lett. 2007, 48, 4055-4058
Hassine, F.; Gmouh, S.; Pucheault, M.; Vaultier, M. Monatsh Chem. 2007, 138, 38, 1167-1174
• Recyclage du support
Schéma d’hydroboration en flux continu utilisant un borane supporté
Cas particulier :
Applications :
utilisation d’un catalyseur immobilisé sur un sel d’onium
O
+/-
n
O
+/-
n
O
O
N
Cl Pd
Cl
N
O
+
N
NTf2
H3N
Br-
Couplage de Heck
Ph P
P Ph
Ph Ru Ph
Br Br
R
NH3
Br-
+/-
Brochwitz, C.; Feldhoff, A.; Kunz, U.; Vaultier, M.; Kirschning, A.
Lett. Org. Chem. 2006, 442-446
Berthod, M.; Joerger, J.M.; Mignani, G.; Vaultier M. ; Lemaire M.
Tetrahedron: Asymmetry, 2004 15, 2219-2221
Collaboration A. Kirschning, Hanover University,, Allemagne
Collaboration M. Lemaire, Université de Lyon1, France
O
Multicomposant
+/-
n
O
O
O
+/-
R
Radicalaire
R
Chom
X1
X2
solvant2, pH2
Heck
Dhom
X3
solvant2, pH1
Grieco
OH
X
+/-
solvant1, pH1
CO2Me
O
Nanocomposites / Multicatalyse
S
R3
Hayashi
Catalysée par [MT]
Hétérogénéisation
Bhom
R2
O
n
O
n
+/-
Ahom
R1
O
Sonogashira
Suzuki-Miyaura
Hydrogénation asymétrique
n
+/-
R
+/-
n
O
P
O
H2N
R
EtO
TON ≈ 1 000 000
TOF ≈ 200 000
solvant2, pH4
n
Synthèse peptidique
R2
O
R3
S
N
H
O
H
N
O
NH
R1
O
S
O
Ahom Bhom
Chom
Dhom
S
P
Ahet
Bhet
Chet
Dhet
S
X1
P
S
X3
Approche
"tout homogène"
Approche
"supportée"
= Anano
X2
P
Approche
nanocatalyse
SOSSO dans l’eau :
O
= Bnano
Cl- N
= Cnano
= Dnano
Collaboration V. Singh, Université de Patila, Inde
+/-
1. R1-NH2, H2O, R.T., 15 min.
O
CHO
+/-
confère la solubilité dans l’eau
O
Cl- N
OH R3 NC
2. R2
O
Ouach, A.; Pucheault, M.; Vaultier, M. Heterocycles 2007 sous presse.
R2
O
O
N
HN
R3
O
R1