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
Liquides ioniques
N
+
NN
+
N
+
P
+
S
+
Cl
-
, Br
-
, BF
4-
, PF
6-
,
... ,TfO
-
, NTf
2-
A
+
:
X
-
:
Digitalisation des réactions
• 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 « Ionic Liquids in Synthesis »; Wasserscheid P., Welton T. Ed., Wiley,2003
P. Dubois et al. Anal. Chem. 2006
Brevet FR 2872715, WO 2006018560, phases nationales
Principe : Utiliser des gouttes de liquides ioniques comme microréacteurs
Caractéristiques :
• 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
V = 0V
q = 110°
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V =60V
q = 88,5°
Diélectrique (SiO2or Si3N4)
Réseau d’électrodes (or)
Couche de téflon
Caténaire (or)
Principe du déplacement par électromouillage
Collaboration G. Marchand, LETI, CEA Grenoble:
Biocatalyse dans les liquides ioniques
Principe : Utiliser des enzymes dans les liquides ioniques
Caractéristiques :
• Superstabilisation des enzymes (t1/2 x 2500)
• Conditions extrêmes (100-150 bars, 40-150 ºC)
• Activité catalytique conservée
Collaboration P. Lozano, Université de Murcie, Espagne
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
Lozano, P.; De Diego, T.; Gmouh, S.; Vaultier, M.; Iborra, J. L. Biocatal. Biotrans. 2005, 23, 169-176
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
Dédoublement cinétique dynamique
bicatalytique en flux continu
Rdt 79% e.e. 97%
Sels d’Onium à Tâches Spécifiques (SOTS)
Exemple :
Lien GF GF: groupe fonctionnel
+/-
OHN
+
NTf
2-
,
+/-
J.H. Davis, Jr. Chem. Lett. 2004
Ajout d’une fonction
Définition : Association d’un cation (organique encombrant) et d’un anion (in)organique
dont le point de fusion est inférieur à 100°C.
Exemple d’ions utilisés : (A+ X-) =
Avantages :
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
100°C.
Utilisation : en solution dans un solvant organique classique ou une matrice liquide ionique non
fonctionnelle (LITS binaire)
= [tmC5OH]NTf2
Catalyseur Substrat Réactif • Piégeage d’ions (Hg2+)
• Acide/base supportés • Amines
• Phosphines
• Complexes de [MT]
+/-
Réactif Sous produits
Produit
Lien GF
+/-
Lien GF Substrat
+/-
Lien GF Produit
1
+/-
Lien GF Produit
n
Réactifs 2 n
+ n-2 lavages
Heck
Suzuki-Miyaura Sonogashira
O
n
O
CO
2
Me
O
O
R
O
O
R
n
n
+/-
+/-
+/-
O
O
R
n
+/-
O
O
R
n
+/-
O
O
SR
S
EtO
n
+/-
TON ≈1 000 000
TOF ≈200 000
O
n
R
2
R
3
R
1
+/-
Grieco
Hayashi
Synthèse Organique Supportée sur Sel d’Onium (SOSSO)
Nanocomposites / Multicatalyse
Réactifs supportés sur sel d’onium
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, …)
Avantages de la synthèse supportée : Avantages spécifiques de la SOSSO:
•Purification aisée
•Automatisation possible
•Utilisation excès réactifs
•Utilisation moindre de solvant
•Phase homogène (réaction en 3 dimensions)
•Caractérisables simplement (RMN 1H, RMN 13C, SM)
•Faible poids moléculaire (grande charge spécifique)
•Possibilité de solutions concentrées
•Synthèse aisée
•Modulables (solubilité)
•Peu coûteux (halogénures)
•Grande échelle envisageable
•Recyclage du support
OH
+/-
Catalysée par [MT]
Multicomposant
Synthèse peptidique
Radicalaire
NH X O
n
+/-
Applications :
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
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
Références :
NNO N
Pd
Cl
Cl NTf
2
O
O
O
R
1
H
N
O
N
H
R
2
O
R
3
H
2
N
+/-
SOSSO dans l’eau :
CHO R
2
OH
O
NCR
3
1. R
1
-NH
2
, H
2
O, R.T., 15 min.
2.
O
ON
Cl
-
O
ON
Cl
-
NR
1
HN O
R
3
R
2
O
+/- confère la solubilité dans l’eau
Ouach, A.; Pucheault, M.; Vaultier, M. Heterocycles 2007 sous presse.
Principe : Utiliser un Sel d’Onium à Tâche Spécifique
pour immobiliser un réactif dans une phase liquide ionique. Phase organique
Liquide ionique +
SOTS
Recyclage /
régénération du réactif
Me
3
NS
3
NTf
2
,
-
BH
3
RR
OH
1. [B] (0.37 eq.), CH
2
Cl
2
2. NaOH (3M), H
2
O
2
R
OH
AB
= [B]
Me
3
N S
3
NTf
2
,
-
BH
3
+ [bmim][NTf2]
R
R
BR
R
Application :
Cas particulier :
Couplage de Heck
PRu P
+
H
3
NNH
3
Ph
Ph
PhPh
Br
-
Br
-
Br Br
Hydrogénation asymétrique
Schéma d’hydroboration en flux continu utilisant un borane supporté
Collaboration M. Lemaire, Université de Lyon1, France
Berthod, M.; Joerger, J.M.; Mignani, G.; Vaultier M. ; Lemaire M.
Tetrahedron: Asymmetry,2004 15, 2219-2221
Collaboration A. Kirschning, Hanover University,, Allemagne
Brochwitz, C.; Feldhoff, A.; Kunz, U.; Vaultier, M.; Kirschning, A.
Lett. Org. Chem. 2006, 442-446
synthèse d’un analogue du diméthyle sulfure supporté sur un sel d’ammonium
et utilisation dans une réaction d’hydroboration/oxydation
utilisation d’un catalyseur immobilisé sur un sel d’onium
Collaboration V. Singh, Université de Patila, Inde
SA
hom
X
1
C
hom
D
hom
X
2
X
3
P
B
hom
solvant
1,
pH
1
solvant
2,
pH
2
solvant
2,
pH
1
solvant
2,
pH
4
SP
A
hom
C
hom
D
hom
B
hom
Approche
"tout homogène"
SP
A
het
C
het
D
het
B
het
Approche
"supportée"
S
Approche
nanocatalyse
= A
nano
= B
nano
= C
nano
= D
nano
X
1
X
2
X
3
P
Hétérogénéisation
Schéma de principe de la digitalisation
Dispense« Lab on a chip » Multiplexage