Projet ANR-11-BS07-0002 – CHIRACID : Acides de Brønsted à chiralité plane pour l'organocatalyse énantiosélective
Programme : Blanc - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Jean-Francois BETZER (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR SUD)
Partenaires : Laboratoire de Chimie Moléculaire; Institut de Chimie des Substances Naturelles
Montant : 335712.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Conception de nouveaux catalyseurs acides chirauxL’objectif de ce projet réside dans le développement d’une nouvelle famille originale d’ acides de Brønsted chiraux, à chiralité plane. Ces nouveaux catalyseurs seront développés et exploités dans un domaine majeur de la chimie organique : l’organocatalyse énantiosélective.
L’organocatalyse : une réponse aux exigences de la chimie verte moderneLa catalyse (action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but d'augmenter sa vitesse de réaction) offre des voies d’accès efficaces à des nouveaux composés chimiques qui peuvent être valorisés dans de nombreux domaines tels que la pharmacie, l’agrochimie et les matériaux. Après les succès incontestables de la catalyse enzymatique et de la catalyse homogène et hétérogène par les métaux de transition, les derniers développements dans le domaine de la catalyse, afin de relever les défis modernes de la chimie, portent sur l’organocatalyse. L’organocatalyse peut être définie comme la catalyse de transformations chimiques par une molécule purement organique de faible poids moléculaire. Ces catalyseurs organiques de petites tailles présentent de nombreux avantages par rapport aux enzymes ou à des catalyseurs constitués de métaux précieux : stabilité à l'air et à l'humidité, faible toxicité et sont très facilement accessibles. Ainsi ce concept de transformation chimique par organocatalyse rencontre de nombreux champs d’application aussi bien dans le milieu académique que dans l’industrie. En effet, le concept d’organocatalyse répond aux nombreuses exigences de la chimie verte moderne (pas de déchet de métaux, des synthèses moins dangereuses et l'utilisation de réactifs en quantité catalytique au lieu de quantité stoechiométrique).
Développements de voies de synthèse pour accéder à nos structures chimiques ciblesLes premiers travaux de ce projet ont porté sur l’identification de structures possédant une fonction acide phosphorique et pouvant présenter une chiralité plane. Pour ce faire les travaux des deux partenaires ont été menés conjointement. Le Partenaire 1 a réalisé des études synthétiques sur les composés cibles en utilisant les outils classiques de la chimie organique de synthèse. Le Partenaire 2 a effectué des études théoriques sur les acides phosphoriques cibles, afin d’identifier rapidement les meilleurs candidats en terme d’accessibilité. Parmi les différents candidats potentiels, identifiés par le Partenaire 2, le Partenaire 1 a réalisé la première synthèse d’acides phosphoriques à chiralité plane. Ainsi, les efforts conjoints des deux partenaires ont permis d’identifier une structure et de réaliser sa synthèse. Cette voie de synthèse développée a permis d’accéder à nos acides phosphoriques cibles sous leurs formes racémiques. Ces mêmes acides phosphoriques ont pu être obtenus sous leurs formes énantiomériquement pures après séparation sur colonne chirale par chromatographie liquide haute performance.
Résumé de la soumission : Le but de ce projet est le développement de nouvelles familles d’acides de Brønsted chiraux pour des applications en organocatalyse asymétrique. Les structures originales ciblées sont des acides phosphoriques possédant comme source de chiralité une chiralité plane, à savoir un Ferrocénophane tétrasubstitué ou un paracyclophane. A notre connaissance, des acides de Brønsted à chiralité plane n’ont jamais été utilisés en organocatalyse.Ces nouveaux acides vont pouvoir être synthétisés selon des approches synthétiques simples et efficaces, qui permettront une modification rapide de leurs propriétés stéréo-électroniques. Des études théoriques prédictives vont être utilisées dans ce projet pour guider les synthèses des nouveaux squelettes et pour mieux rationaliser le lien entre les excès énantiomériques obtenus dans des réactions tests et la structure tridimensionnelle des catalyseurs.Notre premier objectif est donc de trouver et de mettre en œuvre des méthodes synthétiques efficaces afin de synthétiser une petite librairie de nouveaux acides phosphoriques chiraux.Dans une deuxième partie, ces acides seront testés dans des réactions d’organocatalyse modèles afin de pouvoir comparer nos nouveaux catalyseurs avec ceux déjà existants, tant au niveau de l’activité catalytique que de l’enantiosélectivité. Nous les utiliserons ensuite dans des réactions qui ne sont pas encore maitrisées, et qui pourtant possèdent un fort potentiel synthétique, telles que certaines réactions de Friedel-Crafts ou les cyclisations de type Nazarov. Durant toute la période d’optimisation des réactions précitées, des calculs DFT viendront supporter la conception des nouveaux catalyseurs, ainsi que l’étude de leurs modes d’activation et des mécanismes des réactions envisagées.
Résultats : Les premiers résultats obtenus au laboratoire ont permis de valider ce nouveau concept d’acides phosphoriques à chiralité plane, chœur de ce projet CHIRACID. En effet, les premières études synthétiques réalisées ont permis d’accéder à nos premiers acides phosphoriques à chiralité plane. Ainsi, l’obtention et la caractérisation de ces nouveaux acides phosphoriques ont permis de valider la stabilité chimique et configurationnelle de ces nouvelles structures. Les premiers essais de ces nouveaux acides phosphoriques en organocatalyse ont permis de mettre en évidence les bonnes activités catalytiques de nos nouvelles structures. De plus l’utilisation de nos acides phosphoriques chiraux, sous leurs formes optiquement pures, permet d’effectuer des réactions énantiosélectives avec des excès énantiomériques pouvant atteindre 31% dans le cas de réduction de quinolines substituées.
Perspectives : Les premiers travaux réalisés sur ce projet CHIRACID ont permis de valider son concept, c’est-à-dire le développement d’une nouvelle famille à chiralité plane. De plus leur activité catalytique et leur pourvoir d’induction dans le cas de réactions asymétriques ont pu également être validés. Dans un premier temps, les voies de synthèse de ces nouveaux acide phosphorique vont être modifiées et améliorées afin d’accéder plus rapidement et plus efficacement à un grand nombre d’acides phosphoriques de cette nouvelle famille. Dans un deuxième temps nos nouveaux catalyseurs seront testés dans des réactions importantes de la chimie organique où les acides phosphoriques connus dans la littérature ne donnent pas de résultats satisfaisant.
Publications et brevets : L’obtention de cette nouvelle famille d’acides phosphoriques sera prochainement publiée dans un journal de chimie.