Projet ANR-11-EMMA-0043 – BOROCAT : Préparation catalytique de dérivés aryl et allylboroniques
Programme : Emergence de produits, technologies, ou services à fort potentiel de valorisation (Emergence)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Elisabet DUNACH (UNIVERSITE DE NICE - SOPHIA ANTIPOLIS)
Partenaires : Association de Gestion du Dispositif Valorpaca; Département de Chimie Moléculaire; Laboratoire de Chimie des Molécules Bioactives et des Aromes
Montant : 271315.0 euros
Durée : 24 mois
Résumé : Catalyse pour la boratation de dérivés aromatiques et allyliquesAprès le développement de la boratation de dérivés halogénés benzyliques par une quantité catalytique de Mg avec du pinacolborane, l’extension et l’adaptation de ce processus devrait permettre une voie de synthèse de dérivés aromatiques et allyliques boratés sans faire appel à l’utilisation de métaux nobles.
Mise en place de voies de boratation catalytiques sans emploi de métaux noblesNous avons décrit une nouvelle voie de préparation d’acides et esters benzylboroniques à partir des halogénures correspondants et de pinacolborane dont l’originalité principale réside dans l’emploi d’une quantité catalytique de Mg métallique comme seul catalyseur. La boratation catalytique de dérivés benzyliques a été possible par le double rôle du pinacolborane, à la fois comme réducteur et comme agent boratant. Ce couplage de type « Grignard catalytique », qui s’effectue en une seule étape dans des conditions douces et en absence de métaux précieux, ouvre la voie à des perspectives d’application à d’autres dérivés halogénés de type aryle, hétéroaryle et allyle.Le projet se propose de mettre au point de méthodes catalytiques avec des métaux peu coûteux pour l’accès à des dérivés aryl- hétéroaryl- et allylboroniques. Ces composés sont d’importants intermédiaires de la réaction de Suzuki pour la synthèse, en particulier, de dérivés biaryliques non symétriques ayant de nombreuses applications dans les domaines de la pharmacie, de l’agrochimie, de la chimie fine et de la chimie des matériaux.L’action conjuguée de divers métaux réducteurs et divers boranes, en présence d’additifs adaptés sera examinée en détail en vue du recyclage des espèces métalliques et de la catalyse.La méthodologie proposée devrait permettre l’accès à des dérivés arylboroniques et allylboroniques dans des conditions douces, peu coûteuses, propres pour l’environnement et compatibles avec un développement durable, tout en évitant l’utilisation de métaux nobles et de réactifs organométalliques stoechiométriques qui opèrent à basses températures.
Méthodologie pour la synthèse de dérivés boroniques en une étape, sans métaux noblesCe projet propose la mise au point d’une nouvelle méthode d’accès à des acides et esters aryl- et allylboroniques, en utilisant des métaux à faible coût en quantités catalytiques.Les dérivés arylboroniques sont généralement obtenus à partir d’une réaction de type Grignard (ou avec un organolithien) avec un halogénure aromatique en présence de trialkylborate. Cette voie est limitée par l'accès au réctif organométallique et par les conditions réactionnelles (basses températures).Des études d'électrosynthèse d’acides et d'esters benzylboroniques ont permis la mise au point d'une voie alternative basée sur l'utilisation de méthodes électrochimiques pour la boration de dérivés halogénés aromatiques et benzyliques par divers agents boratants comme les trialkylborates ou les dialkoxyboranes à température ambiante. Les études mécanistiques concernant ces réactions ont permis de développer une nouvelle synthèse d'acides et d'esters benzylboroniques par voie conventionnelle mettant en jeu le dérivé halogéné benzylique, le pinacolborane et la triéthylamine dans un système catalytique en magnésium (0).Nous avons mis au point une voie alternative d'accès aux esters benzylboroniques, qui utilise seulement une quantité catalytique de magnésium métallique, par rapport à l’halogénure benzylique. Elle est peu toxique, peu polluante et compatible avec un développement durable et une chimie propre.Outre la catalyse par le magnésium métallique, le but est de réaliser le couplage en une seule étape, sans besoin de préparer préalablement le réactif de Grignard, d’opérer dans des solvants comme le THF, sans nécessité de descendre à des températures de -78 °C, avec un gain énergétique et de simplicité importants. La méthode évite l’emploi de Li et de métaux précieux coûteux.
Résumé de la soumission : Nous avons décrit une nouvelle voie de préparation d’acides et esters benzylboroniques à partir des halogénures correspondants et de pinacolborane (brevet FR 2009 et PCT 2010) dont l’originalité principale réside dans l’emploi d’une quantité catalytique de Mg métallique comme seul catalyseur. La boratation catalytique de dérivés benzyliques a été possible par le double rôle du pinacolborane, à la fois comme réducteur et d’agent boratant. Ce couplage de type « Grignard catalytique », qui s’effectue en une seule étape dans des conditions douces et en absence de métaux précieux, ouvre la voie à des perspectives d’application à d’autres dérivés halogénés de type aryle, hétéroaryle et allyle. Le projet se propose de mettre au point de méthodes catalytiques avec des métaux peu coûteux pour l’accès à des dérivés aryl- hétéroaryl- et allylboroniques. Ces composés sont d’importants intermédiaires de la réaction de Suzuki pour la synthèse, en particulier de dérivés biaryliques non symétriques ayant de nombreuses applications dans les domaines de la pharmacie, de l’agrochimie, de la chimie fine et de la chimie des matériaux. L’action conjuguée de divers métaux réducteurs comme par exemple Mg, Zn, Cu, Fe, Bi, et divers boranes, en présence d’additifs adaptés sera examinée en détail en vue du recyclage des espèces métalliques et de la catalyse.L’accès à des dérivés arylboroniques et allylboroniques n’est pas encore bien résolu d’un point de vue industriel et la méthodologie proposée devrait permettre leur préparation dans des conditions douces, catalytiques, peu coûteuses, propres pour l’environnement et compatibles avec un développement durable, tout en évitant l’utilisation de métaux nobles et de réactifs organométalliques stœchiométriques opérant à basses températures.
Résultats : - Etudes par voltamétrie cyclique : Des mesures électrochimiques ont été effectuées sur une série de dérivés halogénés aromatiques et différents agents de boratation.
- Etudes par calcul ab initio : En support à l'étude principale débutée à Nice, une série de calculs visant à établir un classement de la polarisation des liaisons M-H dans des boranes et d'autres composés à caractère hydrure a été réalisée.
- Synthèse d’arylboronates : Une série de réactions de boratation de bromures d'aryle à l'aide de pinacolborane en une seule étape avec 1 équiv. de Mg montrent que les rendements en esters bororiques sont, dans la plupart des cas, de l'ordre de 90%. En présence d'une quantité catalytique de magnésium le recyclage attendu de ce dernier n'a pas eu lieu. Dans le but de favoriser le recyclage du magnésium lors du processus de boratation, nous avons tenté d'accroitre le pouvoir hydrure du pinacolborane en introduisant des hydrures plus puissants, sans succès.
La réaction de boratation a également été menée en présence d'une série de complexes de nickel(II)(10% molaire), de magnésium (10% molaire) et de HBpin. Dans ces réactions, il a été montré que le nickel(II) associé au magnésium conduisait à 20% d'ester boronique, laissant supposer une action concomitante de ces deux métaux.
- Synthèse d’allylboronates : Nous avons montré qu'il est possible de préparer des esters allylboroniques en une seule étape à température ambiante, avec un excellent rendement.
Perspectives : Dans le cadre de la boratation de dérivés halogénés aromatiques, nous allons tester des réactions en une seule étape, avec des agents de boratation variés, plus électrophiles. Nous souhaitons également nous intéresser de plus près à des associations de métaux et nous allons étudier l'influence d'une présence catalytique de magnésium associé un second métal.
Nous optimiserons la préparation de dérivés allylboroniques dans l'optique de la robustesse et de la flexiblité. Elle sera exemplifiée et étendue à d'autres substrats.
L’évaluation économique des procédés a montré que le prix du Mg serait négligeable vis-à-vis du prix du pinacolborane. Outre nos efforts sur les aspects de la catalyse, nous allons également nous orienter vers des procédés opérant dans des conditions douces en une seule étape, en utilisant des composés bien moins onéreux.
Publications et brevets : 1) Une communication par affiche : 6èmes Journées Franco-Italiennes de Chimie, Marseille, Avril 2012 ; Duñach E., Bannwarth P., Olivero S., Gimbert Y., Chavant P. Y. « Synthèse de dérivés boroniques à partir d'halogénures organiques par voie catalytique ».
2) Brevet internationaux en cours d’obtention :
- PCT/FB2009/052 106
- Europe : 2009EP-0768121
- USA : 2009US-13128612
- Japon :2011JP-0543794
- Canada 2009CA-2741514
3) Discussion pour une licence en cours de finalisation.