Brevet FR2651152A1 — publié le 19910301

L'invention se rapporte à la préparation de catalyseurs optiquement actifs, formés par des complexes du ruthénium, dont le ligana est un dérivé organique du phosphore. Elle concerne en particulier des catalyseurs d' hydrogénation asymétrique et d'isomérisation de double liaison ; permettant l'obtention de produits organiques à chiralité voulue. Le procédé suivant l'invention rend possible l'obtention de produits de pureté optique améliorée dans des cas où celle-ci n'est pas suffisante lorsqu'on applique les catalyseurs obtenus selon la techniqu & antérieure. Les catalyseurs, formés par le procédé suivant l'invention, conviennent très avantageusement à la préparation d'acides aminés, et particulièrement de la L-thréonine, par hydrogénation des cétones correspondantes, et en général de composés portant un carbonyle et une fonction amine ou amide. On connalt, à l'heure actuelle, différents complexes phosphinés du Ru, utilisés comme catalyseurs d'hydrogénations asymétriques. Tel est, par exemple, le bis-(méthyl-2 allyl)bis(triphénylphosphine)-Ru décrit par J. POWELL et B.L. SHAW dans Journ. Chem. Soc. nOA. 1968, pages 159-161. Dans la littérature sur ce sujet, on désigne les ligands organophosphorés, utiles, par des abréviations telles que DIOP, DIPAMP, CHIRAPHOS, BINAP etc. qui sont généralement des phosphines, comme par exemple soit bis(o-anisyl phénylphosphino)-1,2 éthane. Ces ligands sont en général combinés avec un halogénure ou une combinaison organique de Ru, notamment groupe carboxyli- que ou insaturé, en particulier allylique. Ainsi R. NOYORI et coll. - J. Amer. Chem. Soc. 1987, 109, pages 5856-5858 - ont-ils décrit l'hydrogénation asymétrique de plusieurs esters carboxyliques portant une fonction cétone en position ss , transformant cette dernière en un hydroxyle suivant le schéma le catalyseur étant RuX2i(R ou S) BINAPJ où BINAP désigne la diphosphine X étant Cl, Br ou I. Suivant la configuration R ou S de ce ligand, les auteurs ont obtenu le ss hydroxy-ester principalement de l'une ou l'autre de ces configurations, la pureté énantiomérique étant toujours très élevée. De même, M. KITAMURA et coll., dans J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, pages 629-631, ont rapporté des hydrogénations asymétriques, semblables, avec le même catalyseur, en opérant avec des corps dans lesquels le -CH2-COOR' de la formule donnée plus haut est remplacé par -CH2-N(Rt)2, CH2-OH, CH2-CH20H, CH2-COSRt, -CH2-COR', -CH3CO, -C6H4COOH, CH3; -CO-CH3, -CH2-COR' ou Dans ces cas encore, les rendements de l'hydrogénation sont en général fort élevés et la pureté optique (excès énantiomérique %, e.e) très haute. Il stavère cependant que, si l'on cherche à réaliser les mêmes réactions avec des catalyseurs, dans lesquels le groupe BINAP est remplacé par un groupe plus économique, par exemple un de ceux dont il est question plus haut, les résultats deviennent aléatoires et moins bons. Les travaux, dont dérive la présente invention, font penser que cet inconvénient serait dû à l'altération subie par les produits au cours de la préparation du catalyseur, qui comprend le chauffage drune combinaison du ruthénium avec une phosphine. On peut lire, en effet, dans l'article de TETSUO OHTA et coll. - Inorg. Chem. 1988, 27, page 567, ou dans celui de Takao IKARIYA et coll. J. Chem. Soc., Chem.Commun. 1985,'page 922 , que, pour préparer des complexes de Ru avec du BINAP, on chauffe un composé du ruthénium avec de la phosphine BINAP, dans du toluène, en présence de triéthylanine, à reflux, donc au voisinage de 100 C, durant 12 heures. Si la tétraphényl dinaphtyl diphosphine, qui constitue le BINAP, et son produit de réaction résistent bien à ce traitement, il n'en serait plus de même pour les différentes autres phosphines, plus fragiles. L'intérêt de la présente invention réside en ce que des catalyseurs très actifs, à base de complexes du Ru avec des ligands phosphiniques, plus économiques que ceux des articles précités, peuvent etre préparés indus triellement dans des conditions plus douces, par un nouveau procédé perfectionné. Selon le procédé suivant l'invention, un complexe du ruthénium avec , à la fois, un diène et un composé allylique est chauffé avec une phosphine au sein d'un liquide organique, inerte vis-à-vis des substances en présence, de façon à substituer la~ phosphine au diène, dans le complexe du ruthénium ; ce procédé est caractérisé en ce que le produit obtenu est soumis à l'action d'un acide dans un solvant organique Divers acidés, minéraux Qu organiques, conviennent à la réalisation du procédé, tels que - par exemple - hydracides, acides sulfurique, sulfoniques, perchlorique, phosphoriques, fluorosulfonique, acétique, propioniques, benzolque et autres. Particulièrement pratique est~l'uti- lisation des hydracides, notamment HC1, HBr, HI ou HBF4, surtout HBr. Selon un mode opératoire préféré, le complexe allylique de Ru-phosphine étant dissous dans un solvant organique approprié, on agite la solution avec l'acide préalablement dilué dans un liquide organique, le même que ledit solvant ou différent. I1 est bon d'employer la solution de l'acide à une concentration de 0,2 à 3N,et de préférence de 0,5 à 1,5 N, la quantite d'acide étant d'au moins 2 équivalents par atome de Ru présent, de préférence 2 à 4 équivalents. La solution de complexe, ainsi agitée avec l'acide, est, de préférence, maintenue à une température de O" à 40"C, la température ambiante, notamment de 150 à 250C,étant tout à fait favorable. Ce traitement est prolongé jusqu 'à l'élimination du composé allylique qui est remplacé, dans le complexe, par l'anion de l'acide utilisé. Suivant la nature des substances en présence, selon celle de l'acide, la concentration de celui-ci, et la température, le traitement acide, suivant l'invention, dure en général environ 1/4 d'heure à 6 heures, et le plus souvent 1 à 3 heures. La réaction, produite par le traitement acide suivant l'invention, peut se schématiser comme suit (1).. all. solvants h 2 ail. ( Ru t ZHS b 2Hx ( 'fRuN R2P aloi. R2P complexe allylique produit final (all-. désignant le composé allylique) La préparation d'un complexe du ruthénium avec un diène, l'allylation de ce complexe et sa réaction avec une phosphine, pour donner la matière de départ de l'opération (1) ci-dessus, sont connues dans l'art, il n'y a donc pas lieu de les décrire ici. On rappellera seulement que le complexe Ru-diène peut s'obtenir par l'action d'un sel de Ru, par exemple RuC13, sur un diène en C4 à C16, de préférence cyclique, comme cyclohexadiène, cycloheptadiène, cyclooctadiène, para-menthadiène, Oc -phellandiène, norbornadiène, etc. L'allylation, également connue en soi, peut être effectuée à l'aide de différents composés organo-métalliques allyliques CH2=C-CH2MX ou R-CH=CH-CH2-MX , R où M est un métal, généralement Mg, X un halogène et R un atome de H ou un groupe hydrocarboné, le plus souvent en C1 à C6 ; comme l'allyle est éliminé dans l'opération finale, suivant l'invention, il y a intérêt à employer le composé le moins couteux ; aussi, dans la pratique se sert-on en général du groupe allyle (R=H) ou méthallyle (R=CH3). Le remplacement du diène par un ligand phosphine, dans le complexe allylé, s'effectue, dans ses grandes lignes, comme dans la technique antérieure, mais le chauffage a lieu à une température moins élevée et pendant un temps plus court. Ainsi, une caractéristique avantageuse du procédé de l'invention réside en ce que le complexe ally lique phosphiné, soumis au traitement acide, a été préparé par un chauffage, ne dépassant pas 800C, du complexe diène-Ru-allyle avec une phosphine et la température est de préférence comprise entre 600C et 800C. D'autre part, ce chauffage n'est pas prolongé au-delà de 6 heures, le temps préféré étant de 3 à 5 heures. On voit que les conditions opératoires sont bien moins sévères que dans la technique connue (article de TETSUO OHTA cité plus haut) où l'on chauffe durant 12 heures, bien au-dessus de 800C. A titre d'exemple non limitatif, on décrit ci-après une suite d'opérations effectuées en vue de l'obtention d'un catalyseur complexe suivant l'invention. I. Formation d'un complexe cyclooctadiène-RuC12 La réaction de RuCl3 avec le diène peut s'écrire n édBnol RUcl3 3H20 + $-e$È01 -n f/;ÉRuCl2 n .1 -f reflux n L J - J n n est le degré de polymérisation. du complexe. Dans 80 g d'éthane on dissout 2,45 g de RuCl3. 3H2O et on ajoute 8 g de cyclooctadiène. Le milieu est porte à reflux pendant 3 jours ; la solution obtenue est filtrée et laisse 2,6 g d'un solide marron qui est le complexe cyclooctadiène-RuCl2 à 100%. II. Allylation du complexe cyclooctadiène-RuCl2 Le complexe obtenu en I est mis à reagir avec du magnésien de méthylallyle dans de l'éther pour donner Pour cela, les 2,6 g (9,3 mmol) de complexe, obtenu plus haut, sont mis dans 150 ml d'éther et mélangés avec 120 ml d'une suspension dans l'éther de 48 mmoles de chlorure de méthyl allyl magnésium, soit une suspension 0,4 M en magnésien. Il y a 5,16 moles de magnésien par mole de complexe cyclooctadiène-Ru. Le mélange est agité pendant 6 heures à 200C, puis filtré sur "Celite". Dans le filtrat, refroidi à OOC, on hydrolyse l'excès de magnésien de méthyl allyle à l'aide de 100 ml d'eau glacée. La phase aqueuse est décantée et traitée trois fois par 100 ml d'éther chaque fois, en sue de l'extraction du complexe allylé II formé. Les phases organiques sont réunies, séchées sur du CaC12, filtrées et concentrées. Le résidu est repris par 9 ml de benzène et la solution obtenue est passée sur une colonne d'alumine ; après élution avec 150 ml de benzène et évaporation de ce solvant,on obtient 2,7 g d'un solide blanc à 97% de complexe allylé Il III Phosphination Le diène est remplacé,dans le complexe II, par une phosphine Complexe II La réaction a lieu dans un appareil de Schlenk où l'on introduit les 2,7 g de cyclooctadiène-Ru-bis(méthalyle), hexane ou obtenus a latin de l'étape II, et 100 mi de toluène,/ benzène anhydre. La solution formée est filtré sur "milli- pore" et dégazée, après quoi on lui ajoute la diphosphine voulue à raison de 1 mole par atome de Ru présent ; elle est maintenue à une température de 600 à 800C, pendant 3 à 5 heures.Après refroidissement, le solvant est éliminé sous vide et l'on recueille le produit solide formé. IV - Traitement à l'acide Cette opération supplémentaire, suivant l'invention, a pour but le remplacement des groupes allyliques sur le ruthénium par des anions, comme indiqué plus haut à propos de la réaction (1). Dans l'exemple spécifique, non limitatif, où les anions de l'acide sont des C1, on a dissous le produit solide, résultant de l'opération III ci-dessus, dans 50 ml de dichlorométhane sec, dégazé. A cette solution on a ajoute 37 ml d'une solution de HCl N dans du méthanol, soit 37 mmoles d'HCl pour les 9 mmoles de complexe III présent. Le mélange est agité pendant 2 heures à la température ambiante, après quoi on fait évaporer le solvant, ce qui laisse un solide rouge brun, directement utilisable comme catalyseur. Avec différentes phosphines, une série de plusieurs catalyseurs a été préparée parle procédé suivant l'inven tion . D'autre part, avec les mêmes phosphines ont été synthétisés des catalyseurs correspondants suivant la technique antérieure,notamment par l'action d'une diphosphine sur un complexe diène-RuC12 comme indiqué par TETSUO OHTA dans l'article signalé plus haut. Afin d'estimer la valeur des catalyseurs, on les a essayés dans l'hydrogénation asymétrique de l'acéto-3 acétamido-2 butyrate de méthyle de façon à produire l'hydroxy-3 acétamido-2 butyrate de méthyle facile à transformer en thréonine. En choisissant le catalyseur de chiralité appropriée, on obtient la thréonine L particlièrement recherchée pour son utilité comme adjuvant de llalimentation d'animaux. Les essais d'hydrogénation, suivis de deux autres traitements, comprenaient les réactions suivantes OH --e CH3-CH-CH-COOH t BO-CH2CHCH3 1 21 + flO-CH 2 N Cl thréonine ou/et allothréonine Des essais effectués, il résulte que R et R',semblables ou différents,peuvent être des radicaux très variés, surtout des alkyles en C1 à C12 ou/et des aryles en C6 à C10, comme ils sont éliminés par les réactions (b) et (c) Pour effectuer l'hydrogénation (a) à l'abri de l'air, on introduisait, dans un autoclave, Immole de butyrate susmentionné, 1 ml d'un solvant dégazé, généralement THF, CH3OH ou C2H5OH, ainsi qu'une quantité de catalyseur telle qu'il y ait I atome de Ru pour 100 moles de butyrate. Ltautoclave etait rempli d'hydrogène sous 40 bars, et vidé au moins 4 fois, après quoi une pression d'hydrogène de 90 bars etait maintenue pendant 48 heures. On chassait alors le solvant sous vide et on déterminait le taux de conversion du -CO en -CHOH par la RMN H ou13C. L'hydrolyse (b) consistait à mettre lue produit hydrogéné en suspension dans 3 ml d'une solution aqueuse de HCI 3N et à porter celle-ci à reflux pendant 3 heures. Le liquide était ensuite évaporé sous vide et l'on recueillait le solide restant. Ce dernier était soumis à l'alcoolyse (C). Pour cela il était repris par 4 ml d'éthanol et 2 ml d'oxyde de propylène et chauffé à reflux durant 15 minutes. Après lté- vaporation du solvant, on reprenait le produit avec 2 ml d'acétone; une poudre blanche était séparée par filtraction de la solution acétonique obtenue. Dans le produit recueilli on déterminait la teneur, % en poids, en thréonine et l'excès énantiomérique % en l'isomère optique~L,intéressant ; le reste était généralement constitué par de l'allothréonine. Les résultats de ces essais sont réunis au Tableau donné plus loin, où sont indiqués les catalyseurs employés et: R-Cat. - rendement en catalyseur préparé selon chacune des 2 méthodes appliquées R-H - rendement de l'hydrogénation sur le catalyseur obtenu par chacune de ces méthodes Thr % - % pondéral de thréonine dans le produit hydro géné , e.e. % - excès énantiomérique % en L-thréonine. Le terme "INVENTION" désigne le catalyseur obtenu par le nouveau procédé, objet de la présente description, tandis que "ART CONNU'" se rapporte au catalyseur préparé à la mamière classique, notamment par le procédé selon TETSUO OHTA et coll. cité plus haut. Les formules et les noms commerciaux suivants correspondent aux catalyseurs figurant au Tableau des résultats de la page qui suit. EXEMPLE 1 EXEMPLE 2 "DIPAMP" Ru Br2 EXEMPLE 3 EXEMPLE 4 "CHIRAPHOS" Ru Br2 EXEMPLE 5 Ex. INVENTION ART ANTERIEUR N CATALYSEUR R-Cat. R-H Thr % e.e. % R-Cat. R-H Thr % e.e. % 1 bis (o-anisyl phényl phosphino)-1,2 éthane- 76% 80% 88 30 27% 80% 80 0 Ru Cl2 "DIPAMP" 2 " " " Ru Br2 "DIPAMP" 81% 90% 80 32 79% 0 3 bis (diphényl phosphino butane)-Ru Cl2 "CHIROPHOS" 78% 90% 71 56 15% - - 4 " " " Ru Br2 "CHIROPHOS" 82% 91% 95 74 17% - - 5 o-isopropylidène-2,3 dihydroxy-2,3 bis (diphényl phosphino)-1,4 butane-Ru Br2 "DIOP" 76% 89% 70 53 12% - - On voit que le procédé de l'invention permet 1' obtention de catalyseurs au P et Ru à base de différentes phosphines avec bons rendements ; ces catalyseurs donnent, à l'hydrogénation, des résultats très convenables, les produits obtenus pouvant titrer notamment 70 à 95% de thréonine, et il est possible d'atteindre des teneurs élevées en L-thréonine (e.e. = 30 à 74%). Par contre, appliquée aux mêmes phosphines que le procédé de l'invention, la méthode connue (TETSUO OHTA cité plus haut) donne le catalyseur avec de mauvais rendements ; l'impureté des produits ainsi obtenus fait que - dans certains cas (exemples 2 à 5) - il n'est meme pas possible d'effectuer l'hydrogénation correctement, ce qui explique le manque de données dans le Tableau de la page précédente. Dans les exemples 1 et 2, où l'on a tout-de-même pu utiliser le catalyseur préparé à la manière classique, on n'obtient aucun enrichissement en l'isomère optique L de la thréonine (e.e. = o), contrairement à ce qui est réalisé suivant l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'un catalyseur chiral, constitué par un complexe organique du ruthénium et du phosphore, qui comprend le chauffage d'un complexe de ruthénium avec une phosphine, au sein d'un liquide organique, inerte vis-à-vis des substances en présence,le complexe chauffé étant à base d'un diène et d'un composé allylique, caractérisé en ce que le produit obtenu à la suite de c chauffage est soumis à l'action d'un acide dans un solvant organique. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'acide est minéral ou organique, en particulier hydracide, acide sulfurique, sulfonique, perchlorique, phosphorique, fluorosulfonique, acétique, propionique ou benzoïque. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'acide préféré est HC1, HBr, HF ou HBF4. 4. Procédé suivant une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la solution de l'acide dans son solvant est 0,2 à 3N, et de préférence 0,5 à 1,5N, en l'acide. 5. Procédé suivant une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la quantité d'acide employé est d'au moins 2 équivalents par atome de Ru présent, et de préférence 2 à 4 équivalents. -6. Procédé suivant une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement à l'acide a lieu à une température de 0 à 400C et, en particulier, entre 150 et 250C pendant 1/4 d'heure à 6 heures. 7. Procédé suivant une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le produit, soumis au traitement à l'acide, provient du chauffage avec la phosphine à une température ne dépassant pas 80"C, comprise de préférence entre 600 et 80 C, la durée de chauffage, ne dépassant pas 6 heures, étant de préférence de 3 à 5 heures. 8. Procédé suivant une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phosphine employée est une diphosphine chirale. 9. Application du procédé suivant une des revendications 1 à 8 à la préparation d'un catalyseur d'hydrogénation asymétrique. 10. Application suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le catalyseur sert à l'hydrogénation d'un composé portant un carbonyle et une fonction amine ou amide. 11. Application suivant la revendication 9 ou 10, carac térisee en ce que l'on hydrogène l'acéto-3 amido-2 butyrate d'alkyle ou d'aryle en vue de la préparation de la thréonine.