Brevet FR2826298A1 — publié le 20021227

CATALYSEUR HETEROGENE DE TYPE BISOXAZOLINE CHIRALE. SON PROCEDE DE PREPARATION ET SES UTILISATIONS. La présente invention porte sur un catalyseur hétérogène de type bisoxazoline chiale. Ces dix dernières années, les bisoxazolines chirales ont fait l'objet d'études approfondies. En effet, elles se sont avérées être de très bons catalyseurs énantiosélectifs pour de nombreuses réactions, en particulier pour les réactions de Diels-Alder. Cependant, ces catalyseurs présentent un inconvénient majeur. Ces catalyseurs doivent être utilisés en quantités importantes. Il est donc nécessaire de les recycler. Une manière satisfaisante de permettre un recyclage de ces catalyseurs est de les rendre hétérogènes. En outre, contrairement aux catalyseurs homogènes, les catalyseurs hétérogènes présentent l'avantage de permettre des réactions propres étant donné qu'ils ne laissent pas de trace dans le produit final obtenu. Des tentatives d'hétérogénéisation non covalente de bisoxazoline (BOX) ont été réalisées. Notamment, Mayoral et al. Dans Langmuir 2000,16, 5607-5612, ont décrit l'immobilisation de ligands BOX par échange cationique sur des argiles, du nafion ou des nanocomposites de silice-nafion pour des réactions de cyclopropanation. Cependant, le recyclage s'est avéré difficile. Les mêmes auteurs dans Journal of Molecular Catalysis A : Chemical 165 (2000) 211-218, ont immobilisé par interactions électrostatiques des ligands BOX sur deux supports anioniques, l'argile laponite et un nanocomposite de silice-nafion et les ont utilisés dans des réactions de DielsAider. Cependant, les énantiosélectivités obtenues sont faibles. Hutchings et al. dans J. Chem. Comm., 1998,1601-1602, ont décrit une modification de zéolithe Y à Cu échangé avec des ligands BOX pour des réactions d'aziridination d'alcènes qui n'a pas donné d'énantiosélectivités satisfaisantes. Plus récemment des catalyseurs hétérogènes à base de bisoxazolines liés de façon covalente à des supports ont été proposés notamment pour la catalyse de réactions de cyclopropanation. Par exemple, Reiser et Glos dans Organic Letters 2000,2, 2045-2048, ont introduit des chaînes polyéthylène glycol sur le pont azote de aza-bis (oxazolines), et Mayoral et al. dans J. A. Organic Letters 2000,2, 3905-3908 ont polymérisé des ligands bisoxazolines en fonctionnalisant le pont carbone avec des groupes présentant des doubles liaisons polymérisables et. en réalisant une homo-ou copolymérisation en présence de divinylbenzène. Il existe donc un réel besoin en catalyseur hétérogène de type bisoxazoline chirale pouvant être utilisé dans de nombreux types de réaction, qui présente de bonnes performances tout en étant facilement recyclable. Les inventeurs ont trouvé après de longues études une nouvelle famille de catalyseurs hétérogènes de type bisoxazoline chiale, qui présentent des propriétés catalytiques au moins équivalentes à celles des catalyseurs de type bisoxazolines utilisés en catalyse homogène, et qui peuvent être recyclés et ne laissent aucune trace dans les produits synthétisés. L'invention a donc pour objet des catalyseurs hétérogènes de type bisoxazolines présentant la formule générale (1) suivante : Dans laquelle : - n = 1 ou 2, - R1 et R2 représentent chacun indépendamment l'un de l'autre un atome d'hydrogène, un groupe phényle, (alkylényl en Ci-Cg)-phényle, de préférence méthylènephényle, ou alkyle en Cl-C., de préférence tertio- butyle ou isopropyl, ou R1 et R2 pris ensemble forment conjointement avec la liaison carbonecarbone par laquelle ils sont liés un cycle comprenant 4 à 10 atomes de carbone, de préférence un cycle à 5 atomes de carbone, sur lequel est condensé un cycle benzénique, le cycle ayant 4 à 10 atomes de carbone et le cycle benzénique pouvant être substitués par des groupes alkyles en Cl- C12 linéaires ou ramifiés, ou un bicycloheptane, éventuellement substitués par des groupes en C1-C12 linéaires ou ramifiés, A représente : avec R3 et R4 représentant chacun indépendamment l'un de l'autre un groupe alkyle en Cl-C3 ou (alkyl en C-Cg)-phény ! e, ou un atome d'hydrogène, X représente CH ou N, m représente un nombre entier de 0 à 3, P représente un monomère polymérisable, un polymère ou une molécule susceptible d'être liée à une surface solide. Dans la présente description, on entend par "surface solide" tout support solide présentant au moins en surface des groupes libres capables de se lier de façon covalente à une molécule fonctionnelle ou fonctionnalisée, de préférence, les groupes libres sont des groupes-OH. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la"surface solide"est la silice ou le verre traité. Selon un mode de réalisation avantageux, P représente (Et0) g Si (H2C) 3- ou -C6H4-CH2-C6H4-. Les catalyseurs hétérogènes conformes à l'invention ont alors les formules développées suivantes : Les catalyseurs hétérogènes conformes à l'invention sont utilisés en présence d'un précurseur métallique choisi dans le groupe comprenant les métaux de transition et notamment Cu, Fe, Bi, Zn, Mn, Ni, Co, Cd, Ti ou Mg. Ces métaux sont mis en oeuvre sous forme de sels, notamment de triflate, chlorure, bromure, iodure, acétate, perchlorate, perbromate, periodate, éthanolate, iso-propanolate, SbEg, PFg. L'invention a également pour objet un procédé de préparation de ces catalyseurs hétérogènes de type bisoxazoline chiale. Le procédé conforme à l'invention comprend les étapes suivantes selon lesquelles : d'une part, on prépare un composé alcool de formule (2) : dans laquelle A, n, R1 et R2 ont les mêmes significations que dans la formule (1) ci-dessus, notamment en faisant réagir une bisoxazoline de formule : avec des aldéhydes de formule R4CHO et R3CHO dans laquelle R4 et R3 ont les mêmes significations que dans la formule (1) ci-dessus, d'autre part, on prépare des unités monomères de type P-N=C=O ou O=C=N-P-N=C=O suivant la nature de P, on fait réagir les unités monomères ainsi fonctionalisées avec le composé alcool de formule (2) ci-dessus, éventuellement, on conduit une réticulation des chaînes P entre elles. La préparation de la molécule de formule (2) peut bien entendu se faire par tout autre procédé de synthèse organique. Comme bisoxazoline de formule (3) de départ, on peut utiliser par exemple : Dans les formules ci-dessus, R1 et R2 sont tels que définis cidessus en relation avec la formule (1), et R1'a la même signification que R1 ou R2. Cette réaction est effectuée en mélangeant la bisoxazoline, une base telle que la triéthylamine et l'aldéhyde. Selon un mode de réalisation avantageux, la réaction est induite en présence d'eau, de THF, de dichlorométhane et de dioxane. Les groupements hydroxyles introduits sont utilisés pour hétérogénéiser la bisoxazoline, en les copolymérisant avec des monomères bifonctionnels avec deux fonctions du même type (par exemple des diisocyanates), ou avec des monomères bifonctionnels présentant deux fonctions de types différents (par exemple des isocyanatotrialkoxysilylalkanes), qui réagissent avec l'alcool d'un côté et avec une surface solide (par exemple silice) de l'autre côté. Les bisoxazolines ainsi hétérogénéisées réagissent ensuite avec un précurseur métallique pour donner des catalyseurs hétérogénéisés. L'invention porte également sur l'utilisation des catalyseurs conformes à l'invention. Ces catalyseurs peuvent être utilisés de façon particulièrement avantageuse à la place de ces mêmes catalyseurs sous forme homogène. Ils sont particulièrement utiles pour la catalyse asymétrique. Des exemples de réaction dans lesquelles ils peuvent être mis en oeuvre sont notamment la cyclopropanation, la formation de liaison C-C, la réaction de Diels-Alder, les réactions hétéro Diels-Alder 1 ène, la cyclo-addition 1, 3-dipolaire, la cyclo-addition photochimique [2 + 2], les réactions aldol Mukaiyama, les réactions d'addition Mukaiyama-Michaël, les réactions de substitution allyliques, les réactions d'allylation-addition, l'hydrocyanation d'aldéhydes, les réactions d'aziridination, les oxydations ou hydrosilylations 1 réductions. L'invention sera encore mieux comprise à l'aide du complément de description qui suit et des exemples qui ne sont nullement limitatifs mais correspondent à des modes de réalisation avantageux. EXEMPLES Dans les exemples, les abréviations suivantes sont utilisées : - indaBOX : bisoxazoline chirale ayant la formule développée 3 (4) ci-dessus et commercialisés par la société Aldrich et Maybridge. - Cu (OTF) 2 : triflate de cuivre t, - DMF : diméthyl formamide, - MOI : 4-4'-méthylènebis (phényle isocyanate), - DMSO : diméthyl sulfoxyde, - Et3N : triéthylamine, - TMSIM : N- (triméthylsilyle) imidazole. Dans les exemples qui suivent les analyses ont été conduites sur les appareils suivants : les spectres RMN ont été mesurés à l'aide d'un spectromètre RMN Bruker AC 200 ou d'un spectromètre à 300 MHz, les points de fusion ont été mesurés avec un système de chauffage Kofler (type WME). Exemple 1. Préparation d'un catalyseur de type bisoxazoline greffé sur silice. 1.1. Préparation de indaBOX diol 2,843 g d'indaBOX (1 équivalent) et 0,647 g de paraformaidéhyde (2,5 équivalents) ont été introduits dans un ballon de 100 ml. 34 ml de CH2CI2 ont été ajoutés, une ampoule de CaCI2 a été disposée sur le ballon et la suspension a été agitée. 8,6 ml de dioxane et 1,6 ml d'eau ont été ajoutés, puis une solution de Et3N (3,4 ml) dans le THF (24,5 ml) a été ajoutée lentement pendant une à trois heures. Les matières solides se sont dissoutes progressivement au cours de l'addition. La solution a été agitée pendant trois jours à la température ambiante, puis versée sur 150 ml de pentane. Un précipité est apparu en une fois. Il a été filtré, lavé avec du pentane, de l'eau, puis du pentane et laissé sécher à l'air. On a ainsi obtenu un rendement de 75-85 %. Les spectres infrarouges et RMN ainsi qu'une analyse de spectre de masse ont été réalisés sur le produit sec ainsi obtenu : IR (cm. 1) : 3649,3174 (large), 1652,1479, 1459,1372, 1210,1195, 1167, 1080,1016, 855, 746,713, 650. RMN 1H (pics en ppm, J en Hz) : 7,45 (2H, m), 7,30 (6H, m), 5,54 (2H, d, J = 8), 5,27 (2H, dd, J1= 8, J2 = 4), 3,96 (4H, système AA', J = 12), 3,38 (2H, dd, J, = 7, J2 = 18), 3, 03 (2H, d, J=18), 1, 65 (2H, s large (OH)). Micro analyse : Calculé : C : 70, 75 % ; H : 5, 68 %, N : 7, 17 %, 0 : 16, 39 %. Trouvé : C : 68,76 % ; H : 5, 72 % ; N : 7, 02 %. Point de fusion : 169 C, corrigé par comparaison avec le benzimide (point de fusion 163 C). 1.2 Préparation de la silice activée De la silice (Matrex&commat; Si-60 de Millipore, dimensions des particules 70-200 ! J, ca. 13 g) a été portée au reflux avec HCI (à 33 %, 50 ml) pendant environ 2 heures. Le mélange obtenu a été filtré et lavé avec de l'eau. Après séchage sous vide pendant 24 h à 70-80 C, on a obtenu environ 10 à 11 g de silice activée. 1.3 Greffage de l'IndaBOX diol sur la silice activée L'lndaBOX diol obtenu à l'étape 1.1 ci-dessus (1,5 mmole, 0,5857 g) a été dissous dans du DMF sec (environ 7 ml) et du Et3N sec (0,75 ml, 5 mmoie) a été ajouté sous argon et du 3- (isocyanatopropyl) triéthoxysilane (3, 3 mmole, 0, 8175 g, 0, 82 ml) a été additionné en 10 à 20 minutes à la température ambiante. La solution a été agitée pendant environ 48 heures. Une résine polystyrène-NH2 (0,8715 g de 1,1 mmole de NH/g de résine) a été ajouté afin de piéger l'excès d'isocyanate. Le mélange a encore été agité pendant une heure, puis la résine aminée a été éliminée par filtration et lavée avec CHC. Les solvants (y compris la majeure partie de DMF) ont été évaporés et l'huile résultante a été ajoutée à une suspension de silice activée (4,00 g) dans le toluène (30 ml). La suspension a été maintenue au reflux pendant une nuit, puis filtrée sur fritté et lavée avec du toluène puis de l'acétate d'éthyle et du CHC. Après séchage pendant une nuit sous vide, on a obtenu 4,6720g du catalyseur résultant. Rendement par rapport au IndaBOX diol : 75,5 % (selon microanalyse). IR (cm-1) : 3429,2981 (très petit), 1648 (oxazoline), 1095 (très large), 800, 476. Microanalyse trouvée : C : 9, 65 %, H : 1, 72 %, N : 1, 41 %, Si : 38, 85 % (0 : pourcentage restant : 48,37 %). 1.4 Protection des groupes silanol du catalyseur. Le catalyseur obtenu ci-dessus (1 g) a été mélangé au TMSIM (4,7 ml, 0,032 mole) pendant une heure. Le produit résultant a été filtré et lavé avec MeOH (5 x 20 ml). Après séchage sous vide pendant une nuit, on a obtenu 1,0125 g de catalyseur qui présentait l'analyse suivante : C : 12, 36 %, H : 2, 06 %, N : 1, 41 %, Si : 37, 40 %, soit 0,252 mmole de ligand par gramme. IR (cm-') 3434 (plus petit que pour le catalyseur de l'étape 1.3 ce qui indique qu'il y a moins de groupes OH), 2964 (CH3), 1655 (oxazoline), 1091 (très large), 845,802, 758,474. 1.4. 1 On a fait réagir le catalyseur comme précédemment dans l'étape 1.4, mais pendant 72 heures. Analyse : C : 10,00 %, H : 1,58 %, N : 1,3 %, Si : 37,15 %, soit 0,236 mmole de ligand par gramme. 1.5 Introduction du précurseur métallique. 1.5. 1 Le catalyseur de l'étape 1.4 ou 1.4. 1 (0,0567 mmole, 0,3626 g) a été mélangé avec du Cu (OTf) 2 (0,0567 mmole, 0,0205 g) dans 10 ml de CH2CI2 sec pendant toute une nuit sous argon. 1.5. 2 Le catalyseur de l'étape 1.4 ou 1.4. 1 (0,0567 mmole, 0,3626 g) a été mélangé avec Cu tO) 26H2O (0, 0567 mmole, 0,0153 g) dans CH2CI2 pendant une nuit. EXEMPLE 2. Préparation de Polyuréthane-indaBOX On a dissous le diol obtenu comme dans l'exemple 1.1 ci-dessus (0,125 g, 1 équivalent) et du MOI (0,0642, 1 équivalent) dans du DMF sec (1,8 ml) sous argon. On a ensuite ajouté du dilaurate de dibutyl étain (15 à 30 ut) et on a chauffé à 80 C pendant 24 heures puis on a versé la solution résultante sur 20 ml de MeOH. Un solide blanc s'est formé en une seule fois. Ce solide a été refroidi et filtré puis lavé avec environ 30 ml de MeOH. On a obtenu ce produit avec un rendement de 66 %. Le séchage sous vide n'a pas permis d'éliminer toute l'eau qui a pu être observée dans le spectre RMN. Le spectre RMN est trop complexe pour donner des attributions claires mais le spectre infrarouge montre une absorption autour de 1650 cm-1, typique d'un motif bisoxazoline et une absorption à 1510 cm-1, typique du motif carbamate présent dans les polyuréthanes. IR (cm-1) : 3360,3025, 2913,1648, 1610, 1509, 1412,1308, 1231, 1200,1018, 997,812, 751. RMN dans DMSO (pics en ppm, J en Hz) : 6,7-7, 4 (protons aromatiques, m), 4, 9-5, 5 (protons oxazoline CH, m) 3,4-3, 9 (CH2 -OCON protons + CH2 de protons MDI, m), 2,9-3, 4 (CH2-Ar de BOX, en superposition avec HO). Micro-analyse : trouvée C : 75, 4 %, H : 5, 7 %, N : 9, 97 %. Le catalyseur ainsi obtenu a été mis en présence de Cu (OTF) 2 (0, 0205 g, 8 %molaire) dans 10 ml de CHCt, et mélangé pendant 3, 5 heures à la température ambiante. Le polymère a gonflé et est devenu légèrement brun puis jaunevert et enfin vert. Le mélange réactionnel a été refroidi à environ-78 C. Exemple 3. Réaction de Diels-Alder Le mélange réactionnel refroidi à-78 C obtenu à l'exemple 2 a été additionné de 0,1000 g (0,7086 mmole) d'un diénophile de formule puis on y a ajouté du cyclopentadiène fraîchement craqué (0,24 ml, 5 équivalents). La réaction a été laissée pendant toute une nuit et a été amenée à se réchauffer jusqu'à la température ambiante. La réaction a été suivie par chromatographie en phase gazeuse et les produits résultants ont été analysés par HPLC sur colonne Chiracel-OD avec un mélange éluant heptane 95 : isopropanol 5. Le mélange réactionnel a été filtré et lavé avec CHCt pour donner une poudre marron de 0,0342 g, c'est à dire environ 90 % du poids du polymère utilisé. Le filtrat (0, 1919 g) était vert. On a recyclé encore deux fois le catalyseur et on a obtenu pour chaque cycle les résultats présentés dans le tableau 1 ci-après. Tableau 1 Cycle % conversion % endo % ee d'endo 1 100 89 51 2 99 90 56 3 99 90 56 ee représente l'excès énantiomérique de l'isomère endo. Exemple 4. Réaction de Diels-Alder en présence d'un catalyseur hétérogène greffé sur silice. Le catalyseur hétérogène préparé dans l'exemple 1 a été utilisé. Le diénophile de formule (un équivalent, 0,7086 mmole) a été ajouté au mélange de catalyseur et de précurseur métallique obtenu à l'exemple 1.4 et mélangé pendant une heure. Le mélange a été porté à la température appropriée et du cyclopentadiène fraîchement craqué (5 équivalents, 3,54 mmoles, 0,0293 ml) a été ajouté pendant environ 1 heure. Les analyses HPLC et chromatographies en phase gazeuse ont été réalisées régulièrement sur le mélange réactionnel pour mesurer une conversion complète. Le traitement a été réalisé par filtration ou par addition de CHCi, centrifugation et élimination du solvant (répété trois fois). Le composé de silice récupéré a été séché sous vide avant d'être recyclé. Exemple 5. Influence du rapport catalyseur/substrat sur l'énantio- sélectivité. Des réactions de Diels-Alder comme celle décrite dans l'exemple 4 ci-dessus ont été conduites en utilisant 10 % en moles de catalyseur (essai 1), 20 % (essai 2) et 5 % (essai 3) respectivement. Les résultats obtenus en terme de conversion et de quantité de produits endo sont rassemblés dans le tableau ci-dessous. essai % en moles % conversion % endo % ee de catalyseur 1 10 99+ 86 71 2 20 99+ 89 71 3 5 99+ 88 68 Exemple 6. Influence de la température Des réactions de Diels-Alder comme celle décrite dans l'exemple 4 ont été conduites en utilisant le catalyseur greffé sur silice protégé pendant 72 heures obtenu à l'exemple 1.5. 2 (avec 1.4. 1), à-78 C et à la température ambiante. Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau ci-dessous. température temps (en heures) % endo % ee d'endo ambiante 1 86 81 - 780C 3 86 92 REVENDICATIONS 1. Catalyseur hétérogène de type bisoxazoline présentant la formule générale (1) suivante : dans laquelle : - n = 1 ou 2, - R1 et R2 représentent chacun indépendamment l'un de l'autre un atome d'hydrogène, un groupe phényle, (alkylényl en C1-C8) -phényle, de préférence méthylènephényle, ou alkyle en Cl-C., de préférence tertio- butyle ou isopropyle, ou R1 et R2 pris ensemble forment conjointement avec la liaison carbone- carbone par laquelle ils sont liés un cycle comprenant 4 à 10 atomes de carbone, de préférence un cycle à 5 atomes de carbone, sur lequel est condensé un cycle benzénique, le cycle ayant 4 à 10 atomes de carbone et le cycle benzénique pouvant être substitués par des groupes alkyles en C1- C12 linéaires ou ramifiés, ou un bicycloheptane, éventuellement substitué par des groupes en C1-C12 linéaires ou ramifiés, A représente : avec R3 et R4 représentant chacun indépendamment l'un de l'autre un groupe alkyle en C1-C3 ou (alkyle en CCC3) -phényle, ou un atome d'hydrogène, X représente CH ou N m représente un nombre entier de 0 à 3, P représente un monomère polymérisable, un polymère ou une molécule susceptible d'être liée à une surface solide. 2. Catalyseur selon la revendication 1, dans lequel P est un monomère, un polymère ou une molécule polymérisable susceptible de se lier à une surface solide, notamment à la silice ou à un verre traité. 3. Catalyseur selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel P représente (EtO) 3Si (H2C) 3- ou -C6H4-CH2-C6H4. 4. Catalyseur selon l'une des revendications 1 à 3 qui présente la formule suivante : 5. Catalyseur selon l'une des revendications 1 à 3 qui présente la formule suivante : 6. Procédé de préparation d'un catalyseur selon la revendication 1, qui comprend les étapes selon lesquelles : d'une part, on prépare un composé alcool de formule (2) : dans laquelle A, n, R1 et R2 ont les mêmes significations que dans la formule (1) ci-dessus, notamment en faisant réagir une bisoxazoline de formule : avec des aldéhydes de formule R4CHO et R3CHO dans laquelle R4 et R3 ont les mêmes significations que dans la formule (1) ci-dessus, d'autre part, on prépare des unités monomères de type P-N=C=O ou O=C=N-P-N=C=O suivant la nature de P, on fait réagir les unités monomères ainsi fonctionnalisées avec le composé alcool de formule (2) ci-dessus, éventuellement, on conduit une réticulation des chaînes P entre elles. 7. Procédé de préparation d'un catalyseur selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'on utilise comme bisoxazoline de départ l'un des produits suivants : dans les formules ci-dessus, R1 et R2 sont tels que définis ci-dessus en relation 2 avec la formule (1), et R1'a la même signification que R1 ou R2. 8. Utilisation du catalyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou préparé selon la revendication 6 ou 7, en association avec un précurseur métallique choisi dans le groupe comprenant les métaux de transition et notamment Cu, Fe, Bi, Zn, Mn, Ni, Co, Cd, Ti ou Mg dans une réaction choisie dans le groupe comprenant notamment la cyclopropanation, la réaction de Diels-Alder, la formation de liaison C-C, les réactions hétéro Diels- Alder/ène, la cyclo-addition 1, 3-dipolaire, la cyclo-addition photochimique [2 + 2], les réactions aldol Mukaiyama, les réactions d'addition Mukaiyama-Michaël, les réactions de substitution allyliques, les réactions d'allylation-addition, l'hydrocyanation d'aldéhydes, les réactions d'aziridination, les oxydations ou hydrosilylations/réductions.