1MASTER 2 RECHERCHE VEM UE8
COURS DE CHIMIE VERTE
Sylvain ANTONIOTTI
LCMBA UMR 6001 CNRS, Bat. Recherche Chimie, bureau 417
28 avenue de Valrose, 06108 Nice cedex 2, FRANCE
Quest ce que la Chimie Verte ?Ensemble des principes et des techniques visant rduire ou liminer l'usage ou la formation de substances dangereuses et/ou toxiques dans la conception, la production et l'utilisation des produits chimiques.
20081999 2007Vol. 107, No. 6
(pp 653)
Dveloppement durable : un dveloppement qui rpond aux besoins des gnrations du prsent sans compromettre la capacit des gnrations futures rpondre aux leurs.
21. Eviter les dchets, 2. Maximiser lconomie datomes,3. Concevoir des synthses chimiques moins dangereuses,4. Concevoir des produits chimiques plus srs,5. Utiliser des solvants et des conditions de raction plus srs, 6. Augmenter lefficacit nergtique,7. Utiliser des matires premires renouvelables,8. Eviter dutiliser des drivs chimiques,9. Utiliser des catalyseurs, pas des ractifs stchiomtriques,10. Concevoir des produits chimiques qui se dgradent aprs utilisation, 11. Analyser en continu pour viter la pollution inutile, 12. Limiter les risques daccidents.
Les 12 principes de la Chimie Verte :
7 principes de la Chimie Verte dintrt particulier en chimie organique de synthse :
1. Eviter les dchets
2. Maximiser lconomie datomes
3. Concevoir des synthses chimiques moins dangereuses
6. Augmenter lefficacit nergtique
7. Utiliser des matires premires renouvelables
8. Eviter dutiliser des drivs chimiques
9. Utiliser des catalyseurs
3Efficacit (rendement)
Comment valuer le caractre co-compatible dune raction ?
RactionAmont Aval
Trace des produits de dpart
Trace des ractifs
Paramtres nergtiques
Economie datomes
Recyclage des ractifs
Devenir des produits
Dchets (recyclables?)
Solvants
Scurit
Solvants
Pas dquation magique intgrant chaque composante, mais des indicateurs bassur la masse comme le E-factor (R. Sheldon) E=masse des dchets/masse de produit ou la RME (reaction mass efficiency) intgrant conomie datomes (AE), un facteur stoechiomtrique (SF) et un paramtre de rcupration en masse (MRP).
RME = AE MRP1SF
Withgreatpowerscomesgreatresponsability
StanLee,SpiderMan,1962.
4PLAN du COURS
1. Catalyse a) Catalyse homogneb) Catalyse htrogne/supportec) Catalyse doxydation
2. Biocatalysea) Nature et fonction des enzymes chez les organismes vivantsb) Utilisation des enzymes pour la synthse organique
3. Organocatalysea) Gnralitsb) Exemples de ractions
4. Milieux non-usuels a) Chimie dans leaub) Fluides supercritiquesc) Milieux fluors
5. Matires premires renouvelablesa) Drivs ptrochimiques : tat des lieuxb) Sous-produits industriels pour la chimie des intermdiairesc) Hmisynthse et chimie fine
6. Economie datomesPrincipe et exemples
1. Catalyse
5Dfinitions dun catalyseur :
1. CHIM. Corps qui catalyse. 2. Fig. Elment qui provoque une raction par sa seule prsence ou par son intervention. Petit Larousse
Un catalyseur est une espce qui augmente la vitesse d'une transformation, sans figurer dans l'quation de la raction et sans modifier la composition du systme l'tat final. http://www.web-sciences.com/
Molcule qui, en petite quantit, acclre la vitesse d'une raction et qui revient sa forme initiale la fin de la raction. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques. http://www.futura-sciences.com/
Introduction
Introduction
A quoi sert la catalyse ?
- Rduire les quantits de dchets par rapports aux ractions stchiomtriques (effet de premier degr)
- Apporter la slectivit dans les ractions (effet de second degr) :
O O
OHOH OHOH
OHOH
+
Chimioslective
Rgioslective
Diastroslective
Enantioslective
6Comment obtenir cette slectivit ?
Catalyse organomtallique : souvent base sur un mtal de transition et une combinaison de ligands qui vont permettre de crer un environnement molculaire strique et lectronique parfait pour orienter la ractivit vers une raction donne :
BrOAc
COOEt
COOEt
OAc
EtOOC
COOEt
Br
COOEt
COOEt
Na+ -+
THF
THF
(Ph3P)4Pd
RuCl
Cl PCy3
PCy3
Ph
Grubbs 1re genration
N N
O OMnCl
Catalyseur de Jacobsen
SN
SO
OF
F FO
OF
F F
NN
Au
Catalyseur avec ligand NHC
Introduction
Comment obtenir cette slectivit ?
Organocatalyse : formation favorise dun tat de transition chiral par action dun catalyseur bifonctionnel comme la L-proline, qui va catalyser des ractions daldolisation en formant un intermdiaire covalent avec laccepteur.
O
O
O O
O
N
COOH
O
O
NCOO-
H
H
O
O
L-proline
+
CHOO
NO H
H
HO O
NH H
O OO
H OOH
L-proline+
Introduction
7Un seul stroisomre actif ?
Synthse nantioslective du L,L-aspartame, le seul stroisomre sucr
O
O
NH3+NH
OO
OMe
L,L-aspartamesucr
O
O
NH3+NH
OO
OMe
L,D-aspartameinsipide
O
O
NH3+NH
OO
OMe
D,D-aspartameinsipide
O
O
NH3+NH
OO
OMe
D,L-aspartameamer
Introduction
Un seul stroisomre actif ?
Synthse nantioslective du L,L-aspartame, le seul stroisomre sucr
O
O
NH3+NH
OO
OMe
L,L-aspartamesucr
O
O
NH3+NH
OO
OMe
L,D-aspartameinsipide
O
O
NH3+NH
OO
OMe
D,D-aspartameinsipide
O
O
NH3+NH
OO
OMe
D,L-aspartameamer
- Dose utile divise par 4 et +- Couts diminus
- Quantit libre dans lenvironnement divise par 4
Introduction
8Comment valuer la performance dun catalyseur ?
TON : TurnOver Number = nombre de moles de substrat converties par le catalyseur avec son inactivation. En pratique, pour une raction totale, cest linverse du taux catalytique. Ce nombre est sans dimension.
TOF : TurnOver Frequency = nombre de moles de substrat converties par le catalyseur par unit de temps, cest--dire le TON par unit de temps. Ce nombre est dimensionn en s-1.
Si catalyseur support, et donc recyclable :
Nombre de cycles : nombre de fois ou le catalyseur recycl dune raction peut tre engag dans une nouvelle raction en conservant sa performance
Et ventuellement :
Leaking : fraction de catalyseur (souvent de mtal) perdue chaque cycle
Introduction
1. Catalyse
a) Catalyse homogne
91. a) Catalyse homogne
Dans les ractions procdant par catalyse homogne, le catalyseur est une entit soluble dans le milieu ractionnel (liquide le plus souvent).Le mlange ractionnel est donc homogne = une seule phase
Ex. : lhydrolyse dun ester en acide carboxylique par catalyse acide
La catalyse homogne se distingue ainsi de la catalyse htrogne, dans laquelle le catalyseur est solide, et mis en contact avec un fluide (liquide ou gaz) qui contient les substances transformer.Le mlange ractionnel est donc htrogne = 2 ou plusieurs phases
RO
OEtOH H R
OH
OOH Et
H++ +
RO
OEtOH H
H+
ROH
OHOEt
H+ R
OH
OHOEt
H+
ROH
OHOEt
+ H+ RO
OHOEt
H +
ROH
O
Dans les ractions procdant par catalyse homogne, le catalyseur est une entit soluble dans le milieu ractionnel (liquide le plus souvent).Le mlange ractionnel est donc homogne = une seule phase
Ex. : lhydrolyse dun ester en acide carboxylique par catalyse acide
La catalyse homogne se distingue ainsi de la catalyse htrogne, dans laquelle le catalyseur est solide, et mis en contact avec un fluide (liquide ou gaz) qui contient les substances transformer.Le mlange ractionnel est donc htrogne = 2 ou plusieurs phases
RO
OEtOH H R
OH
OOH Et
H++ +
HH
H HH H
H
Surface du mtal
HH H H
H H H
Surface du mtal
HH H H
H
Surface du mtal
Approche de lalcne cis-hydrognation Diffusion de lalcane form
1. a) Catalyse homogne
10
Formation de liaisons carbone-htroatome
Le plus souvent, la formation de liaisons carbone-htroatome procdent par addition lectrophile de composs htrofonctionnaliss, faisant appel aux doublets non-liants de lhtroatome.
O HR
O HR
hydrogneAlkoxyle
+ = Hydroalkoxylationcat.
O HO
R
O HR
O
hydrogneCarboxyle
+ = Hydrocarboxylationcat.
NH
HR
NH
HR
hydrogneAmine
+ = Hydroaminationcat.
O O
O
OO
catalyseur
MeOH, 60 C +
90%10%
Me OH
OO
OMe
H
O
OMe H
O
O
OMe
+
AL
AL
AL+
+
_
AL_
Voie directeProtonolyse interne
Voie indirecteProtonolyse externe
- H
H +
H +
Hydroalkoxylation dolfines catalyses par des acides de Lewis
Intermolculaire
1. a) Catalyse homogne
11
OH
O
HCat.
CH3NO2, reflux
O[A ]
HO
[A ]
H
O
HAcidification
mcanisme LBA : Lewis acid-assisted Bronsted Acid
+ [AL]LL
Rgles de Baldwin pour les cyclisations :
- le chiffre pour la taille du cycle form (3 7)- endo- ou exo- selon que la liaison modifie soit dans ou hors du cycle- dig, trig ou tet pour lhybridation du carbone attaqu sp, sp2 ou sp3
Processus 6-endo-trig
Hydroalkoxylation dolfines catalyses par des acides de Lewis
Intramolculaire
1. a) Catalyse homogne
PhPh
NHGP NGP
Ph Ph
HAu[P(t-Bu)2(o-biphenyl)Cl] 5 mol%
AgOTf 5 mol%dioxane, 60 C
P Au Cl+ -
P Au OTfAgOTf+ + - + AgCl
Pr-catalyseur Catalyseur actif
Hydroamination dolfines et de dines-1,3 catalyses par des sels dor
Rle des sels dargent :
1. a) Catalyse homogne
12
PhPh
NHGP NGP
Ph Ph
HAu[P(t-Bu)2(o-biphenyl)Cl] 5 mol%
AgOTf 5 mol%dioxane, 60 C
Hydroamination dolfines et de dines-1,3 catalyses par des sels dor
1. a) Catalyse homogne
NGP
PhPh
H
AuL+
PhPh
NGP
PhPh
NHGP
AuL+
PhPh
NHGPH+
AuL+
H+
[Au] [Au] [Au]
Acide de Lewis -electrophile
13
NH
O O
NAuCl3 (5 mol%)
CH3CN, 45 C
NH
OR 2
[Au]
OO
BuO
Ph OO
O
Ph
t Au[P(C6F5)3]Cl (5 mol%)AgSbF6 (5 mol%)
DCE, 0 COO
O
Ph
H
EtO
Et
OEt
Et
AuCl3 (0,1 mol%)
MeCN,
14
NH
Ph
N
Ph
LPd
Br
NH
Ph
PdL2
N
Ph
Ts
Ts
H+, L-
PdL, Br-
-Ts
Ts
Raction tandem ?
Formation de liaisons C-X par addition sur des triples liaisons
Monoaddition, intermolculaire ([Ru], [Pt], [Pd], [Ag], [Zn], [Hg])
Double addition, intermolculaire ([Cu], [Au], [Hg])
Monoaddition, intramolculaire ([Ru], [Mo], [Pd], [Cu], [Ag], [Au], [Zn])
Double addition, intramolculaire ([Au])
R 1 HR 3 O
HR 1 H
O HR 3+
[M] cat.
R 1 HR 3 O
HR 1 H
O HR 3
OR 3
H+[M] cat.
2
OH O O[M] cat.
5-exo-dig
ou
6-endo-dig
Anti-add
R
OH
OH
O
OR
[M] cat.
1. a) Catalyse homogne
15
R O
O
R O
O
Protonolysisexterne
[Au]-
H+
R OH
OH
OH
R OH[Au]
[Au]
R O+H
OH[Au]-
syn-addition
R O
O+
H
[Au]-
Protonolysisinterne
H+
R O+
OHH
Migration H 1,3
[Au]-
Par rarrangement de dines ou dnynes
Catalys par des complexes de mtaux de transition
E
E
E
E
E
E
E
E
PdCl2
CHCl3, HCl
[(PPh3)3RhCl]CHCl3, HCl
[(PPh3)3RhCl]EtOH, HCl
Formation de liaisons carbone-carbone
1. a) Catalyse homogne
16
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E [Ru], [Pd], [Ti], [Pt], [Au]
1. a) Catalyse homogne
Applications dans la synthse de produits naturels bioactifs
NTs
O
[PtIV]
NTs
O
Cyclomtallationoxydante
NTs
O
N
O
Ts
PtCl2
NH
N
NH
MeO
()-streptorubin(antibiotique)
1. a) Catalyse homogne
17
Applications dans la synthse de produits naturels bioactifs
OMeOMe
OMeOMe
[M]
OHOH
O
()-salviasperanol
AcO
AcO HHHH
OHPtCl2
(-)-cubebolArmeMcanisme avec assistance de lactate voisin :
O
O
Pt
O
O
Pt
+
1. a) Catalyse homogne
Formation de liaisons C-C par cyclisation dalcynes
Egalement appele cyclotrimrisation[Co], [Ni], [Rh], [Fe], [Pd]
R
R
R
R[M]
R
R
Mcanisme via metallacycle :
MM
+ Mou
M M M M
1. a) Catalyse homogne
18
N
R1
R2N
R 1
R 2 N
R 2
R 1
CpCo(CO)2++
COOMe
COOMe
OCOOMe
COOMeO
COOMeCOOMe
COOMeCOOMe
Pd(0)+
CpCo(CO)2
+ +[M]
M=Ru, Mo, W, Re
R.L.Banks,G.C.Bailey,I&ECProd.Res.Dev.,1964,170173.
MR
MR
MR
MR
M
R
R
R=Et, alkyl
Mtathsedesolfines1. a) Catalyse homogne
19
Mtathsecroise(crosscoupling metathesis)
Cetteractionestdifficile rendreslective:rpartitionstatistiquedesmotifs
Rendementthoriqueattendupourchaqueproduit(distributionalatoire)=17%
R 1 R 2
R 1 R 1R 1
R 1+
R 2 R 2R 2
R 2+
R 1 R 2R 1
R 2+
+
EZ
EZ
EZ
Homocouplage
Htrocouplage
Homocouplage
Mtathsedesolfines1. a) Catalyse homogne
Mtathse croise (cross-coupling metathesis)
Orientation de la raction par effets striques :
OTBDMS
OH
O
Ph
OTBDMS
Ph OH
O[Ru] (5 mol%)CH2Cl2, 40 C
3 eq.
+
83%, E/Z=20/1
+
O
Ph
Si TBDMS=tert-butyldimethylsilyl=encombrement striquelimite l'homocouplage
Ru OCl Cl
N
N[Ru]= Catalyseur d'Hoveyda-Grubbs
Mtathsedesolfines1. a) Catalyse homogne
20
Mtathsecyclisante (RingCosing Metathesis,RCM)
Versionintramolculaire delamtathsedesolfines,ellepermetdeconstruiredescyclesde5 30chanonsettolreungrandnombredegroupementsfonctionnels,cequienafait unoutiltrsutilis ensynthseorganique.
[Ru]+
RuCl
Cl P
P
RuCl
Cl PCy3
PCy3
Ph
Grubbs 1re genration
RuCl
Cl
P
NN
RuCl
Cl
PCy3
Ph
NNMes Mes
Grubbs 2me genration
Mtathsedesolfines1. a) Catalyse homogne
Mcanismedelamtathse
M
M
M
M
M
R
MR
M
MR
MR
R MR
M
M
M
InitiationCycle catalytique
Mtathsedesolfines1. a) Catalyse homogne
21
Applicationsdelamtathse
Tolrancedegroupefonctionnels Conditionsstrictespasncessaire(solvantanhydre,atmosphrecontrle) Macrocyclisation enconditionsdedilution
O NH
O O
N
PNBO
O
N COOMeoc
O NH
O O
N
PNBO
O
N COOMeoc
O
RuClCl
SIMes
NO2
0,1 mol%
toluene, 1100,01-0,2 M 93%
BB
BILN2061
inhibiteurdelaprotaseduVHC
Mtathsedesolfines1. a) Catalyse homogne
C
Applicationsdelamtathse
Tolrancedegroupefonctionnels Conditionsstrictespasncessaire(solvantanhydre,atmosphrecontrle) Macrocyclisation enconditionsdedilution
O
O
Catalyseurde Grubbs1/
2/ H2 Pd/C
O
(R)(+)citronellal (R)()muscone
Mtathsedesolfines1. a) Catalyse homogne
22
Chimie
DentaireElectronique
JoaillerieAutres
Automobile
Chimiedupalladium
Pd : [Kr] 5s0 5p6 4d10
Mtaux nobles (coinage metals)
Pd0, PdII
Cot en bourse : 470 $ / oz (mars 2010)(1 oz = 31,10 g)
Toxicit : RAS
Extraction minire (4-7 g /tonnes de minerai extrait)Traitement : thermique, lectrolytique
Production annuelle (2006) : 230 tPays producteurs Russie (70%) AFS (20%)
Demande (2006) :
1. a) Catalyse homogne
RactiondeHeck :
X R R
RAr
R
Ar
R+
X=Cl, Br, IouArX
R=Ar, COOR', CN, ...
[PdL2] cat.Base (> 1 equiv.)
ou ou
E/Z
E/Z
L=mono, diphosphineBase=Et3N, K2CO3, AcONa
ChimiedupalladiumLesgrandesractionsdecouplage
X
RR
Pd
P P
PdH
P P
X
Pd
RH
P P
X
Pd
P P
X
Et3NEt3N.HX
1. a) Catalyse homogne
23
RactiondeHeck :
X R R
RAr
R
Ar
R+
X=Cl, Br, IouArX
R=Ar, COOR', CN, ...
[PdL2] cat.Base (> 1 equiv.)
ou ou
E/Z
E/Z
L=mono, diphosphineBase=Et3N, K2CO3, AcONa
ChimiedupalladiumLesgrandesractionsdecouplage
CF3
SO
O NH N
H
O
NN
N
O
O
O
ONCl
OH
S
COONa
Montelukast sodium(Merck andCoSingulair)
Prosulfuron (herbicide)
Naproxen (AINS)O
CO2Na
2Ethylhexylpmethoxycinnamate(filtreUVcosmtique)
Applicationsindustrielles(>1t/an):
1. a) Catalyse homogne
RactiondeSuzukiMiyaura :
B(OH)2
X
RR
+[Pd] cat.
Base (> 2 equiv.)
X=Cl, Br, I, OTs, OTf, ...
ChimiedupalladiumLesgrandesractionsdecouplage
NCApplicationsindustrielles:
NNH
NN
N
N
ClOH
Losartan (Merck andCo)
NNH
NN
N
N
O
Irbesartan (SanofiAventis/BMS)
(Clariant)
B
N
N
Br
OO
NLOmaterials
1. a) Catalyse homogne
24
RactiondeSonogashira :
X
R R+
[Pd] cat.[CuI] cat.
Base (> 1 equiv.)
X=Cl, Br, I, OTs, OTf, ...
ChimiedupalladiumLesgrandesractionsdecouplage
N
Applicationsindustrielles:
Terbinafin (antimycosique,NovartisLamisil)
NH
N
NH
CF3
O
O
O
O
OH
DNAsequencing agent(DuPont)
1. a) Catalyse homogne
RactiondeBuchwaldHartwig :
R' NH
R"X
RN
R'
R"
R+
[Pd] cat.
X=Cl, Br, I, OTs, OTf, ...
ChimiedupalladiumLesgrandesractionsdecouplage
NH NR
Applicationsindustrielles:
Arylpiprazines (Bayer)
N N
Br N
O
NH2
O
N
Antitumoral
N NO
NO
O
CN
CF3
Traitementdsordrecardiovasculaire
1. a) Catalyse homogne
25
RactiondeTsujiTrost :
X [Pd0] cat. NuNuH+
X=OAc, Br, OCO2R
ChimiedupalladiumLesgrandesractionsdecouplage
O Me
O O
OMeOMe
OMeO Me
OMeOMe
OMeH
O Me
OMeOMe
OMe
PdPPh3
Ph3P
H
H
O
OH
O
[Pd(PH3)4](4 mol%)
THF, 25 C
-
+Colombiasin A
1. a) Catalyse homogne
RactiondeTsujiTrost :
ChimiedupalladiumLesgrandesractionsdecouplage
TMSO
O
BuO2C OTES
OTESBuO2C
O
TMSO
OTES
OTESO
O
MeO
[Pd2(dba)3] (10 mol%)
THF, 45 C
tt
X [Pd0] cat. NuNuH+
X=OAc, Br, OCO2R
1. a) Catalyse homogne
26
Ractiondetlomrisation dubutadine:
ChimiedupalladiumLesgrandesractionsdecouplage
L Pd
L Pd
MeO-
L Pd
L Pd
OMe
H+
2
OMe
OH
OH
H2Pd/C
1. a) Catalyse homogne
Raction de Stille :
Raction de Negishi :
R' SnBu3R X R R'+[Pd] cat.
X=Cl, Br, I, OTs, OTf, ...
ChimiedupalladiumLesgrandesractionsdecouplage
R' ZnX'R X R R'+
[Pd] cat.ou
[Ni] cat.
X=Cl, Br, I, OTs, OTf, ... X'=Cl, Br
aussi avec Al, Zr
1. a) Catalyse homogne
27
Palladiumrsidueldanslesprincipesactifspharmaceutiques(APIs)
Chimiedupalladium
Br
NH
O
HPh
NH
OPdCl2(PPh3)3
CuI, Et3N
DME, 120 C Pd rsiduel = 700 ppm
NO
O
O
B(OH)2
ICN
Pd(PPh3)4Na2CO3
DME/EtOH/H2O
NO
O
O
CN
NOH
O
O
NN
NH
N
Pd rsiduel = 2100 ppm Valsartan
1. a) Catalyse homogne
Recherchedetauxcatalytiqueslesplusbas
RactiondeSuzukiMiyaura :
(HO)2BOMe
NH
NCl
NH
N
MeO
NN
PdCl
iPr
iPr
iPr
iPr
+[Pd], 50 ppm
KOtBuiPrOH, 80 C, 3 h
91%
[Pd] :
Complexeavecliganddetypecarbene
Nhtrocyclique(NHC)
Chimiedupalladium1. a) Catalyse homogne
28
Recherchedetauxcatalytiqueslesplusbas
RactiondeBuchwaldHartwig :
BrN
NH O N ON
+[Pd], 10 ppm
KOtBuDME, 80 C, 12 h
91%
NN
PdCl
iPr
iPr
iPr
iPr
[Pd] :
Chimiedupalladium
Complexeavecliganddetypecarbene
Nhtrocyclique(NHC)
1. a) Catalyse homogne
Recherchedetauxcatalytiqueslesplusbas
Chimiedupalladium1. a) Catalyse homogne
29
Chimiedufer
Fe : [Ar] 4s2 3d6
35% de la composition de la terre (5% de la croute terrestre)
FeII, FeIII
Cot : 1,66 / oz (mars 2010)(1 oz = 31,10 g)
Toxicit, cotoxicit : quasi-nulleExtraction minire (FeO, Fe2O3, Fe3O4)
Traitement : haut-fourneau
Production annuelle (2005) : 1 300 000 000 t Pays producteurs Brsil (22%) Chine (15%)
Australie (20%) Inde (11%)
Demande (2005) : = production
1. a) Catalyse homogne
ChimieduferRactionsdecouplagecrois :
TypeGrignard(espcecatalytiquement active[Fe(MgX)2]
TypeFriedelCrafts
R
Ar-X
[Ar-Fe(MgX)] + MgX2
RMgX
[Ar-Fe(MgX)]
Ar-R
[Fe(MgX)2]
N Cl
OMeBrMg
( )7
N
OMeFe(acac)3(5 mol%)
THF, 0 C-RT( )7
OH O
O
OMeMeOOMe
O
O OH
FeCl3 (5 mol%)
CH2Cl2, RT
O
O
OMeMeOOMe
OH
OO
+ 99%, dr 94:6
1. a) Catalyse homogne
30
ChimieduferRactionsdecouplagecrois :
Typepalladium
I +
FeCl2 (20 mol%)proline (0,8 equiv.)t-BuOK (4 equiv.)DMSO, 60 C, 3 h
5 equiv.85%
HMeO
I
MeO
FeCl3 (15 mol%)DMEDA (30 mol%)Cs2CO3 (2 equiv.)
toluene, 135 C, 3 j+
99%1,5 equiv.
1. a) Catalyse homogne
CF3 IB(OH)2
CF3+
FeCl3 (10 mol%)KF (3 equiv.)
EtOH, 100 C, 16 h
2 equiv.
98%RETRACTED
Monnaie
JoaillerieBanque
Industrie
Chimiedelor
Pd : [Xe] 4f14 5d10 6s1
Mtaux nobles (coinage metals)
AuI, AuIII
Cot en bourse : 1110 $ / oz (mars 2010)(1 oz = 31,10 g)
Toxicit : RAS
Extraction minire (1-30 g /tonnes de minerai extrait)Traitement : Hg, NaCN
Production annuelle (2004) : 2300 t (120 000 t en circulation)Pays producteurs USA (24%) AFS (22%)
Australie (13%) Japon (10%)Demande (2006) :
1. a) Catalyse homogne
31
Chimiedelor
[Au] [Au] [Au]
Mot-cls : Gold + Catalysis
0200400600800
10001200
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
Anne
Nom
bre
d'ar
ticle
s
Mot-cl : catalysis (normalis)
X10en10ansSource:SciFinder CAS
AcidedeLewislectrophile
1. a) Catalyse homogne
Crationdecomplexit molculaire:Ractions tandem
TsN
TsN
H
TsN[Au]TsN [Au]
+
-
TsN
[Au]
TsN
[Au]
[Au] 4liaisonsformes
Chimiedelor1. a) Catalyse homogne
32
Cycloisomrisationdnyne1,5etinsertiondeCsp3H
Cycloisomrisationdnyne1,8asymtriqueavecrarrangementactatepropargylique
ChimiedelorCrationdecomplexit molculaire:Ractions tandem
H
H
HH
t-Bu3PAuCl (2 mol%)AgSbF6 (2 mol%)
CH2Cl2, TA, 15 min
OAcOAc
L*=(R)-3,5-xylyl-BINAP
94%, ee 92%
L*(AuCl)2 (2,5 mol%)AgSbF6 (5 mol%)
MeNO2, -25 C
1. a) Catalyse homogne
OH
Ph
O
Ph
AuCl3
AuCl3Ph
OH
+
Ph
OH
OH
O
OHPh
O
[Ir(cod)Cl]2
MeOH
PhMeOOC
MeOOC
[Ph3PAuCl]
OMe
OMe
OMe
OMePh
HMeOOC
MeOOC
+
Hydroalkoxylation intra- et
intermolculaire
Cycloisomrisation dnyne-1,6 et
hydroalkoxylation intramolculaire
Cycloisomrisation dnyne-1,6 et Friedel Crafts
Crationdecomplexit molculaire:Ractions tandem
1. a) Catalyse homogne
33
Cycloaddition [4+3]desterspropargyliques etNphenylimines
ChimiedelorCrationdecomplexit molculaire:
BzO NArR'
R
NArR'
R
OBz
NAu O
O
ClCl
+
PicAuCl2=
PicAuCl2 (5 mol%)
CH2Cl2, TA
1. a) Catalyse homogne
Certains catalyseurs solubles basedeplatine,palladiumou rhodium,permettentderaction lhydrognation catalytique enphasehomogne.Cest lecas ducatalyseur deWilkinsonOsborn:RhCl(PPh3)3
Solventsdhydrognation :EtOH/benzne,toluene
Laraction procde parunmcanisme impliquant additionoxydante etliminationrductrice,avecune tape dhydromtallation quiconduit une stroslectivitsyn.
H HRhCl(PPh3)3 cat.
H2 (1 atm)Addition syn
Hydrognation1. a) Catalyse homogne
34
RhH
H
RhH
H
RhHH
H H
HH
RhIAddition oxydante
Hydromtallation
Elimination rductrice
Hydrognation1. a) Catalyse homogne
Lhydrognation peut tre ralise enprsence deligandschiraux quivonttransmettre leur chiralit auxproduits forms.Lescatalyseurs sont basederhodium,ruthnium,platine,palladium.
O
NH
H H
O
H H
NH H
*
*
*
Les ligands chiraux utiliss dansces ractions sont souvent desphosphineschirales,prsentantuncentre,ouunaxedesymtrie.Onparlealorsdephosphines chiralesparatropoisomrie.
Hydrognation1. a) Catalyse homogne
35
Phosphines chirales
PPh2PPh2
(S)-BINAP
P
P OMe
OMe
(R,R)-DIPAMP
O
O PPh2PPh2
(S,S)-DIOP
P P
(R,R)-tBu-MiniPHOS
P
P
TangPHOS
P
P
DuanPHOS
PPh2
PPh2
(S,S)-CHIRAPHOS
PPh2
PPh2
(S,S)-SKEWPHOS
NPh PPh2
PPh2
DEGUPHOS(Degussa)
Hydrognation1. a) Catalyse homogne
En2001,leprixNobeldechimie at attribu WilliamS.Knowles,Ryoji Noyoriet BarryK.Sharpless pourleurtravailsurlesractionscatalytiquesnantioslectives.
R.Noyori anotammenttravaill surlesligandsatropoisomres drivsdubinaphtol,etutilis ceuxcienhydrognationasymtrique.
()-BINOL
Hydrognation1. a) Catalyse homogne
36
Applications:synthse delaparadisone (procd GentFirmenich)
Raction diastroselective (cis vs trans avec98%dexcs)etnantioslective (SSvs RR avec60%dexcs).
O
MeOOC
O
MeOOC
P P
L*=(R,R)-MeDuPHOS
[Ru / L*] (1 mol%)
H2 (P=90 bars)CH2Cl2
rdt=99%de>98%ee>60%
Hydrognation1. a) Catalyse homogne
Applications:synthse delaparadisone (procd GentFirmenich)
Hydrognation
O
MeOOC
rdt=9de>9ee>6
cisRS =85%cisSR=9%transRR=5%transSS=1%
1. a) Catalyse homogne
37
Oxazaborolidinium
BO
N
H PhPh
H+
X -
BO
N
H PhPh
CH3+
X -
BO
N
H PhPh
Al
+
X -Br3
BO
N
H Ph Ph
H+
Tf2N-
CHOH
OOCH2Cl2, -95 C
+76%
ee 96%
Cycloaddition [4+2]
()(1R,2S)Georgyone
AcidedeLewis
SubstanceactivedeGeorgywood (Givaudan)
1. a) Catalyse homogne
1. Catalyse
b) Catalyse htrogne, supporte
38
Dans les processus de catalyse htrogne, le catalyseur est solide et la phase ractive est fluide (liquide ou gazeuse). Ces ractions interviennent linterface, est font appel des notions de chimie de surface comme ladsorption, la dsorption, mais aussi les notions de surface spcifique, porosit.
De nombreux procds industriels font appel la catalyse htrogne, en particulier dans des ractions de raffinage, craquage, et autre transformation de chimie des intermdiaires.Souvent, ces catalyseurs sont actifs dans des conditions de temprature et de pression assez levs, pour des raliser des transformations de base :
-Craquage, vapo-craquage-Reformage catalytique-Conversion mthane/syngas-Procd Fischer-Tropsch-Synthse du mthanol-Procd Monsanto de synthse de lacide actique-Hydroformylation des alcnes, procd OXO-Zolithes-Hydrognation catalytique
1. b) Catalyse htrogne
Distillation du ptrole
Gaz liqufiablesC3-C4 : jusqu 20 C
Brut
Distillation pressionatmosphrique
Distillation sous pression rduite
Ether de ptroleC5-C6 : de 20 C 60 CNaphtaC6-C7 : de 60 C 100 CEssenceC6-C12 : de 60 C 200 C
Fioul
Huiles de graissage
Paraffines
Bitume
KrosneC12-C18 : de 175 C 275 CGasoil> C18 : plus de 275 C
39
PETROLEBRUT
NAPHTA
GASOIL
VAPOCRAQUAGE
ETHYLENEPROPENE
ButneIsobutneButadine
REFORMAGECATALYTIQUE
BENZENE
ToluneXylnes
DEPARAFFINAGE Paraffines
Craquage catalytique
Le craquage catalytique est un processus dans lequel des alcanes longue chaines se brisent lorsquils sont ports 500 C environ en prsence de catalyseurs platine-molybdne. En rsulte un alcane et un alcne de masse molaire plus faible.
Vapocraquage
Les produits de dpart sont gnralement du naphta, mais peuvent galement tre de l'thane ou du GPL. Mlangs avec de la vapeur d'eau, ils sont amens environ 800 C par passage dans des tuyaux en acier (25% chrome, 20% nickel) et fragmentent en produit insaturs, principalement thylne et propylne, selon la charge utilise.
naphtaPt-Mo
500 C, 2-3 atmAlcanes, alcnes
naphtaPt-Mo
800 C, 1 atmCH4, CH2=CH2, CH3-CH=CH2
17% 34% 16%
1. b) Catalyse htrogne
40
Reformage catalytiqueLe reformage catalytique est un processus dans lequel les composs naphtniques dont le cyclohexane, sont dshydrogns 550 C sous haute pression en prsence de catalyseurs base de platine.
naphtaPt
550 C, 20-40 atmBenzne, aromatiques, essence
1. b) Catalyse htrogne
Conversion mthane/syngas
Le gaz de synthse est un mlange de CO et H2 form par chauffage (1000 C) de carbone solide et de vapeur deau sous O2.Par chauffage en prsence de catalyseur base de nickel, on peut galement former le gaz de synthse :
La proportion CO/H2 peut tre module par la raction du gaz leau (syngasreaction) :
CH4 H2O CO 3 H2Ni
700-1100 CCH4 H2O CO 3 H2
Ni
700-1100 C
CO2 H2 CO H2OCO2 H2 CO H2O
1. b) Catalyse htrogne
41
Procd Fischer-Tropsch
Au cours du procd Fischer-Tropsch, monoxyde de carbone et dihydrogne (syngas) sont convertis en hydrocarbures (C4, C5 et jusqu C9). Les catalyseurs les plus courants sont base de fer ou de cobalt.
Cette mthode a t value comme source ventuelle dessence de synthse, mais cette raction conduit la formation disomres, de 1-alcnes, est quelques composs oxygns (aldhydes, ctones, .), et reste bien plus onreuse que lessence issue des raffineries.
(2n+1) H2n COCo, Fe
, 1-150 atmCnH2n+2 n H2O(2n+1) H2n CO
Co, Fe
, 1-150 atmCnH2n+2 n H2O
1. b) Catalyse htrogne
Synthse du mthanol
Il sagit lorigine dun procd trs ancien (BASF, 1923) de synthse du mthanol partir du gaz de synthse sur des catalyseurs de type ZnO et Cr2O3.
Aujourdhui, le procd a t amlior avec notamment lutilisation dun catalyseur au cuivre ( 250 C et sous 15-150 bars).
Procd METHANEX
La production de mthanol reprsente 36 Mtonnes par an (en 2006). Le mthanol peut servir de substance de base la production dessence synthtique (procdMTG, methanol to gasoline sur zolithes)
2 H2COZnO/Cr2O3
, atmCH3OH2 H2CO
ZnO/Cr2O3
, atmCH3OH
1. b) Catalyse htrogne
42
Procd Monsanto de synthse de lacide actique
La socit Monsanto (St-Louis, USA) dispose dun procd de synthse dacide actique partir du mthanol par carbonylation en prsente de catalyseur au colbalt (HCo(CO)4) ou au rhodium ([(CO)2RhI2].Ph4As) 200 C sous 30-40 atm.
MeOH + HI
MeI + H2O
CH3COOH
addition oxydante
migration
liminationrductrice
H2O+ HI
CO
CO
CO
CO
CO
CO
CO
-
-
-
-
CO
MeOH + HI
MeI + H2O
CH3COOH
addition oxydante
migration
liminationrductrice
H2O+ HI
CO
CO
CO
CO
CO
CO
CO
-
-
-
-
CO
Demande mondiale : 6,5 Mtonnes/an
Hydroformylation des alcnes, procd OXO
Comme son nom lindique, la raction consiste en laddition dun hydrogne (hydro) et dun groupe CHO (formyle) une double-liaison C-C.
La formation du linaire (le plus demand industriellement) est striquementfavorise. On peut donc contrler le rapport linaire/ramifi en ajoutant au catalyseur des ligands.
Cette raction peut tre ralise par catalyse homogne ou htrogne.
Catalyseurs : HRh(CO)(PPh3)2, HCo(CO)4 ( HCo(CO)3)
CO H2catalyseur
120-200 C200-300 atmCO/H2 1:1 linaire branch
(ramifi)
CO H2catalyseur
120-200 C200-300 atmCO/H2 1:1 linaire branch
(ramifi)
1. b) Catalyse htrogne
43
Zolithes
Une zolithe est un minral appartenant la famille des aluminosilicates hydrats de mtaux des groupes IA et IIA, tels le calcium, le magnsium et le potassium.Les proprits acides remarquables des zolithes et la slectivit que leur donne leur structure poreuse en ont fait des catalyseurs trs utilies pour les transformations d'hydrocarbures (raffinage et ptrochimie). Une autre propritessentielle des zolithes est leur grande adaptabilit. La taille des pores et leur tortuosit peuvent tre lgrement modifies permettant le tamisage souhait des molcules de ractifs ou de produits. Ces catalyseurs htrognes sont utiliss comme catalyseurs acides.
Applications : conversion MeOH essence par HZMS5 (MTG), zolithes dopes par des mtaux (Ti, Pt, ), craquage catalytique, alkylation du benzne (ethylbenzne, cumne), isomrisation de coupes
1. b) Catalyse htrogne
Hydrognation catalytique
O
N
H H
H H
O
H H
NH H
NH2
Les liaisons multiples, doubles ou triples peuvent tre hydrognes par H2 en prsence dun catalyseur.
1. b) Catalyse htrogne
44
a) Palladium ou platine support
On connat depuis longtemps lhydrognation catalyse par le palladium sur charbon. Cest une raction catalytique htrogne, au cours de laquelle le catalyseur nest pas solubilis dans le milieu ractionnel, et qui intervient la surface de ce dernier.
Les principaux mtaux utiliss pour cette raction sont le palladium et le platine, plus rarement le nickel, finement divis, supports sur charbon une teneur de 5 ou 10%. Souvent, ils se trouvent ltat doxydation 0, mais on peut aussi utiliser Pd(OH)2, ou dautres sels supports.
Le catalyseur de Lindlar est un palladium empoisonn , cest--dire trait au pralable par une substance qui va diminuer son activit, en loccurrence le sulfate de barium, BaSO4, ou lactate de plomb, Pb(OAc)4. Cette modification permet dhydrogner les triples liaisons, plus ractives, en sarrtant aux alcnes forms.
Hydrognation catalytique1. b) Catalyse htrogne
H H
HH
H HHH
HH
H H
Surface du mtal
H HHH
HH
H H H HH HH H
Surface du mtal
HH
H HH H
H
Surface du mtal
HH
H HH H
H
Surface du mtal
HH H H
H H H
Surface du mtal
HH H H
H
Surface du mtal
Diffusion dH2 Adsorption de H2
Approche de lalcne cis-hydrognation Diffusion de lalcane form
45
Catalyse supporte
Dans les processus de catalyse htrogne, le catalyseur est solide et la phase ractive est fluide (liquide ou gazeuse). Ces ractions interviennent linterface, est font appel des notions de chimie de surface comme ladsorption, la dsorption, mais aussi les notions de surface spcifique, porosit.
Dans les processus de catalyse supporte, des catalyseurs homognes sont lis des supports solides insolubles de faon profiter de la slectivit et de lefficacit de la catalyse homogne pour la chimie fine, tout en profitant aussi de la simplicit de traitement en fin de raction et de la recyclabilit des catalyseurs htrognes.
Il est possible dimmobiliser des catalyseurs sur des supports insolubles pour les utiliser dans des ractions de catalyse htrogne.
1. b) Catalyse htrogne
Immobilisation sur des supports organiques ou minraux (charbon, alumine, clite, cellulose, verre poreux, rsines organiques, polystyrne) par :
adsorption (interactions de faible nergie) liaison covalente agrgation
ou pigeage dans des rseaux : gel (hydrogel, xrogels, ) rsines dendrimres micelles nanotubes de carbone
RsineMlange(CH2Cl2)
1 minute Equilibre(2-3 minutes)
Catalyse supporte1. b) Catalyse htrogne
46
Le principe dimmobilisation des catalyseurs a pour but un gain en stabilit, mais galement de les sparer facilement des substrats et produits en fin de raction. On peut parvenir au mme rsultat en attachant le substrat un support, et en laissant le catalyseur libre en solution. On utilise les rsines organiques de la chimie en phase solide :
- Polystyrene, PL
- Polystyrene, htropolymre avec :2% PolyTetraHydroFuran (PTHF)
= JandajelPEG + acrylamide = PEGA50-70% PEG = Tentagel
-PEG1500
portant une fonction chimique qui sert de site dancrage
(0,2-1,0 mmol/g de support) www.rapp-polymere.com
Catalyse supporte1. b) Catalyse htrogne
Cas des liquides ioniques
Les liquides ioniques (en anglais RTILs, Room Temperature Ionic Liquids) sont des sels forms partir de cations organiques et sont liquides temprature ambiante.
Ces liquides se caractrisent par une trs faible pression de vapeur, une forte polarit et dans certains cas une forte hydrophobie. Ils ne sont pas solubles dans les solvants organiques usuels.
Ces caractristiques en font des solvants intressants pour des ractions biphasiques.
Les principaux intrts sont le recyclage du catalyseur; que lon dit squestr dans le liquide ionique.
N+
F BF
F
F-
F PF
FF F
F-
NSS
O
O
CF3
O
O
CF3
-
N
O
O O
-
NN
Cation Anion
+
BMIM
BMP
BF4
PF6
Tf2N
1. b) Catalyse htrogne
47
1. Catalyse
c) Catalyse doxydation
c) Catalyse doxydation
Loxydation consistant en la perte dlectron(s), elle ne peut se faire quen prsence dun accepteur dlectrons qui devra donc tre prsent en quantitstchiomtrique ou en excs.
Loxydation catalytique est donc lutilisation de catalyseur comme agent de transfert des lectrons entre le substrat organique et loxydant terminal, qui sera le plus souvent O2, H2O2 ou NaOCl. La prsence du catalyseur va permettre dactiver ces oxydants terminaux et dobtenir une bonne slectivitdans les produits doxydation
Mx-2
substrat oxyd
Mxsubstrat
Mx
substrat
Oxydant
Substrat oxydoxydant rduit
1/2 O2 H2O
H2O2 2 H2O
ROOH ROH + H2O
NaOCl NaCl + H2O
2 H+
2 H+
2 H+
2 H+
48
On cherche utiliser des mtaux dont les potentiels redox E vont tre compatibles avec les potentiels des substances organiques.
Fe : Fe2+ Fe3+ + 1 e-(4s24p64d6) Fe Fe2+ + 2 e-
Fe Fe3+ + 3 e-
Ru : Ru2+ Ru3+ + 1 e-(5s25p64d6) Ru Ru3+ + 3 e-
Os : Os6+ Os8+ + 2 e-(6s26p64f145d6)
Mn : Mn Mn2+ + 2 e-(4s24p63d5)
E (V)ESH
Cu2+/Cu +0.34
Bi3+/Bi -0.23
Mg2+/Mg -2.37
Sn2+/Sn -0.14
Al3+/Al -1.66
Ca2+/Ca -2.87
Sn4+/Sn2+ +0.15
Sm3+/Sm -2.01Sc3+/Sc -2.08
Cu2+/Cu+ +0.15
Cu+/Cu +0.52
RuO2/Ru -0.80Fe2+/Fe -0.44
Fe3+/Fe2+ +0.77
Trop bas
MnO2/Mn2+ +1.21MnO4-/Mn2+ +1.51MnO4-/MnO2 +1.68
Ru4+/Ru3+ +0.49OsO4/Os +0.85
c) Catalyse doxydation
Dans la Nature, ces mtaux participent aussi aux processus doxydation de substrats organique :
N
N
N
N FeCytochrome P450
Porphyrine
Chlorophylle
N N
NN
OMeOOCRO
O
Mg
Hemoglobine
PeroxydaseN
N
N
N Mn
c) Catalyse doxydation
49
a) Systme au fer
Deux type dactivation dH2O2 peuvent intervenir avec le fer :
Raction de Fenton (1894) :Coupure homolytique du peroxyde radicaux
Source de radicaux pour oxyder alcanes, alcools et sulfures, principalement.
Formation dintermdiaires de type mtal-oxoCoupure htrolytique du peroxyde
Fe2+ H2O2 Fe3+ HO HO-.+ + +
O
Fe2+ H2O2 Fe4++ + H2O
c) Catalyse doxydation
a) Systme au fer
Cest le couple Fe3+/Fe2+ qui est impliqu dans la plupart des processus doxydation catalytique, biologique ou chimique, en association avec loxygne molculaire O2 ou lhydroperoxyde dhydrogne H2O2.
Raction de Fenton (1894) :Coupure homolytique du peroxyde radicaux
Source de radicaux pour oxyder alcanes, alcools et sulfures, principalement.
Fe2+ H2O2 Fe3+ HO HO-.+ + +
O OH
H2O2+Fe(ClO4)2 (10 mol%)
CH3CN+
90 10
c) Catalyse doxydation
50
a) Systme au fer
Mcanisme radicalaire
Abstraction dhydrogne :
H
HO .+ H2O.
+
.+ Fe3+ + Fe2+
+
OH
+ H2O+
+ H +
OH
HO.OH
+ + H2O.
OH O
+ + HFe3+. + + Fe2+
Oxydation 1 e- :
Addition dhydroxylate :
Abstraction dhydrogne :
Oxydation 1 e- :
c) Catalyse doxydation
a) Systme au fer
O
O
O
O
OH
[FeIII] (1 mol%)iPr-CHO (3 equiv.)
(CH2Cl)2, O2
c) Catalyse doxydation
51
b) Systme au ruthnium
Activation de C-H dalcanes
OHRuCl3 (5 mol%)NaIO4 (4 equiv.)
(Espce catalytiquement active : RuO4)
OAc
O
OAcRuCl3 (20 mol%)NaIO4 (3 equiv.)
c) Catalyse doxydation
b) Systme au ruthnium
Oxydation dalcynes
Oxydation de fonctions oxygnes
OH
OH
O
O
RuCl3 (5 mol%)NaOCl (2 equiv.)
H2O, rt
GPO OGPO O
GPO OGPO
OHORuCl3 (10 mol%)NaOCl (2 equiv.)
CH2Cl2
Furanol
c) Catalyse doxydation
52
c) Systme au manganse
Coupure oxydante lalcnes
O
OH
HOOC
OAc
O
KMnO4 (15 mol%)NaIO4 (6 equiv.)
t-BuOH/H2O
Acetate de testostrone
OO
KMnO4 (cat.)NaIO4 (1 equiv.)
t-BuOH/H2OOO
HOOC
OH
OHOOC
OH
c) Catalyse doxydation
c) Systme au manganse
Epoxydation asymtrique de Jacobsen
COOEt
O
COOEt
[Mn] cat.
NaOCl (1 equiv.)
CH2Cl2
4-PPNO
ee 95%cis/trans = 3.5/1
N N
O OMnCl
ON
Catalyseur de Jacobsen 4-PPNO
+
-
c) Catalyse doxydation
53
Epoxydation asymtrique de Jacobsen (mcanisme)
O
[MnIV]
RE
O
E
R N
O
Ph
N
Ph
[MnII]
NaOCl
NaCl
+
-
MnIIIR
E
OMnV
RE
OMnIV
.
RE
OMnIV
.
E
OMn
R
V
.
RE
O
RE
O
+ou ou
c) Catalyse doxydation
d) Systme losmium
Oxydation en de carbonyle (ou leurs quivalents)
Oxyamination dolfines
Me3SiO
R 1 R 4
R 2
R 1 R 4
R 2O OH
OsO4 (2 mol%)NMMO (1 equiv.)
acetone
1/
2/ H3O+
OH NHTs
-BuOH, O2t
OsO4 (1 mol%)+ TsNClNa
c) Catalyse doxydation
54
d) Systme losmium
Oxydation en de carbonyle (ou leurs quivalents)
Coupure oxydante lalcnes
N
O
O OTMS
H N
O
O O
HOH
N
O
O OH
HOH
OsO4 (4 mol%)NMO (2 equiv.)
Pancracine(hypotenseur)
H
H
OH
O
H
H
OH
O
OH
H
OHO O
O
OH
OsO4 (5 mol%)NaIO4 (0,5 equiv.)
(-)-corioline(antitumoral)
c) Catalyse doxydation
Catalyse : Applications industrielles
a) Fischer - Tropsch
Le procd Fischer-Tropsch est une raction impliquant le monoxyde de carbone et le dihydrogne pour les convertir en hydrocarbures. Les catalyseurs utiliss pour cette raction sont base de fer ou de cobalt le plus souvent. L'intrt de la conversion tant de produire du carburant liquide synthtique partir de charbon et de gaz.
Gaz de synthse :
Raction de Fischer Tropsch :
20 barils/jour
Cs + H2O CO H2+1000 C
(2n + 1) H2 + n CO CnH2n+2 + n H2O
55
b) Hydroformylation / hydrocarboxylation
Il sagit de laddition dun hydrogne (hydro-) et dun groupement CHO (formyl) sur une double liaison, catalyse par des complexes du rhodium ou du cobalt (Procd OXO). Cette raction fait galement appel au gaz de synthse(syngas).
Lespce catalytiquement active est un hydrure mtallique, et le mcanismeimplique une hydromtallation, insertion de CO, addition oxydante et limination rductrice.
RR
CHO
RCHOCO + H2
[M] cat.
100 - 200 C200 - 300 bars
+ +
branch linaire
Catalyse : Applications industrielles
b) Hydroformylation / hydrocarboxylation
Application : synthse de libuprofne et du naproxne
MeO
CHO
MeO
COOH
MeO
[Rh], L*
CO, H2 *Ox.
*
CHO COOH[Rh], L*
CO, H2 * Ox. *
Catalyse : Applications industrielles
56
Pour lhydrocarboxylation, on remplace H2 par H2O, ROH, NHR2 pour former les acides, esters ou amides correspondant selon un mcanisme similaire.
Application : synthse de lacide acrylique partir de lacetylne.
Lacide acrylique est un monomre pour la fabrication de polymre acrylique, utilis dans lindustrie textile.
COOHEtOH/THF
Ni(CO)4, HCl
CO, H2O
Catalyse : Applications industrielles
Procd Monsanto
Synthse de lacide actique partirdu mthanol (plusieurs millions de tonnes par an)
Me OH Me COOH
CO
[Rh] ou [Co] cat.
HI
200 C, 30-40 bars
[Rh(CO)2I2]-
[CH3Rh(CO)2I3]-
CH3I
CH3OH
H2O
CH3COOH
H2O
CH3CI
O
[CH3CRh(CO)2I3]-O
[CH3CRh(CO)I3]-O
HI
CO
Catalyse : Applications industrielles
57
Synthse du menthol (socit Tagasako)
NEt2
NEt2 CHO
OH OH
Li, Et2NH
(S)-BINAP-Rh H3O+
ZnBr2 H2, Ni
myrcene dithylgeranylamine
(R)-citronellal enamine (R)-citronellal
isopulegol (-)-menthol
Catalyse : Applications industrielles
Procd Wacker
R R
OR
O
H
[PdII] cat.
HCl, H2O+ 1/2 O2
[CuII] cat.+
O
H CH3
2 CuCl2
2 CuCl2 HCl + 1/2 O2
H2O PdClCl H
OH
H HHII
+
PdClCl Cl
Cl2-
IIPd
ClClCl
II-
PdClCl
H HOH
HH
-
II
PdH
ClCl
OHII
-
PdH
ClCl OH
II
-
PdCl OH2Cl
II
PdClCl
OHII
PdHO
ClCl
HH
HH
- Cl-+ H2O- HCl- Cl-
+ H2O- H+
- H+II
-
-
Catalyse : Applications industrielles
58
2. Biocatalyse
a) Nature et fonction des enzymes chez les organismes vivants
Acides amins Protines
On appelle couramment acides amins les acides -amins (ou 2-aminoacides) de formule gnrale :
La configuration des acides amins est presque toujours S, on parle de L-acides amins.
R est la chaine latrale, et cest la seule diffrence entre les acides amins. R peut-tre un substituant :
alkyle (Me, iPr, iBu, ) aromatique (Ph-CH2, 4-OH-C6H4-CH2) htrofonction ((CH2)2COOH, CH2OH, CH2SH, (CH2)4NH2) un simple atome dhydrogne ou dautres groupes plus compliqus (guanidinium, indole, imidazole, )
R
NH2 COOH
H
b) Biocatalyse : Nature et fonction des enzymes
59
Cette diversit des chaines latrales est trs importante dans lauto-organisation de ces polymres dacides amins en polypeptides.Il existe 20 acides amins essentiels qui rentrent dans la composition des protines, plus quelques autres utiliss dans le mtabolisme des organismes vivants.
NH2
ONH
NHNH2
OH
arginine
NH2
ONH2
OH
lysine
NH2
O
N
NH
OH
histidine
NH2
O
SH OH
cystine
NH2
O
OH
phenylalanine
NH2
O
N
OH
Htryptophane
NH2
O
OH
OH
tyrosine
NH2
O
O
OHOH
ac. aspartiqueNH2
OO
OH
OH
ac. glutamique
NH2
OH
O
OH
serine
NH2
OH O
OH
thronine
NH2
O
O
NH2
OH
asparagineNH2
OO
NH2OH
glutamine
NH2
O
OHH
glycine
NH2
OS
OH
methionine
NH
O
OH
proline
NH2
OCH3
OH
valine
NH2
O
OH
leucine
NH2
O
OH
isoleucine
NH2
O
OH
alanine
Hydrophobes :
Acides (donneurs H) :
Aromatiques :
Divers (polaires, accepteurs H, ...) :
Chaine latrale plutot :
La protine est un polymre dont le monomre est lacide -amin :
NH
O
NH
NH
NHNH
NH2
O
NH
ONH2
ONH
OH
O
NH
S
ONHO
NNH
NH
O
SH
NH2
OCH3
O
OHNonapeptide(9 acides amins)
Hexaicosapeptide(16 acides amins)
Protine (200-300 acides amins, record : 27000)
1
0,5 nm
50 nm
=1 acide -amin
60
Lordre denchainement des acides -amins = squence, ou structure primaire.Organisation spatiale par liaisons de faibles nergies
liaison hydrogne ~20 kJ/mol ex :
liaison van der Waals ~4 kJ/mol ex : diple-diple induit
Et un certain type de liaisons covalentes impliquant un acide amin particulier, la cystine, capable dtablir des ponts disulfure
liaison covalente S-S ~150 kJ/mol ex : R-S-S-R
Une fois organise, la structure de la protine ne va plus voluer que dans une sorte de respiration conformationelle base sur une somme de petites variations de longueurs et dangles de liaisons, coordonnes autour de leau de constitution des protines, qui joue le rle de lubrifiant lintrieur de celle-ci.
N
O
O
H
N
O
O
H
b) Biocatalyse : Nature et fonction des enzymes
La fonction des protines dcoule de cette organisation qui confre ldifice une architecture fonctionnelle. On classe la fonction des protines en trois types : structure, transport et mtabolisme, les enzymes entrant dans la troisime catgorie.
Structure : collagne, kratine, glycoprotines,
Transport : canaux ioniques, odor binding protein, hmoglobine,
VIH
61
Protines ayant une activit chimique : les enzymes
Les enzymes sont des protines doues de proprits de catalyseurs des ractions chimiques du mtabolisme.
Pour chaque enzyme, on peut dfinir une raction chimique associe et le plus souvent un substrat caractristique.
Ces proprits sont la cl qui permet aux enzymes daccomplir une grande partie du mtabolisme des organismes vivants en ralisant les ractions chimiques indispensables telles que la dtoxification, lactivation de mdiateurs chimiques, la digestion, etc.
On distingue six classes denzymes correspondant six grandes catgories de ractions :
1. Oxydorduction Oxydorductases2. Transfert de groupements Transfrases3. Hydrolyses Hydrolases4. Coupure de liaisons Lyases5. Isomrisation Isomrases, synthtases6. Couplage Ligases
Cofacteurs, coenzymes et cosubstrats
Les cofacteurs sont des molcules indispensables lactivit des enzymes. Ils peuvent avoir un rle daccepteurs ou donneurs de protons, dlectrons, et vont permettre lenzyme, modifie au cours de la raction quelle catalyse, de retrouver sa forme initiale afin de pouvoir entrer dans un nouveau cycle catalytique.
Ex : H2O2, NADH/NADPH, AcylCoA, ions mtalliques (Mg2+, Fe3+, )
O OH
enzymeoxyde
enzymereduite
1/2 H2O2H2O
Peroxydase
Les cofacteurs sont naturellement prsent dans les cellules des organismes vivants do sont extraites les enzymes. Limportance des cofacteurs peut poser un problme pour lutilisation denzymes purifies dans des applications en synthse organique.
62
N
O
NH2
OH OH
O N N
N N
NH2
O POH
O
O POH
O
OROH
O
ON
O
NH2
OH OH
O N N
N N
NH2
O POH
O
O POH
O
OROH
O
O
+
Nicotinamide Adnine
Dinuclotide
R=H
H+, 2e-
Remarque : si R=PO3H, on a alors NADPH (Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate H).
Cofacteurs, coenzymes et cosubstrats
Les cofacteurs sont des molcules indispensables lactivit des enzymes. Ils peuvent avoir un rle daccepteurs ou donneurs de protons, dlectrons, et vont permettre lenzyme, modifie au cours de la raction quelle catalyse, de retrouver sa forme initiale afin de pouvoir entrer dans un nouveau cycle catalytique.
Ex : H2O2, NADH/NADPH, AcylCoA, ions mtalliques (Mg2+, Fe3+, )
Les cofacteurs sont naturellement prsent dans les cellules des organismes vivants do sont extraites les enzymes. Limportance des cofacteurs peut poser un problme pour lutilisation denzymes purifies dans des applications en synthse organique.
OH
OP
OOH
O PO
O
O
O OH
N
N
NN
NH2
POH
OOH
O
S
NH
O
NH
O
OH
O
CoA
O
CoA
OH
O
Acetyl-CoA Malonyl-CoA
Cofacteurs, coenzymes et cosubstrats
Les cofacteurs sont des molcules indispensables lactivit des enzymes. Ils peuvent avoir un rle daccepteurs ou donneurs de protons, dlectrons, et vont permettre lenzyme, modifie au cours de la raction quelle catalyse, de retrouver sa forme initiale afin de pouvoir entrer dans un nouveau cycle catalytique.
Ex : H2O2, NADH/NADPH, AcylCoA, ions mtalliques (Mg2+, Fe3+, )
Acyl
CoA
Les cofacteurs sont naturellement prsent dans les cellules des organismes vivants do sont extraites les enzymes. Limportance des cofacteurs peut poser un problme pour lutilisation denzymes purifies dans des applications en synthse organique.
63
Rle des enzymes dans le mtabolisme : cas du pyruvate CH3COCOO-
http://www.brenda-enzymes.info/
2. Biocatalyse
b) Utilisation des enzymes pour la synthse organique
64
Les enzymes sont constitues dacides amins chiraux, et sont donc elles-mmes chirales.
1. Pour laccs la chiralit
Une application importante de la catalyse enzymatique en synthse organique est donc laccs la chiralit par ddoublement enzymatique de racmiques.
COOMe
COOMe COOH
COOMe COOMe
COOMe
Pig Pancreatic lipasePPL
Solution tampon+
ee=73% ee=95%
S R
ee= |[S] - [R]|
[S] + [R]Rgio- et nantioslectivit
b) Biocatalyse : utilisation des enzymes en synthse
Au cours de la raction, les deux nantiomres ragissent avec une cintique diffrente, ce qui permet lnantioslectivit de la raction.
Cette diffrence de cintique est la consquence directe des contraintes structurales imposes par le site actif de lenzyme. La gne strique dont sera victime le mauvais nantiomre va entrainer une hausse de lnergie dactivation de la raction impliquant ce dernier compar la raction du bon nantiomre.
Ddoublement enzymatique de racmiques
A
B
C
D
BA
CH2COOMeHCH3
COOMe
C
Enantiomre 1 bon
D
AB
CH2COOMeCH3H
COOMe
CA
B
C
Enantiomre 2 mauvais
Interactions favorables Interactions dfavorables
E
Raction
E1, E2
P1, P2
ET2
ET1
65
Le ddoublement de racmiques a une limite de rendement de 50%, puisquon ne sintresse qu lun ou lautre des deux nantiomres qui composent chacun la moiti du mlange.Des stratgies de ddoublement dynamique ont t labores afin de supprimer cette limite en faisant appel des ractions simultanes de racmisation du substrat non-converti. Le substrat reste ainsi sous forme de racmique jusqu ce que la conversion soit totale.
COOR
NH2 R'
COOR
NH2 R' NH2 R'
COOHR' OH
COOR
NH2 R'
H
OCOOR
N R'
COOR
N R'
H
+
NH
OH
OOH PO3
+
2-
+
racmique
alcalaset-BuOH/H2O (19:1)
+
racmisation in situ par la formation d'un base de Schiff avec un aldhyde aromatique prsent dans le milieu en quantit rduite (catalyseur)
Ddoublement dynamique de racmiques
Le ddoublement permet donc de sparer deux nantiomres existant en mlange dans un racmique en transformant slectivement un seul des deux.
Une autre application enzymatique est la diffrentiation de substrats prochiraux. Dans ces ractions, le centre de chiralit est cre au cours de la raction enzymatique.
OAc OAc OAc OH
MeO
MeO COOMe
COOMe
MeO
MeO
COOMe
COOH
Pig Pancreatic Lipase
Solution tampon/toluene
S ee=99%
R
achiral
Pig Liver Esterase
Solution tampon+cosolvant
cosolvant : aucun -> ee=25% DMSO -> ee=93%
Diffrentiation de substrats prochiraux
66
La diffrentiation de substrats meso a lieu lorsque lenzyme sattaque prfrentiellement lun des deux groupes fonctionnels. Dans ces ractions, le centre de symtrie planaire est dtruit, ce qui conduit la formation de produits chiraux.
OAcAcO
OHAcO
OAcOH
Pig Liver Esterase
Pig Pancreatic Lipase
Solution tampon
Solution tampon S R
S Rpro-Rpro-S
plan de symtrie
Diffrentiation de substrats meso
EC 3.1.1.3Classe des hydrolasesNombreuses origines vgtales et animalesCatalyse lhydrolyse de triglycrides
Triade catalytique de type Serine/Histidine/Ac. Aspartique (serine hydrolase)
OOO
OO
O
lipase
H2O, pH850 C
OHOHOH
O
OH+ 3
Sus scrofa Lipase (PDB ID: 1ETH)
R
O
O
R'
NH
OO
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
O
H
Enzyme
Site actif
RO
NH
OO
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
OOR' H
Enzyme
Site actif
AcylationEnzyme + substrat
RO
NH
OO
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
OOH H
Enzyme
Site actif
Complexe acyl-enzyme Attaque dun nuclophile
R
O
O
R'
NH
O
O
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
OH
Enzyme
Site actif
La lipase : la rolls des enzymes en synthse organique
67
Enzyme + substrat
R
O
O
R'
NHO
O
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
OH
Enzyme
Site actif
R
O
O
R'
NH
OO
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
O
H
Enzyme
Site actif
Acylation
68
RO
NH
OO
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
OOR' H
Enzyme
Site actif
Complexe acyl-enzyme
RO
NH
OO
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
OOH H
Enzyme
Site actif
Attaque dun nuclophile
69
RO
OH
NHO
O
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
OH
Enzyme
Site actif
Libration du produit, et rgnration du site actif
En suspension dans des solvants organiques, les lipases conservent leur activit et acceptent une plus large gamme de substrats, et notamment dautres nuclophiles que leau dans ltape finale (ici ROH).
Ractions de transestrification :R O
NH
OO
H
NH
O
NN
H
NH
O
O
OOR' H
Enzyme
Site actif
OHO
O
O
O OH
H
O+
Lipase 1 % w/w
toluene, 25 C200 rpm, 48 h
+
Nuclophile Donneur d'acyle(irrversible)
70
R X
OH NHOH
O
R NH
OH
R X
OH NHR
O
R NHR'
R X
OH OOH
O
R OOH
R X
OH NH2
O
R NH2
R X
OH NH-NH2
O
R NH
NH2
+ acides hydroxamiques
+ amides
+ peracides
+ amides
+ hydrazides
Si on remplace ROH par un autre nuclophile tel que ROOH, RNH2, le produit de condensation est obtenu :
Avec les thiols ou les oximes, il ny a pas de raction.
Utilisation des enzymes pour la synthse organique
De nombreuses enzymes appartenant principalement la classe des hydrolases et la classe des oxydo-reductases ont t employes pour des applications en synthse organique
2. Pour la synthse slective de molcules complexes
- ractions hydrolytiques (lipases, estrases, phosphatases, poxidehydrolases, protinases, nitrilases)
- ractions de rduction- ractions doxydation (peroxydases, oxygnases)- ractions de couplage C-C- ractions daddition et dlimination- ractions dhalognation et de de dhalognation
71
Ractions hydrolytiques (lipases)
Cette classe de ractions est la plus frquemment employe en synthse organique.Elle permet lhydrolyse de fonctions esters, amides et poxydes ainsi que la synthse desters, damides ou de drivs dans certaines conditions. Les enzymes utilises pour ces ractions ont limmense avantage de ne pas ncessiter de cofacteurs, en plus de leur nantioslectivit dj vue dans un chapitre prcdent.
Actylation slective dalcools primaires : Candida antartica lipase B (CALB)
OH
OH
OMe
OH
O
OMe
O
O
O
O
O OO
O
OMe
O
O
Pyridine
CH2Cl2
CALB 2% w/w
toluene
Voie enzymatique
Voie chimique
Ractions hydrolytiques (estrases)
Hydrolyse slective de substrats sensibles : Pig Liver Esterase
COOEt
COOH
KOH
EtOH
PLE
tampon
+ + CO2
O
OH
OH
COOMe
O
OH
OH
COOHPLE
tamponProstaglandine E1
Les conditions enzymatiques plus douces permettent disoler ce substrat sensible qui se dcompose dans les conditions habituelles de dcarboxylation par voie chimique.
Les centres chiraux sont prservs de la racmisationqui pourrait se produire en milieu acide ou basique.
72
Ractions hydrolytiques (phosphatases)
Hydrolyse slective desters phosphoriques sensibles :
O
OH OP
O
O OHS S
H
O aldolase OO
PO
O OH
S S OH
OH
OOH
S S OH
OH
O
O
+
phosphatase acidepH 4,8
(+)-exo-brevicomine
(phromone)
Ractions hydrolytiques (phosphatases)
Hydrolyse nantioslective desters phosphoriques :
N N
N N
NH2
OPO
OOH
OHOH
N N
N N
NH2
OH
OHOH
NN
NN
NH2
O PO
OOH
OHOH
5'-ribonucleotidephosphohydrolase
+racmique
73
Ractions hydrolytiques (epoxide hydrolases)
Hydrolyse nantioslective dpoxydes terminaux :
O O OH OHMEH
tampon+
ee>99% ee>99%
MEH=Microsomial Epoxide Hydrolase
O OH OH
HEH
tampon
ee=94%
HEH=Hepatic Epoxide Hydrolase
Ractions hydrolytiques (protinases)
Des enzymes de la classe des hydrolases ont la capacit de cliver les liaisons amides des peptides. Ce sont les peptidases, ou protinases (-chymotrypsine, papane, thermolysine, subtilisine ...). Leur rle dans le vivant est de fragmenter les protines.
RNH2
COOMe estrases ou protases
tampon RNH2
COOH
RNH2
COOMe+
Acide amin D Acide amin L
NH2
O
O
OHOH
NH2
O
OH NH
ONH2
O
O
OHMeOac. aspartique
5000 t/anphenylalanine
5000 t/an
Synthse nantioslective du S,S-aspartame = sucr
Les autres isomres ne produisentpas l'effet sucr recherch :R,S-aspartame = amerS,R-aspartame = insipideR,R-aspartame = insipide
+
Intrt des acides -amins chiraux :
Cependant, pour lutilisation en synthse organique et notamment pour la rsolution dacides -amins, des estrases sont galement utilises.
74
Ractions hydrolytiques (nitrilases)
Le groupe fonctionnel nitrile peut tre hydrolys par deux voie enzymatiques distinctes :
ou diffrenciation de substrats prochiraux :
R N RO
OH
RO
NH2
Nitrilase
2 H2O
Nitrile hydratase
H2O H2O
Amidase
CNNC O
NH2
O
NH2
O
OH
O
NH2nitrile hydratase amidase
rdt=95%ee=95%
OH
CNPh
OH
Ph COOH
Alcaligenes faecalis nitrilase
H2O
ee>99%
Les hydrolyses de nitriles peuvent conduire des produits chiraux par ddoublement :
Ractions de rductions
Les enzymes appartenant la classe des oxydo-rductases ncessitent lemploi de cofacteurs redox, ce qui affecte leur applicabilit. Ces cofacteurs sont NADH (ou NADPH) le plus souvent, largement plus employs que les flavines (FMN) ou les pyrroloquinoline quinones (PQQ).
N
N
NH
N
O
O
OH
OHOH
OH
Vitamine B2(riboflavine)
N
O
NH2
OH OH
O N N
N N
NH2
O POH
O
O POH
O
OROH
O
O
NADH, NADPH
N
NH
O
O
OOH
OH
O
COOH
PQQ
75
Lhydrognation des ctones se fait de manire nantioslective selon le modle de Prelog :
Ceci peut conduire des ractions diastroslectives :
Ractions de rductions
Dshydrognases
Les enzymes de la famille des dshydrognases sont des mtalloenzymes, cest--dire quelle possdent un ou plusieurs cations mtalliques au niveau de leur site actif (Cu, Fe, Zn, ...). Elles sont capables dhydrogner les doubles liaisons C=O de ctones et daldhydes ainsi de certaines liaisons C=C.
OH
LS
O
LS
[H-]
Dshydrognases
NAD(P)H NAD(P)+
S
O
R S
OH
R S
OH
R
HLADH
NAD(P)H NAD(P)+
+
ee=100% ee=100%
Ractions de rductions
Dshydrognases
Le cofacteur est consomm de faon stoechiomtrique, ce qui constitue une limite au dveloppement de cette mthode.
On peut cependant amliorer ce paramtre en recyclant le cofacteur in situ, avec un rducteur chimique comme le dithionite de sodium Na2S2O4 :
O O O OHHLADH
NAD(P)H NAD(P)+
Na2S2O4Na2S2O6
ee>98%
Dans ce cas, on nutilise quune quantit rduite de NADH, qui est donc catalytique.
76
Ractions doxydation
Quatre familles denzymes sont susceptibles de raliser des ractions doxydation de substrats organiques :
Les dshydrognases
Les oxygnases
Les oxydases
Les peroxydases
Subtrat Produitenzyme
cofacteur
Subtrat Produit + H2Omono-oxygnase
cofacteur+ O2
Subtrat Produit di-oxygnase
+ O2
Subtrat Produit + H2O2enzyme
+ O2
Subtrat Produit + H2Oenzyme
+ 1/2 H2O2
Ractions doxydation
Dshydrognases
Les exemples de ddoublement enzymatiques par des dshydrognases existent, et ncessitent toujours la prsence de cofacteurs comme NADH/NAD+.
Et
OHOH
Et
OHOH
Et
OHO Et
OHO
OH
HLADH
NAD+ recycl + +
ee>97%
Aldehyde deshydrogenaseNAD+ recycl
77
Ractions doxydation
Dshydrognases
En prsence de substrats prochiraux ou meso-, une diffrenciation est observe :
HLADH
NAD+ recyclOHOH
OOH
HLADH
NAD+ recycl
OH
OH
OH
O
O
OH
HLADH
NAD+ recyclO
O
HLADH
NAD+ recyclO
OH
O
O
ee=100%
ee=100%
spontan
spontan
Ractions doxydation
Monooxygnases
Loxydation dalcnes par des mono-oxygnases conduit des composs carbonyls par coupure oxydante dans une raction quivalente une ozonolyse.
OMe
O
OMe
Trametes hirsuta mono oxygenase
Tampon pH6, O2
Ces enzymes sont des mtalloenzymes, souvent prsentant un atome de fer dans leur site actif, leur permettant dactiver loxygne molculaire O2. Beaucoup dentre elles appartiennent la famille drive de cytochrome P-450. Les enzymes de type P-450 sont trs prsentes dans les organismes vivant pour accomplir des tches de dgradations de molcules organiques par multi-oxydation (foie, reins, ).
78
Ractions doxydation
Dioxygnases
Laction des dioxygnases sur une double liaison conduit laddition de dioxygne. Mme le benzne, pourtant trs stable, peut tre substrat de ce type denzymes :
Les lipoxygnases sont actives dans la dgradation oxydante des lipides :
OO
OH
OH
di oxygenase rduction
COOH COOH
OOH
Soybean lipoxygenase
O2
Acide linolique
Z Z Z
ee>95%
hydroperoxydation allylique
Ractions doxydation
Peroxydases
Les peroxydases catalysent labstraction dun hydrogne une molcule de type phnolique pour conduire un radical phenoxyle :
Des polymres phnoliques ont t prpars par cette voie :
O OH
CH
OO
O
OH
OH
enzymeoxyde
enzymereduite
1/2 H2O2H2O
homocouplage non-enzymatique
OH
OH Transfertde radical
O
OH
CH
O
OHCH
O
O
O
OH OH
OH
OH
79
Ractions de couplage : formation de liaisons C-C
Aldolases
Les aldolases de type I catalyse des ractions daldolisationvia la formation dintermdiaires de type enamines par raction nuclophile entre une lysine de lenzyme et le partenaire donneur de la raction daldolisation ; elle ne ncessitent pas de cofacteurs ni de cations mtalliques :
Deux carbones asymtriques contigus sont crs.
R
OX
NH
O
NH2
O
Aldolase
XR
N
HH
Enzyme
XR
NEnzyme
R'O
H XR
NEnzyme
OH R'
XR
OH R'
O
*
*
X=H, OH, NH2Enz-B:
H2OH2O
Enzyme
Ractions de couplage : formation de liaisons C-C
Autres aldolases
Les aldolases de type II sont dpendantes de la prsence de pyruvate (CH3C(O)COOH/CH3C(O)COO-) dont elles catalysent laddition.
Les aldolases de type III catalysent laddition dactaldhyde.
Celles de type IV utilisent la glycine comme donneur.
O
OH
O
H R
OO
OH
OR
OH
+
acide pyruvique
aldolase
H
OOH
OPO3HO
H OH
OHOPO3HH
O
DER aldolase+
NH2 COOHR H
O
NH2
COOHR
OH
aldolase+
80
Autres ractions
AdditionLes lyases catalysent laddition deau ou dammoniac des doubles liaisons C=C ou C=O ainsi que laddition de cyanure des C=O. Plus particulirement, les fumarases catalysent des ractions lectrophiles daddition deau sur des doubles liaisons.
GlycosylationLes glycosyltransferases et glycosidases permettent de lier des motifs sucres (glucides) des fonctions alcools.
HalognationCertaines peroxydases comme la chloroperoxidase peuvent catalyser lhalognation de liaisons multiples (alcne, alcynes, aromatiques) en prsence dhalognures (Cl-, Br-, ..) et dH2O2. Dans certains cas, des mthylnes trs activs peuvent tre halogns (-dictones).
3. Organocatalyse
81
Lorganocatalyse, comme son nom lindique, est lacclration de ractions chimiques (catalyse), par laddition de composs organiques en quantit sous-stchiomtrique. Elle sest dveloppe ces dernires annes, en particulier dans des ractions nantioslectives.
Les grandes familles dorganocatalyseurs :
Les alcaloides de type cinchonaN
N
R
HY Y=OH, R=OMe : Quinine, QuinidineY=OH, R=H : Cinconidine, Cinconine
*
*
*
*
Ces sont des produits naturels, abondants et peu chers. Ils prsentent plusieurs carbones asymtriques, mais on utilise surtout deux couples de diastromres que sont quinine / quinidine et cinconidine / cinconine.
161
Organocatalyse
Les organocatalyseurs actuels se caractrisent par :
-La prsence simultane de sites acides (Bronsted) et basiques (Bronsted et/ou Lewis) qui en font des catalyseurs bi-fonctionnels
-Une utilisation des proportions leves (jusqu 20 mol%) par comparaison avec les catalyseurs organomtalliques ou enzymatiques
-Une limitation dans lactivation des ractions (efficaces pour des Ea faibles)
-Une efficacit dans laspect nantioslectivit
162
Organocatalyse
82
Les grandes familles dorganocatalyseurs :
Les acides -amins ou drivs de peptides, galement naturels
A base de proline
N R
H NN
R=COOH : prolineR=COOMeR=CH2OH
A base de petits peptides
O
NH
NH
NH
S
N
OH
Ph
OMe
163
Organocatalyse
Les grandes familles dorganocatalyseurs :
Les drivs azots synthtiques
Les drivs phosphors synthtiques
NPh PhCHO N
N
NN
ON
N
NP
H
HN
OP
H
HPh
..
164
Organocatalyse
83
O
O
O O
O
N
COOH
O
O
NCOO-
H
H
O
O
L-proline
+
CHOO
NO H
H
HO O
NH H
O OO
H OOH
L-proline+
165
Raction daldolisation
Organocatalyse
Aldolisation de type Mukaiyama
ou Mukaiyama vinylogue
OSiCl3
Ph CHO
N
NP
H
HN
O
OSiO
HO
Cl
ClCl
PNNN
Ph
O OH
Ph+cat.
OTMS
OEt
O
H
OOH
OEt
N+
H
O
NCl-
+cat.
166
Organocatalyse
84
Raction de Knoevenagel
NH
N+
RH
NRH
O O
OEtEtO
NRH
H
OO
OEtEtO
OR
H
O O
R
OEtEtO
O O
EtO OEt
H2O
H+
B +
NH
OR
H
O O
R
OEtEtOO O
OEtEtO+
cat.
167
Raction de Morita - Baylis Hillman
Catalyse par une amine tertiaire. Des phosphines ont aussi t utilises pour catalyser cette raction.
NN
O
R H O
OEt O
OEt
OH
R+ cat.
O
OEtO
OEt
OH
RN
N
O
R H
NN
O
OEtNN
O
OEt
NN
O
OEt
RO
H
Base+
-
+
+
H+
168
85
Ouverture dpoxydes par des chlorosilanes
Decarboxylation-reprotonation
O
N PN
H
O Ar
Ph
OSiCl
Cl ClO
PN
NH
OMe
Ph
OH
Cl1/ SiCl42/ KF +
Cl-
cat.
N
OMe
NOH
N
O
COOHCOOMe N
O
COOMe
cat.
169
Organocatalyse
O
HCAN
O OH
AlCl3 LiAlH4 H2SO4
d.r.=8/2ee=83%
Protonation nantioslective dnolates :
170
Charles Fehr, Firmenich
(S,S)-()-vulcanolide, 83% ee(nantiomre le + actif)
O OLi ON
OH
Ph
LDA(2 quiv.)
2,6 quiv.
LDA(2 quiv.)
(R), ee=87%
Organocatalyse
86
Diels-Alder
endo/exo = 95:5ee=98%
CH2Cl2- 55 C
Cat. :
Cat. 20 mol%
Augmente lHOMO
Baisse la LUMO
171
Organocatalyse
ee 97%
5 mol%
COOEtEtOOC
N NH
NH
H H
Ar
OP
O
OH
O
Ar
ee 97%
5 mol%
COOEtEtOOC
N NH
NH
H H
Ar
OP
O
OH
O
Ar
Hydrognation
(+)-Cuspareine (-)-Angustureine (+)-Galipinine(+)-Cuspareine (-)-Angustureine (+)-Galipinine172
Organocatalyse
87
Peptides catalyseurs ?
173
Peptides catalyseurs
Addition-1,4 daldhyde des nitro-olefins
Catalyse namine/ac.carboxylique
N
ONH
O
NH
N O
CO2H
HH
R 1
O
H R 2NO2
O
HR 1
R 2
NO2
N
ONH
O
NH
N O
CO2H
HH
1 mol%
CHCl3:i-PrOH 9:1TA
syn:anti 6:1 99:190-98% ee
+
88
Peptides catalyseurs
Dsymtrisation dun bisphnol par actylation nantioslective
OHOH OAcOH
O
O O
2,5 mol% catCHCl3, -30 C
80%95% ee
BocNHO
NH
NHTrt
NH
O
O
NH
OO
NH
O
NHTs
NN
PhPh
Catalyseur :
Acides amins catalyseurs
Addition dallenoates des ctones ,-insatures
H
O
OBnO
Ph
Ph
OBocNH
PPh2
OMeCOOBn
OPh
Ph+ 94%95/5 e.r.
89
Acides amins catalyseursAldolisation transannulaire
O
O
O
OH
NH
R
CO2H
20 mol%
H
H
O
H
H
H
O
Ph3P=CH2
H
H
H
Li, NH3, THF
puis MeI
NH
F
CO2H
H
H
O
O
NO
F
O
O
H
HH
OH
HH
H
O
10 mol%
DMSO, TA
#
NaOH
Et2O
(+)-hirsutene
er
Acides amins catalyseurs
Raction tricompose de Ugi
178
H
O
Ph
NH
O
NHPh
CF3P
OHH
O
Ph
NH2
CF3t-BuNC
t-Bu
+ +
(10 mol%)
toluene, 80 C
90
Raction de Mannich catalyse par la proline
179
Acides amins catalyseurs
Raction dpoxydation olfines actives
180
OO
PO
OH
i-Pr
i-Pr i-Pr
i-Pr
i-Pri-Pr
(S)-TRIP
OO
OH2O2+
cat. (10 mol%)
NH2NH2.TFA
NH2
NH2
.TFACO2t-Bu
NH2 .Xi-Pr
NH2
NH2.X
X=TFA, (R)-TRIP, (S)-TRIP38:6
2713a4
95:5954a5
90:10
494c7
96:4984b6
82:18
932a3
44:56
921c2
62:38
731b1
erConv. %
Cat.
Entre
1b, 1c 2a3a
a, X=TFAb, X=(R)-TRIPc, X=(S)-TRIP
4a, 4b, 4c
N+H
NR2H
OO
H
Acides amins catalyseurs
91
Raction d-nitroalkylation daldhydes par oxydation :
181
O
Hn-Bu
O
Hn-Bu
Et
NO2
H
O
n-BuEt
NO2
H N
Et
OSiMe3
O-+
20 mol% cat.
CAN (2 quiv.)H2O (2 quiv.)
Base, solvant+ +
NH
NO
Ph .TFA
cat. :
Acides amins catalyseurs
4. Milieux non-usuels
92
1. Eviter les dchets, 2. Maximiser lconomie datomes,3. Concevoir des synthses chimiques moins dangereuses,4. Concevoir des produits chimiques plus srs,5. Utiliser des solvants et des conditions de raction plus srs, 6. Augmenter lefficacit nergtique,7. Utiliser des matires premires renouvelables,8. Eviter dutiliser des drivs chimiques,9. Utiliser des catalyseurs, pas des ractifs stchiomtriques,10. Concevoir des produits chimiques qui se dgradent aprs utilisation, 11. Analyser en continu pour viter la pollution inutile, 12. Limiter les risques daccidents.
Les 12 principes de la Chimie Verte :
Les solvants usuels en chimie :
Hydrocarbures (pentane, hexane, cyclohexane, thers de ptrole, benzne, tolune ...)apolaires, aprotiques
Oxygns, alcools, thers, esters (mthanol, thanol, ther, THF, actate dthyle ...)polaires, aprotiques ou protiques
Autres fonctions chimiques (DMSO, DMF, nitromthane, ...)souvent polaires, aprotiques
Halogns, (chloroforme, dichloromthane, tetrachlorure de carbone ...)moyennement polaires, aprotiques
Tous sont de bons solvants, dont on a lhabitude de se servir selon la nature des soluts, mais :
93
Le phnomne de solvatation
La solvatation est un phnomne au cours duquel la cohsion dune substance (solide, liquide ou gazeuse) est dstructure par les interactions entre le solvant et le solut. Des interactions de faible nergie (liaison H, forces de van der Waals, interactions hydrophobes, ) stablissent entre plusieurs molcules de solvant et une molcule de solut.
Substance pure Substance solvate
a) La chimie dans leau
Bien que leau soit le solvant des cellules vivantes, et donc le solvant universel, la chimie dans leau ne sest dveloppe que rcemment, principalement cause de la trs faible solubilit des composs organique dans leau, et aussi en raison de la sensibilit de nombreuses ractions la prsence deau.
Lorsque cela est possible, leau peut jouer un rle de solvant polaire, pure ou mlange avec un co-solvant (alcool, actonitrile, tolune a chaud, ).
Exemple, la raction de Mukaiyama aldol :
H
OSiMe3
R
O
H
O
HOH
R
N
OH
N
OH
Bi(OTf)3 (1 mol%)ligand chiral (3 mol%)bipyridine (5 mol%)
DME/H2O (9:1)
ee 91%
ligand chiral
94
a) La chimie dans leau
Autre exemple, avec des contre-ions amphiphiles dans de leau pure :
Sc(DS)3 (1 mol%)
H2O
DS=dodecyl sulfate :SO4-
Sc(DS)3 (1 mol%)
H2O
DS=dodecyl sulfate :SO4-
Amphiphile (=surfactant=tensio-actif) cre une mulsion
a) La chimie dans leau
Autre possibilit pour la catalyse organomtallique : faire appel des ligands hydrosolubles :
TPPTC
TXPTSGUAPHOS
TPPTS
SO3Na
SO3Na
NaO3S
CO2Li
CO2Li
LiO2C
SO3Na
SO3Na
NaO3S
NMe2
NMe2
Me2N NH2Cl
ClH2N
NH2Cl
P P
PNHP
NH
NH
TPPTC
TXPTSGUAPHOS
TPPTS
SO3Na
SO3Na
NaO3S
CO2Li
CO2Li
LiO2C
SO3Na
SO3Na
NaO3S
NMe2
NMe2
Me2N NH2Cl
ClH2N
NH2Cl
P P
PNHP
NH
NH
95
a) La chimie dans leau
Autre possibilit : faire appel des ligands hydrosolubles associs des mtaux de transition
Pd(OAc)2 (1 mol%)TPPTC (4 mol%)Et3N (2,5 equiv.)
CH3CN/H2O, 60 C
Pd(OAc)2 (2,5 mol%)TPPTS (5 mol%)Et3N (2,5 equiv.)
CH3CN/H2O, 60 COH
I
O
I
NH2
OHNH
2
OH
CH(OH)C5H11CH(OH)C5H11
MeOOCMeOOC
Pd(OAc)2 (1 mol%)TPPTC (4 mol%)Et3N (2,5 equiv.)
CH3CN/H2O, 60 C
Pd(OAc)2 (2,5 mol%)TPPTS (5 mol%)Et3N (2,5 equiv.)
CH3CN/H2O, 60 COH
I
O
I
NH2
OHNH
2
OH
CH(OH)C5H11CH(OH)C5H11
MeOOCMeOOC
Liquides ioniques
Les liquides ioniques (RTILs, Room Temperature Ionic Liquids) sont des sels forms partir de cations organiques et sont liquides temprature ambiante.
- trs faible pression de vapeur- forte polarit- dans certains cas une forte hydrophobie- insolubles dans les solvants organiques usuels- thermostabilit
Ces caractristiques en font des solvants intressants pour des ractions enzymatiques. Les principaux intrts sont le recyclage de lenzyme, une stabilit accrue et parfois une slectivit modifie.
N+
F BF
F
F-
F PF
FF F
F-
NSS
O
OCF3
O
O
CF3
-
NO
O O
-
NN
Cation Anion
+
BMIm
BMP
BF4
PF6
Tf2N
[BMIm][BF4], [BMP][PF6], 190/
96
Biocatalyse en milieu liquides ioniques
Du point de vue thorique :- Stabilisation de ltat de transition par la polarit- Effet kosmotropique et chaotropique des ions (kosmotrope~dur stabilise structure de leau, ce qui a un effet de dstabilisation de la conformation sur la protine, chaotrope~mou)
191/
Biocatalyse en milieu liquides ioniques
-Du point de vue pratique :-Applications en milieu biphasique solvant/liquide ionique-Applications en milieu liquide ionique contenant une petite quantit deau (nearly anhydrous)
thermolysine
[BMIm][PF6]H2O 5%
thermolysine
[BMIm][PF6]H2O 5%
Synthse de laspartame Z-protg
192/
97
Un fluide est dit supercritique lorsqu'il est plac dans des conditions de temprature et de pression au-del de son point critique.
Les fluides supercritiques ont une viscosit proche de celle des gaz, une densit proche de celle des liquides, et une diffusivit leve.
Ainsi, les fluides supercritiques ont un pouvoir solvant dit " gomtrie variable" : la solubilit des composs volue avec les conditions de pression et de temprature du fluide.
De nombreux fluides supercritiques ont t tudis, en particulier l'eau et le propane, mais le plus communment utilis reste le CO2.
Il a t montr quon pouvait utiliser des enzymes dans ces milieux, avec les avantages de ce type particulier de solvant qui sont principalement le recyclage, en plus de lavantage quil y a utiliser des solvants en rgle gnrale pour des ractions enzymatiques.
b) Milieu fluides supercritiques
Schma dun bioracteur industriel continu pour la production desters naturels par biocatalyse solide/gas
98
c) Milieu fluors
Les chaines fluoroalkyles confrent des aux matriaux des proprits la fois hydrophobes et lipophobes. Les composs fluors sont non-miscibles leau et aux solvants organiques. Lutilisation de liquides fluors constitue un milieu ractionnel alternatif La catalyse biphasique en milieu fluor est un concept rcent de catalyse homogne ncessitant l'emploi de catalyseurs solubles dans les perfluoroc
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