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Blanc - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7)
Edition 2011


CHIRACID


Acides de Brønsted à chiralité plane pour l'organocatalyse énantiosélective

Acides de Brønsted à chiralité planaire pour l'organocatalyse énantiosélective
L’objectif de ce projet réside dans le développement d’une nouvelle famille originale d’ acides de Brønsted chiraux, à chiralité plane. Ces nouveaux catalyseurs seront développés et exploités dans un domaine majeur de la chimie organique : l’organocatalyse énantiosélective.

Nouveaux acides de Brønsted à chiralité planaire et leurs utilisations en organocatalyse énantiosélective
La catalyse (action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but d'augmenter sa vitesse de réaction) offre des voies d’accès efficaces à des nouveaux composés chimiques qui peuvent être valorisés dans de nombreux domaines tels que la pharmacie, l’agrochimie et les matériaux. Après les succès incontestables de la catalyse enzymatique et de la catalyse homogène et hétérogène par les métaux de transition, les derniers développements dans le domaine de la catalyse, afin de relever les défis modernes de la chimie, portent sur l’organocatalyse. L’organocatalyse peut être définie comme la catalyse de transformations chimiques par une molécule purement organique de faible poids moléculaire. Ces catalyseurs organiques de petites tailles présentent de nombreux avantages par rapport aux enzymes ou à des catalyseurs constitués de métaux précieux : stabilité à l'air et à l'humidité, faible toxicité et sont très facilement accessibles. Ainsi ce concept de transformation chimique par organocatalyse rencontre de nombreux champs d’application aussi bien dans le milieu académique que dans l’industrie. En effet, le concept d’organocatalyse répond aux nombreuses exigences de la chimie verte moderne (pas de déchet de métaux, des synthèses moins dangereuses et l'utilisation de réactifs en quantité catalytique au lieu de quantité stoechiométrique).
Le but de ce projet consiste à développer une nouvelle famille d’organocatalyseurs à fonction acides de Brønsted. Les nouvelles structures cibles sont des acides phosphoriques cycliques, avec un motif paracyclophane et présentant une chiralité planaire. Des approches synthétiques seront développées afin de proposer un accès efficace et facilement modulable à ces nouvelles structures.

Développements de voies de synthèse pour accéder à nos structures chimiques cibles
Les premiers travaux de ce projet ont porté sur l’identification de structures possédant une fonction acide phosphorique et pouvant présenter une chiralité planaire avec une structure de type paracyclophane. Pour ce faire les travaux des deux partenaires ont été menés conjointement.
PARTENAIRE 1. Le Partenaire 1 a réalisé des études synthétiques sur les composés cibles en utilisant les outils classiques de la chimie organique de synthèse. Les voies de synthèse développées ont permis l’accès à une petite librairie de CPA à chiralité planaire avec un motif de type paracyclophane. Huit membres de cette nouvelle famille ont été synthétisés pour l’espaceur 1,1’-ferrocèndiyle et 2 membres pour l’espaceur 1,8-biphénylènediyle.
PARTENAIRE 2. Le Partenaire 2 a effectué des études théoriques sur les acides phosphoriques cibles, afin d’identifier rapidement les meilleurs candidats en terme d’accessibilité.
PARTENAIRE 1. Le Partenaire 1 a pu valider la très bonne activité catalytique de ces nouveaux organocatalyseurs puisque les produits des réactions sont obtenus avec de bonnes énantiosélectivités.
PARTENAIRE 2. Des études théoriques réalisées par le Partenaire 2 ont permis de proposer un nouveau modèle pour des réactions de réduction organocatalysées énantiosélectives d’hétérocycles azotés insaturés.
Une approche collaborative entre les deux Partenaires de ce projet a permis de conduire à bien ce projet. Des « aller et retour » continus entre les deux Partenaires ont eu lieu. D’une part ces échanges ont permis d’identifier les meilleurs candidats pour concevoir ces nouveaux organocatalyseur. D’autre part, les échanges de résultats « expérimentaux » du Partenaire I et « théoriques » du Partenaire II ont permis de proposer un nouveau modèle pour des réactions de réduction organocatalysées énantiosélectives d’hétérocycles azotés insaturés.

Résultats

Nous avons développé une nouvelle famille d’organocatalyseurs chiraux à fonction acide de Brønsted. Ces nouveaux organocatalyseurs, à chiralité planaire, présentent un motif paracyclophane portant à une des extrémités une fonction acide phosphorique ou N-triflyl phosphoramide responsable de l’activité catalytique et à l’autre extrémité un espaceur 1,1’-ferrocènediyle ou 1,8-biphénylènediyle. Ces nouveaux organocatalyseurs se sont révélés très efficaces pour des transformations asymétriques de réactions connues dans la littérature et peuvent être une alternative aux autres organocatalyseurs utilisés à ce jour et présentant un autre type de chiralité (chiralité axiale ou centrale). De plus, nous avons également valorisé notre nouveau squelette, à motif paracyclophane, dans le domaine de la catalyse organométallique. D’une part des phosphates métalliques ont pu être préparés et utilisés comme catalyseurs pour des réactions de cycloisomérisations énantiosélectives. D’autre part, ce même squelette paracyclophane a pu être mis à profit pour préparer des nouveaux phosphoramidites, ligands monodenates, à chiralité planaire.

Perspectives

Les travaux réalisés sur ce projet CHIRACID ont permis de valider son concept, c’est-à-dire le développement d’une nouvelle famille à chiralité planaire. Une première famille avec une structure ferrocénique a été développée permettant d'atteindre de bons excès énantiomériques. A ce stade du projet, nous souhaitons valorisée cette nouvelle famille d’organocatalyseurs dans des réactions d’intérêts synthétique où les acides phosphoriques connus à ce jour dans la littérature ne donnent pas de résultats satisfaisants.
Une deuxième famille, avec une structure totalement carbonée a également été développée. Cette nouvelle famille présente une plus grande stabilité, thermique et chimique, du fait de sa structure totalement carbonée. Dernièrement, nous avons également valorisé ce nouveau squelette, à motif paracyclophane, dans le domaine de la catalyse organométallique. D’une part des phosphates métalliques ont pu être préparés et utilisés comme catalyseurs pour des réactions de cycloisomérisations énantiosélectives. D’autre part, ce même squelette paracyclophane a pu être mis à profit pour préparer des nouveaux phosphoramidites, ligands monodenates, à chiralité planaire.

Productions scientifiques et brevets

--> 4 publications dans des journaux à comité de lecture :
1) Chemical Communications 2013, 49, 6084-6086. [3,3]Paracyclophanes as Planar Chiral Scaffolds for the Synthesis of New Phosphoric Acids. DOI: 10.1039/c3cc41496e
2) Advanced Synthesis & Catalysis, 2013, 355 (18), 3613-3624. Development of chiral phosphoric acids based on ferrocene-bridged paracyclophane frameworks. DOI: 10.1002/adsc.201300697
3) European Journal of Organic Chemistry, 2014, 4099-4106. Chiral Synthetic Equivalents of 2-Cyanoethyl Tetraisopropylphosphorodiamidite: Application to the Synthesis and Resolution of Chiral Phosphoric Acids. DOI: 10.1002/ejoc.201402203
4) Journal of Organic Chemistry, 2014, 79, 9639-9646. Planar Chiral Phosphoric Acids with Biphenylene-Tethered Paracyclophane Scaffolds: Synthesis, Characterization, and Catalytic Screening. DOI: 10.1021/jo501769t

--> 2 communications orales (congrès internationaux) :
1) 10th European Workshop on Phosphorus Chemistry 2013 [PhoSciNet Final Conference@EWPC-10]. Regensburg, Allemagne, 18-20 mars 2013. [3,3]-Paracyclophanes as Planar Chiral Scaffolds for the Synthesis of New Phosphoric Acids.
2) COST-ORCA (European Cooperation in Science and Technology - Organocatalysis). ECOST-MEETING-CM0905-180413-028636 Amsterdam, 18-20 avril 2013. New Family of Planar-Chiral Phosphoric Acid for Enantioselective Organocatalysis.

--> 5 communications orales (congrès nationaux) :
1) Journées Modélisation 2013, ChimieParisTech, 29 au 31 mai 2013.
2) JED, Paris-Sud Orsay, 18-19 septembre 2013.
3) Invitation par le Comité d’Organisation des Séminaires du Laboratoire LCOS - UMR 7177 - Strasbourg, 4 octobre 2013.
4) Réunion ANR mi-parcours. SIMI 7 et 8 BLANC / BLANC INTER / JCJC 2011 – Comité de mi-parcours - Paris, 16-18 décembre 2013.
5) Séminaire des équipes de l’ICSN ICSN, Gif-sur-Yvette, 16 janvier 2014
6) [RCO-2014], Université Paris Descartes, Paris, 4 avril 2014.
7) JED, Paris-Sud Orsay, 01-02 octobre 2014.

--> 14 présentations par affiche.

Partenaires

CNRS-ICSN CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR SUD

DCMR-UMR7651 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR OUEST ET NORD

Aide de l'ANR 335 712 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2011 - 36 mois

Résumé de soumission

Le but de ce projet est le développement de nouvelles familles d’acides de Brønsted chiraux pour des applications en organocatalyse asymétrique. Les structures originales ciblées sont des acides phosphoriques possédant comme source de chiralité une chiralité plane, à savoir un Ferrocénophane tétrasubstitué ou un paracyclophane. A notre connaissance, des acides de Brønsted à chiralité plane n’ont jamais été utilisés en organocatalyse.
Ces nouveaux acides vont pouvoir être synthétisés selon des approches synthétiques simples et efficaces, qui permettront une modification rapide de leurs propriétés stéréo-électroniques. Des études théoriques prédictives vont être utilisées dans ce projet pour guider les synthèses des nouveaux squelettes et pour mieux rationaliser le lien entre les excès énantiomériques obtenus dans des réactions tests et la structure tridimensionnelle des catalyseurs.
Notre premier objectif est donc de trouver et de mettre en œuvre des méthodes synthétiques efficaces afin de synthétiser une petite librairie de nouveaux acides phosphoriques chiraux.
Dans une deuxième partie, ces acides seront testés dans des réactions d’organocatalyse modèles afin de pouvoir comparer nos nouveaux catalyseurs avec ceux déjà existants, tant au niveau de l’activité catalytique que de l’enantiosélectivité. Nous les utiliserons ensuite dans des réactions qui ne sont pas encore maitrisées, et qui pourtant possèdent un fort potentiel synthétique, telles que certaines réactions de Friedel-Crafts ou les cyclisations de type Nazarov. Durant toute la période d’optimisation des réactions précitées, des calculs DFT viendront supporter la conception des nouveaux catalyseurs, ainsi que l’étude de leurs modes d’activation et des mécanismes des réactions envisagées.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7) 2011

Référence projet : ANR-11-BS07-0002

Coordinateur du projet :
Monsieur Jean-Francois BETZER (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR SUD)
jean-francois.betzer@nullicsn.cnrs-gif.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.