Acide de Lewis chiral - Chiral Lewis acid

Les acides de Lewis chiraux (CLA) sont un type de catalyseur acide de Lewis . Ces acides affectent la chiralité du substrat lorsqu'ils réagissent avec lui. Dans de telles réactions, la synthèse favorise la formation d'un énantiomère ou d'un diastéréomère spécifique . La méthode est une réaction de synthèse asymétrique énantiosélective . Puisqu'ils affectent la chiralité, ils produisent des produits optiquement actifs à partir de matériaux de départ optiquement inactifs ou mélangés. Ce type de formation préférentielle d'un énantiomère ou d'un diastéréomère par rapport à l'autre est formellement connu sous le nom d' induction asymétrique . Dans ce type d'acide de Lewis, l'atome accepteur d'électrons est typiquement un métal, tel que l' indium , le zinc , le lithium , l' aluminium , le titane ou le bore . Les ligands chiraux altérants utilisés pour synthétiser ces acides ont souvent de multiples sites basiques de Lewis (souvent une structure diol ou diazote) qui permettent la formation d'une structure cyclique impliquant l'atome de métal.

Les acides achiraux de Lewis sont utilisés depuis des décennies pour promouvoir la synthèse de mélanges racémiques dans une myriade de réactions différentes. Depuis les années 1960, les chimistes utilisent les acides chiraux de Lewis pour induire des réactions énantiosélectives. Ceci est utile lorsque le produit souhaité est un énantiomère spécifique, comme cela est courant dans la synthèse de médicaments. Les types de réaction courants comprennent les réactions de Diels-Alder , la réaction ène , les réactions de cycloaddition [2+2] , l' hydrocyanation des aldéhydes et, plus particulièrement, les époxydations Sharpless .

Théorie

Figure 2. En haut : Diagramme d'énergie libre de Gibbs illustrant une réaction en une seule étape où un acide de Lewis achiral catalyse la formation d'un mélange racémique de produits à partir de matières premières racémiques. En bas : diagramme d'énergie libre de Gibbs illustrant la même réaction lorsqu'un acide de Lewis chiral est utilisé comme catalyseur

L'énantiosélectivité de dérive CLA de leur capacité à perturber la libre barrière d'énergie ainsi que la réaction de coordonnées de la voie qui mène à l' une ou l' autre R - ou S - énantiomère. Les diastéréoisomères et énantiomères de l'état fondamental sont d'énergie égale dans l'état fondamental, et lorsqu'ils réagissent avec un acide de Lewis achiral, leurs intermédiaires diastéréoisomères, états de transition et produits sont également d'énergie égale. Cela conduit à la production de mélanges racémiques . Cependant, lorsqu'un CLA est utilisé dans la même réaction, la barrière énergétique de formation d'un diastéréoisomère est inférieure à celle d'un autre ; la réaction est sous contrôle cinétique . Si la différence des barrières énergétiques entre les états de transition diastéréomériques est d'une amplitude suffisante, alors un excès énantiomérique élevé d'un isomère est observé.

Synthèse asymétrique

Réaction de Diels-Aulne

Des réactions de Diels-Alder se produisent entre un diène conjugué et un alcène (communément appelé diénophile ). Ce processus de cycloaddition permet la formation stéréosélective de cycles cyclohexène capables de posséder jusqu'à quatre centres stéréogènes contigus.

Les réactions de Diels-Alder peuvent conduire à la formation d'une variété d'isomères et de stéréoisomères structuraux. La théorie orbitale moléculaire considère que l'état de transition endo, au lieu de l'état de transition exo, est favorisé (règle d'addition endo). En outre, des interactions orbitales secondaires augmentées ont été postulées comme la source d'une endo diastéréosélection améliorée.

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Habituellement, les CLA sont utilisés pour activer le diénophile. Un catalyseur CLA typique est dérivé d'un centre Mg 2+ rendu chiral par fixation d'un ester de binol -phosphate. Les CLA ont été appliqués à un certain nombre de réactions intramoléculaires de Diels-Alder.

Un complexe dérivé du chlorure de diéthylaluminium et d'un ligand biaryle « voûté » ci-dessous catalyse la réaction énantiosélective de Diels-Alder entre le cyclopentadiène et la méthacroléine. Le ligand chiral est récupéré quantitativement par chromatographie sur gel de silice .

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Le complexe chiral (acyloxy) borane (CAB) est efficace pour catalyser un certain nombre de réactions aldéhyde Diels-Alder. Des expériences de spectroscopie RMN ont indiqué une proximité étroite de l'aldéhyde et du cycle aryle. L'empilement de Pi entre le groupe aryle et l'aldéhyde a été suggéré comme une caractéristique organisationnelle qui confère une énantiosélectivité élevée à la cycloaddition.

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L'acide de Lewis chiral assisté par un acide de Bronsted (BLA) catalyse un certain nombre de réactions de cycloaddition diène-aldéhyde.

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Réaction aldolique

Dans la réaction d' aldolisation , la diastéréosélectivité du produit est souvent dictée par la géométrie de l'énolate. Le modèle de Zimmerman-Traxler prédit que l' énolate Z donnera des produits syn et que les énolates E donneront des produits anti . Les réactions catalysées par les CLA à base d'étain permettent aux produits de s'écarter de ce schéma.

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Les structures de transition pour les réactions avec les deux énantiomères du catalyseur R et S sont :

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Réaction de Baylis-Hillman

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La réaction de Baylis-Hillman est une voie de formation de liaison CC entre un carbonyle alpha, bêta-insaturé et un aldéhyde , qui nécessite un catalyseur nucléophile , généralement une amine tertiaire , pour une addition et une élimination de type Michael. La stéréosélectivité de ces réactions est généralement médiocre. Il a été démontré que les CLA contenant du lanthane (III) améliorent la stéréosélectivité. De même, une amine chirale peut également être utilisée pour obtenir une stéréosélectivité.

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Le produit obtenu par la réaction utilisant le catalyseur chiral a été obtenu avec un bon rendement avec une excellente énantiosélectivité.

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Ene réaction

Les acides de Lewis chiraux se sont avérés utiles dans la réaction ène . Lorsqu'elle est catalysée par un acide de Lewis achiral, la réaction fournit normalement une bonne diastéréosélectivité.

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Une bonne énantiosélectivité a été observée lorsqu'un catalyseur acide de Lewis chiral est utilisé.

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On pense que l'énantiosélectivité est due aux interactions stériques entre les groupes méthyle et phényle , ce qui rend la structure de transition du produit iso considérablement plus favorable.

Acides de Lewis achiraux en synthèse stéréosélective

Dans certains cas, un acide de Lewis achiral peut fournir une bonne stéréosélectivité. Kimura et al. ont démontré le couplage régio- et diastéréosélectif de 1,3- diènes avec des aldéhydes en utilisant un catalyseur au nickel .

Les références