Définition de l’organocatalyse
L’organocatalyse est définie comme l’utilisation de petites molécules purement Organiques, ne possédant pas d’atomes métalliques, comme catalyseurs de réaction. Ces petites molécules organiques contiennent principalement les éléments (C, H, N, S, O, P). La plupart du temps, l’organocatalyseur est une molécule chirale énantiopure et permet d’obtenir un produit chiral énantioenrichi : on parle alors d’organocatalyse énantiosélective. En outre, on parlera d’organocatalyse asymétrique si l’organocatalyseur est chiral et permet de contrôler la configuration des centres stéréogènes crées lors de la réaction.
Aspects historiques : La catalyse à l’aide de composés à base de métaux, souvent des métaux de transition, a longtemps été la principale forme de catalyse asymétrique utilisée en chimie. Les complexes organométalliques présentent en effet de nombreux avantages, notamment grâce à leur diversité de structure et de réactivité, mais ils sont également la source de plusieurs inconvénients, comme leur coût élevé ainsi que leur toxicité, qui compliquent le traitement des déchets et ils contaminent souvent le produit final .
Bien que l’utilisation de molécules organiques en tant que catalyseurs soit connue depuis les débuts de la chimie, c’est uniquement au cours de ces dernières décennies que l’organocatalyse s’est démarquée et est devenue un concept à part entière . Elle fait partie des grandes familles de catalyse homogène, aux côtés de la catalyse par les métaux ainsi que la catalyse par les enzymes. C’est en 1974 qu’un des premiers exemples notables d’organocatalyse asymétrique est développé, par Hajos-Parrish-Eder-Sauer-Wiechert.
Evolution de l’organocatalyse
L’organocatalyse s’est développée très rapidement depuis 2000 compte tenu du nombre de publications noté dans ce domaine par an. Il passe de moins de 100 publications avant 2003 à plus de 1000 après 2010 . L’intérêt pour ce domaine a augmenté de façon spectaculaire ces dernières années, à la fois par la nouveauté du concept et surtout par le fait que l’efficacité et la sélectivité de nombreuses réactions organocatalytiques répondent aux normes des réactions organiques établies. Les réactions organocatalytiques deviennent des outils puissants dans la construction de squelettes moléculaires complexes. Les divers exemples montrent que, ces dernières années, l’organocatalyse s’est développée en chimie organique dans sa propre sous-discipline, dont l’âge d’or a déjà vu le jour . Elle est donc vue en synthèse organique comme un nouvel outil important et efficace.
Avantages et Inconvénients de l’organocatalyse
L’organocatalyse présente différents avantages. Les molécules organiques utilisées dans ce type de catalyse ont souvent une meilleure tolérance à l’eau et à l’air (les réactions peuvent être effectuées sous atmosphère aérobie avec des solvants humides) par rapport aux composés organométalliques, et sont moins contraignantes que les enzymes vis-à-vis du milieu réactionnel (température, solvant, pH), ce qui les rend plus simples à manipuler . Les organocatalyseurs sont de faibles poids moléculaires (en comparaison avec les enzymes), et ne contiennent pas de métaux de transition. Ils sont moins polluants que les catalyseurs à base de métaux de transition, leur toxicité est faible et ils ne sont pas chers. En lien avec l’intérêt grandissant de la Société pour la préservation de l’environnement, l’utilisation de petites molécules sans métaux semble de plus en plus attendue. Il est crucial de s’intéresser à la réduction de la toxicité des catalyseurs utilisés en synthèse ainsi qu’à leurs conséquences sur l’environnement, qui sont des aspects faisant partie des principes fondateurs de la chimie verte [w1]. C’est pourquoi l’organocatalyse occupe une place importante dans le domaine de la recherche depuis quelques années. Elle est très importante au point qu’elle pallie aux problèmes rencontrés par les catalyses organométalliques et permet aussi de faire une synthèse énantiosélective de produits optiquement purs.
Bien que cette classe de catalyseur soit d’une importance capitale de par ses avantages énormes, elle présente certains inconvénients : La charge catalytique est souvent élevée (notamment pour la catalyse covalente). Parfois on peut être confronte à des problèmes de prédictibilité.
Classification des Modes d’Activation des organocatalyseurs
Le développement de l’organocatalyse est passé par la compréhension de la façon dont les catalyseurs accélèrent les réactions et leur classification par mode d’activation. De nombreux organocatalyseurs sont aujourd’hui disponibles et proposent différents modes d’activation, classés en quatre grandes familles, aux mécanismes d’action différents.
Catalyse covalente : Généralement cette catalyse est faite à base des acides et des bases de Lewis. Ils créent au moins une liaison covalente (en général carbone – hétéroatome) avec le substrat.
La catalyse par les bases de Lewis implique souvent un mécanisme faisant intervenir l’addition nucléophile du catalyseur sur un substrat électrophile. L’adduit produit in situ est alors l’espèce réactive et poursuit le cycle catalytique jusqu’à la formation du produit et la régénération du catalyseur. Les catalyseurs nucléophiles utilisés dans ce type de catalyse sont souvent des composés azotés, soufrés, carbonés ou phosphorés. Les acides de Lewis sont utilisés en tant qu’agents de transfert de phases chiraux.
Catalyse non-covalente : Cette forme de catalyse est faite principalement à base des acides et bases de Brönsted.
Ils créent des interactions faibles avec le substrat par la formation de liaisons hydrogènes. En effet, les bases de Brönsted agissent par déprotonation d’un réactif ou en tant qu’accepteur de liaison hydrogène tandis que les acides de Brönsted peuvent activer les substrats électrophiles en les protonant ou en formant des liaisons hydrogènes augmentant la réactivité de ceux-ci. De nombreuses familles d’acides de Brönsted chiraux ont été utilisées en catalyse, dont principalement les thiourées, les diols et les acides phosphoriques.
La catalyse par transfert de phase constitue un cas particulier. Considérée comme organocatalyse non-covalente, son principe repose à la fois sur des interactions de paires d’ions et des phénomènes d’échanges entre phases.
Enfin, le terme d’organocatalyse bifonctionnelle est parfois employé pour décrire des catalyseurs mixtes qui combinent un mécanisme covalent et non-covalent pour l’activation du substrat.
Réactivité de l’accepteur de Michael
La réaction de Michael, aussi appelée addition-1,4, ou addition conjuguée, ou alkylation de Friedel-Crafts est l’addition conjuguée des espèces nucléophiles (donneurs de Michael) aux systèmes α, β-insaturés (accepteurs de Michael, composés carbonylés α, β-insaturés, les nitriles, les esters, les phosphates, les sulfones, les nitroalcènes, et alcynoates etc.) avec la création d’une nouvelle liaison en position β . La réaction de Michael est une des plus importantes réactions de formation des liaisons carbone-carbone et carbone-hétéroatome en synthèse organique. Dans certaines circonstances, l’addition sur le carbonyle a lieu (à savoir l’addition-1,2) La réactivité des accepteurs de Michael peut être modifiée de telle sorte que l’addition-1,4 serait contournée en faveur de la position α d’un système α, β-insaturé. Ceci est connu comme étant la réaction anti-Michael, réaction de Michael anormale ou substitution de carbone-α . La régiosélectivité de la réaction peut être inversée par des groupements ayant des propriétés fortement électroattractrices à la position β et la réaction donne le produit d’addition en α. En outre, du point de vue chimique, la position préférentielle de l’addition nucléophile dépend de trois éléments : la nature du nucléophile ; la nature du groupement électroattracteur et l’encombrement stérique généré ; les conditions de la réaction.
Le premier grand principe expliquant la sélectivité de l’addition nucléophile est la théorie HSAB (Hard and Soft Acids and Bases) ou concept de Person, qui se base sur le caractère « dur » ou «mou» du nucléophile et de l’électrophile entrant en jeu dans la réaction. Le principe HSAB explique que les additions d’un nucléophile dur sur un électrophile dur, ou d’un nucléophile mou sur un électrophile mou, seront plus rapides que celles entre espèces de caractères opposés. Elles seront donc très favorisées. Un électrophile ou nucléophile est dit « mou » lorsqu’il est volumineux, neutre ou faiblement chargé, et facilement polarisable, c’est-à-dire que sa charge est dispersée. Inversement un nucléophile ou un électrophile est dit « dur »lorsqu’il est de petite taille, qu’il possède une forte charge et est faiblement polarisable, c’est-à-dire que cette charge est très localisée .
Table des matières
Introduction
Chapitre I : Généralités sur l’organocatalyse
I-1/ Définition de l’organocatalyse
I-2/ Aspects Historiques
I-3/ Evolution de l’organocatalyse
I-4/ Avantages et Inconvénients de l’organocatalyse
I-5/ Classification des modes d’activation des organocatalyseurs
Chapitre II : Présentation de la réaction d’addition de Michael
II-1/ Définition de la réaction d’addition de Michael
II-2/ Historique de la réaction d’addition de Michael
II-3/ Mécanisme de la réaction d’’addition de Michael
II-4/ Réactivité de l’accepteur de Michael
II-5/ Réactivité du donneur de Michael
Chapitre III : Réaction d’addition de Michael énantiosélective
III-1/ La pronucléophilie
III-2/ Avantages et Inconvénients de la réaction d’addition de Michael énantiosélective
III-3/ Réactions d’addition de Michael énantiosélectives à partir des 1,3-dicarbonylés comme pronucléophiles
III-3-1/ Réactions d’addition de Michael énantiosélectives catalysées par les thiourées chirales
III-3-1-1/ A partir des 1,3-cétoesters comme pronucléophiles
III-3-1-2/ A partir des 1,3-cétoamides comme pronucléophiles
III-3-2/ Réactions d’addition de Michael énantiosélectives catalysées par les squaramides chiraux
III-3-2-1/ A partir des 1,3-cétoesters comme pronucléophiles
III-3-2-2/ A partir des 1,3-cétoamides comme pronucléophiles
III-3-3/ Réactions d’addition de Michael énantiosélectives catalysées par des benzimidazoles chiraux
III-3-4/ Réactions d’addition de Michael énantiosélectives catalysées par des dérivés d’alcaloïdes de quinquina
III-3-5/ Réaction d’addition de Michael énantiosélective catalysée par une amine thiourée
primaire chirale à base d’alcaloïde de quinquina
Conclusion
Bibliographie
Webographie
