Catalyse photorédox duale benzophénone/cuivre appliquée à l'alkylation de liaisons C-H par réaction de type Giese

Abstract

La formation de liaisons carbone-carbone à partir de liaisons C(sp3)-H est toujours perçue comme le “Saint Graal” en synthèse organique. Durant cette dernière décennie, la catalyse photorédox a permis de nombreuses avancées dans ce domaine, grâce à la capacité des photocatalyseurs combinés à la lumière de générer des espèces radicalaires dans des conditions douces, à partir de substrats peu ou non-activés.Une approche traditionnelle de formation de liaisons C-C par chimie radicalaire est la réaction de Giese, consistant en l’addition d’un radical alkyle sur un alcène activé suivie d’un transfert d’atome d’hydrogène, générant ainsi le produit d’hydroalkylation. Parmi les limitations de cette réaction on peut citer l’utilisation de réactifs toxiques tels que les hydrures d’étain, mais également les difficultés liées à l’utilisation d’accepteurs hautement polymérisables, tels les acrylates, qui mène majoritairement à une polymérisation radicalaire.Dans ce contexte, nous avons développé un système de photocatalyse duale benzophénone/cuivre qui permet de réaliser de manière efficace des réactions d’alkylation de liaisons C(sp3)-H via une réaction de type Giese en limitant la polymérisation des accepteurs hautement réactifs. Dans des conditions douces (UVA, température ambiante), les produits d’hydroalkylation ont été obtenus avec des rendements modérés à bons, à partir d’une large gamme de substrats, impliquant des amines, alcools, éthers et alcanes comme donneurs, et des acrylates ou énones comme accepteurs de Michael. Des études mécanistiques, notamment par RMN et spectroscopie UV-visible ont permis de proposer un mécanisme dans lequel un cycle photocatalytique de la benzophénone est combiné à un cycle catalytique rédox du cuivre. Les espèces de basse valence du cuivre générées in situ permettraient de limiter la polymérisation de l’accepteur.Ce concept de photocatalyse duale a également été appliqué à la fonctionnalisation directe de liaisons C(sp2)–H d’aldéhydes aromatiques par réaction de type Giese, mais sans utiliser de photocalyseur externe, les aldéhydes jouant ce rôle. Cette méthodologie « auto-catalytique » étant prometteuse, les limites du champ d’application de la réaction ont été établies.La fonctionnalisation des N–alkylanilines présente un enjeu particulier du fait de leur importance en chimie pharmaceutique, agrochimie, chimie des matériaux et des colorants. Nous nous sommes donc intéressés à l’alkylation des liaisons C(sp3)–H de N–méthylanilines. Nous avons découvert que l’utilisation d’un complexe de cuivre (II) photoréductible améliore grandement l’efficacité et la sélectivité de la transformation par rapport au système benzophénone/acétate de cuivre (II) précédemment employé. Des études mécanistiques, impliquant la spectroscopie UV-visible à l’état stationnaire et l’absorption transitoire, ont permis d’identifier les intermédiaires clés de la réaction dans les conditions catalytiques.Ce complexe photoréductible a également été utilisé avec succès comme photocatalyseur dans un procédé impliquant une multi-catalyse hydroalkylation d’alcène/CuAAC, procédé qui permet de créer un lien « in one-pot » entre des composés comportant une liaison C(sp3)–H et une fonction azoture. Enfin, des résultats préliminaires portant sur le développement d’une version énantiosélective de l’hydroalkylation d’alcène sont également présentés dans ce manuscrit.