Intramolecular diamination of alkenes : Palladium- and main group catalysis

par Patricia Chavez Vasquez

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Kilian Muniz.

Soutenue en 2011

à Strasbourg .

  • Titre traduit

    Diamination intramoléculaire d'alcènes : Catalyseurs à base de palladium ou d'éléments du groupe principal


  • Résumé

    Au cours de ce travail de thèse, des réactions catalytiques de diamination d’alcènes terminaux et fonctionnalisés ont été développées. La première partie de la thèse traite de la transformation d’alcènes fonctionnalisés en dérivés 2,3-diaminés. La diamination intramoléculaire d’acrylates urées 2 se fait en utilisant des sels de palladium (II), en tant que catalyseur, CuBr2 comme oxydant, ainsi que Na2PO4 ou Cs2CO3 comme base. Différentes sources d’azote ont été testées pour mettre en évidence la généralité de cette réaction ainsi que pour observer la différence de réactivité et de stéréosélectivité en découlant. De manière générale, cette réaction de diamination permet d’obtenir de très bons rendements et ne demande pas de conditions de réalisation strictes. Cette réaction de diamination oxydante dépend de la polarité du solvant utilisé mais pas de la source de palladium (II) utilisée. La réaction est entièrement diastéréosélectivité et se déroule à priori par un mécanisme durant lequel le palladium passe par un haut degré d’oxydation intermédiaire. Les composés acrylates-urées ont été les premiers testés et ont montré que les produits de diamination sont formés avec une excellente stéréosélectivité et complète chimiosélectivité. Des études préliminaires du mécanisme de cette réaction ont montré que le cycle catalytique débute par une syn-aminopalladation 3 suivie d’une amination directe, sans précédent, de la liaison C-Pd en position alpha du groupe ester 6, donnant le produit syn majoritairement 7. (Schéma 1) Ceci ayant été vérifié par diffraction des rayons X. Bien que ces produits aient été utilisés lors d’une synthèse d’un produit naturel, (+/-)-absouline, l’inconvénient majeur d’une telle méthode réside dans la déprotection des imidazolidinones, issues du cycle catalytique, en diaminoesters libres. Schéma 1. Cycle catalytique de la diamination des urées avec des alcènes fonctionnalisés catalysée par le palladium. C’est la raison pour laquelle, la réaction de diamination des acrylates-sulfamides 9 portant des groupes différents a été envisagée. Lors de précédentes études de diamination catalytique d’alcènes terminaux en présence de sulfamide, un catalyseur à base de nickel a été utilisé, donnant de bons rendements de diamination. Ce système catalytique n’a cependant montré aucune réactivité envers d’autres alcènes fonctionnalisés (acrylates). Les conditions précédentes (palladium (II) et CuBr2) ont donc été testées et ont donné diastéréosélectivement et chimioselectivement les composés de diamination avec des rendements de 80-95%. Les études mécanistiques de la réaction de diamination des alcènes en présence de sulfamides ont montrées que la première étape était également une syn-aminopalladation 10, mais cette fois-ci suivie de la formation d’un intermédiaire bromo-aminé 12. (Schéma 2) Pour finir, en présence d’une base, un déplacement de type SN2 prend place, et mène à majoritairement au produit de configuration anti 13, configuration opposée à celle obtenue dans le cas des composés acrylates-urées 7. Schéma 2. Cycle catalytique de la diamination des sulfamides avec des alcènes fonctionnalisés catalysée par du palladium. L’intermédiaire bromo-aminé 12 de cette réaction a été isolé et caractérisé dans un cas, les différentes configurations des produits diaminés obtenus (anti et syn), ont été tout d’abord déterminées par RMN (constante de couplage†: produit syn J =8-10 Hz; produit anti J = 4-6 Hz) et finalement vérifiées par diffraction des rayons X. Par la suite, des améliorations de cette réaction de diamination ont été envisagées et le premier objectif consistait à changer le type de catalyseur. La présence d’intermédiaires aminohalogénés dans le système Pd/CuBr2 de diamination a amené à développer une nouvelle réaction catalytique de diamination intramoléculaire. Dans un premier temps, il a été observé que les substrats utilisés dans la catalyse au palladium, avec des alcènes terminaux ou fonctionnalisé, subissent une diamination en l’absence de palladium, lorsqu’ils sont traités avec une quantité steochiométrique de IPy2BF4. Des expériences par RMN in situ montrent un intermédiaire de type amino-iode formant ensuite la diamine par une réaction finale de type SN2. Finalement, au cours des derniers travaux de diamination des oléfines en présence d’halogènes, il a été observé que les ions de type X+ (X=I, Br) initiant la réaction peuvent être régénérés en présence d’un oxydant. Diverses sources de bromure ont été testées avec différentes quantités d’oxydant. La réaction catalytique avec le meilleur taux de conversion a été observée dans les conditions suivantes: 5% de CaBr2. XH2O, 1. 5 équivalents de PhI(OAc)2 et 1. 5 équivalents de NaOAc. Toujours dans la même optique, différents oxydants ont été testés. Cette optimisation a permis de trouver de meilleurs conditions pour cette réaction de diamination catalytique des alcèes sans métal de transition : 10% KBr, 3. 0 équivalents de NaClO2 (oxydant), 2. 5 équivalents de NaOAc (base) dans le DMF à 30-40 C pendant 5-12 heures (Schéma 3). Schéma 3. Diamination d’oléfines par la présence catalytique d’halogène. Cette réaction de diamination catalysée par le sel de bromure est beaucoup plus générale et chimiosélective, en comparaison aux réactions catalysées par le palladium ou le nickel. La réaction tolère également les urées comme les sulfamides et les produits obtenus à partir de ces sources azotées avec des alcènes simples ou fonctionnalisés ont été isolés avec de très bons rendements. Cette procédure a également permis d’effectuer la diamination d’alcènes internes, ainsi que la formation de cycles à 6 (Schéma 3, n = 2).


  • Résumé

    The results obtained during this thesis are fundamental in the area of nitrogen transfer chemistry catalysed by metals. Three complementary protocols to provide a broad scope of different diamine products, which should serve a leading structures in pharmaceuticals, ligands or organocatalyst cores[283] were presented. Within this context, the first transition metal catalysed diamination of functionalised olefins is presented. A protocol to carry out this intramolecular reaction under mild conditions has been developed. It makes use of catalytic amounts of palladium(II) under oxidative conditions at 40 _C and uses ureas as the only nitrogen source:The reaction proceeds via a Pd(II)/(IV) cycle. The first step is a syn-aminopalladation followed by the formation of an a-palladated ester intermediate. The dissociation of the amide from the palladium followed by a C-C bond rotation leads to the intermediate Pd-allylic complex. Next, the oxidation of Pd(II) to Pd(IV) by copper bromide induces a SN2-type C-N bond formation to give the diamine product with syn-configuration. This methodology proceeds with complete chemoselectivity and good diastereoselectivity. The relevance of this new diamination methodology was successfully demonstrated. As a synthetic application of this new transformation, the formal total synthesis of (±)-absouline was carried out using an urea-alkene as starting material with good yield. Another important achievement of the present Thesis has been a significant advance of the methodology for the synthesis of cyclic sulfamides with good yields and selectivity:In this case, the transformation resulted in the opposite diastereoselectivity that was previously observed for the ureas. The configuration of the final products was determined as anti by the coupling constant (3J= 3. 6 Hz for sulfamides versus 3J=10. 0 Hz for ureas) and confirmed by the X-ray structure of the corresponding compounds. The mechanism was clarified by the isolation and characterization of an aminobrominated intermediate of the reaction. To show the pertinence of the products as eminent organic building blocks we exemplarily applied them in peptide chemistry. Finally, it was possible to develop a metal-free catalytic diamination reaction that employs KBr as the catalyst under oxidative conditions. At the beginning, PhI(OAc)2 was used as the oxidant but further screening of the reaction permitted its replacement by the inexpensive and nontoxic NaClO2. Equally, the reaction works with good to excellent yields to give 5- or 6-membered rings even with highly functionalised olefins or acrylates and also with different nitrogen sources such as ureas or sulfamides: With this, the development of the oxidative intramolecular diamination of alkenes has reached a mature state. Little conceptual novelty can be expected and future work should only be devoted to punctual cases that require additional special optimization.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (308 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 297-308

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2011;1021
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