Use of organocatalysts in stereoselective organic synthesis

par Francesca Capitta

Thèse de doctorat en Chimie organique

Sous la direction de Jean Ollivier.

Soutenue le 02-04-2012

à Paris 11 en cotutelle avec l'Università degli studi (Cagliari, Italie) , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud , en partenariat avec Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay (Institut) et de Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay (laboratoire) .

Le président du jury était Giovanni Cerioni.

Le jury était composé de Jean Ollivier, Giovanni Cerioni, Lucio Pellacani, Georges Bashiardes, Pier Paolo Piras.

Les rapporteurs étaient Lucio Pellacani, Georges Bashiardes.

  • Titre traduit

    Utilisation des organocatalyseurs en synthèse organique stéréosélective


  • Résumé

    Le thème principal de la thèse est l'utilisation de l’organocatalyse en vue de synthétiser des dérivés de cyclobutanones. Ces dérivés de cyclobutanones sont utiles car ils constituent des briques moléculaires pour la construction d’édifices structurels plus complexes. Cependant et d’une façon surprenante, l'utilisation d’organocatalyseurs simples pour fonctionnaliser les cyclobutanones est rare, surtout lorsque le substrat porte des substituants. Dans cette thèse, nous présentons la synthèse de cyclobutanones substituées issues de fonctionnalisations et de transformations énantiosélectives catalysées par des aminoacides ou de la thiourée.- La première transformation consiste en une réaction d’aldolisation énantiosélective de la 2-hydroxycyclobutanone avec une sélection d'aldéhydes aromatiques. Par catalyse avec la L-thréonine, des aldols sont obtenus efficacement avec un stéréocontrôle raisonnable.- Ensuite, sont synthétisées des cyclobutanones 2,3-disubstituées soit par aldolisation de cyclobutanones 3-substituées par des aldéhydes aromatiques et catalysées par la N-phénylsulfonyl (S)-proline ou soit par nitro-Michael asymétrique avect différents nitrostyrènes, réactions catalysées par les dérivés de la thiourée. Dans le premier cas, les produits relatifs aldoliques ont été obtenus avec un contrôle des trois stéréocentres contigus ; par contre, dans le second cas, les γ-nitro cyclobutanones ont été obtenues avec une énantiosélectivité modeste. - Le dernier cas concerne la conversion de cyclobutanones 3-substituées en 5-hydroxy- γ-lactame substitué en position 4 par l’utilisation de nitrosobenzène électrophile et de L-proline.. Cette réaction implique une séquence domino et d’extension de cycle d’ O-nitroso-aldol-cyclisation. On accède à un système cyclique à cinq chaînons avec un bon rendement et formation de deux nouveaux centres stéréogéniques avec complète stéréochimie.Ainsi, le premier chapitre traite de l’organocatalyse et des applications les plus courantes des organocatalyseurs. La grande majorité des réactions organocatalytiques utilisent des amines chirales pour réaliser de l’aminocatalyse asymétrique ou également des acides et bases de Brønsted, des acides de Lewis via liaison hydrogène interposée, transfert de phase ou même carbène N-hétérocyclique.Le deuxième chapitre traite de la réactivité des cyclobutanones : l’électrophilie élevée et la tension de cycle font de la cyclobutanone et de ses dérivés un bon substrat pour les réactions de transformation de cycle telles que ouverture, contraction ou extension de cycle.Dans le troisième chapitre, la synthèse de cyclobutanones 2,2-disubstituées via aldolisation directe de la 2-hydroxycyclobutanone avec plusieurs aldéhydes ont été organocatalysées par des amines primaires. Les résultats montrent que la 2-hydroxycyclobutanone utilisée sans solvant et avec la L-thréonine fournit des aldols avec un stéréocontrôle raisonnable.


  • Résumé

    The main topic of thesis is the use of organocatalysis to synthesize cyclobutanones derivatives. Cyclobutanone derivatives are useful molecular building blocks for the construction of complex molecular structures. Surprisingly, however, the use of organocatalysts to functionalize cyclobutanones is rare, especially when the substrate bears substituents. In this thesis, we present the enantioselective transformations and functionalizations of substituted cyclobutanones which employ readily-available amino acids (or derivatives) and thiourea derivatives as organocatalysts. - The first transformation involves the enantioselective aldol reaction between 2-hydroxy-cyclobutanone with a selection of aromatic aldehyde. The results show that the 2-hydroxycyclobutanone is particularly amenable to solvent-free L-threonine-catalyzed direct aldol reactions with reasonable stereocontrol. - After, we synthesized 2,3-disubstituted cyclobutanones through direct aldol reactions involving 3-substituted cyclobutanones and aryl aldehydes catalyzed by N-phenylsulfonyl (S)-proline and via asymmetric nitro-Michael reaction of 3-substituted cyclobutanones and several nitrostyrenes catalyzed by thiourea derivatives. In the first case the relative aldol products were obtained with an unprecedented control of all three contiguous stereocenters in the latter the relatives γ-nitro cyclobutanones were obtained in good yield but in modest enantioselectivity. - The last case concerns the conversion of 3-substituted cyclobutanones into 4-substituted-5-hydroxy-γ-lactam using as electrophile nitrosobenzene and L-proline as catalysts. This reaction involves a ring-expanding O-nitroso-aldol–cyclization domino sequence. The synthetic protocol provides access to the five-membered ring system in good yield, and the formation of two new stereogenic centers is achieved with complete stereochemical control. Thus, the main topic of the first chapter is the organocatalysis, applications of the most common organocatalysts are discussed. The vast majority of organocatalytic reactions use chiral amine as catalysis (asymmetric aminocatalysis). Different types of organocatalysis involve the use of Br¿nsted acids and bases, Lewis acids, hydrogen bond-mediated catalysis, phase transfer and N-heterocyclic carbene catalysis. The second chapter deals with the reactivity of cyclobutanones. High electrophilicity and ring strain make the cyclobutanone and its derivatives a good substrate for ring transformation reactions. Characteristic reactions of functionalized cyclobutanones involve the ring opening, ring contraction and ring expansion reactions. In the third chapter, the synthesis of 2,2-disubstituted cyclobutanones via direct aldol reaction of 2-hydroxycyclobutanone with several aldehydes catalyzed by primary amines is presented. The results show that the 2-hydroxycyclobutanone is particularly amenable to solvent-free L-threonine-catalyzed direct aldol reactions with reasonable stereocontrol. In the fourth chapter we describe the synthesis of 2,3-disubstituted cyclobutanones through direct aldol reactions of 3-substituted cyclobutanones and aryl aldehydes, catalyzed by N-phenylsulfonyl (S)-proline and through asymmetric nitro-Michael reaction of 3-substituted cyclobutanones and several nitrostyrenes, catalyzed by derivatives of thiourea. In this last chapter an organocatalyzed enantioselective desymmetrization reaction of 3-substituted cyclobutanones is presented using nitrosobenzene as an electrophile and proline derivatives as catalysts. This reaction give an original 5-hydroxy-γ-lactam in good yield and with the generation of two new stereogenic centers.


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