Etude de couplages croisés directs catalytiques décarboxylants d'acides picoliniques et cinnamiques

Study of direct catalytic decarboxylative cross croupling reaction of carboxyazine N-oxide and cinnamaic acid

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Rouchet
• Direction : Christophe Hoarau, Cédric Schneider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Chimie organique
• Date : Soutenance le 29/09/2015
• Etablissement(s) : Rouen, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale normande de chimie (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie Organique et Bioorganique : Reactivité et Analyse / COBRA
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Hoarau, Cédric Schneider, Sandrine Piguel, Jacques Rouden, Gérard Cahiez, André B. Charette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acides picoliniques

Décarboxylation

Chimie organométallique supramoléculaire

Caféique, Acide

Azines

Mots clés libres

Couplage croisé décarboxylant

Azine N-oxyde

Couplage pallado-catalysé

Cinnamic acid

Carboxyazine N-oxide

Catalytic decarboxylative cross croupling

Résumé

La fonctionnalisation des hétéroaromatiques suscite grand intérêt tant en chimie supramoléculaire qu’en chimie pharmaceutique. Parmi les techniques les plus employées, la chimie organométallique catalysée par les métaux de transition est une méthode de choix et apporte depuis plus d’un siècle une contribution majeure notamment depuis l’avènement des couplages croisés. Les défis méthodologiques contemporains reposent en grande partie sur le concept du ‘mieux avec moins’ et visent notamment au développement de couplages croisés directs catalytiques impliquant des liaisons C-CO₂H et C−H avec le souci (i) d’éviter la préparation et/ou l’isolement d’intermédiaires organométalliques hautement réactifs souvent préparés dans des conditions drastiques et/ou sensibles à l’humidité et parfois instables, (ii) de réduire la production massive de sels; (iii) d’éviter les étapes de protection/déprotection des fonctions sensibles aux attaques nucléophiles. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce contexte et a pour objectif le développement de nouveaux couplages croisés directs décarboxylants de type CCO₂H/C-X et C-CO₂H/C-H impliquant deux partenaires de couplages inédits, les acides carboxyaziniques N-oxydés et les acides cinnamiques α-méthoxylés, traités dans deux parties distinctes. Un premier travail a conduit au développement d’une méthodologie générale de couplage décarboxylant,catalysée au palladium (0) et assistée par l’argent (I), d’acides quinaldiques et picoliniques N-oxydés ainsi que de l’acide isoquinoline 3-carboxylique avec des halogéno(hétéro)arènes. En effet, bien que le cuivre (I) se soit révélé plus performant par calculs DFT pour conduire l’ipso-décarboxylation-métallation, seul l’argent favorise la catalyse conventionnelle coopérative Pd(0)/Ag(I) assurant la sélectivité en lieu et place de la fonction acide carboxylique. Ayant montré un large spectre de réactivité, la méthodologie tolère en particulier la présence de substituants sur le noyau azinique. Elle représente également une alternative synthétique à l’arylation directe de la liaison C−H des azines N-oxydées pour accéder aux azines 2-hétéroarylées ainsi qu’aux pyridines 2,5-disubstituées et aux isoquinoléïnes 3-arylées. Comme application, une approche modulable et flexible a été développée pour la synthèse d’une isoquinoline fonctionnalisée en position 1 et 3 connue comme agent antitumoral. Le second travail a porté sur la mise au point des premiers couplages croisés décarboxylants oxydants de type CCO₂H/C−H pallado-catalysés et assistés par le cuivre (II) d’acides cinnamiques α-méthoxylés sur une large gamme d’hétérocycles pour conduire à la formation stérécontrollée d’éthers d’enol héteroarylés en position géminale. L’introduction directe et inédite de la fonction éther vient enrichir le panel des méthodologies de fonctionnalisation des liaisons C−H des hétérocycles. Leur haut potentiel d’aménagement fonctionnel permet de diversifier consécutivement et très largement la nature de la fonctionnalisation pour accéder en particulier aux hétéroarylalkyl cétones et aux alcènes poly-fonctionnalisés.

The functionalization of heterocycles arouse an interest both in supramolecular chemistry and in pharmaceuticals. Based on the so-called concept better with less, the development of direct functionalization methodologies of heterocycles involving C–H and C–CO₂H bonds has emerged as an efficient, modern alternative and complementary process to traditional cross coupling methods, avoiding thus the use of stoichiometric organometallic reagents that are often air and moisture sensitive. In this context, the aim of this PhD work was to develop new decarboxylative cross couplings, CO₂H / C-X and CO₂H / C−H, using substituted 2-carboxyazine N-oxides and α-methoxyacrylic acids as new coupling partners.The first part of this work has been focused on the development of the versatile Pd-catalyzed and Ag-assisted decarboxylative coupling of quinaldic and picolonic acids N-oxides as well as 3-carboxyisoquinoline acids with (hetero)aryl halides. Although copper (I) appeared to be more efficient by DFT calculations to perform ipsodecarboxylation-metallation step, only silver catalysis revealed to be much more adequate to achieve the conventional decarboxylative coupling and this was then pointed out with the high regioselectivity observed at the carboxy function site. This reaction showed a large reactivity spectrum and tolerated for the first time substituents on azinic core. It is also a synthetic alternative to the direct C−H arylation on azine N-oxides for the regioselective synthesis of 2-arylated substituted pyridines and 3-arylated isoquinolines. As application, a modular and flexible approach has been developed for the synthesis of the highly functionalized 1,3-substitute disoquinoline 5, shown as an antitumor agent.In the second part, the first Pd-catalyzed and Cu-assisted decarboxylative / C-H alkenylation of heterocycleswith various α−methoxyacrylic acids was reported offering general stereocontrolled access to heteroarylated enol ethers in geminal position. The direct introduction of vinyl ether allows to expand the panel of C-H bond functionalizations methodologies of heterocycles. The high potential for subsequent post-functional adjustment of the vinyl ether moiety enable thus the synthesis of heteroarylated α,β-enolizable ketones and polysusbituted alkenes.