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Directions interdisciplinaires émergentes

Organocatalyse asymétrique

Comprendre comment de petites molécules organiques sans métal catalysent sélectivement des réactions, via des intermédiaires covalents iminium/énamine ou des liaisons hydrogène non covalentes.

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IntuitionIntuition : un environnement chiral sans métal

Un catalyseur accélère une réaction en offrant une voie moins énergétique, puis est régénéré. Une petite molécule organique chirale peut se lier au substrat, même temporairement, et rendre inégales les énergies des voies menant aux deux images miroir.

ScolaireBases : chiralité et sélectivité

Les énantiomères ont la même formule et presque les mêmes propriétés macroscopiques, mais une géométrie différente. L’excès énantiomérique ee vaut |R−S|/(R+S) × 100 % : un ee élevé indique la prédominance d’un énantiomère, pas nécessairement un rendement élevé.

La proline est un catalyseur amine secondaire. Elle forme une énamine avec un donneur carbonylé ; celle-ci réagit avec l’électrophile, puis l’hydrolyse libère le produit et régénère la proline. Le carboxyle peut organiser les transferts de proton et l’état de transition.

UniversitaireUniversité : activation covalente

En catalyse par énamine, le carbone α d’un composé carbonylé acquiert un caractère nucléophile. En catalyse par iminium, une amine chirale condense avec un carbonyle α,β-insaturé, abaisse son LUMO et favorise l’addition conjuguée nucléophile ; l’hydrolyse ferme le cycle catalytique.

Basculer entre activation par énamine et par ion iminium et suivre les quatre étapes de chaque cycle : condensation avec l’amine catalyseur, formation de la liaison C–C, hydrolyse et régénération du catalyseur.
E=kfastkslow=e−ΔΔG‡/RTE = \frac{k_{\text{fast}}}{k_{\text{slow}}} = e^{-\Delta\Delta G^{\ddagger}/RT}
ee=[R]−[S][R]+[S]×100%\text{ee} = \frac{[R] - [S]}{[R] + [S]} \times 100\%
kobs=k1[cat]+k2[cat]2(nonlinear effect)k_{\text{obs}} = k_1 [\text{cat}] + k_2 [\text{cat}]^2 \quad \text{(nonlinear effect)}

AvancéAvancé : activation et contrôle non covalents

Des donneurs de liaison hydrogène comme les thiourées et squaramides peuvent lier des anions ou des oxygènes carbonylés ; des acides de Brønsted chiraux protonent ou lient les substrats. Ces interactions stabilisent les charges et orientent les partenaires, selon le solvant, la concentration et les compétiteurs.

La sélectivité s’interprète généralement par des états de transition concurrents, et non par un simple blocage d’une face. Répulsion stérique, liaisons H, paires d’ions, conformations et organisation du solvant peuvent contribuer ; les propositions mécanistiques doivent être éprouvées.

RechercheFrontière de la recherche

Références

  • Proline-Catalyzed Direct Asymmetric Aldol Reactions · B. List, R. A. Lerner, C. F. Barbas III, 2000
  • The Advent and Development of Organocatalysis · D. W. C. MacMillan, 2008
  • New Strategies for Organic Catalysis: The First Highly Enantioselective Organocatalytic Diels–Alder Reaction · K. A. Ahrendt, C. J. Borths, D. W. C. MacMillan, 2000