Cours Masters TACQI -Module Chimie vete et catalyse PDF

1  Sommaire Chapitre 1 : Chimie verte Introduction 2 I- Les 12 principes de la chimie verte 2 II- Economie d’atomes...

1  Sommaire Chapitre 1 : Chimie verte Introduction 2 I- Les 12 principes de la chimie verte 2 II- Economie d’atomes 5 III-Facteur Environnemental de Sheldon 6 IV-Solvant verts 9 IV.1. L’eau 10 IV.2. Fluides supercitiques 10 IV.3.Solvants bio-sourcés ou agrosolvants 13 IV.4.Liquides ioniques 13 V- Méthodes alternatives en synthèse 14 V.1.Chimie sans solvant 14 V.2.Microondes 16 V.3.Ultrason 18 Chapitre 2 : Catalyse Introduction 23 I-Généralité sur les structures des complexes de coordination 22 I.1-Définition 22 I.2-Liaisons métal-ligand 24 I.3- Classification des ligands (L,X) 27 I.4-Hapticité 29 I.5-Décompte des électrons, règle des 18e- 30 I.6- Degré d’oxydation d’un métal 33 II-Etapes élémentaires du cycle catalytique 33 II.1.Définitions 33 II.2-Etapes d’un cycle catalytique 34 II.3- Réactions élémentaires d’un cycle catalytique 35 II.4- Cycles catalytiques classiques 43 III-Réactions de couplage croisé (C-C) et leurs applications industrielles 59 III.1-Réaction de Heck et application industrielle 60 III.2-Réaction de couplage de Sonogashira et application industrielle 62 2 III.3-Réaction de couplage de Negishi et application industrielle 64 III. 4-Réaction de couplage de Suzuki et ses applications industrielles 67 III.5-Réaction de couplage de Stille et ses applications industrielles 70 III.6-Réaction de couplage de Hiyama 72 III.7- Réaction de couplage Hiyama-Danemark 74 III.8-Réaction de Tsuji-Trost 76 3 4 Chapitre 1 : Chimie verte 1 1 Introduction La chimie verte (chimie durable ou chimie écologique) a pour but de concevoir des produits et des procédés chimiques permettant de réduire ou d’éliminer l’utilisation et la synthèse de substances dangereuses. Le terme « dangereuses » est pris au sens le plus large, le danger peut être: -physique (substance inflammable, explosive...), -toxicologique (cancérigène, mutagène...) - ou global (destruction de la couche d'ozone, changement climatique...) 1990 : États-Unis ont adopté la loi de prévention de la pollution liée aux activités chimiques (« Pollution Prevention Act »). Il s'agit d'opérer une réduction à la source pour prévenir la pollution.. En 1991, l'agence Américaine pour la protection de l'environnement a lancé la première initiative de recherche en chimie verte en proposant la définition que venons de voir. En 1998, cette définition a été développée en douze principes par les chimistes Américains Paul Anastas et John Warner de l’Agence Américaine de Protection de l’Environnement, qui ont contribué à faire naître et à populariser le concept de la chimie verte.. I-Les 12 principes de la chimie verte (édictés par Anastas et Warner en 1998) Les douze principes de la chimie verte servent de feuille de route à l’éco-conception des produits et à la prise en compte de l’ensemble du « cycle de vie » des produits. 1 Figure 1 : Les douze principes de la chimie verte (Paul T. Anastas et John C. Warner, Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998) 1. Prévention des déchets : Il vaut mieux prévenir les déchets que de traiter ou de nettoyer les déchets après leur création. 2. L’économie d’atomes : Les méthodes synthétiques doivent être conçues pour maximiser l’incorporation de tous les matériaux utilisés, au cours du processus, dans le produit final. 3. Synthèses chimiques moins dangereuses : Dans la mesure du possible, les méthodes de synthèse devraient être conçues pour utiliser et générer des substances qui possèdent peu ou pas de toxicité pour la santé humaine et l’environnement. 4. Concevoir des produits chimiques plus sûrs : Les produits chimiques doivent être conçus pour préserver l’efficacité de la fonction tout en réduisant la toxicité. 2 5. Solvants et auxiliaires plus sûrs : L’utilisation de substances auxiliaires (par exemple, solvants, agents de séparation,…etc.) doit être rendue inutile dans la mesure du possible, et lorsqu’elle est utilisée, elle doit être inoffensive. 6. Conception pour l’efficacité énergétique : Les besoins énergétiques doivent être reconnus pour leurs impacts environnementaux et économiques et doivent être minimisés. Si possible, les méthodes de synthèse doivent être menées à température et pression ambiantes. 7. Utilisation de matières premières renouvelables : La matière première doit être renouvelable plutôt que de s’épuiser chaque fois que cela est techniquement et économiquement possible. 8. Réduire les dérivés : La dérivatisation inutile (utilisation de groupes de blocage, protection/déprotection, modification temporaire des processus physiques/chimiques) doit être minimisée ou évitée si possible, car de telles étapes nécessitent des réactifs supplémentaires et peuvent générer des déchets. 9. Catalyse : Les réactifs catalytiques sont plus efficaces que les réactifs stœchiométriques. Il faut favoriser l'utilisation de réactifs catalytiques les plus sélectifs possibles. 10. Conception pour la dégradation : Les produits chimiques doivent être conçus de manière à ce qu’à la fin de leur fonction, ils se décomposent en produits de dégradation inoffensifs et ne persistent pas dans l’environnement. 11. Analyse en temps réel pour la prévention de la pollution : La mise au point des méthodologies d'analyses en temps réel pour prévenir la pollution, en contrôlant le suivi des réactions chimiques. Le maintien de la qualité de l'environnement implique une capacité à détecter et si possible à quantifier, la présence d'agents chimiques et biologiques réputés toxiques à l’état de traces. 3  12. Chimie intrinsèquement plus sûre pour la prévention des accidents: Le développement d’une chimie fondamentalement plus sûre pour prévenir les accidents, explosions, incendies et émissions de composés dangereux. II- Economie d’atomes Tous les atomes entrant dans la composition chimique des réactifs doivent nécessairement se retrouver dans celle des produits formés. S’il existe des sous-produits non valorisables, alors les atomes qui rentrent dans leur composition sont perdus. Autrement dit : une réaction chimique devra intégrer le maximum des atomes des réactifs dans le produit souhaité. L'utilisation atomique (UA), introduite par Trost, également appelée l'économie atomique (EA), est définie comme le rapport de la masse molaire du produit recherché sur la somme des masses molaires de tous les produits qui apparaissent dans l'équation stœchiométrique. Si les sous-produits de la réaction ne sont pas tous identifiés, alors la conservation de la matière permet de remplacer le dénominateur par la somme des masses molaires de tous les réactifs. Soit la transformation suivante : aA+bB cC+dD avec C est le produit recherché. Cet indicateur n’est pas suffisant à lui seul pour mesurer l’impact environnemental d’un procédé, puisque le calcul ne tient pas compte des solvants ni du fait que des réactifs peuvent être introduits en excès.  Exemple : synthèse d’un médicament Le Lazabémide® est un antidépresseur qui pourrait être utilisé dans le futur pour soigner les maladies de Parkinson et d’Alzheimer. Récemment, la société Hoffman-La Roche a modifié son procédé de synthèse. 4  Schéma 1 Dans le cadre de la chimie verte, une réaction chimique est conçue pour avoir une économie d’atomes EA le plus proche possible de 100. Si la réaction a EA < 100: elle génère des sous-produits, qui sont souvent des déchets. Pour la voie ancienne, seuls 17% en masse des atomes de réactifs sont incorporés dans le produit. Les 83% qui restent constituent des déchets qu'il faudra séparer puis traiter pour les recycler ou les détruire, avec un impact environnemental et financier important. Quant à la nouvelle voie, l’économie d’atome est de 85%. Ce procédé est efficace en terme d’économie d’atomes et il génère moins de déchets (15%). III- Facteur Environnemental de Sheldon (Facteur E) Il envisage des synthèses chimiques non génératrices de déchets à traiter ou à gérer. L’éco-conception d’un produit exige de : - limiter au maximum les émissions et les sous-produits qui ontnécessairement un impact sur l’environnement. - Ne pas avoir à traiter, à laver et/ou à éliminer les déchets (le traitement des rejets peut atteindre 40 % du coût global d’un procédé). Il est défini dès 1992 comme suit: 5  Déchets : tout ce qui n'est pas recyclé ou utilisé pour une autre synthèse. En chimie organique, les solvants de traitement, les supports de chromatographie d'adsorption,... doivent être comptés dans les déchets.  Facteur E pour différents secteurs industriels de la chimie : Le tableau ci-dessous donne l'ordre de grandeur des facteurs E dans les grands domaines de l'industrie chimique. Tableau 1 On constate que Le facteur E est d'autant plus important que les produits chimiques synthétisés sont complexes. La raffinerie (du sucre, du pétrole…) génère assez peu de déchets relativement à la chimie pharmaceutique qui a une image plus propre. En 2006, le Maroc a adopté une réglementation intitulée « loi relative à la gestion des déchets et à leur élimination ». Cette loi a été promulguée en 2015 après avoir a été complétée par le décret sur la gestion des déchets dangereux. Pour réduire les déchets et diminuer leur impact environnemental, on met en place un plan d'action 4R « Réduire, Responsabiliser, Réutiliser, Recycler ». Schéma 2 : Pyramide de gestion des déchets Si le facteur E d’une réaction est de 2,7. Il y a 2,7 fois plus de déchet, en masse, que de produit désiré. Un procédé sera donc d'autant plus efficace, que son facteur E sera proche de 0. 6 Exemple: Voies de synthèse de l’Ibuprofène : (a) Synthèse industrielle de l’ibuprofène en 6 étapes ; (b) Synthèse en 3 étapes et fait appel à des réactions catalysées : Schéma 3 Pour synthétiser 13 mille tonnes d’ibuprofène via la voie (a), on produit 20 mille tonnes de déchets. Schéma 4 Pour synthétiser 13 mille tonnes, on produit 4 mille tonnes de sous-produits valorisés par leur utilisation dans les peintures. Donc zéro déchet. Ce procédé présente des avantages environnementaux et économiques. 7  IV-Solvant verts Pour évaluer le caractère « vert » d’un solvant, plusieurs méthodes ont été développées: Méthode basée sur les critères EHS (Environmental Health and Safety; Santé et sécurité environnementales) : Elle classe les composés chimiques dont les solvants selon neuf critères: Tableau 2 Pour un composé donné, une valeur est attribuée à chaque critère : la somme donne alors le profil EHS du composé étudié Méthode basée sur l’analyse de cycle de vie (ACV, « LCA ») : Elle consiste à évaluer l’impact environnemental en considérant toutes les étapes de la vie du produit: la provenance des réactifs, la synthèse et l’utilisation de substances auxiliaires, le transport, l’utilisation ainsi que le devenir dans l’environnement. Ces deux méthodes n’ont pour le moment été appliquées qu’aux solvants organiques. Il n’existe pas réellement de solvant idéal, il convient donc de faire des choix en fonction des réactions et des procédés mis en œuvre. D’après Gu et Jérôme (2013), un solvant vert doit satisfaire douze critères : 1. Disponibilité : un solvant vert doit être disponible à grande échelle et la capacité de production ne devrait pas fluctuer de façon importante afin d'assurer une disponibilité constante du solvant sur le marché. 2. Prix : le prix d’un solvant vert doit être non seulement compétitif, mais il ne devrait pas fluctuer grandement au cours du temps afin d'assurer la durabilité du processus chimique. 8 3. Recyclabilité : un solvant vert doit être entièrement recyclé, en utilisant bien sûr des procédures écoefficaces. 4. Pureté : les solvants de qualité technique sont préférés pour éviter les processus de purification énergivores nécessaires pour obtenir des solvants très purs. 5. Synthèse : les solvants verts doivent être préparés à l'aide de procédés écoénergétiques et les réactions de synthèse devraient respecter le principe d’économie d’atomes. 6. Toxicité : la toxicité des solvants verts doit être négligeable afin de réduire tous les risques lorsqu'ils sont manipulés par des humains ou libérés dans la nature. 7. Biodégradabilité : les solvants verts devraient être biodégradables et ne devraient pas former de produits de dégradation toxiques. 8. Performance : un solvant vert devrait avoir des performances similaires et même supérieures (viscosité, polarité, densité, etc.) à celles des solvants actuellement employés. 9. Stabilité: pour une utilisation dans un processus chimique, un solvant vert doit être thermiquement et (électro)chimiquement stable. 10. Inflammabilité : pour des raisons de sécurité lors de la manipulation, un solvant vert devrait être ininflammable. 11. Stockage : un solvant vert devrait être facile à stocker et devrait satisfaire les exigences de toutes les législations relatives au transport sécuritaire par la route, le train, en bateau ou en avion. 12. Renouvelabilité : l'utilisation de matières premières renouvelables pour la production de solvants verts devrait être favorisée en rapport avec l'empreinte carbone. IV.1.L’eau L’eau est un solvant peu cher, disponible, non toxique et non inflammable. Il représente donc une alternative intéressante d’un point de vue économique et environnemental. IV.2.Fluides supercritiques Un fluide supercritique (FSC) est une substance portée au-delà de sa température critique Tc et de sa pression critique Pc. Les FSC les plus utilisés en chimie verte sont le 9 dioxyde de carbone (scCO2) et l’eau (scH2O) car ils présentent l’avantage d’être solvants verts non polluants, non inflammables et renouvelables. Un fluide supercritique présente des propriétés physico-chimiques uniques: - Une masse volumique pouvant être élevée (comme celle des liquides) - Un coefficient de diffusivité intermédiaire entre celui des liquides et celui des gaz. - Une faible viscosité comparable à celle des gaz. H2O supercritique Figure 2 À des températures très élevées (> 374°C), l’eau est moins polaire et a le comportement d’un solvant organique. L’eau supercritique présente les avantages suivants : - Non toxique, non inflammable, recyclable, - Pouvoir solvant ajustable en fonction de T et de P - Miscibilité totale avec les solvants organiques - Faible solubilité des sels minéraux Cependant, les coordonnées critiques élevées de l’eau supercritique limitent son utilisation en extraction de biomolécules issues de matrices biologiques car elles sont thermosensibles. CO2 supercritique : L’utilisation de scCO2 comme solvant a été étudiée depuis les années 1950 et s’est intensifiée jusqu’au développement d’installations 10  industrielles dédiées à l’extraction du houblon, d’épices, ou à la décaféination du café, mais également à la synthèse. Figure 3 Au-delà d’une température de 31°C et d’une pression de 74 bars, le CO₂ atteint le 4e état de la matière : l’état supercritique. Entre l’état gazeux et l’état liquide, il possède alors des qualités nouvelles et agit comme un solvant polyvalent. À l’état supercritique, le CO₂ : a une faible viscosité, inférieure à celle des liquides dispose d’une meilleure diffusivité qu’un liquide conserve les propriétés d’un solvant liquide Il est utilisé en : - Synthèse chimique (amélioration des procédés existants) - Nettoyage de pièces mécaniques (automobile, machine-outil) - Extraction d’espèces chimiques naturelles (caféine ou « bio »), en industrie alimentaire, pharmaceutique et cosmétique. Les procédés utilisant le sc-CO2 produisent moins de déchets (le facteur E est plus faible). Les principaux avantage du CO2 supercritique (sc-CO2) sont : peu coûteux, abondant, non toxique, non inflammable, renouvelable, recyclable, inerte chimiquement ; il a aussi un pouvoir solvant ajustable et un point critique modéré Tc = 31 °C Pc = 74 bars. 11 IV.3.Solvants bio-sourcés ou agrosolvants On appelle agrosolvants les solvants qui sont issus de la biomasse végétale. Issus surtout des filières bois, céréales et oléagineuses, ce sont principalement des alcools, esters et terpènes. Certains de ces solvants sont biodégradables et présentent une faible toxicité mais l’avantage majeur des agrosolvants en termes de chimie verte provient du fait qu’ils peuvent remplacer les solvants d’origine pétrolière. Leurs utilisations en synthèse se sont beaucoup développées ces dernières années. Exemples: Figure 4 IV.4.Liquides ioniques Les liquides ioniques possèdent une température de fusion inférieure à 100 °C ils sont à l’état liquide à température ambiante. Ils sont constitués uniquement d'ions. Les cations les plus populaires comprennent notamment l’imidazolium, le pyridinium, l’ammonium et le phosphonium. Figure 5 12 Cette famille est considérée comme une nouvelle génération de solvants verts, du fait qu’ils possèdent une tension de vapeur quasiment nulle, qui limite toute évaporation et permet leur recyclage. D’un point de vue toxicité et dégradation, il a été démontré que les cations pyridinium sont plus respectueux pour l’environnement que les cations imidazolium. Plus la taille du cation est grande, plus le LI sera toxique La plupart d’entre eux sont de bons conducteurs et ininflammables et ont une bonne stabilité thermique et chimique. V- Méthodes alternatives en synthèse V.1.Chimie sans solvant Les synthèses organiques sont traditionnellement menées dans un solvant et dans certaines conditions, il est également possible de ne pas l’utiliser, ce qui peut permettre de diminuer considérablement le facteur environnemental des procédés. Selon les états des substrats et/ou des réactifs: - Si au moins un des réactifs est liquide, ce dernier peut se comporter comme un solvant; le mélange réactionnel se comporte alors comme une solution extrêmement concentrée. - Si la réaction fait intervenir un solide et un autre solide ou un gaz, il est souvent nécessaire d’avoir une activation externe afin de favoriser le mouvement moléculaire des réactifs. L’énergie peut être apportée par chauffage classique, par utilisation des microondes, des ultrasons ou encore par broyage. Les réactions sans solvant entre réactifs liquides ne nécessitent pas forcément une activation externe. Exemple: Hydrophosphonylation d’aldéhydes en présence d’un catalyseur supporté 13  Sans solvant: conversion > 99% Dichlorométhane: conversion > 50 % Acétonitrile : pas de réaction « 2-tert-butylimino-2-diéthylamino- 1,3-diméthylperhydro-1, 3, 2-diazaphos -phorine sur polystyrène » Schéma 5 Le catalyseur est récupéré par filtration et lavage au méthanol. Le facteur environnemental E de ce procédé sans recyclage du catalyseur est de 13 Mais avec un protocole en flux continu le facteur E est de 0,48. Schéma 6 14  V.2.Microondes Les premières synthèses assistées par microondes ont été décrites indépendamment par les groupes de Gedye et Giguere en 1986. Le chauffage par microondes a été considéré comme un des outils de la chimie verte dès les années 1990 en se basant sur l’économie d’énergie « Un gain d’énergie est obtenu grâce à un gain de temps ». Les fours à microondes fonctionnent à une fréquence de 2,45GHz (soit une  = 12,24cm) pour éviter toute interférence avec les fréquences utilisées pour les télécommunications Le chauffage des réactifs par microondes peut s’avérer très bénéfique dans certains cas. Ainsi la synthèse d’oxazolines à partir de nitriles, qui implique généralement l’utilisation de catalyseurs métalliques ou d’acides forts, a pu être réalisée sans solvant et sans catalyseur, avec des rendements élevés Exemple 1 : Schéma 7 Exemple 2 : Synthèse de carbazoles à partir d’indoles Schéma 8 Le procédé assisté par microondes a semblé être plus économe en énergie 15 Exemple 3 : Annélation électrophile de pyrroles Schéma 9 Toutes les réactions assistées par microondes ne peuvent pas avoir automatiquement un label de chimie verte en se référant au principe d’économie d’énergie V.3.Ultrason Les ultrasons peuvent être classés en 2 catégories selon les interactions qu’ils possèdent avec le milieu qu’ils traversent : - s’ils ont une faible amplitude de puissance, les ultrasons traversent le milieu sans influence sur lui « ultrasons de diagnostic, ils sont utilisés en médecine ou en imagerie médicale »; - s’ils ont une forte amplitude de puissance, les ultrasons sont capables d’induire d’importantes modifications physico-chimiques du milieu dans lequel ils se propagent : on parle alors d’ultrasons de puissance. Les ondes ultrasonores agissent sur les réactions chimiques par le biais d’un phénomène particulier appelé cavitation. La sonication a été reconnue comme une approche propre et avantageuse et plus verte, elle permet de réaliser des réactions chimiques à haut rendement, sans apport de chaleur, de réactifs ou de catalyseurs et de minimiser la quantité de déchets. Les ondes acoustiques ne peuvent pas modifier les états électroniques, vibratoires, ou rotationnels des molécules; c’est le phénomène de cavitation acoustique qui est à l’origine des transformations chimiques observées lors de la sonication. 16 La sonochimie repose sur le phénomène de cavitation acoustique : un liquide soumis à un champ ultrasonore de 20 kHz à 1 MHz se dilate et crée des bulles qui grossissent puis implosent. Le temps d’implosion est de l’ordre de la microseconde et le phénomène résultant induit des conditions locales de température et de pression extrêmes, estimées à plusieurs milliers de degrés et plusieurs centaines de bars, couplées à des vitesses de refroidissement de l’ordre de 1010 K/s. Figure 6 Les microbulles de gaz formées dans le liquide vont augmenter progressivement de volume sous l’effet de propagation de l’onde ultrasonore et de l’alternance de la formation de zones de compression de raréfaction. Cette croissance amène les bulles jusqu’à une taille critique, « une certaine taille où elle ne peut plus absorber d'énergie », où elles implosent en produisant localement (à l’intérieur de ces bulles) des conditions de pression et de température extrêmes, qui peuvent atteindre localement plusieurs milliers de Kelvin et plusieurs centaines de bars. Ces effets locaux extrêmes sont à l’origine de toutes les applications de la sonochimie. 17  Figure 7 La catalyse permet d’abaisser l’énergie d’activation des réactions chimiques, en conduisant à une augmentation de leur vitesse, mais qu’elle ne joue pas sur leur thermodynamique. Le catalyseur est utilisé en faible quantité, substœchiométrique. Pour évaluer son efficacité, on utilise le paramètre TON (TurnOver Number), qui est le rapport entre le nombre de moles de substrat converti en produit et le nombre de moles de catalyseur. On distingue deux types de catalyse: - La catalyse homogène où le catalyseur est dissous dans la phase homogène permet un excellent contact entre les réactifs et le catalyseur. Le recyclage du catalyseur est souvent plus difficile. - En catalyse hétérogène, le catalyseur et les réactifs forment deux phases différentes (le catalyseur est un solide). L’intérêt de cette catalyse vient du fait que le catalyseur peut être facilement recyclé. Lors de la catalyse hétérogène, au moins un des réactifs est adsorbé à la surface du catalyseur solide, d’autant plus facilement que la surface spécifique du catalyseur est importante. Une fois que la réaction a eu lieu, le produit doit être désorbé afin de libérer les sites Ex: 1974, la Californie a imposé des pots catalytiques pour réduire la pollution due à la combustion des moteurs automobiles. Le pot catalytique doit à la fois favoriser des réactions : - d’oxydation du CO toxique (dû à une combustion incomplète) en CO2 non toxique - de réduction de NO par le CO résiduel. Catalyseurs : Métaux de transition (Pd, Pt, Rh) déposés sur alumine de grande surface spécifique (100 à 300m2 /g et de bonne stabilité thermique (1000 - 1100°C). 18 Chapitre 2: Catalyse 19 Introduction La catalyse est un pilier de la chimie verte, une approche qui donne lieu à des gains importants en termes d'efficacité globale des réactions chimiques. Les réactions catalytiques sont des réactions effectuées en présence d'un catalyseur qui peut être un composé solide ou liquide. Ce dernier augmente la vitesse de la réaction en abaissant l’énergie d’activation, il permet ainsi d'économiser de l'énergie et de réduire le temps de réaction. Le catalyseur n'est pas détruit lors de la réaction et il peut être, dans certains cas, récupéré et réutilisé. En plus, il a la propriété d'être sélectif (il favorise la formation du produit recherché) et respectueux du principe de limitation des déchets (le premier des principes de chimie verte). Il permet ainsi une meilleure utilisation des atomes des molécules de départ qui se retrouvent tous dans le produit désiré et non dans des produits secondaires qu'il faut séparer, recycler ou détruire. Les économies d'énergie, d'atomes et de temps font preuve que ces catalyseurs constituent une solution à privilégier en matière de chimie verte. L’importance de la catalyse résulte du fait que 80 % des réactions mises en œuvre au stade industriel sont des réactions catalysées. I- Généralité sur les structures des complexes de coordination I.1-Définition La chimie de coordination est une discipline qui associe le plus souvent la chimie inorganique et la chimie organique : les molécules organiques (comme ligands) et un ion inorganique comme élément central. Un composé de coordination (ou un complexe) est un édifice moléculaire dans lequel le métal de transition M est lié à un certain nombre de ligands, ces derniers pouvant être des atomes ou des molécules. MLn L : ligand où : M : est un métal du bloc s, p, d ou f. Le terme « métal » inclut les semi-métaux (bloc p), le bore, le silicium, le germanium, l’arsenic, l’antimoine, le sélénium et le tellure. L'UICPA définit les métaux de transition comme les éléments qui ont une sous- 20 couche d incomplète ou qui peuvent donner un cation ayant une sous- couche d incomplète. Cette définition revient à exclure les éléments du groupe 12 (figure 1 : zinc Zn, cadmium Cd, mercure Hg et copernicium Cn). Les 4 caractéristiques communes des métaux de transitions : - ils forment des composés colorés ; - ils possèdent de nombreux états d’oxydation ; - ce sont de bons catalyseurs ; - ils peuvent former des complexes. Figure 1 Les métaux de transition les plus fréquemment utilisés en synthèse organique sont : Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, W, Os, Ir et Pt. I.2-Liaisons métal-ligand 21 Les orbitales atomiques d d’un métal de transition sont présentés ci-dessous : Figure 2 Ex : liaison Ti-Cl 2 2 0 Ti : 3d 4s 4p 5 Cl : 3p On peut accrocher 4 Cl, il reste encore de la place pour accueillir des électrons Liaison M-Cl (s, p donneurs du Cl) Figure 3 Les orbitales atomiques impliqués dans la M-Cl sont des orbitales donneuses d’électrons. a- Liaison  22 Deux cas peuvent se présenter pour la liaison : - si le métal et le ligand engagent chacun un électron dans la liaison, la liaison est purement covalente. Ex : le cas de M-Cl, M-CH3, M-H  Si le métal reçoit deux électrons du ligand, la liaison est dite dative) Ex : M-PR3, M-(alcène), M-(CO), M-(carbène) … Dans les deux cas, il s’agit d’un recouvrement axial d’orbitales, donc d’une liaison . Ex: M-NH3 Figure 4 Les ligands impliqués dans les liaisons σ sont normalement considérés comme des ligands donneurs Pour différencier une liaison covalente d'une liaison dative ((métal chargé ou neutre et ligand neutre) on utilisera deux symboles distincts. Figure 5 b- Laison  Les liaisons  métal-ligand s’établissent entre les doublets libres du ligand vers les orbitales d inoccupées du métal. Il s’agit d’un recouvrement 23 latéral d’orbitales, donc d’une liaison . Figure 6 Les ligands impliqués dans les liaisons  peuvent être accepteurs ou donneurs. La rétroliaison, plus faible, est issue d’un recouvrement latérale d’une des orbitales d pleine du métal avec l’orbitale anti-liante  * « vide » du ligand. Il s’agit donc d’une liaison . Figure 7 I.3- Classification des ligands (L, X) On utilise la convention consistant à considérer tous les ligands comme neutres. On distingue principalement deux familles de ligands : 24  -Ceux qui apportent une ou plusieurs paires d'électrons au métal qu’on appelle les ligands "pairs" notés L ou Ln, n étant le nombre de pairs d'électrons données au métal. Le ligand L assure la liaison M-L par les deux électrons d’une paire libre d’un hétéroatome (N, O, P, S, etc.) ou deux électrons d’une liaison entre deux atomes du ligand L. Une paire libre portée par un atome de N, C, O ou P : Une liaison  ou une liaison σ entre 2 atomes du ligand: Dans de nombreux cas, le ligand se coordonne au métal par plusieurs atomes. Exemple : 4-butadiène, benzène, cyclopentadiènyle  Ligands pontants Dans les complexes bimétalliques, certains ligands peuvent être « en pont », c’est - à dire liés simultanément aux deux centres métalliques. On utilise alors la nomenclature pour les désigner. 25  Exemples : Figure 8 Si l’on considère un atome de chlore en pont (M2(µ-Cl), il se comporte comme un ligand X vis-à-vis du premier centre métallique grâce à son électron célibataire et comme un ligand L vis-à-vis du second centre grâce à l’une de ses paires libres. Au total, le chlore est un ligand LX qui apporte trois électrons à l’ensemble des deux centres métalliques. Il en est de même pour les autres ligands dont un atome porte un électron célibataire et au moins une paire libre (OR, SR, NR2, PR2, …etc.). Un oxygène en pont (M2(µ-O)) est quant à lui un ligand X vis-à-vis de chacun des deux centres métalliques puisqu’il a deux électrons célibataires et donc un pour l’ensemble du système. Exemple : Figure 9 Ceux qui apportent un électron ou un nombre impair d'électron au métal, appelés ligands radicalaires notés X (un électron) ou LnX (nombre impair d'électrons). Ex de ligand X: H, F, Cl, Br, I,.CR3,.NR2,.OR,.CN 26 Tableau 1 : I.4 - Hapticité C’est une notion qui détermine le nombre d’atomes de carbone liés directement au métal. Elle est symbolisée par la lettre « êta η». L’exposant n (n ) renvoie au nombre d’atomes de carbone.. Exemple : Figure 10 27  I.5-Décompte des électrons, règle des dix-huit électrons Dans le cas des métaux de transition, la règle de l'octet « 8e- sur la couche de valence (ns2np6)» devient la règle des 18 électrons (18e- sur la couche de valence qui correspond à la configuration électronique d’un gaz rare (n-1)d10 ns2np6 18e- correspond au remplissage des 9 orbitales (5 orbitales d, 1 orbitale s et 3 orbitales p). La structure à 18 électrons confère, la plupart du temps, une grande stabilité aux complexes organométalliques. Pour un complexe [MLnXx]q : - Chaque ligand L apporte 2e- dans l’environnement du métal et chaque ligand X apport 1e-. Le nombre total d’électrons apportés par les ligands est 2n + x. - En ce qui concerne le métal de transition, seuls les électrons de valence sont pris en compte, l'hypothèse sous-jacente étant que les électrons de cœur jouent un rôle négligeable dans la formation des liaisons. Le nombre d'électrons apporté par le métal est m. Nt = m + 2n + x − q Exemple : [FeCp(CO)2]- est sous la forme [FeL4X]- Cp est un ligand L2X 5électrons CO est un ligand L 2électrons Nt = m + 2l + x – q = 8 + 2x4 + 1- (-1) = 18 électrons de valence  Tendances et exceptions : Les métaux situés à gauche dans le tableau périodique n’ont que peu d’électrons au départ et il leur est souvent difficile de compléter leur couche de valence à 18 électrons. 28 Ex: [Ti(CH2Ph)4], NEV = 8 ; [TaMe5], NEV = 10 ; [Cr(CH2SiMe3)6], NEV = 12. Cependant, dans ces complexes, il existe d’autres interactions (notamment des liaisons agostiques) qui augmentent le NEV. Figure 11 Les métaux des groupes 9 et 10 des 2ème et 3ème séries de transition ont souvent une géométrie plan carrée et un NEV de 16 : [RhCl(PPh3)3], [Pt(PPh3)3]. Les complexes organométalliques du groupe 11 ont souvent un NEV de 14 : [AuCl(CO)]… Figure 12 29 30 I.6- Degré d’oxydation d’un métal Si le complexe ne contient que des ligands L, le degré d’oxydation du métal est égal à la charge du complexe. S’il y a un mélange de ligands L et X, dans ce cas, on ne tient compte que des ligands X. L’addition du nombre de ces ligands à la charge du complexe fournit le degré d’oxydation du métal. Le degré d’oxydation, c’est le nombre de liaisons covalentes sans compter les datives. On ignore les liaisons avec le même élément. Figure 13 II- Etapes élémentaires du cycle catalytique 1- Définitions Un catalyseur est substance chimique qui augmente la vitesse d'une réaction sans changer l’enthalpie libre de réaction. Il est régénéré au cours de la réaction, donc il n'apparaît pas dans son bilan. Figure 14 31 Un cycle catalytique est une succession de processus élémentaires que subit le catalyseur lors de la transformation à laquelle il participe. II.2- Etapes du cycle catalytique Le cycle catalytique met en évidence les modifications subies par le catalyseur au cours d’une réaction, contrairement aux mécanismes classiques des réactions en chimie organique où l’accent est mis sur les modifications de structure du substrat. La catalyse de coordination peut être décrite par un cycle de réactions qui consomme les réactifs, forme les produits et génère le catalyseur.. Un cycle catalytique comprend essentiellement trois étapes. Avant qu’il ne soit utilisé comme catalyseur, un complexe de coordination «précurseur» subie une réaction de dissociation qui provoque le départ de certains ligands de la sphère de coordination et donne naissance au complexe insaturé «catalyseur».. Le précurseur n’est pas régénéré en fin de réaction, au contraire du catalyseur. 1ère étape: Le catalyseur, sous forme d’un complexe insaturé, fixe les réactifs en tant que ligands et les active pour donner un complexe de coordination impliquant des réactifs. 2nde étape: les ligands ou réactifs peuvent réagir entre eux dans la sphère de coordination pour donner un complexe de coordination impliquant les produits de la réaction qui sont eux-mêmes liés au métal constituant le centre de complexe.. 3ème étape: les produits de la réaction quittent la sphère de coordination et le catalyseur retrouve sa structure initiale.. L’efficacité d’un catalyseur de coordination peut être caractérisée par le nombre de rotations défini comme étant la quantité de produit formé en mole par mole de catalyseur et par la vitesse de rotation. 32  Figure 15 II.3-Réactions élémentaires d’un cycle catalytique a-Echange de ligands (réaction de substitution) L’échange de ligand regroupe trois types de réaction très classique: la dissociation, association et la substitution du ligand Lors de ces processus élémentaires, le degré d’oxydation du métal ne varie pas.  Mécanisme dissociatif : pour les complexes « riches » en électrons (≥ 18 électrons de valence) Schéma 1 Exemple: substitution de ligands à un mécanisme dissociatif Schéma 2 33  Mécanisme associatif : pour les complexes « pauvres » en électrons (≤ 16 électrons de valence) Schéma 3 b-Addition oxydante et élimination réductrice  Addition oxydante L’addition oxydante c’est l’étape au cours de laquelle une entité A-B se scinde en deux et se fixe au centre métallique par deux liaisons métal-ligand : M-A et M-B. Les additions oxydantes sont généralement les étapes au cours desquelles les réactifs se lient au catalyseur. Schéma 4 Exemple : H2 Ligands non électrophiles non « cassants » mécanisme concerté à 3 centres. Schéma 5  Elimination réductrice L’élimination réductrice correspond au schéma général suivant : Schéma 6 34 L’étape au cours de laquelle deux ligands A et B se séparent du métal pour se lier entre eux et former l’entité A-B. Elle clôture le cycle catalytique en libérant le produit final et régénérant le catalyseur. L’élimination du produit final, de la sphère de coordination du métal, est irréversible, elle s’effectue le plus souvent par un mécanisme concerté. Dans ce processus, le nombre d’e- du métal, son degré d’oxydation et de coordination décroissent de 2 unités.. L’élimination réductrice est favorisée par les hauts degrés d’oxydation et de coordination et il est facilité par la stabilité de A-B.. En général, le mécanisme de cette réaction fait intervenir un état intermédiaire à 3 centres. Il faut que A et B soient voisins dans la sphère de coordination du métal ce qui implique une géométrie cis.. Exemple : Schéma 7.. c-Métathèse d’une liaison σ.. Soit un complexe métallique du type LnM-X. La métathèse de liaison σ correspond à l’activation de la liaison σ d’un composé A-B menant à la formation du complexe LnM-A et du composé X-B.. Il s’agit d’un processus concerté de rupture et de formation de deux liaisons σ, sans changement de degré d’oxydation du métal... Le schéma réactionnel se compose de deux étapes : coordination de la molécule A-B à activer, puis activation de la liaison via un état de transition à quatre centres impliquant quatre électrons... 35  Schéma 8 Exemple : Schéma 9 d- Métathèse d’une liaison  Soit un complexe métallique du type LnX. La métathèse de liaison correspond à l’activation de la liaison  d’un composé A=B menant à la formation du complexe LnM-A-B-X. Schéma 10 Il s’agit d’un processus concerté de rupture d’une liaison σ et d’une liaison  et de formation de deux liaisons σ. Le schéma réactionnel implique les mêmes étapes que pour 36 la métathèse de liaison σ. Ce processus mène, grâce à plusieurs activations successives, à la formation d’un polymère Schéma 11 Schéma 12 e- Insertion /désinsertion Une insertion peut se décrire de la façon suivante: un ligand insaturé à 2e - (A=B) s’insère dans une liaison M-X (X est un ligand à 1e-). On distingue l’insertion (1,1) et (1,2): Schéma 13 Il faut que LnM-X ait un site de coordination vacant « complexe à 16e - au plus ». L’insertion d’un ligand s’effectue en 2 étapes distinctes. : : - La première étape consiste à incorporer le ligand A=B dans la sphère de coordination du métal X.. Schéma 14 37  - La deuxième étape est l’insertion proprement dite de A=B dans M-X. Il résulte en général d’une migration de X du métal sur le ligand A=B. Cette migration nécessite une géométrie cis. Schéma 15. Exemple : Schéma 16. Elle s’accompagne d’une diminution de deux unités du NEV et d’une unité de la coordinence C (libération d’un site de coordination). La réaction inverse s’appelle désinsertion ou β-élimination. Exemple : Bien qu’il existe deux processus distincts (la migration et l’insertion), on parle en général sans distinction d’insertion migratoire, ou tout simplement d’insertion sans tenir compte du mécanisme. L’oxyde de carbone CO est le représentant le plus typique des ligands A=B donnant 38 l’insertion (1,1). Exemple : Schéma 17. L’insertion (1,2) est fréquente avec les dérivés éthyléniques comme ligands. Schéma 18. L’insertion permet d’ajouter un groupe à un ligand carboné et ainsi de le fonctionnaliser 39  Schéma 19. f- Transmétallation La transmétallation est une réaction d'échange d'élément métallique. Triflate Schéma 20 Les ligands R et R' peuvent être organiques ou non (alkyle, aryle, alkynyle, allyle, halogène...). La réaction est généralement un processus irréversible. La transmétallation est une étape importante dans les réactions de couplages croisés comme la réaction de Stille et le couplage de Negishi. Exemple : Schéma 21 40 II.4- Cycles catalytiques classiques a-Réaction d’hydroformylation d’un alcène (réaction oxo) La réaction d’hydroformylation permet d’accéder aux aldéhydes à partir d’alcènes sans perte d’atomes. Elle se fait par addition du H2 et du CO sur une double liaison C=C en présence d’un catalyseur base de Co ou de Rh. Le premier à avoir été utilisé est Co2(CO)8 (Roelen, 1938) Schéma 22 La réaction permet l’allongement de la chaîne carbonée d’une unité. La réaction nécessité des températures et des pressions élevées, et elle est non régiosélective « formation d’aldéhyde linéaire et branché ». L’utilisation de phosphines a permis de diminuer voir de supprimer totalement ce problème. Cependant, le gain obtenu en sélectivité de la réaction est contrebalancé par une baisse de réactivité. - L’utilisation de PPh3 rend la réaction très efficace, mais peu régioselective. -L’utilisation de P(nBu)3 plus basique permet une meilleure régioselectivité, mais la réactivité est plus faible. Les aldéhydes formés sont utilisés en synthèse organique, comme ingrédient de parfum, ou comme précurseurs d’alcools entrant dans la composition des détergents. En industrie, la réaction d’hyfromylation s’effectue selon deux procédés Shell « catalyseur HCo(CO)4 » & Ruhrchemie-Rhône-Poulenc (catalyseur : complexe de rhodium avec la TPPTS en conditions biphasiques). 41  Procédé Shell Procédé Ruhrchemie-Rhône-Poulenc TPPTS : triphénylphosphine trisulfonatée « Ligand hydrosoluble » Schéma 23 L’utilisation du milieu aqueux biphasique permet un recyclage aisé du catalyseur. Le facteur E de ce procédé a été évalué à 0,04; cette valeur est à comparer à celle des procédés monophasiques conventionnels comprise entre 0,6 et 0,9. Mécanisme (catalyse au Cobalt): Il débute par une hydrométallation de la double liaison C=C. Schéma 24 42   Mécanisme (catalyse au Rhodium) : Schéma 25 b-Hydrogénation des alcènes La réaction d'hydrogénation catalytique des alcènes en alcanes consiste à la fixation d'une molécule de H2 sur une double liaison C=C en présence d’un catalyseur. Elle se fait avec une économie d’atomes de 100%. Schéma 26 43 En absence de catalyseur, aucune réaction ne se produit à une température inférieure à 480 °C « H2 est très stable et chimiquement inerte ». Les catalyseurs à base de Pt, Pd ou Ni sont couramment utilisés, et ceux à base du Rh ou du Ru sont utilisés à un degré moindre. - Catalyse hététogène: Catalyse hétérogène : le catalyseur n’est pas dans la même phase que les réactifs. La catalyse hétérogène, introduite par Sabatier il y a plus d’un siècle, est largement utilisée en raison de sa meilleure efficacité. Son mécanisme est une syn addition. L’utilisation d’un catalyseur permet de faciliter l’addition de H2 moléculaire en créant des liaisons entre les atomes H et la surface du catalyseur par adsorption. Cette adsorption est généralement réalisée par l’intermédiaire d’un support inerte (charbon, alumine, …), sur lequel est déposé le catalyseur métallique finement divisé. Schéma 27 L’élimination du catalyseur se fait par filtration en fin de réaction. Mécanisme : La catalyse hétérogène se fait en plusieurs étapes: - Adsorption des réactifs sur la surface du catalyseur; - Réaction d’addition du 1er atome H et du 2nd atome H; - Désorption du produit « il quitte la surface du catalyseur » 44  Schéma 28 : Addition de dihydrogène sur un alcène par catalyse hétérogène.  Catalyse homogène : La catalyse homogène: le catalyseur reste dissous dans la solution avec les réactifs. Le catalyseur le plus utilisé en hydrogénation homogène des alcènes est le catalyseur de Wilkinson RhCl(PPh3)3. Ce complexe est à 16 électrons de Rh(I); il fonctionne comme catalyseur parce qu’il perd facilement l’un des ligands phosphines pour former un complexe è 14électrons. Les catalyseurs cationiques, plus électrophiles, sont les plus actifs. Ils favorisent la complexation de l’alcène, ce qui est souvent l’étape cinétiquement déterminante. 45  Schéma 29  Mécanisme : L’hydrogénation catalytique des alcènes, en phase homogène, se fait en quatre étapes: 1-formation du dihydrure par addition oxydante de H2 sur le complexe plan carré du rhodium. 2 - échange des deux ligands, l’alcène se coordonne à la place du solvant. 3- insertion de l’éthylène dans la liaison métal-hydrure et il se forme un complexe alkyle du rhodium. Au cours de cette étape, une molécule de solvant vient compléter la sphère de coordination du métal. 4- élimination réductrice des deux ligands, alkyle et hydrure, qui régénère le catalyseur de départ et fournit l’alcène hydrogéné. Schéma 30 : Hydrogénation de l’éthène en phase homogène par le complexe de wilkinson 46   Application industrielle: L’hydrogénation catalytique a trouvé une application industrielle majeure dans la préparation des graisses alimentaires à partir d’huiles végétales et animales. Figure 16 La présence d’un grand nombre de ces doubles liaisons présente l’inconvénient de rendre ces huiles sensibles à l’oxydation atmosphérique (autoxydation); elles sont susceptibles de rancir. c-Procédé Wacker... Le procédé Wacker « 1953 » utilise le mélange PdCl2 + CuCl2 en solution dans HCl 5N pour réaliser l’oxydation catalytique des alcènes.. Le cuivre a la capacité d'oxyder le Pd(0) en Pd(II), ce dernier étant l'agent catalytique de la réaction. La catalyse est homogène et permet d’obtenir de bons rendements en aldéhyde ou en cétones.. Cette réaction chimique a été la première réaction organométallique appliquée à l’échelle industrielle (1960), pour oxyder l’éthène en acéthaldéhyde et le propène en acétone.. Schéma 31.. La chimie verte exclut les oxydants du type acide nitrique, permanganate, perchlorate, dichromate ou chromate générateurs de trop de déchets. En termes 47 d’économie d’atomes, le meilleur oxydant est l’oxygène moléculaire... L’équation-bilan de la réaction montre qu’elle a une économie d’atomes de 100%.. Le procédé de Wacker conduit actuellement à la production annuelle de 4 millions de tonnes d'acétaldéhyde. Ce dernier est utilisé en synthèse.organique, dans l'industrie des matières plastiques, des parfums et des colorants, comme agent de préservation alimentaire et comme agent de saveur. 48 49 d-Époxydation des alcènes Les époxydes interviennent en chimie fine en tant qu’intermédiaires réactionnels. Ils permettent de créer des liaisons carbone-carbone ou carbone-oxygène qui est à l’origine de l’activité biologique de diverses structures. Exemple : Fongicide Phéromone Schéma 33.. La synthèse d’époxydes représente un enjeu important pour la génération d’intermédiaires clés pour l’industrie chimique.. Ex: l’oxyde de propylène (PO) issu de l'époxydation du propène est un des plus importants produits chimiques utilisés comme précurseur pour la synthèse du polyuréthane et des polyols.. Schéma 34 : Polyuréthane, matière dérivée du plastique.. L'époxydation des oléfines a été découverte en 1909, elle utilise les peracides RCO 3H qui sont souvent dangereux (explosifs) et donc à les éviter impérativement. Actuellement, les chimistes emploient une catalyse métallique et des hydroperoxydes ROOH (le plus souvent est l’hydroperoxyde de tert-butyle « TBHP ») dont le premier exemple a été découvert en 1950 avec [V 2O5] comme catalyseur. R’ OOH = Peracide, hydroperacide, ou l’eau oxygénée Schéma 35 50 La méthode classique est l’utilisation d’hydroperoxydes organiques ROOH en catalyse homogène (Mo, W, V, Ti) ou hétérogène (Ti/SiO2 ). L’utilisation de l’eau oxygénée « HOOH » en solution aqueuse à 30% permet d’augmenter très sensiblement l’économie d’atomes de l’époxydation. Ainsi, en présence d’un agent de transfert de phase et d’acide aminométhylphosphonique, le tungstate de sodium catalyse l’époxydation des alcènes avec d’excellent rendement... Schéma 36.. Le peroxyde d’hydrogène est probablement l’oxydant de choix, pour des raisons environnementales et économiques.. Remarque : Avec quatre équivalents de H2O2, il y a clivage de la double liaison. Le complexe CH3ReO3 /pyridine (0,005 équivalents) catalyse également l’époxydation des alcènes par H2O2 à 30%. Schéma 37 L'analogie mécanistique entre la réaction utilisant un peracide et celle utilisant un hydroperoxyde et un catalyseur métallique a été soulignée par Sharpless. Schéma 38 51  Mécanisme: Schéma 39 Sharpless a indiqué que l'oléfine ne se coordonne pas au métal. Le mécanisme fait intervenir une entité M-OOR formée par réaction de l'hydroperoxyde avec un alcoxymétal M-OR. La stéréochimie de l'alcène est conservée dans l'époxyde, la réaction étant stéréospécifique. Une oléfine est d'autant plus réactive qu'elle est électroniquement plus riche. Avec les alcools allyliques, la proximité de la fonction OH se ligandant sur le métal oxophile procure un effet syn privilégiant l'époxydation de la double liaison de l'alcool allylique par rapport à toute autre double liaison.. Schéma 40 e-Métathèse des alcènes Echange réversible des groupements alkylidènes entre deux alcènes catalysé par un métal de transition. 52 L’exemple le plus simple: Schéma 41 La métathèse des alcènes a été découverte pour la première fois par des chimistes industriels dans les années 1950.. Elle est extrêmement utile dans l’industrie. Elle rentre dans la production des médicaments et dans la conversion d’alcènes biosourcés en molécules d’intérêt industriel « tels que des surfactants, des lubrifiants, des plastifiants et des monomères conduisant à des matériaux. Elle a valu le Prix Nobel de chimie en 2005 à Y. CHAUVIN, à R. GRUBBS et à R. SCHROCK. Figure 17 En 1971, Hérisson et Chauvin « Institut Français du Pétrole » ont proposé pour la première fois le mécanisme de la réaction. Celle-ci procède par une cycloaddition [2+2] entre une oléfine et un carbène métallique pour former un métallacyclobutane, puis une cycloréversion (rétro-cycloaddition) entraîne la redistribution des groupements alkylidènes 53  Schéma 42 Dans les années 80–90: les chimistes R. Schrock et R. Grubbs ont réussi à synthétiser des complexes métal-carbènes à base de molybdène et de ruthénium et confirmèrent leurs rôles comme catalyseurs de cette réaction.. Schéma 43 Il existe 3 types de métathèse des alcènes. Elles peuvent toutes être catalysées par les complexes de Schrock et Grubbs et permettent de réaliser des transformations organiques et des polymérisations. Schéma 44 54   Mécanisme (Chauvin, 1971) : Le mécanisme est fondé sur l’existence d’un complexe métal-carbène comme espèce réactive. Ce métal alkylidène se coordine à l’alcène de départ, conduisant à deux métallacyclobutanes qui ont alors la possibilité de libérer ensuite un autre alcène. Schéma 45 Il s’agit d’une chimie plus verte: - Création facile de nouvelles liaisons C=C (chimie douce) avec peu de réactif et peu de déchets. - Enantiosélective (cat chiraux) - Domaine de recherche très actif 55 Exemples d’application de métathèse croisée « CM »: Schéma 46 III.-Réaction de couplage croisé (C-C) et leurs applications industrielles Les trois professeurs Heck « Américain », Negishi (Japonais) et Suzuki « Japonais » ont reçu le prix Nobel de la chimie en 2010 pour leur contribution en chimie organique au développement des réactions de couplage catalysées, au palladium, utilisée notamment dans la lutte contre le cancer.. Les 5 principales réactions de couplage croisé catalytiques sont citées dans le tableau suivant: Tableau 2 : 56  II.1.Réaction de couplage de Heck & application industrielle La réaction de Heck est une réaction entre un halogénure insaturé ou un triflate avec un alcène en présence de catalyseur au palladium (0) pour former un alcène substitué. Schéma 47 La réaction de Heck est catalysée par du palladium(0) qui peut être obtenu par réduction de Pd(OAc)2. L’équation bilan montre qu’il y a une perte d’atomes diminuant d’autant l’économie d’atomes de la réaction. Malgré cet inconvénient, la réaction de Heck est intéressante. Mécanisme : - Le palladium s’insère alors dans la liaison R-X pour donner une espèce de type R-Pd-X. - Cette espèce coordine la double liaison de l’alcène - L’insertion de cette double liaison dans la liaison Ar-Pd donne un dérivé organométallique qui subit une β-élimination classique. 57  Schéma 48..  Application industrielle de la réaction de Heck: : La réaction de Heck intervient dans la synthèse de plus d’une centaine de molécules naturelles et de composés biologiquement actifs. Elle est utilisée dans sa version intramoléculaire dans les synthèses multi-étapes de la Morphine et du Paclitaxel, principe actif du Taxol®.. Figure 18.. 58 Elle est également utilisée dans la confection de l’anti-inflammatoire Naproxen® et du Singulair, médicament prescrit pour le traitement de l’asthme. La variante où X = N2+, introduite par Matsuda, a été appliquée par Ciba-Geigy « Suisse » dans la préparation industrielle d’herbicides dérivés de sulfonylurée, catalysée par Pd(dba)2 avec dba : dibenzylidène acétone... Schéma 49 : Procédé Ciba-Geigy pour la préparation de prosulfurone III.2-Réaction de couplage de Sonogashira et application industrielle Le couplage d’alcynes terminaux avec des halogénures d’aryle ou de vinyle catalysé par le palladium en présence de co-catalyseur au cuivre (I) et d’une amine comme base. C’est la méthode la plus importante pour la préparation d’alcynes disubstitués. Schéma 50 Une double catalyse par Pd(0) et Cu(I) est nécessaire, elle induit une transmétallation Le Pd(II) « Pd(PPh3)2Cl2 , Pd(dppp)Cl2 ou Pd(dppf)Cl2) » est souvent utilisé comme pré- catalyseur car il présente une plus grande stabilité que le Pd(0) pendant une période de temps prolongée. 59 CuI est utilisé comme co-catalyseur pour augmenter la vitesse de la réaction, il réagit avec l'alcyne terminal et produit un acétylure de cuivre (I), qui agit comme une espèce active pour la réaction de couplage. Remarque : Les acétylures de cuivre sont réputés d’être explosifs à sec ce qui les rend difficilement utilisables en synthèse organique. Cependant, la version catalytique développée par Sonogashira rend ces composés tout à fait utilisables en synthèse organique La réaction s’effectue dans des conditions douces (Ex: T amb, Milieu aqueux, base douce). Les complexes Pd(0) sont instables dans l'air, et l'oxygène favorise le couplage homolytique des alcynes terminaux. Alors il est nécessaire de travailler sous atmosphère inerte (argon ou diazote).  Mécanisme : Une double catalyse par Pd(0) et Cu(I) est nécessaire, elle induit une transmétallation. Schéma 51  Applications: Les applications de la réaction de couplage de Sonogashira incluent les produits pharmaceutiques, les produits naturels, les matériaux organiques et les nanomatériaux. 60 Synthèse du Tazaroten et préparation du SIB-1508Y. Tazaroten SIB 1508;SIB 1508Y; Altinicline;5-Ethynyl Nicotine Agoniste nicotinique utilisé pour le traitement du désordre neurologique Contre le psoriasis et l'acné Figure 19 Il a également des applications synthétiques comme alcynes, des composés énynes et ènediynes. II.3-Réaction de couplage de Negishi (1977) Réaction de couplage croisé entre un dérivé halogéné et un dérivé organozincique R-Zn- X catalysé par le nickel ou le palladium(0), formant une nouvelle liaison covalente C-C. Schéma 52 Globalement, on fait le couplage R1 -R2, mais on aura ZnX2 comme déchet. Ceci est naturellement un gros handicap en termes de chimie verte. 61  Schéma 53 Les réactifs organozinciques présentent une réactivité très élevée dans les réactions de couplage croisé catalysées par le palladium. Ils sont moins réactifs et plus sélectifs que les organomagnésiens et ils sont donc compatibles avec une large gamme de groupements fonctionnels. La disponibilité d'un certain nombre de procédures pour leur préparation et à leur toxicité relativement faible, fait du couplage Negishi une alternative extrêmement utile par rapport aux autres réactions de couplage croisé. La réaction de couplage de Negishi s’effectue dans des conditions réactionnelles douces et elle exige des conditions inertes, car ces réactifs sont sensibles à l'air et à l'humidité. 62   Mecanisme : Schéma 54  Application industrielle La réaction de couplage de Negishi a été utilisée pour la : - Synthèse d’hennoxazole A, « produit naturel extrait d’éponges marines ». Il présente des propriétés antivirales. Schéma 55 - Synthèse du Canaglifozine : La canagliflozine est utilisée chez les adultes atteints de diabète sucré de type 2 pour améliorer le contrôle de la glycémie en conjonction avec un régime alimentaire et de l'exercice. Schéma 56 63  - Synthèse de la Coelenterazine : La coelenterazine est le substrat que la luciféarse utilise pour émettre de la biolumiescence. Schéma 57 - Synthèse de pesticide fonctionnalisé : Schéma 58 III.4-Réaction de couplage de Suzuki et ses applications industrielles C’est la réaction entre un acide boronique (un acide organoboronique ou un organoborane) et un halogénure organique (ou un triflate), catalysée au Pd(0) en milieu basique hydro- organique. Elle conduit à la formation d’une liaison simple C-C. Base: Na2CO3, Cs2CO3, K2CO3, CsF, KF et NaOH Schéma 59 64 Elle permet de synthétiser des polyoléfines, des styrènes et des biphényles substitués. Les groupements attracteurs d’électrons augmente la réactivité du borane: : ArBF3 > RB(OH)2 > RB(OR)2 >> R3B.. La base facilite le transfert du groupe organique R1 du complexe boronate [R1BY2base]- (produit par réaction de l’acide boronique avec la base) au complexe organopalladium 4 (voir mécanisme).. Mécanisme : 1. Addition oxydante de l'halogénure R1-X au catalyseur palladium Pd(0) pour former le complexe Pd(II) 3 (étape limitante du cycle catalytique). 2 & 3. La réaction avec la base donne le complexe 4, qui par transmétallation avec le complexe boronate 6 conduit à la formation du complexe organopalladium 8. 4. Une trans/cis isomérisation suivie d’une élimination réductive forme le produit désiré 9 (R1-R2) et régénère le catalyseur Pd(0). Schéma 60 65 Les avantages de la réaction de Suzuki résident dans les conditions de réaction douces (T comprise entre 20°C et 80°C) , la grande disponibilité des matériaux de départ et leur faible toxicité. Le sous-produit de bore inorganique est facilement éliminé après la réaction. Ceci rend la réaction adaptée aux processus industriels. Il est également possible de réaliser le couplage dans l’eau, dont le profil vert présente des avantages évidents, et une variété de réactifs solubles dans l’eau sont ainsi utilisables.  Application synthétique: Activité Analgésique Traitement de l'hypertension et de l'insuffisance cardiaque Dragamacidin F « Il affecte les virus de l’herpès et du sida Schéma 61 66 III.5-Réaction de couplage de Stille et ses applications industrielles La réaction de Stille est une réaction de couplage croisé, catalysée par le palladium, entre un composé organostannique et un dérivé halogéné (ou pseudohalogéné) arylique, allylique ou vinylique. Elle permet de synthétiser une large gamme de composés incluant des cétones aromatiques, des dérivés styréniques et biaryliques - R1, R2 : CsP2 (allyle, alcènyle ou aryle) - X: Halogénure (Cl, Br, I) ou un pseudohalogénure (OTf « CF3SO3- », (OPO(OR)2)– - Dérivés organostannanes : Alcynyle > alcényle > Aryle > allyle = benzyle > -alcoxy > alkyle - Catalyseur : Pd(0) : Pd(PPh3)4 est le plus utilisé, mais il est instable à l’air « PPh3 s’oxyde en Ph3PO » - Pd(II) : Pd(Oac)2, PdCl2(MeCN)2, PdCl2(PPh3)2 - Base n’est pas nécessaire Schéma 62 Les organostanniques sont stables à l'air, commercialement disponibles ou facilement synthétisés et ils tolèrent la présence de nombreux groupements fonctionnels. Mais, ils sont coûteux et toxiques et ils ont une faible polarité, ce qui les rend peu solubles dans l'eau. Leur utilisation reste le principal inconvénient en chimie verte.  Malgré la toxicité relative des organostanniques, la réaction de Stille a été largement utilisée pour la synthèse des molécules bioactives Mecanisme : Le mécanisme de la réaction peut être représenté selon un cycle catalytique classique pour les réactions palladocatalysées impliquant une étape d’addition oxydante, une transmétallation suivie d’une isomérisation, puis une élimination réductrice permettant de régénérer le catalyseur 67  Schéma 63  Applications synthétiques: - Synthèse de la rapamycine (Sirolimus, nom commercial: Rapamune) : c’est médicament aux propriétés immunosuppressives ; il est utilisé pour prévenir les rejets lors de greffes. Schéma 64 68  - Synthèse de la dynemicine A et de la Sanglifehrine A: Médicament anticancéreux Agent immunosuppresseur Schéma 65 III.6-Réaction de couplage de Hiyama (1988) La réaction de couplage de Hiyama, généralement catalysée au palladium, correspond à la formation d’une liaison C-C entre les halogénures d’aryle, d’alkyle ou de vinyle et les organosilanes. Elle n'est autre que la version verte du couplage de Stille. Ainsi, l'étain est remplacé par le silicium. R = Aryle, alcényle ou alkyle ; R’ = Aryl, alcényle ou alcynyle R’’ = Cl, F ou alkyle; X = Cl, Br, I ou OTf Schéma 66 L’avantage de ce couplage réside dans la stabilité (au contact de l’air et de l’eau), la disponibilité, la facilité de synthèse et de manipulation et la faible toxicité des organosilanes. Mais, ces composés sont souvent peu réactifs lors de l’étape d’échange Si/Pd, en raison de la faible polarisation de la liaison C-Si. Il est donc nécessaire d’activer le silicium pour réaliser le couplage de Hiyama. 69 L'efficacité de cette réaction de coupage réside principalement dans l'aptitude du silicium à être pentavalent. Sous l'action d'une espèce nucléophile (le plus souvent F -), on forme un silanion qui conduit par la suite à la rupture de la liaison Si-C pendant l'étape de transmétallation. Schéma 67 Exemples de silicium activé ::  Mécanisme : 1-Une addition oxydante de l’halogénure organique sur le centre métallique Pd(0) conduit la formation du complexe Pd(II) (1). 2- Après régénération « in situ » du silicate pentacoordiné (2) à partir de organosilane et l’ion fluorure, une transmétallation du groupement R1 entre le Si et Pd conduit à la formation du complexe organopalladium (3). 4. Une trans/cis isomérisation suivie d’une élimination réductive forme le produit désiré R-R1 et régénère le catalyseur Pd(0). Schéma 68 70 Le fluor améliore l'acidité de Lewis du silicium afin de pouvoir former des silicates pentacoordinés stables. III.7- Réaction de couplage Hiyama-Danemark C’est une modification du couplage de Hiyama qui ne nécessite pas d’additif fluoré lors de l’utilisation des organosilanols et des halogénures organiques comme partenaires de couplage. L= phosphine Schéma 69 En 2008, Denmark a raporté l’activation d’organosilane par une base de Bronsted tel que KOSiMe3. Et comme les ions fluorures ne sont pas nécessaires, le couplage de Hiyama- Denmark est compatible avec les substrats à groupements fonctionnels protégés par des groupements silylés.  Mécanisme : Le silanolate B généré in situ s'ajoute d'abord au produit d'addition oxydante formant un complexe organopalladium C; Le complexe C est activé par ajout d'un deuxième silanolate avant la transmétallation pour donner D; La transmétallation se déroule à partir d'un complexe de silanolate d'organopalladium (II) D pour former le produit E Le complexe E subit une élimination réductrice pour former le produit de couplage final F. 71 Schéma 70 72 III.8-Réaction de Tsuji-Trost La réaction de Tsuji-Trost (ou alkylation allylique Trost ou l'alkylation allylique) est une réaction de substitution impliquant un substrat ayant un groupement partant en position allylique en présence d'un catalyseur au palladium X= Cl, Br, OCOR, OCO2R, P(=O)(OR)2 NuH = b-dicarbonyles, b-kétosulfones, énamines, énolates Schéma 71 Les substrats couramment utilisés possèdent en position allylique un groupement X partant, celui-ci peut être un halogène, un acétate, un carbonate, un phosphate, un ammonium ou un hydroxyle. Les nucléophiles utilisés dans la réaction sont générés in situ après leur déprotonation par une base. Ils sont classés en types durs ou mous.  Mécanisme : Le cycle comprend au moins trois étapes clés : la coordination, la formation du complexe π-allyle cationique et l’addition nucléophile. La 1ère étape du mécanisme est une addition oxydante du métal sur le substrat. Le palladium se fixe en anti du groupe partant. Ensuite, l'évolution de la réaction dépend de la nature du nucléophile : Schéma 72 73 Le complexe π-allylique, électrophile relativement mou, réagit plus facilement avec des nucléophiles mous de type carbonés ou azotés qu’avec les composés durs oxygénés ou les amides. Nous verrons que le caractère "dur" ou "mou" du nucléophile utilisé détermine la stéréochimie de la réaction. - Si le nucléophile est mou (ex: cas des malonates, alcools, amines et autres b-cétoesters). L’attaque du nucléophile se fait sur le complexe π-allylique en anti du palladium, On a globalement une rétention de configuration. - A l'inverse, en présence de nucléophiles plus durs (hydrures de formiate d'ammonium, stannanes, etc.), il y a attaque du nucléophile directement sur le palladium. Puis lors de l’élimination réductrice, le nucléophile se déplace du métal vers le substrat, avec globalement inversion de configuration. - Nu fort attaque le palladium en premier Schéma 73 74  Schéma 74  Régiosélectivité : La réaction est régiosélective, l’attaque du nucléophile se produit majoritairement sur le carbone le moins substitué. Cependant, avec un allyle du molybdène. C’est le carbone le plus substitué qui est attaqué majoritairement. Schéma 75 75   Exemples d’applications synthétiques: - Synthèse de la biotine (vitamine H) à partir de L-cystéine (11 étapes, 2002), La réaction Tsuji-Trost a été utilisée pour amidation allylique intramoléculaire du cis- carbonate allylique « l’étape clé ». L’allylation a lieu avec rétention de configuration. Schéma 76  Synthèse de la strychnine : elle est utilisée depuis des décennies pour lutter contre les animaux nuisibles Schéma 77 76  Synthèse de l’hamigeran B L’hamigeran B est un produit naturel marin ; il présente une activité inhibitrice contre la réplication de l'herpès et du poliovirus. Schéma 78 77