Méthode de métathèse en synthèse organique

Le terme “métathèse” est utilisé en linguistique et se produit lorsque deux sons ou syllabes changent de place dans un mot. Pourquoi ce terme est-il désormais souvent entendu dans le monde scientifique? Qu’est-ce que la métathèse en chimie, et pourquoi est-elle devenue si importante?

Commençons par l’exemple rapporté ci-dessous pour l’expliquer.

Après de nombreuses années, nous sommes à présent en mesure de décrire le mécanisme comme indiqué dans le Schéma 2. Dans la première étape, l’alcène 1 réagit avec le carbène métallique 2 pour donner un intermédiaire cyclique 3; les liaisons simples sont rompues pour former l’alcène 4 et le nouveau carbène métallique 5. Ce dernier réagit avec le second alcène 6 pour donner le nouveau métallocyclobutane 7 qui reformera le carbène métallique de départ 2 et produira l’éthylène 8.

La réaction présentée dans le Schéma 2 est connue sous le nom de métathèse croisée (CM) lorsque deux oléfines sont impliquées. Les autres types de métathèse sont les suivants :

• Polymérisation par ouverture de cycle par métathèse (ROMP), où les oléfines cycliques sont ouvertes pour donner un polymère correspondant
• Métathèse de fermeture de cycle (RCM), l’opposé de la ROMP, où deux liaisons doubles dans la même molécule réagissent pour donner une oléfine cyclique et de l’éthylène
• Polymérisation par métathèse des diènes acycliques (ADMET), où les diènes acycliques se polymérisent pour donner un polyène

Au fil des ans, de nombreux chercheurs ont participé activement à l’étude des réactions de métathèse et, en 2005, Yves Chauvin, Richard R. Schrock et Robert H. Grubbs ont reçu le prix Nobel de chimie pour leurs importantes contributions “pour le développement de la métathèse en synthèse organique.” ²

Tout d’abord, Schrock a essayé différents catalyseurs métalliques et, en 1990, a proposé un catalyseur de molybdène 9 pour la métathèse des oléfines.³ Schrock a ensuite travaillé avec A. H. Hoveyda pour synthétiser un catalyseur chiral pour la métathèse asymétrique catalytique.⁴ Puis, en 1992, Robert Grubbs a découvert le premier catalyseur à base de ruthénium 10 présentant une sélectivité supérieure, mais une réactivité inférieure à celle du catalyseur de molybdène 9.⁵ Par la suite, Grubbs a mis au point le catalyseur stable à l’air 11, connu sous le nom de catalyseur de Grubbs de première génération, véritable tournant dans le développement de ce type de chimie.⁶

La première étape du mécanisme réactionnel proposé (pour le catalyseur 11) implique la dissociation de l’un des ligands phosphines pour donner un intermédiaire à 14 électrons.⁷ En règle générale, plus la vitesse de dissociation de la phosphine est rapide, plus l’activité du catalyseur est élevée. Il s’agit d’un point important à prendre en considération lors de la conception de nouveaux catalyseurs de métathèse à base de ruthénium. Les deux facteurs qui favorisent la dissociation de la phosphine sont les suivants :

• L’utilisation de ligands donneurs d’électrons (non haloïdes) qui stabilisent l’intermédiaire à 14 électrons
• L’utilisation de ligands volumineux qui encombrent et déstabilisent le complexe

Ces caractéristiques sont typiques des ligands N-hétérocycliques utilisés dans le catalyseur de Grubbs de deuxième génération pour remplacer une tricyclohexylphosphine (composé 12).⁸ Bien que le composé 12 ait présenté une activité de métathèse significativement plus élevée, il a été observé que la dissociation de la phosphine était plus lente que pour le composé 11. L’amélioration de l’activité du 12 a été attribuée à une plus grande affinité pour le substrat oléfinique par rapport au catalyseur 11 après la dissociation.

Les recherches de Grubbs se sont poursuivies avec la mise au point d’autres catalyseurs à base de ruthénium qui ont défini le rôle de la chimie de métathèse dans différentes applications commerciales.

Par exemple, le catalyseur de Hoveyda-Grubbs de deuxième génération présente une activité similaire à celle du catalyseur de Grubbs de deuxième génération, mais initie la réaction à des températures plus basses et est plus facile à stocker.

La métathèse a joué et joue toujours un rôle important dans la recherche universitaire. Elle est utilisée dans les applications pharmaceutiques et biotechnologiques, ainsi que dans l’élaboration de matériaux polymères. La littérature décrivant de nombreuses applications de la métathèse, il n’est pas possible de toutes les énumérer ici (on peut citer néanmoins le couplage d’oléfines avec des carbonyles α,β-insaturés ou la synthèse d’amides α,β-insaturés).^9,10

1. Herisson J. L. & Chauvin Y. (1971). Catalyse de transformation des oléfines par les complexes du tungstène. II. Télomérisation des oléfines cycliques en présence d’oléfines acycliques. Die Makromolekulare Chemie, 141, 161-176. https://doi.org/10.1002/macp.1971.021410112
   
2. Académie royale des sciences de Suède. (5 octobre 2005). Prix Nobel de chimie 2005. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2005/press-release/
   
3. Schrock, R.R., Murdzek, J.S., Bazan, G.C., Robbins, J., Dimare, M., O’Regan, M.J. (1990). Synthesis of molybdenum imido alkylidene complexes and some reactions involving acyclic olefins. Am. Chem. Soc., 112(10) 3875-3886. https://doi.org/10.1021/ja00166a023
4. Hoveyda, A.H. & Schrock, R.R. (2001). Catalytic Asymmetric Olefin Metathesis. Chem. Eur. J., 7(5) 946-950. https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1521-3765(20010302)7:5%3C945::AID-CHEM945%3E3.0.CO;2-3
5. Nguyen, S.T., Johnson, L.K., Grubbs, R.H., Ziller, W. J. (1992). Ring-opening metathesis polymerization (ROMP) of norbornene by a Group VIII carbene complex in protic media. Am. Chem. Soc., 114(10), 3974-3975. https://doi.org/10.1021/ja00036a053
6. Schwab, P., France, M.B., Ziller, J.W., Grubbs, R.H. (1995). A Series of Well-Defined Metathesis Catalysts–Synthesis of [RuCl2(=CHR′)(PR3)2] and Its Reactions. Angewandte Chemie International Edition in English, 34(18), 2039-2041. https://doi.org/10.1002/anie.199520391
7. Sanford, M.S., Love, J.A., Grubbs, R.H. (2001). Mechanism and Activity of Ruthenium Olefin Metathesis Catalysts. J. Am. Chem. Soc., 123, 6543-6554. https://doi.org/10.1021/ja010624k
8. Scholl, M, Trnka, T.M., Morgan, J.P., Grubbs, R.H. (1999). Increased ring closing metathesis activity of ruthenium-based olefin metathesis catalysts coordinated with imidazolin-2-ylidene ligands. Tetrahedron Letters, 40(12), 2247-2250. https://doi.org/10.1016/S0040-4039(99)00217-8
9. Chatterjee, A.K., Morgan, J.P., Scholl, M, Grubbs, R.H. (2000). A General Model for Selectivity in Olefin Cross Metathesis. J. Am. Chem. Soc., 122, 3783. https://doi.org/10.1021/ja0214882 
10. Choi, T.L., Chatterjee, A.K., Grubbs, R.H. (2001). Synthesis of α,β-Unsaturated Amides by Olefin Cross-Metathesis. Angew. Chem. Int. Ed., 40(7), 1277. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1521-3773(20010401)40:7%3C1277::AID-ANIE1277%3E3.0.CO;2-E 
11. Choinopoulos, I. (2019). Grubbs’ and Schrock’s Catalysts, Ring Opening Metathesis Polymerization and Molecular Brushes-Synthesis, Characterization, Properties and Applications. Polymers, 11(2), 298, 2-31. https://doi.org/10.3390/polym11020298

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