par Perusko, Stefano 
Président du jury Moucheron, Cécile
Promoteur Evano, Gwilherm;Maes, Bert U. W.
Publication Non publié, 2023-05-17
Président du jury Moucheron, Cécile
Promoteur Evano, Gwilherm
;Maes, Bert U. W.Publication Non publié, 2023-05-17
Thèse de doctorat
| Résumé : | Version française :Les hétéroarènes riches en électrons sont des matériaux de départ et des molécules importantes pour la plupart des domaines de la science dans lesquels il y a un besoin important de petites molécules organiques fonctionnalisées. En effet, ils sont utilisés quotidiennement dans les sciences pharmaceutiques, agrochimiques et comme précurseurs des monomères en chimie des polymères ou dans les matériaux. Ils peuvent également jouer un rôle dans le domaine de la santé et de nombreux d’autres secteurs, comme cela est présenté dans le premier chapitre de ce manuscrit.Malgré leur apparente simplicité, la synthèse d’arènes alkylées est loin d’être banale, notamment en termes de sélectivité, d’efficacité et de simplicité. Par conséquent, une demande croissante en nouvelles méthodes synthétiques pour la dérivatisation efficace d’hétéroarènes richesen électrons, dont la transformation clé est le protocole d’alkylation, se fait ressentir au sein de la communauté des chimistes organiciens. Alors que les méthodes classiques d’alkylation s’appuient principalement sur des protocoles de Friedel-Crafts, des processus de métallation ou encore sur des réactions impliquant des hétéroarènes pré-fonctionnalisés, tous présentant divers défis en termes d’efficacité et de sélectivité, la fonctionnalisation directe par substitution aromatique homolytique reste plutôt une voie sous-développée malgré un potentiel évident.Cette stratégie d’alkylation implique des radicaux électrophiles qui peuvent être générés soit par réduction des (pseudo)halogénures d’alkyle correspondants, soit par oxydation des liaisons aliphatiques d’hydrocarbures, comme par exemple, dans les alcools, les éthers, les amines, les nitriles et les composés carbonylés. Les principales stratégies pour l’alkylation seront examinées dans le chapitre introductif de ce manuscrit, avec une attention particulière sur leurs avantages et inconvénients, ainsi que la régiosélectivité de toutes les méthodes.L’alkylation d’hétéroarènes riches en électrons par substitution aromatique homolytique réductrice ou déshydrogénante a été largement étudiée au cours du dernier siècle et a suscité beaucoup d’intérêt au cours des dernières années avec l’essor de la catalyse photorédox. À cet égard, une pléthore de (pseudo)halogénures ont été employés comme agents alkylants dans des conditions de réaction douces. Cependant, la plupart des procédures pour l’alkylation réductrice d’hétéroarènes riches en électrons par catalyse photorédox repose encore sur des catalyseurs métalliques nobles tels que les complexes de ruthénium et d’iridium qui, malgré leur efficacité, sont plutôt coûteux et non durables pour des applications à grande échelle. En revanche, un nombre beaucoup moins important de travaux a été publié dans la littérature utilisant des catalyseurs photorédox à base de métaux moins onéreux tels que le cuivre, qui n’ont d’ailleurs jamais été utilisés pour l’alkylation directe d’hétéroarènes riches en électrons. Dans ce contexte, il a été envisagé de développer une alkylation d’hétéroarènes riches en électrons avec des dérivés α-halo carbonylés catalysée par des complexes photorédox du cuivre. Cette transformation, qui sera traitée dans le deuxième chapitre de ce manuscrit, est d’autant plus souhaitable qu’elle repose sur l’utilisation d’agents alkylants disponibles et versatiles.Les radicaux α-carbonylés peuvent aussi être générés par oxydation des liaisons aliphatiques d’hydrocarbures, d’alcools, d’éthers, d’amines, de nitriles et de composés carbonylés, ce qui a déjà été réalisé en utilisant des quantités (super)stoechiométriques de peroxydes ou des oxydants à base de métaux de transition. En particulier, ces derniers ont été principalement utilisés pour l’alkylation directe d’hétéroarènes riches en électrons avec des composés carbonylés tels que les malonates. Cependant, la plupart des procédures précédemment décrites reposent sur des quantités d’oxydants superstoichiométriques, y compris souvent un excès d’additifs, ce qui est loin d’être idéal du point de vue de l’économie d’atomes. De plus, ces procédures d’alkylation déshydrogénante présentent également d’autres limitations comme par exemple une efficacité modérée, une régiosélectivité limitée et/ou un champ d’application restreint, laissant place à d’autres améliorations. Le troisième chapitre de ce manuscrit donnera ainsi un aperçu du développement d’un nouveau protocole pour l’alkylation déshydrogénante d’hétéroarènes riches en électrons avec des malonates. Les objectifs étaient de réduire la quantité d’oxydant employé, d’élargir l’étendue d’hétéroarènes obtenus et de valoriser davantage les produits d’alkylation par des réactions de post-fonctionnalisation. En premier lieu, l’objectif était de développer un protocole catalytique utilisant des quantités minimales d’un oxydant couplé à un oxydant sacrificiel permettant de régénérer le cycle catalytique. Cependant, comme la ré-oxydation du catalyseur n’est pas triviale, un protocole fonctionnant à partir de quantités stoechiométriques d’un unique oxydant a été envisagé. Cette dernière stratégie serait également d’intérêt synthétique puisque des quantités stoechiométriques d’oxydant sont en effet souvent employées dans les alkylations déshydrogénante catalytiques d’hétéroarènes riches en électrons. Dans l’ensemble, les protocoles catalytiques et stoechiométriques fourniraient une voie d’accès directe et simple à des produits chimiques à forte valeur ajoutée employant des malonates comme agents alkylants, ne nécessitant pas leur pré-fonctionnalisation et conversion en (pseudo)halogénures correspondants. Le groupement malonyl greffé sur le noyau hétéroromatique pourrait notamment être converti en autres chaines alkyles, motifs récurrents dans les produits pharmaceutiques et agrochimiques.Les résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de cette thèse font l’objet des Chapitres 2 et 3, et sont suivis par les conclusions générales et perspectives (Chapitre 4). Dans ce dernier chapitre notre contribution au domaine des alkylations d’(hétéro)arènes a été évaluée, incluant notamment les avantages et les inconvénients de notre protocole d’alkylation par rapport à ceux publiés précédemment dans la littérature. Finalement, la section expérimentale est présentée (Chapitre 5) contenant les informations et méthodes générales, les procédures de réaction et la caractérisation des nouveaux produits de départ ainsi que des composés synthétisés avec notre méthode pour l’alkylation déshydrogénante d’hétéroarènes riches en électrons.English Version:Regioselectively alkylated electron-rich heteroarenes (ERHAs) are major starting materials and molecules relevant to most areas of science in which there is a need for small organic molecules. They are indeed used on a daily basis in the pharmaceutical, agrochemical and material sciences, and as building blocks for polymer chemistry or organic electronics. They also have a profound effect in human health and many other sectors, as overviewed in the first chapter of this manuscript.Despite their apparent simplicity, alkylated arenes are not that trivial to prepare, notably in terms of selectivity, efficiency and simplicity. Therefore, novel synthetic methods for the efficient derivatization of ERHAs are in ever-growing demand, alkylation protocols remaining one of the key transformations. While classical alkylation methods mostly rely on Friedel-Crafts protocols, metalation processes or reactions involving pre-functionalized heteroarenes, all exhibiting diverse challenges in terms of efficiency and selectivity, the direct functionalization via homolytic aromatic substitution (HAS) remains rather underdeveloped despite an obvious potential. This alkylation strategy involves electrophilic radical species that can be generated either by reduction of the corresponding alkyl (pseudo)halides or by oxidation of aliphatic C(sp3)−H bonds of hydrocarbons, alcohols, ethers, amines, nitriles and carbonyl derivatives. The main strategies for the alkylation of ERHAs will be overviewed in the introductory chapter of this manuscript, with particular attention to their advantages and disadvantages, as well as the regioselectivity of all methods.The alkylation of ERHAs via reductive or dehydrogenative homolytic aromatic substitution has been broadly investigated in the last century, gaining considerable attention in the last few years with the advance of photoredox catalysis. In this regard, a plethora of (pseudo)halides have been employed as alkylating agents under mild reaction conditions. However, most protocols for the reductive alkylation of electron-rich heteroarenes by photoredox catalysis still rely on noble metal catalysts such as ruthenium and iridium complexes which, despite their efficiency, are rather expensive and unsustainable for large-scale applications. In sharp contrast, much less work has been reported with photoredox catalysts of the more available metals such as copper, which have indeed not yet been employed for the direct alkylation of electron-rich heteroarenes. In this context, we aimed to develop a visible light-promoted, copper catalyzed alkylation of ERHAs with α−halocarbonyl derivatives, a highly sought-after transformation employing readily available and versatile alkylating agents, which will be discussed in the second chapter of this manuscript.α−Carbonyl radical species can be alternatively generated by oxidation of aliphatic C−H bonds of hydrocarbons, alcohols, ethers, amines, nitriles and carbonyl derivatives, which has been previously achieved employing (super)stoichiometric amounts of peroxides or transition metal-based oxidants. In particular, the latter have been mostly employed for the direct alkylation of electron-rich heteroarenes with carbonyl derivatives such as malonates. However, most of the previously reported protocols rely on superstoichiometric amounts oxidants, often including an excess of additives, which is not ideal from the point of view of atom economy. Other limitations encountered in previous dehydrogenative alkylation protocols typically include a moderate efficiency, poor regioselectivity and/or limited applicability, leaving room for further improvement. The third chapter of this manuscript will thus overview the development of a novel protocol for the dehydrogenative alkylation of electron-rich heteroarenes with malonates, where our goal was to reduce the amount of the oxidant employed, broaden the scope of the heteroarenes obtainable and further valorize the alkylation products by late-stage functionalization.In the first place, we aimed at the development of a catalytic protocol that would employ minimal amounts of an oxidant coupled with a terminal oxidant allowing to regenerate the catalytic cycle. However, since the re-oxidation of the catalyst might not be a trivial task, we also envisioned aprotocol which operates on stoichiometric amounts of the oxidant. This latter strategy would also be of synthetic interest since stoichiometric amounts of oxidants are indeed often employed in catalytic dehydrogenative alkylations of electron-rich heteroarenes. Overall, both the catalytic and stoichiometric protocols would provide a straightforward entry to useful value-added chemicals employing malonates as the alkylating agents, precluding their pre-functionalization and conversion to the corresponding (pseudo)halides. Notably, the malonyl group could serve as a versatile handle for the modulation of the aliphatic chain grafted onto the heteroaromatic scaffold, an oftenrecurring motif in pharmaceuticals and agrochemicals.The experimental results obtained in the context of this thesis discussed in Chapter 2 and 3 will be followed by the general conclusions and perspectives (Chapter 4), where we assessed our contribution to the field of (hetero)arene alkylation by overviewing the advantages and drawbacks of our silver-promoted alkylation protocol with respect to those previously reported in the literature. This conclusive section is followed by the experimental section (Chapter 5), containing the general methods, reaction procedures and characterization of unreported reagents and compounds synthesized with our method for the dehydrogenative alkylation of electron-rich heteroarenes. |
