Réactions organocatalytiques favorisées par la sonication

En chimie organique, l’organocatalyse est une forme de catalyse dans laquelle la vitesse d’une réaction chimique est augmentée par un catalyseur organique. Cet « organocatalyseur » se compose de carbone, d’hydrogène, de soufre et d’autres éléments non métalliques présents dans les composés organiques. L’application d’ultrasons de haute puissance à des systèmes chimiques est appelée sonochimie ; il s’agit d’une technique bien établie pour augmenter les rendements, améliorer les vitesses de réaction et accélérer le déroulement des réactions. Sous sonication, il devient souvent possible de modifier les voies chimiques en évitant des sous-produits indésirables. La sonochimie peut favoriser les réactions organocatalytiques, les rendant plus efficaces et plus respectueuses de l’environnement.

Organocatalyse asymétrique – améliorée par la sonication

La sonochimie, c’est-à-dire l’application d’ultrasons haute performance à des systèmes chimiques, peut améliorer considérablement les réactions organocatalytiques. L’organocatalyse asymétrique combinée à la sonication permet souvent de faire évoluer l’organocatalyse vers une voie plus respectueuse de l’environnement, relevant ainsi de la chimie verte. La sonication accélère la réaction organocatalytique (asymétrique) et conduit à des rendements plus élevés, à des taux de conversion plus rapides, à un isolement/une purification plus faciles des produits ainsi qu’à une sélectivité et une réactivité améliorées. Outre sa contribution à l’amélioration de la cinétique et du rendement de la réaction, la sonication peut souvent être combinée à des solvants de réaction durables, tels que les liquides ioniques, les solvants eutectiques profonds, les solvants doux et non toxiques, et l’eau. Ainsi, la sonochimie améliore non seulement la réaction organocatalytique (asymétrique) elle-même, mais contribue également à la durabilité des réactions organocatalytiques.

La recherche a mis en évidence de multiples exemples de réactions organocatalytiques intensifiées par voie sonochimique. Par exemple, des molécules d’ADN double brin servent d’échafaudage chiral pour assembler des catalyseurs hybrides métal-biomacromolécule destinés à des réactions de synthèse asymétrique. Des catalyseurs à base d’ADN G-quadruplex ont été utilisés dans des réactions asymétriques d’addition de Michael, de Diels-Alder et de Friedel-Crafts. (cf. Zhao et Shen, 2018)
Pour une réaction promue par l’inidium, la sonication a des effets bénéfiques, car la réaction pilotée par voie sonochimique se déroule dans des conditions plus douces, préservant ainsi des niveaux élevés de diastéréosélection. Par la voie sonochimique, de bons résultats ont été obtenus pour la synthèse organocatalytique de glucides β-lactames, d’acide β-aminé et de spirodicétopipérazines à partir de lactones de sucres, ainsi que pour des réactions d’allylation et de Reformatsky sur des éthers d’oxime.

Synthèse organocatalytique de médicaments favorisée par ultrasons

Rogozińska-Szymczak et Mlynarski (2014) rapportent l’addition de Michael asymétrique de la 4-hydroxycoumarine aux cétones α,β-insaturées sur l’eau sans cosolvants organiques – catalysée par des amines primaires organiques et par sonication. L’utilisation de (S,S)-diphényléthylènediamine énantiomériquement pure fournit une série de composés pharmaceutiquement actifs importants avec des rendements bons à excellents (73–98%) et de bonnes énantiosélectivités (jusqu’à 76% ee) grâce à des réactions accélérées par ultrasons. Les chercheurs présentent un protocole sonochimique efficace pour la formation « solides sur l’eau » de l’anticoagulant warfarine sous ses deux formes énantiomériques. Cette réaction organocatalytique respectueuse de l’environnement est non seulement transposable à plus grande échelle, mais fournit également la molécule médicamenteuse cible sous forme énantiomériquement pure.

Époxydation sonochimique des terpènes

Charbonneau et al. (2018) ont démontré la réussite de l’époxydation de terpènes sous sonication. L’époxydation conventionnelle nécessite l’utilisation d’un catalyseur, mais avec la sonication, l’époxydation se déroule sous forme de réaction sans catalyseur.
Le dioxyde de limonène est une molécule intermédiaire clé pour le développement de polycarbonates biosourcés ou de polyuréthanes sans isocyanate. La sonication permet l’époxydation sans catalyseur des terpènes en un temps de réaction très court – tout en offrant de très bons rendements. Afin de démontrer l’efficacité de l’époxydation par ultrasons, l’équipe de recherche a comparé l’époxydation du limonène en dioxyde de limonène à l’aide de diméthyldioxirane généré in situ comme agent oxydant, à la fois sous agitation conventionnelle et sous sonication. Pour tous les essais de sonication, le sonicateur de laboratoire Hielscher UP50H (50W, 30kHz) a été utilisé.

Le temps nécessaire pour convertir complètement le limonène en dioxyde de limonène avec un rendement de 100% sous sonication n’était que de 4,5 min à température ambiante. En comparaison, avec une agitation conventionnelle au moyen d’un agitateur magnétique, le temps nécessaire pour atteindre un rendement de 97% en dioxyde de limonène était de 1,5 h. L’époxydation de l’α-pinène a également été étudiée avec les deux techniques d’agitation. L’époxydation de l’α-pinène en oxyde d’α-pinène sous sonication n’a nécessité que 4 min pour un rendement obtenu de 100%, alors qu’avec la méthode conventionnelle, le temps de réaction était de 60 min. Quant aux autres terpènes, le β-pinène a été converti en oxyde de β-pinène en seulement 4 min, tandis que le farnésol a donné 100% de triépoxyde en 8 min. Le carvéol, un dérivé du limonène, a été converti en dioxyde de carvéol avec un rendement de 98%. Dans la réaction d’époxydation de la carvone à l’aide de diméthyldioxirane, la conversion a été de 100% en 5 min, produisant l’oxyde de 7,8-carvone.
Les principaux avantages de l’époxydation sonochimique des terpènes sont la nature respectueuse de l’environnement de l’agent oxydant (chimie verte) ainsi que la réduction significative du temps de réaction lorsque cette oxydation est réalisée sous agitation ultrasonore. Cette méthode d’époxydation a permis d’atteindre une conversion de 100% du limonène avec un rendement de 100% en dioxyde de limonène en seulement 4,5 min, contre 90 min avec une agitation traditionnelle. En outre, aucun produit d’oxydation du limonène, tel que la carvone, le carvéol et l’alcool perrilylique, n’a été trouvé dans le milieu réactionnel. L’époxydation de l’α-pinène sous ultrasons n’a nécessité que 4 min, donnant 100% d’oxyde d’α-pinène sans oxydation du cycle. D’autres terpènes tels que le β-pinène, le farnésol et le carvéol ont également été oxydés, conduisant à des rendements très élevés en époxydes.

Effets sonochimiques

En alternative aux méthodes classiques, des protocoles basés sur la sonochimie ont été utilisés pour augmenter la vitesse d’une grande variété de réactions, permettant d’obtenir des produits dans des conditions plus douces avec une réduction significative des temps de réaction. Ces méthodes ont été décrites comme plus respectueuses de l’environnement et plus durables, et sont associées à une plus grande sélectivité et à une consommation d’énergie plus faible pour les transformations souhaitées. Le mécanisme de ces méthodes repose sur le phénomène de cavitation acoustique, qui induit des conditions uniques de pression et de température par la formation, la croissance et l’implosion adiabatique de bulles dans le milieu liquide. Cet effet améliore le transfert de masse et accroît l’écoulement turbulent dans le liquide, ce qui facilite les transformations chimiques. Dans nos études, l’utilisation des ultrasons a permis de produire des composés en des temps de réaction réduits avec des rendements et une pureté élevés. Ces caractéristiques ont augmenté le nombre de composés évalués dans des modèles pharmacologiques, contribuant à accélérer le processus d’optimisation du hit au lead.
Non seulement cet apport d’énergie élevé peut renforcer les effets mécaniques dans les processus hétérogènes, mais il est également connu pour induire de nouvelles réactivités conduisant à la formation d’espèces chimiques inattendues. Ce qui rend la sonochimie unique, c’est le remarquable phénomène de cavitation, qui génère, dans l’espace localement confiné de l’environnement des microbulles, des effets extraordinaires dus aux cycles alternés haute pression / basse pression, à de très grands écarts de température, à des forces de cisaillement élevées et à des courants de liquide.

Les avantages des réactions organocatalytiques favorisées par la sonochimie

La sonication est de plus en plus utilisée en synthèse organique et en catalyse, car les effets sonochimiques entraînent une intensification substantielle des réactions chimiques. En particulier par rapport aux méthodes traditionnelles (p. ex. chauffage, agitation), la sonochimie est plus efficace, plus pratique et contrôlable avec précision. La sonication et la sonochimie offrent plusieurs avantages majeurs, tels que des rendements plus élevés, une pureté accrue des composés et une meilleure sélectivité, des temps de réaction plus courts, des coûts réduits, ainsi que la simplicité de mise en œuvre et de manipulation de la procédure sonochimique. Ces facteurs favorables rendent les réactions chimiques assistées par ultrasons non seulement plus efficaces et plus sûres, mais aussi plus respectueuses de l’environnement.
De nombreuses réactions organiques ont démontré qu’elles donnaient des rendements plus élevés en un temps de réaction plus court et / ou dans des conditions plus douces lorsqu’elles étaient réalisées sous sonication.

La sonication permet des réactions monotopes simples

La sonication permet d’initier des réactions multicomposants sous forme de réactions monotopes (one-pot) permettant la synthèse de composés structurellement diversifiés. Ces réactions monotopes sont appréciées pour leur grande efficacité globale et leur simplicité, puisque l’isolement et la purification des intermédiaires ne sont pas nécessaires.

Les effets des ondes ultrasonores sur les réactions organocatalytiques asymétriques ont été appliqués avec succès dans divers types de réactions, notamment les catalyses par transfert de phase, les réactions de Heck, l’hydrogénation, les réactions de Mannich, les réactions de Barbier et de type Barbier, les réactions de Diels-Alder, la réaction de couplage de Suzuki et l’addition de Michael.

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