Application de la chimie radicalaire des xanthates pour la synthèse de molécules organo-fluorées

De nos jours, les applications de la chimie organique sont omniprésentes dans notre vie quotidienne : Matériaux, produits ménagers, cosmétiques, médicaments, carburants, etc. La communauté scientifique des chimistes organiciens doit donc sans cesse innover, et découvrir des méthodes de synthèses toujours plus efficaces.

Dans ce contexte, la chimie radicalaire peine cependant à être reconnue à sa juste valeur. Longtemps restés de côté, car réputés trop difficiles à maitriser, les radicaux ont néanmoins connu un essor fascinant au cours des dernières décennies. Largement étudiés et mieux contrôlés, il a été montré qu’ils permettaient d’accomplir un grand nombre de réactions et de transformations. Malheureusement, pour beaucoup d’organiciens, chimie radicalaire rime avec chimie de l’étain, ses résidus toxiques et ses problèmes de purification.

Dans le but de développer des méthodes alternatives, n’utilisant aucun métal lourd, notre laboratoire travaille depuis plusieurs années sur un nouvel outil pour la chimie radicalaire, reposant sur l’utilisation de la fonction xanthate. Alors que la chimie de l’étain reste limitée à la recherche académique, la chimie des xanthates a déjà fait ses preuves avec l’industrialisation d’un procédé de polymérisation radicalaire : MADIX. La chimie des xanthates jouit de plus d’une grande simplicité opérationnelle, et permet de réaliser un grand nombre de transformations réputées difficiles par d’autres méthodes.

Les radicaux, autrement appelés radicaux libres, sont des entités chimiques possédant un nombre impair d’électrons. En chimie, l’orbitale qu’occupe un électron est définie par trois de ses nombres quantiques. Le quatrième nombre quantique, dit de spin, ne peut prendre que deux valeurs : +1 et -1. Ainsi, d’après le principe de Pauli qui stipule que « deux particules élémentaires ne peuvent avoir leurs quatre nombres quantiques identiques », une orbitale ne pourra comporter au maximum que deux électrons. De fait, une espèce radicalaire possède un électron non apparié, à savoir seul dans une orbitale moléculaire. Elle est dite paramagnétique.

La génération de ces espèces s’effectue généralement par la rupture homolytique d’une liaison faible. Celle-ci peut s’effectuer selon trois modes : la photolyse, la thermolyse et les réactions d’oxydo-réductions.

La première mise en évidence de l’existence d’espèces radicalaires remonte à 1900. Moses Gomberg voulant synthétiser l’hexaphenyl éthane par simple couplage de Wurtz d’halogénure de triphenylméthane, isola un produit identifié après analyse élémentaire comme le peroxyde B. Il en déduisit que l’hexaphenyl éthane était en équilibre avec l’espèce radicalaire A, et que ce dernier réagissait rapidement avec l’oxygène de l’air .

Publiant un article intitulé ‘An Instance of Trivalent Carbon : Triphenylmethyl’ ; Gomberg démontra que l’atome de carbone n’était pas systématiquement un élément tétravalent. Malgré cette importante découverte, la réactivité des radicaux resta de nombreuses années mal comprise. Réputés comme imprévisibles et incontrôlables, les radicaux furent totalement délaissés pendant plusieurs décennies. C’est dans les années 1930 avec les découvertes de Kharasch et al, rationnalisant la régiosélectivité anti-Markovnikov de l’addition de l’acide bromhydrique anhydre ( ou bromure d’hydrogène) sur les alcènes, que la communauté scientifique s’intéressa à nouveau aux radicaux. Il faudra cependant attendre les années 1970 pour que la compréhension du comportement des espèces radicalaires permette le développement de nouvelles méthodes de synthèse. Largement étudiés depuis, les radicaux sont désormais suffisamment maitrisés pour envisager leur utilisation dans des réactions complexes, en synthèse totale voire récemment en synthèse asymétrique. Cette introduction, non exhaustive, a pour ambition de donner un vaste aperçu au lecteur de la chimie radicalaire, de ses spécificités et de ses utilisations.

Les radicaux peuvent être de deux types, σ ou π, selon l’orbitale dans laquelle se situe leur électron célibataire . Si cet électron occupe une orbitale p, alors le radical sera de type π et présentera une structure quasi-plane : c’est le cas pour une grande partie des radicaux aliphatiques. La substitution du carbone portant le radical par des groupes électroattracteurs (halogènes par exemple) peut favoriser une structure légèrement pyramidale et lui conférer un caractère σ (l’hybridation de l’orbitale se rapproche d’une hybridation sp³ ). En revanche si cet électron occupe une orbitale d’hybridation sp ou sp² , il sera de type σ : c’est le cas des radicaux aromatiques, vinyliques et propargyliques.

Les radicaux de type σ ont une barrière énergétique d’interconversion entre leurs deux formes limites extrêmement faible : de l’ordre de 3 kcal.mol⁻¹ pour les radicaux vinyliques et de 1-2 kcal.mol⁻¹ pour des radicaux occupant une orbitale d’hybridation sp³. Ainsi, la stéréochimie initiale du carbone portant le radical est perdue lors de la réaction.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
A. Introduction générale à la chimie radicalaire
1. Introduction
2. Généralités sur les radicaux
3. Stabilité et réactivité
4. La réaction radicalaire par propagation de chaîne
a) Description
b) Exemples de méthodes radicalaires par propagation de chaînes
(1) Les hydrures d’étain
(2) Réactions par transfert d’atomes ou de groupes
(3) Les fragmentations radicalaires
(4) Les esters thiohydroxamiques ou esters de Barton
5. Conclusion
B. Introduction à la chimie radicalaire des xanthates
1. La réaction de Barton-McCombie : première utilisation radicalaire des O-alkyl xanthates
2. Découverte d’une nouvelle réactivité des xanthates
3. Mécanisme de la chimie radicalaire par transfert de xanthates
4. Les différents voies d’accès au Xanthates
5. Potentiel des xanthates en synthèse organique
a) Addition radicalaire intermoléculaire
b) Cyclisation sur des oléfines
c) Cyclisation sur un noyau aromatique
d) Réaction par fragmentation
e) Radicaux centrés sur un atome d’azote
f) Transformations de la fonction xanthate
(1) Transformations radicalaires
(2) Transformations ioniques
g) Exemples d’applications en synthèse totale
6. Conclusion
C. Introduction à la chimie du fluor
1. Propriétés et historique
2. L’intérêt du fluor en chimie médicinale
CONCLUSION GENERALE