Faculté des sciences

Synthèse organique et procédés utilisant le soleil

Charbonnet, Nicolas ; Bochet, Christian (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2011.

La chimie organique nécessite, en général, l'utilisation de substances toxiques et/ou de quantités massives d'énergie. L'impact environnemental est amplifié lorsque ces réactions chimiques sont pratiquées à l'échelle industrielle. Un nouveau concept, appelé "green chemistry", a émergé et a pour but de minimiser l'effet néfaste de la chimie sur l'environnement. La photochimie peut... Plus

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    Résumé
    La chimie organique nécessite, en général, l'utilisation de substances toxiques et/ou de quantités massives d'énergie. L'impact environnemental est amplifié lorsque ces réactions chimiques sont pratiquées à l'échelle industrielle. Un nouveau concept, appelé "green chemistry", a émergé et a pour but de minimiser l'effet néfaste de la chimie sur l'environnement. La photochimie peut entrer dans la catégorie "green chemistry" car le photon nécessaire n'est pas toxique et ne produit pas de déchet. Si la réaction photochimique utilise une source de lumière renouvelable telle que le soleil, elle devient écologique. C'est pourquoi notre travail s'articule autour de réactions photochimiques solaires avec une attention toute particulière sur la possibilité de transférer nos réactions au niveau industriel. Deux piliers constituent ce travail. Le premier vise à la mise au point de nouvelles méthodologies et le deuxième envisage la mise au point de procédés synthétiques concrets. Après avoir recherché de nouvelles méthodes synthétiques ou tenté la réalisation de réactions photochimiques connues avec de la lumière solaire, nous nous sommes arrêtés sur un réarrangement inédit initié par l'oxygène singulet. Cette nouvelle méthode permet de substituer les 3-furaldéhydes en position 2 en deux étapes. La première étape est une réaction classique d'un organomagnésien sur le 3-furaldéhyde, tandis que l'étape suivante est un réarrangement oxydatif initié par l'oxygène singulet. Nous avons développé et optimisé cette réaction et l'avons appliquée à un grand nombre de substrats avec des rendements allant de 26 à 83 %. Nous avons montré que cette réaction est tolérante envers les substituants (Z) alkyle, phényle et avec des hétérocycles azotés protégés par des groupes N-Boc. Nous avons également montré que si l'alcool (X = OH) est remplacé par une amine (X = NHR), nous obtenons un cycle pyrrole qui est formé avec des rendements pouvant aller jusqu'à 92 %. La méthodologie suivante qui a été développée dans nos laboratoires, nous permet d'obtenir l'alcool trans 231 par addition photochimique du méthanol sur le 4-butylbuténolide 227. Après évaluation d'un grand nombre de photosensibilisateurs, il nous est apparu que la DMBP (4,4'-diméthoxybenzophénone) permet d'obtenir le meilleur rendement (77 %) alors que c'est le TBADT (tétrabutylammonium décatungstate) qui offre le meilleur turnover avec seulement 1 % molaire. Sur la base de ces deux méthodes synthétiques nous avons entrepris deux synthèses totales. La première a comme cible l'antibiotique patuline. Le plan de synthèse de cette dernière molécule utilise comme étape clé le réarrangement oxydatif des cycles furanes précédemment développés, suivi par une oxydation du cycle furane en buténolide par l'oxygène singulet. La synthèse totale suivante est celle de la Whisky lactone, un arome utilisé industriellement. Nous avons synthétisé les deux diastéréoisomères de la Whisky lactone. La synthèse du premier stéréoisomère (cis) contient une étape photochimique alors que la synthèse du deuxième (trans) en contient deux. Dans cette dernière stratégie c'est l'addition photochimique du méthanol qui constitue l'étape clé. Finalement, toutes les réactions photochimiques développées à l'échelle du laboratoire avec de la lumière artificielle ont été testées sur notre SPR (Solar Photo Reactor). Cette installation pilote permettant la photochimie solaire à une échelle plus importante (1 à 5 litres) est constituée d'un miroir parabolique d'un mètre carré concentrant les rayons sur un tube collecteur, dans lequel circule le mélange réactionnel. Après avoir construit et testé cette installation, nous l'avons utilisée avec succès pour produire les intermédiaires nécessaires aux synthèses totales préalablement développées.
    Summary
    Organic chemistry may require the use of toxic substances and/or massive amount of energy. The environmental impact is amplified when such chemical reactions are scaled-up to the industrial level. A new concept, called green chemistry, has emerged and aims to minimize the negative effects of chemistry on the environment. Photochemistry fits in green chemistry, because the required photons are not toxic and do not produce waste. If the photochemical reaction uses a renewable light source such as the sun, it becomes ecologic. With this consideration in mind, our work deals with photochemistry using solar light with a particular emphasis on the possibility of transferring our reactions at the industrial level. Two principal axes constitute this thesis. The first one aims to develop new methodologies and the second one consider the design of innovative synthetic processes. After evaluation of some new methodologies, we attempted to transfer known photoreactions to sunlight, unfortunately without significant result. We spent more time on an unprecedented rearrangement driven by singlet oxygen. This new methodology allows the substitution of 3-furaldehydes in position 2 in two steps. The first step is a classical reaction of an organomagnesium with an aldehyde. The second step is an oxidative rearrangement using singlet oxygen. We have developed and optimized this latter reaction and applied it to a large number of substrates, with yields ranging from 26 to 83 %. We showed that this reaction tolerates the following substituents (Z): alkyl, phenyl and N-protected nitrogen heterocycles. We also demonstrated that if the alcohol (X = OH) is replaced by an amine (X = NHR), we obtain a pyrrole product with yields up to 92 %. The following new methodology developed in our laboratory allowed us to obtain the trans alcohol 231 by the photochemical addition of methanol to the 4-butlybutenolide 227. After evaluation of a large number of photosensitizers, it appeared that DMBP (4,4'-dimethoxybenzophenone) leads to the best yield (77 %), while the TBADT (tetrabutylammonium decatungstate) allows the best turnover with just 1 % molar. With these two methodologies in hand, we designed two new total syntheses. The first target is the antibiotic patuline. The synthetic plan uses as the key chemical steps the singlet oxygen driven furane rearrangement, followed by a second singlet oxygen addition to the furane, yielding a butenolide-type structure. The next target is the total synthesis of Whisky lactone, a fragrance used industrially, of which we have synthesized the two diastereoisomers. The synthesis of the first diastereoisomer (cis) includes one photochemical step. The synthesis of the other diasteroisomer (trans) contains two photochemical steps, including the photochemical addition of methanol over the 4-butylbutenolide. Finally, all the photochemical reactions previously developed at the laboratory scale were tested with our SPR (Solar Photo Reactor). This pilot installation allows solar photochemistry at larger scale (1 to 5 liters). The SPR is constituted by a one square meter parabolic mirror. The sun light is concentrated on a collecting pipe in which the reaction mixture passes through. After setting up and validation of our installation, we used it successfully in the production of intermediate substances needed for our total syntheses.