Faculté des sciences

Effets non linéaires dans les réactions asymétriques : stéréosélectivité dans la formation de complexes métalliques homo- et hétéroleptiques

Guicher, Nathalie ; Bernauer, Klaus (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2001 ; 1599.

L'objectif de ce travail était de proposer un système métal-ligand auxiliaire capable d'induire une amplification asymétrique au cours de l'hydrolyse des esters d'acides a-aminés et de vérifier de manière quantitative les modèles proposés par Kagan qui permettent d'expliquer les effets non linéaires. Nous avons choisi de créer un système métal-ligand auxiliaire (L) qui puisse induire... Plus

Ajouter à la liste personnelle

Autres fichiers

    Résumé
    L'objectif de ce travail était de proposer un système métal-ligand auxiliaire capable d'induire une amplification asymétrique au cours de l'hydrolyse des esters d'acides a-aminés et de vérifier de manière quantitative les modèles proposés par Kagan qui permettent d'expliquer les effets non linéaires. Nous avons choisi de créer un système métal-ligand auxiliaire (L) qui puisse induire un effet d'amplification asymétrique selon le modèle " réservoir ". Pour atteindre cet objectif, il est impératif de connaître en détail le comportement cinétique et thermodynamique de ce système. Après avoir choisi le ligand auxiliaire sur des critères qui permettent d'envisager que le système métal-ligand pouvait créer une stéréosélectivité de formation des complexes homoleptiques ML2 et hétéroleptiques MLS (S : substrat), la première étape était de déterminer si le système pouvait créer un effet " réservoir " ou stocker l'énantiomère du ligand le moins abondant sous la forme catalytiquement inactive ML2. Pour cela le système métal-ligand auxiliaire devait présenter une stéréosélectivité de formation des complexes homoleptiques ML2 , positive (S = bmeso/ 2brac >1). Les premiers systèmes étudiés M2+ : semicorrine avec M2+ égal au Ni2+, Zn2+ et Co2+ présentent une stéréosélectivité de formation des complexes M(semicorrine)2 positive et donc ils peuvent être des candidats à l'amplification asymétrique. Par contre, l'étude des systèmes du Cu2+ et du Pd2+ à montrer qu'ils favorisent les complexes homochiraux [M((S,S)-semicorrine)2], [M((R,R)-semicorrine)2] (S = bmeso/ 2brac <1) et que par conséquent ils ne peuvent créer d'effet réservoir. Cette première étape a également mis en évidence, sur la base d'une analyse établie sur des modèles moléculaires qui a été ensuite confirmée par une étude cristallographique de certains complexes [M(semicorrine)2], que cette stéréosélectivité dépend de la géométrie du complexe et donc de la configuration du cation métallique. Une stéréosélectivité positive est créée par une géométrie tétraédrique ou octaédrique déformée et une stéréosélectivité négative est induite par une géométrie pseudo plan carrée. Lorsqu'un équilibre est possible entre la géométrie tétraédrique et plan carrée la stéréosélectivité dépend alors de l'encombrement des substituants de l'auxiliaire chiral. Malgré la possibilité pour certains systèmes M2+ : semicorrine de créer un effet " réservoir ", nous avons décidé de ne pas les utiliser comme éventuels catalyseurs de la réaction hydrolyse des esters des acides a-aminés, car les semicorrines que nous avons choisies présentent des substituants esters pouvant eux-mêmes être modifiés au cours de la réaction. Toutefois les résultats obtenus par ce premier travail pourront être exploités pour l'étude de réactions au cours desquelles les fonctions esters ne sont pas modifiées, de mêmes ces résultats laissent penser que des stéréosélectivités de formation des complexes ML2 peuvent également être obtenues avec les autres semicorrines. Dès lors nous avons choisi de poursuivre notre étude avec les systèmes M2+ : bpp pour lesquels des stéréosélectivités de formation positives des complexes ML2 avaient déjà été mises en évidence. La synthèse du bpp a été, durant ce travail, améliorée . Le rapport rac-bpp / meso-bpp de la réduction de son intermédiaire est passé de 30% à 50% par l'utilisation du NaCNBH3. Les diastéréoisomères rac-bpp et meso-bpp, après leur coordination au Cu2+ pour former les complexes [Cu(bpp)H2O]2+, ont été séparés par chromatographie sur une colonne échangeuse de cations et à l'aide d'une solution de tampon carbonate. Nous avons pu mettre en évidence par spectrophotométrie que cette séparation est possible car ils se forment dans la phase mobile des complexes carbonates [Cu(meso-bpp)CO3] et rac-[Cu(bpp)CO3] de stabilité différente. Cette méthode a permis d'éviter la dérivation du bpp qui entraînait une étape de récupération de rendement peu élevé. Enfin, nous avons proposé une résolution chromatographique du mélange des complexes énantiomériques : rac-[Cu(bpp)H2O]2+, par l'agent de dédoublement L-tartrate. La seconde étape de l'étude a pour finalité de déterminer si les systèmes qui ont présenté une stéréosélectivité positive de formation des complexes homoleptiques ML2, peuvent induire une reconnaissance chirale des esters des acides a-aminés. Pour cela nous avons déterminé les constantes de formation des complexes hétéroleptiques [M((S,S)-bpp)L-aa]n+et [M((S,S)-bpp)D-aa]n+ (n = 0 ou 1), par le fit des courbes de titrage. Malgré le fait que le système Cu(II) : bpp ne peut pas créer un effet réservoir, nous avons étudié les systèmes équimolaires Cu(II) : (S,S)-bpp : aa (aa : Phe, Ala, Val, Pro, o-hbAla). Les objectifs de ce travail étaient d'étudier l'influence du substituant phénol de l'amine de l'ohbal sur la stéréosélectivité et la stabilité des complexes [Cu((S,S)-bpp)o-hbAla], de mettre en évidence d'éventuelles interactions non covalentes intramoléculaires ainsi que leur influence sur la géométrie du complexe hétéroleptique et enfin de déterminer si une reconnaissance chirale des acides a-aminés était possible par le complexe [Cu((S,S)-bpp)H2O]2+. Ce travail a confirmé que les constantes de formation des complexes ternaires [Cu((S,S)-bpp)aa]n+ sont moins élevées que celles déterminées pour d'autres systèmes mettant également en jeu des triamines comme ligand auxiliaire. Conformément à notre attente, les constantes les plus élevées ont été obtenues pour le ligand o-hbAla, cependant cette stabilité plus importante ne serait pas due à une coordination tridentate induisant une configuration N4O2 favorable à l'effet Jahn-Teller, elle serait d'avantage liée à la différence de basicité des fonctions amines. La stéréosélectivité de formation des complexes diastéréoisomères de l'o-hbAla qui est régie par le mode de coordination de l'acide a-aminé montre que celui-ci est en fait bidentate. On propose qu'il se coordine au métal par l'atome d'azote de l'amine primaire et par l'un des oxygènes de sa fonction carboxylique de façon à permettre un empilement de cycles aromatiques. Ces liaisons non covalentes seraient alors à l'origine de la structure du complexe, de sa stabilité et de la stéréosélectivité. Pour les autres acides a-aminés, le [Cu((S,S)-bpp)H2O]2+ ne permet la reconnaissance chirale que des énantiomères du Phe, dont le radical est le plus encombré. Elle favorise l'énantiomère L et correspond à la coordination de la fonction amine en trans du ligand bpp et à la position apicale de la fonction carboxylique. La stéréosélectivité de formation des complexes [Ni(bpp)2]2+ étant très élevée nous avons choisi d'étudier les complexes hétéroleptiques [Ni((S,S)-bpp)(aa)(H2O)n]n+ (n = 0 ou 1). Par l'étude préliminaire des complexes [Ni(meso-bpp)(aa)(H2O)n]n+ (aa : Phe, Ser, His, histamine, o-hbAla et o-hbVal) nous avons pu mettre en évidence que ceux ci se formaient lentement et que leurs constantes de formation nettement plus élevées que celles du Cu(II) dépendaient de leur mode de coordination qui ont put-être étayés par spectrophotométrie, dichroïsme circulaire, cristallographie aux RX et par comparaison des constantes de formation. Nous avons proposé pour les o-hbaa une coordination tridentate. A partir de ces résultats nous avons décidé d'étudier en particulier les complexes [Ni((S,S)-bpp)(o-hbaa)]. Une stéréosélectivité de coordination des o-hbAla au complexe [Ni((S,S)-bpp)(H2O)3]2+ en faveur de l'énantiomère L a été mise en évidence. Elle confirme la coordination tridentate de l'o-hbAla. Par contre pour les énantiomères de l'o-hbVal une plus faible stéréosélectivité est déterminée. Nous avons proposé d'expliquer ce résultat par la différence d'encombrement des deux acides a-aminés. Dans ce cas particulier, l'augmentation des contraintes stériques limite la coordination du ligand et la stéréosélectivité. La troisième étape de l'étude a pour objectif de confirmer la possibilité d'une stéréosélectivité de l'hydrolyse des esters d'acides a-aminés par le système métal-ligand auxiliaire et de mettre en évidence l'accélération ou la catalyse créée par ce système. Une cinétique de la réaction en absence et en présence du complexe [M(ligand auxiliaire)] est alors proposée. Cette étude ne s'effectue que si une stéréosélectivité de coordination de l'acide a-aminé au complexe [M(ligand auxiliaire)] a pu être mise en évidence. Elle précède les tests d'amplification asymétrique. Ces deux dernières étapes n'ont pas pu être effectuées lors de ce travail, par manque de temps. Seule l'étude de l'hydrolyse des esters méthyliques de la Val et de l'Ala a été réalisée en présence du rac-[Cu(bpp)(H2O)]2+ et une très faible accélération a été démontrée. Il est possible de penser que le complexe [Ni((S,S)-bpp)(H2O)3]2+ conduira à une accélération plus nette, si on fait l'hypothèse que l'état de transition qu'il créera sera plus stable que celui du au complexe de Cu(II). Ce travail propose, pour la première fois, une méthodologie pour déterminer si un système métal-ligand auxiliaire choisi peut conduire à un effet d'amplification asymétrique au cours d'une réaction ciblée. Il met en évidence que les stéréosélectivités de formation des complexes homoleptiques ML2 et hétéroleptiques MLS ( S : substrat) dépendent des propriétés structurales du ligand auxiliaire, de la configuration électronique du cation métallique qui induit la géométrie du complexe, de l'encombrement et des possibilités de modes de coordination du substrat et aussi des éventuelles interactions non liantes entre le substrat et le ligand auxiliaire. Sur la base de ce travail, il sera possible d'envisager d'autres études, la première aura pour finalité d'atteindre l'objectif initial de ce sujet, les autres exploiterons les résultats obtenus pour les systèmes M2+ : semicorrine avec d'autres réactions que celle de l'hydrolyse des esters des acides a-aminés.