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Article

1 - RÉACTIFS ORGANOMÉTALLIQUES NUCLÉOPHILES

2 - RÉACTIONS DES ORGANOMÉTALLIQUES NUCLÉOPHILES

3 - RÉACTIONS DE COUPLAGE MÉTALLOCATALYSÉES

4 - APPLICATIONS INDUSTRIELLES

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : AF6511 v1

Applications industrielles
Réactifs nucléophiles organométalliques en synthèse organique - Théorie et applications

Auteur(s) : Sylvain ANTONIOTTI, Jean-Guy BOITEAU

Date de publication : 10 juil. 2018

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RÉSUMÉ

La synthèse de molécules organiques repose sur la formation contrôlée de liaisons carbone-carbone. La différence d’électronégativité qui existe au sein d’un réactif organométallique entre un atome métallique et un groupement carboné confère à ce dernier un caractère nucléophile qui a été exploité dans la formation de liaisons carbone-carbone par l’attaque de composés carbonés électrophiles. Dans cet article seront présentés les principaux réactifs nucléophiles organométalliques (Li, Mg, Al, Zn, Cd) en détaillant leurs modes de préparation et les principales réactions les mettant en jeu, ainsi que des exemples d’applications industrielles dans la synthèse de principes actifs pharmaceutiques.

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ABSTRACT

Organometallic Nucleophilic Reagents in Organic Synthesis. Theory and Applications

The synthesis of organic substances relies mostly on the controlled formation of carbon-carbon bonds. Organometallic reagents feature a marked difference in electronegativity between a metal and a bound carbon atom, lending the latter a strongly nucleophilic character. The wide molecular diversity of nucleophilic and electrophilic partners offers a near-infinite number of combinations. In this article are presented the main nucleophilic organometallic reagents (Li, Mg, Al, Zn, Cd), their principal preparation methods and their most representative reactions, including industrial applications in the synthesis of active pharmaceutical ingredients.

Auteur(s)

  • Sylvain ANTONIOTTI : Docteur es Sciences Chimiques, HDR - Directeur de Recherche CNRS, Institut de Chimie de Nice (ICN) - Université Côte d’Azur, Nice, France

  • Jean-Guy BOITEAU : Docteur es Sciences Chimiques - Process Research & Development Manager - Chemical Development – Galderma R & D, Sophia-Antipolis, France

INTRODUCTION

La synthèse de molécules organiques repose sur la formation contrôlée de liaisons carbone-carbone afin de constituer le squelette de base de la molécule cible à partir de précurseurs simples et disponibles. Cette tâche est rendue difficile par la stabilité des groupements carbonés à l’état fondamental et la difficulté à créer des liaisons covalentes entre atomes identiques.

La différence d’électronégativité qui existe au sein d’un réactif organométallique entre un atome métallique et un groupement carboné confère à ce dernier un caractère nucléophile qui a été découvert dès la fin du XIXe siècle notamment à la suite des travaux de Philippe Barbier, Paul Sabatier et Victor Grignard. Ces deux derniers ont ainsi été lauréats du prix Nobel de chimie en 1912, l’un pour l’hydrogénation de composés organiques sur des métaux finement divisés et l’autre pour la découverte des réactifs organomagnésiens. Les réactifs organométalliques ont par la suite été exploités dans la formation de liaisons carbone-carbone par l’attaque de composés carbonés électrophiles. Ces derniers peuvent être choisis parmi les dérivés carbonylés (aldéhydes, cétones, esters, amides, acides carboxyliques, chlorures d’acyles, carbonates, dioxyde de carbone) et leurs équivalents (imines, bases de Schiff, nitriles), sous certaines conditions les halogénures d’alkyles RX (X=Cl, Br, I) et leurs équivalents (tosylates d’alkyles et autres réactants possédant un groupement nucléofuge) et dans certains cas les hydrocarbures insaturés (alcynes, principalement). Cette diversité de partenaires se conjugue avec la diversité de réactifs organométalliques disponibles ou facilement préparés comme les organolithiens et les organomagnésiens à partir des halogénures correspondants et de métal à l’état d’oxydation zéro, par échange halogène-métal ou par réaction acido-basique.

Ces réactifs nucléophiles organométalliques constituent ainsi la forme la plus directe de groupement nucléophile et sont relativement facilement accessibles (et parfois même commerciaux). Ils présentent toutefois un comportement de base forte qui les rend incompatibles avec des conditions humides. Leur mise en œuvre doit en conséquence être réalisée avec des solvants et réacteurs anhydres. D’autre part, les réactions mettant en jeu des réactifs organométalliques sont en général exothermiques, ce qui impose des contraintes particulières lors de la montée en échelle pour des applications industrielles.

Tous ces aspects seront abordés. Dans une première partie seront présentés les principaux réactifs organométalliques nucléophiles (définition, terminologie, préparation, physico-chimie et stabilité), une seconde partie traitera de la réactivité suivie d’une troisième partie qui se focalisera sur les réactions métallocatalysées impliquant ces réactifs. Enfin, une partie sur les applications industrielles et notamment les applications pour la synthèse de principes actifs pharmaceutiques illustrant les problématiques de changement d’échelle, de sécurité et de conformité sera proposée.

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KEYWORDS

organolithium reagents   |   organomagnesium reagents   |   electrophiles   |   industrial synthesis   |   API

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af6511


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4. Applications industrielles

L’industrialisation des procédés est une étape majeure dans le développement d’une molécule à haute valeur ajoutée comme, dans le domaine pharmaceutique, les molécules de principe actif. Il s’agit de développer un protocole de laboratoire transposable à l’échelle industrielle, opération qui ne se résume pas simplement à une multiplication des quantités de matière et une augmentation de la taille des réacteurs. Il existe en effet des dizaines de paramètres qui peuvent avoir une influence sur le cours de la réaction chimique (vitesse d’agitation, temps de chauffe, ordre d’introduction des réactifs…) et qui deviennent majeurs à l’échelle industrielle. Des opérations qui peuvent sembler insignifiantes à l’échelle du laboratoire prennent parfois une importance cruciale à grande échelle, incluant des aspects de sécurité :

  • Peut-on initier la cristallisation d’un composé, en grattant à l’aide d’une spatule le fond du réacteur ?

  • Peut-on chauffer au sèche-cheveux pour initier une réaction de Grignard ?

  • Peut-on plonger rapidement un réacteur dans la glace pour maîtriser un dégagement de chaleur ?

  • Comment gérer une formation de mousse à grande échelle ?

  • Peut-on purifier sur silice un intermédiaire huileux ?

Le développement des procédés consiste à maîtriser certains de ces phénomènes et faire en sorte d’obtenir un procédé robuste, qui permette la fabrication d’une substance à l’échelle de plusieurs kilogrammes ou de plusieurs tonnes en respectant les spécifications voulues.

Il ne s’agit pas ici de décliner toutes les problématiques du développement des procédés mais simplement de donner un aperçu des contraintes qui sont abordées lors de la montée en échelle d’une synthèse basée sur l’utilisation d’un réactif organométallique.

  • Sélection

    La sélection de la voie de synthèse est une étape cruciale, l’idéal étant de sélectionner très tôt la voie de synthèse qui sera utilisée tout au long du développement. Un changement de synthèse en cours de développement engendre un changement du profil d’impureté et nécessite donc de recommencer les études...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - JAHNKE (E.), TYKWINSKI (R.R.) -   The Fritsch-Buttenberg-Wiechell rearrangement : modern applications for an old reaction.  -  Chemical Communications 46, p. 3235-3249 (2010).

  • (2) - BALASUBRAMANIAM (S.), AIDHEN (I.S.) -   The Growing Synthetic Utility of the Weinreb Amide.  -  Synthesis, p. 3707-3738 (2008).

  • (3) - BOUGES (H.), ANTONIOTTI (S.) -   A synthesis of deuterated methyleugenol via transition metal-catalysed coupling of substituted deuterated benzyl chloride with vinylmagnesium bromide.  -  Flavour Fragr. J. p (2017). DOI 10.1002/ffj.3374.

  • (4) - WATANABE (K.), YAMAGIWA (N.), TORISAWA (Y.) -   Cyclopentyl Methyl Ether as a New and Alternative Process Solvent.  -  Organic Process Research & Development 11, p. 251-258 (2007).

  • (5) - STOESSEL (F.), FIERZ (H.), LERENA (P.), KILLÉ (G.) -   Recent Developments in the Assessment of Thermal Risks of Chemical Processes.  -  Organic Process Research & Development 1, p. 428-434 (1997).

  • ...

ANNEXES

  1. 1 Annuaire

    1 Annuaire

    Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

    Réactifs nucléophiles organométalliques en solution et métaux précurseurs

    Sigma-Aldrich https://www.sigmaaldrich.com/france.html

    Strem chemicals https://secure.strem.com/index.php

    Fisher scientific https://www.fishersci.fr/fr/fr/home.html

    Alfa Aesar https://www.alfa.com/fr/

    Laboratoires – Bureaux d’études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)

    Groupe de recherche du professeur Dr. Paul Knochel http://www.knochel.cup.uni-muenchen.de/

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