Cyclopropanation

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Structure de la pyréthrine I (en) (R = CH3) et pyréthrine II (en), (R = CO2CH3), des insecticides naturels comportant un cycle de cyclopropane.

En chimie organique, la cyclopropanation réfère à tout procédé résultant en la création d'un cycle de cyclopropane. Ces procédés sont importants en chimie moderne car de nombreux composés utiles comportent ce motif. C'est par exemple le cas des pyréthrinoïdes, une famille d'insecticides, ou de nombreux antibiotiques de la classe des quinolones (ciprofloxacine, sparfloxacineetc.). Du fait de la tension de cycle, ces réactions sont en général difficiles à mettre en œuvre et nécessitent l'utilisation d'espèces hautement réactives telles que les carbènes, les ylures ou les carbanions[1]. Beaucoup de ces réactions ont un mode d'action chélotrope (en).

Approches[modifier | modifier le code]

À partir d'alcènes et de carbénoïdes[modifier | modifier le code]

Plusieurs méthodes existent pour convertir des alcènes en cyclopropane en utilisant des réactifs de type carbène. Ce derniers étant particulièrement réactifs, il est commun de les utiliser sous forme stabilisée, appelée carbénoïdes (en)[2].

Réaction de Simmons-Smith[modifier | modifier le code]

Dans la réaction de Simmons-Smith, le réactif carbénoïde est l'iodure d'iodométhylzinc, typiquement formé par réaction entre le diiodométhane et un couple zinc-cuivre.

Simmons Smith Reaktion Mechanismus1b.svg

Des alternatives moins chères ont été développées, telles que l'utilisation du dibromométhane[3], du diazométhane et de l'iodure de zinc[4]. La réactivité du système peut également être accrue en utilisant du diéthylzinc au lieu du couple zinc-cuivre[5] Il existe également des variantes asymétriques[6].

Utilisation de composés diazo[modifier | modifier le code]

Certains composés diazo, tels que le diazométhane, peuvent réagir avec les alcènes pour produire des cyclopropanes dans des procédés en deux étapes. La première étape consiste en une cycloaddition 1,3-dipolaire pour former une pyrazoline. Cette dernière subit ensuite une dénitrogénation, soit photochimique soit par décomposition thermique, pour former un cyclopropane. La voie thermique, qui utilise souvent comme catalyseur KOH et le platine, est aussi connue sous le nom de synthèse de Kishner de cyclopropane, du nom du chimiste russe Nikolai Kischner (en)[7],[8], et peut être appliquée en utilisant de l'hydrazine et des composés carbonylés α,β-insaturés[9]. Le mécanisme de la décomposition a fait l'objet de nombreuses études, et, si le sujet reste controversé, l'idée communément partagée est qu'il se passe via des espèces diradicalaires[10],[11]. Du point de vue de la chimie verte, cette méthode est considérée comme supérieure aux autres cyclopropanations à base de carbènes car elle n'implique pas l’utilisation de métaux ou d'halogènes, et son seul sous-produit est le diazote. Cependant, cette réaction peut être dangereuse car des traces de composés diazo n'ayant pas réagi peuvent exploser durant le réarrangement thermique de la pyrazoline.

Diazo cyclopropanation via pyrazoline.png

Utilisation de composés diazo avec catalyseur métallique[modifier | modifier le code]

Le phényldiazoacétate de méthyle (en) et beaucoup de dérivés diazo proches sont des précurseurs de carbènes donneurs-accepteurs qui peuvent être utilisés pour la cyclopropanation ou pour insérer des liaisons C-H dans un substrat organique. Ces réactions sont catalysées par le tétraacétate de dirhodium ou par certains de ses dérivés chiraux[12],[13],[14].

IntraCPGen.png

Utilisation de carbènes libres[modifier | modifier le code]

Des carbènes libres peuvent être employés pour des réactions de cyclopropanation, cependant leur potentiel est limité pour cela car peu peuvent être produits de façon pratique, et quasiment tous sont instables, notamment du fait de leur tendance à se dimériser (en). Une exception sont les dihalogénocarbènes tels que le dichlorocarbène ou le difluorocarbène (en) qui sont raisonnablement stables et vont réagir pour former des dihalogéno-cyclopropanes géminaux[15] :

Dichlorocarbene reaction cyclohexene.svg

Ces composés peuvent être utilisés pour former des allènes par le réarrangement de Skattebøl (en). L'expansion de cycle de Buchner (en) implique la formation d'un carbène stabilisé. La cyclopropanation est stéréospécifique car l'addition du carbène ou du carbénoïde sur l'alcène est une forme de réaction chélotrope, l'addition étant syn. Par exemple, le dibromocarbène (en) et le cis-but-2-ène produisent le cis-2,3-diméthyl-1,1-dibromocyclopropane, alors que l'isomère trans ne donne que le trans cyclopropane[16] :

stereospecific carbene reaction

À partir d'alcènes et d'ylures[modifier | modifier le code]

Des cyclopropanes peuvent produits en utilisant un ylure de soufre par la réaction de Johnson-Corey-Chaykovsky[17], cependant ce procédé est largement limité aux alcènes pauvres en électrons, typiquement des composés carbonylés α,β-insaturés.

CCRcycloprop.png

Cyclisation intramoléculaire[modifier | modifier le code]

Les cyclopropanes peuvent être obtenus par diverses réactions de cyclisation intramoléculaire. Une méthode simple consiste à utiliser des halogénoalcanes primaires portant des groupes électro-attracteurs placés de manière appropriée. Le traitement avec une base forte générera un carbanion qui se cyclisera de manière 3-exo-trig, avec déplacement de l'halogénure. On peut citer comme exemple la formation de cyanure de cyclopropyle (en)[18] et de cyclopropylacétylène (en)[19]. Ce mécanisme constitue également la base du réarrangement de Favorskii.

Synthèse du cyclopropylacétylène à partir du 5-chloropent-1-yne

Un processus connexe est la cyclisation du 1,3-dibromopropane (en) via un couplage de Wurtz. Celui-ci a été utilisé pour la première synthèse du cyclopropane par August Freund en 1881. À l'origine, cette réaction était réalisée à l'aide de sodium[20], mais le rendement peut être amélioré en utilisant plutôt du zinc[21].

BrCH2CH2CH2Br + 2 Na → (CH2)3 + 2 NaBr

Autres approches[modifier | modifier le code]

Biosynthèse[modifier | modifier le code]

Structure de U-106305, un dérivé d'acide gras à cyclopropane (en) avec six cylces de cyclopropane, isolaté de Streptomyces sp.

Si les cyclopropanes sont relativement rares en biochimie, de nombreuses voies de cyclopropanation ont été identifiées dans la nature. Les voies les plus communes impliquent des réactions de fermeture de cycle de carbocations dans les terpénoïdes. Les acides gras à cyclopropane (en) dérivent de l'attaque de la S-adénosylméthionine (SAM) sur des acides gras insaturés.

L'acide 1-aminocyclopropane-1-carboxylique, un précurseur de l'éthylène (qui joue le rôle d'hormone dans le monde végétal), est directement dérivé de la S-méthylméthionine (SMM) par déplacement nucléophile intramoléculaire du groupe SMe2 après condensation avec le phosphate de pyridoxal[23].

Le transfert direct de carbène des diazoesters aux alcènes a également été réalisé par biocatalyse in vitro en utilisant des variantes de l'enzyme cytochrome P450 de Bacillus megaterium optimisées par évolution dirigée[24].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Hélène Pellissier, « Recent developments in asymmetric cyclopropanation », Tetrahedron, vol. 64, nos 30–31,‎ , p. 7041–7095 (DOI 10.1016/j.tet.2008.04.079)
  2. (en) « carbenoids », IUPAC, Compendium of Chemical Terminology [« Gold Book »], Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1997, version corrigée en ligne :  (2019-), 2e éd. (ISBN 0-9678550-9-8)
  3. Bodo Fabisch et Mitchell, Terence N., « An inexpensive modification of the Simmons-Smith reaction: The formation of bromomethylzinc bromide as studied by NMR spectroscopy », Journal of Organometallic Chemistry, vol. 269, no 3,‎ , p. 219–221 (DOI 10.1016/0022-328X(84)80305-8)
  4. Georg Wittig et Wingler, Frank, « Über methylenierte Metallhalogenide, IV. Cyclopropan-Bildung aus Olefinen mit Bis-halogenmethyl-zink », Chemische Berichte, vol. 97, no 8,‎ , p. 2146–2164 (DOI 10.1002/cber.19640970808)
  5. J. Furukawa, Kawabata, N. et Nishimura, J., « Synthesis of cyclopropanes by the reaction of olefins with dialkylzinc and methylene iodide », Tetrahedron, vol. 24, no 1,‎ , p. 53–58 (DOI 10.1016/0040-4020(68)89007-6)
  6. A. B. Charette et A. Beauchemin, Simmons-Smith Cyclopropanation Reaction, vol. 58, (ISBN 978-0471264187, DOI 10.1002/0471264180.or058.01), p. 1
  7. David E. Lewis, « Disability, Despotism, Deoxygenation-From Exile to Academy Member: Nikolai Matveevich Kizhner », Angewandte Chemie International Edition, vol. 52, no 45,‎ , p. 11704–11712 (PMID 24123691, DOI 10.1002/anie.201303165)
  8. N. M. Kishner, A. Zavadovskii, J. Russ. Phys. Chem. Soc. 43, 1132 (1911).
  9. R. J. Petersen et P. P. S. Skell, « Phenylcyclopropane », Org. Synth., vol. 47,‎ , p. 98 (DOI 10.15227/orgsyn.047.0098)
  10. Robert J. Crawford et Anupama Mishra, « The Mechanism of the Thermal Decomposition of 1-Pyrazolines and Its Relationship to Cyclopropane Isomerizations », Journal of the American Chemical Society, vol. 88, no 17,‎ , p. 3963–3969 (DOI 10.1021/ja00969a014)
  11. Elena Muray, Ona Illa, José A. Castillo, Ángel Álvarez-Larena, José L. Bourdelande, Vicenç Branchadell et Rosa M. Ortuño, « Photolysis of Chiral 1-Pyrazolines to Cyclopropanes: Mechanism and Stereospecificity », The Journal of Organic Chemistry, vol. 68, no 12,‎ , p. 4906–4911 (PMID 12790598, DOI 10.1021/jo0342471)
  12. Davies, H. M. L. et Morton, D., « Guiding Principles for Site Selective and Stereoselective Intermolecular C–H Functionalization by Donor/Acceptor Rhodium Carbenes », Chemical Society Reviews, vol. 40, no 4,‎ , p. 1857–1869 (DOI 10.1039/C0CS00217H)
  13. Huw M. L. Davies et Wen‐hao Hu, Dong Xing, « Methyl Phenyldiazoacetate », EEROS,‎ , p. 1–10 (ISBN 9780470842898, DOI 10.1002/047084289X.rn00444.pub2)
  14. Hélène Lebel, Marcoux, Jean-François, Molinaro, Carmela et Charette, André B., « Stereoselective Cyclopropanation Reactions », Chemical Reviews, vol. 103, no 4,‎ , p. 977–1050 (PMID 12683775, DOI 10.1021/cr010007e)
  15. Michał Fedoryński, « Syntheses of Dihalocyclopropanes and Their Use in Organic Synthesis », Chemical Reviews, vol. 103, no 4,‎ , p. 1099–1132 (PMID 12683778, DOI 10.1021/cr0100087)
  16. Skell, P.S. et Garner, A.Y., « The Stereochemistry of Carbene-Olefin Reactions. Reactions of Dibromocarbene with the cis- and trans-2-Butenes », Journal of the American Chemical Society, vol. 78, no 14,‎ , p. 3409–3411 (DOI 10.1021/ja01595a040)
  17. Li, A.-H., Dai, L.-X. et Aggarwal, V. K., « Asymmetric Ylide Reactions: Epoxidation, Cyclopropanation, Aziridination, Olefination, and Rearrangement », Chemical Reviews, vol. 97, no 6,‎ , p. 2341 (DOI 10.1021/cr960411r)
  18. M. J. Schlatter, Cyclopropyl Cyanide, Org. Synth. 23, coll. « vol. 3 », , 20 p., p. 223.
  19. Cyclopropylacetylene, Org. Synth. 77, coll. « vol. », , 231 p.
  20. (de) August Freund, « Über Trimethylen » [« On Trimethylene »], Journal für praktische Chemie, vol. 26, no 1,‎ , p. 625–635 (DOI 10.1002/prac.18820260125, lire en ligne)
  21. (de) G. Gustavson, « Ueber eine neue Darstellungsmethode des Trimethylens » [« On a new method of representation of trimethylene »], J. Prakt. Chem., vol. 36,‎ , p. 300–305 (DOI 10.1002/prac.18870360127, lire en ligne)
  22. (en) « di-π-methane rearrangement », IUPAC, Compendium of Chemical Terminology [« Gold Book »], Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1997, version corrigée en ligne :  (2019-), 2e éd. (ISBN 0-9678550-9-8)
  23. Ludger A. Wessjohann, Wolfgang Brandt et Thies Thiemann, « Biosynthesis and Metabolism of Cyclopropane Rings in Natural Compounds », Chemical Reviews, vol. 103, no 4,‎ , p. 1625–1648 (PMID 12683792, DOI 10.1021/cr0100188)
  24. P. S. Coelho, E. M. Brustad, A. Kannan et F. H. Arnold, « Olefin Cyclopropanation via Carbene Transfer Catalyzed by Engineered Cytochrome P450 Enzymes », Science, vol. 339, no 6117,‎ , p. 307–310 (PMID 23258409, DOI 10.1126/science.1231434, Bibcode 2013Sci...339..307C, lire en ligne)