Synthesis and application of new bipyridine ligands

Synthèse et applications de nouveaux ligands bipyridine

Eva Bednarova (1)

1 IBMM - Institut des Biomolécules Max Mousseron [Pôle Chimie Balard]

2,2'-Bipyridines and their appropriate N,N'-dioxides form a significant class of heteroaromatic compounds, which has found application in various fields of chemistry and predominantly in asymmetric catalysis. One of the most powerful methods for their synthesis is cocyclotrimerization of alkynes with nitriles.A new variant of cyclotrimerization reaction – cocyclotrimerization of halodiynes with nitriles, which results in the formation of 2- and 3-halopyridines, has been developed. The reaction was studied on a wide range of substrates providing the pyridine products in good isolated yields. Formation of an unexpected product of halogen exchange reaction was observed during the course of the study and its origin was elucidated by experimental studies.The prepared 2-halopyridines were used as starting materials for syntheses of new chiral 2,2'-bipyridine ligands. The crucial step of their synthesis turned out to be the reductive dimerization of 2-halopyridines to the corresponding 2,2'-bipyridines. Application of the formed bipyridine ligands was then tested in various metal-catalyzed asymmetric reactions, namely Mukaiyama aldol reaction, hydroxymethylation, conjugate addition, C–H activation of indole and desymmetrization of meso-epoxides, in which one of the bipyridine ligands showed extraordinary activity and robustness. The structural properties of this ligand were then studied based on the NMR analyses, DFT calculations and single crystal X-ray analyses.New axially chiral 2,2'-bipyridine N,N'-dioxides were synthesized via two approaches, which differed in the type of the key dimerization step. While the first approach, based on the reductive dimerization of 2-halopyridines, furnished only one atropoisomer of the target N,N'-dioxide by an eight-step reaction sequence, the second approach, based on oxidative dimerization of pyridine-N-oxides, provided both atropoisomers in only five steps. The applicability of these novel N,N'-dioxides as Lewis base catalysts were then examined in the enantioselective allylation of benzaldehyde and aldol reaction of trichlorosilyl ketene acetal with acetophenone.

Les 2,2´-bipyridines et leurs homologues, les N,N´-dioxydes, appartiennent à une classe de composés hétéroaromatiques très importante ayant montré de nombreuses applications dans le domaine de la chimie et principalement en synthèse asymétrique. Une des méthodes les plus performantes pour leurs synthèses s´est révélée être une réaction de cocyclotrimérisation d´alcynes en présence de dérivés nitriles.Une nouvelle variante de la réaction de cyclotrimérisation – cocyclotrimérisation de diynes halogénés avec des dérivés nitriles – permettant la formation de composés 2- et3-halogéno-pyridines a ainsi été développée. La réaction a été étudiée sur une large gamme de substrats permettant l´accès à une librairie de pyridines avec de bons rendements. La formation d´un sous-produit, issu d´un échange d´halogène, a été approfondie au cours de l´étude et son origine a été élucidée grâce à différentes expériences.Les 2-halogéno-pyridines ont été utilisées comme réactifs de départ pour la synthèse de ligands chiraux de type 2,2´-bipyridines. L´étape problématique s´est avérée être la réaction de dimérisation réductrice des 2-halogéno-pyridines donnant accès aux2,2-bipyridines correspondantes. L´efficacité de ces ligands chiraux de type 2,2´-bipyridinea été évaluée dans différentes réactions asymétriques catalysées par des métaux de transition telles que l´aldolisation de Mukaiyama, l´hydroxyméthylation, l´addition conjuguée, l´activation C–H d´indoles mais aussi la désymmétrisation d´époxydes meso, dans laquelle un des ligands bipyridines a montré une extraordinaire activité et robustesse. Ensuite, basées sur des analyses RMN, des calculs DFT et des analyses par diffraction des rayons X, les propriétés structurales de ce ligand ont été étudiées.De plus, une nouvelle famille de catalyseurs à chiralité axiale de type 2,2´-bipyridines N,N´-dioxydes a pu être synthétisée via 2 différentes approches, où seule l´étape clé de dimérisation diffère. La première approche, basée sur la réaction de dimérisation réductrice des 2-halogéno-pyridines, permet l´obtention d´un seul atropoisomère du N,N´-dioxydes cible après une séquence réactionnelle de 8 étapes tandis que la seconde approche, basée sur la réaction de dimérisation oxydante de pyridines N-oxydes, donne l´accès aux 2 atropoisomères en seulement 5 étapes. Le champs d´application de ces nouveaux catalyseurs de typeN,N´-dioxydes, en tant que base de Lewis, a été examiné dans l´allylation énantiosélective du benzaldéhyde ainsi que dans l´aldolisation de l´acétal de cétène trichlorosilylé en présence de l´acétophénone.

Mots clés: Catalysis; Organic synthesis; Bipyridine ligands; Asymmetric synthesis

Mots clés: Catalyse; Synthèse organique; Ligands bipyridine; Synthèse asymétrique

Domaines: Autre

Eva Bednarova. Synthesis and application of new bipyridine ligands. Other. Université Montpellier; International sinological centre (Prague), 2018. English. ⟨NNT : 2018MONTS117⟩. ⟨tel-02277282⟩