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Réactions de N-arylation catalysées par le cuivre
Introduction générale:
Les hétérocycles aromatiques suscitent un engouement constant, que ce soit par exemple pour leur participation dans la composition de nombreuses structures d’intérêt biologique, ou comme éléments de base dans des édifices utilisés en chimie supramoléculaire.Il est donc fondamental de développer des voies de synthèse permettant d’accéder à des molécules complexes contenant ces unités en un minimum d’opérations synthétiques. La génération régiosélective d’espèces organométalliques est une méthode de choix pour fonctionnaliser les composés aromatiques. Cependant, dans le cas de composés portant des fonctions sensibles, des réactifs métalliques compatibles doivent être utilisés. Dans ce cadre, des études ont été menées par plusieurs groupes de synthèse en vue d’identifier des bases capables de déprotométaller des composés aromatiques sensibles. Les travaux de ces quinze dernières années ont abouti à la découverte d’une série de bases bimétalliques lithium-métal permettant d’atteindre des réactions à la fois hautement efficaces (par exemple des didéprotométallations) et chimiosélectives (tolérant par exemple des hétérocycles très sensibles à température ambiante). Les arylmétaux qui sont obtenus à l’issue de cette étape peuvent être convertis par divers piégeages électrophiles, et il est notamment possible d’accéder à des dérivés iodés ou diiodés qui possèdent un haut potentiel synthétique.
Rappel bibliographique sur les réactions de déprotométallation et de N-arylation:
La déprotométallation en série aromatique:
Généralités sur la réaction de déprotométallation:
La fonctionnalisation régiosélective des cycles aromatiques constitue l’un des problèmes fondamentaux lors de la synthèse de nombreux composés. En réalité, de nombreuses réactions de substitution électrophile ne sont pas sélectives. L’une des techniques les plus employées actuellement dans ce domaine est la réaction de métallation ortho-dirigée,5 qui consiste à générer des espèces organométalliques pouvant être engagées dans diverses réactions : halogénation, alkylation, acylation et couplage croisé catalysé par des métaux de transition. Cette méthode permet la fonctionnalisation régiosélective de nombreux composés aromatiques.
La réaction d’ortho-métallation consiste en l’arrachement, à l’aide d’une base forte (généralement des alkyllithiens ou amidures de lithium), d’un proton aromatique situé en ortho d’un groupement directeur (GD). Le piégeage du lithien intermédiaire par un électrophile permet de fonctionnaliser régiosélectivement le substrat. La régiosélectivité est induite par le groupement ortho-directeur qui, par son caractère inducteur attracteur et/ou complexant fort, est susceptible d’augmenter l’acidité cinétique des protons en position ortho.
Déprotométallationiodolyse de pyridines substituées et rationnalisation des résultats:
Les pyridines sont présentes dans de nombreuses molécules biologiques, avec des dérivés tels que la nicotine, le nicotinamide (niacine), le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP) et la pyridoxine (vitamine B6) (Schéma 49). En plus de leur utilisation dans des produits pharmaceutiques et des produits agrochimiques,1 les pyridines peuvent aussi faire partie de matériaux organiques.
Partie expérimentale:
Déprotométallation des substrats avec 0.5 équivalent de base:
Procédure générale:
Dans un tube de Schlenk sous argon sont introduits la 2,2,6,6 tétraméthylpipéridine (0.25 mL, 1.5 mmol) et le THF (2-3 mL). Le milieu réactionnel est placé sous agitation magnétique, puis le butyllithium (solution 1,6 M dans les hexanes, 1.5 mmol) et, 5 minutes plus tard, le ZnCl2.TMEDA (0.13 g, 0.50 mmol) sont ajoutés successivement à 0 °C. A la fin de l’addition, le mélange est laissé sous agitation pendant 15 minutes à 0 °C. Le substrat (1.0 mmol) est alors additionné au milieu réactionnel à 0 10 °C. Après 2 heures d’agitation à température ambiante, une solution de I2 (0.38 g, 1.5 mmol) dans du THF (4 mL) est ajoutée. Le mélange réactionnel est laissé sous agitation durant une nuit. Le mélange réactionnel est hydrolysé par une solution saturée de Na2S2O3 (4 mL). Après décoloration du milieu réactionnel, la phase aqueuse est extraite par 3 x 20 mL d’acétate d’éthyle. Les phases organiques sont rassemblées, et séchées sur sulfate de magnésium puis filtrées. Après évaporation des solvants, le produit brut est purifié par chromatographie sur gel de silice.
Déprotométallation des substrats avec 2 équivalents de base:
Procédure générale:
Dans un tube de Schlenk sous argon sont introduits la 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine (0.50 mL, 3.0 mmol) et le THF (5 mL). Le milieu réactionnel est placé sous agitation magnétique, puis le butyllithium (solution 1,6 M dans les hexanes, 3.0 mmol) et, 5 minutes plus tard, le ZnCl2.TMEDA (0.26 g, 1.0 mmol) sont ajoutés successivement à 0 °C. A la fin de l’addition, le mélange est laissé sous agitation pendant 15 minutes à 0 °C. Le substrat (0.50 mmol) est alors additionné au milieu réactionnel à 0-10 °C. Après 2 heures d’agitation à température ambiante, une solution de I2 (0.76 g, 3.0 mmol) dans du THF (8 mL) est ajoutée. Le mélange réactionnel est laissé sous agitation durant une nuit. Le mélange réactionnel est hydrolysé par une solution saturée de Na2S2O3 (8 mL). Après décoloration du milieu réactionnel, la phase aqueuse est extraite par 3 x 20 mL d’acétate d’éthyle. Les phases organiques sont rassemblées, et séchées sur sulfate de magnésium puis filtrées. Après évaporation des solvants, le produit brut est purifié par chromatographie sur gel de silice.
Procédure générale:
Dans un tube de Schlenk sous argon sont introduits la 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine (0.25 mL, 1.5 mmol) et le THF (2-3 mL). Le milieu réactionnel est placé sous agitation magnétique, puis le butyllithium (solution 1,6 M dans les hexanes, 1.5 mmol) et, 5 minutes plus tard, le ZnCl2.TMEDA (0.13 g, 0.50 mmol) sont ajoutés successivement à 0 °C. A la fin de l’addition, le mélange est laissé sous agitation pendant 15 minutes à 0 °C. Le substrat (0.5 mmol) est alors additionné au milieu réactionnel à 0-10 °C. Après 2 heures d’agitation à température ambiante, une solution de I2 (0.38 g, 1.5 mmol) dans du THF (4 mL) est ajoutée. Le mélange réactionnel est laissé sous agitation durant une nuit. Le mélange réactionnel est hydrolysé par une solution saturée de Na2S2O3 (4 mL). Après décoloration du milieu réactionnel, la phase aqueuse est extraite par 3 x 20 mL d’acétate d’éthyle. Les phases organiques sont rassemblées, et séchées sur sulfate de magnésium puis filtrées. Après évaporation des solvants, le produit brut est purifié par chromatographie sur gel de silice.
Optimisation de la réaction de N-arylation des iodopyridines synthétisées:
Les N-hétérocycles substitués sont répandus dans les composés biologiquement actifs. Des dérivés de la pyridine tels que les N-pyridyl-pyrazoles, -imidazoles, -pyrroles, -indoles et -amides ont attiré une attention particulière, et plusieurs de ces composés ont trouvé une utilisation dans les domaines biologique et pharmaceutique. Par ailleurs, ils se sont avérés prometteurs comme ligands dans la catalyse par des métaux. Ils peuvent être généralement assemblés de manière simple par des réactions de type Ullmann catalysées par le cuivre. Dans ce chapitre, nous allons essayer d’optimiser la seconde étape de notre réaction séquentielle à partir des dérivés iodés isolés et purifiés obtenus par déprotométallation. Nous partirons de la 3-iodo-4-méthoxypyridine comme substrat de départ.
Optimisation de la réaction de N-arylation avec ligands:
Etude bibliographique:
Les réactions de N-arylation impliquant des halogénopyridines sont moins décrites dans la littérature que celles utilisant des halogénures d’aryle malgré leur réactivité supérieure. Les bromopyridines sont en général plus utilisées que les iodopyridines, probablement en raison de leur coût. Peu d’exemples ont été cités pour la N-arylation d’azoles et de leurs dérivés benzo avec des iodopyridines. L’indole et le pyrrole peuvent être arylés avec la 2-iodopyridine ou la 3-iodopyridine dans le DMSO en présence de CuI et de différents ligands (4-hydroxypipéridines, 8- hydroxyquinaldine, benzotriazole85a) avec de très bons rendements. La N-arylation du benzimidazole avec la 2-iodopyridine en présence de CuI et de 1,10-phénanthroline comme ligand dans le DMF fonctionne avec 90% de rendement.
Résultats obtenus:
Dans le but d’améliorer les rendements de notre séquence déprotométallationiodolyse-N-arylation élaborée au chapitre II, nous avons procédé à l’optimisation de la deuxième étape de cette dernière . Nous avons pour cela choisi le dérivé 3-iodo4-méthoxypyridine (6b1) issu de la déprotométallation-iodolyse de la 4 méthoxypyridine (6a) comme substrat de départ.
Tentatives pour rationaliser les résultats obtenus:
La polarisation de la liaison C-I dans nos substrats iodés peut être déterminée par calcul DFT, mais nous avons utilisé la méthode élaborée par le groupe de Handy,158 basée sur la spectroscopie RMN. Les valeurs de déplacement chimique sont très sensibles aux effets électroniques et peuvent donner une image de l’environnement électronique des différentes parties de la molécule. En comparant les déplacements chimiques des protons du système hétéroaromatique non halogéné parent, nous serons en mesure de classer les différents substrats par ordre de réactivité, selon le principe que plus le proton dans le substrat non iodé est blindé moins la liaison C-I est polaire et plus la réaction de N-arylation est difficile. En nous basant sur les déplacements chimiques RMN obtenus dans le CDCl3 des protons en C3 et C4 des substrats non iodés 5a, 6a, 7a, 10a, 11a et de la pyridine , nous avons pu faire une rationalisation sommaire des résultats obtenus précédemment.
Partie expérimentale:
Modes opératoires:
N-arylation avec ligands:
Dans un tube de Schlenk sous argon sont introduits le substrat iodé (1.2 mmol), l’azole (1.0 mmol), CuI (10 mg, 0.05 mmol), K3PO4 (0.42 g, 2 mmol), la TMEDA (0.015 ml, 0.1 mmol) et le DMF (2 mL), puis le mélange réactionnel est laissé sous agitation pondant 24 h à 120 °C. Après dilution avec AcOEt (10 mL), filtration sur celite® , lavage avec AcOEt et évaporation du solvant, le produit est purifié par chromatographie sur gel de silice.
Séquence déprotométallation-iodolyse-N-arylation:
Dans un tube de Schlenk sous argon sont introduits la 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine (0.25 mL, 1.5 mmol) et le THF (2-3 mL). Le milieu réactionnel est placé sous agitation magnétique, puis le butyllithium (solution 1,6 M dans les hexanes, 1.5 mmol) et, 5 minutes plus tard, le ZnCl2.TMEDA (0.13 g, 0.50 mmol) sont ajoutés successivement à 0 °C. A la fin de l’addition, le mélange est laissé sous agitation pendant 15 minutes à 0 °C. Le substrat (1.0 mmol) est alors additionné au milieu réactionnel à 0-10 °C. Après 2 heures d’agitation à température ambiante, une solution de I2 (0.38 g, 1.5 mmol) dans du THF (4 mL) est ajoutée. Le mélange réactionnel est laissé sous agitation durant une nuit. Le mélange réactionnel est hydrolysé par une solution saturée de Na2S2O3 (4 mL). Après décoloration du milieu réactionnel, la phase aqueuse est extraite par 3 x 20 mL d’acétate d’éthyle. Les phases organiques sont rassemblées et séchées sur sulfate de magnésium puis filtrées. Après évaporation des solvants, le produit brut est mélangé avec l’azole (1.2 mmol), CuI (10 mg, 0.05 mmol), K3PO4 (0.42 g, 2 mmol), la TMEDA (0.015 ml, 0.1 mmol) et le DMF (2 mL), puis le mélange réactionnel est laissé sous agitation pondant 24 h à 120 °C. Après dilution avec AcOEt (10 mL), filtration sur celite® , lavage avec AcOEt et évaporation du solvant, le produit est purifié par chromatographie sur gel de silice.
N-arylation sans ligands:
Dans un tube de Schlenk sous argon sont introduits le substrat iodé (1.0 mmol), Cu2O (14.3 mg, 0.10 mmol), Cs2CO3 (0.65 g, 2 mmol), l’azole (2.0 mmol) et le DMSO (0.5 mL), puis le mélange réactionnel est laissé sous agitation pondant 24 h à 110 °C. Après dilution avec AcOEt (10 mL), filtration sur celite® , lavage avec AcOEt et évaporation du solvant, le produit est purifié par chromatographie sur gel de silice.
Evaluation biologique des produits synthétisés vis-à-vis du mélanome:
Le cancer est une maladie constituant l’une des principales causes de décès dans le monde, dépassant même depuis les années 2000 les maladies cardiovasculaires. Le mélanome est un des trois principaux cancers de la peau avec le carcinome basocellulaire et le carcinome spinocellulaire. Le mélanome se développe à partir des mélanocytes, cellules de la peau responsable de la synthèse de la mélanine. Il ne représente que 4% des cancers cutanés, mais son caractère invasif conduit à une mortalité beaucoup plus importante que les autres pathologies de la peau (80% des décès). Les produits synthétisés dans cette thèse ont été testés pour leur activité antiproliférative du mélanome invasif au laboratoire de La Rochelle par le Dr Laurent PICOT.
Partie expérimentale:
L’activité anti-proliférative des bis-hétérocycles synthétisés a été étudiée dans la lignée cellulaire A2058 (ATCC® CRL-11147), selon le protocole déctrit par Mosmann (test MTT).A2058 sont des cellules hautement invasives épithéliales humaines adhérentes de mélanome, provenant de ganglions lymphatiques, les cellules métastatiques sont obtenus à partir d’un patient de 43 ans de sexe masculin. Ils sont tumorigènes à une fréquence de 100% chez des souris « nude », et considérés comme très résistantes aux médicaments anticancéreux. Toutes les expériences de culture cellulaire ont été réalisées à 37 °C. Les cellules ont été cultivées jusqu’à confluence dans des flacons de 75 cm² dans du DMEM (Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium) avec 10% de sérum de veau foetal (FCS) et 1% de pénicilline-streptomycine (Dominique Dutscher, France), dans une atmosphère humidifiée à 5% en CO2. Les bis-hétérocycles ont été solubilisés dans du DMSO à 10-3 M et dilués dans le milieu de culture cellulaire pour obtenir des solutions à 2.10-5 M. Les cellules confluentes ont été trypsinisées et centrifugées à 1500 g à FCS pendant 5 min. Le surnageant contenant la trypsine a été jeté et la pastille cellulaire a été mise en suspension dans un milieu de culture cellulaire pour obtenir une suspension 4.104 cell.mL-1. A t0, 50 µL de la solution 2.10-5 M de bis-hétérocycles ont été déposés dans une microplaque à fond plat de 96 puits, et 50 µL de la suspension cellulaire ont été ajoutés. Les 2000 cellules ont ensuite été cultivées pendant 72 h dans du milieu de culture cellulaire contenant 10-5 M de bis-hétérocycle. A t = 72 h, 20 µL d’une solution de MTT 5 g.L-1 ont été ajoutés dans chaque puits de la microplaque, ce qui permet des cellules vivantes contenant un mitochondriale succinate déshydrogénase fonctionnel à métaboliser le MTT en sel de formazan bleu correspondant pendant 4 h. Le milieu de culture cellulaire a été éliminé en utilisant un Eppendorf epMotion 5070 pipetage robot (Eppendorf, France) et les cristaux de formazan ont été dissous dans 200 µL de DMSO.
Conclusion Générale:
Au cours de ce travail, nous avons réalisé la synthèse de nombreux hétérocycles en combinant la réaction de déprotométallation par la base Li-Zn, considérée comme un mélange 1:1 LiTMP-Zn(TMP)2, avec la N-arylation catalysée par le cuivre. Dans un premier temps, nous avons obtenu avec de bons rendements des bishétérocycles à partir d’hétérocycles à cinq chaînons avec différents azoles et benzoazoles en utilisant les deux réactions précédentes de manière séquentielle (sans purification des dérivés iodés intermédiaires). Cependant, cette méthode séquentielle appliquée aux méthoxypyridines a donné des rendements faibles et des produits inattendus. Pour celà, nous avons étudié et optimisé par la suite chaque étape de cette séquence.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I : Rappel bibliographique sur les réactions de
déprotométallation et de N-arylation
Partie A : La déprotométallation en série aromatique
Généralités sur la réaction de déprotométallation
Facteurs influençant la réaction d’ortho-métallation
Le choix de l’agent métallant
Les groupes directeurs et l’activation du substrat
Influence du solvant ou d’additifs
Bases bimétalliques
Étude bibliographique
Réactivité des bases ‘ate
Les bases mixtes lithium-zinc
Étude bibliographique
Étude dans notre groupe
Partie B : Réactions de N-arylation catalysées par le cuivre
Mécanisme
Mécanisme AO/ER
Mécanisme de type radicalaire
Conditions expérimentales
Sources de cuivre
Ligands
La base
Solvant
Les substrats
L’électrophile
a. Les halogénures aromatiques
b. Les halogénures hétéroaromatiques
2. Les nucléophiles
CHAPITRE II : Synthèse de bis-hétérocycles par séquence
déprotométallation-iodolyse-N-arylation
Introduction
Métallation des hétérocycles à 5 chaînons
Étude bibliographique
Benzo[b]thiophène
Benzo[b]furanne
Benzothiazole
Benzoxazole
Métallation d’hétérocycles à 5 chaînons par la base Li-Zn
Synthèse de bis-hétérocycles par déprotométallation-iodolyse-N-arylation
Avec des hétérocycles à 5 chaînons
Avec des hétérocycles à 6 chaînons
Conclusion
Partie expérimentale
Généralités
Instrumentation
Chromatographies
Produits chimiques
Conditions opératoires générales
Métallation des hétérocycles à 5 chaînons
Procédure générale
Descriptif des produits synthétisés
Synthèse des bis-hétérocycles
Procédure générale
Descriptif des produits synthétisés
CHAPITRE III : Déprotométallation-iodolyse de pyridines
substituées et rationnalisation des résultats
Introduction
Rationnalisation des résultats
Rappel bibliographique
Calcul théorique des pKa
Métallation des pyridines substituées en C3
3-Bromo-, 3-Chloropyridine
3-Méthoxy-, 3-Fluoropyridine
Métallation des pyridines substituées en C2 et C4
2-Bromo-, 2-Chloropyridine
4-Méthoxy-, 2-Méthoxy-, 2-Fluoropyridine
Métallation des pyridines substituées en 2,6 et 2,3
2,6-Dibromo-, 2,6-Dichloro-, 2,3-Dibromo-, 2,3-Dichloropyridine
2,6-Diméthoxy-, 2,6-Difluoro-, 2,3-Diméthoxypyridine
Conclusion
Partie expérimentale
Déprotométallation des substrats avec 0.5 équivalent de base
Procédure générale
Description des produits synthétisés
Déprotométallation des substrats avec 2 équivalents de base
Procédure générale
Description des produits synthétisés
Déprotométallation des substrats avec 1 équivalent de base
Procédure générale
Description des produits synthétisés
CHAPITRE IV : Optimisation de la réaction de N-arylation des
iodopyridines synthétisées
Optimisation de la réaction de N-arylation avec ligands
Etude bibliographique
Résultats obtenus
Tentatives pour rationaliser les résultats obtenus
Séquence déprotométallation-iodolyse-N-arylation
Réaction de N-arylation sans ligand
Conclusion
Partie expérimentale
Modes opératoires
N-arylation avec ligands (Protocole 1)
Séquence déprotométallation-iodolyse-N-arylation
.a. avec 0.5 équivalent de base (protocole 2)
.b. avec 1 équivalent de base (protocole 2’)
N-arylation sans ligands (Protocole 3)
Description des produits synthétisés
CHAPITRE V : Evaluation biologique des produits synthétisés
vis-à-vis du mélanome
Introduction
Traitement existant du mélanome
Traitements conventionnels
La chirurgie
La radiothérapie
Thérapie adjuvante et immunothérapie
La chimiothérapie
Approches récentes
.a. Inhibiteurs BRAF
.b. Inhibiteurs MEK
.2. Anticorps et immunothérapie
Evaluation des produits synthétisés
Première série
Détermination de l’IC50 du composé 4h
Deuxième série
Conclusion
Partie expérimentale
Conclusion Générale
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