Fonctionnalisation C-H sélective du furfural et de ses dérivés

Selective C-H Functionalization of Furfural and its Derivatives

• Auteur / Autrice : Alessia Mori
• Direction : Julie Oble
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Moléculaire
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/11/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie moléculaire de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut parisien de chimie moléculaire (IPCM)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Hannedouche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Oble, Corinne Gosmini, Rafael Gramage-doria, Mathieu Sauthier, Giovanni Poli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Corinne Gosmini, Rafael Gramage-doria

Mots clés

Mots clés libres

C-H activation

Furfural

Métal de transition

Biomasse

C-H activation

Furfural

Transition metal

Biomass

Résumé

Le furfural et le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) sont des plateformes renouvelables prometteuses dérivées de la biomasse lignocellulosique, servant de matières premières cruciales pour la production durable de produits chimiques à haute valeur ajoutée. Ces composés gagnent une attention significative en raison de leur potentiel dans la création d'alternatives écologiques aux produits dérivés de la pétrochimie. La fonctionnalisation sélective de ces molécules par activation C−H est un domaine émergent qui suscite un intérêt considérable dans la recherche scientifique. Les substituants stabilisants aux positions C3, C4 et C5 des plateformes furaniques sont essentiels pour améliorer la stabilité chimique et thermique du noyau furane. La fonctionnalisation directe à la position C3 est particulièrement difficile, et encore plus à la position C4, qui reste moins explorée avec moins d'exemples et moins de polyvalence par rapport à la position C5 plus réactive. La borylation C3−H n'a été rapportée que sur les dérivés du furfural substitués en position C5, surmontant la sélectivité naturelle de la liaison C−H en α à l'atome d'oxygène. Nous avons développé une méthode pour réaliser une borylation sélective sous contrôle de ligand à la position C3 ou C5 du furfural non substitué par activation C−H catalysé par iridium. Cette méthode exploite la fonction aldéhyde pour installer une imine en tant que groupe directeur/protecteur, offrant un accès à des réactifs borylés avec une grande polyvalence. Ces réactifs borylés peuvent être utilisés in situ comme partenaires nucléophiles dans les réactions de couplage croisé Suzuki-Miyaura, entraînant des composés hétérobiaryles après l'hydrolyse du groupe imine. De plus, l'installation d'un deuxième groupe directeur en position ortho du nouvel aryle en position C5 ou C3 ouvre la voie à des fonctionnalisations C4−H catalysées au palladium, telles que l'oléfination de Fujiwara-Moritani, pour la formation de plateformes hautement fonctionnalisées. Cette stratégie de fonctionnalisation C3/C4−H est compatible avec le HMF convenablement protégé comme molécule de départ, permettant la synthèse des premiers exemples de furaldéhydes tétrasubstitués. En parallèle, la nécessité de passer des métaux de transition de deuxième et troisième rangs, coûteux, rares et dangereux, à des catalyseurs à base de métaux de transition de premier rang, plus économiques, abondants et moins toxiques, nous a conduits à explorer de nouveaux systèmes catalytiques. Les métaux de transition de premier rang tels que le fer, le cuivre et le cobalt sont non seulement plus abondants et moins toxiques, mais offrent également des profils de réactivité uniques qui peuvent être exploités pour des transformations chimiques durables. Dans ce contexte, nous avons identifié le cobalt comme un candidat idéal pour de nouvelles réactivités sur la plateforme du furfural. Notamment, la fonctionnalisation C-H catalysée par le cobalt sur le noyau furanique du furfural reste inexplorée. Des complexes de cobalt basse valence ont montré une activité novatrice pour la fonctionnalisation sélective des imines aromatiques sans besoin d'agents réducteurs ou d'additifs. À cet égard, nous avons rapporté une nouvelle stratégie pour la fonctionnalisation C-H des furfurylimines utilisant des alcynes inactivés via la catalyse au Co(0) et Co(I). La réaction a conduit à des produits alkenylés en position C5 en présence du groupe protecteur imine. Lorsqu'elle est réalisée sur du furfural non protégé, elle a révélé une nouvelle réactivité. La réaction catalysée par le cobalt se déroule via décarbonylation/fonctionnalisation, conduisant à la synthèse de systèmes hautement conjugués. Le protocole peut être facilement étendu à une variété d'aldéhydes aromatiques. Cette méthode représente un exemple unique de décarbonylation suivie de fonctionnalisation sur le furfural.

Furfural and 5-hydroxymethylfurfural (HMF) are promising renewable platforms derived from lignocellulosic biomass, serving as crucial raw materials for the sustainable production of high-value-added chemicals. These compounds are gaining significant attention due to their potential in creating eco-friendly alternatives to petrochemical-derived products. The selective functionalization of these molecules through C-H activation is an emerging field, attracting considerable research interest. Stabilizing substituents at the C3, C4, and C5 positions of furanic platforms are essential for improving the chemical and thermal stability of the furan core. Direct functionalization at the C3 position is particularly challenging, and even more so at the C4 position, which remains less explored with fewer examples and less versatility compared to the more reactive C5 position. C3-H borylation has only been reported on C5-substituted furfural derivatives, overcoming the natural selectivity for the C-H bond α to the oxygen atom. We have developed a method to achieve ligand-controlled selective borylation at the C3 or C5 position of non-substituted furfural through iridium-catalyzed C-H activation. This method exploits the aldehyde function to install an imine as a directing/protecting group, providing access to borylated reagents with high versatility. These borylated reagents can be used in situ as nucleophilic partners in Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions, resulting in heterobiaryl compounds after the removal of the imine group. Additionally, the installation of a second directing group in the ortho position to the new aryl moiety at either the C5 or C3 position opens the path for palladium-catalyzed C4-H functionalizations, such as Fujiwara-Moritani olefination, leading to the formation of highly functionalized platforms. This C3/C4-H functionalization strategy is compatible with HMF suitably protected as a starting material, enabling the synthesis of the first example of tetrasubstituted furaldehyde. Furthermore, the imperative to transition from expensive, rare, and hazardous second- and third-row transition metals to more economical, abundant, and less toxic first-row transition metal catalysts has driven us to explore new catalytic systems. First-row transition metals, such as iron, copper, and cobalt, are not only more abundant and less toxic but also offer unique reactivity profiles that can be harnessed for sustainable chemical transformations. In this context, we have identified cobalt as an ideal candidate for novel reactivities on the furfural platform. Notably, cobalt-catalyzed C-H functionalization on the furan core of furfural remains unexplored. Simple low-valent cobalt complexes have shown novel activity in selective C-H functionalization of aromatic imines without the need for reducing agents or additives. In this context, we have reported a new strategy for C-H functionalization of furfurylimines using inactivated alkynes via Co(0) and Co(I) catalysis. The reaction led to C5-alkenylated products in presence of the imine protecting group, whereas performing the reaction on unprotected furfural reveals a new reactivity. The cobalt-catalyzed reaction proceeds through a decarbonylation/functionalization pathway, leading to the synthesis of highly conjugated systems. The protocol can be easily extended to a variety of aromatic aldehydes. This method represents a unique example of decarbonylation followed by functionalization on furfural.