Unravelling the competition between Polar and Radical reactivity of Zinc rEagents : from computational modeling to synthetic methodology

Axe Théorie/Synthèse

Post-doctorat commencé le 1/10/2017.

Laboratoires co-porteurs
Le projet 

L’élémento-métallation d’alcynes suivie d’une fonctionnalisation permet d’accéder à des alcènes substitués, à condition de pouvoir contrôler la régio et la stéréosélectivité des différentes étapes. Pour la silyl-zincation (E = SiR3), ce contrôle peut être obtenu en modulant la nature exacte de l’élément incorporé et des conditions réactionnelles, les additions cis étant obtenues dans des conditions de type « radicalaire » (E = Si(SiMe3)3 ; solvant = hexane) et les additions trans dans des conditions « polaires » (E = SiMe2Ph ; solvant = THF). Néanmoins, les résultats expérimentaux obtenus pour la germanyl-zincation laissent envisager un fort potentiel mais aussi des modèles réactionnels plus complexes, pour lesquels une rationalisation théorique s’avère nécessaire. L’objectif du projet PRIZE est donc de construire, grâce à la modélisation moléculaire, des schémas mécanistiques capables de reproduire et justifier la sélectivité observée, afin de fournir des modèles prédictifs pour le développement de l’outil synthétique.

Une étape de validation méthodologique a été menée pour évaluer la capacité des méthodes de fonctionnelles de la densité de répondre au cahier des charges complexe de l’étude : coût computationnel permettant l’évaluation de mécanismes compétitifs, robustesse dans des situations électroniques à la fois polaire et radicalaire, capacité à reproduire des interactions faibles et stériques. Basées sur des énergies de dissociation homolytique et hétérolytique pour lesquelles des données expérimentales sont disponibles, nos calculs ont montré que si aucune fonctionnelle n’est suffisamment robuste pour décrire simultanément et avec précision les énergies de dissociation polaire et radicalaire, il est possible d’obtenir des tendances fiables au sein de l’un ou l’autre de ces groupes. Il ne sera donc pas possible de comparer quantitativement les mécanismes « polaires » et « radicalaires », mais la sélectivité au sein de chacun d’entre eux devrait être correctement reproduite.

Nous nous sommes ensuite intéressés aux mécanismes et sélectivités pour la silyl-zincation. L’étude de la voie radicalaire nous permet de proposer la formation d’un radical zincique tricoordiné Zn(SiR3)3, pour lequel des chemins pour les 4 produits d’addition décrits ci-dessus ont pu être identifiés. Pour cela, nous avons en particulier invalidé, sur la base de la sélectivité, une hypothèse passant par le transfert de radicaux SiR3 en solution. L’étude de la voie polaire, quant à elle, conclue à la réaction directe du composé zincique Zn(SiR3)2, pour lequel là aussi les 4 chemins conduisant aux 4 produits d’addition ont pu être localisés. C’est ici l’hypothèse d’un zincate qui a été rejetée, au vu d’une réactivité comparable avec les composés zinciques. Ces chemins ont ensuite été déclinés pour une variété de substituants Het (Cl, oxazolidinone, suflure, …) et de nucléophiles (SiR3, R = H, Me, SiH3, SiMe3). Ainsi, il n’est pas nécessaire d’invoquer deux voies réactionnelles pour rationaliser la totalité des résultats obtenus avec les disilylzinc, mais que seul le schéma réactionnel polaire permettait la reproduction de tous les résultats. Une étude détaillée des réarrangements électroniques dans ce schéma réactionnel est en cours pour permettre une meilleure rationalisation de la sélectivité ainsi observée.

En parallèle de l’étude théorique, les études expérimentales sur la germanyl-zincation ont permis des avancées significatives, ouvrant désormais la voie à l’étude théorique. Le protocole opératoire est basé sur la réaction de trois équivalents de germane Ph3GeH avec un dialkylzinc Zn(Et)2. Il a été montré que le digermanylzinc ne se forme pas dans ces conditions, et que l’espèce réactive est une espèce radicalaire. Un schéma réactionnel passant par un radical Zn(GeR3)(Et)2 sera donc envisagé dans la suite de notre étude. L’évaluation du potentiel synthétique de cette réaction ayant mis en évidence une grande versatilité de la sélectivité, à priori en lien avec des interactions faibles Zn….Het, un soin particulier sera apporté à la reproduction de cette sélectivité et à son interprétation.

Mots clés

DFT, mécanismes, sélectivités, polaire, radicalaire, silyl- ou germanyl-zincation

Liste des interventions en séminaire, congrès :
  1. F. Guégan, Mécanismes et sélectivités de la réaction de silylzincation d'alcynes : étude théorique, communication orale, Journées « Théorie, Modélisation et Simulation », Paris, 24-25 mai 2018.F.
  2. Guégan, Theoretical exploration of the radical and polar reactivity of disilylzinc compounds towards alkynes, communication orale, 1st Main Group Metal Chemistry Symposium, Rennes, 20 avril 2018.
  3. F. Guégan, Theoretical exploration of the radical and polar organometallic reactivity of Zn(SiR3)2 compounds towards alkynes, séminaire au LCT, 25 mars 2018.