Par Floriane MANGIN

Synthèses de nouveaux tensioactifs éco-

compatibles : étude de synthèses catalytiques et
radicalaires en milieu micellaire

Thèse présentée
pour l’obtention du grade
de Docteur de l’UTC

Soutenue le 26 octobre 2015

Spécialité : Génie des Procédés Industriels et du
Développement Durable
D2224
 Ecole Supérieure de Chimie Organique et Minérale /
Université de Technologie de Compiègne

Ecole Doctorale : Sciences pour l’ingénieur

Thèse présentée par

Floriane MANGIN

Pour le titre de Docteur en Génie des Procédés Industriels et du

Développement Durable

SYNTHESES DE NOUVEAUX TENSIOACTIFS ECO-

COMPATIBLES. ETUDE DE SYNTHESES CATALYTIQUES ET
RADICALAIRES EN MILIEU MICELLAIRE

Directeur de thèse :
Pr. Christophe Len

Encadrante :
Dr. Estelle Léonard

Thèse soutenue le 26 octobre 2015 devant le jury composé de :

Montserrat GOMEZ Professeur, Université Paul Sabatier, Rapporteur

Toulouse
Marc PETIT Chargé de Recherche CNRS, Institut Rapporteur
Parisien de Chimie Moléculaire, Paris
Eric MONFLIER Professeur, Université d’Artois, Lens Examinateur
Isabelle PEZRON Professeur, Université de Technologie Examinateur
de Compiègne, Compiègne
Christophe LEN Professeur, Université de Technologie Directeur de thèse
de Compiègne, Compiègne
Estelle LEONARD Docteur, Ecole Supérieure de Chimie
Organique et Minérale, Compiègne
2
A ma famille
A mes amis

3
4
 "Quand on ne sait pas, on ne se pose pas trop de questions,
mais quand on commence à disposer d'un début d'explication ,
on veut à tout prix tout savoir, tout comprendre ."
WERBER Bernard, Les Thanatonautes

5
6
 Remerciements

Ce travail a été réalisé au sein de l’équipe de Transformations Intégrées de la

Matière Renouvelable (Université de Technologie de Compiègne), dirigée par Pr.
André Pauss que je remercie.

Je remercie également l’Ecole Supérieure de Chimie Organique et Minérale dirigée

par Georges Santini pour le financement de ma thèse ainsi que son accueil dans
ses locaux.

Je souhaite également remercier Pr. Montserrat Gomez de l’Université Paul

Sabatier de Toulouse et Dr. Marc Petit, Chargé de Recherche CNRS à l’Institut
Parisien de Chimie Moléculaire, pour avoir accepté de juger ce travail, Pr. Eric
Monflier, de l’Université d’Artois de Lens, pour avoir pris part au jury et Pr. Isabelle
Pezron, de l’Université de Technologie de Compiègne, pour son aide au cours de
ces trois années et ainsi que pour sa participation à ce jury.

Ce travail a été réalisé sous la direction du Pr. Christophe Len. Je le remercie de

m’avoir donné l’opportunité de faire cette thèse dans son laboratoire et d’ainsi
avoir pu acquérir une formation pluridisciplinaire dans le domaine des tensioactifs
et de la chimie verte dans l’eau. Je le remercie également pour les différents
déplacements que j’ai eu l’occasion de faire durant ces trois années, et notamment
le stage en Espagne sous la direction du Professeur Rafael Luque, que je remercie
pour son accueil et son aide durant ce séjour.

Je tiens à remercier tout particulièrement Dr. Estelle Léonard, non seulement pour
son encadrement de tous les instants, sa disponibilité, mais également pour sa
patience et ses encouragements, et pas que… (N’empêche, le 35 ça fait quand
même mal !). Cela m’a permis de mener à bien ce projet, mais aussi de prendre
confiance en mes capacités, même si je sais que j’ai encore du chemin à parcourir !
Et promis, je n’oublierai pas mon nom le jour J !!

Mes remerciements vont également aux personnes ayant, de près ou de loin,

participer à la bonne marche de ma thèse, notamment Caroline Lefebvre, du
Service Analyse Physico-chimique de l’UTC), Pr. Jean-Marie Aubry et son équipe,
de l’Université de Lille Nord, et Pr. Serge Pilard et son équipe, de l’Université de
7
Picardie Jules Verne, sans oublier les membres de l’équipe de l’équipe de recherche
dans laquelle j’ai travaillé et ceux de l’ESCOM, passés et présents. Je pense
notamment aux locataires du bout du couloir (qui pouvait ressembler à un
poulailler à certains moments): Dr. Gwenaëlle Hervé, Dr. Carole Chevrin-Villette et
Dr. Muriel Billamboz, qui sont devenues, au fil de ces trois années, bien plus que
des collègues. Je les remercie pour leur présence, leurs conseils et les bons
moments passés au labo 104 et en-dehors ! C’est sûr, nos fous rires vont me
manquer, tout comme les petits moments de partage de potins. Je remercie
également Dr. Nicolas Thiebault ainsi que Dr. Denis Luart pour leur aide, leur
patience et leurs conseils techniques. Enfin, un grand merci à Nathalie, Diane,
Fabienne, Emmanuelle, Pierre-Yves, Nora, Sandrina, Sylvain, Sophie et France
pour le soutien, les bons moments et les fous rires passés ensemble.

Avant de terminer ces remerciements, une dernière pensée va à l’ensemble des

doctorants et post-doctorants, anciens ou nouveaux. Aux anciens doctorants
(Sarah, Hasret, Nicolas), ce fut un plaisir de passer ces trois années à vos côtés,
même si ce ne fut pas gai tous les jours. Merci également à Clément Carzola et
Audrey Mazière pour leurs conseils et leur aide. Au fait Audrey, si tu as encore
besoin d’un échantillon d’eau de l’Oise (ou d’ailleur) n’hésite pas… Aux nouveaux
doctorants, je leur souhaite bon courage pour mener à bien leurs différents projets,
mais surtout profitez au maximum de ces trois années, ça passe trop vite !

Je ne pourrai pas terminer ces remerciements sans une très grosse pensée à ma
famille et mes amis les plus proches qui ont subi cette thèse, ses bons moments
comme les moins bons, en même temps que moi, sans forcément l’avoir choisi. Ils
m’ont soutenus et encouragés lorsque j’en avais besoin et m’ont permis de me
souvenir qu’il y avait une vie en-dehors des études. Je pense principalement à ma
maman, Michel, mon frère et Mariam, mon grand-père, ainsi que Jérome (j’attends
toujours tes bons petits plats), Orianne, Mathieu, Sarah, Emma, Antoine et Ketsia
et les autres Mono… Tous les moments passés ensembles m’ont permis de me
ressourcer, mais je ne comprends pas comment vous faites pour toujours trouver,
à chaque fois, une région de France encore plus retirée que l’année précédente ?

8
 Résumé

Basé sur les concepts de développement durable et de chimie verte, l’une des alternatives
envisagées par les chimistes, pour une chimie plus propre, est de substituer les solvants
organiques, pouvant être dangereux et toxiques, par des solvants plus verts. L’eau est un
bon candidat pour cette substitution car c’est le solvant le moins cher dans nos contrées,
et le plus sûr : il est non-toxique, ininflammable et non explosif. Afin de palier la faible
solubilité de la majeure partie des composés organiques dans l’eau, les tensioactifs peuvent
être utilisés afin d’améliorer les rendements réactionnels. Les milieux ainsi obtenus sont
difficilement recyclables car ils nécessitent une forte dilution afin de casser les agrégats et
de récupérer les produits. C’est pourquoi, l’utilisation de tensioactifs photo-régulables est
une bonne alternative car il est possible d’organiser/désorganiser les agrégats par
irradiation lumineuse et ainsi récupérer les composés organiques en fin de réaction tout en
recyclant le milieu réactionnel.

Pour cela, nous avons synthétisé trois tensioactifs possédant une fonction azobenzène
(anionique, cationique, non ionique), afin de les tester en catalyse micellaire. Certains de
ces tensioactifs, après en avoir déterminé leurs propriétés physico-chimiques (cmc et
spectre UV-Visible) ont été testés dans une réaction pallado-catalysée : la substitution
allylique de Tsuji-Trost. Nous avons réussi à démontrer l’intérêt d’utiliser un tensioactif
photo-régulable par rapport aux tensioactifs commerciaux en terme de rendement et de
recyclabilité.

D’autre part, la décarboxylation de Barton, décrite pour la première fois en 1983, permet
la formation d’alcanes à partir d’acides carboxyliques en utilisant un dérivé d’étain comme
donneur d’hydrogène. Depuis lors, cette réaction a toujours été utilisée comme étape clé
en synthèse totale de composés naturels et en solvants organiques. De plus, cette réaction
est historiquement réalisée par activation conventionnelle, thermique ou par irradiation
ultra-violette. C’est pourquoi, nous avons décidé d’étudier cette décarboxylation radicalaire
dans l’eau, en présence de tensioactifs et en utilisant des modes d’activation non
conventionnels : les micro-ondes et les ultrasons. De plus, en lieu et place d’étain, nous
avons préféré l’utilisation de N-phénylmaléimide, déjà connu et étudié comme piège à
radicaux, afin d’obtenir des maléimides substitués par des chaînes carbonées. Les
rendements obtenus en milieux micellaires se sont avérés être aussi bons, voire meilleurs
qu’en solvants organiques.

Mots clés : tensioactifs, photochromisme, réaction de Tsuji-Trost, décarboxylation de

Barton, maléimides, milieux aqueux.

9
10
 Abstract

Based on concepts of sustainable development and green chemistry, one of the alternatives
envisioned by chemists is to substitute organic solvents, which can be dangerous and toxic,
for greener solvents. Water is the best candidate for this substitution because it is the
safest and cheapest solvent in our countries: this solvent is non-toxic, non-flammable and
inexplosive. In order to overcome the low solubility of most of organic compounds in water,
surfactants can be used to improve the reaction yields. Media thus obtained are difficult to
recycle because they require high dilution in order to break aggregates and recover
products. Therefore, using photo-switchable surfactants is a good alternative because they
can organize/disorganize by light irradiation. Organic compounds could be recovered after
reactions and the recyclability of the medium can be improved.

For this purpose, we synthesized three surfactants having an azobenzene moiety (anionic,
cationic, nonionic), to test them in micellar catalysis. Some of these surfactants, after
determining their physicochemical properties (CMCs and UV-visible spectra) were studied
in a pallado-catalyzed reaction, the allylic substitution of Tsuji-Trost. We have successfully
demonstrated the value of using a photo-switchable surfactant compared to commercial
ones in terms of yields and recyclability.

In other hand, Barton decarboxylation, described for the first time in 1983, permits the
formation of alkanes from carboxylic acids, using tin derivatives as hydrogen donors. Since
then, this reaction has always been used as a key step in total synthesis of natural
compounds in organic solvents. In addition, historically, this reaction was carried out by
conventional activation (heat or ultraviolet light). Therefore, we decided to study this
radical decarboxylation in water, in the presence of surfactants and using unconventional
activation modes: microwave and ultrasound. Moreover, instead of tin, we preferred the
use of N-phenylmaleimide, already known and studied as a radical trap, to obtain
maleimides substituted by carbon chains. Yields obtained in micellar media were found to
be at least as good as in organic solvents.

Key words: surfactants, photochromism, Tsuji-Trost reaction, Barton decarboxylation,

maleimides, aqueous media.

11
 Sommaire

Remerciements ................................................................................................................. 7

Résumé............................................................................................................................. 9

Abstract .......................................................................................................................... 11

Sommaire ....................................................................................................................... 13

Abréviations ................................................................................................................... 17

Introduction générale ..................................................................................................... 21

Partie I : Bibliographie .................................................................................................... 25

Chapitre I-1 : Les tensioactifs, préparation et utilisations en synthèse micellaire ....................... 25

I. Les tensioactifs .................................................................................................................................... 25
1. Généralités ...................................................................................................................................... 25
2. D’un point de vue chimique ............................................................................................................ 26
Structure ..................................................................................................................................... 26
Tensioactifs anioniques ............................................................................................................... 27
Cationiques ................................................................................................................................. 28
Zwitterioniques ........................................................................................................................... 29
Non ioniques ............................................................................................................................... 29
3. Propriétés et comportement dans l’eau ......................................................................................... 30
4. Utilisations ....................................................................................................................................... 35
II. Les réactions organiques en milieux micellaires .................................................................................. 37
1. Généralités ...................................................................................................................................... 37
2. Tensioactifs utilisés comme réactifs ................................................................................................ 38
3. Synthèses organiques ...................................................................................................................... 41
Estérifications et déshydratations ............................................................................................... 41
Oxydations et réductions ............................................................................................................ 42
Cycloadditions ............................................................................................................................. 44
Substitutions nucléophiles et électrophiles ................................................................................ 46
Formation de liaisons C-C et C-Hétéroatome.............................................................................. 48
Réactions radicalaires ................................................................................................................. 52
III. Conclusion ........................................................................................................................................... 54

Chapitre I-2 : Les tensioactifs photo-régulables, synthèses et applications ................................ 55

13
 I. Photochromisme et chromophores ..................................................................................................... 55
1. Définition ......................................................................................................................................... 55
2. Les chromophores ........................................................................................................................... 56
Rupture de liaison ....................................................................................................................... 57
Création de liaison ...................................................................................................................... 59
Isomérisation et prototropie ....................................................................................................... 61
II. Les azobenzènes .................................................................................................................................. 64
1. Généralités ...................................................................................................................................... 64
Structure ..................................................................................................................................... 65
Propriétés.................................................................................................................................... 66
Mécanisme d’isomérisation ........................................................................................................ 69
2. Synthèse .......................................................................................................................................... 70
Oxydation d’amines primaires .................................................................................................... 71
Réduction de nitrobenzènes ....................................................................................................... 73
Couplage diazo à partir d’un sel de diazonium ........................................................................... 76
Réaction de Mills ......................................................................................................................... 78
Oxydation d’hydrazobenzènes .................................................................................................... 82
Réduction d’azoxybenzènes ........................................................................................................ 84
Autres méthodes ........................................................................................................................ 85
III. Applications ......................................................................................................................................... 87
1. Pigments et colorants ...................................................................................................................... 87
2. Matériaux et tensioactifs................................................................................................................. 89
IV. Conclusion ........................................................................................................................................... 94

Chapitre I-3 : Chimie radicalaire, vers la décarboxylation de Barton dans l’eau ......................... 95
I. La chimie radicalaire ............................................................................................................................ 95
1. Généralités ...................................................................................................................................... 95
2. Stabilité et réactivité des radicaux .................................................................................................. 97
3. En milieu aqueux ........................................................................................................................... 100
II. La décarboxylation de Barton ............................................................................................................ 106
1. Généralités .................................................................................................................................... 106
2. Mécanisme .................................................................................................................................... 108
3. Applications ................................................................................................................................... 110
III. Conclusion ......................................................................................................................................... 116

Conclusion et problématique ..........................................................................................117

Partie II : Tensioactifs photochromiques, synthèses et application à la catalyse micellaire

......................................................................................................................................119
14
 Chapitre II-1 : Synthèse des tensioactifs ..................................................................................119
I. Synthèse d’un tensioactif non ionique .............................................................................................. 120
II. Synthèse d’un tensioactif cationique................................................................................................. 122
III. Synthèse d’un tensioactif anionique ................................................................................................. 124
IV. Vers la synthèse d’un tensioactif zwitterionique ............................................................................... 126
V. Conclusion ......................................................................................................................................... 127

Chapitre II-2 : Études physico-chimiques.................................................................................129

I. Détermination des propriétés tensioactives des azobenzènes ......................................................... 129
1. Méthodes de mesure de la tension de surface ............................................................................. 129
2. Méthode de la lame de Wilhelmy ................................................................................................. 131
3. Etude de l’AzoPEG ......................................................................................................................... 134
4. Etude du BABTMA ......................................................................................................................... 136
5. Etude du BABC............................................................................................................................... 137
II. Vérification du potentiel photochromique des tensioactifs étudiés ................................................. 138
1. Méthode ........................................................................................................................................ 138
2. Etude de l’AzoPeg .......................................................................................................................... 140
3. Isomérisation du BABTMA ............................................................................................................. 143
4. Isomérisation du BABC .................................................................................................................. 146
En milieu eau pure .................................................................................................................... 146
En milieu tampon ...................................................................................................................... 149
III. Points de Krafft et points de trouble .................................................................................................. 152
1. Généralité ...................................................................................................................................... 152
2. Résultats ........................................................................................................................................ 153
a. Etude du BABC .......................................................................................................................... 154
b. Etude du BABTMA ..................................................................................................................... 155
IV. Conclusion ......................................................................................................................................... 157

Chapitre II-3 : Application à la catalyse micellaire ...................................................................159

I. Substitution allylique de Tsuji-Trost ................................................................................................... 159
II. Étude et résultats............................................................................................................................... 159
1. Chauffage conventionnel ............................................................................................................... 160
2. Micro-ondes .................................................................................................................................. 162
3. Étude de la recyclabilité du milieu ................................................................................................ 163
4. Ouverture de la méthode à d’autres substrats ............................................................................. 166
III. Conclusion ......................................................................................................................................... 168

Partie III : Synthèse de nouveaux précurseurs de tensioactifs par voie radicalaire éco-
compatible ....................................................................................................................169
15
 Chapitre III-1 : Optimisation d’une synthèse éco-compatible ...................................................171
I. Etude de la réaction en deux étapes ................................................................................................. 172
1. Optimisation en solvant organique ............................................................................................... 172
2. Influence du solvant sur la réaction radicalaire ............................................................................. 173
II. Mise au point d’une décarboxylation en une étape .......................................................................... 175
1. Influence du solvant ...................................................................................................................... 175
2. Influence du temps de réaction .................................................................................................... 179
III. Etude de différents mode d’activation .............................................................................................. 180
1. Activation thermique..................................................................................................................... 181
a. Tensioactifs base sucre.............................................................................................................. 181
Tensioactifs aromatiques .......................................................................................................... 183
Tensioactifs linéaires ou ramifiés .............................................................................................. 184
2. Utilisation d’une technique alternative : les ultrasons .................................................................. 187
IV. Ouverture à d’autres substrats .......................................................................................................... 193

Chapitre III-2 : Synthèse de nouveaux tensioactifs ..................................................................197

I. Synthèse ............................................................................................................................................ 197
II. Analyses d’un produit ........................................................................................................................ 202

Conclusion.............................................................................................................................207

Conclusion générale .......................................................................................................209

Bibliographie .................................................................................................................213

Partie IV : Partie expérimentale ......................................................................................227

Matériels et méthodes ...........................................................................................................227

Chapitre IV-1 : Synthèse de tensioactifs photo-régulables .......................................................233

Chapitre IV-2 : Substitution allylique de Tsuji-Trost .................................................................243

Chapitre IV-3 : Décarboxylation de Barton, synthèse de nouveaux précurseurs de tensioactifs .251

Annexes .........................................................................................................................267

16
 Abréviations

ATR : Attenuated Total Reflectance CCM : Chromatographie sur Couche

Mince
AZTMA : Bromure de 4-
butylazobenzène-4’-(oxyéthyl)- CMC : Concentration Micellaire
triméthylammonium Critique

AIBN : Azobisisobutyronitrile COSY : Correlation Spectroscopy

AzoPEG : Triéthylène glycol mono(4- CTAB : Bromure de

butylazobenzène) éther cétyltriméthylammonium

BABC : 4-butyl-4'- CTAC : Chlorure de

carboxyazobenzène de sodium cétyltriméthylammonium

BABDMAC : 4-butyl-4'-(N- DBSA : Acide dodecylbenzène

(carboxyméthyl)-N,N- sulfonique
diméthylaminioéthoxy)azobenzène
DCC : Dicyclohexylcarboxydiimide
BABMACA : 4-butyl-4'-(N-
DCM : Dichlorométhane
(carboxyméthyl)-2-N-
méthylaminoéthoxy)azobenzène DEPT : Distortionless enhancement
by polarization transfer
BABOH : 4-Butyl-4’-
hydroxyazobenzène DMAP : 4-Diméthylaminopyridine

BABTGA : Sel de sodium de l’acide 4- DMF : Diméthylformamide

butylazobenzyl-4’-
triazologlucuronique DMSO : Diméthylsulfoxyde

BABTMA : Iodure de 4-butyl-4'-(2- ESCOM : Ecole supérieure de chimie

N,N,N- organique et minérale

triméthylaminioéthoxy)azobenzène
GC : Chromatographie Gazeuse

CAC : Concentration d’Agrégation

HLB : Balance Hydrophilique –
Critique
Lipophilique

17
HMBC : Heteronuclear multiple bond pH : Potentiel d’hydrogène
correlation
RMN : Résonnance Magnétique
HOMO : Highest Occupied Molecular Nucléaire
Orbital
SAPC : Service d’Analyse Physico-
HPLC : High Performance Liquid Chimique (UTC)
Chromatography
SDS : Dodécylsulfate de sodiul
HSQC : Heteronuclear Single
SOMO : Single Occupied Molecular
Quantum Correlation
Orbital
IUPAC : International Union of Pure
T.A : Température ambiante
and Applied Chemistry

TBAB : Tetra-n-butylammonium
IMiD : Interface Milieu Divisée (UTC)
bromide
IR : Infra Rouge
THF : Tétrahydrofurane
LUMO : Lowest Unoccupied Molecular
TMS : Triméthylsilyle
Orbital

UCCS : Unité de Catalyse et Chimie

mCPBA : acide
du Solide (Lille)
métachloroperbenzoïque

UPJV : Université de Picardie Jules

MET : Microscopie Electronique à
Verne
Transmission

UTC : Université de Technologie de

NBS : N-bromosuccinimide
Compiègne
NOESY : Nuclear Overhauser Effect
UV : Ultra-violet
Spectroscopy

Vis. : Visible
PCC : Chlorochromate de pyridinium

PEG : Polyéthylène glycol

18
Unités

°C : Degré Celsius µN/m : MicroNewton par mètre

Å : Angström µS/cm : MicroSiemens par

centimètre
D : Debye
mL : Millilitre
Da : Dalton
mL.min-1 : Millilitre par minute
équiv. : Equivalent
mM : Millimolaire
h : Heure
mmol : Millimole
g : Gramme
min : Minute
g/L : Gramme par litre
mol.L-1 : Mole par litre
J.mol .K
-1 -1
: Joule par mole par
Kelvin nm : Nanomètre

kJ.mol-1 : Kilojoule par mole mN.m-1 : MilliNewton par mètre

MΩ : Mégohm ppm : Partie par million

MHz : Mégahertz W : Watt

µM : Micromolaire

19
 Introduction générale

L’eau est le seul solvant utilisé par la nature pour réaliser toutes les
transformations chimiques liées à la vie.

Pourtant, pendant longtemps, les chimistes ne la considéraient pas comme un

solvant envisageable pour les réactions de chimie organique, mais plus comme un
contaminant qu’il fallait limiter au maximum. En effet, la majorité des composés
utilisés lors de ces réactions sont très peu solubles dans les milieux aqueux, voire
totalement insolubles. D’autres, quant à eux, peuvent être très réactifs en
présence d’eau, comme par exemple les composés organométalliques
(magnésiens, lithiens, sodiques…) ou des bases fortes. Cette forte réactivité de
l’eau, entrainant la destruction des composés de départ et finaux, prédomine, en
général, par rapport à la réaction organique désirée. Tous ces inconvénients ont
incité les chimistes à travailler dans des solvants organiques souvent anhydres. Ce
n’est qu’à partir de 1980 que la chimie dans l’eau prit son essor. En effet, les
travaux de Ronald Breslow,1 portant sur la réaction de Diels-Alder en milieu
aqueux, ont montré que l’utilisation de l’eau comme solvant pouvait avoir un effet
positif sur la sélectivité et la cinétique de la réaction.

Par ailleurs, la prise de conscience collective concernant l’impact néfaste sur la

santé et l’environnement des procédés industriels, et notamment en chimie, a
poussé les industries à modifier leurs façons d’utiliser et de produire de nouvelles
substances.

C’est dans ce contexte, qu’est établit le concept de chimie verte par Paul Anastas
et James C. Warner dès 1998, comme étant « l’invention, le design et l’application
de produits chimiques et des procédés pour réduire ou éliminer l’utilisation et la
production de produits dangereux », définition entérinée par l’IUPAC en 2000.2 Ils

1
Rideout, D. C.; Breslow, R. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7816–7817.

2
Tundo, P. ; Anastas, P., Black D. StC. ; Breen, J. ; Collins, T. Memoli, S. ; Miyamoto, J. ;
Polakoff, M. ; Tumas, W. Pure Appl. Chem. 2000, 72, 1207-1228

21
ont également définit 12 principes, afin que la chimie devienne plus éco-
compatible :3

1. Prévention : il vaut mieux produire moins de déchets qu'investir dans leur

assainissement ou leur élimination.
2. Economie d'atomes : les synthèses doivent être conçues dans le but de
maximiser l'incorporation des matériaux utilisés au cours du procédé dans le
produit final.
3. Synthèses chimiques moins nocives : lorsque c'est possible, les méthodes
de synthèse doivent être conçues pour utiliser et créer des substances
faiblement ou non toxiques pour les humains et sans conséquences sur
l'environnement.
4. Conception de produits chimiques moins dangereuses : ils doivent être
conçus de manière à remplir leur fonction primaire tout en minimisant leur
toxicité.
5. Solvants et auxiliaires moins nocifs : lorsque c'est possible, il faut supprimer
l'utilisation de substances auxiliaires (solvants, agents de séparation...) ou
utiliser des substances inoffensives.
6. Economie d’énergie : les besoins énergétiques des procédés chimiques ont
des répercussions sur l'économie et l'environnement dont il faut tenir compte et
qu'il faut minimiser. Il faut mettre au point des méthodes de synthèse dans les
conditions de température et de pression ambiantes.
7. Utilisation de matières premières renouvelables : lorsque la technologie
et les moyens financiers le permettent, les matières premières utilisées doivent
être renouvelables plutôt que non renouvelables.
8. Réduction de la quantité de produits dérivés : lorsque c'est possible, toute
déviation inutile du schéma de synthèse (utilisation d'agents bloquants,
protection/déprotection, modification temporaire du procédé
physique/chimique) doit être réduite ou éliminée.
9. Catalyses : l’utilisation de réactifs en quantité catalytique est préférable à celle
de réactifs en quantités stœchiométriques. Il faut favoriser l’augmentation de la

3
Anastas, P. ; Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press,
New York, 1998.

22
 sélectivité et la diminution des risques de manipulation et de toxicité par la mise
au point de réactifs et de procédés plus efficaces.
10. Conception de substances non-persistantes : les produits chimiques
doivent être conçus de façon à pouvoir se dissocier en produits de dégradation
non nocifs à la fin de leur durée d'utilisation, cela dans le but d'éviter leur
persistance dans l'environnement.
11.Analyses en temps réel : des méthodologies analytiques doivent être
élaborées afin de permettre une surveillance et un contrôle en temps réel et en
cours de production avant qu'il y ait apparition de substances dangereuses.
12.Minimiser les risques d’accidents : les substances et leur forme utilisées
dans un procédé chimique doivent être choisies de façon à minimiser les risques
d'accidents chimiques, incluant les rejets, les explosions et les incendies.

L’un des piliers de la chimie verte est donc de substituer les solvants organiques,
polluants et dangereux, utilisés dans les synthèses chimiques, par des produits
plus « verts », c’est-à-dire plus sûrs et ayant le moins d’impact possible sur
l’environnement. L’eau est donc devenue le solvant « vert » par excellence, car il
est non toxique, non inflammable et non explosif. Cependant, la solubilité de
certains réactifs reste très faible, limitant leur réactivité. Pour pallier ce problème,
plusieurs stratégies ont été développées, parmi lesquelles l’utilisation d’agents de
transfert de phase, de cyclodextrines ou de tensioactifs.

Mon projet de thèse s’inscrit dans cette problématique qu’est la transposition de

réactions chimiques, existantes en solvants organiques, dans l’eau.

Dans la première partie, en se basant sur des travaux précédemment initiés au

laboratoire, il m’a été demandé de synthétiser des tensioactifs permettant, en
s’organisant dans l’eau, d’améliorer la mise en contact des réactifs. Ces tensioactifs
devaient également permettre le recyclage du milieu réactionnel. Dans cette
optique, l’utilisation de composés photo-régulables pouvant s’organiser et se
désorganiser à volonté a été étudiée.
Dans une deuxième partie, la transposition, dans l’eau, de la décarboxylation
radicalaire de Barton a été étudiée. Cette réaction, très utilisée en synthèse totale,
mais toujours réalisée en solvant organique, permet, entre autre, la synthèse de
nouveaux composés maléimides à partir d’acides gras naturels. Ces composés sont

23
intéressants car ils peuvent être des précurseurs pour de nouveaux tensioactifs
ioniques, géminis ou bolaformes, symétriques ou dissymétriques.

Après un état de l’art sur la synthèse en milieu micellaire, l’intérêt de la photo-

régulation et la chimie radicalaire, nous discuterons de la préparation, de l’analyse
et de l’utilisation des tensioactifs photo-régulables. Puis, la mise au point d’une
nouvelle méthodologie de décarboxylation radicalaire dans l’eau sera présentée,
ainsi que son application à la synthèse d’un nouveau tensioactif.
Enfin, la dernière partie de ce manuscrit sera consacrée aux protocoles
expérimentaux et analyses structurales mis en œuvre.

24
Partie I : Bibliographie
 Partie I : Bibliographie

Chapitre I-1 : Les tensioactifs, préparation et utilisations en

synthèse micellaire

I. Les tensioactifs

1. Généralités

Les tensioactifs, ou agents de surface, sont des molécules ayant la propriété de

diminuer la tension superficielle entre deux phases. Ils sont utilisés dans de
nombreux secteurs en tant que matière première dans la formulation de
détergents, de cosmétiques, en pharmacie et dans les engrais. Ils sont également
présents dans certains procédés industriels comme auxiliaires dans la métallurgie,
le textile, le pétrole, les circuits imprimés et les biotechnologies…1,2

De tous les tensioactifs connus, le plus ancien est sans conteste le savon, mis au
point par les Sumériens à partir de graisse végétale, de cendre et d’argile. Certains
attribuent l’origine de son nom à la ville de Savona, située en Italie, ou au mont
Sapo, lieu de sacrifices d’animaux. Il faudra attendre 1916 pour voir la fabrication,
en Allemagne, d’un tensioactif détergent totalement synthétique, le « Nekal a »
(Figure I- 1).3 La démocratisation et l’apparition de nouveaux tensioactifs de
synthèse se sont faites parallèlement au développement de la pétrochimie durant
le XXème siècle. En 2014, le marché mondial des tensioactifs représentait plus de
33 milliards de US$, soit plus de 15 millions de tonnes de tensioactifs produits
dans le monde et la demande devrait encore augmenter d’environ 2,5% par an
d’ici 2022.4,5

Figure I- 1 : Nekal a® ou Diisopropylnaphtalène sulfonate de sodium

25
 2. D’un point de vue chimique

Structure

Un tensioactif est une molécule amphiphile, composée d’une partie hydrophile

(communément appelée « tête polaire ») et d’une partie lipophile. La tête polaire,
ionique ou non ionique, est constituée d’hétéroatomes (N, O, S…), alors que la
partie hydrophobe est formée d’une ou plusieurs chaines hydrocarbonées, linéaires
ou ramifiées, aromatiques, saturées ou insaturées. Les molécules tensioactives
peuvent également avoir des structures plus complexes de type siliconé, fluoré,
bolaforme, gémini ou polymère (Figure I- 2).

Figure I- 2 : Représentation générale d’un tensioactif

Ces molécules peuvent être classées de différentes façons, en fonction :2,6,7

 de leurs propriétés (émulsifiant, moussant, anti-moussant, mouillant,

détergent ou dispersant) liées à la longueur de la partie hydrophobe,
 de leur solubilité dans les milieux,
 de leur origine naturelle ou synthétique
 de la nature de leur tête polaire (anionique, cationique, zwitterionique et
non ionique).

26
L’une des utilisations courante d’un tensioactif est la mise en contact de deux
phases non miscibles, par dispersion d’une phase dite discontinue dans une phase
continue. Un agent émulsifiant permet la formation d’une émulsion, dispersion de
la phase discontinue, liquide, sous forme de fines gouttelettes dans la phase
continue, liquide également.

Lorsque la phase discontinue est formée de particules solides, le tensioactif est

alors un agent dispersant. La dispersion d’une phase gazeuse dans une phase
liquide est favorisée et stabilisée par des agents moussants. Les tensioactifs ayant
l’action inverse sont appelés agents anti-moussants.

Les agents mouillants permettent la diminution de l’angle de contact entre une

goutte de liquide contenant le tensioactif et une surface. Enfin, les tensioactifs
possédant des propriétés de détergence peuvent s’adsorber sur les salissures afin
de les éliminer.

Nous allons, ici, décrire les tensioactifs suivant la nature de leur tête polaire.

Tensioactifs anioniques

Ces composés sont les plus utilisés industriellement car leur prix de production est
relativement bas. Ils entrent, de ce fait, dans la formulation de détergents. Ils
comportent un groupement ionique (carboxylate, sulfate, sulfonate…) chargé
négativement en phase aqueuse et peuvent être sensibles au pH du milieu.

Carboxylates

Obtenus à partir d’acides faibles, de formule générale RCOO-M+ (M+ : Na+, K+,
Ca2+, R4N+…), ce sont les plus anciens tensioactifs utilisés en industrie et
notamment en détergence, car ils peuvent être obtenus par hydrolyse d’acides
gras naturels. Ils ont l’inconvénient de former des agrégats insolubles dans l’eau
en présence d’ions métalliques.

27
 Figure I- 3 : Stéarate de sodium

Sulfates

Totalement ionisés, de formule ROSO3-M+, ils sont facilement préparés par

sulfatation directe d’alcool en présence d’acide sulfurique. Ils présentent de très
bonne propriétés moussantes et peuvent être utilisés en pharmacie ou dans
l’alimentaire. Cependant, ils sont rapidement hydrolysés en milieu acide et peuvent
être à l’origine d’irritations cutanées ou des yeux.

Figure I- 4 : Dodécylsulfate de sodium

Sulfonates

Totalement ionisés, de formule RSO3-M+, ils sont solubles dans l’eau et sont stables
quel que soit le pH. Ils présentent l’avantage d’être relativement facilement
biodégradable. Ils sont beaucoup utilisés pour l’extraction du pétrole, l’industrie
du textile et les imprimeries.8 Par exemple, le Nekal a, premier tensioactif
totalement synthétique, est obtenu à partir du naphtalène, du propan-2-ol et de
l’acide sulfurique.

Figure I- 5 : Nekal a® ou Diisopropylnaphtalène sulfonate de sodium

Cationiques

Ces molécules, présentant une charge positive en solution aqueuse, sont

généralement des sels d’ammonium (de formule générale RnNH(4-n)+) ou des
ammoniums quaternaires (R4N+) possédant un halogène (Cl-, Br-…) comme contre-

28
ion. Elles sont principalement utilisées comme antiseptiques, désinfectants,
fertilisants ou pour le traitement de surface, et peuvent être associés à des
tensioactifs nonioniques ou zwitterioniques. Cependant, leurs coûts de fabrication
sont généralement plus élevés que ceux des tensioactifs anioniques et non
ioniques. Les sels d’ammonium ne sont stables dans l’eau qu’à des pH acides et
deviennent totalement insolubles pour des pH supérieurs à 7. Par contre, les
composés quaternaires ne sont pas affectés par les changements de pH.

Figure I- 6 : Chlorure de Benzalkonium

Zwitterioniques

Possédant à la fois un groupement anionique et cationique, ces composés sont

relativement stables dans tous les milieux (acides ou basiques), et peuvent être
facilement associés aux autres types de tensioactifs.9,10 Ils sont généralement peu
irritants, ce qui permet leur utilisation dans les produits cosmétiques et d’hygiène.
Les plus répandus sont les bétaïnes et leurs dérivés.

Figure I- 7 : Bétaïne (gauche) et Cocamidopropyle de bétaïne (droite)

Non ioniques

L’hydrophilie de ces molécules est apportée par un ou plusieurs groupements non

chargés, mais fortement polaires comme des éthers, alcools, amides et esters.
Cette partie polaire est généralement polyfonctionnalisée. Ils sont à la fois solubles
dans l’eau et dans les solvants organiques et sont principalement utilisés comme
agents dispersants. Leurs principaux inconvénients sont une solubilité inverse à
haute température, c’est-à-dire qu’ils deviennent insolubles dans l’eau sous l’effet
de la chaleur, à partir d’une température limite appelée « point de trouble ». De

29
plus, ils se trouvent souvent en mélange du fait de la présence de différentes
longueurs de chaînes polyéthylène glycol (PEG).

Figure I- 8 : Triton X-100®

3. Propriétés et comportement dans l’eau

Les tensioactifs sont des molécules qui ont tendance, de par leur structure
chimique, à s’adsorber aux interfaces et aux surfaces.

Une interface étant la séparation entre deux phases non miscibles, lorsque l’une
des phases est un gaz, généralement de l’air, on parle alors de surface.2

Ainsi, la principale propriété des tensioactifs est leur capacité à abaisser la tension
superficielle entre deux milieux (liquide/gaz, liquide/liquide ou liquide/solide),
lorsqu’ils s’adsorbent à leur interface. En effet, en s’adsorbant, ils permettent de
diminuer l’énergie libre des liaisons situées à l’interface en les désorganisant.
L’énergie libre interfaciale, qui est la quantité de travail nécessaire à l’expansion
de l’interface, est alors, elle-aussi, diminuée. Lorsque, par exemple, l’une des
phases est de l’eau, la partie hydrophile de chaque unimer (ou molécule) de
tensioactif s’insère entre les molécules d’eau en brisant les liaisons hydrogène.
Cette désorganisation permet alors aux molécules de tensioactif de s’insérer à la
surface (partie hydrophile dans l’eau et partie hydrophobe dans l’air) et d’en
diminuer la tension de surface. Cette diminution est d’autant plus grande que la
densité de tensioactif adsorbée est élevée. De manière générale, la tension de
surface eau/air est de 72-73 mN.m-1 alors que la tension superficielle entre une
solution aqueuse contenant un tensioactif et l’air varie de 30 à 40 mN.m-1 suivant
l’agent de surface utilisé.2,11

A faible concentration, les molécules en solution auront donc tendance à venir

s’adsorber à la surface. Cependant, au-delà d’une certaine concentration, appelée
Concentration d’Agrégation Critique (CAC) ou Concentration Micellaire Critique

30
(CMC), l’interface est saturée et les molécules tensioactives, fortement
concentrées en solution, vont s’auto-organiser pour former des micelles (de tailles
comprises entre 10 Å et 100 Å) ou des agrégats (Figure I- 9). De plus, c’est
également à partir de cette concentration critique, que le nombre de molécules
libres en solution restera constant. En effet, les assemblages étant dynamiques,
un échange entre les objets formés et les unimers restés en solution aura lieu.12,13

Figure I- 9 : Organisation des tensioactifs en solution en fonction de la concentration et

effet sur la tension interfaciale

La CMC est dépendante principalement de la nature du tensioactif. En effet, si sa

solubilisation dans l’eau dépend de la nature de sa partie polaire, une simple
modification de la chaîne apolaire peut également diminuer de façon drastique la
CMC, ainsi que la nature de l’agrégat formé.11 Le Tableau I- 1 présente quelques
exemples de modification de cette concentration critique en fonction de la partie
hydrophobe : pour une même chaîne apolaire, la modification de la partie polaire
par l’ajout de méthyles entraine une augmentation de la CMC d’un facteur 1.5, la
nature du contre-ion pour une molécule ionique peut également influer. Par contre,
l’influence de la partie apolaire est plus drastique que la molécule soit ionique ou
non : l’ajout d’un méthyle entraine une diminution de la CMC d’un facteur 2 pour

31
les tensioactifs ioniques et d’un facteur 3 pour les non ioniques. Cependant, de
nombreux facteurs extérieurs peuvent modifier la CMC : la température, le pH, la
nature et la concentration de sels…2,11

Tensioactif CMC (mol/L)

C12H25NH3+Cl- 1.47 x 10-2
C12H25N(CH3)3+Cl- 2.03 x 10-2
C12H25N(CH3)3+Br- 1.56 x10-2
C7H15COO-Na+ 4.0 x 10-1
C8H17COO-Na+ 2.1 x 10-1
C10H21(OC2H4)8OH 1.0 x 10-3
C11H23(OC2H4)8OH 3.0 x 10-4
Tableau I- 1 : Modification de la CMC en fonction de la nature du tensioactif

Les forces motrices de l’organisation (ou agrégation) des tensioactifs, lorsque leur
concentration dans l’eau est supérieure à la CMC, sont les interactions attractives
et répulsives entre les molécules de tensioactifs et les molécules d’eau composant
le solvant (forces de Van der Waals : forces de Keesom, Debye et London) : d’un
côté, les chaînes apolaires, et donc hydrophobes, sont repoussées par le solvant
et attirées entres elles, d’autre part, les têtes polaires sont quant à elles attirées
par le solvant dans lequel elles peuvent se solubiliser. De plus, la nature ayant
tendance à favoriser les systèmes nécessitant la plus faible énergie, les molécules
de tensioactifs vont s’organiser en objet respectant cette règle. En effet, dans
l’eau, les interactions entre le solvant et les têtes polaires étant plus faibles que
celles entre les chaînes carbonées et l’eau, les molécules de tensioactifs vont
s’agglomérer en formant des objets possédant une « phase organique interne »
protégée par les têtes polaires.14

Bien que l’organisation des tensioactifs dans l’eau soit un phénomène favorable, la
forme spontanée que prennent ces objets dépend, en autre, de la structure même
de la molécule, et notamment de son volume. En 1976, Israelachvili et Ninham
proposent un modèle permettant de prévoir la structure supramoléculaire à partir
d’un paramètre, appelé paramètre d’empilement p :15

32
 𝑣
𝑝=
𝑎0 𝑙𝑐
où  est le volume occupé par la chaîne hydrophobe, lc est sa longueur maximale
et a0 est la surface maximale occupée par la partie hydrophile. Les différentes
organisations possibles sont présentées dans le Tableau I- 2.

Tableau I- 2 : Relation entre la nature et la structure du tensioactif et son organisation

dans l’eau

Cependant, ces organisations peuvent être bien plus compliquées suivant les
différentes fonctions chimiques présentes sur la molécule, ainsi que la présence
ou non de carbone asymétrique. En effet, ces molécules peuvent former des
nanostructures très organisées telles que des fibres (Figure I- 10), des rubans,
des hélices ou encore des tubes…16

33
 Figure I- 10 : (a) Image d’un assemblage en deux dimensions de fibres de N-
octylgluconamide obtenu par MET, teinté négativement avec 2% de phosphotungstate.
(b) Modèle structural in silico de la quadruple.16,17

Les propriétés des tensioactifs sont directement liées à la nature de leur partie
polaire, mais la structure de la chaîne hydrophobe permet de les moduler. Par
exemple, l’augmentation de la taille entraine une agglomération plus importante
des molécules à l’interface et donc diminue leur solubilité dans l’eau, alors que la
présence de ramification et/ou d’insaturation provoque le phénomène inverse.2
Ainsi, les caractéristiques d’un tensioactif découlent directement de l’équilibre
entre les propriétés de la partie polaire et celles de la partie apolaire. Celui-ci,
appelé HLB pour « Hydrophile-Lipophile Balance », est un concept introduit par
William C. Griffin, et étendu plus tard par John T. Davies, permettant d’évaluer la
tendance d’un tensioactif à former des émulsions, ainsi que leur nature (normale
ou inverse), dans le cas des tensioactifs non ioniques uniquement. Ce paramètre
peut être calculé en fonction de la nature et du nombre de groupements apportant
d’une part de l’hydrophilie et d’autre part de l’hydrophobicité, chacun étant affecté
d’un coefficient, suivant la formule empirique suivante :11

𝐻𝐿𝐵 = 7 + ∑(𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑠 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑝ℎ𝑖𝑙𝑖𝑞𝑢𝑒𝑠) + ∑(𝑐𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑠 ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜𝑝ℎ𝑜𝑏𝑖𝑞𝑢𝑒𝑠)

La valeur obtenue, comprise entre 0 et 40, permet de classifier les molécules

tensioactives suivant leurs propriétés en solution (Tableau I- 3).2,11,18,19

34
 HLB Applications
3-6 Emulsification eau/huile
7-9 Agent de mouillage
8-14 Emulsification huile/eau
9-13 Détergent
10-13 Solubilisant
12-17 Agent dispersant
Tableau I- 3 : Propriétés des tensioactifs en fonction de leur HLB

Pour une solubilisation optimale dans l’eau, le HLB doit être supérieur ou égal à 8.
Les autres molécules, ayant un HLB inférieur à 8, présenteront un caractère
hydrophobique. Dans l’optique de leur utilisation en catalyse micellaire, les
tensioactifs possédant un HLB compris entre 8 et 14 semblent les plus intéressants
afin de solubiliser les produits organiques dans l’eau.

4. Utilisations

Le développement des tensioactifs de synthèse s’est fait parallèlement à la

demande industrielle. En effet, lors de la crise pétrolière des années 1970, les
industries ont cherché à améliorer les processus d’extraction du pétrole brut. Pour
ce faire, elles ont développé des tensioactifs possédant des propriétés
émulsifiantes afin d’améliorer la séparation de tous les constituants des boues de
forage.

Les tensioactifs sont également utilisés dans d’autres secteurs industriels (Figure
I- 11), comme par exemple dans la formulation de peintures ou de décapants en
tant qu’émulsifiant.20,21 Dans ce cas, leurs rôles principaux sont de disperser les
pigments dans les solvants, mais aussi de stabiliser la formulation. Ils entrent
également dans la fabrication des produits phytosanitaires et des engrais. En effet,
leurs principales fonctions, est de permettre aux produits actifs le passage des
membranes cellulaires (des plantes ou des parasites) ou de permettre une
meilleure mouillabilité des feuilles.22–24 Lors de la fabrication de médicaments, les
industries pharmaceutiques s’appuient sur les mêmes propriétés, puisqu’ils

35
permettent l’encapsulation de principes actifs et donc une meilleure vectorisation
de ceux-ci.25–27

Figure I- 11 : Exemples de domaines d’application des tensioactifs

Enfin, leurs propriétés d’auto-assemblage mais également leur caractère

amphiphile rendent les tensioactifs très intéressants en chimie organique. Ils
pourront, notamment, permettre une meilleure solubilisation/dispersion de
composés organiques ou inorganiques dans l’eau. Dans certain cas, ils peuvent
servir de « réservoirs » contenant des réactifs28 ou de réacteur dans lequel les
produits seront formés.

36
II. Les réactions organiques en milieux micellaires

1. Généralités

De nos jours, avec le développement de la chimie verte, les chimistes tentent de

plus en plus de transposer les réactions autrefois réalisées en milieu organique
dans des solvants dits verts, comme l’eau. Les réactifs utilisés étant souvent peu
ou pas solubles en phase aqueuse, plusieurs alternatives ont été proposées pour
remédier à ce problème. Parmi elles, l’utilisation de tensioactifs est l’une des
possibilités. En effet, grâce à leurs propriétés intrinsèques, ils permettent une
meilleure mise en contact de tous les réactifs, voir leur solubilisation totale. Ils
permettent donc, en plus de l’utilisation d’un solvant non toxique et non
dangereux :29

 d’augmenter la cinétique de certaines réactions (en augmentant la

dispersion des réactifs, ils favorisent leur rencontre),
 de diminuer la demande énergétique des réactions (l’augmentation de la
cinétique permet de diminuer le temps et/ou la température de réaction),
 de réaliser une économie d’atome, lorsque le tensioactif entre directement
en jeu dans la réaction en tant que catalyseur,
 de mimer les réactions ayant lieu dans les cellules (biosynthèses et
catalyse).

Cependant, l’organisation des tensioactifs dans un milieu réactionnel peut être

différente de celle observée dans l’eau pure. En effet, les conditions opératoires
(température, concentration, pH, sels…) et la présence, en grande quantité,
d’autres constituants organiques peuvent modifier le comportement de ces
molécules. De plus, afin de favoriser la mise en contact des réactifs, le tensioactif
est, en général, introduit à des concentrations nettement supérieures à la CMC, ce
qui peut également entrainer une modification des objets formés.29

Lors de réactions en milieu micellaire, le choix du tensioactif utilisé est très

important. En effet, le rendement et la cinétique de réaction vont dépendre de la
disponibilité des réactifs, de leur mise en contact et donc de leur localisation dans
la micelle et/ou dans le solvant. En fonction de leur localisation dans la micelle (au
cœur ou proche de la partie hydrophile, dans une micelle classique), les molécules

37
pourront plus ou moins facilement interagir avec les réactifs restés à l’extérieur de
la micelle. Les facteurs électrostatiques et les interactions hydrophobes vont
déterminer le site d’association du composé dans la micelle. Par exemple,
l’augmentation de l’hydrophobicité d’un réactif va entraîner l’augmentation de sa
constante d’association avec le tensioactif, il sera alors localisé au cœur de la
micelle. La réactivité des substrats dépend donc de la nature du tensioactif et des
réactifs.30

De nombreuses réactions peuvent avoir lieu dans l’eau, en présence de

tensioactifs :29,31,32

 des estérifications et des déshydratations,

 des oxydations et réductions,
 des cycloadditions,
 des substitutions nucléophiles et électrophiles,
 des couplages C-C et C-Hétéroatomes,
 des réactions radicalaires.

2. Tensioactifs utilisés comme réactifs

Comme nous l’avons vu précédemment, le tensioactif utilisé lors de réactions

organiques dans l’eau peut posséder un double rôle : solubilisation et mise en
contact des réactifs, mais également celui de catalyseur (acide ou basique),
d’inducteur de régiosélectivité et/ou d’orienteur chiral.29,31–33

L’utilisation d’un tensioactif acide (l’acide perfluorooctansulfonique [PFOSA]), lors

de la réaction de Pictet-Spengler catalysée par le 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-
propanol (HFIP) (Schéma I- 1), en lieu et place de l’acide
trifluorométhansulfonique, permet d’augmenter significativement le rendement
(99% contre 21%). Les auteurs suggèrent que ceci est dû à la formation
d’agrégats entre les substrats et le tensioactif.

38
 Schéma I- 1 : Réaction de Pictet-Spengler catalysée par le PFOSA34

Le tensioactif peut également jouer le rôle de base, comme par exemple le stéarate
de sodium dans la synthèse de spirooxindoles (Schéma I- 2) décrite par Wang et
al. en 2010.35 Il permet la réaction « one pot » entre une isatine, une 1,3-dione et
le malonitrile.

Schéma I- 2 : Synthèse de spirooxindoles en présente de stéarate de sodium

Lorsqu’une réaction peut conduire à plusieurs produits, le choix du tensioactif peut

être déterminant. Par exemple, Dey et al. ont montré, en 2013, qu’il était possible
de discriminer la nitration en position para de composés aromatiques en présence
de SDS et d’acide nitrique.36 Un autre exemple est l’induction stéréosélective lors
de la réduction de céto-esters aliphatiques, en présence d’un catalyseur au
Rhodium, de formiate de sodium comme donneur d’hydrogène et d’un tensioactif
chiral comme ligand (Schéma I- 3).37

39
 Schéma I- 3 : (a) Réaction de réduction de céto-esters ; (b) Tensioactif utilisé

Certains tensioactifs sont élaborés afin d’être de bons complexants pour les ions
métalliques tels que Cu2+, Zn2+, Ni2+ et Co2+, dans le but de mimer les réactions
enzymatiques. En général, ces molécules possèdent également une ou plusieurs
fonctions hydroxyles, car elles seront de très bons nucléophiles, après activation
par l’ion métallique. 33

Il est ainsi possible de réaliser des hydrolyses de nombreux esters (Schéma I-

4), mais également d’hydrogéner des dérivés d’acides aminés insaturés.38–40

Schéma I- 4 : (a) Exemple de réaction mimant les enzymes : hydrolyse en présence de

métallomicelles ; (b) Exemple de catalyseurs tensioactifs pouvant être utilisés dans ces
réactions

40
 3. Synthèses organiques

Estérifications et déshydratations

Nous avons vu précédemment qu’il est possible d’hydrolyser des esters en milieu
micellaire, il est également possible d’en synthétiser. Le principal frein de cette
réaction d’estérification entre un acide carboxylique et un alcool est qu’elle est
inhibée par la présence d’eau. Il est donc nécessaire de supprimer l’eau, au cours
de la réaction, afin d’en augmenter le rendement, ce qui peut se faire, en milieu
aqueux grâce à des tensioactifs. En effet, de par la présence d’une partie
hydrophobe, l’eau formée dans les micelles sera rapidement expulsée vers
l’extérieur. Ainsi, l’équilibre de la réaction sera en faveur de la formation de l’ester
(Figure I- 12).

Figure I- 12 : Principe d’exclusion de l’eau lors d’une estérification

Récemment, cette réaction d’estérification a été décrite par Rajabi et al.41 en

partant de l’acide benzoïque et du méthanol (ou de l’éthanol) en présence d’un
tensioactif, à base sucre, issu d’agro-ressources, le C12MG (N-dodecanoyl-N-
methyl-1-glucamine), avec d’excellents rendements (supérieurs à 80%) alors
qu’elle ne se fait pas dans l’eau seule (Figure I- 13).

Figure I- 13 : Structure de C12MG

41
En appliquant le même principe, il est possible de réaliser d’autres réactions de
déshydratations (éthérifications, thioéthérifications et thioacétalisation) et des
trans-estérifications.42,43

Oxydations et réductions

Les oxydations de composés organiques sont parmi les réactions les plus étudiées
en milieu aqueux, car elles font parties des réactions pouvant s’appuyer sur des
modèles enzymatiques permettant la dégradation de composés toxiques, et
notamment les composés soufrés.31,44,45 La synthèse d’acides sulfoniques et de
leurs dérivés chlorés a été décrite dans l’eau, en présence de peroxyde
d’hydrogène, de trichlorure de phosphoryle et de SDS, à partir de thiol ou de
bisulfite (Figure I- 14). Cette réaction est très sélective concernant le substrat,
puisque qu’en présence d’un alcool, d’une insaturation, d’acétal ou d’oxime, seul
le composé soufré est oxydé. L’utilisation d’un tensioactif d’une autre nature,
cationique (CTAB) ou non ionique (Triton X100), n’inhibe pas la réaction, mais
ralenti la cinétique.46

Figure I- 14 : Synthèse de chlorure et d’acide sulfonique à partir de thiol ou de bisulfite

Cette réaction d’oxydation peut également avoir lieu sur des composés
benzyliques, mais nécessite généralement l’utilisation d’un métal de transition
toxique tels que CrO3, le PCC ou le réactif de Jones. En 2013, Szabo et al.47 ont
proposé une alternative à cette toxicité, par l’utilisation du t-butylhydroperoxyde
(TBHP) en présence d’un sel de Fer(III), tels que FeCl3 ou Fe2(SO4)3, et de SDS
(Schéma I- 5). Les auteurs ont également montré que la longueur de la chaîne

42
hydrophobe du tensioactif influait sur la conversion du substrat : une chaine trop
courte et l’activité catalytique du métal baisse. Ceci est expliqué par une
modification de la structure et de l’organisation de l’oxyde métallique en fonction
de la longueur de la chaîne carbonée.48

Schéma I- 5 : Oxydation en conditions douces de composés benzyliques

Parmi les réactions de réduction de composés organiques réalisées dans l’eau,

celles sur les carbonyles sont les plus étudiées.31,49,50 Nous avons vu
précédemment qu’il est possible de réduire de façon sélective des carbonyles
aliphatiques en utilisant un tensioactif inducteur de chiralité.37,49 L’utilisation d’un
catalyseur chiral hydrophobe ((R,R)-TsDPEN-M) permet, en présence d’un
tensioactif et de formiate de sodium, de réaliser la réduction de cétones
aromatiques dans l’eau, avec d’excellents rendements et sélectivités quel que soit
le métal utilisé (Ru, Rh, Ir) (Figure I- 15).50 L’avantage principal à l’utilisation de
ces catalyseurs est qu’ils sont recyclables au moins six fois, ils peuvent être
réutilisés jusqu’à 21 fois par l’ajout d’un ligand sulfoné soluble dans l’eau.51 Ceci
est dû à l’attraction du catalyseur au niveau de la partie hydrophile du tensioactif.
Il est ainsi, à la fois, à proximité du substrat, situé dans la micelle, et du réducteur,
soluble dans l’eau.

43
 Figure I- 15 : Réduction de cétones : (a) Schéma réactionnel ; (b) Mécanisme proposé
par les auteurs51

D’autres réactions d’oxydation et de réduction en milieu micellaire ont été

étudiées : oxydation de Baeyer-Villiger,52 époxydation,53 déhalogénation,54
réduction de groupements nitro55,56, hydrogénation57,58 ou réduction
enzymatique…59,60

Cycloadditions

De nombreuses références présentent des réactions de cycloadditions dans l’eau

et/ou en présence de micelles. La plupart décrivent la synthèse de composés
polycycliques pouvant servir d’intermédiaire dans la synthèse de composés
naturels ou d’intérêt biologique.29,61–64 A ce jour, la réaction péricyclique la plus
étudiée en milieu aqueux reste la cycloaddition de Diels-Alder.65–69 En 1980,
Rideout et al. décrivent un « effet hydrophobe » permettant d’augmenter la
cinétique de la réaction lorsqu’elle est réalisée dans l’eau.70 Pendant longtemps,
l’ajout d’un tensioactif ne permettait pas de catalyser la réaction. L’effet inverse
était observé : la présence de tensioactif conduisait à une diminution de la
cinétique, dû au fait que le diène et le diénophile ne se trouvaient pas dans la

44
même région de la micelle.33 En 1998, Otto et al. observent que l’utilisation du
Cu(DS)2 comme tensioactif et source d’acide de Lewis permet d’augmenter
davantage la vitesse de réaction entre le cyclopentadiène et des 2-propénones
substituées par rapport à la réaction non catalysée réalisée dans l’acétonitrile
(Schéma I- 6).71

Schéma I- 6 : Réaction de Diels-Alder en milieu aqueux

Dans certains cas, le tensioactif permet d’être sélectif quant au substrat utilisé :
Trentin et al. ont montré que l’utilisation de SDS et d’un catalyseur au chrome
(Cr(salen)Cl) augmente significativement la réactivité d’aldéhydes ,-insaturées
dans la réaction de Diels-Alder avec du cyclopentadiène.67 Le tensioactif peut
également, dans certain cas, conduire à une sélectivité endo-exo, comme lors de
la synthèse de nitrones suivie d’une cycloaddition one pot, en présence de SDS ou
CTAB (Schéma I- 7).72 Cette synthèse ne fonctionne pas ou peu dans l’eau seule
ou dans le méthanol, mais l’ajout d’un tensioactif conduit à un rendement
supérieur à 90%.

Schéma I- 7 : Synthèse de nitrones

45
Il est également possible de réaliser des cycloadditions 1,3-dipolaires, conduisant
à la synthèse de 1,2,3-triazoles, intermédiaires dans des procédés
pharmaceutiques.61,73 Dans ces conditions, le choix du tensioactif permet
d’augmenter la régiosélectivité de la réaction (Schéma I- 8) : l’utilisation d’OGH
et de DTAC entraine la formation majoritaire de l’adduit 1,4 dans le cas d’alcynes
terminaux.61

Schéma I- 8 : Synthèse de triazoles

D’autres réactions de cycloaddition sont réalisables en milieu micellaire comme la

synthèse de quinoxaline,64 de chromano[4,3-c]isoxazoles,63 de chroméno[4,3-
b]chromène62 et la réaction de Pauson-Khand.74,75

Substitutions nucléophiles et électrophiles

Les réactions de substitutions sont très utilisées dans la synthèse de nombreux

intermédiaires réactionnels pour la chimie fine, les produits pharmaceutiques ou
agro-chimiques, et notamment les réactions de Friedel-Crafts.76 Il est donc normal
que ces réactions soient étudiées en milieux aqueux.

Ainsi, en 2003, Triboni et al.77 montrent que l’utilisation d’un tensioactif, pour la
substitution nucléophile d’une fonction nitro par un thiol en milieu eau/acétonitrile
(Schéma I- 9), permet l’augmentation de la cinétique de réaction d’un facteur
4.105. Ils expliquent ce phénomène par l’augmentation de la concentration des
réactifs dans une pseudo-phase micellaire, c’est-à-dire que le milieu réactionnel

46
n’est pas considéré comme une phase homogène, mais comme un système
biphasique constitué d’une phase aqueuse et d’une phase tensioactif organisée.

Schéma I- 9 : Substitution thiolytique de groupement nitro

Les substitutions nucléophiles sur des composés possédant de faibles groupements

partant ne sont possibles que dans deux cas : après leur transformation en
meilleurs groupements partant ou en utilisant des acides forts de Bronsted en large
excès. Pourtant, Shirakawa et Kobayashi décrivent, en 2007, la première
substitution nucléophile déshydrative dans l’eau en présence d’acide
dodecylbenzène sulfonique (DBSA) en quantité catalytiques (10 mol%), jouant le
rôle de tensioactif et de catalyseur acide (Schéma I- 10).78 Cette réaction peut
être transposée à la synthèse de C-glycosides et C-nucléosides.

Schéma I- 10 : Substitution nucléophile catalysée par le DBSA

L’ajout de tensioactifs peut aussi permettre à certaines substitutions électrophiles

d’avoir lieu dans l’eau et d’être compétitives par rapport au solvants organiques
usuels.79 Par exemple, lors de l’acylation de Friedel-Crafts du 1-halo-2-
methoxynaphtalène (Schéma I- 11), l’ajout de CTAB et/ou CTAC au milieu
47
réactionnel permet, d’une part, de réaliser la réaction qui ne se fait pas dans l’eau,
et d’autre part, d’obtenir la même sélectivité et des rendements comparables à
ceux obtenus en solvant organique.

Schéma I- 11 : Acylation de Friedel-Crafts

Les tensioactifs peuvent également conduire à de meilleurs résultats : lors de la

synthèse de benzo[a]phénazines et de naphto[2,3-d]imidazoles (Schéma I-
12),80 l’ajout de tensioactifs permet de faire la réaction en une seule étape, au lieu
de deux habituellement, et améliore le rendement par rapport aux solvants
organiques.

Schéma I- 12 : Synthèse de benzène[a]phénazine

Formation de liaisons C-C et C-Hétéroatome

Les réactions de couplages menant à la création de nouvelles liaisons C-C ou C-R

(R = O, N, S…) sont énormément étudiées et utilisées, notamment en synthèse
totale de composés à forte valeur ajoutée et sont déjà fortement décrites en
milieux aqueux.81–84 L’utilisation de ligands et d’additifs permet de moduler la
réactivité et la sélectivité du catalyseur. Au vu du grand nombre de réactions de
couplages décrites, nous ne nous intéresserons qu’à celles catalysées par du

48
palladium et notamment la réaction de Suzuki et la substitution allylique de Tsuji-
Trost, comme exemples de couplage C-C et C-R.

Suzuki-Miyaura

Cette réaction permet la formation de liaisons C-C par la réaction d’un électrophile
et d’un composé boronique en présence de base, catalysée par du Pd (Figure I-
16).

Figure I- 16 : Cycle catalytique général de la réaction de Suzuki-Miyaura

En l’absence de tensioactifs, la réaction réalisée dans l’eau est très dépendante du

substrat et nécessite des températures élevées. Avec le PTS (sébacate de
polyoxyéthyl -tocophéryl), Lipshutz et Abela ont montré qu’il est possible de
réaliser ce couplage dans des conditions plus douces, grâce à une meilleure
solubilisation des réactifs.85 Ils ont également prouvé que ce système permet la
réaction avec une large gamme de substrats : acides boroniques substitués
réagissant avec des éthers allyliques (Schéma I- 13).86

49
 Schéma I- 13 : Exemples de réaction de Suzuki réalisées en milieu micellaire

Récemment, cette réaction a été décrite sans solvant en présence de tensioactifs

permettant le couplage entre l’acide N-méthyliminodiacétique borate (MIDA) et
des électrophiles halogénés.87

Tsuji-Trost

La réaction de Tsuji-Trost est une réaction pallado-catalysée menant à la

substitution par un nucléophile d’un groupe partant en position allylique.88 Celui-
ci peut être un acétate, un carbonate, un halogène, un phosphate, un ammonium
ou un hydroxyle. Le nucléophile, quant à lui, sera carboné, soufré, oxygéné,
phosporé ou aminé. Cette réaction est principalement utilisée en synthèse totale
afin de créer de nouvelles liaisons C-C, C-S, C-N, C-O et C-P possédant une forte
stéréo-, chimio- et régio-sélectivité.89,90 Cependant, il existe, dans la littérature,
très peu d’exemples présentant cette réaction dans l’eau.82,91

Le cycle catalytique, admis pour cette substitution, comprend cinq étapes (Figure
I- 17): la réduction du Pd(II) en Pd(0) (A), la coordination (B), l’addition oxydante
ou la formation du complexe -allyle cationique (C), la substitution (D) et
l’élimination réductrice (E). L’étape clé est la formation du complexe -allyle qui
50
réagira ensuite avec le nucléophile. Ce complexe étant un électrophile relativement
mou, il sera plus réactif en présence de nucléophiles mous (carbonés et azotés,
pKa(NuH) < 20) qu’en présence de nucléophiles durs (oxygénés ou amides).

Pd(II)
Nu X
1 R R2 A R R2
1

LnPd(0)

E B
Nu X

1 R R2 1 R R2
LnPd(0) LnPd(0)

HX
D C
NuH + Base
1 2 +L 1 2
R R R R
-X
Pd(II) Pd(II)
L L L X

Figure I- 17 : Cycle catalytique de la substitution allylique pallado-catalysée de Tsuji-

Trost pour des nucléophiles mous

Uozomi et al. sont les premiers à décrire, en 1997, un polymère capable d’être
ligand du palladium, permettant ainsi d’obtenir des produits d’allylation avec des
rendements supérieurs à 90% et de recycler le catalyseur 7 fois, par simple
filtration et sans perte d’activité (Schéma I- 14).92,93 D’autre part, Nishikata et
Lipshutz ont montré l’efficacité de leur tensioactif (PTS) dans la substitution
allylique d’alcools primaires, secondaires et tertiaires, avec une excellente
sélectivité pour la formation des produits linéaires.94

Schéma I- 14 : Substitution allylique en présence d’un tensioactif

51
 Réactions radicalaires

Les réactions radicalaires font partie des réactions les moins étudiées dans l’eau
en présence de tensioactifs. Pourtant, ce sont des réactions très courantes dans la
nature. De plus, les radicaux étant majoritairement des espèces neutres, ils ne
sont, en général, pas affectés par la nature du solvant, ni par les espèces acides
ou basiques.95 Ces propriétés rendent les réactions radicalaires très utiles, tout en
permettant de respecter les principes de chimie verte.

Nambu et al.96 sont les premiers à décrire une réaction radicalaire en milieu
micellaire. Ils proposent la synthèse de thioesters et d’amides en présence d’un
initiateur de radicaux de type azo (Schéma I- 15), et montrent que la réaction
n’a lieu qu’en présence d’un tensioactif (l’utilisation d’un agent de transfert de
phase ne permet pas la réaction), et que ce dernier dois être de préférence
cationique. En effet, les tensioactifs non ioniques et anioniques ne permettent pas
d’obtenir le produit désiré avec de bons rendements.

Schéma I- 15 : Synthèse de thioester par réaction radicalaire

Un autre exemple de réaction radicalaire en présence de tensioactif est l’addition

d’iodure d’alkyle perfluoré sur des alcènes (Schéma I- 16).97 Xiao et al. montrent,
ici encore, l’intérêt du tensioactif pour cette réaction qui ne fonctionne pas dans
l’eau seule. De plus, la comparaison avec une réaction en milieu organique
traditionnel (acétonitrile) montre que le tensioactif reste compétitif puisqu’ils
obtiennent les mêmes rendements pour les deux milieux. L’ouverture de la
méthode à des alcynes terminaux permet de conclure quant au large panel de
molécules qui peuvent être obtenues.

52
 Schéma I- 16 : Synthèse d’alkyles perfluorés par réaction radicalaire

Plus récemment, un exemple de couplage pinacolique en présence de tensioactif a

été décrit (Schéma I- 17).28 Cette réaction permet la synthèse de diols à partir
de composés carbonylés, cependant, la principale difficulté est la formation
concurrente des alcools correspondants. Le tensioactif possède donc, ici, une
double fonction : il doit permettre d’obtenir à la fois une bonne conversion des
carbonyles de départ et une bonne sélectivité pour les diols correspondants par
rapport aux alcools.

Schéma I- 17 : Couplage pinacolique

53
III. Conclusion

Les tensioactifs sont très présents dans les produits de grande consommation et
dans différents procédés industriels. Leurs structures, leur production et l’étude de
leurs propriétés sont un enjeu majeur pour les industries et pour la chimie afin de
s’inscrire dans un processus de développement durable. En effet, malgré le nombre
important de molécules tensioactives existantes, il est encore nécessaire d’innover
quant à leurs structures et leurs voies de synthèse. Afin de répondre entièrement
aux principes de chimie verte, leur fabrication doit également les respecter au
maximum. Nous verrons donc dans les chapitres suivants comment les tensioactifs
et leurs synthèses peuvent aussi s’inscrire dans ces principes.

D’un point de vue académique, de par leur caractère amphiphile, les tensioactifs
peuvent solubiliser des composés organiques ou inorganiques, insolubles, dans
une phase aqueuse qui servira de solvant de réaction. Ainsi, l’utilisation de solvants
issus du pétrole pourra être évitée, ce qui permettra la diminution des coûts. De
plus, grâce à leur organisation en micelles (ou en agrégats) ils peuvent jouer le
rôle de chimio-réacteur pour la synthèse avec une application dans un grand
nombre de réactions organiques. Cependant, l’extraction des produits en fin de
réaction nécessite de désorganiser le milieu réactionnel, et cela par l’ajout d’un
grand volume d’eau, ce qui le rend difficilement recyclable. L’idée développée au
laboratoire est d’introduire un chromophore de type azobenzène dans la structure
du tensioactif et d’utiliser ses propriétés d’isomérisation pour organiser et
désorganiser à volonté le milieu réactionnel. Dans le chapitre suivant, la nature
des azobenzènes, leurs propriétés et leurs emplois dans la chimie des tensioactifs
vont être discutés.

54
 Chapitre I-2 : Les tensioactifs photo-régulables, synthèses et
applications

Le principal inconvénient rencontré lors de l’utilisation de tensioactifs comme

additifs lors de synthèses organiques est la récupération des produits en fin de
réaction. Pour cela, avec les tensioactifs conventionnels, une forte dilution du
milieu est nécessaire, ce qui empêche tout recyclage (du milieu réactionnel, mais
également des éventuels catalyseurs). Une solution peut être envisagée :
l’utilisation de tensioactifs s’organisant et se désorganisant en fonction d’un
paramètre contrôlable par le chimiste : le pH,98,99 le potentiel électrique,100 la
température,101,102 le champ magnétique,103,104 ou encore la lumière. Cependant,
le contrôle du pH se fait par ajout d’acide ou de base dans le milieu, ce qui charge
en sels le milieu réactionnel et le rend donc non recyclable. D’autre part,
l’application d’un potentiel électrique entraine une réaction d’oxydo-réduction qui
n’est pas toujours réversible. Des derniers paramètres utilisables, l’impact de la
lumière sur l’organisation des tensioactifs est le plus étudié.

I. Photochromisme et chromophores

1. Définition

Le photochromisme (du grec phos (lumière) et chroma (couleur)) est la

transformation chimique d’une molécule stable thermodynamiquement (A) en son
isomère (B) par l’action d’une irradiation lumineuse. Cette transformation doit être
réversible et non destructrice, la réaction inverse peut être induite par une
augmentation de température et/ou par une irradiation à une autre longueur
d’onde. Les deux molécules possèdent des spectres d’absorption, ainsi que des
propriétés physiques et chimiques différents (Figure I- 18).105 Il existe deux
sortes de photochromismes : positif, si max(A) < max(B), c’est le cas le plus
fréquent, et négatif ou inverse si max(A) > max(B).

55
 Absorbance

200 400 600

Longueur d'onde (nm)

Figure I- 18 : Exemple de spectre UV-visible pouvant caractériser un photochromisme

Bien que cette transformation soit réversible, le nombre de cycles pouvant être
effectués par une même molécule n’est pas infini. En effet, ce phénomène passe
par des ruptures et des créations de liaison(s), ainsi, des réactions secondaires
peuvent avoir lieu, et notamment des réactions d’oxydation.

Plusieurs phénomènes peuvent être impliqués dans les processus de

photochromisme : ouverture/fermeture de cycle, oxydation/réduction,
transposition intramoléculaire, dissociation et isomérisation trans/cis d’une double
liaison. Les plus utilisés étant les réactions péricycliques et les isomérisations, car
les molécules impliquées résistent mieux au phénomène de fatigue, c’est-à-dire
qu’elles ne se dégradent pas ou très peu au cours des divers cycles d’isomérisation.

2. Les chromophores

De très nombreuses molécules présentent des propriétés de photochromisme,

dont les plus étudiées sont :105–108

 les spiropyranes et dérivés,

 les chromènes,
 les spirohydroindolizines,
 les diaryléthènes, fulgides et dérivés,

56
  les composés azoïques et les stilbènes.

Pour toutes ces familles, les principaux mécanismes mis en jeu lors de l’irradiation
lumineuse sont les réactions péricycliques (rupture ou formation de liaison C-O,
C-N ou C-C), la prototropie ou l’isomérisation cis/trans.

Rupture de liaison

Les spiropyranes et dérivés

Cette famille de molécules organiques est caractérisée par la rupture de la liaison

C-O du cycle pyrane, lorsqu’elles sont irradiées à une certaine longueur d’onde
(Figure I- 19).109–111 Elles sont obtenues, en général, par condensation d’un
dérivé de 2-méthylèneindoline en présence de 2-hydroxybenzaldéhyde substitué.

Figure I- 19 : Composés spiropyranes : a) Exemple de molécules ; b) Différents isomères

possibles

Les chromènes

Tout comme pour les spiropyranes, l’irradiation lumineuse de ces molécules

entraine la rupture de la liaison C-O du cycle pyrane, pour mener à quatre isomères
différents : trans/trans, cis/trans, trans/cis et cis/cis (Figure I- 20). Les

57
chromènes sont obtenus par condensation d’un dérivé de diarylpropynol en
présence de naphtol substitué ou non.112

Figure I- 20 : Naphtopyrane et ses isomères ouverts colorés (jaune)

Les spirohydroindolizines

Décrits pour la première fois par Hauck et al. en 1979,113 ces molécules présentent
la rupture d’une liaison C-C sous irradiation lumineuse.114 Sous leurs formes
ouvertes, les spirohydroindolizines sont les seuls composés à s’isomériser
uniquement sous formes chargées (Figure I- 21).115

Figure I- 21 : Ouverture de cycle et isomérisation d’une spirodihydroindolizines (DHI)

58
 Création de liaison

Les diaryléthènes et dérivés

Lors de l’irradiation lumineuse, ces composés présentent les particularités de

former une nouvelle liaison C-C, conduisant à la formation d’un cycle à six centres,
et d’être stables thermiquement quel que soit l’isomère. Cependant, ces molécules
possèdent deux conformations possibles, parallèle et antiparallèle. Seule la
conformation antiparallèle permet une réactivité lors de l’irradiation lumineuse. Il
est donc possible, en forçant la conformation, de contrôler leur réactivité. Pour
cela, il suffit de fonctionnaliser les positions 2 et 2’ des thiophènes :
l’encombrement de ces positions par des isopropyles entraîne une augmentation
de la réactivité, alors que des acides carboxyliques stabilisent la conformation
parallèle ce qui diminue la réactivité (Figure I- 22).116,117

Figure I- 22 : a) Conformations possibles ; b) Exemples de réactions

59
 Les fulgides et dérivés

Ces composés furent synthétisés et décrits pour la première fois en 1911 par Hans
Stobb.118 Tout comme pour les diarayléthènes, le photochromisme des fulgides est
dû à la formation d’une liaison C-C. Les premières molécules étudiées présentaient,
sous leur forme cyclisée, l’inconvénient d’être très sensibles aux réactions
d’oxydations irréversibles (Figure I- 23).117,119

Figure I- 23 : Premier fulgide étudié

Ce n’est qu’en 1981 que les premiers fulgides stables thermiquement ont été
décrits : cette stabilité est expliquée par la présence des méthyles en positions
vicinales sur les atomes de carbone aromatiques formant la liaison.119–122 De
nombreux dérivés ont été étudiés par la suite, comme les fulmigides123–125, les
fulgénolides,119 thiofulgides126 ou les fulgénates (Figure I- 24)…127,128

60
 Figure I- 24 : a) Fulgides et dérivés ; b) Premier fulgide thermiquement stable

Ces propriétés rendent les diarylalcènes et les fulgides particulièrement

intéressants dans des applications impliquant une mémoire optique : appareils
d’enregistrement, commutateurs optiques…128,129

Isomérisation et prototropie

Aniles et dérivés

Ces composés sont formés par condensation d’un aldéhyde et d’une amine
primaire, tous deux aromatiques. Le photochromisme de ces molécules est dû aux
équilibres céto-énoliques, accompagnés d’une prototropie (Figure I- 25).130–133

61
 Figure I- 25 : a) Mécanisme d’isomérisation des aniles ; b) Exemple d’anile

Ces composés ont la particularité de n’être photochromiques qu’à l’état solide. En

effet, lors de la mise en solution des anils, aucun changement de couleur ne peut
être observé après irradiation à 365 nm. De Gaouck et al.134 expliquent cette
observation par la nécessité, pour obtenir un photochromisme, d’une organisation
via des liaisons hydrogène, ce qui n’est possible qu’à l’état solide (Figure I- 26).

Figure I- 26 : Représentation des deux organisations possibles à l’état solide

62
 Les stilbènes et les composés azoïques

Les stilbènes et les azobenzènes sont souvent comparés car ils possèdent une
structure chimique et des propriétés photochromiques comparables : lors d’une
irradiation lumineuse, la double liaison s’isomérise de la forme trans (la plus
stable) vers la forme cis. Pour définir cette isomérisation, deux termes sont
rencontrés : conformation et configuration. Si deux mécanismes de la
littérature,135–137 présentés plus loin, sont en faveur de l’idée de conformation, les
termes mêmes de cis et trans, ainsi que la rupture de liaison possible lors de
l’isomérisation, nous ont conduit à nommer, dans ce manuscrit, cette étape sous
le terme de configuration.

Les azobenzènes présentent l’avantage d’être moins sensibles au phénomène de

fatigue, car leur isomérisation ne s’accompagne pas de réaction secondaire.138 Il
est à noter que ces isomérisations ne sont généralement pas totales : une faible
quantité de résidu trans peut subsister à l’issu de l’isomérisation trans-cis et
inversement.

Les stilbènes, quant à eux, peuvent être oxydés lorsqu’ils sont sous la forme cis,
c’est d’ailleurs l’une des voies de synthèse des phénanthrènes (Figure I-
27).139,140

Figure I- 27 : Exemples d’isomérisation a) d’un azobenzène ; b) du stilbène conduisant à

la synthèse du phénanthrène après oxydation

63
Grâce à leur stabilité et aux nombreuses méthodes permettant leur synthèse en
très peu d’étapes, les azobenzènes, et leurs dérivés, sont parmi les composés
photo-régulables les plus étudiés, tant en recherche fondamentale qu’appliquée.
En effet, comme tous composés photochromiques, leurs propriétés sont différentes
lorsqu’ils sont en configuration cis ou trans : les deux isomères n’ont pas la même
solubilité,141 taille, polarité…142 En effet, ce changement de configuration
s’accompagne d’une modification du moment dipolaire de la molécule. Ainsi, le cis-
azobenzène présente une polarité plus forte que la forme trans, comme l’ont
montré Kenichiro Arai et Yumi Kawabata, en 1995,141 en associant de la
méthylcellulose à des azobenzènes. Ils ont observé, entre autre, une augmentation
de la solubilité, dans l’eau, de leur composé après avoir induit l’isomérisation trans-
cis du groupement azo par une irradiation lumineuse comprise entre 390 nm et
310 nm. Ces molécules peuvent donc être utilisés comme séparateurs de
phase,143,144 être incorporés dans des matériaux photo-activables, comme des
polymères intelligents,145–147 cristaux liquides,148,149 matériaux d’encapsulation150
pouvant être utilisés en pharmacie151,152 ou en catalyse…153,154

De plus, leur photo-inversion n’étant que peu sensible à la nature du solvant, ils
peuvent également être utilisés dans le design de tensioactifs pour diverses
applications dont la fabrication de vésicules photo-régulables155,156 ou encore
comme micelles pour favoriser des réactions chimiques dans l’eau.157,158

II. Les azobenzènes

1. Généralités

La première synthèse d’azobenzène a été décrite, en 1856, par Alfred Noble :159 il
obtient des « feuillets cristallins rouges-jaunâtres » après réduction de
nitrobenzène en présence d’acide acétique et de limaille de fer, suivant la méthode
décrite par Béchamp en 1854.160 Cependant, ce n’est qu’en 1937 que les deux
isomères de cet azobenzène sont observés et isolés.161

L’isomérisation du trans azobenzène se fait facilement par irradiation à une

longueur d’onde comprise entre 320 nm et 380 nm, la réaction inverse est assurée
par une irradiation à une longueur d’onde comprise entre 400 nm et 450 nm. Ces

64
deux transformations sont très rapides, de l’ordre de quelques picosecondes.
L’isomérisation cis-trans peut également être réalisée par chauffage mais elle sera
plus lente, de l’ordre de la milliseconde à plusieurs jours.162

Structure

Comme nous l’avons vu précédemment, les azobenzènes existent sous deux

configurations possédant des propriétés physiques et chimiques différentes :
géométrie, spectre d’absorption UV-Visible, moment dipolaire…

Le trans azobenzène, configuration thermodynamiquement stable, présente des

cycles aromatiques légèrement incliné de 17,5° par rapport au plan C-N=N,163 une
distance entre les atomes de carbone en position par des cycles aromatiques
d’environ 9 Å et un moment dipolaire de 0,5 D.164 Dans sa forme cis, forme
métastable, la distance entre ces atomes n’est plus que de 5,5 Å, les cycles
aromatiques forment alors un angle proche de 56° avec le plan C-N=N, et la
molécule présente un moment dipolaire de 3,1 D (

Figure I- 28).

Les comportements, en solution aqueuse, de ces deux isomères seront donc très
différents : en trans, l’azobenzène sera plus organisé dans l’eau, mais moins
soluble qu’en cis.

Les deux isomères ont une différence d’énergie d’environ 50 kJ.mol-1 à

température ambiante, et l’isomérisation trans-cis nécessite le passage d’une
barrière d’activation d’environ 200 kJ.mol-1.165,166

65
 Figure I- 28 : Modèle simplifié des états de transitions (milieu) et structure des
isomères trans (gauche) et cis (droite) de l’azobenzène

Propriétés

Le spectre UV-Visible de l’azobenzène est caractérisé par trois bandes bien

spécifiques dont les longueurs d’onde et les intensités dépendent de l’isomère
considéré :162,166,167

 vers 230-240 nm se trouve une bande d’intensité moyenne correspondant

aux transitions -* des électrons des cycles aromatiques,
 vers 300-350 nm se trouve une bande de forte intensité (pour l’isomère
trans) correspondant aux transitions -* des électrons délocalisés sur toute
la molécule
 vers 410-450 nm se trouve une bande de faible intensité correspondant aux
transitions interdites n-*, expliquées par la présence des doublets non
liants des atomes d’azote.

66
Lors de l’isomérisation du trans azobenzène, de fortes modifications du spectre
UV-Visible sont observées, principalement dues à la géométrie du composé cis
(Figure I- 29) :

 la bande correspondant aux transitions -* des électrons délocalisés se

décale vers 260-270 nm (effet hypsochrome) avec une forte perte
d’intensité (effet hypochrome),
 la transition n-* devient permise, induisant une augmentation de son
intensité (effet hyperchrome), mais sans changement de longueur d’onde.

Figure I- 29 : Spectres UV-Visible du Trans azobenzène et du cis azobenzène dans

l’éthanol164

La nature des substituants sur les cycles benzéniques peuvent également modifier
le spectre UV-Visible. Il a ainsi été possible de les classer en trois familles : les
azobenzènes, les aminoazobenzènes et les pseudo-stilbènes (Figure I- 30).162,166

Les « Azobenzènes »

Cette famille regroupe tous les composés dont les substituants (alkyle, hydroxyle,
nitro, halogènes, carboxyle, m-amino…) ne modifient pas la nature électronique
des cycles aromatiques. Leur spectre UV-visible est donc similaire à celui de
l’azobenzène non substitué : une bande très intense dans l’UV pour la transition
-*, et une bande de transition n-* plus faible dans le domaine du visible. Ces
composés ne sont pas sensibles à la polarité du solvant et sont, en général, de
couleur jaune.

67
 Les « Aminobenzènes »

Les azobenzènes substitués en ortho ou en para par des groupes électro-donneurs

font partie de cette famille. Les bandes de transitions -* et n-* de ces composés
sont décalées vers le rouge et sont très proches (voire superposées). Etant très
sensible à la nature du solvant, ils peuvent présenter un comportement proche de
celui des composés de type azobenzènes dans un solvant apolaire, alors qu’un
solvant polaire induira un comportement de type pseudo-stilbène. Ces composés
auront tendance à être orangés.

Les « Pseudo-stilbènes »

Ces molécules sont caractérisées par une forte dissymétrie électronique, du fait de
leurs substituants électro-donneur et électro-attracteur en positions 4 et 4’. Ce
système dit « push-pull » se caractérise par l’élargissement de la bande de
transition -* et son déplacement dans la région du rouge, masquant la transition
n-*.

Figure I- 30 : Exemple d’azobenzène des différentes familles : azobenzène (gauche),

aminoazobenzène (4-nitro-4’-hydroxyazobenzene, centre) et pseudo-stilbène (red 1,
droite) et leur spectre UV-Visible dans le THF138

68
 Mécanisme d’isomérisation

Le mécanisme d’isomérisation des azobenzènes est encore très controversé.

Depuis 1941, quatre mécanismes ont été proposés en fonction des substituants
présents sur les cycles aromatiques : rotation, inversion, inversion concertée et
rotation assistée par une inversion (Figure I- 31).135-137,168,169

Figure I- 31 : Mécanismes proposés pour l’isomérisation trans-cis de l’azobenzène

Rotation

La rupture de la liaison  du diazo N=N va entraîner une libre rotation d’un cycle
aromatique autour de la liaison N-N, provoquant uniquement une modification de
l’angle dièdre C-N-N-C (l’angle N-N-C reste à environ 120°).137,168

69
 Inversion

Dans le mécanisme d’inversion, un seul substituant se déplace jusqu’à un angle

N=N-C de 180°, un atome d’azote adopte donc une liaison sp linéaire alors que la
liaison  reste intacte, ainsi que l’angle dièdre C-N=N-C. Il en résulte une inversion
dans le plan de la molécule d’un des phényles en passant par un état de transition
semi-linéaire.135-137

Inversion concertée

Ce mécanisme implique un état de transition linaire dû au déplacement des deux

cycles aromatiques afin d’atteindre des angles N=N-C de 180° chacun.136,137

Rotation assistée

La rotation assistée par une inversion va impliquer simultanément la rupture de la

liaison  de la double liaison N=N, une forte modification de l’angle dièdre
C─N=N─C et un faible changement des angles N=N─C. L’état de transition obtenu
a la particularité de ne présenter aucun moment dipolaire.137,169

2. Synthèse

Les azobenzènes sont des molécules de haut intérêt du fait de leur large panel
d’utilisations en industrie comme en recherche fondamentale. Il n’existe pourtant
que deux stratégies pour les obtenir : la création de la liaison N=N à partir de
synthons indépendants et la modification d’une liaison N-N préexistante.164,170

Pour créer la liaison diazo, plusieurs méthodes sont possibles :

 l’oxydation d’amines aromatiques primaires,

 la réduction de nitrobenzène,
 via un sel de diazonium,
 la réaction de Mills.

Il est également possible d’obtenir des azobenzènes par oxydation

d’arylhydrazines, réduction d’azoxybenzènes, réarrangements (de Wallach, d’urée

70
ou de triazènes), décomposition (d’azides ou d’autres composés) ou réaction en
présence d’un organomagnésien.

Oxydation d’amines primaires

L’oxydation d’amines aromatiques primaires est l’une des routes possible pour
obtenir une grande variété d’azobenzènes symétriques. De nombreux agents
oxydants peuvent être utilisés, les plus fréquents étant KMnO4 en présence de
sulfate de cuivre ou de fer171,172, MnO2173,174, mCPBA175, H3BO4176, t-BuOCl/NaI177
(Schéma I- 18).

Schéma I- 18 : Exemples de dimérisations oxydantes

L’obtention d’azobenzène par oxydation d’aniline a également été décrite en

présence d’un très grand nombre d’oxydes métalliques en quantité
stœchiométrique ou en excès : Ag2CO3/célite,178,179 AgO,170,180 Pb(OAc)4,181,182
Ce(OH)3O2H,183 HgO-I2,184 HgO185 (Schéma I- 19)… Cependant, ces réactions
ayant un mécanisme radicalaire, les rendements sont très dépendants des

71
substituants présents sur les cycles aromatiques, et des produits secondaires sont
souvent observés. Pour toutes ces raisons, et pour une pratique plus éco-
compatible de la synthèse organique, ces méthodes ne sont plus utilisées.

Schéma I- 19 : Dimérisation en présence a) de carbonate d’argent, b) d’oxyde de

mercure et mécanisme

Avec le développement de la chimie verte, de nouvelles méthodes utilisant des

oxydants plus doux, comme H2O2, O2 ou l’air, associé à des oxydes métalliques ou
des sels en quantités catalytiques, ont été développées. Il est donc possible
d’obtenir des azobenzènes avec de très bons rendements (70% à 100%) en
utilisant CuCl,186 CuBr,187–189 Co3O4,190 Au/TiO2,191 Ag/C,192 des complexes ou sels
de lanthanides,193 des péracides iodés194 (Schéma I- 20)…

72
 Schéma I- 20 : Exemples d’oxydations d’anilines a) en présence de CuBr et b) de
péracides iodés

Il est important de noter qu’en présence de 1 mol% de Au/TiO2, sous pression de

dioxygène (5 bar) et dans le toluène ou l’eau, Grirrane et al.191 ont réussi à obtenir
des azobenzènes dissymétriques sélectivement (87% à 100% de conversion pour
80% à 90% de sélectivité) à partir d’un mélange équimolaire d’amines
aromatiques.

Un autre aspect de la chimie verte est de limiter l’utilisation de solvants dangereux.

Ainsi, en 2001, Shaabani et al.195 ont décrit la synthèse d’azobenzènes par
l’oxydation d’amines aromatiques par du KMnO4/CuSO4/Al2O3, sans solvant, avec
des rendements compris entre 70% et 80%.

Réduction de nitrobenzènes

La réduction de nitrobenzène peut également permettre la synthèse

d’azobenzènes exclusivement symétriques. De nombreuses méthodes ont été
mises au point en utilisant, par exemple, les réducteurs usuels tels que LiAlH4
(Schéma I- 21a)196-198 et NaBH4,199,200 mais également des métaux comme le
zinc,201–203 le magnésium204 et le plomb205 en quantité stoechiométrique ou en
excès (Schéma I- 21b et c). Ainsi, en 2003, Srinivasa et al. décrivent la synthèse
d’azobenzènes par réduction de nitrobenzène en présence de plomb et de formate
de triéthylammonium avec des rendements compris entre 86% et 92%.
Cependant, ils observent également la présence d’aniline dans le milieu (à hauteur
de 20%), due à la réduction complète du nitrobenzène.205 La substitution du plomb

73
par du magnésium permet d’éviter la sur-réduction du nitrobenzène, mais entraine
la formation des dérivés hydrazobenzènes.204

Schéma I- 21 : Exemples de synthèses d’azobenzènes par réduction d’un groupement

nitro

D’autres méthodes utilisant des conditions plus douces ont été décrites comme par
exemple, l’utilisation du glucose comme réducteur, en présence de soude, dans
l’eau (Schéma I- 22a). Cette méthode permet, entre autre, d’obtenir, sans étape
de protection/déprotection, des azobenzènes disubstitués par des acides
carboxyliques.206,207 Il est également possible de réaliser cette synthèse
uniquement avec de la soude (Schéma I- 22b).208

Schéma I- 22 : Synthèses d’azobenzène sans métaux

74
Il existe très peu de synthèses d’azobenzènes par réduction de nitrobenzène en
présence d’une quantité catalytique de réducteur. Il est pourtant possible d’utiliser
des métaux de transition supportés, ou organisés, permettant, d’une part
l’optimisation de l’utilisation du catalyseur et d’autre part de faciliter le recyclage.
En effet, des réductions catalysées par du palladium,209,210 du platine,211 du
ruthénium212 ou de l’or213,214 ont déjà été décrites. Ainsi, Liu et al. décrivent la
réduction de dérivés de nitrobenzènes par de l’or déposé sur des hydrotalcites* de
Mg4Al (Schéma I- 23a).213 L’activité catalytique de ces métaux peut également
être améliorée par une organisation spécifique des nanoparticules : synthèse
d’azobenzène en présence de platine sous forme de nanotubes211 et de palladium
organisé en agglomérats ressemblant à des vers.209 Il est également possible de
les associer à des techniques alternatives comme les ultrasons,216 la photochimie
(Schéma I- 23b)217,218 et l’électrochimie.219

Schéma I- 23 : Exemple de catalyse métallique

Cependant, lors de la mise en réaction d’un mélange de composés nitro, il est

difficile d’obtenir sélectivement le composé dissymétrique. En effet, les méthodes
mises au point pour la synthèse d’azobenzènes symétriques conduisent dans la
majorité des cas à un mélange d’azobenzènes symétriques et non symétriques.220
L’une des solutions pour limiter ces mélanges est de mettre l’un des réactifs en
excès.213 Pourtant, en 2011, Hu et al.209 décrivent une méthode permettant la

*
L’hydrotalcite est un hydroxycarbonate de magnésium et d’aluminium, structuré en
feuillets de cristaux octaédriques d’hydroxyde métalliques séparés par des molécules d’eau
et des ions carbonates.215

75
synthèse sélective d’azobenzènes dissymétriques utilisant des nanoparticules de
palladium et du dihydrogène dans le p-xylène (Figure I- 32).

Figure I- 32 : A,B) Images MET des nano-Pd209 c) Synthèse sélective d’azobenzènes

dissymétriques

Couplage diazo à partir d’un sel de diazonium

La synthèse d’azobenzène via un sel de diazonium est l’une des méthodes les plus
utilisées afin d’obtenir des composés dissymétriques. En effet, elle permet, entre
autre, la préparation de polymères,221,222 de cristaux liquides223,224, de gels225,226 ou
de pseudo-stilbènes.227,228

Cette méthode met en jeu un sel de diazonium, obtenu à partir d’une amine
primaire aromatique, et un dérivé phénolique ou aminé. En général, la formation
du diazonium est réalisée par réaction d’une amine avec de l’acide nitreux généré
in situ par du NaNO2 en milieu acide (Schéma I- 24a).225,229–231 Bien que cette
réaction conduise à différents azobenzènes avec de très bons rendements, elle est
très sensible au pH, et notamment lors de la deuxième étape (la réaction du
diazonium avec le dérivé phénolique ou aminé). Celle-ci devra être réalisée en
milieu légèrement basique pour les phénols231 (Schéma I- 24b) et acide pour les
amines232 (Schéma I- 24c), afin d’assurer une bonne solubilité des réactifs et
donc un contact optimal entre eux.

76
 Schéma I- 24 : Mécanisme de formation d’un sel de diazonium(a) et couplages
diazoïques (b, c)

L’acide nitreux généré in situ peut également être remplacé du tétrafluoroborate

de nitrosyle233,234, du nitrite d’isoamyle en milieu acide (HCl/Acide acétique)235 ou
associé à un acide de Lewis (BF3.Et2O)236 ou du nitrite de tertiobutyl en présence
de BF3.Et2O.237 Par exemple, la première étape de la synthèse de molécules
complexes, possédant une partie azobenzène, utiles pour la fabrication de films
fins photochromiques a été décrite par Snell et al. par couplage diazoïque en
présence d’un tel acide de Lewis (Schéma I- 25).236

Schéma I- 25 : Exemple de couplage avec BF3.Et2O

Enfin, il est possible d’utiliser une résine modifiée, la Montmorillonite K-10,

contenant des ions métalliques Cu2+, Fe3+ et Zn2+, qui associée à NaNO2, permet

77
la synthèse de sels de diazonium (Schéma I- 26a).238 Une autre résine,
l’Amberlyst (polystyrène macroporeux fonctionnalisé par des acides sulfonates ou
des groupes tétraalkylammonium) peut également supporter une partie des
intermédiaires, ici un diazonium (Schéma I- 26b).239

Schéma I- 26 : Couplage diazoïque sur support solide

Réaction de Mills

La réaction de Mills est le couplage d’un dérivé nitroso, obtenu par oxydation d’une
aniline aromatique, avec une autre aniline, en milieu acide.240 Cette méthode est
également très employée pour la synthèse d’azobenzènes dissymétriques, bien
que peu d’oxydants différents aient été décrits dans la littérature afin d’obtenir les
composés nitroso à partir d’amines primaires aromatiques :241 l’Oxone®,242–247 le
mCPBA (Schéma I- 27),248–250 l’acide peracétique,251 le permanganate de
potassium252 et l’acide peroxyformique.253

78
 Schéma I- 27 : Synthèse d’azobenzène après oxydation d’aniline par du mCPBA250

Le réactif majoritairement utilisé pour cette étape d’oxydation reste l’Oxone®, un

mélange de trois sels stables de potassium : 2KHSO5.KHSO4.K2SO4. En effet,
comme l’ont montré Beate Priewisch et Karola Rück-Braun en 2005,254 lors de leur
étude de différents oxydants (H2O2 en présence de catalyseur métallique ou
Oxone® seul), les catalyseurs métalliques (oxyde de rhénium (MTO), tungstate et
oxyde de sélénium) ne permettent pas l’oxydation sélective de l’amine et
conduisent généralement à un mélange de composés nitroso, d’azoxy et/ou de
nitro (Schéma I- 28a). Seule l’utilisation de l’Oxone® permet d’obtenir le composé
nitroso selectivement, entre 60% et 100%. Cependant, le nitroso étant très soluble
dans l’eau, il est nécessaire de l’en extraire dès sa formation, afin qu’il ne soit pas
suroxydé par l’Oxone® restant dans l’eau. C’est pourquoi, la réaction est réalisée
en milieu biphasique dichlorométhane/eau (Schéma I- 28b). L’utilisation d’un
oxyde de molybdène en présence de H2O2 permet également d’obtenir le
nitrosobenzène, mais avec un rendement faible de 27%.246

79
 Schéma I- 28 : Oxydations d’aniline en présence a) d’un catalyseur métallique et b)
d’Oxone®

Il est également possible de réaliser cette oxydation d’aniline en composé nitroso

par irradiation lumineuse en utilisant des nanoparticules de platine déposées sur
TiO2 P-25 (cristallinité : anastase et rutile), en présence d’O2.255 Le catalyseur peut
ensuite être récupéré par simple centrifugation. Mais durant cette réaction,
l’azobenzène non substitué se forme à hauteur de 10% (Figure I- 33).

80
Figure I- 33 : Oxydation d’aniline par du platine : a) Réaction mise en jeu ; b) Structure
du support solide ; c) Mécanisme proposé par les auteurs255

La réaction de couplage entre le composé nitroso et l’aniline aromatique,

conduisant à l’azobenzène correspondant, est réalisée, généralement, en milieu
acide acétique, en présence ou non d’un co-solvant. Récemment, Rijeesh et al.256
ont décrit ce couplage en présence d’une base forte, le t-BuOK, pour la synthèse
de dimères d’azobenzènes prochiraux, avec un rendement relativement faible de
21% (Schéma I- 29).

Schéma I- 29 : Synthèse de diazobenzènes par couplage en milieu basique

D’autres méthodes ont été mise au point pour former les composés nitroso à partir
de dérivés nitro aromatiques. Cette réaction se fait le plus souvent en deux étapes,
mais peut être réalisée en « one pot » en utilisant, dans un premier temps, du

81
zinc(0) pour réduire le groupement nitro, suivie d’une oxydation par FeCl2257 ou
par t-BuOCl258 (Schéma I- 30).

Schéma I- 30 : Synthèse d’azobenzènes à partir de nitro aryle : a) oxydation par FeCl3 et

b) oxydation par t-BuOCl

Oxydation d’hydrazobenzènes

Les hydrazobenzènes peuvent assez facilement être oxydés en azobenzènes par

MnO2,259,260 CuBr,187,189 Pd(OAc)2,261 TiCl3/HBr…262 en présence de peroxyde
d’hydrogène ou de dioxygène.

Il est également possible d’utiliser NaNO2 associé à du NaHSO4/SiO2 ou d’anhydride

acétique comme l’ont décrit Li et al. en 2002 et 2004.263,264 Cette réaction présente
l’avantage de ne produire aucun sous-produit et les azobenzènes sont obtenus
avec de très bons rendements, compris entre 82% et 95% (Schéma I- 31).
Cependant, les auteurs n’ont décrit ces méthodes que sur des substrats
symétriques.

82
Schéma I- 31 : Synthèse d’azobenzène par déshydrogénation d’hydrazine en présence de
NaNO2

Le N-bromosuccinimide (NBS) est une bonne alternative lors de l’oxydation

d’hydrazobenzènes non symétriques. Il peut être associé à des liquides ioniques
(Schéma I- 32a),265 mais est généralement utilisé en présence de pyridine.266–268
Ainsi, les hydrazines obtenues par une synthèse de type Buchwald-Hartwig, entre
une hydrazine protégée par un groupement Boc et un halogénure aromatique,
catalysée par du palladium, peuvent être oxydées dans la pyridine en présence de
NBS (Schéma I- 32b).

Schéma I- 32 : Synthèse d’azobenzènes symétriques et dissymétriques par oxydation

d’hydrazine en présence de NBS

La synthèse d’azobenzène à partir d’une N,N-di-Boc-hydrazine peut également

être réalisée en utilisant du carbonate de césium en présence d’iodure de cuivre
(Schéma I- 33).269 Cette oxydation n’est, en effet, pas possible dans les
83
conditions conventionnelles (utilisation du NBS dans la pyridine) car elle conduit à
la rupture de la liaison N-N pour donner les amines aromatiques correspondantes.

Schéma I- 33 : Oxydation d’aryle hydrazine par Cs2CO3 et mécanisme proposé par les
auteurs269

Réduction d’azoxybenzènes

La réduction d’azoxybenzènes permet d’obtenir relativement facilement les

azobenzènes correspondants. Pour cela, différents réducteurs métalliques peuvent
être utilisés comme LiAlH4,270 Ru/C,212 RuCl3,271 des complexes AuI-IrIII…272 Cette
réaction peut également être réalisée en l’absence de tout métal, l’utilisation de la
soude seule208 ou associée à des levures de boulanger273 sont des méthodes
alternatives très efficaces (Schéma I- 34).

Schéma I- 34 : Réduction d’azoxybenzènes en présence de levures de boulanger (L.B.)

84
Le réarrangement de Wallach est également un très bon moyen d’obtenir des
azobenzènes à partir d’azoxybenzènes.274 Cette réaction est généralement réalisée
en présence d’un acide fort tel que H2SO4275 ou des résines acides (Schéma I-
35).276

Schéma I- 35 : Réarrangement de Wallach : a) Mécanisme ; b) Exemple

Autres méthodes

D’autres méthodes permettent l’obtention d’azobenzènes, symétriques et non

symétriques : des réarrangements/décompositions d’urées277 et de triazènes,278,279
des couplages de sels de diazonium avec des composés organométalliques280 ou
des réactions d’aryles hydrazines et de quinones.281–284

Les triazènes peuvent donc subir, des réarrangements suivant un mécanisme en

trois étapes (mécanisme de Friswell-Green) pour conduire à un mélange
d’azobenzènes (Schéma I- 36a) :278,285 le p-aminoazobenzène, majoritaire, et l’o-
aminoazobenzène. Sous l’action d’une irradiation lumineuse, ils peuvent
également être décomposés via un mécanisme radicalaire (Schéma I- 36b).286

85
 Schéma I- 36 : Réarrangements et décomposition de triazène

La réaction entre une quinone et une hydrazine permet, également, la synthèse

d’azobenzènes complexes. Ainsi, Chawla et al.284 parviennent à fonctionnaliser des
calix[4]arènes par un groupe 2,4-dinitrophénylazo, avec des rendements modérés
(entre 50% et 60%), par réaction, en milieu acide, de calix[4]arènediquinone en
présence de 2,4-dinitrophénylhydrazine (Schéma I- 37).

Schéma I- 37 : Fonctionnalisation de calix[4]arène par un azobenzène

86
III. Applications

Du fait de leur forte coloration, les azobenzènes sont très utilisés en tant que
pigments. Cependant, de nombreuses molécules portant un motif azobenzénique
présentent une importante toxicité, et peuvent être mutagènes. Pourtant, grâce à
une fabrication peu coûteuse et à leurs propriétés, ces composés sont encore
utilisés dans des peintures et autres colorants.

La deuxième grande utilisation de ces molécules provient de leur propriété

d’isomérisation contrôlée par une irradiation lumineuse. Leur grande stabilité
permet leur utilisation dans des matériaux photocontrôlables. En fonction de leur
substitution, ces composés azoïques peuvent également présenter des propriétés
d’auto-assemblage contrôlables intéressantes pour la vectorisation de principe
actifs, l’encapsulation ou encore comme chimio-réacteurs photo-régulables.

1. Pigments et colorants

Historiquement, les pigments et les colorants étaient directement extraits du

milieu naturel, minéraux, plantes ou animaux. Leurs coûts de production
diminuèrent grâce à l’introduction de colorants synthétiques dès le 19ème siècle,
avec la découverte de la mauvéine par William Henry Perkin en 1856 (Figure I-
34).287

Figure I- 34 : Portait de Sir Perkin (gauche), mauvéine (haut, droite) et sa structure

(bas, droite)

87
Les azobenzènes sont parmi les molécules les plus représentées dans les pigments,
grâce à leur facilité de préparation, à leurs faibles coûts de productions et surtout
grâce à leur résistance à la lumière et à la large palette de couleurs disponibles.
En effet, en fonction de leur substitution, ils présentent des couleurs très
différentes (Figure I- 35). Ainsi, ils pourront être rouges ou oranges, couleur
fréquente pour ce type de composés, mais également bleus, verts ou noirs.288

Figure I- 35 : Exemple de pigments azoïques

Ces composés entrent dans la formulation des encres d’imprimerie, des peintures,
mais également dans certains produits alimentaires. De par leur stabilité
thermique, certaines molécules peuvent être utilisées dans les matières
plastiques,289 tandis que d’autres, étant sensibles au pH, serviront d’indicateurs
colorés. Par exemple le rouge de méthyle est de couleur rouge lorsqu’il est en
solution à pH < 4,4 et jaune à pH > 6,2. Le même phénomène est observé pour
l’héliantine, dont la zone de virage se situe 3,2 < pH < 4,4 (Figure I- 36).

88
 Figure I- 36 : Structures a) du rouge de méthyle et b) de l’héliantine

2. Matériaux et tensioactifs

De nos jours, la recherche concernant les azobenzènes s’attache à trouver de

nouvelles applications en s’appuyant sur leurs propriétés d’isomérisation contrôlée
par la lumière. Le premier secteur s’intéressant à ces molécules est celui des
matériaux « intelligents », plus ou moins complexes et s’inspirant de la nature.
Ainsi il est possible de fabriquer des ascenseurs moléculaires,290,291 des
nanovéhicules292 ou encore des molécules mimant, lors des isomérisations
successives, les mouvements de papillons293,294 ou de ciseaux295,296 (Figure I- 37).
Tous ces matériaux peuvent être utilisés dans le stockage de données,297 comme
complexant d’ions métalliques ou comme interrupteurs…

89
 Figure I- 37 : Exemple de dispositifs contenant un motif azobenzène : nanovéhicule
(haut) et capteur d’ions césium (bas)

Ces molécules, construites autour d’un ou plusieurs azobenzènes, peuvent

également être utilisées dans des systèmes biologiques. Leur association à des
chaînes peptidiques ou des acides nucléiques permet de modifier, en fonction de
leur configuration, les structures secondaire et tertiaire de ces assemblages et
donc réguler leurs propriétés et leurs activités.151 La présence d’un azobenzène
pourra également permettre la création de sondes pour la détection de
biomolécules et ainsi comprendre certains mécanismes enzymatiques.298

Enfin, les motifs azobenzènes peuvent être incorporés dans des composés
amphiphiles. Leur propriété de photo-isomérisation permettra de moduler leurs
paramètres physico-chimiques et donc de modifier leur tension superficielle, leur
organisation en solution, leur viscosité et la stabilité des phases.299 Ainsi, il est
possible de fabriquer des molécules gélifiantes, comme l’ont décrit, pour la
première fois, Kobayashi et al.300 en 2002, lorsqu’ils ont associé deux têtes polaires
90
de type sucre reliées entre-elles par un azobenzène (Figure I- 38). Depuis, de
nombreuses études ont été menées sur ce type de molécules permettant la mise
au point de composés plus ou moins complexes possédant des propriétés
différentes comme la séparation de phase, la séparation par gélification d’un type
de solvant (polaire/non polaire, organique/aqueux).301 Ces molécules sont
particulièrement intéressantes car elles peuvent être utilisées dans le domaine
médical pour le transport ou le stockage de molécules,302–304 mais également
comme dépolluants,279 capteurs…283,305,306

Figure I- 38 : Premier gélifiant comportant un azobenzène

Une autre application, basée sur les différences structurales entre les isomères
trans et cis des azobenzènes, consiste à extraire des composés solubles dans l’eau
par augmentation de leur solubilité dans les solvants organiques. Ainsi, en 2014,
Peng et al.307 ont décrit le transfert de phase de nanoparticules d’or de l’eau vers
le toluène. Pour cela, ils s’appuient sur le phénomène « host-guest » en associant
des -cyclodextrines (oligosaccharides cycliques composés de six unités)
imprégnées sur les nanoparticules et un tensioactif azobenzénique capable de
s’insérer dans la cavité de la cyclodextrine sous sa forme trans (Figure I- 39).

91
 Figure I- 39 : Transfert de phase de nanoparticules. a) Molécules utilisées, b) Principe
« Host-Guest », c) Application aux nanoparticules d’or307

En utilisant à la fois les propriétés d’auto-assemblage des tensioactifs et de photo-

isomérisations des azobenzènes, il est possible d’augmenter la solubilité dans l’eau
de composés insolubles. Les molécules utilisées dans ce cas intègrent un motif
azobenzénique entre leur partie polaire et apolaire. De ce fait, en trans, ces
molécules seront linéaires, et leurs propriétés amphiphiles seront prédominantes,
elles auront donc tendance à s’organiser. Par contre, sous leur configuration cis,
cette organisation sera défavorisée, la concentration d’unimers en solution
augmentera du fait de la destruction des objets. Ainsi, tout composé piégé dans
ces agrégats pourra être solubilisé ou non dans le milieu, en fonction de la longueur
d’onde d’irradiation utilisée. Ce phénomène, réversible et non destructif, a été
présenté pour la première fois en 2001 par Orihara et al.308 avec l’utilisation d’un
92
azobenzène cationique, l’AZTMA, dans le but de solubiliser des substances
huileuses (Figure I- 40a). Ce processus est encore très étudié, notamment dans
la capture et le relargage de composés pharmaceutiques309,310 ou en synthèse
organique (Figure I- 40b).158

Figure I- 40 : Principe de capture/relargage de composés organiques par des agrégats

photorégulables (a) et utilisation en synthèse organique (b) en milieu aqueux

93
IV. Conclusion

Les azobenzènes font partie de la grande famille des chromophores, c’est-à-dire

qu’une irradiation lumineuse en provoquera une modification structurale. Ils ont la
particularité d’être isomérisables, ce qui leur permet de ne pas être sensibles aux
phénomènes de « fatigue » : les isomérisations successives de la forme trans à la
forme cis et les retours cis-trans peuvent être réalisées plusieurs milliers de fois
sans destruction de la double liaison N=N, dépendamment des substituants
présents. De plus, le large panel de voies de synthèse permettant d’obtenir des
molécules symétriques et non symétriques, fait que ces composés sont très
largement étudiés.

Ces molécules sont également très colorées, ce qui les rend très intéressantes
pour une utilisation comme pigments dans l’industrie de la peinture, du textile…
De plus, leurs propriétés de photo-isomérisation en font des composés de choix
dans de nombreux autres domaines tels que les matériaux intelligents, les
polymères photo-régulables, les cristaux liquides… Lorsqu’ils sont associés à des
groupements polaires, ils peuvent également être utilisés comme tensioactifs et
permettre, ainsi, l’encapsulation de molécules, pharmaceutiques ou non, et leur
libération contrôlée par irradiation lumineuse. Ce phénomène réversible rend ces
molécules particulièrement intéressantes en synthèse organique afin de répondre
aux nouveaux besoins de développement durable et de chimie verte.

94
Chapitre I-3 : Chimie radicalaire, vers la décarboxylation de Barton
dans l’eau

I. La chimie radicalaire

1. Généralités

La chimie radicalaire est une technique de synthèse relativement récente. En effet,

Antoine Lavoisier utilise, pour la première fois, le terme « radical » en 1789.
Néanmoins, à cette époque, il utilise ce terme pour décrire les acides comme étant
composés d’oxygène et d’une entité appelée « radical ».311

Les radicaux, bien qu’encore utilisés en lieu et place de groupement, sont

aujourd’hui définis comme des composés chimiques, mono ou poly-atomiques,
présentant un électron non apparié, ce qui les rend très réactifs et instables. C’est
pour cette raison que la chimie radicalaire a connu un développement relativement
lent depuis son apparition au début du 20e siècle. En effet, Moses Gomberg décrit,
dès 1900, la présence d’un carbone trivalent lors de sa tentative de synthèse de
l’hexaphényléthane par réaction de triphénylbromométhane (ou du
triphénylchlorométhane) en présence de zinc (Schéma I- 38).312

Schéma I- 38 : Première mise en évidence des radicaux par Moses Gomberg

Lors de ses expériences, il observe la formation d’un composé très réactif avec
l’oxygène, conduisant à l’obtention du peroxyde correspondant. Il en conclu donc
la présence d’un nouveau type de composé : le radical triphénylméthyle. Cette
découverte a permis le développement d’une nouvelle méthode de synthèse

95
permettant, aussi bien, l’obtention de très grosses molécules par polymérisation
en chaine, que de composés plus petits.

Figure I- 41 : Portraits d’Antoine Lavoisier (gauche) et de Moses Gomberg (droite)

Quels que soient les réactifs et les composés synthétisés, les réactions radicalaires
ont généralement lieu selon le même mécanisme (Schéma I- 39) :

 l’initiation, génération des radicaux par rupture homolytique d’une liaison σ,

 la propagation, réaction d’un radical avec une molécule neutre et produisant
un nouveau radical, ou élimination d’un fragment sous forme d’une molécule
stable
 la terminaison, rencontre de deux radicaux, conduisant à une molécule non
radicalaire.

Schéma I- 39 : Mécanisme général d’une réaction radicalaire

L’initiation radicalaire nécessite, généralement, à la fois la présence d’un initiateur

radicalaire (composé possédant une liaison de faible énergie de dissociation) et un
96
apport d’énergie (lumineuse, thermique ou mécanique) afin de permettre la
rupture homolytique de celle-ci. Ce composé peut être « sacrificiel » s’il n’entre
pas en jeu dans l’équation finale de la réaction.

2. Stabilité et réactivité des radicaux

La stabilité des radicaux est analogue à la fois à celles des carbocations et des
carbanions. En effet, comme pour les carbocations, plus le carbone portant le
radical est substitué par des groupements donneurs, plus celui-ci sera stable. Ceci
s’explique à la fois par des énergies de dissociation des liaisons diminuant avec le
degré de substitution du composé, mais aussi par l’encombrement de la molécule.
Par exemple, l’énergie nécessaire pour rompre une liaison C-H du méthane est de
439 kJ.mol-1, alors qu’il faut apporter 389 kJ.mol-1 à l’isobutane pour former le
radical correspondant. Ce dernier sera donc plus stable que le radical méthyle. La
même observation peut être faite pour les énergies de liaison C-C.

D’autre part, des effets mésomères (-M) peuvent également stabiliser le radical
alkyle formé. En effet, comme pour les carbanions, la présence d’une ou plusieurs
insaturations, permettant des formes mésomères, entraine une délocalisation de
l’électron non apparié, et donc augmente la stabilité du radical (Figure I- 42).

Figure I- 42 : Echelle de stabilité de quelques radicaux313

Enfin, la nature des substituants en  du radical permet également de modifier sa

stabilité, ainsi que sa réactivité. En effet, en présence de groupements
électroattracteurs, le radical possède un caractère électrophile et réagit
préférentiellement avec des composés riches en électrons. Par contre, en présence
de groupements électrodonneurs, le radical présente un caractère nucléophile et
réagit donc préférentiellement avec des composés pauvres en électrons (Figure
I- 43).

97
 Figure I- 43 : Réactivité des radicaux

Bien évidemment, de nombreuses réactions radicalaires étudiées et mises au point

par l’Homme l’ont été dans des solvants organiques, souvent dans le benzène ou
le toluène, mais également dans des solvants chlorés tels que le tétrachlorure de
carbone, le chloroforme… Même si la nature, et les propriétés du solvant ne
modifient pas fondamentalement la nature des radicaux formés, elle peut, par
contre, influer sur leur vitesse de formation et/ou leur réactivité.

En effet, quelques études ont été menées sur l’influence du solvant sur les radicaux
acyles, alkoxyles et peroxyles. L’une des plus importantes étant celle que Cheves
Walling et Peter Wagner ont menée en 1964 sur l’effet de 14 solvants différents
sur la réactivité des radicaux t-butoxyles (Schéma I- 40).314 Ils ont mesuré le
rapport 𝑘𝑎 ⁄𝑘𝑑 , où kd est la constante de -scission du radical, menant à la formation
d’acétone, et ka la constante de réaction entre le radical et un donneur
d’hydrogène, permettant la formation du t-butanol. Ils sont parvenus à conclure
que le solvant peut interagir sans problème avec l’état de transition de la -
scission, alors que lors de la réaction entre le radical et un substrat encombré,
comme le cyclohexène, le solvant ne peut pas interagir avec le radical.

Schéma I- 40 : Réactions radicalaires étudiées par Walling et Wagner : (1) -scission, (2)
Transfert d’hydrogène

98
Plus tard, Avila et al.315 mesurent directement la constante de réaction de transfert
d’hydrogène par réaction entre un radical arylcarbinyloxyle (PhCMe2O) et le
cyclohexane et montrent que celle-ci est indépendante de la nature du solvant. Ils
ont donc prouvé que c’est bien après la formation du radical que la nature du
solvant devient important afin d’obtenir le produit désiré.316 Ces effets de solvants
ont été étudiés sur les additions et -scissions des radicaux alkoxyles, mais sont
applicables à toutes les étapes élémentaires d’une réaction radicalaire (après
formation du premier radical), ainsi qu’à tous les radicaux.317 Ainsi, Yorimitsu et
al.318 ont étudié l’influence de la nature du solvant sur la formation de lactones par
cyclisation intramoléculaire d’-iodoacétates (Schéma I- 41). Ils ont montré que
cette réaction n’avait pas lieu dans les solvants organiques usuels (hexane,
benzène, dichlorométhane et THF). Par contre, la réaction menait à de faibles
rendements dans les solvants organiques polaires (acétonitrile, alcools, DMF et
DMSO) alors que dans l’eau, les lactones étaient obtenues avec de très bons
rendements de 78%. Cette sélectivité est expliquée, par les auteurs, par la
formation de liaisons hydrogène entre l’atome d’oxygène du carbonyle et le
solvant, permettant l’activation du radical -carbonylméthyl (valable pour tous les
solvants organiques polaires). De plus, la présence d’interactions hydrophobes,
entre les réactifs et l’eau, permettrait l’accélération de la cyclisation. Ces
hypothèses ont été confirmées par une étude ab initio : les constantes
diélectriques des solvants polaires, plus importante que celle des solvants
apolaires, entraine une diminution de la barrière énergétique de rotation du radical
-carbonylméthyl. De plus, dans le cas de l’eau, la présence de fortes interactions,
restreignant le volume de ce radical, permet d’obtenir de meilleurs résultats que
dans les solvants organiques usuels.

99
 Schéma I- 41 : Exemple d’influence du solvant sur une réaction radicalaire

3. En milieu aqueux

La chimie radicalaire dans l’eau n’est pas une nouveauté. En effet, de nombreuses
réactions radicalaires ont lieu, chaque jour, dans les cellules des êtres vivants. En
s’appuyant sur ce simple constat, l’utilisation de l’eau comme milieu réactionnel
pour des réactions impliquant des radicaux peut être envisagée. En effet,
favorisant les ruptures hétérolytiques, l’eau est le solvant idéal pour ce type de
réaction du fait de sa non réactivité vis-à-vis des radicaux. Il est donc possible de
réaliser un nombre de plus en plus important de réactions radicalaires dans l’eau,
en milieu aqueux, en présence de co-solvant ou d’additifs tels que les tensioactifs,
agents de transfert de phase…

Les réactions radicalaires dans l’eau ne sont pas incompatibles avec le

développement industriel. En effet, la première utilisation de la chimie radicalaire
en émulsion fut pour la synthèse de caoutchouc durant les années 1940 par
polymérisation du styrène et du butadiène, afin de trouver une alternative au
caoutchouc naturel. Le développement de technique de polymérisation en chaine
a permis la synthèse de différents matériaux comme le polystyrène, les
polyacrylates (Schéma I- 42)…319–323
100
 Schéma I- 42 : Différentes polymérisations radicalaires en milieu aqueux : synthèse a)
du polystyrène, b) d’un caoutchouc et c) du polyméthacrylate de méthyle

Les polymérisations ne sont pas les seules réactions radicalaires réalisables (et
réalisées) dans l’eau. En effet, théoriquement, toutes les réactions radicalaires
conduites en solvants organiques sont susceptibles d’être transposables en milieu
aqueux, à condition, bien entendu, que les composés mis en jeu ne soient pas
sensibles à la présence d’eau. L’oxydo-réduction est l’une des techniques
permettant de générer des radicaux en milieu aqueux en présence d’un métal, tel
que le manganèse, le fer, le cuivre, le zinc... 324,325

Des exemples de réactions de cyclisations intramoléculaires catalysées par de

l’indium, du zinc, de l’argent… ont été décrites ces dernières années. Ainsi, il est
possible d’obtenir des composés contenant des cycles de tailles très différentes,
comme l’ont décrit Daisuke Sakuma et Hideo Togo, en 2005, lors de la synthèse
de cyclopropanes à partir de d’oléfines substituées ou de dihalogénopropane,
catalysée par du zinc (Schéma I- 43a) dans un mélange eau/t-butanol (1:2).326
La formation de cyclopropanes est souvent très rapide, mais est
thermodynamiquement défavorisée du fait de la forte tension exercée sur les
liaisons. De ce fait, ces composés sont relativement difficiles à obtenir par voie
radicalaire. La réaction nécessite un radical ayant un caractère nucléophile associé
à une oléfine pauvre en électrons. De plus, il existe deux processus de formation
de cycle par voie intramoléculaire, endo ou exo, en fonction de la position du

101
radical formé, c’est-à-dire à l’intérieur (endo) ou à l’extérieur du cycle (exo) : deux
produits peuvent donc être obtenus par cette méthode (Schéma I- 43b).

Schéma I- 43 : a) Exemples de synthèse de cyclopropanes en milieu aqueux : (1) via un

système trigonal, (2) via un système tétragonal ; b) Mécanismes de cyclisation possibles

Plus récemment, Yoshioka et al. ont décrit, en 2015,327 la synthèse de cycles à cinq
chaînons dans l’eau, catalysée par du ruthénium, en présence de (i-Pr)2NEt comme
« quencher » réducteur et d’un halogène perfluoré. Ces deux composés entrent en
jeu dans un double cycle d’oxydo-réduction du catalyseur (Figure I- 44). La
présence de l’amine n’est donc pas indispensable à la réaction, mais permet
d’augmenter la cinétique et la conversion du substrat de départ. Les auteurs
remarquent également une excellente diastéréosélectivité pour un réactif
symétrique.

102
Figure I- 44 : a) Synthèse de cyclopentanes ; b) Cycles d’oxydo-réduction ; c) Différents
états d’oxydation du catalyseur

D’autres réactions radicalaires ont été réalisées en milieu aqueux, comme par
exemple des réactions de type Reformatsky permettant la synthèse d’esters -
hydroxylés par réaction d’un carbonyle et d’un carbonyle -halogéné pouvant être
catalysée par différents métaux (zinc, aluminium, étain, indium…).324,328,329
Récemment, Yao et al. ont réalisé cette réaction à partir de benzaldéhyde et une
bromocétone fluorée dans l’eau (Schéma I- 44).328 Ils étudient l’influence de la
nature du métal (Zn, In, Al, Mg, Ni, Cu, Sb) en présence ou non de chlorure de
cuivre. Alors que l’utilisation du magnésium seul ou du nickel, cuivre et étain en
présence de sel de cuivre ne permet pas la réaction. Par contre, le zinc et l’indium
associés au chlorure de cuivre permettent l’obtention du produit final avec de bons
rendements.

103
 Schéma I- 44 : Réaction de Reformatsky dans l’eau

De nombreux exemples d’alkylation et d’allylation radicalaires d’alcènes, d’imines,

de sulfones et de carbonyles ont été décrits en présence d’eau. Ainsi, en 2009,
Yang et al.330 ont étudié les alkylations de nitrones dans l’eau, catalysées par de
l’indium ou du cuivre associé à de l’iodure de cuivre. Ils obtiennent sélectivement,
en fonction du métal utilisé, l’amine ou l’hydroxylamine correspondant avec des
rendements moyens à bons (40%-90%) (Schéma I- 45).

Schéma I- 45 : Alkylation de nitrones dans l’eau

D’autre part, les réactions de Barbier, permettant le couplage entre un carbonyle

et un allyle halogéné, peuvent être réalisées sans difficultés dans l’eau,
contrairement aux réactions de Grignard. Ces réactions ont été largement étudiées
en milieu aqueux, catalysées par différents métaux tels que le zinc, l’étain, le
plomb, l’indium…331–338 L’utilisation de méthode alternative, comme les ultrasons,
a également été étudiée afin de diminuer l’impact environnemental de la réaction
par l’utilisation de l’eau seule comme solvant tout en améliorant la cinétique de la
réaction (Schéma I- 46).339

104
 Schéma I- 46 : Comparaison de l’influence de l’activation par ultrasons par rapport à
l’agitation magnétique

D’autres réactions radicalaires peuvent avoir lieu dans ou en présence d’eau,

comme des oxydations, des réductions, des substitutions et des décarboxylations.
Cependant, ces réactions de décarboxylation n’ont que très peu été étudiées en
milieu aqueux. Ainsi, en 1995, Das et al. ont décrit la décarboxylation de différents
acides carboxyliques aromatiques, à l’interface d’un milieu biphasique constitué
d’eau et de benzène.340 Cette réaction été réalisée en présence de bleu de
méthylène (MB+) comme agent de transfert d’électron à travers cette interface
(Schéma I- 47). Cette réaction n’a pas lieu lorsqu’elle est réalisée dans
l’acétonitrile, dans un mélange acétonitrile/eau et acétonitrile/benzène. Lors de la
décarboxylation de la N-phénylglycine dans ces mêmes conditions, les auteurs
obtiennent majoritairement la N-méthylaniline (54%) et seulement 20% d’aniline.
Par contre, en milieu acétonitrile, cette décarboxylation ne mène qu’à un seul
produit : l’aniline (Schéma I- 47b ii).

105
 Schéma I- 47 : Décarboxylation en milieu biphasique (eau/benzène)

Ces études montrent que, d’une part, la présence de l’interface est indispensable
pour la décarboxylation d’acides aryloxyacétiques et d’autre part, elle permet
également une sélectivité de la réaction.

II. La décarboxylation de Barton

1. Généralités

Cette décarboxylation radicalaire, décrite pour la première fois en 1980 par Sir
Derek H. R. Barton, permet d’obtenir, en deux étapes, un hydrocarbure à partir de
l’acide carboxylique correspondant.341 Après formation d’un ester par des
méthodes conventionnelles (par réaction d’un alcool avec un chlorure d’acide ou
avec un acide carboxylique en présence de DCC/DMAP), un radical carboxylate est
généré en présence d’hydrure de tri-n-butylétain et d’un initiateur de radicaux, au
reflux soit du benzène, du toluène ou du xylène. Cette réaction a été décrite pour
des composés plus ou moins complexes comme l’acide stéarique, des dérivés
stéroïdiques ou des hydrates de carbone (Schéma I- 48a).

106
Ce n’est qu’en 1983, que la 2-mercaptopyridyne-N-oxyde est utilisée pour la
synthèse d’un ester thiohydroxamique par réaction avec un acide carboxylique.342
Cet ester présente la particularité de se décomposer facilement, par action de la
chaleur ou d’une irradiation lumineuse, en radical carboxylate puis en radical alkyle
par perte d’une molécule de CO2. La présence dans le milieu d’un donneur
d’hydrogène, tel que le tri-n-butylétain, permet la formation de l’hydrocarbure
correspondant (Schéma I- 48b).

Schéma I- 48 : Décarboxylation de Barton a) via un ester simple, b) via un ester

thiohydroxamique

Dès 1986, l’utilisation de pièges à radicaux,343,344 à la place des dérivés d’étain,

permet d’accéder à de nouvelles molécules et inscrit cette décarboxylation
radicalaire dans le panel de réactions utilisables en synthèses et notamment en
synthèses totales de composés naturels.345–347

Pourtant, très peu d’études ont été menées sur cette réaction afin d’en améliorer
les conditions. En effet, avec l’avènement de la chimie verte, les chimistes sont
incités à utiliser des produits et des solvants ayant peu ou pas d’impact sur
l’environnement et de diminuer les risques et les déchets. Afin de respecter les
principes de la chimie verte, cette réaction nécessite quelques ajustements : le
remplacement du dérivé d’étain comme donneur d’hydrogène, du fait de leur
toxicité, de leur instabilité et des difficultés de traitement des milieux réactionnels,
et du solvant. Bien que dès 1983, les chimistes aient cherché une alternative aux
hydrures d’étain, les donneurs d’hydrogène proposés, tels que les mercaptans (t-
BuSH, PhSH),342,348 les dérivés silylés (tris(trimétylsilyl)silane,
triphénylsilane…)348,349 ou les hydrures de germanium (Bu3GeH),350 présentent
tous des inconvénients majeurs (toxicité, odeur, disponibilité et/ou coût). En 2011
puis en 2013,351,352 une étude menée par Craig Williams et son équipe a montré
107
que le chloroforme était un bon donneur d’hydrogène pour la formation de
différents composés plus ou moins complexes à partir des acides carboxyliques
(Schéma I- 49). L’avantage de cette méthode est la double fonction du
chloroforme : solvant et donneur d’hydrogène, ce qui permet de diminuer les
traitements, les déchets et donc l’impact sur l’environnement.

Schéma I- 49 : Exemple de décarboxylation de Barton en présence de chloroforme : a)

one-pot b) via un chlorure d’acide

Cependant, quelle que soit l’utilisation de cette réaction, étude méthodologique ou

synthèse totale, elle a toujours était réalisée en milieu organique. Historiquement
mise au point dans le benzène et le toluène, elle est désormais mise en œuvre
dans des solvants halogénés (dichlorométhane353 ou chloroforme354), mais
également dans le THF347 et l’acétonitrile355. Aucune étude n’a pour l’instant été
faite dans l’eau pure ou en milieu aqueux.

2. Mécanisme

La décarboxylation de Barton, initialement mise au point sur des esters stables,

nécessitait l’ajout d’un initiateur de radicaux, comme l’azobisisobutyronitrile
(AIBN). Dans ce cas, la propagation se faisait grâce à Bu3Sn réagissant avec l’ester
pour générer un radical carboxyle, menant à la formation de l’alcène correspondant
et d’un radical carboxylate (Figure I- 45). Cette fragmentation, permettant la
formation d’un système conjugué, est la force motrice de la décarboxylation. Le
radical obtenu, n’étant pas stable, se clive en , avec perte d’une molécule de CO2
108
pour former le radical alkyle correspondant, suivi d’un transfert d’hydrogène
provenant du tributylétain.

Figure I- 45 : Mécanisme de la décarboxylation de Barton

Avec l’utilisation d’un ester thiohydroxamique, l’initiateur de radical n’est plus

nécessaire. En effet, la liaison C=S peut se cliver, de façon homolytique par action
de la lumière ou par activation thermique, pour former les radicaux carboxylate et
pyridinthiyle (Figure I- 46). Cette réaction est favorisée par la formation d’une
molécule aromatique : la thiopyridine. D’autre part, en présence d’un donneur
d’hydrogène, la réaction de terminaison entre les radicaux pyridinthiyle et
stannique (ou t-butylthiyle) sera favorisée.

Figure I- 46 : Mécanisme de décarboxylation à partir d’un ester thiohydroxamique : 1)

initiation et propagation, 2) terminaisons possibles

109
Cette réaction peut également avoir lieu en remplaçant l’hydrure par un piège à
radicaux, tel que de la benzoquinone,345,356 des dérivés de maléimides (Schéma
I- 50),357,358 des alcynes,355 des acrylates et acrylamides,359,360 des composés
halogénés.361,362

Schéma I- 50 : Décarboxylation de Barton en présence d’un piège à radicaux

3. Applications

La relative facilité de préparation des esters thiohydroxamiques, ainsi que la

possibilité de contrôle de la nature et de la vitesse de formation des radicaux lors
de la rupture homolytique de la liaison O-N, font de ces molécules, et donc de la
décarboxylation de Barton, un outil très apprécié et utilisé en synthèse
organique.344,363 En effet, il est possible, non seulement, de substituer les fonctions
acides carboxyliques par des hydrogènes,347,348,364,365 des alcools361,366–369 ou des
halogènes,370–372 mais également de créer de nouvelles liaisons C-C, C-N ou C-S
par exemple. Cette réaction est très employée pour la synthèse de composés
polycycliques complexes, naturels ou non naturels et/ou d’intérêts biologiques,
ainsi qu’en synthèse peptidique.

Historiquement, la décarboxylation de Barton était utilisée pour la réduction

d’acides carboxyliques en alcane en présence d’hydrure. Ainsi, en 2014,347 Yves
Chapleur et son équipe ont réalisé la synthèse de dérivés d’acide L-iduronique à
partir d’acide D-glucuronique via une décarboxylation de Barton suivi d’une
cyclisation intramoléculaire. Ces composés présentent un fort intérêt car l’acide L-
iduronique est l’un des constituants principaux de l’héparine, connue pour ces
propriétés d’anticoagulant (Schéma I- 51). Cette réaction a également été

110
utilisée, entre autres exemples, dans les synthèses de molécules
antipsychotiques,348 d’analogues de 4,4-anydro--D-galactopyranose,364 ou encore
de lactones tricycliques naturelles.346

Schéma I- 51 : Synthèse d’un dérivé de l’acide L-iduronique via une décarboxylation de

Barton

En remplaçant l’hydrure par un dérivé halogéné, tel que le tétrachlorure de

carbone, l’iodoforme ou le bromotrichlorométhane, il est alors possible d’obtenir
les composés halogénés correspondants. Cette méthode de synthèse a été utilisée,
en 1998 par Kutner et al.,373 afin d’obtenir des dérivés de la vitamine D. Les
composés de cette famille, comme par exemple la 25-hydroxy vitamine D3,
possèdent des propriétés d’immunosuppresseurs, ce qui les rend intéressants dans
le traitement de certains cancers. Ils peuvent être obtenus par homologation de
dérivés de l’acide cholanique, via une bromodécarboxylation de Barton suivie
alkylation en présence de malonate de diméthyle (Schéma I- 52a). De même, le
traitement de l’ester thiohydroxamique par des dérivés soufrés ou nitriles après
formation des radicaux conduit aux thiols et aux nitriles correspondants (Schéma
I- 52b).374–378

111
 Schéma I- 52 : Variations de la décarboxylation de Barton

Enfin, lorsque les radicaux sont mis en présence de dioxygène et d’un hydrure, les
composés obtenus présentent une fonction alcool en lieu et place de l’acide
carboxylique (Schéma I- 53a). Cette réaction, décrite pour la première fois par
Sir Derek Barton en 1984,366 est souvent utilisée dans la synthèse totale de
composés naturels comme des terpénoïdes (le (-)-Verrucarol367 ou le
Paeoniflorine379 par exemple) ou d’autre molécules polycycliques, tels que la (±)-
Clavubicyclone.380 Ce composé, isolé du corail Clavularia viridis, a été synthétisé
en 28 étapes à partir du cis-2-butèn-1,4-diol par Ito et al.380 en 2006. La
décarboxylation de Barton, suivi de l’oxydation en présence de dioxygène, permet
la formation d’un groupement acétate (Schéma I- 53b).

112
 Schéma I- 53 : Exemple d’oxygénation décarboxylative

En présence d’un composé non aromatique allylique ou vinylique,381–384 il est

possible de réaliser de nouvelles liaisons C-C, à partir de l’ester thiohydroxamique
et sous irradiation lumineuse. De nombreux exemples de synthèse en présence
d’acrylate,360,385 acrylamides,360,386 anhydrides,387,388 maléimides,358,389 etc. sont
décrits dans la littérature, car ces molécules sont de très bons pièges à
radicaux.345,355,390–392 En s’appuyant sur cette méthodologie, Leverrier et al. ont
décrit en 2013353 puis en 2015390 la synthèse de composés antiparasitaires par
réaction entre l’ester thiohydroxamique d’un acide polycyclique, issu de la bile, et
d’alcaloïdes de Cinchona (famille de plantes d’Amérique du Sud produisant de la
quinine et des dérivés) (Schéma I- 54).

113
 Schéma I- 54 : Synthèse d’hybride d’acides biliaires et d’alcaloïde de Cinchona

Parmi tous les exemples de synthèse utilisant la décarboxylation de Barton en

présence d’un piège à radicaux, très peu sont réalisées avec un maléimide ou un
dérivé. Après sa première description en 1986 par Sir Derek Barton,344 seul Samadi
et son équipe l’a utilisée afin de réaliser la synthèse d’anhydrides maléiques di-
substitués, possédant des propriétés biologiques (Schéma I- 55).358,389

114
Schéma I- 55 : Synthèse d’anhydrides di-substitués par décarboxylations de Barton
successives

115
III. Conclusion

Malgré un développement relativement lent au cours du 20ème siècle du fait de la

forte réactivité des radicaux, la chimie radicalaire fait, désormais, partie intégrante
de l’arsenal de réactions à la disposition du chimiste. Elle permet aussi bien
d’obtenir des macromolécules, par polymérisation en chaîne, que de petites
molécules d’intérêt, par cyclisation intramoléculaire, transferts d’atomes ou de
groupes, réductions ou oxydations… De ce fait, elle est souvent utilisée en
synthèse totale et sur des structures moléculaires complexes.

Avec l’intérêt grandissant pour la chimie verte, il est nécessaire de trouver des
alternatives à certains produits utilisés lors de ces réactions. C’est le cas, par
exemple, des hydrures d’étain, toxiques et très utilisés lors des réductions. De
plus, le développement de la chimie dans l’eau, afin de répondre aux principes de
la chimie verte, pousse les chimistes à mettre au point de nouveaux catalyseurs
et de nouvelles méthodes compatibles avec ce milieu. Ainsi, ces dernières années,
quelques exemples de synthèses radicalaires en milieu aqueux ont été publiés.
Cependant, parmi toutes ces réactions, et malgré leur fort potentiel, il existe très
peu d’exemples de décarboxylations dans l’eau. C’est le cas de la décarboxylation
de Barton, souvent utilisée lors de synthèses totales dans sa version originale,
c’est-à-dire dans des solvants organiques (dichlorométhane ou benzène).

116
 Conclusion et problématique

Depuis plusieurs années, les chimistes sont fortement encouragés pour développer
une chimie plus éco-compatible. Pour ce faire, l’une des possibilités est de
remplacer, lorsque cela est possible de par la situation économique et
géographique, les solvants organiques par des solvants plus verts, comme l’eau.
De par leur nature, les composés organiques peuvent présenter de faibles affinités
avec les milieux aqueux, entrainant une réduction, voire une inhibition totale, des
réactions.

De nombreuses alternatives sont étudiées afin de pallier ce problème, parmi

lesquelles l’utilisation de tensioactifs. Ces derniers, grâce à leurs propriétés
intrinsèques leur permettant de s’organiser sous forme de micelles ou d’agrégats,
peuvent faciliter la solubilisation/dispersion de composés normalement insolubles
dans l’eau. Pourtant, malgré le nombre important de tensioactifs mis au point et
étudiés, très peu d’exemples de recyclages sont décrits dans la littérature. La
récupération des composés organiques, après une réaction chimique, reste l’un
des principaux enjeux lors de l’utilisation de ces tensioactifs.

Nous avons montré, dans le deuxième chapitre, que parmi tous les chromophores
existants, les azobenzènes et les stilbènes sont les seuls à s’isomériser de la forme
trans à la forme cis et réciproquement lors d’une irradiation à une longueur d’onde
donnée. Les azobenzènes, pouvant subir ces cycles successifs sans dégradation,
ont déjà été introduits dans la structure de tensioactifs, plus ou moins complexes,
afin de vectoriser des principes actifs. L’influence de ces tensioactifs, intégrant un
motif azobenzénique, en synthèse organique n’a été étudiée que dans notre
laboratoire.157,158 C’est pourquoi, nous avons décidé de continuer l’étude sur
différentes classes de tensioactifs (ioniques, non ioniques et zwiterrioniques)
possédant ce groupement.

Enfin, parmi tout le panel de réactions chimiques existantes, la chimie radicalaire

présente un fort potentiel. Il est en effet possible d’obtenir aussi bien des
macromolécules, telles que les polymères, que de petites molécules d’intérêt.
Cependant, de par un développement relativement récent, il n’existe que peu
d’exemples réalisés en milieu aqueux. De toutes les réactions radicalaires
117
existantes, la décarboxylation de Barton est souvent utilisée en synthèse totale,
mais n’a jamais été décrite dans l’eau. Nous nous proposons donc de mettre au
point une nouvelle méthodologie afin de pouvoir la réaliser en milieu aqueux.

118
 Partie II : Tensioactifs
photochromiques, synthèses et
application à la catalyse micellaire
 Partie II : Tensioactifs photochromiques, synthèses
et application à la catalyse micellaire

Chapitre II-1 : Synthèse des tensioactifs

L’un des objectifs de ce projet est la synthèse de tensioactifs permettant une

chimie respectant au mieux les 12 principes de la chimie verte. Pour cela, nous
nous sommes intéressés aux tensioactifs photorégulables de type azobenzène. La
partie apolaire sera constituée d’une chaine alkyle liée à groupement azobenzène,
pouvant avoir une polarité différente selon sa conformation. Les parties polaires,
quant à elles, seront ioniques ou non ioniques (Figure II- 1). Après une analyse
physico-chimique, l’intérêt de ces molécules sera étudié dans une réaction métallo-
catalysée, la substitution allylique de type Tsuji-Trost.

Figure II- 1 : Molécules cibles

La majorité des tensioactifs d’intérêt est obtenue à partir d’un même composé 1
(Schéma II- 1), constitué d’un azobenzène substitué en position para d’une
chaîne butyle, d’un côté, et d’une fonction alcool, de l’autre. Cet alcool présente
l’intérêt d’une réactivité variée et permettant ainsi une large gamme de modulation
de la partie polaire des tensioactifs. En effet, il est possible de lier la tête polaire à
l’azobenzène par une liaison ester ou éther. Nous préfèrerons la liaison éther car
elle est plus stable chimiquement.

La synthèse des dérivés azobenzéniques décrite dans ce chapitre nécessite

l’utilisation du 4-butyl-4’-hydroxyazobenzène (1) (BABOH). Ce dernier est obtenu
en deux étapes par un couplage diazoïque à partir d’un sel de diazonium (Schéma
119
II- 1). Cette méthode est très utilisée pour la synthèse d’azobenzène non
symétriques, avec de bons rendements, lorsque l’un des réactifs est un composé
aromatique, substitué par un groupement électro-donneur, comme le phénol.393,394

Schéma II- 1 : Synthèse du précurseur azobenzénique (BABOH)

I. Synthèse d’un tensioactif non ionique

Le premier type de tensioactif possède une partie polaire non ionique de type
polyéthylène glycol (PEG). Une des problématiques du laboratoire étant la
synthèse de dérivés du glycérol, il paraissait judicieux d’utiliser un composé
pouvant être, à terme, substitué par des polymères de glycérol. De plus, certains
azobenzènes possédant des têtes polaires de type PEG sont décrits dans la
littérature.393 Afin de pouvoir comparer le comportement amphiphile de ce
tensioactif avec des molécules commerciales, l’azobenzène devait être
fonctionnalisé avec une tête polaire de taille moyenne. Ainsi, ajouter un PEG 3
semble être un bon compromis (Figure II- 2).

Figure II- 2 : Triethylène Glycolmono(4-butylazobenzène) éther (AzoPEG)

La voie de synthèse décrite par Shang et al. en 2003393 permet d’obtenir cette
molécule en deux étapes à partir du précurseur 1 avec un rendement global de
3%. La première étape, réaction de 1 avec le 1,2-dibromoéthane dans le THF en
présence de potasse, permet d’obtenir un composé bromé qui peut ensuite réagir
avec du diéthylèneglycol en présence d’une base forte. Dans notre cas, la réaction

120
entre l’azobenzène 1 et le 1,2-dibromoéthane conduit majoritairement à la
formation d’un dimère d’azobenzène 3 (Schéma II- 2).

Schéma II- 2 : a) Voie de synthèse décrite dans la littérature ; b) Dimère obtenu lors de
la 1ère étape

Une méthode alternative, utilisant une synthèse convergente entre le composé 1

et le triéthylèneglycol, a donc été développée. La première étape consiste en
l’activation d’un seul hydroxyle du triéthylèneglycol par un groupement tosyle,
meilleur groupement partant que l’alcool.395 Le composé 4 obtenu est alors engagé
dans une substitution nucléophile avec le phénol de 1 (Schéma II- 3).

Schéma II- 3 : Voie de synthèse de l’AzoPEG

Cette voie de synthèse permet d’obtenir, en trois étapes, le tensioactif désiré 2,

avec un rendement global de 50%.

121
II. Synthèse d’un tensioactif cationique

Le deuxième tensioactif cible possède une tête polaire cationique de type

ammonium quaternaire (Figure II- 3). Ces molécules présentent un fort intérêt
car ils sont très peu sensibles aux variations de pH. C’est le cas du tensioactif que
nous avons choisi de synthétiser. Malgré sa description par Hayashita et al. en
1994,396 et plusieurs études,308,397,398 aucune voie de synthèse n’a été décrite
précisément.

Figure II- 3 : Structure du 4-butyl-4’-(triméthylamminium)azobenzène (BABTMA)

Au vu de l’absence de données dans la littérature, nous nous sommes appuyés sur

la méthode utilisée précédemment pour obtenir l’AzoPEG (2). Une synthèse
convergente a été utilisée, à partir du chlorure de choline. Ce composé étant très
soluble dans l’eau, il apparut intéressant d’utiliser un milieu aqueux comme solvant
de réaction pour cette synthèse. De plus, une méthode de tosylation dans l’eau,
catalysée par de la N,N-diméthylbenzylamine, a été décrite par Morita et al.,399 en
2005, pour des alcools primaires aliphatiques. Une adaptation de cette procédure
au chlorure de choline, en présence de triéthylamine a donc été testée avec succès
et conduit au composé 6 quantitativement. Ce dernier peut alors être mis,
directement, en réaction de substitution nucléophile avec le précurseur 1 (Schéma
II- 4).

Schéma II- 4 : Voie de synthèse du BABTMACl

122
Cette voie de synthèse, réalisée totalement dans l’eau, présente l’avantage de
s’affranchir de l’étape de purification du composé 6. Par contre, la précipitation de
l’azobenzène de départ 1 entraine une chute de rendement par piégeage du
composé cible 5a. D’autre tentative de purification ont été réalisées comme par
exemple une chromatographie sur phase normale. Cette dernière n’a pas donné
de résultats significatifs.

La dernière alternative envisagée consiste en une synthèse linéaire en quatre

étapes, à partir du composé 1 (Schéma II- 5).

Schéma II- 5 : Synthèse du BABTMAI

Dans un premier temps, une substitution nucléophile est réalisée entre le composé
1 et le chloroéthanol, au reflux du butanol.400 L’hydroxyle terminal du composé 7,
obtenu à 43% après purification, est ensuite activé de façon traditionnelle dans le
dichlorométhane en présence de chlorure de tosyle et de triéthylamine. Cette
réaction conduit au dérivé tosylé 8, de manière quantitative et sans purification.
Ce dernier est ensuite transformé en présence de diméthylamine dans un mélange
eau/acétone, en s’appuyant sur la méthode décrite par Sun et al. en 2010 pour la
synthèse de dodecyldiméthylamine.401

Une alternative possible, pour la synthèse directe de l’azobenzène 9, serait une

réaction de substitution nucléophile du groupement hydroxyle du composé 1 en

123
présence de de 2-bromo-N,N-diméthylpropanamine. Cette méthode a été décrite
récemment, par Carmen Stoffelen et Jurriaan Huskens, lors de leur étude sur
l’assemblage supramoléculaire de nanoparticules (Schéma II- 6),402 mais cette
méthode agrandit le lien carboné entre l’azobenzène et la tête polaire.

Schéma II- 6 : Synthèse décrite par C. Stoffelen et J. Huskens

Finalement, la quaternisation de l’amine tertiaire 9 est réalisée en présence de

iodométhane dans de l’éther. Une simple filtration permet enfin d’obtenir le
BABTMA (5b) à 83% (soit un rendement global de 28%) (Schéma II- 5).

III. Synthèse d’un tensioactif anionique

Le représentant des tensioactifs anioniques que nous avons choisi d’étudier

possède, comme partie polaire, un carboxylate de sodium lié directement à
l’azobenzène (Figure II- 4).

Figure II- 4 : Structure du 4-butylazobenzène-4’-carboxylate de sodium (BABC)

La synthèse de l’acide 4-butylazobenzène-4’-carboxylique (12) ne peut être

effectuée par couplage diazoïque, car l’acide carboxylique est un groupement
électro-accepteur. Une autre méthode permettant la synthèse d’azobenzène
dissymétrique est une réaction de Mills à partir de l’acide 4-aminobenzoïque et la
4-butylaniline. Le principe de cette réaction est l’oxydation d’une aniline par de
l’Oxone® (mélange de trois sels stables de potassium, 2KHSO5.KHSO4.K2SO4) en
124
nitroso, suivie de sa condensation sur une autre aniline en milieu biphasique. Pour
ce faire, nous avons suivi la méthode décrite par Priewisch et al. en 2005,
légèrement modifiée (Schéma II- 7).254 En effet, ils décrivent la formation du
dérivé nitroso de l’acide 4-aminobenzoique dans un système biphasique
dichlorométhane/eau, que nous avons remplacé par de l’eau.

Schéma II- 7 : Synthèse de l’acide 4-butylazobenzène-4’-carboxylique (12) par réaction

de Mills

L’acide 4-nitrosobensoïque (11) est obtenu, à 94%, par oxydation de l’acide 4-

aminobenzoïque, mis en suspension dans une solution aqueuse d’Oxone®. Il est
récupéré par filtration et mis directement en réaction de condensation avec la 4-
butylaniline en solution dans l’acide acétique. L’azobenzène 12 est obtenu avec un
rendement moyen global de 35%, principalement dû à l’instabilité du composé
nitroso, facilement oxydable en son dérivé nitro. Puis, le tensioactif anionique 10
est obtenu, quantitativement, par réaction avec un équivalent strict de soude en
solution dans l’eau (Schéma II- 8).

Schéma II- 8 : Obtention du BABC

125
IV. Vers la synthèse d’un tensioactif zwitterionique

La dernière famille de tensioactif étudiée dans ce projet est la famille des composés
zwitterioniques (ou amphotères). Ils ont la particularité de présenter à la fois une
charge positive, en général un ammonium, et une charge négative, carbonée ou
soufrée. La structure choisie pour la partie polaire de ce nouveau tensioactif fut
basée sur la glycine, le plus petit et le plus simple des acides aminés (Figure II-
5).

Figure II- 5 : Structure du 4-butyl-4'-(N-(carboxyméthyl)-N,N-

diméthylaminioéthoxy)azobenzène (BABDMAC)

Partant du composé plateforme 1, la synthèse du BABDMAC (13) a été menée de

la même façon que celle du BABTMA (5) (Schéma II- 9). Les deux premières
étapes sont identiques pour ces deux composés : création d’une liaison éther par
réaction de 1 avec du chloroéthanol puis activation de l’alcool terminal, du
composé 7 obtenu, par un groupement tosyle. Le composé 8 peut ensuite être mis
en réaction avec de la N-méthylglycine ester pour former, par coupure C-O, une
nouvelle liaison C-N du composé 14 (BABMACA).

Schéma II- 9 : Voie de synthèse de l’azobenzène zwitterionique

126
La dernière étape, quaternisation de l’amine tertiaire, est toujours en cours
d’étude. En effet, à ce jour, les RMN du brut réactionnel ne montrent pas
d’avancement significatif de la réaction.

V. Conclusion

L’objectif de cette partie était la synthèse d’un représentant azobenzénique de

chaque famille de tensioactif : anionique, cationique, non ionique et zwitterionique.
Pour cela, nous avons utilisés deux méthodologies, à partir d’un précurseur unique,
le BABOH 1 : une synthèse convergente nous permettant d’obtenir l’AzoPEG, notre
tensioactif non ionique, et une synthèse linéaire menant aux azobenzènes BABTMA
et BABMACA, précurseur du composé zwiterionique. D’autre part, un tensioactif
plus simple, possédant une tête polaire anionique, le BABC, a également été
synthétisé (Figure II- 6). L’étude des isomérisations et la détermination des
tensions de surface de tous ces composés seront présentées dans le chapitre
suivant.

Figure II- 6 : Structures des composés obtenus

127
 Chapitre II-2 : Études physico-chimiques

I. Détermination des propriétés tensioactives des azobenzènes

L’ajout d’un composé soluble dans l’eau à une solution aqueuse entraine
généralement une modification de la tension de surface en fonction de sa
concentration. Lorsque ce dernier est un tensioactif, cette valeur diminue avec
l’augmentation de la concentration et ce jusqu’à la CMC.

D’autres méthodes existent pour déterminer cette concentration

micellaire/d’agrégation critique : la conductimétrie (uniquement pour les
tensioactifs ioniques), la pression osmotique ou l’étude de la turbidité/solubilité.
Cependant, l’étude de la tension de surface est une méthode commune à tous
types de tensioactifs, et plusieurs techniques existent pour la réaliser.403

1. Méthodes de mesure de la tension de surface

Les techniques les plus connues pour la détermination de la tension superficielle

statique d’un fluide, c’est-à-dire à l’équilibre, sont : la goutte tournante, la goutte
pendante, l’anneau de Du Noüy et la lame de Wilhelmy.

La mesure des très faibles tensions de surface (de l’ordre du µN/m) est réalisée
par la technique de la goutte tournante. Le principe étant d’introduire une goutte
du liquide à analyser dans un tube fin, contenant un autre liquide d’une densité
plus élevée. La rotation du tube, à grande vitesse, entraine un déplacement de la
goutte vers le centre et la force centrifuge résultante provoque son élongation. A
la limite d’élongation, la tension superficielle de la solution est déterminée en
fonction de la vitesse de rotation, de la forme de la goutte, du rayon du cylindre
et de la densité des liquides (Figure II- 7).404

129
 Figure II- 7 : Schéma d’un tensiomètre à goutte tournante405

La technique de la goutte pendante est basée sur la mesure de la forme prise par
une goutte suspendue à un capillaire. La tension superficielle est alors déterminée
par observation optique, en fonction de la forme de la courbure et de la taille de
la goutte (longueur et largeur) (Figure II- 8).404

Figure II- 8 : Différentes tailles de goutte obtenues par la méthode de la goutte

pendante406

Les techniques de l’anneau de Du Noüy et de la lame de Wilhelmy sont basées sur

le même principe : une mesure directe de la tension superficielle par l’introduction,
dans la solution étudiée, d’un objet métallique (Figure II- 9). Lorsque cet objet
est mouillé par le liquide, ce dernier y adhère, augmentant ainsi sa surface. Afin
de revenir à un état d’équilibre, le liquide exerce, sur l’objet, une force vers le bas.
La tension superficielle de la solution est directement reliée à cette force.

130
 Figure II- 9 : Photos d’un anneau de Du Noüy (gauche)* et d’une lame de Wilhelmy
(droite)

L’étude des tensions superficielles de nos différents azobenzènes, et la

détermination de leur concentration micellaire critique respective, ont été réalisées
par la méthode de la lame de Wilhelmy.

2. Méthode de la lame de Wilhelmy

La technique de la lame de Wilhelmy, mise au point en 1863, est basée sur une
lame métallique (platine ou platine-irridium) très fine, posée verticalement sur le
liquide étudié. La lame, de surface connue, est reliée à une microbalance,
permettant ainsi la mesure de la force nécessaire pour la retirer du ménisque formé
(Figure II- 10).403

*
Image obtenue à partir du site internet du fabriquant American Laboratory,
www.americanlaboratory.com
131
Figure II- 10 : Schéma d’un tensiomètre à lame de Wilhelmy (gauche) et du phénomène
à l’interface (droite)

La tension de surface peut alors être déterminée par la relation :

𝐹 𝑚∙𝑔
𝛾= =
𝑝 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃 2(𝐿 + 𝑡) ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃

Avec :

 , la tension superficielle (N.m-1)

 F, la force exercée sur la lame (N)
 m, la masse du ménisque formé lorsque la lame est en contact avec
le liquide (kg)
 g, l’accélération de la pesanteur (N.kg-1)
 , l’angle formé par la lame et la tangente du ménisque.

Comme nous l’avons évoqué dans la partie précédente, il existe une relation
directe entre la tension superficielle d’une solution contenant un tensioactif et la
concentration de ce dernier dans le milieu. Cette relation est donnée par les
équations de Gibbs :11

132
 1 𝑑𝛾 1 𝑑𝛾
Γ (𝑙) = − , pour un tensioactif non ionique et Γ (𝑙) = − , pour un
𝑅𝑇 𝑑𝑙𝑛𝐶 2𝑅𝑇 𝑑𝑙𝑛𝐶
tensioactif ionique.

Avec,

 , la tension superficielle (N.m-1)

 R, la constante des gaz parfaits (8,32 J.mol-1.K-1)
 T, la température (K)
 , la quantité de composé adsorbé à la surface (mol.m-2)
 C, la concentration en tensioactif (mol.L-1).

La CMC étant la concentration à partir de laquelle la tension superficielle est

minimale et stable, il est possible de déterminer sa valeur en traçant =f(lnC)
(Figure II- 11).

Figure II- 11 : détermination de la CMC

Les tensions superficielles de chaque azobenzène ont été mesurées à l’aide d’un
tensiomètre Krüss K100, à une température de 25°C. Une mesure de la tension
superficielle du milieu ne contenant pas d’azobenzène a été réalisée avant chaque
étude ( = 72 mN/m).

133
 3. Etude de l’AzoPEG

Les tensions superficielles ont été mesurées pour des solutions d’AzoPEG (2) à
différentes concentrations allant de 3.10-8 M à 3.10-4 M, préparées dans de l’eau
ultra-pure (résistivité de 18 M) (Figure II- 12). Après 24 h de repos, les
solutions les plus concentrées (supérieures à 3.10-5 M) présentaient une forte
précipitation du produit. Elles n’ont donc pas été incluses dans cette étude.

 (mN/m)
80

70

60

50

40

30

20

10

0
0,0000 0,0001 0,0010 0,0100
Concentration (mM)
Trans Azobenzène Cis Azobenzène

Figure II- 12 : Détermination de la CMC de l’AzoPEG par mesure de la tension de surface

Dans un premier temps, les solutions contenant l’AzoPEG sous sa forme trans ont
été analysées. Pour des concentrations trop faibles (inférieures à 1.10-3 mM),
aucune modification substantielle de la tension de surface n’est observée par
rapport à celle de l’eau pure. A partir de 1.10-3 mM, cette tension superficielle
diminue pour atteindre une valeur minimale de 31,7 mN/m. Pour des
concentrations supérieures à 5,3.10-3 mM, cette valeur reste stable. La CMCtrans de
ce composé est donc de 5,3.10-6 M.

134
Après une irradiation de chaque solution à 365 nm, pendant 30 min sous une
lampe de 6W, les tensions superficielles ont été mesurées pour la forme cis. La
même observation peut être faite concernant la concentration minimale nécessaire
à la diminution de cette tension de surface (1.10-3 mM). Par contre, cette
diminution est beaucoup moins importante et atteint une limite de 57 mN/m pour
une concentration de 9,5.10-6 M, valeur de la CMCcis.

Cette différence de tension superficielle entre le composé trans et le composé cis

peut s’expliquer par la géométrie de chaque molécule. En effet, dans sa forme cis,
le volume moléculaire de l’AzoPEG est plus important que lorsqu’il est sous sa
forme trans (Figure II- 13). Ainsi, la saturation de l’interface par les molécules
organiques interviendra à une concentration moindre en celles-ci.

Figure II- 13 : Représentation en 3D (Chem3D) des formes trans (gauche) et cis (droite)

Bien que les tensions de surface minimales obtenues pour chacune des deux
formes soient différentes de celles présentées par Shang et al.,393 les valeurs de
CMC obtenues restent cohérentes. En effet, les CMC théoriques sont de 4,1 µM et
8,0 µM pour les formes trans et cis respectivement, dans notre cas, CMCtrans =
5,3 µM et CMCcis = 9,5 µM.

135
 4. Etude du BABTMA

Les solutions de BABTMA ont été préparées dans l’eau ultra-pure pour des
concentrations comprises entre 2.10-5 M et 1.10-2 M (Figure II- 14). Il est à noter
que les solutions les plus concentrées (à partir de 3,4 mM) présentent un léger
trouble après 24 h de repos.

 (mN/m)
80

70

60

50

40

30

20

10

0
0,01 0,10 1,00 10,00
Concentration (mM)
Trans Azobenzène Cis Azobenzène

Figure II- 14 : Détermination graphique de la CMC des formes cis et trans du BABTMA

Dans un premier temps, l’analyse s’est portée sur la forme trans du BABTMA. Les
résultats obtenus montrent une diminution de la tension superficielle avec
l’augmentation de la concentration en BABTMA, jusqu’à une valeur minimale de
33,9 mN/m pour une concentration de 1,5 mM. Après irradiation à 365 nm,
pendant 30 min, sous une lampe de 6W, de nouvelles mesures ont été effectuées
pour la forme cis du BABTMA. Etonnamment, la tension superficielle minimale
obtenue est légèrement inférieure à celle du composé trans (31,5 mN/m), pour
une CMC de 1,6 mM.

136
 5. Etude du BABC

Des solutions de BABC ont été préparées dans une solution tampon de carbonate
à pH = 8. En effet, lorsque ce composé est laissé au repos dans de l’eau ultra-
pure, la valeur de son pKa implique un passage du sel à l’acide du fait de l’acidité
de l’eau (pH ~ 5). Les concentrations étudiées sont comprises entre 5,6.10-6 M et
7.10-3 M (Figure II- 15).

 (mN/m)
80

70

60

50

40

30

20

10

0
0,00 0,01 0,10 1,00 10,00
Trans Azobenzène Cis Azobenzène Concentration (mM)

Figure II- 15 : Détermination de la CMC du BABC

Pour les formes trans du BABC, trois zones de concentrations peuvent être
observées : pour des concentrations inférieures à 4,7.10-2 mM, la tension de
surface est invariante et vaut 69 mN/m (comme pour le blanc, composé
uniquement du tampon). Pour des concentrations comprises entre 4,7.10-2 mM et
3,5 mM (valeur de la CMC), la tension superficielle diminue jusqu’à 38,7 mN/m.
Au-delà de cette concentration, la tension de surface augmente du fait de la
présence de précipité.

137
L’étude menée sur les isomères cis, obtenus après 30 min d’irradiation à 365 nm,
sous une lampe de 6W, présente le même profil que pour les formes trans. La
tension superficielle ne commence à diminuer qu’à partir d’une concentration de
4,7.10-2 mM, pour atteindre sa valeur minimale de 41,0 mN/m à la concentration
de 3,7 mM.

Kozlecki et al.,407 en 1997, obtiennent une CMC de 9,71 mM par mesure de la

tension de surface de solutions réalisées dans l’eau. Le milieu tampon a donc un
effet bénéfique sur l’organisation de la molécule en milieu aqueux (3,5 mM vs
9,71 mM). De plus, dans nos conditions, la limite de solubilité du BABC, dans le
tampon, est inférieure 7 mM.

II. Vérification du potentiel photochromique des tensioactifs

étudiés

1. Méthode

L’étude de l’isomérisation, de la forme trans à la forme cis des tensioactifs se fait

par spectroscopie UV-Visible. En effet, les deux isomères possèdent des spectres
UV différents, il est ainsi possible de suivre la cinétique d’isomérisation des
produits. Pour cela, le matériel utilisé est composé d’un spectrophotomètre UV-
Visible, relié à une fibre optique plongeant dans la solution à étudier, et d’une
source d’irradiation. Celle-ci peut être une lampe UV d’une puissance de 6W, à
deux longueurs d’ondes (254 nm et 365 nm) (Figure II- 16), ou une lampe à
vapeur de mercure de 500W, composée d’un miroir dichroïque permettant
l’évacuation de la chaleur, d’un premier filtre restreignant les longueurs d’ondes,
de filtres passe-banque pour la sélection de la longueur d’émission et d’une fibre
optique (Figure II- 17).

138
 Figure II- 16 : Montage réalisé pour l’analyse des isomérisations par lampe de 6W

Figure II- 17 : Schéma d’une lampe à vapeur de mercure de 500W (haut) et montage
réalisé pour l’étude des isomérisations par lampe de 500W (bas)
139
Les tensioactifs étudiés sont mis en solution dans l’eau ultra-pure (résistivité de
18 M) à une concentration de 1.10-4 M pour l’AzoPEG et le BABTMA et 1,4.10-4 M
pour le BABC. Différentes études ont été réalisées :

 isomérisation de la forme trans à la forme cis sous irradiation à 365 nm et

isomérisation de la forme cis à la forme trans sous irradiation à 254 nm (ou
à la lumière du jour)
 résistance de l’azobenzène au phénomène de « fatigue »
 stabilité du composé dans le noir.

2. Etude de l’AzoPeg

L’équilibre cis/trans de 2 a été précédemment étudié par Shang et al., en 2005, 393
en utilisant une lampe à mercure de 200W. Notre étude de l’isomérisation de
l’AzoPeg a été réalisée en irradiant, à 365 nm, la solution contenant 2, dans le
noir, à température ambiante, par une lampe à mercure de 500W. L’isomérisation
inverse est obtenue en irradiant cette même solution à une longueur d’onde de
254 nm (Figure II- 18). Le suivi se fait en enregistrant un spectre UV-Visible
toutes les 30 s.

Figure II- 18 : Conditions d’isomérisation de l’AzoPeg

Après la mise en solution de l’AzoPeg, un temps de repos d’environ 30 min est

nécessaire afin que les molécules s’organisent. En effet, la concentration utilisée
pour cette étude (1.10-4 M) est largement supérieure aux CMC des deux isomères,
et leur organisation peut perturber la mesure du spectre UV-Visible (Figure II-
19).

140
 Absorbance
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
-0,1200 300 400 500 600 700 800
-0,2 Longueur d'onde (nm)

Figure II- 19 : Spectre UV-Visible pendant les 30 premières minutes

Après ce temps de repos, l’isomérisation sous irradiation à 365 nm est maximale

en 18 min. Une augmentation des bandes d’absorption situées à 260 nm et 420
nm, caractéristique des transitions -* sur les cycles aromatiques et n-* dues
aux doublets non-liants des atomes d’azote, est observée. La bande d’absorption
correspondant aux transitions -* de toute la molécule est située à 320 nm et
subit un effet hypochrome avec l’irradiation à 365 nm (Figure II- 20). De plus,
trois points isobestiques sont observables à 240 nm, 280 nm et 390 nm. Ces points
sont caractéristiques de l’isomérisation de l’AzoPEG.

Absorbance
1 Avant irradiation
0,9 Après irradiation
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
220 260 300 340 380 420 460 500 540 580
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 20 : Spectre UV-Visible sous irradiation à 365 nm (500W)

141
Une irradiation à 254 nm permet de réaliser l’isomérisation inverse cis-trans en
6 min (Figure II- 21). Il est alors possible d’observer l’augmentation de la bande
d’absorption, située à 320 nm, jusqu’à une valeur proche de l’absorbance
maximale d’une solution contenant majoritairement la forme trans. Dans le même
temps, les bandes d’absorption situées à 260 nm et 420 nm diminuent, laissant
apparaitre les trois points isobestiques (240 nm, 280 nm et 390 nm).

Absorbance
1 Avant irradiation
0,9 Après irradiation

0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
220 260 300 340 380 420 460 500 540 580
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 21 : Spectre UV-Visible sous irradiation à 254 nm

Enfin, avant d’utiliser ce tensioactif en catalyse micellaire, il est nécessaire de

vérifier sa résistance à la « fatigue ». Pour cela, quatre cycles d’isomérisations
successives à 365 nm puis à 254 nm ont été réalisée sur une même solution
(Figure II- 22).

142
 Absorbance
1,2

0,9

0,6

0,3

Figure II- 22 : Cycles d’irradiation successifs de l’AzoPeg à 500W

Nous pouvons remarquer qu’à chaque retour en trans, l’absorbance est identique
à la précédente. Il est donc possible d’irradier ce tensioactif de manière successive,
sans perdre en intensité d’absorption, et donc sans dégradation de la molécule.

Tous ces résultats sont en concordance avec ceux de la littérature, c’est-à-dire que
l’AzoPEG peut être photo-isomérisé sans dégradation, et cela quelle que soit la
puissance de la lampe utilisée (200W393 ou 500W). Une augmentation de la
puissance d’irradiation entraine uniquement une augmentation de la vitesse
d’isomérisation.

3. Isomérisation du BABTMA

L’étude de la photo-isomérisation du BATMA a été réalisée en irradiant, dans le

noir et à 17°C, une solution à 1.10-4 M successivement à 365 nm et 254 nm, à
l’aide d’une lampe de 6W (Figure II- 23). Le suivi de l’isomérisation se fait par
enregistrement des spectres UV-Visibles toute les 30 s.

143
 Figure II- 23 : Isomérisation du BABTMA

Absorbance
Avant irradiation
3,9 Après irradiation
3,4

2,9

2,4

1,9

1,4

0,9

0,4

-0,1
240 280 320 360 400 440 480 520 560 600
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 24 : Isomérisation du BABTMA à 365 nm

Après 25 min d’irradiation, le maximum d’isomérisation est atteint. Durant cette

isomérisation, la bande située à 350 nm subit un effet hypochrome, pendant que
celles 260 nm à 440 nm présentent une hyperchromie. De plus, trois points
isobestiques sont observables à 250 nm, 300 nm et 420 nm, preuve qu’une
isomérisation trans-cis a bien lieu (Figure II- 24).

L’irradiation à 254 nm, de cette même solution, ne permet qu’une relaxation de la

molécule très lente, vers la forme trans (Figure II- 25). En effet, après 30 min
d’irradiation, une faible évolution de l’absorbance est observée.

144
 Absorbance
3,9 Avant irradiation
Après irradiation
3,4

2,9

2,4

1,9

1,4

0,9

0,4

-0,1
240 280 320 360 400 440 480 520 560 600
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 25 : Irradiation à 254 nm

Par contre, lorsque la solution est laissée à la lumière du jour, nous pouvons
observer l’augmentation de l’absorbance à 350 nm en fonction du temps (Figure
II- 26). Il est ainsi possible de revenir à une valeur de l’absorbance maximale
comparable à celle d’une solution n’ayant jamais été irradiée. Nous pouvons donc
en conclure que l’isomérisation cis-trans est totale en 30 min. De même,
l’aborbance à 440 nm diminue. De même que précédemment, les trois points
isobestiques sont observables.

Absorbance
3,9 Avant irradiation
3,5 Après irradiation
3,1
2,7
2,3
1,9
1,5
1,1
0,7
0,3
-0,1
240 280 320 360 400 440 480 520 560 600
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 26 : Irradiation par la lumière du jour

145
Enfin, une étude de répétabilité des isomérisations a été réalisée, par irradiations
successives à 365 nm et à la lumière du jour (Figure II- 27). Après cinq cycles
d’isomérisations successives, aucune perte d’absorbance n’a été constatée lors du
retour en trans. Ce composé est donc stable aux irradiations et aux photo-
isomérisations

Absorbance
3

2,5

1,5

0,5

Figure II- 27 : Résistance à la fatigue du BABTMA

4. Isomérisation du BABC

En milieu eau pure

La même étude a été effectuée sur le tensioactif anionique, c’est-à-dire, irradiation

à 500W, d’une solution à 1,4.10-4 M, dans le noir à 365 nm puis à 254 nm (Figure
II- 28). Cependant, là aussi, l’isomérisation cis-trans se fait plus facilement à la
lumière du jour.

Figure II- 28 : Conditions d’isomérisation du BABC

146
Le suivi se fait en enregistrant un spectre UV-Visible toute les 15 s (Figure II-
29), le maximum d’isomérisation est obtenu en 18 min. On observe bien une
augmentation de la bande située à 420 nm, ainsi qu’une diminution de l’intensité
de la bande à 330 nm. Par contre, au niveau de la bande située à 230 nm,
l’hypochromie est légère, mais un fort effet bathochrome est observable. De plus,
seuls quatre points isobestiques sont présents à 220 nm, 240 nm, 290 nm et 410
nm.

Absorbance
1,8 Avant irradiation
1,6 Après irradiation

1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
210 250 290 330 370 410 450 490 530 570
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 29 : Spectre UV-Visible du BABC sous irradiation à 365 nm (500W)

Lors de l’isomérisation retour, cis-trans, induite par une irradiation à 254 nm,
l’isomérisation est terminée plus rapidement (6 min), cependant, une perte
importante de l’absorbance maximale, au niveau de la bande à 330 nm, est à
déplorer (Figure II- 30). De plus, l’effet bathochrome au niveau de la bande à
230 nm a disparu, et l’absorbance diminue lors de l’isomérisation. Il est également
à noter que, au vu de la perte d’absorbance importante, la diminution de la bande
à 420 nm n’est plus observable.

147
 Absorbance
1,8 Avant irradiation
1,6 Après irradiation
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
210 250 290 330 370 410 450 490 530 570
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 30 : Isomérisation cis-trans du BABTMA par irradiation à 254 nm (500W)

Ainsi, afin de vérifier cette diminution d’absorbance, trois cycles d’isomérisation

successifs ont été réalisés. On remarque alors une diminution de cette intensité
jusqu’à une valeur minimale de 0,8. Cette absorbance est obtenue lorsque le
maximum d’isomérisation trans-cis est atteint (Figure II- 31).

Absorbance
1,8

1,6

1,4

1,2

0,8

0,6

Figure II- 31 : Cycles d’irradiation successifs du BABC (500W)

En effet, un précipité apparait au fil des isomérisations (forme acide du tensioactif

non soluble dans l’eau). Le pKa de l’acide étant estimé à 6, il est fort probable que,
dans l’eau (pH = 5), la molécule se protone. Ces résultats signifient que la
148
concentration en BABC en solution diminue. Pour répondre à cette question, une
étude dans un milieu tamponné basique (pH = 8) a été menée.

En milieu tampon

Le BABC a été solubilisé dans une solution tampon de carbonate (NaHCO3/Na2CO3),

de pH = 8, afin de vérifier l’influence du pH sur la stabilité du composé. La solution
étudiée est à une concentration de 1,4.10-4 M, et la concentration des espèces
carbonates est de 5.10-3 M.

Absorbance Avant irradiation

Après irradiation
2,7

2,3

1,9

1,5

1,1

0,7

0,3

-0,1
220 260 300 340 380 420 460 500 540 580
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 32 : Isomérisation du BABC sous irradiation à 365 nm (6W)

L’irradiation du BABC (Figure II- 32), à 365 nm, par une lampe de 6W, entraîne
une isomérisation trans-cis maximale en 30 min. Trois bandes d’absorptions sont
visibles à 254 nm, 330 nm et 430 nm, alors que précédemment, seule celle à
330 nm présentait une évolution remarquable au cours de l’isomérisation. Ici, les
bandes à 254 nm et 430 nm présentent un effet hyperchrome au cours du temps,
tandis que l’absorbance à 330 nm diminue. De ce fait, trois points isobestiques
sont présents : 240 nm, 300 nm et 410 nm.

149
 Absorbance
2,9 Avant irradiation
Après irradiation
2,4

1,9

1,4

0,9

0,4

-0,1
220 260 300 340 380 420 460 500 540 580
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 33 : Résultat après 18 h d’irradiation à 254 nm (6W)

Parallèlement, lorsque la solution précédemment irradiée à 365 nm, est placée

sous une longueur d’onde de 254 nm, une faible modification de l’absorbance est
observée. Ainsi, il semblerait que cette puissance de lampe ne soit pas suffisante
pour induire, en 18 h, la relaxation du composé cis (Figure II- 33). Par contre,
lorsque cette même solution est laissée à la lumière du jour, la relaxation se fait,
et est maximale en 50 min (Figure II- 34).

Absorbance
Avant irradiation
2,9 Après irradiation

2,4

1,9

1,4

0,9

0,4

-0,1
220 260 300 340 380 420 460 500 540 580
Longueur d'onde (nm)

Figure II- 34 : Isomérisation cis-trans induite par la lumière du jour

150
Lors de cette relaxation, l’absorbance maximale atteinte à 330 nm, similaire à celle
obtenue pour une solution de BABC n’ayant jamais subi d’isomérisation trans-cis.
Dans le même temps, les bandes d’absorption à 254 nm et 430 nm subissent une
hypochromie.

Afin de vérifier qu’en milieu tamponné, le BABC reste en solution et qu’il ne subit
pas de dégradation, cinq cycles successifs d’isomérisation à 365 nm puis retour à
la lumière du jour, ont été effectués (Figure II- 35). Les résultats obtenus
montrent qu’aucune dégradation n’a lieu durant les isomérisations.

Absorbance
2,5

1,5

0,5

Figure II- 35 : Etude de la résistance du BABC à la fatigue

Ainsi, nous avons montré que le BABC, bien que nécessitant un milieu basique, est
stable aux isomérisations. En effet, par rapport aux résultats obtenus dans l’eau
pure, aucun précipité n’apparait en milieu tamponné, et donc, aucune perte
d’absorbance lors des cycles d’isomérisations successifs.

151
III. Points de Krafft et points de trouble

1. Généralité

Le dernier paramètre intéressant à étudier pour tous ces tensioactifs

azobenzéniques est leur point de Krafft ou point de trouble. En effet, la
température influence le comportement des tensioactifs en solution, mais celui-ci
dépend de la nature même de la molécule. Ainsi, l’augmentation de la température
entrainera une augmentation de la solubilité des tensioactifs ioniques, jusqu’à une
température appelée point de Krafft, pour laquelle les molécules de tensioactifs
commencent à s’organiser en micelles (Figure II- 36). Ainsi, à partir de ce point,
une plus grande quantité de molécules peuvent être solvatées. Différentes
techniques existent permettant de déterminer ce point particulier, parmi lesquelles
la conductimétrie. En effet, la conductivité d’une solution dépend principalement
de la concentration en espèces solubilisées et de la température. Ainsi, pour nos
tensioactifs ioniques, nous utiliserons cette méthode.

Figure II- 36 : Point de Krafft

Concernant les tensioactifs non ioniques, leur comportement vis-à-vis de la

température est totalement différent. En effet, lorsque celle-ci augmente, la
solubilité du tensioactif diminue, il y a démixtion de la phase composée du
tensioactif de la phase aqueuse. Ceci peut s’expliquer par une diminution de la
solvatation de la tête polaire de la molécule, associée à une désorganisation des

152
micelles (Figure II- 37). La température pour laquelle ce phénomène commence
est appelé point de trouble, il correspond donc à une augmentation de turbidité de
la solution. Des techniques optiques, utilisant une lumière incidente, permettent
de détecter la formation du premier cristal en fonction de la température, par
déviation du rayon lumineux.

Figure II- 37 : Schématisation du point de trouble408

Néanmoins, la molécule AzoPeg semble se solubiliser dans l’eau lors d’une

augmentation de température. Ce comportement ne nous a pas permis de
déterminer son point de trouble.

2. Résultats

Les études de la conductimétrie des deux tensioactifs ioniques ont été effectuées
pour des solutions dont la concentration était égale ou légèrement supérieure de
la CMC déterminée précédemment. Pour ce faire, nous avons utilisé un
conductimètre numérique portable (Hach, HQ 14D) associé à une électrode de
conductivité standard (ref. CDC401), un gradient de température a été appliqué à
la solution. Afin de mesurer la conductivité pour des températures inférieures à
25°C, la solution a été placée dans un bain d’eau glacée (Figure II- 38).

153
 Figure II- 38 : Montage réalisé pour la détermination des points de Krafft

a. Etude du BABC

La CMC du BABC ayant été précédemment déterminée à 3,7.10-3 M, la

concentration de la solution de BABC étudiée a donc été fixée à 4.10-3 M, dans un
milieu tamponné à pH = 8. Les résultats obtenus (Figure II- 39) présentent un
saut de conductivité pour des températures comprises entre 17°C et 21°C. La
dérivée de cette partie de courbe nous permet de déterminer un point d’inflexion
à 19,6°C, correspondant au point de Krafft du BABC. Cette valeur est en accord
avec la littérature.407

154
 Conductivité
(µS/cm)
1700

1600
Dérivée

Conductivité
1500

1400
17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
Température (°C)

Figure II- 39 : Détermination du point de Krafft par conductimétrie

b. Etude du BABTMA

La même étude a été réalisée pour une solution dans l’eau pure de BABTMA à une
concentration de 1,8.10-3 M, valeur de la CMC. Les résultats présentés sur la Figure
II- 40 ne nous permettent pas de déterminer le point de Krafft. En effet, aucun
saut de conductivité n’est observé pour un intervalle de températures allant de
12,2°C à 41°C. Deux possibilités peuvent expliquer ce résultat : le point de Krafft
se situe avant ou après cet intervalle de température, ou bien la méthode utilisée
ne permet pas sa détermination. Il est à noter que lors de la préparation de toutes
les solutions de BABTMA dans l’eau, un chauffage aux alentours de 70°C était
nécessaire pour solubiliser le produit. Ainsi, il semblerait que le point de Krafft du
BABTMA soit supérieur à 41°C. Notre montage ne permet pas, en l’état, de
déterminer précisément sa valeur.

155
 Conductivité
(µS/m)
110

100

90

80 Montée en
température

70
10 15 20 25 30 35 40 45
Température (°C)

Figure II- 40 : Résultats des mesures de conductivité d’une solution de BABTMA

156
IV. Conclusion

Différentes analyses physico-chimiques ont été réalisées sur les trois familles de
composés synthétisés. Chacun d’eux présentent des propriétés tensioactives,
comme l’ont montrées les mesures de tensions superficielles par la méthode de la
lame de Wilhelmy. En effet, ils permettent tous d’observer une diminution de la
tension superficielle de l’eau pure (ou d’un milieu tamponné) par augmentation de
leur concentration en solution.

D’autre part, leur capacité de photo-isomérisation, ainsi que leur résistance au

phénomène de « fatigue », ont été évaluées par irradiations successives à des
longueurs d’onde de 365 nm et de 254 nm, par des lampes de 6W et de 500W.
Chaque tensioactif présente une facilité d’isomérisation trans-cis, ainsi qu’une
grande résistance à la « fatigue ». Les BABTMA et BABC présentent la particularité
de s’isomériser très lentement par irradiation à 254 nm (6W), mais reviennent
complètement de la forme cis à la forme trans par l’action de la lumière du jour.

Enfin, concernant les points de Krafft des BABC et BABTMA et du point de trouble
de l’AzoPEG, nous n’avons été en mesure que de déterminer celui du BABC
(19,6°C).

Tensioactif Nombre Rendement CMC Point de Krafft/

d’étapes de global Trans/Cis trouble
synthèse
AzoPEG (2) 3 50% 5,3 µM/9,5 µM nd
BABC (10) 2 35% 3,5 mM/3,7 mM 19,6°C
BABTMA (5b) 5 28% 1,5 mM/1,6 mM nd
Tableau II- 1 : Tableau récapitulatif des tensioactifs étudiés

Ces composés présentant toutes les qualités nécessaires aux tensioactifs

(solubilité en milieu aqueux, diminution de la tension superficielle de l’eau),
l’apport de leurs propriétés de photo-isomérisation, en réaction chimique, sera
étudié en catalyse micellaire, sur une réaction pallado-catalysée : la substitution
allylique de Tsuji-Trost.

157
 Chapitre II-3 : Application à la catalyse micellaire

I. Substitution allylique de Tsuji-Trost

La réaction de Tsuji-Trost est une réaction pallado-catalysée menant à la

substitution par un nucléophile d’un groupement partant en position allylique
(Schéma II- 10).88 Celui-ci peut être un acétate, un carbonate, un halogène,
phosphoré, un ammonium ou un hydroxyle. Le nucléophile, quand à lui, sera
carboné, soufré, phosphoré, oxygéné ou aminé. Il est à noter que l’utilisation d’une
base n’est pas toujours nécessaire, notamment en présence d’amine ou de dérivé
souffré.

Schéma II- 10 : Schéma général de la réaction de Tsuji-Trost

Cette réaction est principalement utilisée en synthèse totale afin de créer de

nouvelles liaisons C-C, C-S, C-N et C-O possédant une forte stéréo-, chimio- et
régio-sélectivité.89,90 Il existe très peu d’exemples présentant cette réaction dans
l’eau dans la littérature.82,91 Ce solvant, solvant « vert » par excellence, est non
toxique, non volatil, non explosif et non inflammable. C’est pourquoi il apparait
intéressant d’étudier cette substitution allylique dans l’eau, en milieu micellaire,
permettant un recyclage du catalyseur et de tout le milieu réactionnel.

II. Étude et résultats

Notre étude est basée sur la méthodologie et les résultats présentés par Felpin et
al. en 2005 (Schéma II- 11).82 En effet, les auteurs réalisent cette réaction dans
l’eau pure, en chauffage conventionnel. Ils utilisent du palladium supporté sur
charbon, car ce catalyseur est compatible avec les solvants aqueux et permet
d’augmenter la recyclabilité du palladium. Il nous paraissait intéressant de vérifier
si les temps de réaction assez longs (18 h) pouvaient être réduits par l’ajout, dans
le milieu, d’un tensioactif. Dans un premier temps, une étude cinétique de cette

159
réaction, en chauffage conventionnel a été réalisée afin de déterminer l’influence
du tensioactif. Puis, l’influence du mode d’activation a été étudiée (micro-onde vs
chauffage conventionnel). Enfin, nous nous sommes intéressés à la recyclabilité
du milieu.

Les tensioactifs utilisés sont les plus connus de chaque classe : Anionique (SDS),
cationique (CTAB) et non ionique (Tween™ 20). Ces molécules ont été comparées
à un tensioactif de type azobenzène, l’AzoPEG.

Schéma II- 11 : Réaction de Tsuji-Trost étudiée

1. Chauffage conventionnel

Durant cette synthèse, l’azobenzène 2 (Figure II- 41) a été testé à différentes
concentrations (1, 3 et 10 x CMC) et comparé au blanc (eau pure), afin de
déterminer la quantité optimale de tensioactif à introduire dans le milieu
réactionnel (Figure II- 42). Dans l’eau pure, un temps de réaction de 18 h à 70°C
est nécessaire pour obtenir une conversion totale et un rendement isolé de 86%
en sulfone. L’utilisation d’azobenzène à 6 µM (CMCtrans < 6 µM < CMCcis) n’a pas
permis d’améliorer ce résultat, alors qu’à une concentration de 3 x CMC (12,3 µM)
la réaction est plus rapide : un rendement de 83% est obtenu en seulement 3 h,
pour un rendement maximal (en 18 h) de 96%. L’ajout du tensioactif en plus
grande quantité (10 x CMC) semble ralentir la cinétique de la réaction (58% en
3 h). Lorsque trop de molécules tensioactives sont présentes dans le milieu
réactionnel, elles semblent masquer les réactifs, ce qui ralentit leur mise en
contact.

160
 Figure II- 41 : Structure de l’azobenzène 2 étudié (AzoPEG)

Rendement
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2 3 6 18
Blanc AzoPEG 3 CMC AzoPEG 10 CMC Temps de réaction (h)

Figure II- 42 : Etude cinétique de la substitution allylique en présence ou non

d’azobenzène, en chauffage conventionnel

Une analyse UV a été effectuée sur une solution d’AzoPeg à 6 µM en présence de

Pd/C afin de déterminer la quantité d’azobenzène encore en solution : la
concentration en tensioactif n’était que de 0,4 µM, soit dix fois moins que la
CMCtrans. Cela démontre une nette affinité, complexante ou adsorbante, entre
l’AzoPEG et le palladium utilisé. Alors que dans le cas d’une solution à 12,3 µM, en
présence de Pd/C, cette concentration est comprise entre 5,4 µM et 6,9 µM, c’est-
à-dire entre CMCtrans (4,1 µM393 ; 5,3 µM entre nos mains) et CMCcis (8,0 µM393 ;
9,5 µM entre nos mains).

Dans ces conditions optimisées de concentration (3 x CMC), nous avons voulu

tester l’azobenzène BABC. Cependant, un ajout de base au milieu réactionnel est
nécessaire du fait de sa tendance à précipiter dans l’eau. De plus, ses CMC étant
comprises entre 3,5 mM et 3,7 mM, la concentration en tensioactif nécessaire
(10,5 mM, 3,2 g/L) est supérieure à sa limite de solubilité, déterminée comme
étant inférieure à 2,1 g/L à 70°C. Les conditions de l’étude ne sont donc pas
compatibles avec l’utilisation de ce tensioactif.
161
Cette étude montre que l’utilisation d’un tensioactif lors de cette réaction de Tsuji-
Trost permet à la fois d’améliorer le rendement final, mais également la vitesse de
réaction.

2. Micro-ondes

Afin de s’inscrire totalement dans un contexte de chimie verte, la comparaison

entre le chauffage conventionnel et les micro-ondes s’imposait. Dans un premier
temps, une étude cinétique en micro-onde a été effectuée afin de vérifier l’intérêt
d’ajouter un tensioactif au milieu réactionnel (Figure II- 43). Nos résultats
montrent qu’en 15 min l’influence du tensioactif est maximale par rapport au
rendement obtenu dans l’eau pure.

Rendement
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
5 10 15 30
Eau AzoPEG (3 CMC) Temps de réaction (min)

Figure II- 43 : Etude cinétique en micro-onde

La comparaison entre l’activation par micro-ondes et l’activation thermique à 70°C

montre que cette dernière permet d’obtenir 20 points de rendement
supplémentaires par rapport aux micro-ondes. Les temps de réaction indiqués sont
ceux optimisés pour chaque mode d’activation (Tableau II- 2).

162
 Conventionnel Micro-onde
(3 h, 70°C) (15 min, 70°C)
Blanc 42% 20%
AzoPeg 83% 64%
Tableau II- 2 : Comparaison chauffage conventionnel et micro-onde

Ainsi, malgré un temps de réaction réduit, l’utilisation des micro-ondes ne semble

pas intéressante du fait de la perte de rendement assez importante. Ce mode
d’activation peut éventuellement être intéressant s’il permet d’augmenter la
recyclabilité du milieu réactionnel et notamment du catalyseur.

3. Étude de la recyclabilité du milieu

Pour vérifier l’intérêt d’utiliser un tensioactif photorégulable, nous avons comparé

l’AzoPEG (2) à trois tensioactifs commerciaux représentant les trois grandes
classes : un anionique, le SDS, un cationique, le CTAB et un non-ionique, le
Tween™ 20.

Cette étude a été effectuée pour les deux modes d’activation : conventionnelle
(Figure II- 44) et micro-onde (Figure II- 45). Pour pouvoir recycler le milieu
réactionnel, trois extractions successives à l’acétate d’éthyle ont été réalisées
après chaque réaction, puis un équivalent de chaque réactif est ajouté ainsi que
4 mol% de PPh3, aucun tensioactif ni catalyseur n’est ajouté. Les tensioactifs sont
introduits à une concentration de trois fois leur CMC (Tableau II- 3).

CMC Concentration
Tensioactif
(mol/L) utilisée (mol/L)
SDS 8,2.10-9 2,46.10-8
Tween™ 20 4.10-5 1,2.10-4
CTAB 1.10-3 3.10-3
AzoPeg 4,1.10-6 1,23.10-5
Tableau II- 3 : CMC et quantité utilisée des différents tensioactifs

163
 Eau
Rendement
SDS
CTAB
100 Tween™ 20
AzoPEG
80
AzoPEG*
60

40

20

0
1 2 3 4 5 6 7
Nombre de cycles

Figure II- 44 : Recyclage en chauffage conventionnel, 70°C, 3 h ; * irradiation 30 min

avant extraction du milieu

En l’absence de tensioactif (blanc), sous activation thermique traditionnelle

(Figure II- 44), le milieu réactionnel est recyclable sur trois cycles successifs,
avec une légère baisse du rendement (42%, 36% puis 34%) avant un
effondrement total au quatrième. L’efficacité du tensioactif dépend fortement de
la nature de sa tête polaire. Ainsi, le SDS étant un tensioactif anionique, il inhibe
légèrement la réaction du fait de la répulsion des charges avec le pTsNa, portant
lui aussi une charge négative. De plus, le milieu n’est pas du tout recyclable
puisqu’au deuxième cycle, le rendement passe de 26% à 0.

Par contre, le CTAB, tensioactif cationique, permet d’effectuer quatre cycles

successifs, les deux premiers étant supérieurs au blanc de 20 à 30 points (80% et
90%), avant de diminuer sur les deux suivant. Le cinquième recyclage ne permet
pas d’obtenir de produit. Le Tween™ 20 ne permet de réaliser que trois cycles
moyens (71%, 63% et 7%).

L’étude de l’azobenzène a été divisé en deux parties, avec et sans irradiation avant
l’extraction des produits en fin de réaction. Dans le premier cas, quatre cycles
peuvent être réalisés avec une légère décroissance des rendements (83%, 99%,
92% et 72%) avant un effondrement total à 6% au cinquième cycle. Dans le
deuxième cas, avec irradiation en fin de réaction, il est possible d’effectuer un cycle
supplémentaire, mais surtout, les quatre premiers cycles présentent des
164
rendements quasi-quantitatifs (96%, 99%, 98% et 97%) avant de diminuer à 35%
et 5% pour les cinquième et sixième cycles.

Il est donc clair que les rendements de la réaction sont supérieurs ou égaux à
96%, 99%, 98% et 97%. Sans irradiation, l’extraction n’est pas totale et une perte
de masse en produit cible est constatée, conduisant aux rendements de 83%,
99%, 92% et 72%. L’irradiation permet, dans ce cas, l’extraction totale de la
molécule cible.

Eau
Rendement
SDS
Tween™ 20
100 CTAB
90
AzoPEG
80
AzoPEG*
70
60
50
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 6 Numbre de cycles

Figure II- 45 : Recyclage en micro-onde, 70°C, 3h ; * irradiation 30 min avant extraction

du milieu

Les profils de recyclage en micro-ondes sont totalement différents de ceux obtenus

par chauffage conventionnel (Figure II- 45). En effet, les milieux réactionnels
sont moins recyclables lorsque les réactions sont effectuées par ce mode
d’activation. Des variations de températures sont possibles dû au mode de prise
de température utilisé par l’appareil. Cependant, le blanc est toujours recyclable
sur trois cycles avec des rendements faibles compris entre 22% et 16%. Le SDS
reste peu efficace (26% sur un unique cycle). Le CTAB présente le meilleur résultat
sur le premier cycle avec un rendement de 79%. Le deuxième cycle permet
d’obtenir une conversion totale et d’isoler 100% de produit, cependant le résultat
s’effondre au troisième cycle avec un rendement de 26%. Le profil de l’azobenzène
est le même que celui du CTAB, avec la possibilité de réaliser un à deux cycles
supplémentaires en irradiant. Ainsi, en irradiant le milieu, il est possible d’obtenir
165
cinq cycles successifs, mais surtout de maintenir une légère activité sur les trois
derniers avec des rendements compris entre 26% et 12%. Cet azobenzène permet
donc, lorsqu’il est irradié, d’augmenter la réactivité du milieu sur deux cycles avant
de revenir au niveau du blanc.

4. Ouverture de la méthode à d’autres substrats

Lors d’une étude méthodologique, il est important de vérifier que les conditions
mises au point sont utilisables sur des substrats différents. Nous avons testé nos
conditions (70°C, 3 h, AzoPEG (2) à 3 x CMC) sur trois nucléophiles et trois allyles
différents (Tableau II- 4). Les produits désirés ont tous étés obtenus avec des
rendements moyens voire excellents (entre 36% et 96%).

Lorsque le nucléophile est linéaire, les rendements sont meilleurs comparés à des
nucléophiles de type allyles ramifiés et cycliques ou possédant un groupement
souffré. En effet, les produits correspondants sont obtenus avec des rendements
moyens de 52% (Tableau II- 4 – entrées 2 et 3). Par contre, avec un
nucléophile aminé, plus ou moins encombré, l’allyle ramifié sera plus réactif
(Tableau II- 4 – entrées 5 et 8), et l’allyle cyclique sera peu ou moyennement
réactif (Tableau II- 4 – entrées 6 et 9).

166
Entrée R1 R2 Isomère Nucléophile Produit Rendement
1 H Ph E 16 96%
2 Ph Ph E p-TsNa 17 52%
3 (CH2)3 Z 18 52%
4 H Ph E 19 75%
5 Ph Ph E Morpholine 20 90%
6 (CH2)3 Z 21 60%
7 H Ph E 22 62%
8 Ph Ph E Bn2NH 23 77%
9 (CH2)3 Z 24 36%
Tableau II- 4 : ouverture pour la réaction de Tsuji-Trost

167
III. Conclusion

Les résultats obtenus lors de cette étude ont montré qu’il était possible d’améliorer
des réactions métallo-catalysées, et notamment pallado-catalysées comme la
substitution allylique de Tsuji-Trost, par l’ajout d’un tensioactif. Ces résultats ont
été publiés.409 La présence d’un groupement photorégulable sur ce tensioactif
permet d’améliorer l’extraction du produit désiré et la recyclabilité en stabilisant le
catalyseur dans le milieu.

Dans ce cas, l’utilisation, pour cette réaction, de l’activation par micro-ondes ne

semble pas être intéressante, tant d’un point de vu conversion du substrat que
recyclabilité du milieu.

Enfin, la méthode mise au point, en chauffage conventionnel, permet de faire

réagir des allyles linéaires, cycliques et ramifiés avec des nucléophiles soufrés et
aminés. Ainsi, de nombreux produits différents, à forte valeur ajoutée, pourraient
être obtenus par cette méthode.

168
Partie III : Synthèse de nouveaux
précurseurs de tensioactifs par voie
radicalaire éco-compatible
 Partie III : Synthèse de nouveaux précurseurs de
tensioactifs par voie radicalaire éco-compatible

L’objectif de cette étude est la mise au point d’une nouvelle méthodologie de

synthèse de maléimides symétriques ou dissymétriques, intégrant les concepts de
chimie verte.

Les composés présentant un motif maléimide sont des molécules de grand intérêt
car ils peuvent être utilisés directement en chimie médicinale ou dans des produits
phytosanitaires pour leurs propriétés cytotoxiques,410,411 antifongiques411,412 ou
encore inhibitrices d’enzymes.413 Ces molécules sont également utilisées comme
intermédiaires de synthèse, pour la préparation de polymères414–418 ou de
molécules naturelles419–421 par exemple. De nombreuses voies de synthèses ont
été mises au point à partir de molécules très diverses comme des anhydrides
(diméthylmaléique,412 itaconique422 ou citraconique411,413), des phénylisocyanide423
ou de phénylmaléimides substitués424 ou non-substitués.357,425 Les inconvénients
majeurs de toutes ces méthodologies sont leurs faibles rendements et leur
réalisation en solvant organique uniquement. Nous avons vu précédemment que
la décarboxylation de Barton permet également l’obtention de ces composés, en
deux étapes seulement. Pourtant, très peu d’exemples utilisant cette méthode ont
été décrits ces 30 dernières années,343,358,389 et aucun dans l’eau.

Nous nous proposons donc d’étudier la réaction de décarboxylation de Barton d’un

acide carboxylique, pouvant être bio-sourcé, dans l’eau. Les molécules obtenues
seront, à terme, utilisées comme précurseurs de composés dicarboxylates,
tensioactifs géminés, symétriques ou dissymétriques, possédant deux têtes
polaires anioniques (Schéma III- 1).

169
Schéma III- 1 : Objectif de l’étude

170
 Chapitre III-1 : Optimisation d’une synthèse éco-compatible

Dans le cadre de notre étude, nous avons choisi l’acide hexanoïque comme acide
carboxylique, car il présente l’intérêt de posséder une chaine carbonée de taille
moyenne (C6), ce qui permettra une ouverture sur des acides carboxyliques
linéaires plus courts ou plus longs, mais aussi aromatiques ou ramifiés… De plus,
afin d’obtenir les dérivés maléimides souhaités, nous avons utilisé, comme piège
de radicaux, le N-phénylmaléimide, favorisant ainsi le produit de substitution
(Schéma III- 2).

Schéma III- 2 : Réaction générale et produit obtenu

Le but de ce travail est donc de réaliser cette décarboxylation dans l’eau, avec ou
sans tensioactif. Différents paramètres peuvent influer sur le rendement de la
réaction, il est donc nécessaire de les étudier séparément. Ces paramètres sont :
la nature du solvant, la dilution des réactifs, le temps de réaction et le mode
d’activation.

Les conditions réactionnelles de départ sont celles présentées par Denancé et al.
en 2006 :358 la réaction est réalisée en deux étapes dans le dichlorométhane.
L’acide hexanoïque réagit, tout d’abord, avec la 2-mercaptopyridine-N-oxyde,
catalysée par de la DCC, puis, par irradiation lumineuse, la décarboxylation est
réalisée en présence de N-phénylmaléimide (Schéma III- 3).

Schéma III- 3 : Schéma réactionnel

171
 I. Etude de la réaction en deux étapes

1. Optimisation en solvant organique

Dans un premier temps, la réaction a été étudiée en solvant organique, afin de

déterminer l’influence de chaque paramètre sur le rendement (Tableau III- 1).
Nous avons pu constater, d’une part, que la diminution du volume du milieu
réactionnel (Tableau III- 1, entrées 2 et 3), ainsi que de la quantité de N-
phénylmaléimide (Tableau III- 1, entrées 3 et 4), n’influencent pas le
rendement final de la réaction. Par contre, la durée d’estérification semble être le
facteur le plus important. En effet, pour un temps de réaction divisé par deux, le
rendement de décarboxylation est augmenté de 20% (Tableau III- 1, entrées
1 et 2). Ceci peut s’expliquer par une dégradation de l’ester thiohydroxamique au
cours de cette première étape, et ceci, avant qu’il n’ait pu réagir avec le maléimide.

Volume Quantité Durée

Entrées Rendementsa,b
(mL) de piège d’estérification
1 15 5 équiv. 4h 63%
2 15 5 équiv. 2h 77%
3 5 5 équiv. 2h 81%
4 5 1,5 équiv. 2h 81%
5 5 1,5 équiv. 1h 77%
a Conditions de réaction : protégé de la lumière, acide hexanoïque (1,03
mmol), DCC (1,2 équiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxyde (1,5 équiv.), CH2Cl2
(5 ou 15 mL), TA, 2 h, puis N-phénylmaléimide, h, 2 h.
b Rendements HPLC obtenus par une courbe de calibration avec un étalon
externe.

Tableau III- 1 : Optimisation dans le dichlorométhane

Ainsi, les conditions optimales pour cette réaction de décarboxylation de l’acide

hexanoïque, dans le dichlorométhane ont pu être fixées : la réaction peut être
réalisée dans 5 mL de milieu réactionnel et en présence de 1,5 équivalents de N-
phénylmaléimide (Tableau III- 1, entrée 5). Le temps d’estérification nécessaire
à la réaction peut être abaissé à 1 h sans perte significative de rendement, ce qui
permet un gain de temps et d’énergie.

172
 2. Influence du solvant sur la réaction radicalaire

Dans un contexte de développement durable, le remplacement des solvants

organiques, tel que le dichlorométhane, par un solvant dit « vert », comme l’eau
ou l’éthanol, est un enjeu majeur.

Dans un premier temps, l’influence du solvant a été étudiée pour la réaction

radicalaire, en suivant le protocole optimisé (Figure III- 1). En effet, cette
réaction de décarboxylation ayant lieu en deux étapes, il est nécessaire de vérifier
l’impact de chaque paramètre sur chacune des étapes. L’ester est préalablement
formé dans le dichlorométhane, pendant 2 h sous agitation magnétique, protégé
de la lumière, puis le solvant est remplacé par le milieu aqueux étudié. La
décarboxylation est alors induite par irradiation lumineuse obtenue par une lampe
à mercure de 500W, afin d’augmenter au maximum la cinétique de réaction.

Rendement
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Solvant pur SDS CTAB Tween™ 20
DCM Eau 1 cmc 5 cmc 10 cmc

Figure III- 1 : Influence du solvant lors de la décarboxylation de Barton

Malgré une perte de 20% de rendement lors de la réaction dans l’eau pure par
rapport au dichlorométhane (61% contre 81%), le résultat obtenu est
encourageant car l’ajout d’un tensioactif peut être bénéfique.

Les différentes classes de tensioactifs ont donc été testées, à des concentrations
différentes basées sur leur CMC respective (SDS : 8,2 mM, CTAB : 0,92 mM,
Tween™ 20 : 80 µM, Figure III- 2).

173
 Figure III- 2 : Tensioactifs étudiés

Nos résultats montrent qu’une trop faible concentration en tensioactif (à la CMC),

ne permet pas d’améliorer le rendement obtenu dans l’eau pure, ils semblent
même inhiber légèrement la réaction. Par contre, l’introduction d’une plus forte
concentration (5 x CMC) permet de se rapprocher du rendement obtenu dans le
dichlorométhane, par une meilleure dispersion des réactifs dans le milieu. Il est à
noter que la nature de la tête polaire ne semble pas jouer un rôle très important
lors de la réaction radicalaire (Figure III- 3).

Figure III- 3 : Milieux réactionnels : A) dans l’eau pure ; B) en présence d’un tensioactif

Par contre, une augmentation de la concentration en tensioactifs introduits jusqu’à

10 x CMC ne permet pas une augmentation significative du rendement : le gain
n’est que de 3% pour le SDS (79% à 10 x CMC contre 76% à 5 x CMC). En ce qui
concerne le CTAB et le Tween™ 20, l’observation inverse est faite : perte de 2%
de rendement avec l’augmentation de la concentration pour le CTAB et de 34%

174
pour le Tween™ 20. A ces fortes concentrations, le Tween™ 20 semble inhiber la
réaction par un effet masque, ce qui empêche les réactifs de se rencontrer.

La décarboxylation radicalaire est donc réalisable dans des milieux aqueux, en

présence d’un tensioactif avec des rendements comparables à ceux obtenus en
utilisant le dichlorométhane comme solvant.

II. Mise au point d’une décarboxylation en une étape

Nous avons vu précédemment que la partie radicalaire de cette réaction pouvait

être réalisée en milieu aqueux de façon efficace. Ainsi, afin de diminuer au
maximum l’impact énergétique de cette réaction, il apparait nécessaire de conduire
cette réaction de décarboxylation de Barton en une seule étape (Schéma III- 4).

Schéma III- 4 : Schéma réactionnel étudié

1. Influence du solvant

Nous avons commencé l’étude à partir du dichlorométhane, notre solvant de

référence, afin de vérifier sa faisabilité (Tableau III- 2). Puis, au vu de la faible
dispersion des réactifs dans l’eau pure, d’autres systèmes « verts », permettant
d’augmenter la mise en contact des réactifs par une solubilisation totale ou une
meilleure dispersion, ont été testés: éthanol, eau, éthanol/eau et eau/tensioactif
(Figure III- 4).

175
 Entrée Solvant Méthode Rendementa,b
1 CH2Cl2 A 81%
2 CH2Cl2 B 78%
a Conditions de réaction : Méthode A : protégé de la lumière, acide hexanoïque (1,03 mmol), DCC
(1,2 équiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxyde (1,5 équiv.), CH2Cl2 (5 mL), TA, 2 h, puis N-
phénylmaléimide (1,5 équiv.), h, 2 h ; Méthode B : sans protection de la lumière, acide
hexanoïque (1,03 mmol), DCC (1,2 équiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxyde (1,5 équiv.), N-
phénylmaléimide (1,5 équiv.), CH2Cl2 (5 mL), h, 2 h.
b
Rendements HPLC obtenus par une courbe de calibration avec un étalon externe.

Tableau III- 2 : Comparaison des deux méthodes

L’ajout du piège à radicaux dès le début de la réaction nous permet d’obtenir, avec
le même rendement que précédemment, le produit de décarboxylation désiré
(78% contre 81%). Cette méthode B est donc plus efficace que celle en deux
étapes, car elle permet un gain de temps (la durée de réaction étant divisée par
deux) et d’énergie.

La substitution du dichlorométhane par de l’eau pure entraine une chute drastique

du rendement (12% contre 78%) pouvant être expliquée, en partie, par la
mauvaise mise en contact des réactifs. C’est pourquoi, l’utilisation d’un co-solvant
comme l’éthanol ou l’ajout de tensioactif peut se révéler intéressante (Figure III-
4).

Rendements
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

Figure III- 4 : Influence de la nature du solvant

176
 Figure III- 5 : Tensioactifs étudiés

Les tensioactifs étudiés dans cette partie possèdent tous une tête polaire non-
ionique (Figure III- 5). En effet, l’utilisation du Tween™ 20 lors de l’étude
précédente nous a permis d’obtenir des rendements corrects, une ouverture vers
d’autres tensioactifs non-ioniques a donc été réalisée.

Bien que la majorité des tensioactifs (Tween™ 20, Tergitol™ NPX, Triton™ X-100
et Brij® 35) permette d’améliorer le rendement obtenu dans l’eau pure, celui-ci ne
dépasse pas les 17%.

L’utilisation de l’éthanol comme solvant de réaction permet, effectivement,

d’augmenter la réactivité du milieu par rapport à l’eau pure (60% contre 10%).
Cependant, bien que tous les réactifs soient totalement solubilisés dans le milieu,
une perte de 12% de rendement est observée par rapport au dichlorométhane.

L’utilisation d’un alcool comme solvant peut entrainer des réactions concurrentes
d’estérification de l’acide hexanoïque par l’éthanol et/ou de trans-estérification de
l’ester thiohydroxamique. Sachant qu’un acide carboxylique, protégé sous forme
d’un ester méthylique simple, n’est pas décarboxylé,358 seules ces deux réactions
peuvent expliquer la baisse de rendement observé. Une étude RMN nous a permis
d’écarter ces hypothèses (Figure III- 6) : A) l’acide hexanoïque et la DCC sont
mélangés dans du méthanol ; B) l’acide hexanoïque, la 2-mercaptopyridine-N-
oxyde et la DCC sont mélangés dans le méthanol. Les deux solutions sont laissées
sous agitation magnétique pendant 2 h à TA et protégées de la lumière, puis
analysées par RMN en présence de dichlorométhane comme étalon externe. Les
spectres obtenus nous montrent qu’en l’absence de 2-mercaptopyridine-N-oxyde,
177
l’ester méthylique se forme avec un rendement d’environ 14%, alors qu’en sa
présence, il ne se forme qu’à hauteur de 5%. Ceci montre que l’estérification par
le solvant de l’acide hexanoïque est très limitée dans nos conditions de réaction,
qu’aucune trans-estérification de l’ester thiohydroxamique n’est possible et enfin,
que la cinétique de formation de cet ester est plus rapide que celle de l’ester
méthylique.

Figure III- 6 : Spectres RMN, dans le CDCl3, des estérifications avec (B) et sans (A) 2-
meraptopyridine-N-oxyde

Il est donc clair que la baisse de rendement observée lors de la réaction dans
l’éthanol par rapport au dichlorométhane n’est pas due à des réactions
concurrentes. Les alcools semblent donc ralentir la cinétique des réactions
radicalaires.

L’utilisation d’un système binaire éthanol/eau (1:1) permet d’obtenir un

rendement comparable au dichlorométhane (77% contre 78% respectivement).
Ce mélange de solvants permet donc de limiter les inconvénients de chacun utilisé
séparément : l’éthanol permet la formation de l’ester thiohydroxamique et la mise
en contact des réactifs, et l’eau permet à la réaction radicalaire d’avoir lieu.

178
 2. Influence du temps de réaction

Nous avons vu précédemment que les rendements obtenus, lors de cette

décarboxylation radicalaire en une étape, en incorporant des tensioactifs non-
ioniques au milieu aqueux, étaient très faibles (<15%). Cependant, la cinétique
de la réaction en milieu aqueux peut être ralentie par rapport à celle dans le
dichlorométhane, une augmentation du temps de réaction peut pallier cet
inconvénient. Il apparait donc important de vérifier l’influence de ce dernier
paramètre (Figure III- 7).

Rendement
100%
90%
80% 2h 4h
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

Figure III- 7 : Etude de la durée de réaction

En l’absence d’éthanol, l’augmentation du temps de réaction permet, dans tous les

cas, d’améliorer significativement le rendement de la réaction. Ainsi, il est possible
d’obtenir 31% de produit attendu en 4 h dans l’eau pure, alors que seulement 12%
se forment en 2 h. L’ajout de Tween™ 20 au milieu réactionnel permet d’obtenir
cinq fois plus de produit en doublant le temps de réaction, alors que dans le même
temps, nous n’observons qu’un gain de 2% dans le dichlorométhane. Le gain
obtenu en 4 h en présence de Tergitol™ NPX ou d’AzoPEG est plus faible, mais
reste significatif (39% vs 17% et 29% vs 8% respectivement).

En présence d’éthanol, les rendements de la réaction chutent avec l’augmentation

du temps de réaction : dans l’éthanol, 30% en 4 h contre 60% en 2 h. Cette forte
diminution peut s’expliquer par la faible stabilité du produit dans l’éthanol, qui se

179
dégrade donc dès sa formation. La présence d’eau dans le milieu permet de limiter
la chute du rendement (72% contre 30% dans l’éthanol).

La décarboxylation de Barton est donc réalisable sous irradiation lumineuse, en

deux étapes, permettant d’obtenir 81% du composé 27, dans le dichlorométhane,
ainsi que dans des conditions plus vertes (en milieu aqueux en présence de CTAB).
De plus, nous avons montré qu’il est également possible de conduire cette réaction
en une seule étape, lorsque le piège est différent du solvant, avec des rendements
moyens à bons en fonction du solvant utilisé. La modification du mode d’activation
peut être une alternative afin d’améliorer les résultats obtenus.

D’autre part, en s’appuyant sur les travaux antérieurs du laboratoire,158,409 nous

avions fixé les quantités de tensioactifs introduites dans les milieux réactionnels
par rapport à leur CMC respective. Cependant, il est apparu qu’en fonction de cette
CMC, le tensioactif peut être en quantité catalytique, stœchiométrique ou sub-
stœchiométrique par rapport aux réactifs. Pour pallier ce problème, nous avons
décidé, pour la suite de l’étude, d’introduire les tensioactifs en pourcentage
massique par rapport à la quantité de solvant.

III. Etude de différents mode d’activation

Dans sa version originale, la décarboxylation de Barton était réalisée au reflux du

benzène puis du toluène et du dichlorométhane. Il paraissait donc intéressant de
tenter cette réaction par activation thermique, en milieu aqueux. De plus, dans
l’optique d’une chimie plus verte et de développement durable, l’utilisation de
techniques alternatives, comme les micro-ondes et les ultrasons, est à valoriser.
C’est pourquoi, nous avons également étudié l’influence de ces différents modes
d’activation sur la décarboxylation de l’acide hexanoïque.

180
 1. Activation thermique

En nous basant sur les résultats obtenus précédemment lors de l’optimisation de

la réaction de décarboxylation par activation sous UV (un volume de solution de
5 mL, un temps de réaction de 2 h et l’utilisation d’un tensioactif non ionique),
nous nous sommes intéressés à l’influence de la nature du tensioactif introduit.
Trois classes différentes de molécules ont donc été testées : les bases sucres, les
aromatiques et les chaines carbonées.

La comparaison des résultats obtenus par activation UV (Figure III- 7) et

thermique (Tableau III- 3) nous permet de constater qu’en présence d’un solvant
organique, les cinétiques de réaction sont les mêmes (Tableau III- 3, entrées
1, 2 et 4). Par contre, dans l’eau pure, la réaction est plus lente par activation
thermique, mais l’augmentation du temps de réaction permet d’obtenir un meilleur
résultat que par irradiation lumineuse (Tableau III- 3, entrée 3).

Activation UVa,b Activation Thermiquea,b

Entrée Solvant
2 h (4 h) 2 h (4 h)
1 CH2Cl2 78% 81%
2 EtOH 60% 54%
3 Eau 12% (28%) 4% (52%)
4 EtOH/Eau 77% (72%) 73% (52%)
a Conditions de réaction : sans protection de la lumière, acide hexanoïque (1,03 mmol), DCC
(1,2 équiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxyde (1,5 équiv.), N-phénylmaléimide (1,5 équiv.),
Solvant (5 mL), h ou 50°C, 2 h ou 4 h.
b Rendements HPLC obtenus par une courbe de calibration avec un étalon externe.

Tableau III- 3 : Comparaison activation thermique et lumineuse

a. Tensioactifs base sucre

Il existe de nombreux tensioactifs constitués d’une partie sucre pour tête polaire.
Nous en avons sélectionnés quelques-uns construits autour d’un sorbitol substitué
par un ou plusieurs esters gras : laurate (Tween™ 20), stéarate (Tween™ 85,
Span® 65, Span® 60), oléate (Span® 80) et palmitate (Span® 40) (Figure III- 5
et Figure III- 8).

181
 Figure III- 8 : Tensioactif à base sucre étudiés

Les réactions conduites en présence de ces tensioactifs présentent toutes des

cinétiques plus grandes que dans l’eau pure (Figure III- 9). Cependant, les
rendements obtenus sont encore très inférieurs au dichlorométhane : le Tween™
20, le Span® 60 et le Span® 80 permettent la formation d’un maximum de 50%
de produit de décarboxylation 25, contre 81% dans le dichlorométhane. Les autres
tensioactifs sont moins efficaces avec des rendements compris entre 38% pour le
Span® 40 et 44% pour le Span® 60. Ces résultats ne peuvent, malheureusement,
ni être corrélés avec la valeur de leur HLB, ni avec la taille de leurs parties
apolaires. En effet, par exemple le Tween™ 20 (HLB = 16,7) donne le même
résultat que les Span® 60 et Span® 80 (HLB de 4,7 et 4,3 respectivement). De
plus, ces trois tensioactifs n’ont pas les mêmes tailles de chaînes apolaires : le
Tween™ 20 est composé d’un ester de l’acide laurique (C11) et les Span® 60 et
Span® 80 sont constitués d’esters des acides stéariques et oléiques respectivement
(C17).

182
 Rendement
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

Figure III- 9 : Influence des tensioactifs à base de sucre

Tensioactifs aromatiques

Cette famille de tensioactifs est moins répandue, cependant leur étude nous
permet de comparer leur activité avec des composés de type azobenzène. Ils sont
tous formés d’une partie polaire de type PEG, de 5 à 12 unités, et d’une chaine
alkyle, composée de 8 ou 9 carbones, liées à un noyau aromatique en position
para (Figure III- 5 et Figure III- 10).

Figure III- 10 : Tensioactifs aromatiques étudiés

Ces tensioactifs présentent une activité comparable aux précédents : entre 35%
et 40% de rendement en produit de décarboxylation (Tableau III- 4). Le Triton™
X-100 est plus efficace en permettant l’obtention de 58% du composé désiré 25.

183
 Entrée Solvant HLB Rendementa,b
1 DCM - 81%
3 Eau - 4%
5 Tergitol™ NPX 13 38%
6 AzoPEG 0%
7 Triton™ X-100 13,5 58%
8 Igepal® CO 520 10 36%
9 Igepal® CO 630 13 35%
10 Igepal® CO 720 14 40%
a Conditions de réaction : sans protection de la lumière, acide hexanoïque (1,03
mmol), DCC (1,2 équiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxyde (1,5 équiv.), N-
phénylmaléimide (1,5 équiv.), Solvant (5 mL), 50°C, 2 h.
b Rendements HPLC obtenus par une courbe de calibration avec un étalon externe.
Tableau III- 4 : Résultats obtenus avec les tensioactifs aromatiques

L’utilisation d’un tensioactif azobenzénique ne permet pas de réaliser la

décarboxylation de l’acide hexanoïque par activation thermique.

Les mêmes conclusions, que pour les tensioactifs à base de sucre, peuvent être
faites pour cette famille de molécules aromatiques. En effet, aucune corrélation
entre le rendement de la réaction et le HLB des tensioactifs ne peut être faite :
une augmentation du rendement peut être engendrée par une augmentation
(Tableau III- 4, entrées 5 et 10) ou par une diminution (Tableau III- 4,
entrées 7 et 10) de cette valeur. Il semble, ici, que l’augmentation de la
ramification de la chaine alkyle permette une augmentation du rendement
(Tableau III- 4, entrées 7 et 9).

Tensioactifs linéaires ou ramifiés

Cette dernière classe de tensioactifs non ioniques possède également énormément

de composés différents (Figure III- 11) : ils peuvent être linéaires ou ramifiés,
possèdent une tête polaire, de type PEG de taille très variable (de 2 unités à plus
de 100 unités), liée à une chaine grasse, allant du C12 au C18, par une liaison

184
éther. Bien que faisant partie intégrante de cette famille, le Monomuls® est l’ester
de l’acide laurique et du glycérol, il possède donc deux fonctions alcools libres.

Figure III- 11 : Tensioactifs linéaires étudiés

L’utilisation de cette famille de tensioactifs nous a également permis d’améliorer

significativement le rendement de la réaction dans l’eau. Cette fois encore, les
résultats obtenus ne sont pas corrélables avec les HLB (Figure III- 12).

Parmi tous ces tensioactifs, deux nous ont permis d’obtenir des rendements
d’environ 60% : le Tergitol™ TMN3 (58%) et le Brij® 30 (63%). Pour une longueur
de chaîne donnée, par exemple un C17, les résultats obtenus sont très différents :
24% avec le Brij® 76 (HLB = 12), 28% avec le Brij® 78P (HLB = 15), 31% avec le
Brij® 98 (HLB = 15), 32% avec le Brij® 72 (HLB = 5), 36% avec le Brij® 92V
(HLB = 5), 39% avec le Brij® 97 (HLB = 12) et 45% avec le Brij® 700 (HLB = 18).
Ainsi, pour une même longueur de chaîne, le rendement n’est pas fonction de la
HLB, et donc de la taille de la tête polaire. En ce qui concerne l’influence de la taille
de la chaîne apolaire, pour une même tête polaire, par exemple un PEG 10, la
chaine grasse la plus courte permet d’obtenir le meilleur rendement (52% avec le
Brij® C10) et la présence d’une insaturation augmente également le rendement

185
(39% vs 24% pour les Brij® 97 et Brij® 76 respectivement). Cependant, dès que
la tête polaire est modifiée, ces observations ne sont plus vraies.

Rendement
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

Figure III- 12 : Influence des tensioactifs linéaires ou ramifiés

Nous avons donc montré que cette réaction de décarboxylation radicalaire pouvait
être réalisée sous activation thermique, en milieu aqueux. L’ajout d’un tensioactif
au milieu réactionnel permet d’augmenter significativement le rendement par
rapport à l’eau pure. Cependant, cette méthode ne nous permet pas, dans nos
meilleures conditions (en présence de Brij® 30), d’avoir un rendement comparable
à celui obtenu dans le dichlorométhane.

Enfin, une étude de répétabilité a été réalisée dans nos meilleures

conditions (Figure III- 13) : dans 5 mL d’eau contenant du Brij® 30 (1 mg ou 5
mg), l’acide hexanoïque (1,03 mmol), la DCC (1,2 mmol), la 2-mercaptopyridine-
N-oxyde (1,5 mmol) et le N-phénylmaléimide (1,5 mmol) sont mélangés à 50°C
pendant 2 h.

186
 Rendement

100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0,2 1
Quantité de tensioactif (wt%)

Figure III- 13 : Etude de la répétabilité de la réaction

Les résultats obtenus nous montrent un manque de répétabilité flagrant, dû

principalement à une mauvaise dispersion des réactifs : pour une même quantité
de tensioactif introduite, les rendements obtenus peuvent être compris entre 0 et
60%. Une alternative possible, pour pallier ce problème, consiste à utiliser les
ultrasons.

2. Utilisation d’une technique alternative : les ultrasons

L’utilisation des ultrasons présente de nombreux avantages. Il est possible, entre

autre, d’homogénéiser une solution ou de réduire la granulométrie des composés
non solubilisés. Utilisés en réaction chimique, ils sont un mode d’activation
alternatif, au même titre que les micro-ondes, et sont donc intéressants dans une
optique de chimie verte et de développement durable.

Dans le cadre de notre étude, les ultrasons ont deux intérêts : d’une part,
permettre une meilleure dispersion des réactifs dans le milieu, et donc une
meilleure mise en contact. D’autre part, les ultrasons étant connus pour favoriser
la formation des radicaux, il est important de s’intéresser au réel impact de ce
mode d’activation sur la décarboxylation radicalaire d’acides carboxyliques.

187
L’appareil utilisé nous permettant de moduler les temps de réaction avec la
possibilité d’ajouter des temps de pause, nous avons étudié l’impact de chacun de
ces paramètres, en milieu ouvert. Pour cela, nos conditions de départ ont été les
suivantes : 5 mL de milieu réactionnel, contenant ou non du Brij® 30, le meilleur
tensioactif testé, à 1% massique, les réactifs étant introduits dans les mêmes
proportions que précédemment.

Lors des premiers tests réalisés avec les ultrasons, une forte concentration du
milieu a été observée due à l’augmentation de la température et à l’évaporation
du solvant (Tableau III- 5). Malgré cela, les résultats obtenus sont
encourageants, car nous formons 12% du produit de décarboxylation 25 en
seulement 3 min (Tableau III- 5, entrée 1). L’augmentation du temps de
réaction à 10 min, ainsi que du temps de pulse (de 2 s à 10 s), entraine une faible
augmentation du rendement (16%, tableau III- 5, entrées 2 et 3),
principalement causée par la diminution du volume réactionnel due à l’évaporation
du solvant.

Entrées Temps de Temps de Temps de Rendementa,b

réaction (min) pulse (s) pause (s)
1 3 2 3 12%
2 10 2 3 8%
3 10 10 3 16%
4 20 - - 18%
a Conditions de réaction : sans protection de la lumière, acide hexanoïque (1,03 mmol), DCC (1,2
équiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxyde (1,5 équiv.), N-phénylmaléimide (1,5 équiv.), Brij® 30 (1%
massique, 5 mL), US.
b Rendements HPLC obtenus par une courbe de calibration avec un étalon externe.

Tableau III- 5 : Influence du temps de réaction

Pour pallier ce problème, un bain de glace a été ajouté afin de tempérer le milieu.
Le temps de réaction, nécessaire pour obtenir un rendement comparable à celui
obtenu sans bain de glace (18% vs 16%), a dû être doublé, et un mode d’activation
en continu est également nécessaire. Cependant, malgré cet ajout, l’homogénéité
du milieu n’étant toujours pas satisfaisante, une augmentation du volume
réactionnel a été envisagée. Afin de vérifier l’intérêt des ultrasons par rapport aux
188
autres modes d’activation, nous avons comparé l’influence de cette nouvelle
dilution sur les résultats obtenus précédemment (Tableau III- 6).

Entrée 1 2
Volume réactionnel 5 mL 30 mL
Activation thermiquea,b 34% 15%
Activation UVa,b 35% 30%
Activation micro-ondea,c 14% 15%
Activation ultrasonsa,c,d 18% 60%
a Conditions de réaction : acide hexanoïque (1,03 mmol), DCC (1,2 équiv.), 2-mercaptopyridine-
N-oxyde (1,5 équiv.), N-phénylmaléimide (1,5 équiv.), Brij® 30 (1% massique), eau, rendements
HPLC obtenus par une courbe de calibration avec un étalon externe.
b 2 h de réaction, c 20 min de réaction, d Ajout d’un bain de glace

Tableau III- 6 : Comparaison des différents modes d’activation en fonction du volume

réactionnel

Quel que soit le mode d’activation, dans 5 mL de milieu réactionnel, les

rendements ne dépassent pas les 35% (Tableau III- 6, entrées 1). Lorsque le
volume est augmenté à 30 mL, les réactifs sont visuellement mieux dispersés dans
le milieu (Figure III- 14). Le rendement obtenu par activation aux ultrasons
augmente significativement à 60%, tandis que sous activations UV et micro-ondes
aucun changement significatif n’est observable. Par contre, dans le cas de
l’activation thermique, le résultat est divisé par deux (Tableau III- 6, entrées
2).

De plus, dans ces nouvelles conditions (30 mL de milieu réactionnel, utilisation

d’un bain de glace associé aux ultrasons), nous avons pu observer une très bonne
répétabilité de la réaction.

189
Figure III- 14 : Milieu réactionnel après activation aux ultrasons : A) sans tensioactif, B)
avec tensioactif mais sans bain de glace, C) avec tensioactif et bain de glace

Une étude plus poussée de la quantité optimale de tensioactif nécessaire à cette

réaction a ensuite été menée (Figure III- 15)

Rendement
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,00% 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50%
Quantité de Brij 30 (% massique)

Figure III- 15 : Influence de la quantité de Brij® 30 introduite dans le milieu

Ces résultats montrent qu’une quantité minimale supérieure à 0,2% massique de

Brij® 30 est nécessaire afin d’obtenir un effet : en dessous, le produit de
décarboxylation 25 est obtenu avec un rendement de 19%. L’effet optimal du
tensioactif est observé à partir de 1% massique, et l’ajout supplémentaire de
Brij® 30 n’entraine pas de modification du rendement.

190
L’impact réel de l’ajout du tensioactif au milieu réactionnel a également été vérifié,
en fonction du temps de réaction (Figure III- 16).

Rendement
100
90 Brij® 30
80 Eau pure
70
60
50
40
30
20
10
0
0 10 20 30 40 50 60
Temps de réaction (min)

Figure III- 16 : Influence du temps de réaction et de la présence de Brij ® 30 (1%

massique)

Quelle que soit la durée de la réaction, l’introduction du Brij® 30 dans l’eau permet
d’obtenir de meilleurs résultats que l’eau pure. De plus, le temps de réaction
optimal est maintenant fixé à 20 min, toujours dans un bain de glace.

Enfin, l’étude de l’influence de la nature du solvant sur cette réaction a été menée,
afin de sélectionner le meilleur promoteur : agents de transfert de phase,
tensioactifs ioniques ou non ioniques (Figure III- 17).

191
 Rendement
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

Figure III- 17 : Influence de la nature du solvant et du promoteur

Dans ces conditions, sous ultrasons et en l’absence de tout additif, la réaction

menée dans l’eau pure conduit à 19% du produit de décarboxylation 25, et le
dichlorométhane seulement 4%. Les agents de transfert de phase, comprenant
l’éther couronne (18Crown6), la -cyclodextrine et le bromure de
tétrabutylammonium (TBAB), conduisent à de faibles rendements compris entre
8% et 23%. De même, les tensioactifs ioniques comme le CTAB et le SDS ne
permettent pas de dépasser les 15% de rendement, tout comme les tensioactifs
aromatiques de la famille des Igepal®. Seuls le Tween™ 20 et le Triton™ X-100
parviennent à donner des rendements modérés d’environ 44%. Concernant les
tensioactifs à tête PEG, seuls les Brij® 30 et Brij® 98 conduisent à des rendements
supérieurs à 50%.

Le Brij® 30 reste donc le meilleur tensioactif, dans nos conditions de réaction (sous
ultrasons, 20 min, dans 30 mL d’eau, en présence d’un bain de glace), afin
d’obtenir le produit de décarboxylation de l’acide 25a.

192
IV. Ouverture à d’autres substrats

Afin de pouvoir généraliser cette nouvelle méthode permettant d’obtenir des

précurseurs de maléimides substitués, il est nécessaire de l’ouvrir à d’autres
substrats. Pour cela, nous avons décidé de sélectionner uniquement des réactifs
pouvant provenir de la biomasse. C’est pourquoi les acides carboxyliques étudiés
possèdent des chaînes carbonées saturées ou insaturées du C6 au C18 (Tableau
III- 7).

Entrée Acide Produit Rendement isolé

1 25a 25 60%
2 26a 26 62%
3 27a 27 58%
4 28a 28 54%
5 29a 29 57%
6 30a 30 61%
7 31a 31 66%
8 32a 32 55%
9 33a 33 60%
10 34a 34 61%
Conditions de réaction : acide carboxylique (1,03 mmol), DCC (1,2 équiv.), 2-mercaptopyridine-
N-oxyde (1,5 équiv.), N-phénylmaléimide (1,5 équiv.), Brij® 30 (300 mg), eau (30 mL), ultrasons,
bain de glace, 20 min à 200W.

Tableau III- 7 : Ouverture de la méthode

193
Les acides gras naturels saturés (acide hexanoïque (25a), acide caprylique (27a),
acide caprique (28a), acide laurique (29a), acide palmitique (31a) et acide
stéarique (32a)) sont transformés en leurs adduits respectifs avec des rendements
compris entre 54% et 66% (Tableau III- 7, entrées 1, 3-5, 7 et 8). Les acides
gras insaturés (acide oléique (33a) et acide linoléique (34a)) conduisent
également à leurs produits respectifs avec des rendements de 60% et 61%
(Tableau III- 7, entrées 9 et 10). Enfin, les composés, provenant d’acides gras
constitués d’un nombre impair d’atomes de carbones (acide heptanoïque (26a) et
acide pentadécanoïque (30a)), sont obtenus avec des rendements similaires de
62% et 61% respectivement (Tableau III- 7, entrées 2 et 6).

Nous avons donc montré que la longueur de l’acide carboxylique et son degré
d’insaturation n’influence pas le rendement de la décarboxylation radicalaire de
Barton mise en œuvre selon nos conditions.

Une étude RMN nous a permis de confirmer que les composés 25 à 34 ont été
formés avec une très bonne sélectivité pour l’adduit anti. Les expériences NOESY
effectuées sur le composé 25 montrent une corrélation entre le Ho (8,29 ppm) et
le H3 (3,23 ppm), indiquant la configuration en anti du composé. De plus, il est
possible d’observer, lors des analyses RMN, l’élimination spontanée d’une
thiopyridine menant à la reformation de la double liaison du maléimide (Figure
III- 18).

194
Figure III- 18 : Analyses RMN d’un produit de décarboxylation

195
 Chapitre III-2 : Synthèse de nouveaux tensioactifs

I. Synthèse

Un des objectifs de cette étude de la décarboxylation de Barton est la synthèse de

nouveau maléimides substitués, symétriques ou dissymétriques. Pour cela, il est
nécessaire de compléter l’élimination de la thiopyridine des composés (±)25 à
(±)34, afin de reformer un maléimide pouvant entrer, à nouveau, en réaction de
décarboxylation en tant que piège à radicaux (Schéma III- 5).

Schéma III- 5 : Voie de synthèse pour l’obtention des maléimide

Pour effectuer l’élimination de la thiopyridine, le composé 25 doit être oxydé sous

sa forme sulfoxyde et/ou sulfone, suivie par une élimination thermique
conventionnelle (Schéma III- 6).

Schéma III- 6 : Etape d’élimination. Conditions de réaction : (±)25 (1 mmol), mCPBA

(10 mmol), CH2Cl2 (10 mL), 0°C, 10 min, puis toluène (20 mL), reflux, 1 h.

Le maléimide 35 est obtenu quantitativement et peut entrer en réaction dans les

conditions mises au point précédemment, mais en tant que réactif limitant. Le
composé obtenu, à 47%, après une nouvelle décarboxylation de l’acide hexanoïque
est un mélange de deux diastéréoisomères ((±)36a et (±)36b) et de leurs

197
énantiomères comme nous le prouvent les analyses RMN effectuées (Schéma III-
7, Figure III- 19).

Schéma III- 7 : Décarboxylation de Barton. Conditions de réaction : 35 (1 mmol), acide

hexanoïque (1,5 équiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxyde (1,8 équiv.), DCC (1,8 équiv.),
Brij® 30 (300 mg), eau (30 mL), ultrasons, bain de glace, 20 min à 200W.

Figure III- 19 : Spectres RMN du proton des deux diastéréoisomères (±)36a et (±)36b

En effet, contrairement à la stéréosélectivité obtenu lors des synthèses des

composés (±)25 à (±)34, les diastéréoisomères sont nettement distinguables
sur la RMN du proton : le proton H3 est dédoublé en 2 triplets distincts (à 3,65
ppm et 2,96 ppm) pour des intégrations de 0,4 et 0,6 respectivement. Ces deux
signaux sont corrélés en HSQC à leur carbone respectif à 47,8 ppm et 48,1 ppm,

198
et en HMBC au carbone quaternaire en  à 56,9 ppm et 58,9 ppm. De plus, le
proton Ho en position ortho est également dédoublé pour ces deux
diastéréoisomères à 8,19 ppm et 8,30 ppm (Figure III- 20).

Figure III- 20 : Analyses RMN 2D des deux diastéréoisomères (±)36a et (±)36b

199
Une analyse NOESY, effectuée sur ce mélange, montre une corrélation entre le Ho
à 8,30 ppm et le H3 à 3,65 ppm, indiquant une configuration en anti pour le
composé (±)36b (Figure III- 21).

Figure III- 21 : Expérience NOESY sur les composés (±)36a et (±)36b

Les rapports d’intégration observés pour chaque proton étudié (Ho et H3) sont
principalement dus à la syn-élimination spontanée qui a lieu lors des analyses et
des purifications des molécules (±)36a et (±)36b. Ils correspondent à la
transformation des massifs de types A2B2X en système A2B2. Cette élimination
spontanée, très décrite dans la littérature,381,426,427 n’a lieu que si le proton H3 et
le groupement thiopyridyle se trouvent en syn l’un par rapport à l’autre. Ceci
favorise un état de transition à 6 chaînons menant au maléimide par basculement
concerté des liaisons. Cet état de transition n’est pas possible lors d’une
configuration anti de ces deux entités (Schéma III- 8). Ainsi, l’obtention du
maléimide à partir de ce composé nécessite la transformation du groupement
thiopyridyle en bon groupement partant via son oxydation en sulfoxyde et/ou en
sulfone.

200
 Schéma III- 8 : Mécanisme d’élimination : a) cas de la syn-élimination ; b) cas de
l’élimination en anti

En effet, pour compléter l’élimination de la thiopyridine (notamment sur le

composé (±)36a) pour l’obtention du maléimide symétrique 37, le même
protocole que précédemment est appliqué et conduit à une réaction quantitative
(Schéma III- 9).

Schéma III- 9 : Elimination et formation de l’anhydride maléique. Conditions de

réaction : (i) (±)36a et (±)36b (1 mmol), mCPBA (10 mmol), CH2Cl2 (10 mL), 0°C, 10
min, puis toluène (20 mL), reflux, 1 h ; (ii) 37 (1 mmol), NaOH (30 équiv.), MeOH/Eau
(2:1, 5 mL), reflux, 1 h, acidification par HCl.

201
Un traitement, au reflux dans un milieu fortement basique (contenant 20
équivalents de NaOH dans un mélange eau/méthanol 2:1) suivi d’un lavage acide,
permet de convertir quantitativement 37 et d’isoler l’anhydride maléique 38 avec
30% de rendement (Schéma III- 9).

II. Analyses d’un produit

Différentes analyses ont été effectuées sur l’anhydride 38 afin de vérifier son
caractère tensioactif, d’une part, et tenter de définir la nature des objets formés,
d’autre part.

Ce composé possède la particularité d’être sous forme d’anhydride maléique en

milieu acide et dicarboxylate en milieu basique. Cette réorganisation pH-
dépendante peut être effectuée sur au moins cinq cycles sans qu’aucune
dégradation ne soit observée (Figure III- 22).

Figure III- 22 : Modification pH-dépendante

Le composé 38, sous sa forme d’anhydride, n’est pas soluble dans l’eau : il est
possible d’observer deux phases distinctes de gouttelettes d’huile dispersées dans
l’eau et coalesçant rapidement. Sous sa forme dichargée, en milieu basique
aqueux, ce composé semble s’organiser en objets stables, restant en suspension
dans le milieu et ne coalesçant pas.

Dans un premier temps, une observation au microscope optique des deux formes
a été réalisée au sein du groupe IMiD de l’UTC (Figure III- 23). Les images ont
été obtenues pour des solutions contenant le composé 38 à 0.002% massique en
présence d’Organol Blue comme révélateur coloré.

202
 Figure III- 23 : Images obtenues par microscopie optique : A) composé 38 sous forme
anhydride (pH = 2), B) composé 38 sous forme dicarboxylate (pH = 10)

L’Organol Blue étant un composé soluble dans les phases huileuses, ces images
nous confirment la formation de gouttelettes d’huile en suspension dans l’eau pour
la forme fermée de 38, et la formation d’objets circulaires de plus grosse taille,
semblant être composés d’une couche lipophile, lorsque 38 est sous forme
ouverte.

L’organisation 3D de ces objets a été observée par microscopie confocale (réalisée

au sein du SAPC, UTC). Pour cela, la forme dicarboxylate de 38 a été mise en
solution en milieu basique en présence de Rhodamine B, soluble en phase aqueuse
(Figure III- 24).

Figure III- 24 : Microscopie confocale : avant (gauche, 34µm), et après passage aux
ultrasons (droite, 62µm)
203
Ces images montrent que l’intérieur des objets formés par l’organisation de la
forme dichargée de 38 ne contient pas d’eau. De plus, les images 3D obtenues ne
montrent pas la formation d’une boule, mais plutôt d’un anneau (Figure III- 25).
L’organisation exacte de cette molécule en solution reste à déterminer.

Figure III- 25 : Image confocale : droite en 2D, gauche en 3D

Enfin, la CMC de ce composé a été déterminée par la mesure de la tension de

surface de multiples solutions à différentes concentrations comprises entre
1.10-4M et 1.10-1M en milieu aqueux basique, après filtration des objets en
suspension, ayant une taille supérieure à 260 nm (Figure III- 26). La
concentration micellaire critique de ce composé a été déterminée à 1,2.10-2M.

204
 Figure III- 26 : Détermination de la CMC par mesure de la tension de surface

Cette étude a été réalisée par le laboratoire de l’UCCS de l’Université de Lille.

205
 Conclusion

La décarboxylation de Barton est encore souvent utilisée dans sa version originale

en solvant organique, dans le toluène ou le dichlorométhane. Nous avons montré,
par son étude en deux étapes, puis en une seule étape, qu’il est possible de la
réaliser en milieux aqueux, en présence de tensioactifs, et cela avec des
rendements compétitifs par rapport aux solvants organiques.

La complexité de toutes les interactions possibles entre le tensioactif et les réactifs

et/ou intermédiaires réactionnels, présents dans le milieu, ne permet pas la mise
en lumière d’une ou de plusieurs propriétés du tensioactif primordiales pour le bon
fonctionnement de la réaction. Il est à noter, cependant, la nécessité d’utiliser un
composé tensioactif non ionique.

De plus, la mise au point de cette nouvelle méthodologie nous permet d’obtenir,

par des méthodes plus respectueuses des principes de la chimie verte, de
nouveaux composés maléimides précurseurs de tensioactifs.428 En effet, cette
synthèse est conduite dans l’eau, un solvant dit « vert », car il est non toxique,
non inflammable et peu cher dans les pays industrialisés. L’utilisation des ultrasons
comme méthode d’activation alternative permet à cette nouvelle méthodologie
d’être plus rapide et moins coûteuse en énergie. La double décarboxylation
radicalaire de Barton nous a permis d’obtenir des maléimides substitués de façon
symétrique, en utilisant l’acide caproique pour les deux étapes, ou dyssimétriques,
en utilisant l’acide stéarique dans un premier temps puis l’acide caproique pour la
deuxième étape. Les nouveaux composés obtenus, in fine, à partir des dérivés de
maléimide synthétisés, peuvent donc également être symétriques ou
dissymétriques.

207
Conclusion générale
 Conclusion générale

Lors de réactions chimiques réalisées en milieux aqueux, des tensioactifs sont

souvent utilisés dans le but d’augmenter la mise en contact des réactifs, et donc
la cinétique de la réaction. Afin de récupérer les produits, il est cependant
nécessaire de diluer fortement le milieu pour désorganiser les objets formés,
empêchant donc tout recyclage du milieu réactionnel. Pour pallier ce problème,
nous avons synthétisé des tensioactifs intégrant un groupement azobenzénique,
pouvant s’isomériser d’une forme trans à une forme cis de façon réversible et sans
dégradation. L’extraction des produits peut donc être réalisée par
organisation/désorganisation des agrégats formés à volonté et sans dilution du
milieu.

Ces molécules, composées d’une chaîne butyle, comme partie hydrophobe, liée au
groupement azobenzénique, ne diffèrent que par la nature de leur tête polaire
(Figure 1).

Figure 1 : Structures des azobenzènes obtenus

Différentes stratégies de synthèses ont été utilisées afin d’obtenir un représentant

de chaque famille de tensioactifs : une synthèse convergente pour l’AzoPEG 2, et
linéaire pour le BABTMA 5b, à partir d’un même précurseur. L’AzoPEG a donc été
synthétisé en trois étapes avec un rendement global de 50%, tandis que cinq
étapes sont nécessaires pour avoir le BABTMA avec rendement global de 28%. Le
BABC 10, composé possédant une tête polaire anionique, ne nécessite que deux
étapes à partir d’acide aminobenzoïque et de butylaniline pour un rendement de

209
35%. Différentes analyses physico-chimiques ont pu être entreprises sur ces trois
composés.

Ces trois azobenzènes possèdent bien des propriétés tensioactives, comme l’ont
prouvées les mesures de tensions de surface via la méthode de la lame de
Wilhelmy. En effet, chacun d’eux entrainent une diminution de la tension
superficielle du milieu dans lequel ils sont solubilisés. Les BABTMA et BABC
présentent chacun des CMCtrans et CMCcic très proches les unes des autres. Par
contre, la forme trans de l’AzoPEG présente une CMC plus faible que la forme cis.
Il en est de même pour leur tension superficielle minimale respective.

D’autre part, la capacité de photo-isomérisation de ces trois composés a également

été étudiée par irradiations à des longueurs d’ondes de 365 nm et 254 nm. Chaque
tensioactif présente une facilité d’isomérisation trans-cis lorsqu’ils sont soumis à
une longueur d’onde de 365 nm, ainsi qu’une grande résistance à la fatigue.

Le point de Krafft du BABC a été déterminé par une mesure de conductivité.

L’influence de l’utilisation d’un tensioactif photo-régulable a ensuite été étudiée en

catalyse micellaire, dans la réaction de substitution allylique de Tsuji-Trost. Pour
cette étude, seul l’AzoPEG a été utilisé du fait de la faible valeur de ses CMC
(CMCtrans = 5,3 µM et CMCcis = 9,5 µM). Dans un premier temps, l’ajout d’un
tensioactif (AzoPEG, CTAB ou Tween™ 20) a permis de montrer une nette
augmentation de la cinétique par rapport à une réaction menée dans l’eau. De
plus, grâce à ses propriétés photochromiques, l’AzoPEG a permis une meilleure
extraction des composés en fin de réaction par rapport aux autres tensioactifs
commerciaux. Enfin, l’utilisation de ces mêmes propriétés d’isomérisations
réversibles, a permis un recyclage du milieu réactionnel sur cinq cycles alors que
le meilleur des tensioactifs commerciaux ne permet d’en réaliser que quatre.

Dans cette première partie de thèse, nous avons donc pu confirmer le bénéfice
apporté par l’utilisation d’un tensioactif photorégulable en chimie organique, tant
au niveau de la dispersion des réactifs, permettant une meilleure mise en contact
et entrainant une augmentation de la vitesse de réaction, mais également au
niveau du recyclage du milieu réactionnel.

210
D’autre part, lors de l’étude de la décarboxylation de Barton en milieu aqueux,
nous avons étudié l’influence de différents modes d’activation. Pour ce faire, deux
méthodes ont été étudiées : une réaction en deux étapes, sans purification
intermédiaire (méthode A), et une réaction en une seule étape (méthode B). Nous
avons montré, d’une part, que la décarboxylation était réalisable en milieu aqueux
sous irradiation lumineuse quelle que soit la méthode utilisée (A ou B). D’autre
part, l’utilisation d’une activation thermique traditionnelle nous a permis
d’identifier la nature optimale de la tête polaire du tensioactif : un tensioactif non
ionique permet d’obtenir les meilleurs résultats, quel que soit le mode d’activation
et la méthode utilisée.

Nous avons mis au point une nouvelle méthode de synthèse de maléimides, plus
respectueuse des principes de chimie verte car mise en œuvre dans l’eau, sous
ultrasons. Ces composés sont des précurseurs de nouveaux tensioactifs
symétriques ou dissymétriques (Figure 2), dont nous avons étudié les propriétés
physico-chimiques.

Figure 2 : Synthèse de maléimides et tensioactif via deux décarboxylations de Barton

dans l’eau (a) et exemple de tensioactifs obtenus (b)

La suite de cette étude de la décarboxylation de Barton en milieu non

conventionnel pourra donc être poursuivie en flux continu et sans solvant. De plus,
une modulation des réactifs (piège et acides carboxylique) peut être envisagée afin
d’obtenir d’autres produits à haute valeur ajoutée.

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226
Partie IV : Partie expérimentale
 Partie IV : Partie expérimentale

Matériels et méthodes

Produits chimiques et solvants

Les réactifs et les solvants proviennent de chez Acros Organics (division de Fischer
Bioblock Scientific) ; Sigma-Aldrich, Strem et SDS Carlo-Erba et ont été utilisés
sans traitements spécifiques.

L’eau utilisée lors des synthèses organiques est obtenue par distillation. L’eau
utilisée pour les analyses est de l’eau Ultra Pure 18,2 MΩ purifiée sur un système
VEOLIA Elga Purelab Flex.

Micro-onde

Les réactions activées par micro-ondes ont été réalisées sur un appareillage Anton
Paar Monowave 300 d’une puissance de 850 W. La température de réaction est
obtenue via une montée en température rapide (<1 min), et est mesurée par
lecture externe infrarouge.

Ultrasons

Les réactions de décarboxylations radicalires ont été réalisées en utilisant une

sonde à ultrasons Bioblock Scientific, Vibra cell 75042, permettant de délivrer une
puissance maximale de 200W à une fréquence de 20 kHz.

Lyophilisation

Les réactions réalisées dans l’eau nécessitent une étape de lyophilisation avant
purification. Pour cela, le mélange est congelé dans de l’azote liquide avant d’être
mis sur un lyophilisateur Cryotec Cosmos-80 équipé d’une pompe Edwards RV12.

227
Chromatographies

Chromatographie sur Couche Mince (CCM)

La Chromatographie sur Couche Mince (CCM) de gel de silice est réalisée sur des
plaques d'aluminium (Merck Kieselgel 60F254, épaisseur de silice : 0,2 mm). Les
composés sont majoritairement révélés sous lumière UV ( = 254 nm) ou par
immersion de la plaque dans un révélateur chimique, séchage puis chauffage
jusqu'à apparition de tâches persistantes.

Chromatographies flash
Les séparations chromatographiques sont soit effectuées, manuellement, par
chromatographie phase liquide sur des colonnes en verre remplies de gel de silice
(SDS, granulométrie : 40 - 63 μm) ; soit sur une chromatographie flash
automatique Reveleris (Grace) en utilisant des colonnes pré-pacquées de 40 g.

Chromatographie Liquide (LC)

L'analyse de certains composés a été conduite par chromatographie liquide haute
performance (HPLC) en utilisant un appareil Shimadzu équipé d’un détecteur à
barrettes de diodes (SDP-M20A, Shimadzu) ; d’un ELSD-LTII (Shimadzu) et d’un
spectromètre de masse (LCMS-2020, Shimadzu). Les absorbances ont été
enregistrées entre 190 et 800 nm. Les échantillons (1 l) ont été injectés sur une
colonne Prevail C18 (GRACE). L’élution a été réalisée à un débit 1 mL.min-1 en
utilisant un mélange Méthanol/Eau 9:1 comme phase mobile, pendant 10 min.
L’acquisition et le traitement des données ont été réalisés par le logiciel
Labsolutions (Shimadzu).

Spectrométrie de Masse (MS)

Les analyses de spectrométrie de masse ont été réalisées sur un spectromètre

LCMS-2020 (Shimadzu) équipé d’une source électrospray (ESCI). Les spectres de
masse ont été enregistrés dans les modes d’ionisation positif et négatif avec des

228
tensions de capillaire et des tensions de cône optimisées avec un tune
automatique. Le balayage en masse a été effectué en utilisant une gamme de 100-
2000 Da. La température du gaz de désolvatation a été fixée à 250 °C. L’azote a
été utilisé comme gaz de désolvatation et de nébulisation à des débits de 15 et 1,5
L/min, respectivement. L’acquisition et le traitement des données ont été réalisés
par le logiciel Labsolutions (Shimadzu).

Les analyses de spectrométries de masse haute résolution (HRMS) ont été

réalisées en mode positif sur un appareil Waters Q-TOF SYNAPT G2- hybride
quadripôle/temps de vol (Manchester, Royaume-Uni) et équipé d’une source
électrospray (UPJC, Amiens).

Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)

Les spectres de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du proton et du carbone

13 et si nécessaire les expériences HMBC, DEPT 135, Cosy H-H, HSQC et NOESY
ont été enregistrés soit respectivement à 400,17 MHz et 100,63 MHz sur un
spectromètre Bruker UltraShield 400 MHz/54 mm Ultra long hold (UTC,
Compiègne).

Les déplacements chimiques () sont notés en ppm et basés sur le signal du
tétraméthylsilane (TMS) comme étalon interne. Les constantes de couplage (J)
sont exprimées en Hertz. Les abréviations suivantes ont été utilisées pour décrire
les signaux observés :

s : singulet dt : doublet de triplet

sl : singulet large q : quadruplet

d : doublet quin : quintuplet

dd : doublet de doublet sex : sextuplet

ddd : doublet de doublets dédoublés m : massif complexe

t : triplet²

229
Point de fusion

Les points de fusion (mp) ont été réalisés sur un banc chauffant de KOFLER. Les
substances d’étalonnages proviennent de chez MERCK Eurolab.

Spectroscopie Infrarouge

Les spectres infra-rouge ont été mesuré sur un appareil JASCO FT/IR-4100 type A
équipé d’un ATR.

Spectroscopie Ultra-violet

Les analyses UV/vis ont été réalisées par un spectrophotomètre Varian CARY 50
UV-visible pour des solutions d’azobenzène de 1.10-4 et 1,4.10-5 mol.L-1. Les
irradiations lumineuses ont été réalisées par une lampe à double longueur d’onde
(254 et 365 nm) d’une puissance électrique de 6 W, ainsi que par une lampe
Newport à vapeur de mercure d’une puissance de 500 W.

Mesure de tension de surface

La mesure de la tension de surface a été réalisée par la méthode de la lame de

Wilhelmy en utilisant un tensiomètre Krüss K100 (Hambourg, Allemagne). Les
solutions ont été préparées dans de l’eau ultra-pure (résistivité 18 M) ou en
solution tampon (pH = 8) ; les concentrations étudiées varient entre 3.10-8 M et
1.10-2 M en fonction des azobenzènes. Les mesures des tensions de surface des
composés en conformation cis ont été réalisées à l’abri de la lumière, après
irradiation des solutions à 365 nm pendant 30 min.

230
Conductimétrie

Les analyses de conductimétrie ont été réalisées sur un conductimètre numérique

portable Hach (HQ 14D) ; associé à une électrode de conductivité standard (CDC
401) ; couvrant une plage de mesure de 0,01 µS/cm à 200 mS/cm.

231
 Chapitre IV-1 : Synthèse de tensioactifs photo-régulables

4-Butyl-4’-hydroxyazobenzène (1)

Une solution de NaNO2 (16,6 g ; 0,24 mol) dans l’eau (25 mL) est ajoutée goutte
à goutte à une solution de 4-butylaniline (30 g ; 0,20 mol) dans HCl 37% (50 mL)
en 30 min. La réaction est réalisée dans un bain de glace et sous agitation
vigoureuse pendant 1 h. Le milieu contenant le sel de diazonium est versé
lentement, et à 0°C, dans une solution de phénol (20,7 g ; 0,22 mol) dans la soude
(100 mL ; 6 M). Le mélange est agité pendant 1 h à 0°C et devient orange. Le
précipité marron, formé lors de la neutralisation par HCl, est filtré, séché sous vide,
puis recristallisé dans du pentane. On obtient 40,1 g de produit (79%).

Caractérisations

Référence : Lin, Y.; Wang, A.; Qiao, Y.; Gao, C.; Drechsler, M.; Ye, J.; Yan, Y.;
Huang, J. Soft Matter, 2010, 6, 2031-2036

mp = 79 - 81°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,85 (d, J = 8,8 Hz, 2H) ; 7,79 (d, J = 8,3 Hz,
2H) ; 7,30 (d, J = 8,3 Hz, 2H) ; 6,92 (d, J = 8,8 Hz, 2H) ; 2,68 (t, J = 7,7 Hz,
2H) ; 1,75 (sl, 1H) ; 1.64 (quin, J = 7,6 Hz, 2H) ; 1.37 (sex, J = 7,5 Hz, 2H) ;
0.94 (t, J = 7,3 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 158,0 ; 150,8 ; 147,1 ; 145,9 ; 129,0 (2x) ;
124,7 (2x) ; 122,5 (2x) ; 115,7 (2x) ; 35,5 ; 33,4 ; 22,3 ; 13,9

233
Triéthylène glycol monotosylate (4)

Du triéthylène glycol (11 g ; 73,3 mmol) ; de la triéthylamine (2,6 mL ; 19,1

mmol) et de la DMAP (45 mg ; 0,4 mmol) sont mis en solution dans 95 mL de
dichlorométhane, puis le chlorure de tosyle (3,5 g ; 18,1 mmol) est ajouté à 5°C.
Le mélange est agité à cette température pendant 4 h, puis lavé avec du HCl 1N,
H2O et NaClsat. La phase organique est séchée sur MgSO4 puis concentrée sous
vide. Le résidu obtenu est purifié sur silice (EtOAc/Cyclohexane 7:3) pour obtenir
une huile jaune (4,2 g ; 75%)

Caractérisations

Référence : Azagarsamy, M. A.; Alge, D. L.; Radhakrishnan, S. J.; Tibbitt, M. W.;

Anseth, K. S. Biomacromolecules, 2012, 13, 2219-2224

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,80 (d, J = 8,2 Hz, 2H) ; 7,35 (d, J = 8,0 Hz,
2H) ; 4,16 (t, J = 4,7 Hz, 2H) ; 3,70 (q, J = 4,7 Hz, 4H) ; 3,61 (s, 4H) ; 3,57 (t,
J = 4,5 Hz, 2H) ; 2,45 (s, 3H) ; 2,32 (s, 1H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 144,8 ; 132,8 ; 129,7 (2x) ; 127,9 (2x) ;
72,4 ; 70,7 ; 70,2 ; 69,1 ; 68,6 ; 61,6 ; 21,6

234
Triéthylène glycol mono(4-butylazobenzène) éther (2)

Le produit 3 (4,4 g ; 14,5 mmol) est dissout, sous N2, dans de l’acétonitrile (150
mL) en présence de K2CO3 (9,9 g ; 72,3 mmol) et LiCl (20 mg ; 3 mol%). Une
solution de 4-butyl-4’-hydroxyazobenzène (1) (3,9 g ; 15,4 mmol) dans de
l’acetonitrile (50 mL) est ajoutée goutte à goutte. Le milieu est porté à reflux
pendant 18 h, sous N2. En fin de réaction, le solvant est évaporé sous vide, puis le
résidu est dissout dans du dichlorométhane avant d’être laver avec du NaClsat (3 x
100 mL). Les phases organiques sont séchées sur MgSO4 et concentrées sous vide.
Le produit 2 est obtenu, après purification sur silice (EtOAc/Cyclohexane 7:3) et
recristallisation dans du pentane, sous forme d’un solide orange (2,6 g ; 85%).

Caractérisations

Référence : Shang, T.; Smith, K. A.; Hatton, T. A. Langmuir, 2003, 19, 10764-
10773

mp = 59 - 61°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,91 (d, J = 8,8 Hz, 2H) ; 7,82 (d, J = 8,2 Hz,
2H) ; 7,31 (d, J = 8,2 Hz, 2H) ; 7,04 (d, J = 8,8 Hz, 2H) ; 4,24 (t, J = 4,6 Hz,
2H) ; 3,92 (t, J = 4,6 Hz, 2H) ; 3,72-3,78 (m, 6H) ; 3,65 (t, J = 4,4 Hz, 2H) ; 2,70
(t, J = 7,7 Hz, 2H) ; 2,34 (s, 1H) ; 1,66 (quin, J = 7,6 Hz, 2H) ; 1,39 (sex, J = 7,4
Hz, 2H) ; 0,96 (t, J = 7,3 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 160,9 ; 150,9 ; 147,2 ; 145,8 ; 129,0 (2x) ;
124,5 (2x) ; 122,5 (2x) ; 114,7 (2x) ; 72,4 ; 70,8 ; 70,3 ; 69,6 ; 67,6 ; 61,7 ;
35,5 ; 33,4 ; 22,3 ; 13,9

235
4-butyl-4'-(2-hydroxyéthoxy)azobenzène (7)

Le 4-butyl-4’-hydroxyazobenzène (1) (5 g ; 19,7 mmol) est dissout dans du n-

butanol (15 mL) en présence de K2CO3 (2,72 g ; 19,7 mmol) et KI (116 mg ;
0,7 mmol). Après l’ajout, goutte à goutte, du 2-chloroéthanol (1,4 mL ;
19,7 mmol) ; le mélange est chauffé à 115°C pendant 6 h, puis une nuit après
l’ajout de 1,4 mL supplémentaire de 2-chloroéthanol. En fin de réaction, le produit
est filtré et lavé à l’eau (2 x 15 mL) ; puis extrait au DCM (3 x 60 mL). La phase
organique est séchée sur MgSO4 puis évaporée sous vide. Le produit 7 est obtenu,
après purification sur silice (Cyclohexane/EtOAc 7:3) ; sous forme d’un solide
orange (2,5 g ; 43%).

Caractérisations

Référence : Singler, E.; Willingham, R. A.; Noel, C.; Friedrich, C.; Bosio, L.;
Atkins, E. Macromolecules, 1991, 24, 510-516

mp = 96 - 98°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,90 (d, J = 9,0 Hz, 2H) ; 7,81 (d, J = 8,4 Hz,
2H) ; 7,31 (d, J = 8,5 Hz, 2H) ; 7,03 (d, J = 9,0 Hz, 2H) ; 4,17 (t, J = 4,5 Hz,
2H) ; 4,01 (dd, J = 5,2 et 9,3 Hz, 2H) ; 2,68 (t, J = 7,7 Hz, 2H) ; 1,64 (tt, J = 5,8
et 7,7 Hz, 2H) ; 1,38 (sex, J = 7,4 Hz, 2H) ; 0,95 (t, J = 7,3 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 160,8 ; 150,9 ; 147,3 ; 145,9 ; 129,0 (2x) ;
124,6 (2x) ; 122,5 (2x) ; 114,7 (2x) ; 69,4 ; 61,4 ; 35,5 ; 33,5 ; 22,3 ; 13,9

236
4-butyl-4'-(2-tosyloxyéthoxy)azobenzène (8)

Le produit 7 (1,2 g ; 4,0 mmol) est dissout dans du DCM (25 mL) en présence de
triéthylamine (1 mL ; 6,2 mmol) et de DMAP (15 mg ; 2 mol%). Le chlorure de
tosyle (1,2 g ; 6,2 mmol) est ajouté petit à petit à 0°C. Le mélange est ensuite
laissé sous agitation vigoureuse pendant 24 h à température ambiante. En fin de
réaction, le brut est lavé successivement par NH4Clsat (2 x 20 mL) ; NaHCO3sat (2
x 20 mL) et H2O (2 x 20 mL). La phase organique est ensuite séchée sur MgSO4
puis évaporée sous vide afin d’obtenir le composé 8 sous forme d’un solide orange
(1,8 g ; 100%).

Caractérisations

mp = 109 - 111°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,83 (m, 6H) ; 7,32 (m, 4H) ; 6,87 (m, 2H) ;
4,40 (m, 2H) ; 4,22 (m, 2H) ; 2,68 (m, 2H) ; 2,44 (s, 3H) ; 1,64 (m, 2H) ; 1,38
(sex, J = 7,4 Hz, 2H) ; 0,95 (t, J = 7,3 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 160,0 ; 150,8 ; 147,4 ; 146,0 ; 145,0 ; 132,7
(2x) ; 129,8 (2x) ; 129,0 (2x) ; 128,0 (2x) ; 124,5 (2x) ; 122,5 (2x) ; 114,7 (2x) ;
67,9 ; 65,5 ; 35,5 ; 33,4 ; 22,3 ; 21,6 ; 13,9

237
4-butyl-4'-(2-N,N-diméthylaminoéthoxy)azobenzène (9)

Le produit 8 (1,8 g ; 4,0 mmol) est dissout dans 80 mL d’un mélange eau/acétone
(1:2) ; puis 1,4 mL d’une solution de diméthylamine à 40% dans l’eau (8,2 mmol)
sont ajoutés. Le mélange est chauffé à 60°C pendant une nuit, puis l’acétone est
évaporée sous vide. La solution résultante est ensuite extraite par EtOAc (3 x 40
mL) ; puis les phases organiques sont lavées par K2CO3sat (2 x 40 mL) et H2O (2 x
40 mL) ; séchées par MgSO4 et évaporées sous vide afin d’obtenir le composé 9
sous forme d’un solide orange (1,3 g ; 100%).

Caractérisations

mp = 65 - 67°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,87 (d, J = 8,9 Hz, 2H) ; 7,78 (d, J = 8,3 Hz,
2H) ; 7,28 (d, J = 8,3 Hz, 2H) ; 7,01 (d, J = 8,9 Hz, 2H) ; 4,12 (t, J = 5,7 Hz,
2H) ; 2,75 (t, J = 5,7 Hz, 2H) ; 2,66 (t, J = 7,7 Hz, 2H) ; 2,34 (s, 6H) ; 1,62 (m,
2H) ; 1,36 (sex, J = 7,4 Hz, 2H) ; 0,92 (t, J = 7,3 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 161,0 ; 150,9 ; 147,0 ; 145,7 ; 129,0 (2x) ;
124,4 (2x) ; 122,4 (2x) ; 114,7 (2x) ; 66,2 ; 58,1 ; 45,9 ; 35,5 ; 33,4 ; 22,3 ;
13,9

238
Iodure de 4-butyl-4'-(2-N,N,N-triméthylaminioéthoxy)azobenzène (5b)

Le produit 9 (1,3 g ; 4,0 mmol) est solubilisé dans 150 mL d’éther, puis 1 mL
d’iodure de méthyl (16,1 mmol) est ajouté. Le mélange est agité vigoureusement
à température ambiante pendant 24 h. Le produit est ensuite filtré sous vide et le
filtrat concentré sous vide afin d’obtenir 1,6 g du composé 5b (83%) sous forme
d’un solide orange.

Caractérisations

mp = 183 - 185°C

1
H RMN (400 MHz, MeOD) : (ppm) 7,92 (m, 2H) ; 7,79 (m, 2H) ; 7,33 (m, 2H) ;
7,18 (m, 2H) ; 4,60 (sl, 2H) ; 3,92 (sl, 2H) ; 3,31 (s, 9H) ; 2,69 (m, 2H) ; 1,64
(m, 2H) ; 1,39 (m, 2H) ; 0,95 (m, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 161,1 ; 152,2 ; 149,0 ; 147,6 ; 130,3 (2x) ;
125,7 (2x) ; 123,7 (2x) ; 116,2 (2x) ; 66,5 ; 63,5 ; 3 x 54,9 ; 36,5 ; 34,8 ; 23,4 ;
14,3

239
4-butyl-4'-carboxyazobenzène de sodium (10)

L’acide 4-aminobenzoïque (0,5 g ; 3,64 mmol) est mis en suspension dans une
solution d’Oxone® (4,47 g ; 7,28 mmol) dans de l’eau distillée (22 mL). Le mélange
réactionnel est agité vigoureusement à température ambiante pendant 1 h. Un
précipité jaune se forme puis est filtré pour donner l’acide 4-nitrosobenzoïque (11)
(0,52 g ; 94% Rdt. brut) qui est utilisé directement.

A une solution de 11 (0,52 g ; 3,44 mmol) dans l’acide acétique glacial (22 mL)
est ajoutée la 4-butylaniline (0,59 mL ; 3,78 mmol). Le mélange réactionnel est
agité à température ambiante pendant 24h. Après addition d’eau distillée (30 mL),
un produit couleur orange pâle précipite, est filtré sur Büchner, rincé à l’eau distillée
puis séché à l’étuve. Le composé 12 est obtenu sous forme d’un solide orange
(0,34 g ; 35%) et ne nécessite pas de purification supplémentaire.

Le dérivé carboxylate de sodium 10 est obtenu par ajout d’un équivalent strict de
NaOH dans l’eau suivi d’une lyophilisation.

Caractéristiques

Référence : Kolecki T.; Syper L.; Wilk, K. A. Synthesis, 1997, 681-684

mp : > 230°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 0,95 (t, J = 7,6 Hz, 3H) ; 1,39 (sex,
J = 7,6 Hz, 2H) ; 1,66 (quin, J = 7,6 Hz, 2H) ; 2,71 (t, J = 7,6 Hz, 2H) ; 7,34 (d,
J = 8,0 Hz, 2H) ; 7,88 (d, J = 8,0 Hz, 2H) ; 7,96 (d, J = 8,4 Hz, 2H) ; 8,25 (d,
J = 8,4 Hz, 2H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 155,8 ; 150,9 ; 147,6 ; 131,2 (2x) ; 130,4 ;
129,2 (2x) ; 123,2 (2x) ; 122,6 (2x) ; 35,7 ; 33,4 ; 22,3 ; 13,9

240
4-butyl-4'-(N-(carboxyméthyl)-2-N-méthylaminoéthoxy)azobenzène
(13)

Le produit 8 (1,6 g ; 3,6 mmol), dissout dans de l’acétone (40 mL), est ajouté
goutte à goutte à une solution aqueuse (20 mL) d’hydrochlorure de N-
méthylglycineméthyl ester (994 mg ; 7,1 mmol), préalablement basifiée par K2CO3
(1,47 g ; 10,7 mmol). Après 3 jours à 80°C, 1,11 g de N-méthylglycineméthyl
ester (8,0 mmol) et 1,5 g de K2CO3 (10,7 mmol) sont ajoutés. Le mélange est
chauffé à 80°C pendant 4 jours supplémentaires, puis l’acétone est lentement
évaporée sous vide. La solution résultante est ensuite acidifiée par HCl 37%
(jusqu’à pH = 2) puis extraite par EtOAc (3 x 40 mL). Les phases organiques sont
rassemblées, séchées sur MgSO4 et évaporée sous vide pour donner 13 sous
forme d’un solide orange (640 mg ; 48%).

Caractérisations

mp = 189 - 191°C

1
H RMN (400 MHz, MeOD) : (ppm) 7,92 (d, J = 9,1 Hz, 2H) ; 7,79 (d, J = 8,4 Hz,
2H) ; 7,35 (d, J = 8,4 Hz, 2H) ; 7,17 (d, J = 9,0 Hz, 2H) ; 4,52 (t, J = 4,8 Hz,
2H) ; 4,25 (s, 2H) ; 3,79 (m, 2H) ; 3,12 (s, 3H) ; 2,70 (t, J = 7,7 Hz, 2H) ; 1,65
(m, 2H) ; 1,40 (sex, J = 7,4 Hz, 2H) ; 0,96 (t, J = 7,4 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 168,3 ; 161,2 ; 152,3 ; 149,1 ; 147,6 ; 130,3
(2x) ; 125,6 (2x) ; 123,7 (2x) ; 116,2 (2x) ; 63,9 ; 57,5 ; 57,1 ; 43,2 ; 36,5 ;
34,8 ; 23,4 ; 14,3

241
 Chapitre IV-2 : Substitution allylique de Tsuji-Trost

Procédure générale

Les réactions ont été réalisées dans des vials micro-onde de 30 mL, quel que soit
le mode d’activation étudié. Les réactifs sont introduits dans cet ordre : Pd/C 10%
(20 mg ; 1 mol%), PPh3 (20 mg ; 4 mol%), l’acétate allylique étudié (2 mmol), le
nucléophile étudié (4 mmol) et une solution de tensioactif dans l’eau (10 mL). Le
mélange est chauffé dans un bain d’huile à 70°C pendant 3 h ou pendant 15 min
en micro-onde, puis extrait par EtOAc (3 x 5 mL). L’extraction est précédée d’une
irradiation à 365 nm pendant 30 min lorsque que le tensioactif est photorégulable.
Le produit final est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAC 7:3).
Pour les essais de recyclage, le protocole utilisé est celui décrit précédemment.
Après l’extraction par EtOAc, avec ou sans irradiation préalable, l’acétate (2
mmol), PPh3 (4 mol%) et le nucléophile (2 mmol) sont ajoutés à la phase aqueuse
contenant le catalyseur.

Trans-Cinnamyl-p-tolyl Sulfone (16)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à Cyclohexane/EtOAc 1:1)

pour donner un solide blanc (522 mg ; 96%).

Caractérisations

Référence : Felpin, F-X.; Letais, Y. J. Org. Chem. 2005, 70, 6441-6446

mp = 119 - 121 °C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,69 (d, J = 8,3 Hz, 2H) ; 7,20-7,27 (m,
7H) ; 6,32 (d, J = 15,5 Hz, 1H) ; 6,04 (quin, J = 7,5 Hz, 1H) ; 3,86 (dd, J = 0,8
et 7,5, 2H) ; 2,37 (s, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 144,7 ; 138,9 ; 135,8 ; 135,5 ; 129,6 (2x) ;
128,6 (2x) ; 128,5 (2x) ; 128,4 ; 126,5 (2x) ; 115,3 ; 60,5 ; 21,5

243
1, 3-Diphenyl-2-propenyl-p-tolyl Sulfone (17)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à Cyclohexane/EtOAc 0:1)

pour donner un solide blanc (362 mg ; 52%).

Caractérisations

Référence : Felpin, F-X.; Letais, Y. J. Org. Chem. 2005, 70, 6441-6446

mp = 158-159 °C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,53 (d, J = 8,4 Hz, 2H) ; 7,29-7,36 (m,
10H) ; 7,20 (d, J = 8,0 Hz, 2H) ; 6,55-6,58 (m, 2H) ; 4,81 (d, J = 7,6 Hz, 1H) ;
2,40 (s, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 144,5 ; 137,9 ; 135,9 ; 134,4 ; 132,5 (2x) ;
129,7 (2x) ; 129,3 (5x) ; 128,8 ; 128,6 (2x) ; 128,4 (2x) ; 126,7 ; 120,2 ; 75,3 ;
21,6

244
Cyclohex-2-enyl-p-tolyl Sulfone (18)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à Cyclohexane/EtOAc 0:1)

pour donner une huile incolore (245 mg ; 52%).

Caractérisations

Référence : Felpin, F-X.; Letais, Y. J. Org. Chem. 2005, 70, 6441-6446

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,74 (d, J = 8,3 Hz, 1H) ; 7,33 (d, J = 7,9 Hz,
1H) ; 6,02-6,09 (m, 1H) ; 5,73-5,78 (m, 1H) ; 3,69-3,72 (m, 1H) ; 2,44 (s, 3H) ;
1,80-1,85 (m, 5H) ; 1,46-1,49 (m, 1H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 144,5 ; 135,1 ; 134,4 (2x) ; 129,6 (2x) ;
129,1 (2x) ; 61,8 ; 24,3 ; 22,7 ; 21,6 ; 19,5

4-Cinnamylmorpholine (19)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à Cyclohexane/EtOAc 0:1)

pour donner une huile incolore (304 mg ; 75%).

Caractérisations

Référence : Felpin, F-X.; Letais, Y. J. Org. Chem. 2005, 70, 6441-6446

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,20-7,38 (m, 5H) ; 6.52 (d, J = 16,0 Hz,
1H) ; 6,25 (dt, J = 6,8 et 13,6 Hz, 1H) ; 3,73 (t, J = 4,4 Hz, 4H) ; 3,14 (d, J =
6,8, 2H) ; 2,50 (m, 4H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 136,8 ; 133,3 ; 128,5 ; 127,5 (2x) ; 126,3 ;
126,1 (2x) ; 67,0 (2x) ; 61,4 ; 53,6 (2x)

245
4-(1, 3-diphenylallyl)morpholine (20)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à Cyclohexane/EtOAc 1:1)

pour donner un solide blanc (502 mg ; 90%).

Caractérisations

Référence : Azagarsamy, M. A.; Alge, D. L.; Radhakrishnan, S. J.; Tibbitt, M. W.;

Anseth, K. S. Biomacromolecules, 2012, 13, 2219-2224

mp = 64 - 66 °C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,21-7,44 (m, 10H) ; 6,60 (d, J = 15,8 Hz,
1H) ; 6,32 (dd, J=16,0 et 8,8 Hz, 1H) ; 3,80 (d, J = 8,8 Hz, 1H) ; 3,74 (t, J = 4,8
Hz, 4H) ; 2,56 (m, 2H) ; 2,42 (m, 2H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm)168,4 ; 167,8 ; 140,3 ; 137,0 (2x) ; 132,0
(2x) ; 129,3 (2x) ; 128,9 ; 128,7 ; 128,0 (2x) ; 127,8 ; 127,3 (2x) ; 67,2 ; 61,4
(2x)

246
4-(Cyclohex-2-enyl)morpholine (21)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à Cyclohexane/EtOAc 0:1)

pour donner une huile incolore (200 mg ; 60%).

Caractérisations

Référence : Pawlas, J.; Nakao, Y.; Kawatsura, M.; Hartwig, J. F. J. Am. Chem. Soc.
2002, 124, 3669

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 5,89 (d, J = 10,4 Hz, 1H) ; 5,60 (d, J = 10,4
Hz, 1H) ; 3,66-3,69 (m, 4H) ; 3,11-3,12 (m, 1H) ; 2,50-2,52 (m, 4H) ; 1,94-1,95
(m, 2H) ; 1,76-1,78 (m, 2H) ; 1,50-1,53 (m, 2H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 130,4 (2x) ; 128,9 (2x) ; 67,6 ; 60,4 ; 49,3 ;
25,3 ; 23,1 ; 21,5

247
N, N-Dibenzyl-3-phenylprop-2-enamine (22)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à Cyclohexane/EtOAc 1:1)

pour donner une huile jaune (388 mg ; 62%).

Caractérisations

Référence : Krishnan, D.; Wu, M.; Chiang, M.; Li, Y., Leung, P-H.; Pullarkat, S. A.
Organometallics 2013, 32, 2389

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,18-7,26 (m, 15H) ; 6,52 (d, J = 15,9 Hz,
1H) ; 6,28 (dt, J = 6,6 et 13,4 Hz, 1H) ; 3,61 (s, 4H) ; 3,20 (d, J = 6,2 Hz, 2H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 139,6 (2x) ; 137,2 ; 132,4 ; 128,8 ; 128,5
(4x) ; 128,2 (2x) ; 127,7 (4x) ; 127,3 ; 126,8 (2x) ; 126,2 (2x) ; 57,9 (2x) ; 55,7

248
Dibenzyl-(1, 3-diphenylallyl)amine (23)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à Cyclohexane/EtOAc 0:1)

pour donner un solide blanc (600 mg ; 77%).

Caractérisations

Référence : Chen, J.; Lang, F.; Li, D.; Cun, L.; Zhu, J.; Deng, J.; Liao, J.
Tetrahedron: Asymm. 2009, 20, 1953

mp = 111 - 113 °C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,12-7,48 (m, 20H) ; 6,44 (m, 2H) ; 4,36 (d,
J = 6,9 Hz, 1H) ; 3,65 (d, J = 13,8 Hz, 2H) ; 3,52 (d, J = 13,8 Hz, 2H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 141,9 ; 140,0 (2x) ; 137,0 ; 134,1 ; 126,7
(4x) ; 126,6 (2x) ; 128,4 (4x) ; 128,3 (2x) ; 128,2 (2x) ; 127,7 ; 127,6 ; 127,1 ;
126,8 (2x) ; 126,5 (2x) ; 65,1 ; 54,0 (2x)

249
N, N-Dibenzylcyclohex-2-enamine (24)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à Cyclohexane/EtOAc 0:1)

pour donner une huile incolore (199 mg ; 36%).

Caractérisations

Référence : Felpin, F-X.; Letais, Y. J. Org. Chem. 2005, 70, 6441-6446

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,13-7,33 (m, 10H) ; 5,65-5,76 (m, 2H) ;
3,68 (d, J = 14,1 Hz, 2H) ; 3,46 (d, J = 14,1 Hz, 2H) ; 3,45 (m, 1H) ; 1,80-1,92
(m, 3H) ; 1,72 (m, 1H) ; 1,53 (m, 2H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 141,1 (2x) ; 131,0 ; 130,2 (4x) ; 128,6
(4x) ; 128,3 (2x) ; 126,8 ; 54,7 (2x) ; 54,0 ; 25,5 (2x) ; 22,0

250
Chapitre IV-3 : Décarboxylation de Barton, synthèse de nouveaux
précurseurs de tensioactifs

Procédure générale

Dans un Bécher de 100 mL contenant du Brij® 30 en solution dans l’eau (300 mg

dans 30 mL), sont introduit, dans l’ordre, la 2-mercaptopyridine-N-oxyde
(150 mg ; 1,2 mmol), la DCC (250 mg, 1,2 mmol), le N-phénylmaléimide
(268 mg ; 1,5 mmol) et l’acide carboxylique (1,03 mmol). Le mélange est placé
dans un bain de glace et mélangé par ultrasons pendant 20 min (la sonde ultrasons
est placée à 1 cm du bord supérieur du Bécher pour une dispersion homogène).
Le brut est ensuite lyophilisé et le résidu est purifié sur chromatographie flash
(Cyclohexane/EtOAc 1/0 à 7/3).

L’étude méthodologique à été conduite en utilisant une droite d’étalonnage HPLC

réalisée sur le produit 25.

Détermination des rendements HPLC

Chaque solution de 25 (2,82.10-4 M ; 2,51.10-3 M; 5,30.10-3 M ; 7,33.10-3 M et

1,05.10-2 M) est préparée dans un mélange MeOH/Acétone (1:1), l’étalon externe
utilisé est le naphtalène (0,5 mg/mL). La température de la colonne est maintenue
à 50°C et la phase mobile utilisée est un mélange MeOH/eau (9:1). Les résultats
sont reportés sur la courbe ci-dessous

AireProduit/AireEtalon
2,50

2,00
y = 0,2557x - 0,0085
R² = 0,9989
1,50

1,00

0,50

0,00
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00
CProduit/C Etalon

251
3-pentyl-1-phenyl-4-(pyridin-2-ylthio)pyrrolidine-2,5-dione ((±)25)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner un
solide blanc (218 mg ; 60%, e.d. = 100%)

Caractérisations

mp : 77 - 79°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) :  (ppm) 8,29 (ddd, J = 5,0 ; 1,8 et 1,0 Hz, 1H) ; 7,46-
7,55 (m, 3H) ; 7,34-7,42 (m, 3H) ; 7,22 (d, J = 8,1 Hz, 1H) ; 7,02 (ddd, J = 7,4 ;
5,0 et 1,0 Hz, 1H) ; 3,92 (d, J = 5,6 Hz, 1H) ; 3,23 (dt, J = 8,6 et 5,2 Hz, 1H) ;
1,78-1,87 (m, 1H) ; 2,04-2,12 (m, 1H) ; 1,53-1,60 (m, 2H) ; 1,34-1,37 (m, 4H)
; 0,92 (t, J = 7,1 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) :  (ppm) 177,4 ; 174,4 ; 156,1 ; 149,0 ; 136,6 ;
132,5 ; 129,1 (2x) ; 128,5 ; 126,4 (2x) ; 122,1 ; 120,2 ; 47,2 ; 46,9 ; 31,6 ;
30,7 ; 26,1 ; 22,4 ; 14,0

νmax/cm-1 : 1707 (C=O) ; 1389 (CH) ; 1173 (C-N)

HRMS (ESI) : C20H23N2O2S [M+H]+ : calculée 355,1480 ; obtenue 355,1480

252
3-hexyl-1-phenyl-4-(pyridin-2-ylthio)pyrrolidine-2,5-dione ((±)26)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner une
cire incolore (235 mg ; 62% ; e.d. = 96%)

Caractérisations

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,29 (ddd, J = 4,9 ; 1,7 et 0,9 Hz, 1H) ; 7,46-
7,54 (m, 3H) ; 7,34-7,42 (m, 3H) ; 7,21 (d, J = 8,1 Hz, 1H) ; 7,01 (ddd, J = 7,4 ;
5,0 et 1,0 Hz, 1H) ; 3,90 (d, J = 5,7 Hz, 1H) ; 3,24 (dt, J = 8,7 et 5,3 Hz, 1H) ;
2,04-2,13 (m, 1H) ; 1,77-1,87 (m, 1H) ; 1,55 (quin, J = 7,5 Hz, 2H) ; 1,26-1,39
(m, 6H) ; 0,89 (t, J = 7,0 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,3 ; 174,4 ; 156,0 ; 148,9 ; 136,6 ; 132,5
; 129,1 (2x) ; 128,5 ; 126,4 (2x) ; 122,1 ; 120,2 ; 47,2 ; 46,9 ; 31,5 ; 30,7 ; 29,1
; 26,4 ; 14,0 ; 22,5

νmax/cm-1 : 1715 (C=O) ; 1381 (CH) ; 1183 (C-N)

HRMS (ESI) : C21H25N2O2S [M+H]+ : calculée 369,1632 ; obtenue 369,1635

253
3-heptyl-1-phenyl-4-(pyridin-2-ylthio)pyrrolidine-2,5-dione ((±)27)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner une
huile incolore (228 mg ; 58% ; e.d. = 91%)

Caractérisations

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,29 (ddd, J = 5,0 ; 1,7 et 1,0 Hz, 1H) ; 7,45-
7,55 (m, 3H) ; 7,33-7,41 (m, 3H) ; 7,23 (d, J = 8,1 Hz, 1H) ; 7,02 (ddd, J = 7,4
; 5,0 et 1,0 Hz, 1H) ; 3,93 (d, J = 5,6 Hz, 1H) ; 3,23 (dt, J = 8,7 et 5,2 Hz, 1H) ;
2,04-2,12 (m, 1H) ; 1,77-1,87 (m, 1H) ; 1,55 (quin, J = 7,5 Hz, 2H) ; 1,26-1,37
(m, 8H) ; 0,88 (t, J = 6,9 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,3 ; 174,4 ; 156,0 ; 148,9 ; 136,7 ; 132,5
; 129,1 (2x) ; 128,5 ; 126,4 (2x) ; 122,2 ; 120,3 ; 47,1 ; 46,9 ; 31,7 ; 30,7 ; 29,4
; 29,0 ; 26,5 ; 22,6 ; 14,0

νmax/cm-1 : 1715 (C=O) ; 1380 (CH) ; 1184 (C-N)

HRMS (ESI) : C22H27N2O2S [M+H]+ : calculée 383,1793 ; obtenue 383,1788

254
3-nonyl-1-phenyl-4-(pyridin-2-ylthio)pyrrolidine-2,5-dione ((±)28)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner un
solide blanc (235 mg ; 56% ; e.d. = 98%)

Caractérisations

mp : 56 - 57°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,29 (d, J = 4,5 Hz, 1H) ; 7,46-7,55 (m, 3H)
; 7,35-7,41 (m, 3H) ; 7,23 (d, J = 8,1 Hz, 1H) ; 7,02 (dd, J = 6,7 et 5,0 Hz, 1H)
; 3,92 (d, J = 5,6 Hz, 1H) ; 3,23 (dt, J = 8,8 et 5,1 Hz, 1H) ; 2,04-2,12 (m, 1H) ;
1,78-1,87 (m, 1H) ; 1,56 (quin, J = 7,4 Hz, 2H) ; 1,26-1,36 (m, 12H) ; 0,88 (t, J
= 6,9 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,3 ; 174,4 ; 156,0 ; 149,0 ; 136,7 ; 132,5
; 129,1 (2x) ; 128,5 ; 126,4 (2x) ; 122,2 ; 120,3 ; 47,2 ; 46,9 ; 31,8 ; 30,8 ; 29,5
; 29,4 ; 29,3 ; 29,2 ; 26,5 ; 22,6 ; 14,1

νmax/cm-1 : 1716 (C=O) ; 1386 (CH) ; 1180 (C-N)

HRMS (ESI) : C24H31N2O2S [M+H]+ : calculée 411,2106 ; obtenue 411,2102

255
1-phenyl-3-(pyridin-2-ylthio)-4-undecylpyrrolidine-2,5-dione ((±)29)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner un
solide blanc (258 mg ; 57% ; e.d. = 91%)

Caractérisations

mp : 62 - 65°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,28 (ddd, J = 5,0 ; 1,8 et 1,0 Hz, 1H) ; 7,45-
7,54 (m, 3H) ; 7,34-7,41 (m, 3H) ; 7,22 (dt, J = 8,1 et 0,9 Hz, 1H) ; 7,01 (ddd, J
= 7,4 ; 5,0 et 1,0 Hz, 1H) ; 3,92 (d, J = 5,7 Hz, 1H) ; 3,23 (dt, J = 8,7 et 5,2 Hz,
1H) ; 2,03-2,12 (m, 1H) ; 1,77-1,87 (m, 1H) ; 1,55 (quin, J = 7,5 Hz, 2H) ; 1,26
(sl, 16H) ; 0,88 (t, J = 6,9 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,3 ; 174,3 ; 156,0 ; 148,9 ; 136,6 ; 132,5
; 129,0 (2x) ; 128,4 ; 126,4 (2x) ; 122,1 ; 120,2 ; 47,1 ; 46,9 ; 31,8 ; 30,7 ; 29,5
(2x) ; 29,5 ; 29,4 ; 29,3 ; 29,3 ; 26,4 ; 22,6 ; 14,1

νmax/cm-1 : 1714 (C=O) ; 1388 (CH) ; 1182 (C-N)

HRMS (ESI) : C26H35N2O2S [M+H]+ : calculée 439,2419 ; obtenue 439,2418

256
1-phenyl-3-(pyridin-2-ylthio)-4-tetradecylpyrrolidine-2,5-dione ((±)30)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner un
solide blanc (301 mg ; 61% ; e.d. = 92%)

Caractérisations

mp : 72 - 74°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,29 (d, J = 4,9 Hz, 1H) ; 7,46-7,55 (m, 3H)
; 7,35-7,41 (m, 3H) ; 7,22 (d, J = 8,1 Hz, 1H) ; 7,02 (dd, J = 6,7 et 5,6 Hz, 1H)
; 3,91 (d, J = 5,6 Hz, 1H) ; 3,23 (dt, J = 8,7 et 5,1 Hz, 1H) ; 2,04-2,12 (m, 1H) ;
1,77-1,87 (m, 1H) ; 1,55 (quin, J = 7,5 Hz, 2H) ; 1,26 (sl, 22H) ; 0,88 (t, J = 6,8
Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,3 ; 174,4 ; 156,0 ; 148,9 ; 136,7 ; 132,5
; 129,1 (2x) ; 128,4 ; 126,4 (2x) ; 122,1 ; 120,2 ; 47,1 ; 46,9 ; 31,9 ; 30,8 ; 29,7
; 29,7 ; 29,6 (2x) ; 29,6 ; 29,5 ; 29,4 ; 29,3 ; 29,3 ; 26,5 ; 22,7 ; 14,1

νmax/cm-1 : 1704 (C=O) ; 1391 (CH) ; 1174 (C-N)

HRMS (ESI) : C29H41N2O2S [M+H]+ : calculée 481,2889 ; obtenue 481,2891

257
3-pentadecyl-1-phenyl-4-(pyridin-2-ylthio)pyrrolidine-2,5-dione ((±)31)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner un
solide blanc (336 mg ; 66% ; e.d. = 98%)

Caractérisations

mp : 68 - 71°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,22 (d, J = 4,5 Hz, 1H) ; 7,39-7,49 (m, 3H)
; 7,27-7,34 (m, 3H) ; 7,17 (d, J = 8,1 Hz, 1H) ; 6,95 (dd, J = 6,7 et 5,0 Hz, 1H)
; 3,86 (d, J = 5,6 Hz, 1H) ; 3,13 (dt, J = 8,8 et 5,1 Hz, 1H) ; 2,96-2,03 (m, 1H) ;
1,70-1,77 (m, 1H) ; 1,50 (quin, J = 7,4 Hz, 2H) ; 1,18-1,36 (m, 24H) ; 0,80 (t, J
= 6,9 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,3 ; 174,4 ; 156,0 ; 148,9 ; 136,8 ; 132,5
; 129,1 (2x) ; 128,5 ; 126,4 (2x) ; 122,2 ; 120,3 ; 47,2 ; 46,9 ; 31,9 ; 30,7 ; 29,7
; 29,6 ; 29,6 ; 29,6 ; 29,5 ; 29,4 ; 29,4 ; 26,5 ; 22,7 ; 14,1

νmax/cm-1 : 1708 (C=O) ; 1387 (CH) ; 1173 (C-N)

HRMS (ESI) : C30H43N2O2S [M+H]+ : calculée 495,3045 ; obtenue 495,3047

258
3-heptadecyl-1-phenyl-4-(pyridin-2-ylthio)pyrrolidine-2,5-dione ((±)32)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner un
solide blanc (296 mg ; 55% ; e.d. = 94%)

Caractérisations

mp : 85 - 86°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,30 (ddd, J = 5,0 ; 1,8 et 1,0 Hz, 1H) ; 7,46-
7,56 (m, 3H) ; 7,34-7,42 (m, 3H) ; 7,24 (dt, J = 8,1 et 0,9 Hz, 1H) ; 7,03 (ddd, J
= 7,4 ; 5,0 et 1,0 Hz, 1H) ; 3,95 (d, J = 5,6 Hz, 1H) ; 3,23 (dt, J = 8,7 et 5,2 Hz,
1H) ; 2,04-2,13 (m, 1H) ; 1,78-1,87 (m, 1H) ; 1,56 (quin, J = 7,5 Hz, 2H) ; 1,26
(sl, 28H) ; 0,88 (t, J = 6,9 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,3 ; 174,4 ; 156,0 ; 148,9 ; 136,8 ; 132,5
; 129,1 (2x) ; 128,5 ; 126,4 (2x) ; 122,3 ; 120,3 ; 47,2 ; 46,9 ; 31,9 ; 30,8 ; 29,7
(5x) ; 29,7 (2x) ; 29,6 ; 29,5 ; 29,4 ; 29,3 ; 29,3 ; 26,5 ; 22,7 ; 14,1

νmax/cm-1 : 1708 (C=O) ; 1388 (CH) ; 1169 (C-N)

HRMS (ESI) : C32H47N2O2S [M+H]+ : calculée 523,3280 ; obtenue 523,3363

259
(Z)-3-(heptadec-8-en-1-yl)-1-phenyl-4-(pyridin-2-ylthio)pyrrolidine-
2,5-dione ((±)33)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner une
huile incolore (321 mg ; 60% ; e.d. = 94%)

Caractérisations

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,29 (ddd, J = 4,9 ; 1,8 et 0,9 Hz, 1H) ; 7,46-
7,55 (m, 3H) ; 7,35-7,41 (m, 3H) ; 7,23 (dt, J = 8,1 et 0,9 Hz, 1H) ; 7,01 (ddd, J
= 7,4 ; 5,0 et 1,0 Hz, 1H) ; 5,35 (dt, J = 5,7 et 3,5 Hz, 2H) ; 3,91 (d, J = 5,7 Hz,
1H) ; 3,23 (dt, J = 8,7 et 5,2 Hz, 1H) ; 2,01-2,05 (m, 1H) ; 1,77-1,87 (m, 1H) ;
1,56 (quin, J = 7,4 Hz, 2H) ; 1,27-1,31 (m, 22H) ; 0,88 (t, J = 6,9 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,3 ; 174,3 ; 156,0 ; 149,0 ; 136,6 ; 132,5
; 130,0 ; 129,7 ; 129,1 (2x) ; 128,4 ; 126,4 (2x) ; 122,1 ; 120,2 ; 47,1 ; 46,9 ;
31,9 ; 30,7 ; 29,7 ; 29,7 ; 29,5 ; 29,4 ; 29,3 (2x) ; 29,2 ; 29,1 ; 27,2 ; 27,1 ;
26,5 ; 22,7 ; 14,1

νmax/cm-1 : 1717 (C=O) ; 1384 (CH) ; 1179 (C-N)

HRMS (ESI) : C32H45N2O2S [M+H]+ : calculée 521,3123 ; obtenue 521,3221

260
3-((8Z,11Z)-heptadeca-8,11-dien-1-yl)-1-phenyl-4-(pyridin-2-
ylthio)pyrrolidine-2,5-dione ((±)34)

Le produit est purifié sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1:0 à 7:3) pour donner une
huile incolore (327 mg ; 61% ; e.d. = 94%)

Caractérisations

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,27 (ddd, J = 4,9 ; 1,7 et 1,0 Hz, 1H) ; 7,44-
7,52 (m, 3H) ; 7,34-7,40 (m, 3H) ; 7,19 (d, J = 8,1 Hz, 1H) ; 6,98 (dd, J = 7,3 ;
5,0 et 0,8 Hz, 1H) ; 5,30-5,43 (m, 4H) ; 3,89 (d, J = 5,7 Hz, 1H) ; 3,23 (dt, J =
8,7 et 5,2 Hz, 1H) ; 2,78 (t, J = 6,3 Hz, 2H) ; 2,06 (q, J = 6,8 Hz, 5H) ; 1,76-1,86
(m, 1H) ; 1,55 (quin, J = 7,2 Hz, 2H) ; 1,29-1,37 (m, 14H) ; 0,89 (t, J = 7,0 Hz,
3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,2 ; 174,2 ; 155,9 ; 148,9 ; 136,5 ; 132,5
; 130,1 ; 129,9 ; 128,9 (2x) ; 128,3 ; 127,9 ; 127,8 ; 126,3 (2x) ; 121,9 ; 120,1
; 47,0 ; 46,8 ; 31,4 ; 30,6 ; 29,5 ; 29,3 ; 29,2 ; 29,1 ; 29,0 ; 27,1 (2x) ; 26,4 ;
25,5 ; 22,4 ; 14,0

νmax/cm-1 : 1717 (C=O) ; 1382 (CH) ; 1179 (C-N) ;

HRMS (ESI) : C32H43N2O2S [M+H]+ : calculée 519,2967 ; obtenue 519,3052

261
3-pentyl-1-phenyl-1H-pyrrole-2,5-dione (35)

Le produit (±)25 (1 mmol) est dissout dans du DCM (10 mL) en présence de m-
CPBA (246 mg ; 10 mmol), le mélange est agité vigoureusement pendant 10 min
à 0°C. En fin de réaction, une solution saturée de NaHCO3 (30 mL) est ajoutée et
le produit est extrait par du DCM. Après évaporation du solvant, du 20 mL de
toluène est ajoutée et le mélange est chauffé à reflux pendant 1 h. Le produit 35
est obtenu sous forme d’un solide blanc (rendement quantitatif) après purification
sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1/0 à 7/3).

Caractérisations

mp : 72 - 73°C

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,43-7,48 (m, 2H) ; 7,33-7,36 (m, 3H) ; 6,43
(t, J = 1,2 Hz, 1H) ; 2,52 (dt, J = 7,7 et 1,7 Hz, 2H) ; 1,63-1,70 (m, 2H) ; 1,33-
1,42 (m, 4H) ; 0,93 (t, J = 7,1 Hz, 3H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 170,4 ; 169,7 ; 150,4 ; 131,6 ; 129,0 (2x) ;
127,6 ; 126,3 ; 125,9 (2x) ; 31,3 ; 26,8 ; 25,5 ; 22,3 ; 13,9

νmax/cm-1 : 1707 (C=O) ; 1388 (CH) ; 1179 (C-N)

HRMS (ESI) : C15H17NO2 [M+H]+ : calculée 244,1338 ; obtenue 244,1340

262
3,4-dipentyl-1-phenyl-3-(pyridin-2-ylthio)pyrrolidine-2,5-dione ((±)36a
et (±)36b)

Dans un Bécher de 100 mL contenant une solution aqueuse de Brij®30 (300 mg

dans 30 mL), sont introduit, dans l’ordre, la 2-mercaptopyridine-N-oxide (225 mg ;
1,8 mmol), la DCC (375 mg ; 1,8 mmol), le produit 35 (243 mg ; 1 mmol) et
l’acide caproïque (174 mg ; 1,5 mmol). Le mélange est placé dans un bain de glace
et est agité sous ultrasons pendant 20 min (la sonde ultrasons est placé à 1cm du
bord supérieur du Bécher afin d’assurer une dispersion homogène). Le brut est
ensuite lyophilisé et le résidu est purifié sur chromatographie flash
(Cyclohexane/EtOAc 1/0 à 7/3) afin d’obtenir les produits (±)36a et (±)36b, en
mélange, sous forme d’une huile jaune pâle (200 mg ; 47% ; e.d. = 20%).

Caractérisations

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 8,30 (ddd, J =5,0, 1,8 et 0,9 Hz, 0,4H) ; 8,19
(ddd, J = 5,0 ; 1,8 et 0,9 Hz, 0,6H) ; 7,32-7,52 (m, 5H) ; 7,26-7,29 (m, 1H) ;
7,17-7,22 (m, 1H) ; 6,99 (ddd, J = 7,4 ; 6,2, et 5,0 Hz, 1H) ; 3,65 (t, J = 6,8 Hz,
0,4H) ; 2,96 (dd, J = 7,1 et 5,7 Hz, 0,6H) ; 1,82-2,16 (m, 3H) ; 1,56-1,77 (m,
4H) ; 1,27-1,38 (m, 9H) ; 0,85-0,93 (m, 6H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 177,5 ; 177,1 ; 176,9 ; 176,2 ; 157,4 ; 156,9
; 13,9 (CH3) ; 148,9 ; 148,7 ; 136,4 ; 136,4 ; 132,6 ; 129,0 (2x) ; 128,9 (2x) ;
128,3 ; 128,1 ; 126,4 (2x) ; 126,3 (2x) ; 122,1 ; 122,0 ; 120,2 ; 120,0 ; 59,0 ;
56,9 ; 48,1 ; 47,8 ; 38,4 ; 33,9 ; 31,8 ; 31,7 ; 31,7 (2x) ; 28,7 ; 28,1 ; 28,0 ;
24,3 ; 24,0 ; 22,3 ; 22,3 ; 22,3 ; 22,2 ; 14,0

νmax/cm-1 : 1714 (C=O) ; 1387 (CH) ; 1182 (C-N) ;

HRMS (ESI) : C25H32N2O2SNa [M+Na]+ : calculée 447,2082 ; obtenue 447,2086

263
3,4-dipentyl-1-phenyl-1H-pyrrole-2,5-dione (37)

Les produits (±)36a et (±)36b (1 mmol) sont dissouts dans du DCM (10 mL) en
présence de m-CPBA (246 mg ; 10 mmol), le mélange est agité vigoureusement
pendant 10 min à 0°C. En fin de réaction, une solution saturée de NaHCO3 (30 mL)
est ajoutée et le produit est extrait par du DCM. Après évaporation du solvant, du
20 mL de toluène est ajoutée et le mélange est chauffé à reflux pendant 1 h. Le
produit 37 est obtenu sous forme d’une huile jaune pâle (rendement quantitatif)
après purification sur silice (Cyclohexane/EtOAc 1/0 à 7/3).

Caractérisations

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 7,42-7,46 (m, 2H) ; 7,31-7,38 (m, 3H) ; 2,46
(t, J = 7,7 Hz, 4H) ; 1,58-1,61 (m, 4H) ; 1,34-1,39 (m, 8H) ; 0,92 (t, J = 7,1 Hz,
6H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 170,8 ; 141,2 ; 132,0 ; 129,0 (2x) ; 127,2 ;
125,7 (2x) ; 31,8 ; 28,3 ; 23,8 ; 22,4 ; 13,9

νmax/cm-1 : 1709 (C=O) ; 1305 (CH) ; 1198 (C-N)

HRMS (ESI) : C20H28NO2 [M+H]+ : calculée 314,2120 ; obtenue 314,2106

264
3,4-dipentyl-1-phenyl-1H-pyrrole-2,5-dione (38)

Le composé 37 (1,6 g ; 3,8 mmol) est dissout dans un mélange MeOH/H2O (30
mL ; 2:1), puis la soude est ajoutée (4,6 g ; 114 mmol). Le mélange est laissé au
reflux pendant 1 h. Après retour à T.A, le brut réactionnel est acidifié (pH = 5) par
HCl 35%, puis extrait par EtOAc (3 x 50 mL). Les phases organiques sont
récupérées, séchées sur MgSO4 puis évaporées. On obtient 273 mg (30%) du
composé 38 sous forme d’une huile incolore.

Caractérisations

1
H RMN (400 MHz, CDCl3) : (ppm) 2,45 (dd, J = 15,6 et 8,0 Hz, 4H) ; 1,54-1,62
(m, 4H) ; 1,31-1,39 (m, 8H) ; 0,89-0,94 (m, 6H)

13
C RMN (100 MHz, CDCl3) : (ppm) 166,0 ; 144,5 ; 31,6 ; 27,7 ; 24,4 ; 22,2 ;
13,8

HRMS (ESI) : C14H23O3 [M+H]+ : calculée 239,1647 ; obtenue 239,1637

265
 Annexes

Annexes

267
 Article

pubs.acs.org/joc

Micellar Catalysis Using a Photochromic Surfactant: Application to

the Pd-Catalyzed Tsuji−Trost Reaction in Water
Muriel Billamboz, Floriane Mangin, Nicolas Drillaud, Carole Chevrin-Villette, Estelle Banaszak-Léonard,
and Christophe Len*
Université de Technologie de Compiègne, Transformation Intégrée de la Matière Renouvelable, EA 4297 UTC/ESCOM, Centre de
recherche de Royallieu, BP 20529, F-60205 Compiègne Cedex, France
*
S Supporting Information

ABSTRACT: The first example of a Pd-catalyzed Tsuji−Trost reaction,

applied in a photochromic micellar media under conventional heating
and microwave irradiation, is reported. The surfactant activity and
recycling ability were investigated and compared with those of a few
commercially available surfactants. The synthetic photochromic
surfactant proved to be efficient, recyclable, and versatile for Pd-
catalyzed coupling reactions.

■ INTRODUCTION ology using conventional and microwave heating under low

loading conditions (1 mol % Pd).

■
With the notion of green chemistry, organic chemists are
strongly encouraged to develop safer protocols. Among the 12
principles that govern green chemistry,1 organic reactions
RESULTS AND DISCUSSION
conducted in safer solvents have received considerable Several photoresponsive surfactants have been reported with
attention.2 In this context, substantial efforts have been devoted different photoresponsive groups used to provide structural
to the development of efficient Pd-catalyzed cross-coupling change.13 The nonionic surfactant C4-Azo-PEG 1 was selected
reactions in aqueous media.3 for this study since ionic surfactants can inhibit the reaction due
Water as a solvent has many advantages over usual organic to electrostatic repulsions at the micelle−water interface.14 It
solvents: it is the least expensive and safest solvent that is possesses an azobenzene moiety as the photochromic core, a
nonflammable, inexplosive, and nontoxic. Water has unique C4 alkyl chain as a hydrophobic tail, and a polyethyleneglycol
properties in solvating organic molecules, leading to positive (PEG) as a nonionic hydrophilic headgroup (Figure 1).
effects on reactivities and selectivities.4 However, the potential
scope of aqueous organometallic catalysis is drastically reduced
when highly hydrophobic substrates are involved in the
chemical transformations. To overcome this problem, different
strategies have been studied: the use of organic cosolvents5 or
ionic liquids6 as well as additives, such as phase transfer agents,7
cyclodextrins,8 polymers,9 or surfactants.10
Recently, we have reported the synthesis and use of a novel Figure 1. Structure of C4-Azo-PEG 1.
photochromic azobenzene-based surfactant in acetylation
reactions in water.11 This surfactant was designed to (i)
photo-organize and disorganize in aqueous solution, (ii) allow a
better extraction of the products formed due to its photo- The synthesis of 1 was first described by Shang et al. in
chromism property, (iii) facilitate the reactions taking place in 2003,15 but the proposed three-step protocol suffers from a
an aqueous phase, and (iv) enable the recycling of the aqueous very poor overall yield of 3%. For the present work, a modified
phase. On the basis of these factors, the concept of three-step protocol was followed.16 Azobenzene 3 was
photochromic surfactant for Pd-catalyzed cross-coupling synthesized by oxidative coupling of 4-butylaniline 2 and
reactions in water was investigated in one of the most phenol via the corresponding diazonium salt. Then, a classical
important reactions for carbon−carbon bond formation, the Williamson etherification of phenol derivative 3 with the
Tsuji−Trost reaction. Pd-catalyzed allylic substitution reactions tosylate 4 obtained by selective sulfonatation of the glycol
are widely employed for constructing C−C, C−N, C−S, and derivative PEG3 furnished the desired C4-Azo-PEG 1 in 50%
C−O bonds with high chemo-, regio-, and stereoselectivities.12 overall yield (Scheme 1).
Surprisingly, the development of the Tsuji−Trost reaction in
aqueous photoresponsive micellar media was not described. Received: August 24, 2013
Herein, we report the scope and limitations of this method- Published: December 2, 2013

© 2013 American Chemical Society 493 dx.doi.org/10.1021/jo401737t | J. Org. Chem. 2014, 79, 493−500
The Journal of Organic Chemistry Article

Scheme 1. Synthetic Pathways to C4-Azo-PEG 1

Figure 2. Overlaid UV spectra (1 scan per 15 s, from 0 to 18 min)

during the isomerization of 1 at 365 nm (500 W lamp). Sample
concentration: 10−4 mol/L.

The surface tension measurements of 1 have been previously

reported, before and after UV irradiation. It has been clearly
demonstrated that 1 forms micelles, and the CMC (critical
micellar concentration) of the trans and the cis forms are 4.1
and 8 μM, respectively.15
The cis/trans equilibrium of 1 was also previously studied Figure 3. Overlaid UV spectra (1 scan per 15 s, from 0 to 6 min)
with a 200 W mercury lamp.15 To confirm the ability of the during the isomerization of 1 at 254 nm (500 W lamp). Sample
diazo function to isomerize under UV exposure (Scheme 2), 1 concentration: 10−4 mol/L.

Scheme 2. Isomerization Equilibrium between 1 (trans) and Finally, as already shown for numerous azo derivatives, it must
1 (cis) be pointed out that the cis isomer could not be isolated in pure
form.18
Repeating the irradiation of 1 in solution, to switch between
isomers did not reveal any degradation of 1, as the maximum
UV spectrum obtained after each irradiation was consistent to
the previous one (Figure 4).

was analyzed by UV/vis absorption spectroscopy. In our hands,

using a 500 W mercury lamp, irradiation at 365 nm of 1 (trans)
in deionized water at room temperature resulted in a substantial Figure 4. Reversibility of photoisomerization in 1 solution at 2 × 10−4
change in the UV/vis spectrum of 1, due to its switching from mol/L for the trans-to-cis and cis-to-trans processes. The solution was
irradiated alternately with 365 and 254 nm for 14 and 6 min,
its trans to cis isomers. The absorption band at around 320 nm
respectively. The absorbance at the trans band was recorded after each
was found to decrease gradually with continued irradiation. At illumination.
the same time, the bands at around 250 and 420 nm slightly
increase. The absorption bands at 320, 250, and 420 nm are
ascribed to π−π* and n−π* of the trans and the cis forms of the Results obtained are in accordance with the previously
azo moiety, respectively,17 which is in accordance with the trans described ability of 1 to photoisomerize without degradation
photoisomer 1 (trans) being converted into its cis form. The regardless of the power of the mercury lamp (500 W vs 200
maximum isomerization yield was obtained after 14 min of W), which only allowed decreasing the time necessary to
irradiation at 365 nm (Figure 2). achieve equilibrium.
When irradiated at 254 nm (Figure 3), the cis isomer of 1 To evaluate the potential of the C4-Azo-PEG 1 in micellar
returned gradually to its trans form, and the maximum catalysis, the protocol developed in 2005 by Felpin et al. for the
isomerization yield was obtained after 6 min of irradiation. 10%Pd/C-mediated allylic substitution in pure water was taken
494 dx.doi.org/10.1021/jo401737t | J. Org. Chem. 2014, 79, 493−500
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as reference.19 This heterogeneous process uses an inexpensive more efficient with a TOF (turn over frequency) increasing
and environmentally friendly source of Pd since it is from 1.33 × 10−3 to 7.96 × 10−3 s−1. A rise in concentration of
immobilized on a support and can be easily removed by simple the surfactant 1 to 10 CMC was tested. UV analysis of 1 (41
filtration. Nevertheless, the optimized reaction required a μM, 10 CMC trans) in solution with 10%Pd/C (20 mg)
prolonged heating over 18 h. Also, the authors did not evaluate showed a residual concentration of free C4-Azo-PEG 1 in
the recyclability of the catalytic system. In the present study, solution down to 18.8 μM, largely above the cis form CMC.
environmental aspects have been respected by minimizing the Using the concentration of surfactant 1 (41 μM), the Tsuji−
reaction time and reusing the catalyst. Trost model reaction permitted furnishing the sulfone 6 in 58%
Cinnamyl acetate 5 was selected as a model substrate with yield after 3 h. To conclude, it seemed that the concentration of
the p-toluenesulfinic acid sodium salt (p-TsNa) as nucleophile free C4-Azo-PEG 1 should be between CMC trans and CMC
(Scheme 3). Catalyst loading and temperature have been cis. Because of the surfactant adsorption capability of the
optimized previously (1 mol % of Pd and 70 °C) and will not charcoal supporting palladium, the amount of surfactant 1 in
be extended upon here. the catalyzed Tsuji−Trost reaction has to reach 3 CMC of the
trans form (12.3 μM).
Scheme 3. Tsuji−Trost Coupling Model Reaction in Water To test the efficiency of C4-Azo-PEG 1, three commercially
available surfactants: the anionic surfactant SDS (sodium
dodecyl sulfate), the cationic surfactant CTAB (cetyl
trimethylammonium bromide), and the nonionic PEG-based
surfactant Tween 20 (Figure 6) were evaluated for a
comparative study in the optimized conditions (pTsNa (2
equiv), 10%Pd/C (1 mol %), PPh3 (4 mol %), surfactant (3
CMC), 70 °C, 3 h).
Without any surfactant, a total conversion was observed after
18 h and the desired sulfone 6 was isolated in 86% yield. As the
concept of this work is based on the capability of the surfactant
to photo-organize and disorganize when submitted to
irradiation, the concentration of 1 needs to be comprised
between the CMC of the trans form (4.1 μM) and the CMC of
the cis form (8 μM). In this regard, the first trial was conducted
with 6 μM of 1, but at this concentration, no enhancement of
the reaction was observed. One potent explanation was the
charcoal capacity in adsorbing 1, leading to a decrease of free
C4-Azo-PEG 1 in water. Indeed, UV analysis experiment
showed that 1 (CMC trans < 6 μM < CMC cis) in water in the
presence of 20 mg of 10%Pd/C (consistent with the tested
Tsuji−Trost experiment) conducted to a concentration of free
C4-Azo-PEG 1 of 0.4 μM, 10 times lower than the CMC of the
trans form (heating this solution did not allow the desorption of Figure 6. Structure of commercially available surfactants.
the surfactant). To determine the concentration of free C4-
Azo-PEG 1 comprised between CMC trans and CMC cis, a UV
analysis experiment was performed. A concentration of 1 (12.3 When the anionic surfactant SDS was employed, only 26%
μM, 3 CMC trans) in the presence of 20 mg of 10% Pd/C in yield of 6 was isolated (Table 1, entry 2), which was
water showed the decrease of 1 in solution down to 5.4 μM, significantly less than the 42% yield obtained in the absence
between the trans form and the cis form CMCs (heating this of surfactant (Table 1, entry 1).
solution desorbed the surfactant to 6.9 μM, still below the cis This inhibiting effect can be interpreted by electrostatic
form CMC). Application of the Tsuji−Trost model reaction repulsions between the surfactant and the anionic nucleophile
using 1 (12.3 μM) afforded the target compound 6 in 83% yield p-TsNa at the micelle−water interface.14 The use of cationic
after 3 h when 18 h was necessary in the absence of surfactant and nonionic surfactants avoided this problem as it can be seen
(Figure 5). Our catalytic system in such conditions was 6 times by comparing results for CTAB, Tween 20, and C4-Azo-PEG 1

Table 1. Surfactant Activities in the First Run under

Conventional Heating
entry surfactant yield of 6 (%)b
1 none 42
2 SDS 26
3 CTAB 80
4 Tween 20 71
5 C4-Azo-PEG 83
6 C4-Azo-PEGa 96

a
Irradiation at 365 nm during 30 min just before extraction. b5 (1
equiv), p-TsNa (2 equiv), 10%Pd/C (1 mol %), PPh3 (4 mol %),
Figure 5. Evolution of yields of reaction versus time. surfactant (3 CMC), 70 °C, 3 h.

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Figure 7. Comparison of recycling abilities under conventional heating.

(80, 71, and 83% yields, respectively). The good result obtained cross-coupling micellar catalysis, such focus on Suzuki or
with CTAB was not surprising since it has been previously Sonogashira couplings.25 As in thermal activation, different
reported that the CTAB adsorption on the catalyst surface can reaction times were tested to develop optimized conditions
enhance the reactivity.20 For all experiments, samples were under microwave irradiation. To have a good energy saving, we
submitted to the same direct ethyl acetate extraction except for decided to run the experiment no longer than 30 min.
entry 6. It is noteworthy that irradiation coupled with extraction As described in Figure 8, the best compromise between
increased the yield to 96% yield (Table 1, entry 6). This efficiency and energy saving was to react for 15 min at 70 °C.
difference in yield (13%) could be directly correlated to the
photochromic properties of 1. The photoirradiation directly
acts on the surfactant to enable a better extraction of 6 from the
media, due to an efficient breakdown of the emulsion, visually
seen experimentally (Table 1, entries 5 and 6).
To explore further the scope of C4-Azo-PEG 1 and to
develop an efficient green system, recycling experiments were
performed for the reaction using 10%Pd/C (1 mol %) and the
surfactants at 3 CMC concentration (Figure 7).
After completing each cycle, organic products were extracted
three times with ethyl acetate, and cinnamyl acetate 5 (1 equiv),
p-TsNa (1 equiv), and triphenyl phosphine (4 mol %) were
added again to the aqueous phase. The irradiation effect was Figure 8. Evolution of yield vs time of reaction under microwave
also evaluated when the reaction was conducted with C4-Azo- irradiation.
PEG 1 (30 min at 365 nm just before extraction). As expected,
the 10%Pd/C-SDS system was not recyclable. Even if SDS is It was noted that increasing the time to 30 min allowed only
known to be a Pd stabilizer,21 electrostatic repulsions with the a modest 5% yield gain. Table 2 shows the results obtained
anionic nucleophile are predominant and no conversion was
observed for the second run. Only two runs with moderate Table 2. Surfactant Activities and Recycling Abilities under
yields (71% and 67% yield, respectively) could be performed Microwave Irradiation
with Tween 20 before a dramatic decrease. After five runs were
performed with CTAB, a slow decrease at each run was yield of 6 (%)b
observed until 0% yield was obtained after the fifth run. When entry surfactant run 1 run 2 run 3 run 4 run 5 run 6
the direct extraction treatment was applied, using C4-Azo-PEG 1 none 20 22 16 0
1, four cycles were achievable in good yields of, respectively, 83, 2 SDS 26 0
99, 92, and 72%, after which no further catalytic effect was 3 Tween 20 73 0
observed. However, when we pretreated for 30 min with 365 4 CTAB 80 100 26 0
nm irradiation, an increase of yield was observed for each cycle 5 C4-Azo-PEG 64 97 28 0
and the catalytic system could be reused for four consecutive 6 C4-Azo-PEGa 65 94 26 24 12 0
runs without any loss of activity. From these results, it should a
Irradiation at 365 nm during 30 min just before extraction. b5 (1
be highlighted that the use of the photochromic C4-Azo-PEG equiv), p-TsNa (2 equiv), 10%Pd/C (1 mol %), PPh3 (4 mol %),
surfactant 1 enhanced the reactivity and recyclability of the surfactant (3 CMC), 70 °C, 3 h.
catalytic system.
With its high dielectric constant, water is potentially a very
useful solvent for microwave-mediated synthesis.22 Indeed, under the following conditions: p-TsNa (2 equiv), 10%Pd/C (1
microwave heating has been widely recognized as an efficient mol %), PPh3 (4 mol %), surfactant (3 CMC), 70 °C,
tool, and its benefits have been well-documented.23 Since many microwave irradiation, 15 min. As in conventional heating,
reactions are known to result in higher yield and/or shorter particular attention was paid to the recycling ability of the
reaction times, this alternative technology was developed in our system and the role of the photochromic surfactant 1. In the
group for Suzuki−Miyaura cross-coupling of various uridines in first instance, we observed that the first run under these
pure water.24 Nevertheless, to the best of our knowledge, there conditions gave comparable results between thermal heating
are only a few reports on using microwave heating coupled with and microwave activation for all commercially available
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surfactants (Figure 7; Table 2, entries 2−4). When no Under our optimized method using C4-Azo-PEG 1 in
surfactant was used, the media was recyclable twice with low thermal activation, all desired compounds were obtained in
yield (Table 2, entry 1). moderate to excellent yields (36−97%). Linear cinnamyl
Therefore, we can assume that the palladium source kept its acetate 5 having an E configuration reacted smoothly with p-
activity to the same extent as with microwave irradiation. SDS is toluenesulfinic acid sodium salt to give the desired sulfone 6 in
the less active surfactant under these conditions (Table 2, entry 96% yield, without any loss of configuration (Table 3, entry 1).
2) and is not recyclable. More surprisingly, Tween 20, which Starting from acetate 5 with morpholine and dibenzylamine as
was recyclable in conventional heating, performed a good first N-nucleophiles led to the target compounds 11 and 14 in good
run (73% yield) before showing a dramatic loss of activity yields (75% and 62%, respectively) (Table 3, entries 4 and 7).
(Table 2, entry 3). These last commercially available surfactants Under these conditions, with no additional base in the reaction
SDS and Tween 20 seemed to lead to a marked deactivation of medium, no side reaction of saponification was observed. When
palladium in only one run. CTAB, as in conventional heating C-nucleophiles are tested, a base is necessary in the reaction
(Figure 7), is a serious concurrent to C4-Azo-PEG 1 in terms of medium but led to some competitive saponification of the
activity and recyclability. The two surfactants CTAB and C4- starting acetate 5 (10−15% of cinnamyl alcohol isolated). In
Azo-PEG 1 indicated a useful potential (Table 2, entries 4 and these conditions, lower yields can be achieved. However, dimer
5). The second run was quantitative, but yields dramatically 17 was obtained with 2,4-pentanedione in a good yield of 80%
decreased for the third run. Their behavior was the same when (Table 3, entry 10).The use of a hardier O-nucleophile, phenol,
no irradiation step of the C4-Azo-PEG 1 was included in the surprisingly led to the target compound 18 in excellent yield
sample treatment (Table 2, entry 5). C4-Azo-PEG 1, as in (97%, Table 3, entry 11). The much hindered allylic acetate 7
conventional heating, proved to be the most interesting was found to be a good substrate under the optimized
surfactant tested, when submitted to the irradiation−extraction conditions. As such, compounds 9, 12, and 15 were obtained in
treatment (i.e., irradiation at 365 nm for 30 min just before good to excellent yields (Table 3, entries 2, 5, and 8). Despite
extraction) (Table 2, entry 6). its high steric hindrance, compound 15 was obtained in 77%
According to the results presented herein, the increase of the yield. Finally, the branched allylic acetate 8, as expected, was
catalytic activity observed when the reaction medium is found to be less reactive, and the sulfone 10 was obtained in
subjected to microwave irradiation (i.e., 15 min vs 3 h under 52% yield. Morpholine as N-nucleophile was found to react
conventional heating) is due presumably to electric discharge or better with the acetate 8, leading to the desired compound 13
hot spots created within the heterogeneous catalyst. This in 60% yield. The much more hindered, dibenzylamine, gave
phenomenon has been previously observed and studied in C− compound 16 but in a modest 36% yield. In this case, the
C and P−C couplings.26 In both conditions, recycling of the unreacted acetate 8 was recovered without modification. An
10%Pd/C-C4-Azo-PEG 1 system was conducted (Figure 9). important point that deserves comment is the regioselectivity of
the reaction. Similar to most homogeneous Pd-catalyzed
reactions, only substitution at the least hindered allylic position
is observed. In this respect, this reaction applied to allylic
acetates showed a good range of compatibility with various
nitrogen or sulfur nucleophiles.

■ CONCLUSION
In accordance with the objective of green chemistry, the Tsuji−
Trost reaction in aqueous photoresponsive micellar media
proved to be efficient under conventional heating and
microwave irradiation. As C4-Azo-PEG 1 can organize and
disorganize in aqueous solution under UV irradiation, it allows
Figure 9. Comparison of recycling abilities between conventional a better extraction of the products formed due to its
heating and microwave irradiation in the presence of C4-Azo-PEG 1 photochromism property and an enhancement of reactivity
after irradiation at 365 nm during 30 min just before extraction. and recyclability of the catalytic system. For this study,
conventional heating seemed to be more favorable than
microwave irradiation. This attractive technique allowed a
The first and the second cycles gave similar results. decrease in reaction time and a savings in energy, but the
Nevertheless, the activity of the catalyst decreased drastically downside was a faster deactivation of catalyst. Our optimized
during the third cycle for the microwave heated system. This method under conventional heating was extended to much
tendency was confirmed during the fourth run. In these hindered and branched allylic acetates, and the system showed
conditions, the metal suffered the fastest deactivation under a good range of compatibility with various nucleophiles. As
microwave irradiation than conventional heating. The decrease photochromic surfactants based on azobenzene moieties and, in
in catalytic activity could result from the aggregation of particular, C4-Azo-PEG 1 are really interesting and versatile
palladium nanoparticles or blockage of the active sites.21 One compounds, their potential in catalysis should be more
potent explanation was that microwave heating creates small extensively explored.
and locally superheated, highly active sites, leading to an
acceleration of the deactivation when the temperature
increased.27
■ EXPERIMENTAL SECTION
Materials. All commercially available products and solvents were
To explore further the scope of this new process, the reaction used without further purification. Reactions were monitored by TLC
of three different allylic acetates 5, 7, and 8 with some different (Kieselgel 60F254 aluminum sheet) with detection by UV light or
nucleophiles was examined (Table 3). potassium permanganate acidic solution. Column chromatography was

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Table 3. Scope of the Tsuji−Trost Reaction

performed on silica gel 40−60 μm. Flash column chromatography was bath. The crude solution was added dropwise to a solution of phenol
performed on an automatic apparatus, using silica gel cartridges. UV (20.7 g, 0.22 mol) in soda (100 mL, 6 M). Finally, the solution was
analyses were performed on a UV/vis spectrophotometer coupled with quenched with HCl. The product 3 was obtained after filtration and
an optic fiber. A 500 W mercuric lamp was used for the irradiation of recrystallization from pentane as a red solid (40.1 g, 79%). Analyses
the C4-Azo-PEG solutions. 1H and 13C NMR spectra were recorded are consistent with the literature.15
on a 400 MHz/54 mm ultralong hold. Chemical shifts (δ) are quoted mp = 80 °C. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.85 (d, J = 8.8 Hz,
in parts per million (ppm) and are referenced to TMS as an internal 2H), 7.79 (d, J = 8.3 Hz, 2H), 7.30 (d, J = 8.3 Hz, 2H), 6.92 (d, J = 8.8
standard. Coupling constants (J) are quoted in hertz. Microwave Hz, 2H), 2.68 (t, J = 7.7 Hz, 2H), 1.75 (bs, 1H), 1.64 (quin, J = 7.6
experiments were conducted in a commercial microwave reactor Hz, 2H), 1.37 (sex, J = 7.5 Hz, 2H), 0.94 (t, J = 7.3 Hz, 3H). 13C NMR
especially designed for synthetic chemistry. Monowave300 (Anton
(100 MHz, CDCl3): δ 158.0, 150.8, 147.1, 145.9, 129.0 (2×), 124.7
Paar, Austria) is a monomode cavity with a microwave power delivery
(2×), 122.5 (2×), 115.7 (2×), 35.5, 33.4, 22.3, 13.9.
system ranging from 0 to 850 W. The temperatures of the reactions
were monitored via a contactless infrared pyrometer, which was Triethyleneglycol Monotosylate (4). To a solution of triethylene
calibrated in control experiments with a fiber-optic contact glycol PEG3 (11 g, 73.3 mmol), triethylamine (2.6 mL, 19.1 mmol),
thermometer. Sealed vessels and a magnetic stir bar inside the vessel and DMAP (45 mg, 0.37 mmol) in 95 mL of DCM was added tosyl
were used. Temperature and power profiles were monitored in both chloride (3.5 g, 18.1 mmol) at 5 °C, and the mixture was stirred for 4
cases through the software provided by the manufacturer. h. The resulting mixture was washed with 1 N HCL, H2O, and brine.
Synthesis of C4-Azo-PEG 1. 4-Butyl-4′-hydroxyazobenzene (3). The organic layer was dried over MgSO4 and concentrated under
To a solution of 4-butylaniline (2) (30 g, 0.20 mol) in 37% HCl (50 vacuum. The residue was purified by silica gel chromatography
mL) and water (25 mL) was added NaNO2 (16.6 g, 0.24 mol) in water (EtOAc/cyclohexane 7:3) to obtain the title compound 4 as yellow oil
(25 mL) dropwise in 30 min. The reaction was conducted in an ice (4.2 g, 75%).28

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1
H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.80 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 7.35 (d, J 136.8, 133.3, 128.5, 127.5 (2×), 126.3, 126.1 (2×), 67.0 (2×), 61.4,
= 8.0 Hz, 2H), 4.16 (t, J = 4.7 Hz, 2H), 3.70 (q, J = 4.7 Hz, 4H), 3.61 53.6 (2×).
(s, 4H), 3.57 (t, J = 4.5 Hz, 2H), 2.45 (s, 3H), 2.32 (s, 1H). 13C NMR 4-(1,3-Diphenylallyl)morpholine (12).28 Flash chromatography
(100 MHz, CDCl3): δ 144.8, 132.8, 129.7 (2×), 127.9 (2×), 72.4, (0% EtOAc−cyclohexane to 50% EtOAc−cyclohexane) gave the
70.7, 70.2, 69.1, 68.6, 61.6, 21.6. desired product 12 as a colorless solid (502 mg, 90%). Analyses are
Triethylene Glycol Mono(4-butylazobenzene) Ether (C4-Azo-PEG consistent with the literature.
1). In a round-bottom flask under N2, triethyleneglycol monotosylate mp = 65 °C. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.21−7.44 (m, 10H),
(4) (4.4 g, 14.5 mmol), K2CO3 (9.9 g, 72.3 mmol), and LiCl (20 mg, 3 6.60 (d, J = 15.8 Hz, 1H), 6.32 (dd, J=16,0, J=8,8 Hz, 1H), 3,80 (d, J =
mol %) were dissolved in MeCN (150 mL). A solution of 4-butyl-4′- 8,8 Hz, 1H), 3.74 (t, J = 4,8 Hz, 4H), 2,56 (m, 2H), 2.42 (m, 2H). 13C
hydroxyazobenzene (3) (3.9 g, 15.43 mmol) in MeCN (50 mL) was
NMR (100 MHz, CDCl3): δ 168.4, 167.8, 140.3, 137.0 (2×), 132.0
added dropwise. The mixture was refluxed under N2 for 18 h. The
(2×), 129.3 (2×), 128.9, 128.7, 128.0 (2×), 127.8, 127.3 (2×), 67.2,
solvent was then evaporated under vacuum. The residue was dissolved
in DCM and then washed with brine (3 × 100 mL). The organic layer 61.4 (2×).
was dried over MgSO4 and concentrated under vacuum. The product 4-(Cyclohex-2-enyl)morpholine (13).29 Flash chromatography (0%
1 was purified by silica gel chromatography (EtOAC/cyclohexane 7:3) EtOAc−cyclohexane to 100% EtOAc−cyclohexane) gave the desired
to obtain the desired compound as a yellow solid after recrystallization product 13 as a colorless oil (200 mg, 60%). Analyses are consistent
from pentane (2.6 g, 85%). Analyses are consistent with the with the literature.
literature.15
1
H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 5.89 (d, J = 10.4 Hz, 1H), 5.60 (d, J
mp = 60 °C. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.91 (d, J = 8.8 Hz, = 10.4 Hz, 1H), 3.66−3.69 (m, 4H), 3.11−3.12 (m, 1H), 2.50−2.52
2H), 7.82 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 7.31 (d, J = 8.2 Hz, 2H), 7.04 (d, J = 8.8 (m, 4H), 1.94−1.95 (m, 2H), 1.76−1.78 (m, 2H), 1.50−1.53 (m, 2H).
Hz, 2H), 4.24 (t, J = 4.6 Hz, 2H), 3.92 (t, J = 4.6 Hz, 2H), 3.72−3.78 13
C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 130.4 (2×), 128.9 (2×), 67.6, 60.4,
(m, 6H), 3.65 (t, J = 4.4 Hz, 2H), 2.70 (t, J = 7.7 Hz, 2H), 2.34 (s, 49.3, 25.3, 23.1, 21.5.
1H), 1.66 (quin, J = 7.6 Hz, 2H), 1.39 (sex, J = 7.4 Hz, 2H), 0.96 (t, J N,N-Dibenzyl-3-phenylprop-2-enamine (14).30 Flash chromatog-
= 7.3 Hz, 3H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 160.9, 150.9, 147.2, raphy (0% EtOAc−cyclohexane to 50% EtOAc−cyclohexane) gave the
145.8, 129.0 (2×), 124.5 (2×), 122.5 (2×), 114.7 (2×), 72.4, 70.8, desired product 14 as a yellowish oil (388 mg, 62%). Analyses are
70.3, 69.6, 67.6, 61.7, 35.5, 33.4, 22.3, 13.9. consistent with the literature.
General Procedure for the Tsuji−Trost Reaction. A 30 mL 1
H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.18−7.26 (m, 15H), 6.52 (d, J =
MW vessel was charged with 10%Pd/C (20 mg, 1 mol %), PPh3 (20 15.9 Hz, 1H), 6.28 (dt, J = 6.6, 13.4 Hz, 1H), 3.61 (s, 4H), 3.20 (d, J =
mg, 4 mol %), the desired allylic acetate (2 mmol), and nucleophile (4 6.2 Hz, 2H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 139.6 (2×), 137.2,
mmol). When necessary, potassium carbonate (4 mmol) was added in 132.4, 128.8, 128.5 (4×), 128.2 (2×), 127.7 (4×), 127.3, 126.8 (2×),
the medium. The solution of the surfactant in water (10 mL) was then 126.2 (2×), 57.9 (2×), 55.7.
added. The mixture was heated at 70 °C for 3 h (conventional Dibenzyl-(1,3-diphenylallyl)amine (15).31 Flash chromatography
heating) or 15 min (MW irradiation. The final product was extracted
(0% EtOAc−cyclohexane to 100% EtOAc−cyclohexane) gave the
with EtOAc (3 × 5 mL) before purification. When necessary, the
desired product 15 as a white solid (600 mg, 77%). Analyses are
extraction can be prefaced by a 30 min irradiation under a 365 nm
lamp. For recycling tests, only allylic acetate (2 mmol), PPh3 (4 mol consistent with the literature.
%), and nucleophile (2 mmol) were introduced. mp = 112 °C. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.12−7.48 (m,
trans-Cinnamyl-p-tolyl Sulfone (6).19 Flash chromatography (0% 20H), 6.44 (m, 2H), 4.36 (d, J = 6.9 Hz, 1H), 3.65 (d, J = 13.8 Hz,
EtOAc−cyclohexane to 50% EtOAc−cyclohexane) gave the desired 2H), 3.52 (d, J = 13.8 Hz, 2H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 54.0
product 6 as a white powder (522 mg, 96%). (2×), 65.1, 126.5 (2×), 126.8 (2×), 127.1, 127.6, 127.7, 128.2 (2×),
mp = 120 °C. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.69 (d, J = 8.3 Hz, 128.3 (2×), 128.4 (4×), 126.6 (2×), 126.7 (4×), 134.1, 137.0, 140.0
2H), 7.20−7.27 (m, 7H), 6.32 (d, J = 15.5 Hz, 1H), 6.04 (quin, J = 7.5 (2×), 141.9.
Hz, 1H), 3.86 (dd, J = 0.8, 7.5, 2H), 2.37 (s, 3H). 13C NMR (100 N,N-Dibenzylcyclohex-2-enamine (16).19 Flash chromatography
MHz, CDCl3): δ 144.7, 138.9, 135.8, 135.5, 129.6 (2×), 128.6 (2×), (0% EtOAc−cyclohexane to 100% EtOAc−cyclohexane) gave the
128.5 (2×), 128.4, 126.5 (2×), 115.3, 60.5, 21.5. desired product 16 as a colorless oil (199 mg, 36%). Analyses are
1,3-Diphenyl-2-propenyl-p-tolyl Sulfone (9).19 Flash chromatog- consistent with the literature.
raphy (0% EtOAc−cyclohexane to 100% EtOAc−cyclohexane) gave 1
H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.13−7.33 (m, 10H), 5.65−5.76
the desired product 9 as a colorless solid (362 mg, 52%). Analyses are (m, 2H), 3.68 (d, J = 14.1 Hz, 2H), 3.46 (d, J = 14.1 Hz, 2H), 3.45 (m,
consistent with the literature. 1H), 1.80−1,92 (m, 3H), 1.72 (m, 1H), 1.53 (m, 2H). 13C NMR (100
mp = 158−159 °C. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.53 (d, J = 8.4 MHz, CDCl3): δ 141.1 (2×), 131.0, 130.2 (4×), 128.6 (4×), 128.3
Hz, 2H), 7.29−7.36 (m, 10H), 7,20 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 6.55−6.58 (2×), 126.8, 54.7 (2×), 54.0, 25.5 (2×), 22.0.
(m, 2H), 4.81 (d, J = 7.6 Hz, 1H), 2.40 (s, 3H). 13C NMR (100 MHz, 3,3-Dicinnamylpentane-2,4-dione (17).32 Flash chromatography
CDCl3): δ 144.5, 137.9, 135.9, 134.4, 132.5 (2×), 129.7 (2×), 129.3 (0% EtOAc−cyclohexane to 100% EtOAc−cyclohexane) gave the
(5×), 128.8, 128.6 (2×), 128.4 (2×), 126.7, 120.2, 75.3, 21.6. desired product 17 as colorless crystals (265 mg, 80%). Analyses are
Cyclohex-2-enyl-p-tolyl Sulfone (10).19 Flash chromatography (0% consistent with the literature.
EtOAc−cyclohexane to 100% EtOAc−cyclohexane) gave the desired mp = 60−61 °C. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): 7.15−7.23 (m,
product 10 as a colorless oil (245 mg, 52%). Analyses are consistent
10H), 6.40 (d, J = 16.0 Hz, 2H), 5.86 (m, 2H), 2.78 (dd, J = 7.6 Hz, J
with the literature.
= 1.2 Hz, 2H), 2.10 (s, 6H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 205.8
1
H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.74 (d, J = 8.3 Hz, 1H), 7.33 (d, J
= 7.9 Hz, 1H), 6.02−6.09 (m, 1H), 5.73−5.78 (m, 1H), 3.69−3.72 (m, (2×), 136.8 (2×), 134.3 (2×), 128.6 (4×), 127.6 (2×), 126.2 (4×),
1H), 2.44 (s, 3H), 1.80−1.85 (m, 5H), 1.46−1.49 (m, 1H). 13C NMR 123.3 (2×), 70.8, 34.6 (2×), 27.4 (2×).
(100 MHz, CDCl3): δ 144.5, 135.1, 134.4 (2×), 129.6 (2×), 129.1 Cinnamylphenylether (18).33 Flash chromatography (0% EtOAc−
(2×), 61.8, 24.3, 22.7, 21.6, 19.5. cyclohexane to 100% EtOAc−cyclohexane) gave the desired product
4-Cinnamylmorpholine (11).19 Flash chromatography (0% 18 as a white powder (408 mg, 97%). Analyses are consistent with the
EtOAc−cyclohexane to 100% EtOAc−cyclohexane) gave the desired literature.
product 11 as a colorless oil (304 mg, 75%). Analyses are consistent mp = 64−65 °C. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): 7.14−7.33 (m, 7H),
with the literature. 6.86−6.90 (m, 3H), 6.64 (d, J = 15.8 Hz, 1H), 6;33 (m, 1H), 4.61 (dd,
1
H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.20−7.38 (m, 5H), 6.52 (d, J = J = 5.6 Hz, J = 1.5 Hz, 2H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 158.7,
16,0 Hz, 1H), 6.25 (dt, J = 6.8, 13.6 Hz, 1H), 3.73 (t, J = 4.4 Hz, 4H), 136.5, 133.0, 129.5 (2×), 128.6 (2×), 127.9, 126.6 (2×), 124.6, 120.9,
3.14 (d, J = 6,8, 2H), 2,50 (m, 4H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 114.8 (2×), 68.6.

499 dx.doi.org/10.1021/jo401737t | J. Org. Chem. 2014, 79, 493−500

The Journal of Organic Chemistry

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Article

ASSOCIATED CONTENT Bourdauducq, P.; Couturier, J. L.; Kervennal, J.; Mortreux, A. Appl.
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AUTHOR INFORMATION (17) Hamon, F.; Djedaini-Pilard, F.; Barbot, F.; Len, C. Tetrahedron
Corresponding Author 2009, 65, 10105.
(18) Basheer, M. C.; Oka, Y.; Mathews, M.; Tamaoki, N. Chem.
*E-mail: christophe.len@utc.fr. Fax: (+33)(0)3 44 97 15 91. Eur. J. 2010, 16, 3489.
Notes (19) Felpin, F.-X.; Landais, Y. J. Org. Chem. 2005, 70, 6441.
The authors declare no competing financial interest. (20) (a) Shinde, M. M.; Bhagwat, S. S. Colloids Surf., A 2011, 380,

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201. (b) Arcadi, A.; Cerichelli, G.; Chiarini, M.; Correa, M.; Zorzan, D.
ACKNOWLEDGMENTS Eur. J. Org. Chem. 2003, 20, 4080.
(21) Saha, D.; Dey, R.; Ranu, B. C. Eur. J. Org. Chem. 2010, 31, 6067.
The Région Picardie is gratefully acknowledged for its financial (22) Alonso, F.; Beletskaya, I. P.; Yus, M. Tetrahedron 2008, 64,
support. F.M. thanks ESCOM (Ecole Supérieure de Chimie 3047.
Organique et Minérale) for her research fellowship. We are also (23) For a recent book chapter, see: Fihri, A.; Len, C. Microwave-
grateful to some fourth year students for their implication assisted Coupling Reactions in Aqueous. In Aqueous Microwave Assisted
during preliminary works on catalysis. Chemistry; Polshettiwar, V., Varma, R. S., Eds.; Royal Society of

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500 dx.doi.org/10.1021/jo401737t | J. Org. Chem. 2014, 79, 493−500

 RSC Advances
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One-step Barton decarboxylation by micellar

catalysis – application to the synthesis of
Published on 07 August 2015. Downloaded by Universite de Sherbrooke on 08/09/2015 16:50:11.

Cite this: RSC Adv., 2015, 5, 69616

maleimide derivatives†
F. Mangin,a E. Banaszak-Léonarda and C. Len*ab

Maleimides being studied or used in various applications, for the first time, a facile entry to Barton
decarboxylation in aqueous media is described to obtain in one step substituted N-phenylmaleimide
synthons. The radicals, generated by the ultrasonic lysis of N-hydroxy-2-thiopyridone esters, reacted
respectively with electron deficient olefin phenylmaleimide in a one-step radical addition. These esters
were obtained from natural fatty acid derivatives including unsaturated ones. Various activating
Received 29th June 2015
Accepted 7th August 2015
conditions (UV, sonication, heating, microwaves), reactants and solvent adjustment, as well as surfactants
were tested to improve the yield of the reaction. One of the products obtained was then transformed
DOI: 10.1039/c5ra12583a
into a new electron-trap monosubstituted maleimide and was able to react again to obtain a
www.rsc.org/advances disubstituted N-phenylmaleimide derived from biomass.

However, these syntheses gave products with moderate

Introduction yields and are usually performed in organic solvents. For the
With the concept of Green Chemistry and its twelve principles,1 last 30 years, only few publications described the synthesis of
organic chemists are strongly encouraged to reduce the envi- substituted N-phenylmaleimides using a two-step Barton
ronmental impact of their reaction in terms of media and decarboxylation in organic solvent,14,18,55,56 But surprisingly,
energy. To reach this goal, new aspects of water inuence on radical Barton decarboxylation has never been performed in
organic chemistry have been explored, and organic reactions in aqueous solution, and especially in one-step. In the present
aqueous media have been readapted. To overcome the problem study, we propose the rst one-step Barton decarboxylation in
of organic reactant solubility in water, various strategies have water. An easy access to maleimide derivatives from bio-based
been studied: the use of organic co-solvents2 or ionic liquids3 as molecules is studied (Scheme 1).
well as additives like phase transfer agents,4 cyclodextrins,5–7
polymers8 or surfactants.9–12 Among the main organic reactions,
Results and discussion
initial free radical two-step Barton decarboxylation and recent
advances offer the possibility to create various structures.13–32 It Physicochemical parameters implied the lack of reaction for
is noteworthy that solvent and especially water plays an acetic acid, propionic acid, butyric acid, or valeric acid. So we
important role in free radical chemistry.33,34 rst adapted the general reaction mostly found in literature for
Maleimide derivatives can be considered as either interesting Barton decarboxylation starting from caproic acid (hexanoic
target compounds35–40 or organic synthons/monomers.41–50 acid). Variations of the amounts of solvent, reactants and
Different pathways for substituted N-phenylmaleimide synthesis number of steps were also studied (Scheme 2 and Table 1).
have been thus developed in the literature: starting from Among the different organic solvents, dichloromethane
unsubstituted40,47 or substituted51 N-phenylmaleimides; ita- (CH2Cl2) was selected and used with hexanoic acid (1.03 mmol),
conic,52 citraconic,36,37 or dimethylmaleic anhydrides;39 phenyl- dicyclohexylcarbodiimide (DCC, 1.2 equiv.) and 2-mercapto-
isocyanide;53,54 or phenyliminovinylidenphosphoran.51 pyridine-N-oxide (1.2 equiv.). N-Phenylmaleimide as electron-
trap was added in a second step (Method A) or directly at the
beginning of the reaction (Method B). The one-step method B
gave better results than the two-step one since time of reaction
a
Sorbonne Universités, Université de Technologie de Compiègne, Ecole Supérieure de was divided by two (2 h vs. 4 h) and yield was better (77% vs.
Chimie Organique et Minérale, EA 4297 Transformations Intégrées de la Matière
58%, Table 1, entries 1 and 2). Moreover, decreasing the solvent
Renouvelable, Centre de Recherche Royallieu, CS 60319, F-60203 Compiègne Cedex,
France. E-mail: christophe.len@utc.fr; Fax: +33 3 44 97 15 91; Tel: +33 3 44 23 88 28
volume and phenylmaleimide quantity did not inuence
b
Department of Chemistry, University of Hull, Hull HU6 7RX, England, UK dramatically the yield of the reaction (Table 1, entries 2 and 3).
† Electronic supplementary information (ESI) available: Full experimental In order to decrease the impact of organic solvent, substi-
procedures, 1H NMR, 13C NMR. See DOI: 10.1039/c5ra12583a tution of dichloromethane by water as green solvent was

69616 | RSC Adv., 2015, 5, 69616–69620 This journal is © The Royal Society of Chemistry 2015
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Scheme 1 Present work.

microwave and ultrasonic activations were performed for 20

min (Table 2). Two hours of conventional heating in 5 mL of
micellar media (Table 2, entry 1) afforded a 34% yield of
compound 1 leading to a really poor reproductibility. A poor
dispersion of the reactants in the solution was observed. This
observation was made, whatever the activation modes were (UV
irradiation, microwave, sonication) when the solvent volume
was 5 mL. Pouring starting materials in 30 mL of Brij® 30
solution led (Table 2, entry 2) to visually-seen good dispersion of
the reagents into the media. However under conventional or
microwave heating, yields obtained remained poor (15%). By
UV irradiation with a 500 W vapour-mercury lamp, the reaction
Scheme 2 General pathway of the first Barton decarboxylation. was performed at room temperature without increase of
temperature yielding compound 1 in 30% yield. As expected,
our best rst result for the free radical Barton decarboxylation
Table 1 Adjustment of the solvent, reactant quantities and number of was obtained under sonication. In this case, maleimide deriv-
steps for the synthesis of compound 1a ative 1 was obtained in 60% yield. In contrast with UV irradia-
tion, an ice-bath cooling was necessary to avoid the thermic
Entry Solvent quantity Electron trap quantity Method Yieldsb (%)
degradation of Barton ester.
1 15 mL 5 equiv. A 58 The required quantity of Brij® 30 promoter was then inves-
2 15 mL 5 equiv. B 77 tigated leading to a yielding curve (Fig. 1). As shown, up to 0.2
3 5 mL 1.5 equiv. B 72 wt% of Brij® 30 surfactant, compound 1 was obtained in 19%
a
Reagents and conditions: Method A: protected from the light, caproic yield. The effect of surfactant was optimal at 1 wt% and more
acid, DCC, 2-mercaptopyridine-N-oxide, CH2Cl2, rt, 2 h, then Brij® 30 did not increase the yield obtained of maleimide
N-phenylmaleimide, hn, 2 h; Method B: without any protection from derivative 1. To control the contribution of the aqueous
the light, one-step caproic acid, DCC, 2-mercaptopyridine-N-oxide,
CH2Cl2, N-phenylmaleimide, hn, 2 h. b HPLC yields obtained via
calibration curve with external standard.

Table 2 Yieldsa of molecule 1 and activation mode comparison

studied. The same manipulation (Method B) with a complete

substitution of CH2Cl2 by water (5 mL), N-phenylmaleimide (1.5
equiv.) was performed and gave only 12% of the titled product 1.
In order to increase the mass transfer of organic reagents in
water media, Brij® 30 (HLB ¼ 10, Table 2) was chosen for its Entry 1 2
medium hydrophilic–lipophilic-balance and alternative tech-
Solvent volume 5 mL 30 mL
nologies were developed. Starting with classical 1 wt% of Conventional heatingb 34% 15%
surfactant in water (5 or 30 mL), four modes of activation were UV irradiationb 35% 30%
chosen: conventional heating at 35  C, UV irradiation (500 W), Microwave irradiationc 14% 15%
monomode microwave at 70  C and sonication (200 W) with an Sonicationc,d 18% 60%
ultrasonic probe. It was noteworthy that the reaction time was a
Reagent and conditions: caproic acid (1.03 mmol), N-phenylmaleimide
determined by HPLC measurement when a maximal yield of (1.5 equiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxide (1.2 equiv.), DCC (1.2 equiv.),
Brij® 30 (1 wt%), water, HPLC yielding via calibration curve with
titled product 1 was observed. In our hands, conventional external standard. b 2 h of reaction. c 20 min of reaction. d Ice bath
heating and UV irradiation were conducted for 2 h, and cooling, 200 W with an ultrasonic probe.

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Table 3 Media condition variations for the synthesis of compound 1a

Entry Media HLB Yieldb (%)

1 Water — 19
2 CH2Cl2 — 3
3 TBAB — 23
4 18-Crown-6 — 8
5 b-Cyclodextrin — 13
6 CTAB 10 13
7 SDS 40 11
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8 Brij® 30 10 60
9 Brij® 700 18 27
10 Brij® 72 5 16
Fig. 1 Variation of the weight percentage of Brij® 30 for the synthesis
11 Brij® 76 12 38
of compound 1.
12 Brij® 98 15 55
13 Tween® 20 16 43
14 Monomuls® 4 28
surfactant solution over sole water, ultrasonic timings were 15 Triton™ X-100 12 42
studied (Fig. 2). Unsurprisingly, whatever the sonication time, 16 Igepal® CO-520 10 48
17 Igepal® CO-630 13 47
Brij® 30 gave better results than sole water, as all the reactants 18 Igepal® CO-720 14 42
were not soluble in non-micellar aqueous media. However,
a
surfactant used in 1 wt% seemed to reach a maximum efficiency Reagent and conditions: (i) caproic acid (1.03 mmol), N-
phenylmaleimide (1.5 equiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxide (1.2 equiv.),
with 20 min of ultrasonic activation, still cooled with an ice DCC (1.2 equiv.), promoter (300 mg), water (30 mL), sonication 20
bath. min at 200 W, ice bath. b HPLC yielding via calibration curve with
In order to select the best promoter, variation of the media external standard.
was studied (Table 3). In addition to the blank reaction per-
formed in water (Table 3, entry 1), CH2Cl2 (Table 3, entry 2) gave
only 3% yields of maleimide derivative 1.
Phase-transfer agents such as tetrabutyl ammonium Monoglyceride and sugar-based fatty esters such as Tween® 20
bromide (TBAB), 18-crown-6 ether and b-cyclodextrin, led to low and Monomuls® afforded compound 1 in yields lower than
yields from 8 to 23% (Table 3, entries 3–5). Ionic surfactants 43% (Table 3, entries 13 and 14). Finally, aromatic ones
such as SDS, CTAB did not appear to be the best family for the (Triton™ X, Igepal® CO family) led to the formation of mal-
Barton decarboxylation reaction as they only permitted to afford eimide derivative 1 with homogeneous moderate range yields
compound 1 in 11 and 13% yields respectively (Table 3, entries 6 (around 45%, Table 3, entries 15–18). In our hands, the
and 7). Concerning the PEG-based saturated Brij® 30 (HLB ¼ surfactant Brij® 30 was chosen as the best one for our Barton
10), Brij® 700 (HLB ¼ 18), Brij® 72 (HLB ¼ 5), Brij® 76 (HLB ¼ decarboxylation model. Using our optimized reaction condi-
12) or insaturated Brij® 98 (HLB ¼ 15), the best results were tions (caproic acid (1.03 mmol), N-phenylmaleimide
obtained with Brij® 30 and Brij® 98, leading to the conclusion (1.5 equiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxide (1.2 equiv.), DCC
that HLB was not the major inuent parameter to take into (1.2 equiv.), Brij® 30 (300 mg), water (30 mL), sonication for
account for the success of the reaction (Table 3, entries 8–12). 20 min at 200 W, cooled with an ice bath), the scope of the
reaction was then investigated (Table 4).
Natural saturated fatty acids (caproic acid (1a), caprylic acid
(3a), capric acid (4a), lauric acid (5a), palmitic acid (7a) and
stearic acid (8a)) gave their corresponding adduct with yields
comprised between 54 and 66% (Table 4, entries 1, 3–5, 7 and
8). Natural unsaturated fatty acids (oleic acid (9a) and linoleic
acid (10a)) were transformed into 9 and 10 in 60 and 61% yield
respectively (Table 4, entries 9 and 10). Finally, free fatty acids
having odd carbon atoms (C7 and C15): heptanoic acid (2a) and
pentadecanoic acid (6a) gave similar yields of 62 and 61% (Table
4, entries 2 and 6). These results showed that the nature of the
carboxylic acid (number of carbon atoms, unsaturation.) did
not inuence the Barton decarboxylation in our conditions.
It is noticeable that compounds 1–10 were formed with a
good selectivity for the () anti-adduct. NOESY experiment was
chosen to conrm this selectivity on compound 1 (Scheme 3)
and the cross peak between Ho (8.29 ppm) and H3 (3.23 ppm)
Fig. 2 Variation of the sonication time (Brij® 30, 1 wt%) and indicated its anti conguration. Then, it is noticeable that a
comparison to sole water for the synthesis of compound 1. spontaneous elimination occurred during both the 1H NMR

69618 | RSC Adv., 2015, 5, 69616–69620 This journal is © The Royal Society of Chemistry 2015
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Table 4 Scope of the reactiona

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Entry Acid Product Isolated yields (%)

1 1a 1 60
2 2a 2 62
3 3a 3 58
4 4a 4 54
5 5a 5 57
6 6a 6 61
7 7a 7 66
8 8a 8 55
9 9a 9 60
10 10a 10 61
a
Reagents and conditions: (i) carboxylic acid (1.03 mmol), N-
Scheme 4 Second Barton reaction and elimination step. Reagents
phenylmaleimide (1.5 equiv.), 2-mercaptopyridine-N-oxide (1.2 equiv.),
DCC (1.2 equiv.), Brij® 30 (300 mg), water (30 mL), sonication for 20 and conditions: (i) 11 (1 mmol), caproic acid (1.5 equiv.), 2-mercapto-
min at 200 W, ice bath. pyridine-N-oxide (1.8 equiv.), DCC (1.8 equiv.), Brij® 30 (300 mg),
water (30 mL), sonication 20 min at 200 W, ice bath; (ii) ()12a and ()
12b (1 mmol), m-CPBA (10 equiv.), CH2Cl2 (10 mL), for 10 min at 0  C,
then toluene (20 mL) under reflux for 1 h.

to their corresponding a-quaternary carbons (56.9 and 58.9

ppm). Between the two diastereoisomers ()12a and ()12b, a
signicant variation of the ortho-proton chemical shi (Ho) was
observed (8.19 ppm and 8.30 ppm respectively). The cross peak
(NOESY experiment) between Ho (8.30 ppm) and H3 (3.65 ppm)
indicated the anti-conguration for ()12b. However, the
Scheme 3 Elimination step. Reagent and conditions: (i) 1 (1 mmol), m- spontaneous syn-elimination that occurred during both puri-
CPBA (10 equiv.), CH2Cl2 (10 mL), for 10 min at 0  C, then toluene (20 cation and NMR led to the integration proportions observed.
mL) under reflux for 1 h.
Then, to complete the elimination step, conventional sulphide
oxidation followed by sulfoxide moiety elimination afforded
compound 13 in quantitative yield.
operation, and on silica gel as previously mentioned in the
literature,57 and leading to a 1H NMR peak corresponding to the Conclusions
double bond thus formed (see ESI†). In order to complete the
elimination of the thiopyridine synthon, the molecule 1 was First one-step Barton decarboxylation was performed in a Brij®
transformed into its oxidized form (sulfoxide). Conventional 30 micellar media, under ultrasonic probe activation. The
thermal elimination led to compound 11 in quantitative yield radicals formed by the lyses of N-hydroxy-2-thiopyridone esters
(Scheme 3). Then, the same reaction than presented previously from natural fatty acid derivatives were trapped by a designed
was carried out, excepted than the electron-trap 11 was both the easy-to-use N-phenylmaleimide to afford the corresponding
starting material and the limiting reactant. Starting from mal- functionalized products. The facile synthesis mild conditions of
eimide derivative 11, a mixture of two diastereoisomers ()12a the reaction described herein offer a rapid synthetic access to
and ()12b (plus their corresponding enantiomers) was mono- and disubstituted N-phenylmaleimide derived from
obtained in 47% yield (Scheme 4). biomass.
In contrast with the good stereoselectivity for the synthesis of
1–10, diastereoisomers ()12a and ()12b were clearly seen on Acknowledgements
NMR. For ()12a and ()12b, the unique CHCO (H3) was seen as
2 triplets (3.65 and 2.96 ppm) with integrations of 0.4 and 0.6 Special thanks to Dr Serge Pilard and Dr Nicolas Thiébault for
respectively, correlated by HSQC experiment to their corre- the HRMS and NOESY analyses of the various products, and the
sponding carbon (47.8 and 48.1 ppm), and by HMBC experiment 4A ESCOM students for their collaboration.

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69620 | RSC Adv., 2015, 5, 69616–69620 This journal is © The Royal Society of Chemistry 2015