1. Généralités

 Les composés du silicium sont, en général, utilisés en synthèse comme groupes protecteurs de fonctions oxygénées (la force de la liaison Si-O est de 95 kcal/mol, pour la déprotection de l'oxygène on utilise du fluor, disponible sous plusieurs formes, l'ion fluorure attaque le silicium pour former une liaison Si-F d'énergie égale à 145.7kcal/mol, cette très grande force de liaison est la force motrice de la réaction, de déprotection de alcools silylés par l'ion fluorure). Nous verrons ici qu'il existe d'autres types d'utilisations des composés organosilylés.

 Le silicium est de la même famille que le carbone, il est tétravalent. C'est l'élément le plus abondant de l'écorce terrestre (27.2% notamment sous forme de sable).

 Les composés du silicium sont connus pour leurs divers intérêts dans la vie de tous les jours. Le TMS ou tétraméthyl silane (CH3)4Si sert de référence en RMN. Le carborundum (SiC) qui permet de réguler l'ébullition, fut initialement trouvé dans une météorite. Enfin, les huiles de silicone sont largement connues du grand public. Ce sont de polymères poly-organosiloxanique dont on peut faire des gommes, des résines, des graisses etc…

1.1 Comparaison avec le carbone

 Les substitutions nucléophiles sur le silicium, sont plus difficiles que sur le carbone.

Contrairement au carbone, qui se trouve sur la période supérieure dans la classification périodique, le silicium peut être pentavalent. Se sont en générale des espèces chargées que l'on retrouve comme intermédiaires réactionnel. Pour un exemple, voir la réaction de Tamao.

 A noter que d'après l'échelle d'électronégativité de Pauling, la liaison C-Si possède un caractère ionique à 12%. En comparaison, la liaison C-H n'est ionique qu'a 4%, alors que les liaison C-Li et C-Mg le sont respectivement à 43% et 35%.

1.2 Nomenclature

Abordons ici quelques aspects de la nomenclature des composés organosilylés.

Silène

Silanone

Sililène

1.3 Préparation

Les méthodes de synthèse directe, permettent à partir de silicium pur ou de tétrachlorure de silicium d'avoir accès à de nombreux composés silylés.

1.4 Formation du Métal-HMDS

L'hexaméthyldisiliazane contient un proton qui peut être arraché par une base forte pour donner du LiHMDS, NaHMDS, ou encore KHMDS. A noter que le LiHMDS est une base plus forte que le LDA. Bien sûr, les bases à base de HMDS sont encombrées.

 La notion la plus importante à retenir, concernant le silicium, est que :

  • le silicium stabilise les charges positives en b
  • le silicium stabilise les charges négatives en a

 

2. Stabilisation des carbocations en b

Pour une revue voir Chan Synthesis 1979, 761.

2.1 Série aromatique

Pour un exemple en synthèse voir plus loin. Pour la préparation des dérivés aromatiques silylés voir Effenberger et al Synthesis 1979, 841.

2.1.a Préparation de ces composés

 La méthode exposé ci-dessous ou une voie de synthèse parmi tant d'autres. C'est une silylation aromatique de composés aromatiques halogénés. A noter que du à sa très grande réactivité, l'espèce silylamétallique est générée in situ.

 Une autre approche, basée sur le même concept, envisage une préparation à partir d'un magnésien aromatique.

2.1.b Réactivité de ces composés

Les réactions en série aromatique avec le silicium se font selon un mécanisme SEAr de type classique.

En utilisant ces réactions de SEAr, on peut bien sur faire des réactions de SEAr 'classique' dans lesquelles le silicium va agir comme un hydrogène et donc être substitué par un électrophile. Cependant, en compétition avec cette réaction de substitution ipso, il y a toujours la polysubstitution. Cette réaction donnera donc un produit aromatique silylé.

Cette réaction est intéressante car elle permet d'avoir accès à des composés que l'on ne peut pas obtenir par réaction de Friedel et Crafts. En effet, la dibromation classique, sous-entendu par une réaction de Friedel et Crafts en présence d'un acide de Lewis, conduirait au composé orthopara dibromé. Ici par cette méthode on obtient le méta dibromé.

Etudions de plus près le mécanisme de cette dibromation :

A partir du composé orthodisilylé, il est possible d'obtenir les composés méta et para disilylés.

2.2 Série vinylique

En ce qui concerne les vinylsilanes, il y a deux types de réactivité, les deux exemples suivants illustre celle-ci. Dans le premier cas, le TMSCl qui est un électrophile va venir réagir avec le brome du carbone le plus nucléophile. Or le carbone portant le bromé vinylique n'est pas nucléophile, donc la substitution se fera sur le carbone portant le bromé allylique. Dans le second cas, on transforme le bromé vinylique en organomagnésien, ainsi le carbone vinylique devient plus nucléophile il est alors possible de faire la substitution en position vinylique et d'obtenir le vinylsilane.

2.2.a Protection des protons acétyléniques

Méthode qui permet de protéger un proton acétylénique et de réduire la triple liaison en double liaison Z :

2.2.b Réaction de Hudvlick

A noter que cette méthode n'est pas totalement régiosélective, elle dépend de la nature du groupement R. Néanmoins cette réaction permet d'obtenir des composés éthyléniques cis ou trans.

2.2.c Le proton en a d'un silicium est acide

Le même type de réaction peut avoir lieu, mais cette fois-ci sans addition de triéthylamine dans le milieu :

2.2.d syn-magnésiation

La syn-magnésation permet quant à elle de former un vinylsilane cis à partir d'un composé acétylénique :

2.2.e Halogénation

Il est très difficile de faire l'insertion de deux atomes d'iode sur deux carbones voisins, ce qui implique que dans le mécanisme ci-dessus l'on n’a qu'une seule voie possible. En revanche, une autre voie permet d'obtenir le composé iodé trans.

2.2.f Hydrosilylation

 Il est possible de former un vinylsilane à partir d'un alcyne terminal ou alcyne vrai, par hydrosilylation catalysé par l'acide chloroplatinique (Benkeser J. Am. Chem. Soc. 1961, 83, 4365).

2.3 Série acétylénique

  • Réaction de Berkofler

Dans le composé A, il y a un groupe partant en b du silicium (c'est-à-dire l’atome de brome), d'où la réaction d'élimination.
Méthode douce de bromation des alcynes vrais : J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1999, 17, 1625.

2.4 Série allylique

Pour une revue voir Sarkar Synthesis 1990, 969 et 1101.

Exemple de formation d'un composé silylé allylique par oléfination de Wittig :

2.4.a Condensation de Diels-Alder

2.4.b Assistance par un acide de Lewis

Ici le composé silylé est un nucléophile, l'acide de Lewis (qui contient une lacune électronique) va rendre le carbonyle encore plus électrophile permettant ainsi l'attaque du nucléophile.

Dans ce dernier cas, on constate que l'on obtient toujours le composé syn.
Le cas suivant illustre l'action du nucléophile, qui vient s'additionner en 1,4 sur cette cétone a,b-insaturée.

A noter donc que dans ce cas on forme une décaline cis, voir Sakurai et al. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 1673. Le produit cis est formé pour des raisons stéréoélectroniques. Dans le cas de cuprates, par exemple, c'est le composé trans qui est formé et ceci à cause de l'encombrement stérique.

Exemple en version intramoléculaire, voir Wilson, Price J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 1124.

2.5 Formation des dicétones

2.5.a dicétones-1,3

C'est la réaction de Mukaiyama .

2.5.b dicétones-1,4

 Pour former ces composés, il faut utiliser la réaction de Nef . La formation de cette dicétone ce fait donc en deux temps. Dans une première étape il y a réaction entre l'énolate silylé, l'acide de Lewis et le composé nitro. Puis, la réaction de Nef, proprement dite, à lieu en milieu acide.

mécanisme :

2.5.c dicétone-1,5

 

3 Stabilisation des carbanions en a

3.1 Elimination de Peterson

Pour une revue sur le sujet voir Ager, D. J. Synthesis 1984, 384.

C'est une méthode stéréosélective, qui permet de faire des composés oléfiniques de stéréochimie Z ou E en fonction des conditions expérimentales utilisées.

L'élimination en milieu acide se fait en anti.
L'élimination en milieu basique se fait en syn.

 Lorsque l'on époxyde un vinylsilane, l'époxyde obtenu peut être ouvert par un nucléophile. L'action d'un cuprate est régiosélective et se fait sur le carbone portant le silicium.

 Dans l'exemple suivant, c'est le silicium qui ouvre l'époxyde, mais cette fois-ci, bien que l’on utilise une base, on obtient quand même le composé E. Car comme on l'a vu plus haut, avec une base on fait une syn élimination.

3.2 Epoxysilane

Dans ce cas la présence d'un groupe hydroxyle en b du silicium permet de faire une réaction d'élimination.

3.3 Acylsilane

 

4. Liaisons Silicium – Hétéroatome

4.1 Protection par un groupe silicium

Pour une revue sur le sujet voir Nelson et Crouch Synthesis 1996, 1031.

La protection se fait avec un silicium trisubstitué, c'est l'encombrement des groupes présents sur le silicium qui va déterminer la stabilité du groupe protecteur, son mode de déprotection, mais aussi le choix de la fonction alcool qui sera protégée. Un groupement silicium très peu encombré pourra protéger un alcool primaire plus facilement qu'un secondaire et qu'un tertiaire. Par contre un groupement fortement encombré ne pourra ni protéger un alcool tertiaire, ni un secondaire.

En théorie on peut déprotéger tous les éthers silylés de façon sélective, du plus fragile au moins fragile. De plus on note que pour un même éther silylé la déprotection est plus facile pour un alcool primaire que pour un secondaire.

Stabilité : Les éthers silylés ne sont pas très stables en milieu basique il est donc préférable d'éviter l'utilisation de composés tels que LiAlH4, ou NaH qui risqueraient de faire des migrations ou des déprotections.

Classement des groupes protecteurs, du moins encombré au plus encombré, mais aussi du moins cher au plus cher :

TMS (TriMéthyle Silane) TES (TriEthyle Silane) TBDMS ou TBS
(TerButyleDiMéthyle Silane)
TIPS
(TriIsopropyle Silane)
TBDPS
(TerButyleDiPhényle Silane)

 

Les alcools protégés par un silicium ne sont plus aptes à permettre une chélation, pour cela il est nécessaire de trouver d'autres groupements protections qui eux permettent la chélation. La basicité de l'oxygène des éthers d'énols silylés est réduite par rapport aux alcools ce qui change les paramètres des réactions assistés par des acides de Lewis.

4.2.a Formation

 L’une des méthodes les plus usuelles pour protéger un alcool par un groupe silylé consiste à utiliser R3SiCl plus une base telle que l’imidazole. La réaction peut se faire dans de nombreux solvants. Dans le DMF elle est en générale "très" rapide, en revanche elle l'est moins dans des solvants tels que le THF ou le dichlorométhane. Bien que pour certains composés, les phénoliques par exemple, la protection de l'hydroxyle aromatique dans le DCM peut prendre juste 5 minutes. Un autre avantage au DCM et au THF, c'est qu'ils permettent la précipitation des sels (Imd.HCl, ou Et3N.HCl, ou R3N.HCl) le traitement de la réaction devient alors facile puisqu'une simple filtration suffit. Par ailleurs, il est à noter que les triflates (R3SiOTf) sont en générale plus réactif que les chlorés correspondant (R3SiCl).

4.2.b Mécanisme

Activation : Comme on vient de le voir l'imidazole est utilisé pour piéger l'acide chlorhydrique former au cours de la réaction de protection. Cependant, il est aussi postulé que l'imidazole formerait avec le chlorosilane une espèce activée qui faciliterait l'étape de protection.

4.2.c Déprotections

 Par un ion fluorure tel que TBAF (n-Bu4N+F-) ou HF ou HF.Pyridine (de même pour HF.Et3N) ces deux derniers étant plus doux que HF.

En milieu acide, le groupement TMS est particulièrement sensible à une source de proton et la déprotection intervient selon le mécanisme suivant : l'oxygène est tout d'abord protoné pour former un groupe partant. Ensuite, l'attaque nucléophile de l'eau (provenant de H3O+) sur le silicium, permet de libérer l'alcool.

4.2.d Stabilité des groupements silylés

  • en milieu acide

  • en milieu basique

4.2.e Utilisations des groupements protecteurs

4.3 Liaison Si-X

La liaison silicium – iode permet de rompre la liaison oxygène – carbone pour les fonctions éther. Il est donc possible d'utiliser TMS-I pour déprotéger un alcool protégé sous forme d'éther.

Formation de TMSI

Utilisation de TMSI

4.4 Réaction de Tamao

A partir de silane il est possible de former des alcools : (ATTENTION : cette réaction ne peut avoir lieu que si et seulement si il y a un groupement aromatique sur le silicium) ou plus exactement un groupe électroattracteur. Tamao K. et al. Organometallics 1983, 2, 1694 et Tetrahedron 1983, 39, 983.

Mécanisme : ce mécanisme a déjà été abordé dans la partie sur la stabilisation des carbocations en b du silicium en série aromatique. Ici l’électrophile est l’ion Br+ et le nucléophile est le peracide. Pour un exemple en synthèse voir Synlett 1998, 613.

A noter que pour que la réaction de Tamao est lieu, il faut un silicium activé ce qui est le cas avec des groupements éthoxy par exemple.

mécanisme :

Lors de cette réaction d'oxydation, la stéréochimie du carbone portant le silicium est conservé lors de la formation de l'alcool. Woerpel et al. Synthesis 2002, 2778.

 

5. Réarrangement de Brook

5.1 Généralités

Le réarrangement de Brook  est la migration du silicium (du carbone vers l’oxygène). Pour une revue voir Moser, W. M. Tetrahedron 2001, 57, 2065-2084.

Exemple concret :

Mécanisme :

D'après ce mécanisme, on constate que la force de la liaison Si-O est supérieure à la force de la liaison Si-C.

Bien sûr, tout dépend de la quantité de base que l’on utilise pour cette réaction :

 A noter que le réarrangement de Brook, n’apporte pas grand-chose en soit, sauf si l’anion intermédiairement est piégé par un électrophile.

5.2 Exemple en synthèse

 Voir Amos Smith III Org. Lett. 2005, 7, 3247-3250. Le réarrangement à lieu au cours d'une séquence de couplage de Linchpin à trois composant. Lors de cette séquence, la dernière étape est faite dans le DME (1,2-diméthoxyéthane) ce qui permet de déclancher de réarrangement de Brook et donc de finir la couplage.

 

6. Couplage de Hiyama

 Le couplage de Hiyama n'est autre que la version verte du couplage de Stille. Ainsi, l'étain est remplacé par le silicium, voir _Pure and Appl. Chem. 1994, 66, 1471-1478; Chem. Lett. 2002, 138; J. Org. Chem. 1988, 53, 918-920; J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 11577-11585.

 La liaison C-Si est bien moins polarisée que les liaisons C-Sn, C-B, C-M ce qui rend le couplage plus difficile il est donc nécessaire d'utiliser des silicium "activé", pour permettre la polarisation de cette liaison.

Exemples de silicium "activé" :

 Exemples de couplage de Hiyama :

 

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