1. Généralités

            Le soufre est un élément dont la chimie est très développée. L'oxydation de Swern est certainement la réaction la plus connue qui utilise cette chimie du soufre. Dans la classification périodique des éléments, le soufre se situe juste en dessous de l'oxygène. On aura donc des fonctions thiols (-SH) dont la réactivité est semblable à celle des fonctions hydroxyles (-OH). De même, on rencontrera des fonctions C=S, comme il existe des fonctions C=O. Néanmoins, il existe une grande différence entre l'oxygène et le soufre, en effet leur structure électronique est bien différente. L'oxygène 8O a pour structure 1s22s22p4 alors que le soufre 16S a pour structure 1s22s22p63s23p43d 0. Les composés possédant une double liaison C=S sont en général moins stables que leurs homologues qui possèdent une liaison C=O. Et ceci à cause du fait que dans le cas du soufre, il existe des orbitales d libres dans lesquelles les électrons de la liaisonppeuvent aller, ce qui n'est pas le cas pour l'oxygène.

            Pour finir, dans la vie de tous les jours, le soufre est important pour le corps humain. En effet, il est nécessaire à la fabrication du collagène (protéine fibreuse et résistante, la plus abondante du corps humain. C'est la protéine structurelle constituante d'une partie importante des tendons, os, et des tissus conjonctifs).

 

2. Thiols

2.1 Formation des thiols

L'action d'un organomagnésien sur du soufre permet de former une espèce intermédiaire susceptible de réagir à nouveau avec une molécule d'organomagnésien (pour donner un thioéther) ou avec un proton (pour conduire à un thiol).

            L'action de sulfure d'hydrogène sur un alcool (seulement pour les alcools primaires), en présence d'alumine, conduit à la formation d'un thiol. Malheureusement, la réaction se poursuit et l'on forme en même temps du thioéther.

            Il est possible de former les thiols à partir des halogénures d'alkyles correspondants. Pour cela, on part de l'halogénure d'alkyle que l'on met en présence de NaSH, qui est bien meilleur que H2S. La réaction marche bien avec les halogénures d'alkyles primaires, pour les halogénures d'alkyles secondaires les rendements sont plus faibles. La réaction n'a pas lieu sur les halogénures d'alkyles tertiaires, car dans ce cas c'est la réaction d'élimination qui a lieu.

A noter que la même réaction peut avoir lieu dans des conditions neutres : l'halogénure est d'abord traité par F- puis par Ph3SnSSnPh3.

2.2 Synthèse à partir de la thiourée et d'un dérivé halogéné :

Une autre voie de préparation consiste à utiliser la thiourée, on passe alors par un ion isothiouronium qui peut ensuite, en milieu basique, être transformé en thiol.

  • Sels de Bunte : Une autre méthode de synthèse indirecte permet, après hydrolyse en milieu acide, d'obtenir le thiol. Pour cela, dans un premier temps, on forme le sel de Bunte par action du thiosulfate sur l'halogénure d'alkyle, puis on procède à l'hydrolyse acide. A noter que la formation du sel de Bunte ne se fait que sur les halogénures primaires et secondaires.Distler Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 1967, 6, 544. Kice J. Org. Chem. 1963, 28, 957.

2.3 Synthèse des thiols aromatiques

En passant par un diazonium il est aussi possible d'obtenir un thiol aromatique.

2.4 Comparaison alcools - thiols

L'hydrogène porté par un thiol est plus acide que l'hydrogène porté par l'alcool correspondant.

2.5 Réduction des thiols

Un thiol peut servir à protéger un groupement carbonyle, de la même façon que le ferait un diol. Mais le composé formé peut être réduit par le nickel de Raney pour conduire à l'alcane. Ou bien redonner le carbonylé, par traitement avec une solution acide en présence de sels de mercure.

De même, il est possible d'aller plus loin de façon à transformer l'acétal en thioacétal, qui ensuite pourra être réduit. L'exemple ci-dessous illustre cette transformation. On note que les rendements sont très bons au cours des deux étapes (S. Cibalt; J-L. Canet; Y. Troin Tetrahedron Lett. 2001, 4815-4817).

2.6 Oxydation des thiols

Il existe deux grandes méthodes pour oxyder un thiol. La première permet de lui rajouter des atomes d'oxygène de façon à transformer la fonction thiol en fonction acide sulfonique. La seconde est une réaction de couplage de façon à obtenir un composé disoufré.

 

3. Fonction Sulfure

A partir d'un ion thiolate, que l'on fait réagir sur un dérivé halogéné, il est possible de former un thioéther.

On voit donc que l'ion thiolate peut agir en tant que nucléophile. Ainsi, il est possible avec un composé soufré (l'ion thiocyanate) de faire des ouvertures nucléophiles d'époxyde. Il sera alors possible de former des analogues d'époxydes, dans lesquels l'atome d'oxygène est remplacé par un atome de soufre.

3.1 Addition sur les alcènes

Il existe deux types d'addition sur les alcènes. Dans un premier temps, il y a des réactions qui suivent un mécanisme de type addition électrophile. Néanmoins, pour ce type de réaction il est nécessaire d'appliquer des conditions sévères telles que l'ajout d'acide sulfurique concentré ou d'un acide de Lewis tel que AlCl3.

On note un second type d'addition qui cette fois-ci se fait selon un mécanisme radicalaire (voir le chapitre sur les réactions radicalaires). Dans ce cas, dans la première étape, à l'aide d'un initiateur de radicaux, on forme un radical sur le soufre. C'est ce radical soufré qui viendra ensuite s'additionner sur la double liaison.

3.2 Oxydation des thioéthers

Ces oxydations se font en deux étapes : lors de la première étape on passe du thioéther au sulfoxyde, la deuxième étape oxyde le sulfoxyde en sulfone. On note que la seconde oxydation est plus lente que la première. Il existe de nombreux agents d'oxydation, l'eau oxygène par exemple (avec 1 équivalent on forme le sulfoxyde, avec 2 équivalents on forme la sulfone). Le permanganate de potassium permet aussi l'oxydation.

4. Sulfoxydes

  • Alkylation : Dans le cas des halogénures de méthyle, on a une S-alkylation, alors que pour les halogénures d'alkyle on a une O-alkylation.

  • Oxydation des alcools en dérivés carbonylés : Cette réaction se fait en deux étapes. Dans un premier temps l'électrophile et le DMSO réagissent ensemble pour former l'entité réactive. Puis lors de la seconde étape, l'alcool réagit avec l'entité formée au cours de la première étape. Les électrophiles utilisés sont les suivants : SO3-pyridine-Et3N, (CF3CO)2O, TsCl, AgBF4-Et3N, AcCl, SOCl2, Cl2, Br2.

4.1 Oxydation de Swern

Lorsque l'électrophile utilisé est le chlorure d'oxalyle l'oxydation est appelé réaction de Swern. Cette réaction marche aussi bien pour les alcools primaires (oxydés en aldéhyde) que les secondaires (oxydés en cétones).

Bien que ce mécanisme soit tout à fait juste, il a été proposé une autre variante pour la synthèse de l'espèce soufrée électrophile. Cet autre mécanisme est à rapproché de la réaction de Corey (voir plus bas), mais surtout il rend peut être mieux compte du dégagement gazeux que l'on observe expérimentalement lors de l'addition du DMSO sur le chlorure d'oxalyle :

            Le chlorure d'oxalyle n'est pas le seul capable de permettre la formation d'une espèce soufrée électrophile. En effet, l'utilisation de TFAA (anhydride trifluoroacétique) permet elle aussi la réaction de Swern selon le mécanisme suivant :

4.2 Oxydation de Pfitzner Moffat

4.3 Oxydation de Corey

Cette oxydation se fait en présence de DMS et de dichlore.

Réaction de Kornblum  : le même type de réaction d'oxydation peut avoir lieu mais en partant cette fois-ci d'un halogénure d'alkyle (X = Cl, Br, I) :

4.4 Réarrangement de Pummerer

Si un sulfoxyde possède un hydrogène ena, alors on peut faire une oxydation enadu sulfoxyde. On parle alors du réarrangement de Pummerer dans lequel le soufre est réduit alors que le carbone ena du soufre est oxydé. La dernière étape de la réaction est une hydrolyse. Pour cette réaction, il est possible d'utiliser différents types de nucléophiles (Cl-, AcO-, TfO-). Les conditions classiques sont : TFAA (anhydride trifluoroacétique), i-Pr2NEt, toluène, 0°C. Pour une revue sur le réarrangement du Pummerer voir De Lucchi, O. ; Miotti, U. ; Modena, G. Organic Reactions, Vol. 40 (Ed. Paquette, L.A. et al.), John Wiley & sons, NY 1991, 157-409.

 

5. Stabilisation des carbanions au pied du soufre

Bien sur, il existe d’autres méthodes permettant de former des anions stabilisés enadu soufre, notamment d’un soufre chargé positivement. Cette dernière approche est d’autant plus intéressante qu’elle permet la synthèse d’époxydes terminaux ou non à partir de dérivés carbonylés.

5.1 Préparation des entités soufrées

5.2 Réactivité des ylures de soufre formés

5.2.a Formation d’époxydes terminaux

5.2.b Formation d’époxydes internes

Pour cela on utilise des espèces soufrées un peu différentes.

Finalement, la différence de réactivité entre les deux espèces soufrées, thiol ou sulfoxide, dépend du substrat électrophile. Ainsi, avec les cétonesa,b-insaturées les résultats sont différents (Corey, J. Am. Chem. Soc. 1965, 87, 1353).

Dans un cas, on a un ylure basique et peu stabilisé, ce qui abouti à la formation d’un époxyde. En revanche dans l’autre cas, l’ylure de sulfonium est moins basique, et plus stable ce qui abouti à la formation d’un cyclopropane.

Dans le second cas, l’addition de l’ylure de sulfonium sur le carbonyle est réversible, et ce à cause de la stabilisation de cette ylure.

 

6. Emploi des dérivés du soufre en synthèse

6.1 Réaction d'umpolung  (changement de polarité)

Bon d'abord, réglons un petit point de détail, 'umpolung' n'est pas le nom d'un chimiste, mais c'est de l'allemand et ça signifie changement de polarité. Ici on fait une réaction d'umpolung pour allonger la chaîne carbonée.

La difficulté de cette réaction est l'étape d'hydrolyse, pour faciliter cette étape d'hydrolyse on peut faire soit un composé mixte de soufre et d'oxygène, ou bien utiliser la NCS (N-chlorosuccinimide).

  • Préparation d'un lithien à partir d'un alcool via un composé soufré :

  • La réaction suivante permet, en utilisant la chimie du soufre, d'insérer une double liaison enade la fonction ester.

6.2 Emploi des sulfoxydes chiraux

Transfert de chiralité depuis l'atome de soufre vers un atome de carbone. L'exemple suivant nous montre la réduction d'une fonction carbonyle enbdu soufre. L'addition d'un acide de Lewis, au pouvoir chélatant, permet de changer la sélectivité de la réduction.

6.3 Réduction des sulfones

Il existe plusieurs méthodes pour réduire une sulfone. Ces méthodes font intervenir des composés qui vont couper la liaison carbone - soufre.Ni Raney, NaNHEt, Al/Hg - MeOH, SmI2, S2O4NO2, Na/Hg – NaHPO4

Il est à noter qu’il existe d’autres agents de réduction qui permettent quand à eux de réduire les sulfones sans qu’il n’y ait de coupure de la liaison carbone-soufre, pour cela on peut utiliser LiAlH4, DiBAlH, S/D.

Par ailleurs, on peut aussi réduire les sulfoxides sans qu’il n’y ai coupure de la liaison carbone soufre : LiAlH4, HI, Bu3SnH, MeSiCl3/NaI, H2/Pd-C, NaBH4/NiCl2, PPh3, SiO2/SOCl2.

  • Action d’une base sur une sulfoneahalogénée : Réaction de Ramberg - Bäcklund (Ramberg-Bäcklund Tetrahedron Lett. 1989, 30, 3267). C’est une réaction deb-élimination sur des sulfoxydes ou aussi appelé réaction d’hydrosulfénylélimination. C’est une syn‑élimination, qui se fait selon un état de transition éclispée. Au cours de la réaction il y a extrusion de SO2.

Pour un exemple récent en synthèse voir Hodgson et al Synlett 2005, 1267-1270.

7. Comparaison entre les thioéthers et les composés du sélénium

Le sélénium (Se) est très nucléophile (c'est-à-dire apte à céder des électrons non liants), il est aussi électrophile (c'est-à-dire apte à capter des électrons non liants).

7.1 Caractère nucléophile

7.2 Caractère électrophile

7.3 Oxydation du Sélénium

Plus facile que celle du soufre (mCPBA THF 0°C ou O3 à -80°C)

7.4 Oxydation allylique au sélénium

L’utilisation d’oxyde de sélénium permet d’oxyder les positions allyliques et donc de former des alcools allyliques (J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 6137).

Par ailleurs, il est aussi possible de former des alcools allyliques à partir d’époxyde et de sélénium.

  • Nomenclature :

Acide Sulfonique

-     Série aromatique    

-     Série aliphatique

Acide Sulfinique

Acide Sulfénique

 

8. Dérivés à double liaison CS

8.1 Thiones

Ce sont des composés généralement instables, sauf pour la benzothione. De plus, ils ont tendance à s’énoliser.

            Thioacidespeu stable, ils s’isomérisent tout de suite

Formation de dithioacide :

8.2 Xanthogenates

Réaction de Chugaev : Lors de cette réaction, dans la plupart des cas, on fait une cis-élimination. Cette élimination est plus facile et plus propre que lorsque l'on réalise la même réaction à partir des esters correspondants (J. Am. Chem. Soc. 1950, 72, 1810).

8.3 Méthode de Barton

Méthode très douce pour passer d'un alcool à un alcane (voir le chapitre de chimie radicalaire).

De même, il est possible toujours grâce à une réduction de Barton de réduire un chlorure d'acide en alcane.

               Thioamides : L'hydrolyse acide des thioamides conduit à un acide carboxylique.

  • Mise en place des groupes CH3 et COOH par utilisation de la chimie du soufre.

8.4 Réaction au réactif de Lawesson

            Le réactif de Lawesson permet de transformer une liaison C=O en liaison C=S.

Dans cette réaction, c'est la fonction lactame qui est convertie en thiocarbonyle. En effet, c'est la fonction la plus basique au sens de Lewis qui est la plus réactive.

8.4.a Réactif de Lawesson

Lawesson et al. Bull. Soc. Chim. Belg. 1978, 87, 229. Pour une revue sur l'utilisation ce réactif voir Cava et Levinson Tetrahedron 1985, 41, 5061.

8.4.b Mécanisme de la réaction

9. Oléfination de Julia

Cette voie de synthèse permet la synthèse d’oléfine, c’est une alternative viable à la réaction de Wittig. L’exemple clé de cette réaction est la synthèse de la vitamine A par couplage de deux fragments et mise en place d’une double liaison par hydroélimination. Cette méthodologie a permis de contourner les brevets déposer par Rhône Poulenc pour la synthèse de la vitamine A. (Julia, M. Bull. Soc. Chim. Fr. 1973, 743 et 746).

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