Conversion électrochimique d’acides en alcènes réalisée à l’échelle du kilogramme

Une électrolyse douce et évolutive des acides carboxyliques peut fournir un accès simplifié à de précieuses matières premières alcènes à l’échelle du kilogramme. Grâce à la polarité à alternance rapide (rAP), l’équipe américaine a pu améliorer les performances de la réaction tout en élargissant simultanément la portée de ces conditions de réaction traditionnellement difficiles pour inclure des groupes fonctionnels pharmaceutiquement pertinents.

Les acides carboxyliques et les oléfines sont des matières premières chimiques importantes et une méthode fiable pour les interconvertir constituerait un ajout précieux à la boîte à outils de synthèse. Les réactions d’hydrocarboxylation – convertissant un alcène en acide correspondant – sont bien établies, mais le répertoire limité de conditions d’oxydation efficaces et pratiques rend la transformation inverse beaucoup plus difficile. L’électrolyse est l’une des rares stratégies oxydatives capables de transformer les acides carboxyliques en leurs intermédiaires réactifs correspondants : la réaction libère du dioxyde de carbone pour produire soit un radical, soit un carbocation, et des variantes donnant différents produits sont connues depuis plus de 150 ans. L’électrolyse de Kolbe, par exemple, forme un dimère d’hydrocarbure via un mécanisme radicalaire tandis que la réaction de Hofer-Moest se déroule via un carbocation pour former un alcool. Dans chaque cas, les conditions de réaction sont dures et les intermédiaires réactifs nécessitent un système activé ou tertiaire stabilisant, limitant à la fois la portée et le profil de produit de ces réactions électrochimiques.

Cependant, Phil Baran et son équipe du Scripps Institute, aux États-Unis, ont désormais exploité ce mécanisme d’oxydation électrochimique dans des conditions plus douces pour convertir efficacement une gamme plus large d’acides carboxyliques en produits alcènes. L’équipe a commencé avec une configuration de décarboxylation électrochimique modifiée, utilisant des électrodes en graphite et une base pour favoriser la voie de réaction souhaitée. «La base neutralise partiellement l’acide carboxylique pour générer un anion carboxylate, qui est la forme appropriée pour être oxydée électrochimiquement», explique Yu Kawamata, qui a codirigé le projet. «Ensuite, le carboxylate est oxydé à la surface de l’anode, générant un intermédiaire carbocation qui perd immédiatement un proton pour former une oléfine comme produit final.» Un agent protecteur sacrificiel est également ajouté pour éviter une suroxydation de l’oléfine.

Il est important de noter que l’équipe a appliqué une polarité alternée dans cette configuration. L’électrolyse utilise généralement un courant continu mais, étonnamment, cela supprime complètement la réaction de décarboxylation. L’analyse d’une série d’études de voltamétrie mécanistique et cyclique a révélé que le courant continu provoque une accumulation localisée d’acide électrogénéré autour de l’anode, empêchant la déprotonation de l’acide carboxylique et signifiant que seuls les substrats activés peuvent produire une quantité mesurable de produit de décarboxylation. «En revanche, la polarité alternée annule l’accumulation locale d’acide en inversant la polarité de l’électrode», explique Kawamata. « En conséquence, une décarboxylation douce se maintient dans ces conditions, rendant la réaction beaucoup plus générale. »

Une fois le système optimisé établi, l’équipe souhaitait étudier les performances de cette réaction à une échelle industriellement pertinente. En partenariat avec des chimistes de procédés d’AbbVie, ils ont adapté leur configuration à l’échelle du laboratoire à un réacteur à cuve agitée continue, testant la réaction d’abord à 7 g, puis à 28 g et enfin à 1 kg. À chaque fois, la réaction s’est déroulée de manière fluide et prévisible et Baran et Kawamata travaillent désormais à optimiser davantage le processus pour les applications industrielles et à en élargir la portée pour tolérer des groupes fonctionnels riches en électrons plus difficiles.

Timothy Noël, ingénieur chimiste à l’Université d’Amsterdam aux Pays-Bas, a été impressionné par les résultats de l’équipe. «J’aime beaucoup ce concept de rAP qui permet d’atteindre une sélectivité de réaction plus élevée et une plus grande tolérance aux groupes fonctionnels que ce à quoi on s’attend normalement. Une autre caractéristique importante est la possibilité de passer facilement du laboratoire à la gamme des kilogrammes», dit-il. «Il y a certaines limites à la portée, mais essentiellement, l’intensification montre la valeur et la robustesse de la chimie.» Cette méthode trouvera sa place tant dans le monde universitaire que dans l’industrie.