2,3-époxypinane et acides de Lewis: mise au point

C. R. Acad. Sci. Paris, t. 2, S6rie II c, p. 449-454, 1999 Synth6se organique et organom6tallique/Organic and organometallic synthesis

2,3-6poxypinane et acides de Lewis : mise au point Marianne VIALEMARINGE, Monique CAMPAGNOLE, MarieoJos/.'phe B O U R G E O I S , l~velyne M O N T A U D O N * Laboratoire de chimie des substancesv6g&ales,Institut du Pin, universit6Bordeaux-I,351, cours de la LibEration, 33405 Talence cedex, France E-mail : [email protected] (Re~u le 12 avril 1999, accept6apr~s r&ision le 8 juillet 1999)

R6sum6 - Cet article concerne l'isom6risation du 2,3-~poxypinane en presence d'acides de Lewis. Les donn&s bibliographiques sont tr& divergentes : selon les auteurs et dans les m~mes conditions, le produit majoritaire, voire exclusif, est soit l'0t-campholEnal, soit le fencholEnal, tous deux pr&urseurs de molecules int&essant l'industrie des parfums (odeur de bois de santal pour le premier, note bois& pour le second). Nous montrons que le fencholEnal n'est pas obtenu et que l'~-campholEnal ou la pinocamphone sont synth&is6s sElectivement selon les conditions de reaction. © 1999 AcadEmie des sciences/l~ditions scientifiques et mEdicales Elsevier SAS isom~risation / acides de Lewis / 2,3-~poxypinane / 0~-camphol~nal / fenchol~nal / pinocamphone / parfumerie Abstract - Pinene oxide and Lewis acids: an update. This paper deals with Lewis-acid isomerisation of pinene oxide. The diverse literature does not always express the same point of view: with the same conditions, according to different authors, the major product is 0~-campholenal or fencholenal. Both are precursors for the perfume industry (sandalwood for the former, a woody odour for the latter). No matter which route was chosen, fencholenal was not obtained; depending on experimental conditions, 0~-campholenal and pinocamphone were selectively synthesised. © 1999 AcadEmie des sciences/l~ditions scientifiques et mEdicales Elsevier SAS isomerisation / Lewis acids / pinene oxide / 0~-campholenal / fencholenal / pinocamphone / perfume industry

1. Introduction E&ude de la r6activit6 du 2,3-dpoxypinane en milieu acide, amorc& en 1935, est toujours d'actualit& Depuis la d&ouverte d'Arbuzow [1] qui a montr6 qu'une quantit6 catalytique de ZnBr 2 isom&ise cet 6poxyde en 0~-campholdnal avec un rendement de 90 % (schlma 1), de nombreux auteurs se sont intdressds h cette r6action, obtenant parfois des r6sultats diff6rents. Les enjeux de ces investigations sont tr& importants. E0~-camphol6nal est en effet un interm6diaire cl~ de la synth&e de mol&ules poss~dant l'odeur de bois de santal, tr& recherch&s en parfumerie : le tr& grand nombre de

brevets et le renom des industries impliqu&s attestent de l'importance &onomique de ces compos6s. Par ailleurs, le m&anisme de la rdaction a &d tr~s fortement discut& En 1994 encore, un m&anisme tout ~l fait original &ait envisag6 [2]. Disposant de 2,3-dpoxypinanes portant une chalne fonctionnelle sur le carbone 10, pr&urseurs potentiels de mol&ules odorantes, et dans le but de d&erminer les conditions optimales de transformation, nous avons dfi r&xaminer le comportement de l'6poxyde module vis-~l-vis des acides de Lewis. Cette publication d&rit nos r&ultats, apr~s une br&e analyse des donn&s bibliographiques.

Pr~sent~ par Andr& MARQUET. * Correspondanceet tir& ~ part. 1387-1609/99/000200449 ©

1999Acad~miedes sciences/i~ditionsscientifiqueset m~dicalesElsevierSAS.Tousdroitsr~erv~

449

M. Vialemaringe et al.

ZnBr2, benz~ne

/

CHO

90% 1

2 Schdma 1.

est prdsent, seul [2] ou accompagnd d'un peu d'oc-campholdnal et de pinocamphone [11].

2. A n a l y s e bibliographique Les compos& classiquement obtenus lors de l'isom&isation en milieu acide du 2,3-dpoxypinane, 1, sont de trois types : ils peuvent avoir conservd le squelette pinanique, dvolud vers une structure para-menthdnique ou cyclopentdnique. La nature du rdactif utilisd joue un r61e essentiel. Sur des rdactifs ou supports solides, tels que l'alumine, la silice... [3-6], l'dpoxypinane conduit aux trois catdgories de compos&, dans des proportions variables. Avec les acides de Br6nsted [7-13], les d&iv¶-menthdniques sont majoritaires, parfois accompagnds d'alddhydes cyclopentdniques (particuli~rement l'0c-campholdnal). Les acides de Lewis [1, 2, 1 l, 13-16] pr&entent, quant fi eux, une plus grande sdlectivitd puisque les alddhydes cylopentdniques sont tr~s majoritaires, voire exclusifs (tableau 1). Cependant, des divergences importantes apparaissent. En prdsence de bromure de zinc et dans des conditions analogues, l'0c-campholdnal, 2, peut &re seul [1, 14, 16], accompagnd de traces de fencholdnal, 3, [13] ou tr& minoritaire par rapport hce dernier [1 l] ; avec BF3.Et20, c'est au contraire le fencholdnal qui

Ce dernier r&ultat rev& une importance particuli&e si l'on sait que le fencholdnal est dgalement pr&urseur de parfums prdsentant une note bois& et que sa synth~se n&essite des quantit& stoechiom&riques de sels d'argent [ 17] ondreux. Les questions se posent donc de savoir: qu'obtient-on r&llement avec ZnBr2 ? BF3.Et20 permet-il v&itablement d'accdder au fencholdnal ?

3. Ddfinition des conditions d e reaction " " Les conditions standard de la littdrature ont &d reprises, ~isavoir : utilisation de 0,025 dquiv de bromure de zinc dans le toluene au reflux durant 1 h [16] ; ou 1,3 dquiv d'&h&ate de trifluorure de bore dans l'&her &hylique h 0 °C durant 15 min [2, 11]. Certains param&res de la rdaction avec BF3.Et20 ont dtd modifi&, compte tenu de nos

Tableau I. Bilan des donn&s bibliographiques concernant l'isom&isation du 2,3-dpoxypinane en prdsence d'un acide de Lewis.

Aci

cdeLew

Rdfdrences et conditions

~

---~ 2

7 ~

°

3

4

70

20

1

2

Compos s Car ures para-menthdniques terp~niques

Zn~ [1] C6H6, reflux [11] C6H 6, reflux [14] C6H 6, reflux [13] C6H 6, 25 °C [16] C6H5CH 3, reflux

90 6 79 72 75

ZnCl2 [13] C6H 6, 25 °C

85

3

4

6

55 51

15

55

15

2

BF3.Et20 [11] Et20, 0 °C [2] Et20, 0 °C

20

S02 [15]

450

28

2,3-6poxypinane et acides de Lewis : mise au point

r__/CHO 1

2

3

10

,,,.•0

4

5 5

4

Schdma 2.

premiers r&ultats et d ' u n e &ude m o n t r a n t l'influence de la tempdrature sur l ' & o l u t i o n d'dpoxydes diterpdniques en prdsence de ce catalyseur [18]. La g a m m e de t e m p & a t u r e testde, de - 7 8 h +110 °C, a imposd le choix de nouveaux solvants : benz~ne ou toluene (l'apolaritd du solvant &ant un gage de meilleures activitd et sdlectivitd du rdactif acide de Lewis [13]). Des quantitds catalytiques de BF3.Et20 (0,06 dquiv) ont dgalement dtd raises en jeu.

sont aussi formds, mais leur structure n'a pas dtd recherchde. La distinction entre l'0~-campholdnal et le fencholdnal est particuli~rement ddlicate. Les spectres de masse de ces deux alddhydes [19] ne m o n t r e n t pas de diff&ences significatives. La R M N 1H fait apparaltre un ddcalage de tousles signaux (0,05 h 0,07 p p m vers les champs forts) du second [17] par rapport au premier [16] : la d & e r m i n a t i o n est impossible lorsqu'on ne poss&de q u ' u n seul isom~re. En revanche, les spectres de R M N 13C p e r m e t t e n t une attribution sans dquivoque grace, essentieltement, aux ddplacements chimiques des carbones dthyldniques tertiaires et quaternaires : 121,6 et 148,0 p p m p o u r l'0t-campholdnal [16] ; 135,8 et 136,4 p p m p o u r le fencholdnal [17].

4. Rdsultats et commentaires Les composds particuli~rement recherchds sont l'o~-campholdnal, 2, le fencholdnal, 3 et la p i n o c a m p h o n e , 4. Le ~-campholdnal, 5, a dtd dgalement mis en &idence (sch&na 2). D'autres produits parfois n o m b r e u x mais peu abondants

Les rdsultats sont rassemblds dans le

tableau II.

Tableau II. Influence des conditions opdratoires sur l'isomdrisation du c/s-2,3-~poxypinane a. Conditions b

R6sultats

Rdactif

l~quiv

T (°C)

Solvant

2

3

4

ZnBr 2 c BFyEt20 c BF3.Et20

0,025 1,1 1,3

BF3-Et20

0,06

110 0 -78 -50 +20 +50 +80 +110 -50 +20 +80 +110

Toluene Et20 Toluene Toluene Benz~ne Benz~ne Benz~ne Toluene Toluene Benz~ne Benz~ne Toluene

(63) 53 65 73 (66) 12 (16) <1 0 0 78 (61) 40 30 23

5 2 3 <1 1 0 0 3 3 3 1

20 2 15 (10) 24 (10) 71 78 (66) 83 2 14 65 70

5

0 0 <1 9 10 (11) 4 0 0 <1 <1

Produits non identifids 22 31 9 62 18 12 13 17 43 1 5

a Proportions relatives d&ermindes en CPG (rendement en produits isolds par chromatographie sur gel de silice) ; b durde de la rdaction : lide fi la disparition de l'6poxyde suivie pat CPG ; c conditions de la litt&ature [2, 11, 16]. 451

M. Vialemaringe et al.

5

1

A

~

O

S c h e m a 3.

Avec ZnBr 2, l'0t-campholdnal est obtenu avec un rendement de 63 % (la purification par chromatographie sur gel de silice entralne une perte par dim&isation, probablement due au caract&re acide du support). Le fencholdnal est totalement absent. Avec BF3.Et20, les reactions sont beaucoup moins sElectives et donnent presque toujours des melanges essentiellement constituEs d'0¢-campholEnal et de pinocamphone et dans lesquels le fencholdnal n'est present au mieux qu'~i l'dtat de traces. Les proportions relatives des produits formds sont functions de la temperature et de la quantitd de rdactif. Les reactions mendes fi des temperatures inf& rieures ou Egales ~l 20 °C sont globalement moins propres (jusqu'~162 % de produits nombreux mais peu abondants non identifies, ~i 20 °C). Les basses temperatures favorisent la formation de l'ot-campholEnal (-78, -50 °C), les plus hautes de la pinocamphone (80, 110 °C). Le y-campholEnal, mis pour la premiere lois en Evidence dans ces reactions, n'apparait qu'audessus de 20 °C ; il provient probablement de l'isomErisation de l'oc-campholEnal en milieu acide, comme remarquE par Schulze dans d'autres conditions [20]. L'utilisation d'un exc~s de rEactif entralne un accroissement de la quantitd de pinocamphone formde par rapport ~t celle d'ot-campholEnal. Notons que la synth~se de pinocamphone par isomdrisation en milieu acide du 2,3-Epoxypinane - obtenue ici avec un rendement de 66 % - n'a jamais dtE signalde. La seule mEthode de la litt&ature transformant l'dpoxypinane en cette c&one s'effectue en autoclave fi 140-200 °C, en presence d'alcoolate d'aluminium dans le xTl~ne [21]. 452

Nos rEsultats ne permettent pas d'argumenter en faveur de l'un ou l'autre des deux mEcanismes les plus commundment admis. La rupture de la liaison C2-O, affaiblie par la fixation de l'acide, est accompagnde de la migration du H 3 (pinocamphone) ou du C 6 (Evolution vers l'oc-campholdnal), mais pas ou tr~s peu du C 7 (Evolution vers le fencholEnal). Toute la question est de savoir si ces deux operations sont successives ou concertdes. La migration de H 3 est toujours possible. Quant au dEplacement prEfErentiel du C 6 par rapport au C 7, il s'expliquerait :dans le premier cas, par un effet Electronique et une meilleure aptitude migratoire du C 6 [22], dans le second, par un effet st&ique, le C 6 &ant le seul bien place pour effectuer une SNi [23] (schdma 3). En revanche, nous rejetons l'hypoth&se d'un mdcanisme fondd sur la rupture initiale de la liaison C2-C 3 [2].

5. Conclusion Cette Etude permet de rEpondre aux deux questions initialement posEes. D'une part, l'isomdrisation en presence de ZnBr 2 conduit exclusivement ~ l'0c-campholdnal ; les rdsultats divergents de certains auteurs s'expliquent certainement par une confusion lors de l'identification du produit de reaction. D'autre part, BF3-Et20 ne permet pas l'acc~s au fencholEnal ; il conduit majoritairement soit ~t l'oc-campholEnal, soit ~l la pinocamphone, selon les conditions expErimentales. Les meilleures syntheses du campholdnal mettent en jeu des quantit& catalytiques de ZnBr 2 au reflux du toluene (63 %) ou de BF3.Et20 dans le tolu&ne f i - 5 0 °C (66 %). Quant fi la pinocamphone dont c'est la p r e -

2,3-~poxypinane et acides de Lewis : mise au point

mi&e synth~se signal& par cette voie, elle n&essite l'utilisation d'un ex&s de BF3-Et20 au reflux du benz~ne (66 %).

6. Partie exp~rimentale Le (-) cis-2,3-dpoxypinane utilis~ est commercialisd par Aldrich. 6.1. Isom~risation par ZnBr 2 Dans un tricol sec muni d'un agitateur magn&ique, d'un dessdchant, d'un rdfrigdrant et d'un septum, mis sous atmosphere inerte (argon), on introduit 4.10 -5 mol de ZnBr 2 en solution dans l'&her &hylique sec; on ajoute alors environ 1 mL de toluene sec. La solution est portde au reflux, puis on additionne 1,65 mmol d'6poxyde en solution dans environ 1 mL de toluene sec. L'agitation est maintenue jusqu'~i disparition compl&e du substrat (dEtect& par suivi CPG de la rdaction). Le mdlange est ensuite refroidi h tempdrature ambiante, hydrolysd par addition d'eau et d'une goutte d'acide ac&ique, puis extrait ~t l'&her. Les lavages successifs suivants sont alors effectuds: solution satur& de bicarbonate de sodium, eau, eau sal&. La phase organique est ensuite sdchde sur Na2SO 4, puis les solvants sont &apor& sous pression rdduite. Les rdsidus bruts sont ensuite chromatographi& sur gel de silice afin d'isoler les principaux produits d'isomdrisation. 6.2. Isom~riaation par BFs.Et20 Dans le montage pr&ddent, on introduit successivement 1 dquiv d'~poxyde et le solvant

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choisi (concentration 1% pour les rdactions effectu&s h 20 °C ou plus; 2 % pour celles effectudes ~1-50 et -78 °C). On amine la solution ~t la tempdrature souhait& et l'on additionne ~ la seringue, ~l travers le septum, l'&hdrate de trifluorure de bore (1,3, 1,1 ou 0,06 dquiv). I~agitation est poursuivie jusqu'~t disparition totale du substrat (suivi CPG). Le mdlange rdactionnel est alors hydrolysd et l'agitation est maintenue jusqu'~t d&oloration compl&e de la phase organique. La phase aqueuse est extraite fi l'&her. I2ensemble des phases organiques est lav~ ~tneutralitY, s&hd sur sulfate de sodium et les solvants sont dvapords sous pression rdduite. Le rdsidu brut est ensuite traitd comme pr&ddemment.

6.3. Caraet~ristiques spectroseopiques

des produits de rdaction Les spectres RMN 1H et 13C de l'o~-camphol&al [16], du fenchol~nal [17] et de la pinocamphone [24] sont d&rits dans la litt&ature. 7-campholdnal, 5 : dluant &her de p&role/ &her (95:5) ; RMN 1H ft. 250 MHz (CDC13 8 ppm) : 9,85 (d, 1 H , J = 7,5 Hz, H7), 5,78 (qd, 1H, Jq = 2,4 etJd = 7,5 Hz, H6), 2,80 (m, 2H, Hs), 2,20 (m, 1H, H2), 1,60 (m, 2H, H4), 1,02 (s, 3H, H 8 ou Hg), 0,93. (d, 3H, J = 6,8 Hz, H10), 0,64 (s, 3H, H 9 ou H8); RMN 13C 62,9 MHz (CDC13 8 ppm) : 191,9 (C7), 177,6 (C1), 122,5 (C6), 51,4 (C2), 38,7 (C4), 27,6 (C5), 27,01 (C 8 ou C9), 20,0 (C 9 ou C8), 11,0 (Clo).

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