Les arynes ou benzynes sont des intermédiaires réactionnels neutres qui dérivent d'un arène par abstraction de deux substituants, laissant deux orbitales avec deux électrons partagés entre eux. Comme les carbènes et les nitrènes, les arynes possèdent un état singulet et un état triplet. Les arynes les plus classiques sont ortho, mais les méta- et para-arynes existent aussiUne entrée dans le livre d'or de l' IUPAC pour "benzynes" indique que les termes " m-benzyne" et " p-benzyne" sont erronés et sont à remplacer par 1,3 et 1,4-didéhydrobenzène. Les ortho-arynes sont des exemples d'alcynes tendus et l'aryne lui-même est le 6-annulyne.
Liaisons dans les ortho-arynes La représentation du benzyne avec liaison triple est la plus répandue. Les ortho-arynes ou 1,2-didéshydroarènes, sont généralement décrits comme ayant une liaison triple tendueAnslyn, EV; Dougherty, DA: Chimie organique physique moderne , University Science Books, 2006, p.612.. centré|250x250px Les contraintes géométriques sur la liaison triple dans l’ortho-benzyne entraînent une diminution du chevauchement des orbitales p dans le plan, et donc une liaison triple plus faible. Radziszewski a déterminé la fréquence de vibration de la liaison triple du benzyne à , indiquant une liaison triple plus faible que dans un alcyne non contraint qui a une fréquence de vibration d'environ . Néanmoins, l’ortho-benzyne ressemble plus à un alcyne contraint qu’un biradical, comme le montre l'écart singulet–triplet important et la réactivité semblable à celle d'un alcyne. centré|230x230px L'orbitale basse vacante (BV) d'un aryne est beaucoup plus basse que celle des alcynes non contraintes, ce qui fait que l'interaction est meilleure avec les orbitales haute occupée (HO) des nucléophiles. Par conséquent, le benzyne possède un caractère électrophile et subit des réactions avec des nucléophiles Gilchrist, TL Supplement C: La chimie des groupes fonctionnels à triple liaison, Partie 1 . Patai, S .; Rappaport, Z. Eds., John Wiley & Sons, New York, 1983 . Une analyse détaillée des orbitales moléculaires du benzyne a été présentée en 1968 Hoffmann, R .; Imamura, A.; Hehre, WJ J. Am. Chem. Soc. 1968, 90 , 1499 . centré|290x290px
Génération des ortho-arynes En raison de leur forte réactivité, les arynes doivent être générés in situ. Comme d'autres intermédiaires réactionnels, le benzyne doit être piégé, sinon il se dimérise en biphénylène.
Les premières routes vers le benzyne impliquaient la déshydrohalogénation d'un halogénure d'aryle : centré|235x235px De telles réactions nécessitent une base forte et une température élevée. Les arènes ortho-disubstituées mènent aux benzynes dans des conditions plus douces. Le benzyne est généré par la déshalogénation du 2-bromofluorobenzène à l'aide de magnésium. L'acide anthranilique peut être converti en benzoatediazonium par diazotation et neutralisation. Bien qu'explosive, cette espèce zwitterionique est un précurseur commode et peu coûteux du benzyne. centré|220x220px Une autre méthode est basée sur les triflates de triméthylsilylaryle. Le déplacement du groupe triméthylsilyle par l'ion fluorure entraîne l'élimination du triflate et la production du benzyne : centré|260x260px Une réaction de hexa-déshydro Diels-Alder implique la cycloaddition d'une 1,3-diyne et d'une alkyne Hoye, TR; Baire, B .; Niu, D .; Willoughby, PH; Woods, BP Nature , 2012 , 490 , 208 . centré|220x220px La N-amination du benzotriazole avec l'acide hydroxylamine-O-sulfonique génère un intermédiaire qui peut être oxydé en benzyne avec un rendement presque quantitatif grâce à de l'acétate de plomb(IV). centré|442x442px
Réactions des ortho-arynes Même à basse température, les arynes sont extrêmement réactifs. Leur réactivité peut être répartie en trois principales catégories : (1) les additions nucléophiles, (2) les réactions péricycliques et (3) l'insertion de liaisons.
Additions nucléophiles sur les arynes Lors du traitement avec des nucléophiles basiques, les halogénures d’aryle se déprotonent en alpha du groupe partant, entraînant une déshydrohalogénation. Le benzyne obtenu réagit par réaction d’addition. L'étape de formation de l’intermédiaire benzyne constitue l’étape lente de la réactionAnslyn, EV; Dougherty, DA Chimie organique physique moderne. University Science Books, 2006 .. centré|550x550px Les réactions de "couplage aryne" permettent de générer des composés de biphényle qui sont utiles dans l'industrie pharmaceutique, l'agriculture et comme ligands dans de nombreuses transformations catalysées par des métaux Diemer, V .; Begaut, M .; Leroux, FR; Colobert, F. Eur. J. Org. Chem. 2011 , 341 . centré|560x560px Le produit métal-arène peut également s'additionner à un autre aryne, conduisant à une polymérisation en chaîne. En utilisant du cyanure de cuivre (I) comme initiateur pour ajouter au premier aryne, on obtient des polymères contenant jusqu'à environ 100 unités arène.
Lorsque le groupe partant (LG) et le substituant (Y) sont mutuellement ortho ou para, un seul intermédiaire benzyne est possible. Cependant, lorsque LG et Y sont méta l'un par rapport à l'autre, plusieurs produits (A et B) sont possibles. Si Y est attracteur d' électrons, alors HB est plus acide que HA ce qui entraine la formation du régioisomère B. Au contraire, si Y est donneur d'électrons, le régioisomère A est généré, puisqu'alors HA est alors le proton le plus acide. centré|330x330px Il existe deux régioisomères possibles de benzyne avec le substituant (Y) : la triple liaison peut être positionnée entre C2 et C3 ou entre C3 et C4. Les substituants ortho du groupe partant conduiront à la liaison triple entre C2 et C3. Y et LG conduiront à un régioisomère à liaison triple entre C3 et C4. Le substituant méta peut donner les deux régioisomères décrits ci-dessus. En cas de liaison triple située entre C2 et C3, des substituants électro-attracteurs, par exemple CF3, (GTE) dirigera l'addition de nucléophiles pour placer le carbanion aussi près que possible du GTE. Cependant, les substituants donneurs d'électrons, par exemple CH3 (EDG) entrainera peu de sélectivité entre les produits. Dans le régioisomère où la triple liaison est située entre C3 et C4, l'effet du substituant sur l'addition de nucléophile est diminué et des mélanges de produits para et méta sont souvent obtenus. centré|700x700px
Réactions péricycliques avec les arynes Le benzyne subit une dimérisation rapide pour former du biphénylène. Certains processus produisant le benzyne sont suivis de cette dimérisation de manière rapide et avec un rendement particulièrement élevé. La trimérisation donne du triphénylène.
Les benzynes peuvent subir des réactions de Diels-Alder. Quand le benzyne est généré en présence d'anthracène, il se produit du triptycène. Le mécanisme concerté de la réaction de Diels-Alder entre le benzyne et le furane est présenté ci-dessous. On pense que d'autres cycloadditions [4 + 2] mettant en jeu le benzyne procèdent par un mécanisme en plusieurs étapes. centré|345x345px Un exemple classique est la synthèse du 1,2,3,4-tétraphénylnaphtalène. Le 1,2,4,5-tétrabromobenzène peut réagir avec le butyllithium et le furane pour former un tétrahydroanthracène.
600px|centre|réaction d'un diaryne avec le furane
Mori et ses collaborateurs ont réalisé une cyclisation [2 + 2 + 2], catalysée par le palladium d'aryne et de diyne dans leur synthèse totale de taïwanines C Sato, Y .; Tamura, T .; Mori, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43 , 2436 .
Les cycloadditions [4 + 2] des arynes ont été couramment utilisées pour la synthèse totale de produits naturels. La principale limite de cette approche est toutefois la nécessité d’utiliser des diènes contraints, tels que le furane et le cyclopentadiène. En 2009, Buszek et ses collaborateurs ont synthétisé l'herbindole A en utilisant la cycloaddition [4 + 2] d'aryne Buszek, KR; Brown, N .; Kuo, D. Org. Lett. 2009, 11 , 201 . La 6,7-indolyne subit une cycloaddition [4 + 2] avec du cyclopentadiène pour donner un produit tétracyclique complexe. centré|750x750px Les benzynes subissent une cycloaddition [2 + 2] avec une large gamme d’oléfines. En raison de la nature électrophile de la benzyne, les oléfines portant des substituants donneurs d'électrons conviennent mieux à cette réaction Pellissier, H .; Santelli, M. Tetrahedron, 2003, 59 , 701 .
En raison d'une importante formation de sous-produits, ce type de réaction est rarement utilisé dans la synthèse totale de produits naturels. Néanmoins, plusieurs exemples existent. En 1982, Stevens et ses collaborateurs ont signalé une synthèse de taxodione utilisant la cycloaddition [2 + 2] entre une aryne et un cétène acétal Stevens, RV; Bisacchi, GS J. Org, Chem. 1982, 47 , 2396 . centré|750x750px Mori et ses collaborateurs ont réalisé une cyclisation [2 + 2 + 2], catalysée par le palladium d'aryne et de diyne dans leur synthèse totale de taïwanines C. centré|825x825px
Réactions d'insertion de liaison des arynes Le premier exemple de réaction d’insertion d'aryne par liaison σ est la synthèse de la melleine en 1973 Guyot, M .; Molho, D. Tetrahedron Lett. 1973 , 1 4 , 3433 . centré|700x700px
Autres déshydrobenzènes Le benzyne est le 1,2-didéshydrobenzène et a deux isomères : le 1,3-didéshydrobenzène et le 1,4-didéshydrobenzène. Leurs énergies in silico sont respectivement de 106, 122 et (444, 510 et )A m-Benzyne to o-Benzyne Conversion Through a 1,2-Shift of a Phenyl Group. Blake, M. E.; Bartlett, K. L.; Jones, M. Jr. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6485. . Les isomères 1,2 et 1,3 ont des états fondamentaux simples, alors que pour le 1,4-benzyne, l’écart est plus petit. centré|385x385px L'interconversion des 1,2, 1,3 et 1,4-didéshydrobenzènes a été étudiéeA p-Benzyne to m-Benzyne Conversion Through a 1,2-Shift of a Phenyl Group. Completion of the Benzyne Cascade, Polishchuk, A. L.; Bartlett, K. L.; Friedman, L. A.; Jones, M. Jr. J. Phys. Org. Chem. 2004, Volume 17, Issue 9 , Pages 798 - 806. . Une conversion de 1,2 à 1,3-didéhydrobenzène a été postulée dans la pyrolyse () des précurseurs d'aryne substitués par un phényle comme indiqué ci-dessous. Des températures extrêmement élevées sont nécessaires pour l'interconversion benzyne. centré|375x375px
1,4-didéshydroarènes Parmi les expériences classiques sur le 1,4-didéhydrobenzène, le chauffage à de la molécule dideutérée A produit par réaction équilibrée la molécule B, mais pas les molécules C ou D. La migration simultanée d'atomes de deutérium pour former B et l'absence de formation de C ou D ne peuvent s'expliquer que par la présence d'un intermédiaire cyclique et symétrique, le 1,4-didéhydrobenzène. centré|600x600px Deux états ont été envisagés pour le 1,4-didéhydrobenzène : singulet et triplet, l’état singulet étant moins énergétique Clauberg, H .; Minsek, DW; Chen, P. J. Am. Chem. Soc. 1992 , 114 , 99. Blush, JA; Clauberg, H .; Kohn, DW; Minsek, DW; Zhang, X .; Chen, P. Acc. Chem. Res. 1992 , 25 , 385 . L’état triplet représente deux centres radicalaires non interagissants et doit donc extraire les atomes d’hydrogène au même taux que les radicaux phényle. Cependant, l'état singulet est plus stabilisé que le triplet et une partie de l'énergie de stabilisation sera donc perdue afin de former l'état de transition pour le clivage de l'hydrogène, ce qui ralentira le captage de l'hydrogène. Chen a proposé l’utilisation d’analogues du 1,4-didéhydrobenzène, qui présentent de grands écarts d’énergie entre singulets et triplets, afin d’améliorer la sélectivité des médicaments candidats à base d’Enediyne Chen, P. Angew. Chem. Int. Ed. Angl. 1996 , 35 , 1478. .
Histoire Les premières preuves de l'existence des arynes proviennent des travaux de Stoermer et de Kahlert. En 1902, ils observent que lors du traitement du 3-bromobenzofurane avec une base dans de l'éthanol, le 2-éthoxybenzofuranne se forme. Sur la base de cette observation, ils postulent un aryne intermédiaire. centré|440x440px| Première indication de benzyne.