La catalyse photorédox, qui exploite la puissance de la lumière pour déclencher des réactions chimiques, est maintenant devenue asymétrique, permettant aux chimistes de préparer de précieux produits à énantiomère unique.

«La photocatalyse exploite l’énergie de la lumière visible pour générer des espèces radicalaires réactives dans des conditions remarquablement douces», explique Mattia Silvi, expert en photochimie à l’université de Nottingham, au Royaume-Uni. « Mais la forte réactivité de ces espèces les rend particulièrement difficiles à apprivoiser dans le cadre de processus énantiosélectifs. » De nombreux composés existent sous deux formes d’image miroir connues sous le nom d’énantiomères, qui possèdent des propriétés physiques identiques mais interagissent différemment avec d’autres «molécules à main» telles que les acides aminés et les sucres. L’accès aux formes séparées de ces composés est vital pour l’industrie pharmaceutique, qui doit produire et tester des énantiomères uniques pour garantir la sécurité et l’efficacité de tous les nouveaux médicaments.

En règle générale, les réactions énantiosélectives reposent sur l’orientation des substrats pour former un produit spécifique, mais les intermédiaires photocatalytiques instables n’ont aucun moyen d’exercer ce contrôle spatial. Les tentatives précédentes visant à combiner les méthodes asymétriques existantes, telles que la catalyse par métal de transition ou énamine, avec la chimie photoredox n’ont rencontré qu’un succès modéré car elles nécessitent souvent des systèmes multicatalyseurs complexes qui limitent la portée de la réaction.

Au lieu de cela, en introduisant un contre-anion chiral pour diriger l’orientation de l’intermédiaire radical chargé positivement, le lauréat du prix Nobel Benjamin List de l’Institut Max-Planck de recherche sur le charbon en Allemagne a développé une méthode très générale pour contrôler les réactions photochimiques. Connue sous le nom de catalyse asymétrique dirigée contre les anions, cette approche d’appariement d’ions a été largement adoptée dans d’autres domaines de la catalyse organique, mais un certain nombre de défis spécifiques existent pour les systèmes photochimiques. « La catalyse photorédox devient asymétrique », est le simple message à retenir de List à partir du travail de son équipe.

«Les cations radicaux formés sont extrêmement acides, donc en présence d’un contre-anion, ils se décomposent en donnant un proton», explique Sébastien Laulhé, chimiste radical à Indiana University–Purdue University Indianapolis, États-Unis. « Cela signifie que List a dû trouver un contre-anion chiral qui a une charge négative suffisamment forte pour s’associer électrostatiquement au cation radical, mais suffisamment faible pour ne pas le décomposer. »

L’équipe de List a étudié l’effet d’une série d’anions chiraux sur un photochimique [2+2] réaction de cycloaddition, atteignant finalement un rapport énantiomère impressionnant de 95,5: 4,5 sur des substrats d’essai à -100 ° C en utilisant l’anion imidodiphosphorimidate hautement confiné. Suite à ce succès, l’équipe a évalué une gamme de substrats et de photocatalyseurs commerciaux, démontrant une excellente tolérance aux groupes fonctionnels et une large compatibilité avec une variété de catalyseurs. «Tout substrat activé en délivrant un électron à un photocatalyseur devient chargé positivement et s’associe à notre anion, permettant le contrôle de sa réactivité et de sa sélectivité», déclare List. « Il existe un grand nombre de réactions de ce type qui pourraient être gérées de cette manière, et [what’s] de plus, la polarité inverse, c’est-à-dire l’utilisation d’une contre-action, est également possible. C’est la beauté du concept.

La stratégie de List résout l’un des problèmes de longue date de la chimie photoredox. «La fusion de l’énantioinduction avec la formidable polyvalence de la réactivité photocatalytique offre une approche passionnante des motifs énantioenrichis», déclare Mario Wiesenfeldt, chimiste photocatalytique à l’université de la Ruhr à Bochum, en Allemagne. «Compte tenu du fort potentiel de généralité, il pourrait être intéressant de développer une version à température ambiante de ce mode d’énantioinduction. Je serais cependant tout aussi intéressé de voir cette idée appliquée à d’autres transformations photocatalytiques.

Le groupe List souhaite appliquer son approche asymétrique aux réactions photochimiques traditionnellement racémiques et espère que cette stratégie ouvrira de nouvelles possibilités passionnantes pour les chimistes synthétiques à tous les niveaux.