Mécanismes de réaction de couplage croisé de Suzuki

La spectroscopie FTIR permet une interprétation quantitative, mais celle-ci s'avère plus difficile lorsque les spectres ne présentent pas de caractéristiques distinctes ou diagnostiques, même si les données spectrales sous-jacentes contiennent des variations subtiles qui sont en corrélation avec la progression de la réaction. L'apprentissage automatique permet d'extraire ces modèles, mais les flux de travail classiques nécessitent de vastes ensembles de données générés expérimentalement, ce qui constitue un obstacle majeur lorsque chaque ensemble de données doit être collecté au moyen d'essais de réaction répétés.

Pour réduire cette charge expérimentale, les auteurs ont utilisé une approximation par mélange linéaire dans laquelle chaque espèce contribue proportionnellement à l'absorbance totale. Comme les intensités des pics sont proportionnelles à l'abondance moléculaire, le spectre d'un mélange réactionnel peut être approximé comme une somme pondérée des spectres de ses composants individuels. En combinant les spectres ReactIR de réactifs et de produits purs, des « spectres simulés » synthétiques ont été générés, reproduisant les principales caractéristiques des mélanges réels. Cela permet de construire de grands ensembles de données d'apprentissage en utilisant uniquement un nombre limité de spectres mesurés.

La réaction de couplage croisé de Suzuki-Miyaura a été choisie comme système modèle en raison de ses changements structurels minimes et de ses signatures FTIR subtilement correspondantes. Après prétraitement, un réseau neuronal entraîné sur des spectres simulés a prédit avec précision le rendement de la réaction à partir de mesures ReactIR en ligne. Le modèle de prédiction était capable de détecter des différences subtiles dans les conditions de réaction qui n'étaient pas évidentes à partir des seuls paramètres physiques. Intégré à une plateforme de flux automatisée, le modèle a permis une estimation du rendement en temps réel et une optimisation en boucle fermée efficace. Cette approche démontre que ReactIR, associé à la génération de spectres synthétiques et à l'apprentissage automatique, peut servir de technologie d'analyse de processus quantitative pour le développement de réactions à faible consommation de données et l'optimisation autonome.

Ashikari, Y., Tamaki, T., Tomite, K., Yonekura, Y., & Nagaki, A. (2025). Analyse IR en ligne en temps réel via une stratégie de combinaison linéaire et l'apprentissage automatique pour l'optimisation automatisée des réactions. Communications Chemistry, 8(1), 287. https://doi.org/10.1038/s42004-025-01676-y

Les auteurs ont souligné l'importance de déterminer la structure et la composition du centre catalytique actif dans les nanocouches catalytiques organométalliques ordonnées afin d'optimiser l'efficacité catalytique et de comprendre le mécanisme catalytique. Dans ce travail, un nouveau film hétéro-bimétallique Pd/Co auto-assemblé à base de ferrocène (Si@FMP-Pd_xCo_1-x) sur des plaquettes de silicium a été synthétisé et évalué pour des réactions de couplage croisé de Suzuki. Plus précisément, l'activité de Si@FMP-Pd_0,2/Co_0,8 s'est avérée nettement supérieure à celle de Si@FMP-Pd ou du catalyseur homogène Li₂PdCl₄/CoCl₂. Les chercheurs ont suggéré que l'orientation et la disposition du catalyseur à la surface, ainsi que la synergie entre le Pd et le Co, étaient à l'origine de cette activité catalytique accrue.

Lors de l'étude du mécanisme de réaction, les mesures ReactIR ont permis de suivre le processus catalytique en temps réel, en surveillant l'évolution des intermédiaires liés aux étapes d'addition oxydative et de transmétallation de la réaction de Suzuki, une bande à 752 cm⁻¹ servant de marqueur pour ces espèces liées à la surface au cours du cycle catalytique. Ces mesures ont révélé l'existence d'une période d'induction pour Si@FMP-Pd0.2Co0.8, ce qui indique également un processus catalytique hétérogène et contraste avec le système homogène (Li₂PdCl₄/CoCl₂), qui ne présentait pas de période d'induction. Les données ReactIR, combinées à des tests de filtration à chaud et d'empoisonnement, ont confirmé que la catalyse se produisait à la surface du film et non par l'intermédiaire d'espèces métalliques lessivées en solution. Ces travaux ont montré que le centre actif contenait des agrégats de Pd, Pd/PdO, Pd/CoO/Co₂O₃ formés in situ à la surface organométallique. Ainsi, ReactIR a joué un rôle crucial dans l'élucidation du mécanisme catalytique de ce nouveau catalyseur bimétallique dans la réaction de Suzuki, en vérifiant la nature hétérogène et en fournissant des informations cinétiques sur le processus réactionnel.

Li, T., Chen, P., Wang, M., & Wu, Y. (2024). Centre actif PD/PDO/COO assisté par le ferrocène formé in situ à la surface d'un film organométallique PD/CO auto-assemblé : étude de la formation, de la synergie et du mécanisme catalytique dans la réaction de couplage croisé de Suzuki. Revue électronique SSRN. https://doi.org/10.2139/ssrn.4735448

Cette étude présente une analyse mécanistique détaillée du couplage croisé de Suzuki-Miyaura en conditions biphasiques, révélant comment les catalyseurs à transfert de phase (PTC) accélèrent considérablement la réaction en modifiant la voie dominante de transmétallation. En utilisant des électrophiles benzyliques comme système modèle complexe, les auteurs montrent que les PTC transforment le mécanisme, passant de la voie classique de l'oxo-palladium à une voie induite par le boronate, ce qui permet d'augmenter la vitesse de réaction jusqu'à douze fois et d'utiliser des charges de catalyseur aussi faibles que 0,001 mol %. Cette compréhension mécanistique résulte de l'utilisation de la technologie DirectInject-LC grâce à ses mesures HPLC en ligne, qui fournissent des profils cinétiques reproductibles en temps réel, même dans des mélanges hétérogènes qui ne se prêtent pas aux mesures RMN et IR. La plateforme LC automatisée permet un suivi précis de la consommation d'électrophiles, de la formation de boronates, de l'inhibition par les halogénures et de la spéciation des catalyseurs — des données qui seraient inaccessibles ou peu fiables avec un échantillonnage manuel en raison d'artefacts de séparation de phases et du vieillissement des échantillons. Ces ensembles de données cinétiques denses révèlent la forte influence des rapports de phase aqueuse/organique, les rôles antagonistes de l'hydroxyde et de l'halogénure, et le fait que les PTC modulent à la fois la spéciation du palladium et les équilibres arylboron, clarifiant ainsi le régime de transmétallation limitant la vitesse de réaction et permettant des charges de catalyseur exceptionnellement faibles avec un large éventail de substrats.

Shi, Y., Derasp, J. S., Maschmeyer, T., & Hein, J. E. (2024). Les catalyseurs de transfert de phase modifient la voie de la transmétallation dans les couplages croisés biphasiques de Suzuki-Miyaura. Nature Communications, 15(1), 5436. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49681-4