Synthèse de sulfilimines et de sulfoximines catalysée par les métaux de transition

Les sulfilimines et les sulfoximines sont des motifs structuraux dont l’intérêt synthétique est grandissant, notamment du fait de leurs applications en chimie médicinale et en agrochimie. Les travaux rapportés dans cet ouvrage décrivent le développement de nouvelles méthodes de synthèse efficaces pour la production de ces unités atypiques. Ces méthodes sont basées sur la réactivité d’une source d’azote électrophile, vis-à-vis de thioéthers et de sulfoxydes. L’utilisation d’un complexe métallique introduit en quantité catalytique a permis de favoriser le processus réactionnel. En tirant bénéfice de l’expertise de notre groupe de recherche sur le développement de réactions d’amination stéréosélectives de liaisons C-H et d’aziridination de styrènes, nous avons d’abord étudié la réactivité des N-mésyloxycarbamates comme source d’azote électrophile. Après avoir optimisé sa synthèse sur grande échelle, ce réactif chiral a été utilisé dans des réactions d’amination de thioéthers et de sulfoxydes, catalysées par un dimère de rhodium (II) chiral. Un processus diastéréosélectif efficace a été mis au point, permettant de produire des sulfilimines et des sulfoximines chirales avec d’excellents rendements et sélectivités. Au cours de l’optimisation de cette méthode de synthèse, nous avons pu constater l’effet déterminant de certains additifs sur la réactivité et la sélectivité de la réaction. Une étude mécanistique a été entreprise afin de comprendre leur mode d’action. Il a été observé qu’une base de Lewis telle que le 4-diméthylaminopyridine (DMAP) pouvait se coordiner au dimère de rhodium(II) et modifier ses propriétés structurales et redox. Les résultats que nous avons obtenus suggèrent que l’espèce catalytique active est un dimère de rhodium de valence mixte Rh(II)/Rh(III). Nous avons également découvert que l’incorporation de sels de bispyridinium avait une influence cruciale sur la diastéréosélectivité de la réaction. D’autres expériences sur la nature du groupe partant du réactif N-sulfonyloxycarbamate nous ont permis de postuler qu’une espèce nitrénoïde de rhodium était l’intermédiaire clé du processus d’amination. De plus, l’exploitation des techniques de chimie en débit continu nous a permis de développer une méthode d’amination de thioéthers et de sulfoxydes très performante, en utilisant les azotures comme source d’azote électrophile. Basée sur la décompositon photochimique d’azotures en présence d’un complexe de fer (III) simple et commercialement disponible, nous avons été en mesure de produire des sulfilimines et des sulfoximines avec d’excellents rendements. Le temps de résidence du procédé d’amination a pu être sensiblement réduit par la conception d’un nouveau type de réacteur photochimique capillaire. Ces améliorations techniques ont permis de rendre la synthèse plus productive, ce qui constitue un élément important d’un point de vue industriel.

Catalytic CO2 hydrogenation: study at the molecular scale using field emission techniques

An accurate characterization of the rhodium specimen was obtained via FIM experiments. Reaction behaviors between H2 and CO2 were observed in FEM mode at 700 K. At this temperature, CO desorption occurs, preventing CO+H2 reaction. Surface is mainly recovered by oxygen; reaction with hydrogen occurs. Finally, we can identify the reaction as the Reverse Water Gas Shift.

Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters

Abstract Title of Document: Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters Huang Qiu, Doctor of Philosophy, 2016 Directed By: Professor Michael P. Doyle, Department of Chemistry and Biochemistry Propargylic aryldiazoesters, which possess multiple reactive functional groups in a single molecule, were expected to undergo divergent reaction pathways as a function of catalysts. A variety of transition metal complexes including rhodium(II), palladium(II), silver(I), mercury(II), copper(I and II), and cationic gold (I) complexes have been examined to be effective in the catalytic domino reactions of propargylic aryldiazoesters. An unexpected Lewis acid catalyzed pathway was also discovered by using FeCl3 as the catalyst. Under the catalysis of selected gold catalysts, propargylic aryldiazoesters exist in equilibrium with 1-aryl-1,2-dien-1-yl diazoacetate allenes that are rapidly formed at room temperature through 1,3-acyloxy migration. The newly formed allenes further undergo a metal-free rearrangement in which the terminal nitrogen of the diazo functional group adds to the central carbon of the allene initiating a sequence of bond forming reactions resulting in the production of 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones in good yields. These 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones undergo intramolecular 1,3-acyl migration to form an equilibrium mixture or quantitatively transfer the acyl group to an external nucleophile with formation of 4-hydroxypyrazoles. In the presence of a pyridine-N-oxide, both E- and Z-1,3-dienyl aryldiazoacetates are formed in high combined yields by Au(I)-catalyzed rearrangement of propargyl arylyldiazoacetates at short reaction times. Under thermal reactions the E-isomers form the products from intramolecular [4+2]-cycloaddition with H‡298 = 15.6 kcal/mol and S‡298= -27.3 cal/ (mol•degree). The Z-isomer is inert to [4+2]-cycloaddition under these conditions. The Hammett relationships from aryl-substituted diazo esters ( = +0.89) and aryl-substituted dienes ( = -1.65) are consistent with the dipolar nature of this transformation. An unexpected reaction for the synthesis of seven-membered conjugated 1,4-diketones from propargylic diazoesters with unsaturated imines was disclosed. To undergo this process vinyl gold carbene intermediates generated by 1,2-acyloxy migration of propargylic aryldiazoesters undergo a formal [4+3]-cycloaddition, and the resulting aryldiazoesters tethered dihydroazepines undergo an intricate metal-free process to form observed seven-membered conjugated 1,4-diketones with moderate to high yields.

Nanostructured Systems for Electrocatalysis of Reduction Reactions for Energy Conversion Applications

Oxygen Reduction Reaction (ORR) requires a platinum-based catalyst to reduce the activation barrier. One of the most promising materials as alternative catalysts are carbon-based, graphene and carbon nanotubes (CNT) derivatives. ORR on a carbon-based substrate involves the less efficient two electrons process and the optimal four electrons process. New synthetic strategies to produce tunable graphene-based materials utilizing graphene oxide (GO) as a base inspired the first part of this work. Hydrogen Evolution Reaction (HER) is a slow process requiring also platinum or palladium as catalyst. In the second part of this work, we develop and use a technique for Ni nanoparticles electrodeposition using NiCl2 as precursor in the presence of ascorbate ligands. Electrodeposition of nano-nickel onto flat glassy carbon (GC) and onto nitrogen-doped reduced graphene oxide (rGO-N) substrates are studied. State of the art catalysts for CO2RR requires rare metals rhenium or rhodium. In recent years significant research has been done on non-noble metals and molecular systems to use as electro and photo-catalysts (artificial photosynthesis). As Cu-Zn alloys show good CO2RR performance, here we applied the same nanoparticle electrosynthesis technique using as precursors CuCl2 and Cl2Zn and observed successful formation of the nanoparticles and a notable activity in presence of CO2. Using rhenium complexes as catalysts is another popular approach and di-nuclear complexes have a positive cooperative effect. More recently a growing family of pre-catalysts based on the earth-abundant metal manganese, has emerged as a promising, cheaper alternative. Here we study the cooperative effects of di-nuclear manganese complexes derivatives when used as homogeneous electrocatalysts, as well as a rhenium functionalized polymer used as heterogeneous electrocatalyst.