Direct catalytic macrolactonization and application of the phase separation strategy in complex molecule synthesis

Les macrolactones sont des squelettes structuraux importants dans de nombreuses sphères de l’industrie chimique, en particulier dans les marchés pharmaceutiques et cosmétiques. Toutefois, la stratégie traditionnelle pour la préparation de macrolactones demeure incommode en requérant notamment l’ajout (super)stœchiométrique d’agents activateurs. Conséquemment, des quantités stœchiométriques de sous-produits sont générées; ils sont souvent toxiques, dommageables pour l’environnement et nécessitent des méthodes de purification fastidieuses afin de les éliminer. La présente thèse décrit le développement d’une macrolactonisation efficace catalysée au hafnium directement à partir de précurseurs portant un acide carboxylique et un alcool primaire, ne générant que de l’eau comme sous-produit et ne nécessitant pas de techniques d’addition lente et/ou azéotropique. Le protocole a également été adapté à la synthèse directe de macrodiolides à partir de mélanges équimolaires de diols et de diacides carboxyliques et à la synthèse de dimères tête-à-queue de seco acides. Des muscs macrocycliques ainsi que des macrolactones pertinentes à la chimie médicinale ont pu être synthétisés avec l’approche développée. Un protocole pour l’estérification directe catalysée au hafnium entre des acides carboxyliques et des alcools primaires a aussi été développé. Différentes méthodes pour la macrolactonisation catalytique directe entre des alcools secondaires et des acides carboxyliques ont été étudiées. En outre, la stratégie de séparation de phase en macrocyclisation en débit continu a été appliquée lors de la synthèse totale formelle de la macrolactone ivorenolide A. Les étapes-clés de la synthèse incluent une macrocyclisation par le couplage d’alcynes de Glaser-Hay et une réaction de métathèse d’alcènes Z-sélective.

On-demand generation and removal of alginate biocompatible microvalves for flow control in microfluidics

[EN] This paper describes, for the first time, the use of alginate hydrogels as miniaturised microvalves within microfluidic devices. These biocompatible and biodegradable microvalves are generated in situ and on demand, allowing for microfluidic flow control. The microfluidic devices were fabricated using an origami inspired technique of folding several layers of cyclic olefin polymer followed by thermocompression bonding. The hydrogels can be dehydrated at mild temperatures, 37◦C, to slightly open the microvalve and chemically erased using an ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt (EDTA) solution, to completely open the channel, ensuring the reusability of the whole device and removal of damaged or defective valves for subsequent regeneration.

I. Nickel-Exchanged Zincosilicate Catalysts for the Oligomerization of Propylene and II. Organic SDA-Free Catalysts for the Methanol-to-Olefins Reaction

Nickel-containing catalysts are developed to oligomerize light olefins. Two nickel-containing zincosilicates (Ni-CIT-6 and Ni-Zn-MCM-41) and two nickel-containing aluminosilicates (Ni-HiAl-BEA and Ni-USY) are synthesized as catalysts to oligomerize propylene into C_3n (C₆ and C₉) products. All catalysts oligomerize propylene, with the zincosilicates demonstrating higher average selectivities to C_3n products, likely due to the reduced acidity of the Zn heteroatom.

To test whether light alkanes can be incorporated into this oligomerization reaction, a supported homogeneous catalyst is combined with Ni-containing zincosilicates. The homogeneous catalyst is included to provide dehydrogenation/hydrogenation functions. When this tandem catalyst system is evaluated using a propylene/n-butane feed, no significant integration of alkanes are observed.

Ni-containing zincosilicates are reacted with 1-butene and an equimolar propylene/1-butene mixture to study other olefinic feeds. Further, other divalent metal cations such as Mn²⁺, Co²⁺, Cu²⁺, and Zn²⁺ are exchanged onto CIT-6 samples to investigate stability and potential use for other reactions. Co-CIT-6 oligomerizes propylene, albeit less effectively than Ni-CIT-6. The other M-CIT-6 samples, while not able to oligomerize light olefins, may be useful for other reactions, such as deNO_x.

Molecular sieves are synthesized, characterized, and used to catalyze the methanol-to-olefins (MTO) reaction. The Al concentration in SSZ-13 samples is varied to investigate the effect of Al number on MTO reactivity when compared to a SAPO-34 sample with only isolated Si Brønsted acid sites. These SSZ-13 samples display reduced transient selectivity behavior and extended reaction lifetimes as Si/Al increases; attributable to fewer paired Al sites. MTO reactivity for the higher Si/Al SSZ-13s resembles the SAPO-34 sample, suggesting that both catalysts owe their stable reaction behavior to isolated Brønsted acid sites.

Zeolites CHA and RHO are prepared without the use of organic structure-directing agents (OSDAs), dealuminated by steam treatments (500°C-800°C), and evaluated as catalysts for the MTO reaction. The effects of temperature and steam partial pressure during steaming are investigated. X-ray diffraction (XRD) and Ar physisorption show that steaming causes partial structural collapse of the zeolite, with degradation increasing with steaming temperature. ²⁷Al MAS NMR spectra of steamed materials reveal the presence of tetrahedral, pentacoordinate, and hexacoordinate aluminum.

Proton forms of as-synthesized CHA (Si/Al=2.4) and RHO (Si/Al=2.8) rapidly deactivate under MTO testing conditions (400°C, atmospheric pressure). CHA samples steamed at 600°C performed best among samples tested, showing increased olefin selectivities and catalyst lifetime. Acid washing these steamed samples further improved activity. Reaction results for RHO were similar to CHA, with the RHO sample steamed at 800°C producing the highest light olefin selectivities. Catalyst lifetime and C₂-C₃ olefin selectivities increase with increasing reaction temperature for both CHA-type and RHO-type steamed samples.

Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.

Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.

A new post-metallocene-ti catalyst with maltolate bidentade ligand: an investigation in heterogeneous polymerization reactions in different mesoporous supports

A new titanium catalyst easily synthesized from ethylmaltol bidentate chelator ligand was studied in homogeneous and heterogeneous ethylene polymerization. The dichlorobis(3-hydroxy-2-ethyl-4-pyrone)titanium(IV) complex was characterized by 1H and 13C NMR (nuclear magnetic resonance), UV-Vis and elemental analysis. Theoretical study by density functional theory (DFT) showed that the complex chlorines exhibit cis configuration, which is important for the activity in olefin polymerization. The complex was supported by two methods, direct impregnation or methylaluminoxane (MAO) pre-treatment, in five mesoporous supports: MCM-41 (micro and nano), SBA-15 and also the corresponding modified Al species. All the catalytic systems were active in ethylene polymerization and the catalytic activity was strongly influenced by the method of immobilization of the catalyst and the type of support.