Étude de réactivité et de sélectivité de nouveaux catalyseurs à base de ruthénium

Ce projet de recherche consiste en l’étude de la réactivité et de la sélectivité de nouveaux catalyseurs de métathèse d’oléfines à base de ruthénium lors de réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfines (RCM). L’emphase de cette étude repose sur l’évaluation de nouveaux catalyseurs possédant un ligand NHC (carbène N-hétérocyclique) C1-symétrique développés par le laboratoire Collins pour des réactions de désymétrisations asymétriques de méso-triènes par ARCM. Le projet a été séparé en deux sections distinctes. La première section concerne la formation d’oléfines trisubstituées par ARCM de méso-triènes. La seconde section consiste en la formation d’oléfines tétrasubstituées par le biais de la RCM de diènes et de la ARCM de méso-triènes. Il est à noter qu’il n’y a aucun précédent dans la littérature concernant la formation d’oléfines tétrasubstituées suite à une désymétrisation par ARCM. Lors de l’étude concernant la formation d’oléfines trisubstituées, une étude de cinétique a été entreprise dans le but de mieux comprendre la réactivité des différents catalyseurs. Il a été possible d’observer que le groupement N-alkyle a une grande influence sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation d’une variété de méso-triènes. En ce qui a trait à la formation d’oléfines tétrasubstituées, une étude de la réactivité des différents catalyseurs a été effectuée par l’intermédiaire de malonates de diéthyldiméthallyle. Il a encore une fois a été possible d’observer que le groupement N-alkyle possède un effet important sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement iv N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation de différents mésotriènes.

Synthèse énantiosélective du [7]hélicène à l’aide de la réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfine asymétrique et synthèse de binaphtols via une réaction de couplage oxydatif

L’intérêt pour les hélicènes s’est accru au fur et à mesure que de nouvelles applications pour ce genre de molécules ont été découvertes. Par contre, la recherche dans ce domaine a été limitée par le petit nombre de voies de synthèse de ces molécules, la plupart nécessitant une étape de résolution ou de séparation des énantiomères par HPLC à la fin de la synthèse. Le présent projet de recherche propose d’utiliser la réaction de fermeture de cycle asymétrique par métathèse d’oléfines (asymmetric ring closing metathesis, ARCM) pour effectuer une synthèse d’hélicène à la fois catalytique et énantiosélective. La synthèse énantiosélective du [7]hélicène a été effectuée à l’aide d’une résolution cinétique du précurseur racémique. Au cours de cette synthèse, nous avons été en mesure de démontrer l’efficacité de différents catalyseurs de métathèse chiraux en plus de démontrer l’effet de l’ajout de simples oléfines comme additifs à la réaction. De plus, nous avons formulé une hypothèse expliquant cet effet à l’aide du mécanisme de la réaction. Finalement, nous avons aussi montré l’effet du changement de solvant sur la sélectivité de la réaction. Au cours de ces travaux, nous avons également développé une nouvelle méthode de synthèse de binaphtols à l’aide d’une réaction de couplage oxydatif impliquant un catalyseur de cuivre. À l’aide d’études de réactivité, nous avons été en mesure de démontrer que le métal portait deux ligands N-hétérocycliques (NHC). Nous avons aussi observé que le catalyseur favorisait la formation de binaphtol non symétrique avec un groupement naphtol avec une densité électronique élevée et un autre groupement naphtol avec une faible densité électronique.

Design, synthèse et application en catalyse verte d’un ligand alkyl imidazolium β-cyclodextrine

Le 21e siècle est le berceau d’une conscientisation grandissante sur les impacts environnementaux des processus utilisés pour synthétiser des molécules cibles. Parmi les avancées qui ont marqué ces dernières décennies, il est également question de réduction de déchets, de conservation de l’énergie et de durabilité des innovations. Ces aspects constituent les lignes directrices de la chimie verte. De ce fait, il est impératif de développer des stratégies de synthèse dont les impacts environnementaux sont bénins. Dans ce mémoire nous présentons la synthèse, la caractérisation et l’étude des propriétés catalytiques en milieu aqueux d’un ligand composé d’une unité -cyclodextrine native, d’une unité imidazolium et d’une chaine alkyle à 12 carbones. Ce ligand hybride s’auto-assemble dans l’eau sous forme de micelles, permettant ainsi d’effectuer en sa présence des couplages de Suzuki-Miyaura dans l’eau, avec de bons rendements. La fonctionnalisation de la face primaire de la -cyclodextrine par un noyau alkyl-imidazolium, précurseur de ligand de type carbène N-hétérocyclique, a permis le développement d’un système catalytique vert et hautement recyclable. Dans un deuxième temps, nous présentons l’utilisation du même ligand hybride dans des couplages de Heck dans l’eau, démontrant ainsi la versatilité du ligand.

Utilisation du motif imidazole en transport d'anions et en catalyse organométallique

Le motif imidazole, un hétérocycle à 5 atomes contenant 2 atomes d’azote et trois atomes de carbone, présente des propriétés physico-chimiques intéressantes qui en font un composé de choix pour plusieurs applications. Parmi ces propriétés, la fonctionnalisation simple des deux atomes d’azote pour former un sel d’imidazolium est très intéressante. Ces sels sont d’excellents précurseurs de carbènes N-hétérocycliques (NHC) et sont couramment utilisés pour synthétiser des ligands en vue d’une utilisation en catalyse organométallique. D’autre part, cette famille de composés possède des propriétés anionophores permettant une utilisation en transport anionique. Le présent travail contient les résultats de travaux concernant ces deux domaines, soit la catalyse et le transport anionique. Dans un premier temps, les propriétés de dérivés de l’imidazole sont exploitées pour former un catalyseur de type palladium-NHC qui est utilisé pour catalyser la réaction de Suzuki-Miyaura en milieu aqueux. L’efficacité de ce catalyseur a été démontrée en utilisant aussi peu que 0,001 mol% pour un rendement quantitatif. Il s’agit de la première occurrence d’un processus hétérogène et recyclable dans l’eau, utilisant un catalyseur de type Pd-NHC et qui ne nécessite aucun additif ou co-solvant. Le recyclage a été prouvé jusqu’à 10 cycles sans diminution apparente de l’activité du catalyseur. Dans un second temps, plusieurs sels d’imidazolium ont été testés en tant que transporteurs transmembranaires d’anions chlorures. Les propriétés intrinsèques des sels utilisés qui en font des transporteurs efficaces ont été élucidées. Ainsi, les paramètres qui semblent affecter le plus le transport anionique sont le changement du contre-anion du sel d’imidazolium de même que la propension de ce dernier à s’auto-assembler via une succession d’empilements-π. De plus, les propriétés du transport ont été élucidées, montrant la formation de canaux transmembranaires qui permettent non-seulement la diffusion d’ions Cl-, mais aussi le transport de protons et d’ions Ca2+. L’intérêt de cette recherche repose d’abord dans le traitement de diverses pathologies voyant leur origine dans le dysfonctionnement du transport anionique. Cependant, les propriétés bactéricides des sels d’imidazolium utilisés ont été identifiées lors des dernières expériences.

Síntesi i Reactivitat de nous Macrocicles Nitrogenats Poliinsaturats

En aquesta tesi s'han sintetitzat macrocicles nitrogenats poliinsaturats de diferents mides i s'ha estudiat la seva reactivitat. S'han preparat macrocicles de quinze i setze baules triacetilènics i de quinze baules contenint dos triples i un doble enllaç a l'estructura. S'ha estudiat la ciclotrimerització [2+2+2] d'aquests macrocicles catalitzada per metalls de transició en dissolvents orgànics convencionals o en sals foses. S'han sintetitzat complexos de rodi contenint un lligand carbènic N-heterocíclic per tal d'utilitzar-los com a catalitzadors alternatius al complex de Wilkinson en les reaccions de ciclotrimerització dels macrocicles poliinsaturats i d'altres anàlegs oberts. Els complexos carbènics sintetitzats han presentat una eficiència lleugerament superior a la del catalitzador de Wilkinson. També s'ha iniciat un estudi mecanístic de la cicloisomerització d'aquests macrocicles induïda tèrmicament. Finalment, s'han preparat macrocicles de catorze i dinou baules contenint un nucli endiínic a més d'altres insaturacions i s'ha estudiat la corresponent ciclació de Bergman en estat sòlid.

NHC-Ligand Effectiveness in the Fluorine-Free Hiyama Reaction of Aryl Halides

1-Benzyl-3-(2-hydroxy-2-phenylethyl)imidazolium chloride (5), which is a precursor of an N-heterocyclic carbene ligand, in combination with palladium acetate, has been employed as an effective catalyst for the fluorine-free Hiyama reaction. A systematic study of the catalytic mixture, by a 32 factorial design, has revealed that both the amount of palladium and the Pd/NHC precursor ratio are important factors for obtaining good yields of the coupling products, indicating an interaction between them. The best catalytic system involves mixing 0.1 mol-% palladium acetate in a 1:5 ratio (Pd/salt 5), which allows the effective coupling of a range of aryl bromides and chlorides with trimethoxy(phenyl)silane. The Hiyama reactions are carried out in NaOH solution (50 % H2O w/w), at 120 °C under microwave irradiation during 60 min.

THE DESIGN AND SYNTHESIS OF SILOXANE PRECURSORS FOR CHIRAL PERIODIC MESOPOROUS ORGANOSILICA MATERIALS

The development of cost-effective and reliable methods for the synthesis and separation of asymmetric compounds is paramount in helping to meet society’s ever-growing demand for chiral small molecules. Of these methods, chiral heterogeneous supports are particularly appealing as they allow for the reuse of the chiral source. One such support, based on the synergy between chiral organic units and structurally stable inorganic silicon scaffolds are periodic mesoporous organosilicas (PMOs). In the work described herein, I examine some of the factors governing the transmission of chirality between chiral dopants and prochiral bulk phases in chiral PMO materials. In particular, the exploration of 1,1’-binaphthalene-bridged chiral dopants with a focus on the point of attachment into the materials. Moreover, the effects of ordering in the materials are examined and reveal that chirality transfer is more facile in materials with molecular-scale order then those containing amorphous walls. Secondly, the issues surrounding the synthesis and purification of aryl-triethoxysilanes as siloxane precursors are addressed. Both the introduction of a two-carbon linker and the direct attachment of allyl and mixed allyldiethoxysilane species are explored. This work demonstrates that allyldiethoxysilanes are ideal, in that they are stable enough to permit facile synthesis, while still being able to hydrolyze completely to produce well-ordered materials. Lastly, the production of new bulk phases for chiral PMO materials is examined by introducing new prochiral nitrogen-containing siloxane precursors. Biphenyldiamine and bipyridine-bridged siloxane precursors are readily synthesized on reasonable scales. Their use as the bulk siloxane precursor in the production of PMO materials however, is precluded by insufficient gelation and additional siloxane precursors are necessary for the production of ordered materials. In addition to the research detailed above that forms the body of this thesis, two short works are appended. The first details the production of polythiophene assemblies mediated through coordination nanospaces, while the second explores the production of N-heterocyclic carbene functionalized gold nanoparticles through ligand exchange.

THE DESIGN AND SYNTHESIS OF SILOXANE PRECURSORS FOR CHIRAL PERIODIC MESOPOROUS ORGANOSILICA MATERIALS

The development of cost-effective and reliable methods for the synthesis and separation of asymmetric compounds is paramount in helping to meet society’s ever-growing demand for chiral small molecules. Of these methods, chiral heterogeneous supports are particularly appealing as they allow for the reuse of the chiral source. One such support, based on the synergy between chiral organic units and structurally stable inorganic silicon scaffolds are periodic mesoporous organosilicas (PMOs). In the work described herein, I examine some of the factors governing the transmission of chirality between chiral dopants and prochiral bulk phases in chiral PMO materials. In particular, the exploration of 1,1’-binaphthalene-bridged chiral dopants with a focus on the point of attachment into the materials. Moreover, the effects of ordering in the materials are examined and reveal that chirality transfer is more facile in materials with molecular-scale order then those containing amorphous walls. Secondly, the issues surrounding the synthesis and purification of aryl-triethoxysilanes as siloxane precursors are addressed. Both the introduction of a two-carbon linker and the direct attachment of allyl and mixed allyldiethoxysilane species are explored. This work demonstrates that allyldiethoxysilanes are ideal, in that they are stable enough to permit facile synthesis, while still being able to hydrolyze completely to produce well-ordered materials. Lastly, the production of new bulk phases for chiral PMO materials is examined by introducing new prochiral nitrogen-containing siloxane precursors. Biphenyldiamine and bipyridine-bridged siloxane precursors are readily synthesized on reasonable scales. Their use as the bulk siloxane precursor in the production of PMO materials however, is precluded by insufficient gelation and additional siloxane precursors are necessary for the production of ordered materials. In addition to the research detailed above that forms the body of this thesis, two short works are appended. The first details the production of polythiophene assemblies mediated through coordination nanospaces, while the second explores the production of N-heterocyclic carbene functionalized gold nanoparticles through ligand exchange.

Design and Implementation of Tools for STM Studies in UHV and at the Solid-Liquid Interface

This thesis presents details of the design and development of novel tools and instruments for scanning tunneling microscopy (STM), and may be considered as a repository for several years' worth of development work. The author presents design goals and implementations for two microscopes. First, a novel Pan-type STM was built that could be operated in an ambient environment as a liquid-phase STM. Unique features of this microscope include a unibody frame, for increased microscope rigidity, a novel slider component with large Z-range, a unique wiring scheme and damping mechanism, and a removable liquid cell. The microscope exhibits a high level of mechanical isolation at the tunnel junction, and operates excellently as an ambient tool. Experiments in liquid are on-going. Simultaneously, the author worked on designs for a novel low temperature, ultra-high vacuum (LT-UHV) instrument, and these are presented as well. A novel stick-slip vertical coarse approach motor was designed and built. To gauge the performance of the motor, an in situ motion sensing apparatus was implemented, which could measure the step size of the motor to high precision. A new driving circuit for stick-slip inertial motors is also presented, that o ffers improved performance over our previous driving circuit, at a fraction of the cost. The circuit was shown to increase step size performance by 25%. Finally, a horizontal sample stage was implemented in this microscope. The build of this UHV instrument is currently being fi nalized. In conjunction with the above design projects, the author was involved in a collaborative project characterizing N-heterocyclic carbene (NHC) self-assembled monolayers (SAMs) on Au(111) films. STM was used to characterize Au substrate quality, for both commercial substrates and those manufactured via a unique atomic layer deposition (ALD) process by collaborators. Ambient and UHV STM was then also used to characterize the NHC/Au(111) films themselves, and several key properties of these films are discussed. During this study, the author discovered an unexpected surface contaminant, and details of this are also presented. Finally, two models are presented for the nature of the NHC-Au(111) surface interaction based on the observed film properties, and some preliminary theoretical work by collaborators is presented.

Sintesi e Caratterizzazione di Elettrodi Modificati Chimicamente con nuovi complessi Carbenici del Ferro

The Chemically Modified Electrodes (CME) are widely used in electroanalytical chemistry as chemical sensors. The interest in the covalent anchoring of a redox mediator on the electrode surface is increasing, because it allows the sensibility and the selectivity of this kind of systems to improve. My work is situated in this field of research and involves the synthesis of new Iron(0) complexes that contain cyclopentadienone, N-heterocyclic carbene (NHC) and carbonyl ancillary ligands. These complexes have shown electrochemical properties similar to those of ferrocene (organometallic compound widely used as electrochemical sensor). These complexes have been properly functionalized with a EDOT group in the NHC ligand side chain that it was after used for the realization of Electrochemically Modified PEDOT thanks to copolymerization reaction between the functionalized complex and the EDOT in different amounts. All the synthetic steps were assisted by suitable characterizations (NMR, IR, ESI-MS, cyclic voltammetry and X-ray for the monomeric compound as imidazolium salt and NHC functionalized complexes; cyclic voltammetry, IR e SEM for the copolymers). The properties of the polymer as a selective sensor was preliminarily investigated for dopamine and 2-propanol.

Preparation and characterisation of palladium, platinum and manganese di(organo)carbene complexes from quinolinone and quinolinium precursors

A series of palladium, platinum and manganese di(organo) carbene complexes have been prepared from 4-chloro-N-methylquinolinone by processes that involve alkylation before or after attachment to the metal unit; the nucleophilic heteroatoms necessary for eventual carbene formation and stabilisation are separated from the C-donor atom by three bonds.

Unsymmetrisch substituierte N-heterocyclische Carbene mit einem 1,1 ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat und N-heterocyclische Carbene als Adsorbatspezies für selbstorganisierende Monolagen

Aufbauend auf den Arbeiten von Bielawski et al. und Siemeling et al. wurden im Rahmen dieser Arbeit unsymmetrisch substituierte N-heterocyclische Carbene mit einem 1,1ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat synthetisiert. Ausgehend von der literaturbekannten Verbindung 1,1’-Diaminoferrocen gelang die Einführung der exocyclischen Substituenten an den Stickstoffatomen lediglich durch die Anpassung der Stöchiometrie in den einzelnen Syntheseschritten. Es wurden die folgenden drei NHCs synthetisiert: N-(2-Adamantyl)-N’-neopentyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Ad/Np), N-Neopentyl-N’-phenyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Ph/Np) und N-(9-Anthracenylmethyl)-N’-neopentyldiaminocarben[3]ferrocenophan (Acm/Np). Das Carben Ad/Np konnte dabei erfolgreich isoliert werden, während die anderen zwei Carbene als Liganden in Komplexen des Typs [RhCl(COD)(NHC)] stabilisiert wurden. Von allen drei Carbenen wurden Rhodium-Carben-Komplexe des Typs [RhCl(COD)(NHC)] und cis-[RhCl(CO)2(NHC)] synthetisiert. Anhand der röntgenkristallographischen und NMR-spektroskopischen Untersuchungen dieser Rhodiumkomplexe konnten in allen sechs Komplexen anagostische Wechselwirkungen zwischen dem zentralen Rhodiumatom und den Wasserstoffatomen der exocyclischen Substituenten, die sich in α-Position zu den Stickstoffatomen befinden, nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden anhand der cis-[RhCl(CO)2(NHC)]-Komplexe die TEP-Werte der Carbene bestimmt. Gemessen in DCM betragen diese 2049 cm-1 (Ad/Np), 2049 cm-1 (Ph/Np) und 2051 cm-1 (Acm/Np). Unabhängig von den unsymmetrisch substituierten NHCs mit einem 1,1ʹ-Ferrocendiyl-Rückgrat wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung von NHCs als Adsorbatspezies für selbstorganisierende Monolagen überprüft. Hierzu wurden Tetraalkylimidazol-2-ylidene synthetisiert, welche als 0.01 mM Lösung auf Gold(111)-Substrate aufgebracht wurden. Die Goldsubstrate wurden anschließend mittels XPS untersucht. Die XPS-Analyse der modifizierten Goldsubstrate zeigte, dass eine Bindung der Carbene auf der Oberfläche stattgefunden hat. Es zeigte sich allerdings auch, dass keine SAM gebildet wurden, da die Oberfläche signifikant mit kohlen- und sauerstoffbasierten Verbindungen kontaminiert ist. Dabei kann vermutet werden, dass die Carbene nicht ausschließlich auf der Goldoberfläche selbst, sondern auch mit den auf der Oberfläche befindlichen Verbindungen reagiert haben.

Heterocyclic carbene–metal-catalyzed Csp2–Csp2 and Csp–Csp2 couplings using nonmetallic substrates

The use of carbene ligands for transition-metal complexes has been developed in the last decades, being of special interest those carbenes derived from a nitrogen-containing heterocyclic system. An interesting variety of carbene-metal complexes has been tested in the Mizoroki-Heck reaction. In comparison, few examples can be found for the Matsuda-Heck version of this coupling reaction. Additionally, the Sonogashira coupling has been also catalyzed with different carbene-metal catalysts.

Synthesis of heterocyclic nitroxides with an improved yield by investigating the tetraalkylation of N-benzylphthalimide

The synthesis of a novel class of antioxidants, namely pyridine annulated heterocyclic nitroxides has been investigated. Two analogues were developed that differed in the structure around the free radical nitroxide. The isolation and characterisation of several side products formed in the reactions gave insight into the reaction mechanism. These findings were exploited in order to improve the overall synthetic yield of the reaction.