Hydrosilylation and hydroboration catalyzed by imido-hydride complexes of molybdenum (IV)

This thesis describes the synthesis, structural studies, stoichiometric and catalytic reactivity of novel Mo(IV) imido hydride complexes (Cp)(ArN)Mo(H)(PMe3) (1) and (Tp )(ArN)Mo(H)(PMe3) (2). Both 1 and 2 catalyze hydrosilylation of a variety of carbonyls. Detailed kinetic and DFT studies found that 1 reacts by an unexpected associative mechanism, which does not involve Si-H addition either to the imido group or the metal. Despite 1 being a d2 complex, its reaction with PhSiH3 proceeds via a a-bond metathesis mechanism giving the silyl derivative (Cp )(ArN)Mo(SiH2Ph)(PMe3). In the presence of BPh3 reaction of 1 with PhSiH3 results in formation of (Cp)(ArN)Mo(SiH2Ph)(H)2 and (Cp)(ArN)Mo(SiH2Ph)2(H), the first examples ofMo(VI) silyl hydrides. AI: 1 : 1 reaction between 2, PhSiD3 and carbonyl substrate established that hydrosilylation is not accompanied by deuterium incorporation into the hydride position of the catalyst, thus ruling out the conventional mechanism based on carbonyl insertion carbonyl. As 2 is nomeactive to both the silane and ketone, the only mechanistic alternative we are left with is that the metal center activates the carbonyl as a Lewis acid. The analogous nonhydride mechanism was observed for the catalysis by (ArN)Mo(H)(CI)(PMe3), (Ph3P)2(I)(O)Re(H)(OSiMe2Ph) and (PPh3CuH)6. Complex 2 also catalyzes hydroboration of carbonyls and nitriles. We report the first case of metal-catalyzed hydroboration of nitriles as well as hydroboration of carbonyls at very mild conditions. Conversion of carbonyl functions can be performed with high selectivities in the presence of nitrile groups. This thesis also reports the first case of the HlH exchange between H2 and Si-H of silanes mediated by Lewis acids such as Mo(IV) , Re(V) , Cu(I) , Zn(II) complexes, B(C6Fs)3 and BPh3.

Synthèse totale de la lépadine B : plate-forme pour la découverte de nouvelles tranformations chimiques

Dans ce document, serons détaillées les résultats de mes travaux de recherche d’études doctorales. Tout d’abord, nous discuterons de la synthèse totale de la lépadine B, la plus courte à paraître dans la littérature à ce jour. Cette synthèse, en plus de valoriser la synthèse asymétrique de pipéridines poly-substituées développée par l’équipe du professeur Charette, mettra à profit une utilisation originale d’une séquence de fermeture-ouverture de cycle par la réaction de métathèse d’alcènes. De plus, nous détaillerons une brève étude mécanistique de cette dernière nous ayant permis la proposition d’un mécanisme peu commun de ce type de séquence réactionnel et dont les conséquences expérimentales sont impressionnantes. Au cours de cette synthèse, nous avons identifié un synthon d’une grande valeur synthétique. En effet, ne comportant pas moins que quatre centres chiraux, ce synthon pouvait être obtenu énantiopure en seulement trois étapes à partir de la pyridine. Ainsi, nous avons effectué une analyse structurale de ce synthon et avons envisagé une valorisation supplémentaire par une utilisation originale de la fragmentation de Grob. Dans ce contexte, nous avons développé une toute nouvelle synthèse de pipéridines 2,3,6-trisubstituées hautement régio- et diastéréosélective. Afin de pouvoir réaliser la précédente méthodologie, nous avons dû étudier la réduction d’une amide en présence de groupements fonctionnels sensibles dans les conditions usuelles. Heureusement, l’année précédente nous avions développée une réaction hautement chimiosélective d’amides tertaires. Cette nouvelle réaction, qui a été fondamentalement inspiré par une méthodologie du professeur Charette sur l’activation d’amides, a permis la réduction d’amides tertiaires en présence de fonctions telles les cétone, ester, nitrile, époxyde, insaturations, etc. Enfin, l’ensemble des connaissances acquises au cours de ces projets a permis l’élaboration d’une toute nouvelle stratégie de synthèse pour la préparation d’indolizidines et quinolizidines. Plus spécifiquement, nous avons développé la première séquence d’activation intramoléculaire et déaromatization asymétrique de la pyridine. Ceci permet d’avoir un accès aux squelettes indolizidine et quinolizidine avec des stéréosélectivités élevées, la nature insaturée de ces derniers laissant également place à une grande flexibilité synthétique. Dans ce contexte, nous allons détailler une très courte synthèse de trans-indolizidines.

Les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques et les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitués : synthèses et applications

Les cyclopropanes sont des motifs d’une grande importance puisqu’ils sont présents dans plusieurs molécules biologiquement actives en plus d’être de puissants intermédiaires dans la synthèse de molécules complexes. Au cours de cet ouvrage, nous avons développé une nouvelle méthode générale pour la synthèse d’ylures d’iodonium de malonates, soit d’importants précurseurs d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques. Ainsi, à l’aide de ces ylures, une méthode très efficace pour la synthèse d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques racémiques a été développée. Des travaux ont aussi été entrepris pour la synthèse énantiosélective de ces composés. Par ailleurs, les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques ont été utilisés dans le développement de deux nouvelles méthodologies, soit dans une réaction de cycloaddition (3+3) avec des imines d’azométhines et dans la formation d’allènes par l’addition-1,7 de cuprates. Nous avons aussi poursuivi l’étude synthétique du cylindrocyclophane F impliquant l’utilisation de cyclopropanes pour le contrôle des centres chiraux. Ainsi l’addition-1,5 d’un cuprate sur un ester cyclopropane-1,1-dicarboxylique a été utilisée comme l’une des étapes clés de notre synthèse. L’autre centre chiral a pu être contrôlé par l’hydrogénolyse sélective d’un cyclopropylméthanol. Ces études ont, par ailleurs, mené au développement d’une nouvelle réaction d’arylcyclopropanation énantiosélective utilisant des carbénoïdes de zinc générés in situ à partir de réactifs diazoïques. Cette méthode permet d’accéder très efficacement aux cyclopropanes 1,2,3-substitués. De plus, nous avons développé la première réaction de Simmons-Smith catalytique en zinc menant à un produit énantioenrichi.

Direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes

L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés.

Synthèse et utilisation de dérivés de cyclopropane-1,1-diesters énantioenrichis vers l'obtention d'allènes hautement substitués

Le présent mémoire a pour sujet le développement d’une méthode rapide et efficace vers la production d’allènes hautement substitués à partir de dérivés cyclopropaniques électrophiles énantioenrichis. L’avancement de méthodes synthétiques intéressantes pour la production asymétrique de ces dérivés de cyclopropane-1,1-diesters sera également présenté. Dans un premier temps, les différentes méthodes de synthèses des cyclopropanes activés seront abordées, ainsi que leur utilisation dans la préparation de molécules plus complexes. Par la suite, les techniques précédentes de préparation asymétrique des allènes seront introduites, démontrant ainsi la difficulté de leur accessibilité. Le développement d’une méthode fiable pour la synthèse de cyclopropane-1,1-diesters utilisant les ylures d’iodonium sera présenté. Finalement, l’accessibilité à plusieurs types d’allènes hautement substitués par l’utilisation de cuprates sera détaillée. Dans une seconde partie, il sera davantage question de l’accessibilité des cyclopropane-1,1-diesters énantioenrichis. Ces derniers sont d’un intérêt particulier, car ils constituent le point de départ de notre méthodologie précédente. Le développement d’une méthode pouvant être utilisée à grande échelle et à faible coût a donc été explorée. Les deux derniers chapitres présenteront donc les tentatives de générer ces cyclopropanes activés par résolution cinétique ou encore par l’hydrogénation asymétrique des cyclopropènes correspondants.

Développement d'une nouvelle méthodologie d'oléfination catalysée par les complexes de cuivre : applications dans des réactions en tandem

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Polymères de coordination et éponge cristalline : de nouveaux matériaux pour la conversion de l’énergie solaire et la résolution de la structure cristalline de composés huileux.

Le premier volet de ce travail portera sur l’expérience acquise lors d’un stage d’étude à Tokyo, au Japon, dans le groupe de recherche du Pr. Makoto Fujita, une sommité d’envergure internationale dans le domaine de l’auto-assemblage. En continuité avec les plus récents travaux du Pr. Fujita, des systèmes poreux auto-assemblés présentant des cavités fonctionnalisées ont été développés dans le but d’encapsuler des acides gras afin d’en déterminer la structure cristalline. Ces éponges ont été caractérisées par des techniques courantes telles que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire 1H, 13C{1H} et Cosy, la spectrométrie de masse, l’analyse élémentaire, la microscopie optique infrarouge ainsi que la diffraction des rayons X. Une autre approche employée pour obtenir de meilleures propriétés spectroscopiques fut la synthèse de dendrimères métalliques de génération 0. Un nouveau ligand de type 1,3,5-triazine a été synthétisé par une réaction typique de cyclisation de nitrile en présence catalytique d’hydrure de sodium. Des espèces mono-, bis- et trinucléaire de Ru(II) furent synthétisés ainsi que deux espèces hétérométalliques de Ru(II)/Pt(II) et de Ru(II)/Os(II). Tous les complexes obtenus furent caractérisés par spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution et par analyse élémentaire. La génération de dihydrogène à partir de l’espèce hétérométallique a été étudiée. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage. Finalement, dans le but d’améliorer les propriétés spectroscopiques d’absorption de complexes métalliques, nous avons synthétisé une série de polymères homo- et hétérométalliques, intégrant des ligands de type bis(2,2’:6,2’’-terpyridine). Les complexes générés furent caractérisés par diverses techniques tel que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution ainsi que par analyse élémentaire. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage.

A Novel Accelerator Combination for the Low Temperature Curing of Silica-Filled NBR Compounds

Zinc salts of ethyl, isopropyl, and butyl xanthates were prepared in the laboratory. The effect of these xanthates in combination with zinc diethyldithiocarbamate (ZDC) on the vulcanization of silica-filled NBR compounds has been studied at different temperatures. The cure times of these compounds were compared with that of NBR compounds containing tetramethylthiuram disulphide/dibenzthiazyl disulphide. The rubber compounds with the xanthates and ZDC were cured at various temperatures from 60 to 150°C. The sheets were molded and properties such as tensile strength, tear strength, crosslink density, elongation at break, compression set, abrasion resistance, flex resistance, heat buildup, etc. were evaluated. The properties showed that zinc salt of xanthate/ZDC combination has a positive synergistic effect on the cure rate and mechanical properties of NBR compounds.

Low Temperature Curing of NBR for Property Improvement

Zinc salts of ethyl, isopropyl, and butyl xanthates are prepared in the laboratory, and the effect of these xanthates with zinc diethyl dithiocarbamate (ZDC) on the vulcanization of HAF-filled nitrile butadiene rubber (NBR) compounds has been studied at different temperatures. The cure times of these compounds have been compared with that of NBR compounds containing TMTD/MBTS. The rubber compounds with the three xanthate accelerators and ZDC are cured at various temperatures from 60 to 150°C. The sheets are molded and properties such as tensile strength, tear strength, cross-link density, elongation at break, compression set, abrasion resistance, flex resistance, etc. have been evaluated. The properties show that zinc salt of the xanthate/ZDC accelerator system has a positive synergistic effect on the cure rate and mechanical properties of NBR compounds.

Use of Amine Terminated Liquid Natural Rubber as a Plasticiser in Filled NR andNBR Compounds

Amine Terminated Liquid Natural Rubber (ATNR) was used as a plasticiser in filled NR and NBR compounds replacing oil/DOP. The scorch time and cure time were found to be lowered when ATNR was used as the plasticiser. ATNR was found to improve the mechanical properties like tensile strength, tear strength and modulus of the vulcanizates . The ageing resistance of the vulcanizates containing ATNR was superior compared to the vulcanizates containing oil/DOP.

Linseed Oil as a Multipurpose Ingredient in NBR Vulcanizate

ABSTRACT: Linseed oil is used in the dual roles of the plasticizer and the fatty acid component of the activator in nitrile rubber vulcanizates. The study shows that the substitution can substantially improve the mechanical properties in addition to other advantages such as increased cure rate, reduced leachability and reduced compound cost.

Acrylonitrile-Butadiene Rubber/ Reclaimed Rubber-Nylon Fiber Composite

The effect of diphenylmethane diisocyanate (MDI) -polyethyleneglycol (PEG) resin on the cure characteristics and mechanical properties of nitrile rubber/whole tyre eclaim-short nylon fiber composite-was studied. At a constant loading of 5 phr, the resin composition was varied. The minimum torque .,id (maximum - minimum) torque increased with isocyanate concentration. Scorch time and cure time showed a reduction on introduction of bonding agent. Properties like tensile strength, tear strength, and abrasion resistance increased with increase in MDI/PEG ratio, and these properties are higher in the longitudinal direction of fiber orientation. Compression set increased with isocyanate concentration and the resilience remain unchanged.

Development of Elastomeric Hybrid Composite Based on Synthesised Manosilica and Short Nylon Fiber

Nanoscale silica was synthesized by precipitation method using sodium silicate and dilute hydrochloric acid under controlled conditions. The synthesized silica was characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), BET adsorption and X-Ray Diffraction (XRD). The particle size of silica was calculated to be 13 nm from the XRD results and the surface area was found to be 295 m2/g by BET method. The performance of this synthesized nanosilica as a reinforcing filler in natural rubber (NR) compound was investigated. The commercial silica was used as the reference material. Nanosilica was found to be effective reinforcing filler in natural rubber compound. Filler-matrix interaction was better for nanosilica than the commercial silica. The synthesized nanosilica was used in place of conventional silica in HRH (hexamethylene tetramine, resorcinol and silica) bonding system for natural rubber and styrene butadiene rubber / Nylon 6 short fiber composites. The efficiency of HRH bonding system based on nanosilica was better. Nanosilica was also used as reinforcing filler in rubber / Nylon 6 short fiber hybrid composite. The cure, mechanical, ageing, thermal and dynamic mechanical properties of nanosilica / Nylon 6 short fiber / elastomeric hybrid composites were studied in detail. The matrices used were natural rubber (NR), nitrile rubber (NBR), styrene butadiene rubber (SBR) and chloroprene rubber (CR). Fiber loading was varied from 0 to 30 parts per hundred rubber (phr) and silica loading was varied from 0 to 9 phr. Hexa:Resorcinol:Silica (HRH) ratio was maintained as 2:2:1. HRH loading was adjusted to 16% of the fiber loading. Minimum torque, maximum torque and cure time increased with silica loading. Cure rate increased with fiber loading and decreased with silica content. The hybrid composites showed improved mechanical properties in the presence of nanosilica. Tensile strength showed a dip at 10 phr fiber loading in the case of NR and CR while it continuously increased with fiber loading in the case of NBR and SBR. The nanosilica improved the tensile strength, modulus and tear strength better than the conventional silica. Abrasion resistance and hardness were also better for the nanosilica composites. Resilience and compression set were adversely affected. Hybrid composites showed anisotropy in mechanical properties. Retention in ageing improved with fiber loading and was better for nanosilica-filled hybrid composites. The nanosilica also improved the thermal stability of the hybrid composite better than the commercial silica. All the composites underwent two-step thermal degradation. Kinetic studies showed that the degradation of all the elastomeric composites followed a first-order reaction. Dynamic mechanical analysis revealed that storage modulus (E’) and loss modulus (E”) increased with nanosiica content, fiber loading and frequency for all the composites, independent of the matrix. The highest rate of increase was registered for NBR rubber.

Studies on Conducting Polymers and Conductive Elastomer Composites

The primary aim of this work has been to develop conductive silicone and nitrile rubbers, which are extensively used for making conductive pads in telephone sets, calculators and other applications. Another objective of the work has been to synthesise and characterize novel conducting polymers based on glyoxal and paraphenylenediamine- poly(p-phenylenediazomethine. Conducting polymer matrices were developed from polymer blends such as poly(pphenylenediazomethine), polyethylene, PVC and silica and their properties were studied.

Studies on adhesives for bonding rubber to rubber and rubber to textiles

The primary objective of this investigation has been to develop more efficient and low cost adhesives for bonding various elastomer combinations particularly NR to NR, NR/PB to NR/PB, CR to CR,NR to CR and NR to NBR.A significant achievement of the investigation was the development of solventless and environment friendly solid adhesives for NR to NR and NR/PB to NR/PB particularly for precured retreading. Conventionally used adhesives in this area are mostly NR based adhesive strips in the presence of a dough. The study has shown that an ultra accelerator could be added to the dough just before applying it on the tire which can significantly bring down the retreading time resulting in prolonged tire service and lower energy consumption. Further latex reclaim has been used for the preparation of the solid strip which can reduce the cost considerably.Another significant finding was that by making proper selection of the RF resin, the efficiency and shelflife of the RFL adhesive used for nylon and rayon tire cord dipping can be improved. In the conventionally used RFL adhesive, the resin once prepared has to be added to the latex within 30 minutes and the RFL has to be used after 4 hours maturation time maximum shelf life of the RFL dip solution being 72 hours. In this study a formaldehyde deficient resin was used and hence more flexibility was available for mixing with latex and maturing. It also has a much longer shelf life. In the method suggested in this study, formaldehyde donors were added only in the rubber compound to make up the formaldehyde deficiency in the RFL. The results of this investigation show that the pull through load by employing this method and the conventional method are comparable. This study has also shown that the amount of RF resin with RFL adhesive can be partially replaced by other modifying agents for cost reduction.Cashew nut shell liquid (CNSL) resin can be employed for improving the bonding of dipped nylon and rayon cord with NR.Since CNSL resin cannot be added in the dip solution since it is not soluble in water, it was added in the rubber compound. The amount of wood rosin in the rubber compound can be reduced by using CNSL resin.Another interesting result of the investigation was the use of CR based adhesive modified with chlorinated natural rubber for CR to CR bonding. Addition of chlorinated natural rubber was found to improve sea water resistance of CR based adhesive. In the bonding of a polar rubber like nitrile rubber or polychloroprene rubber to a non polar rubber like natural rubber, an adhesive based on polychloroprene rubber was found to be effective.