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.

Base free dynamic kinetic resolution of secondary alcohols using ‘piano stool’ complexes of N-heterocyclic carbenes

Piano stool complexes of rhodium and iridium activated by fluorinated and non-fluorinated N-heterocyclic carbene (NHC) ligands were shown to be catalysts for racemization in the one-pot chemoenzymic dynamic kinetic resolution (DKR) of secondary alcohols. Excellent conversions and good enantioselectivities were observed for alkyl aryl and dialkyl secondary alcohols.

Synthesis of transition metal N-heterocyclic carbene complexes and applications in catalysis

Les ligands de carbènes N-hétérocycliques (NHC) qui possèdent une symétrie C1 attirent beaucoup l’attention dans la littérature. Le présent projet de recherche propose de synthétiser une nouvelle série de ligands NHC C1-symétriques avec deux groupements N-alkyles qui exploitent un relais chiral. Un protocole modulaire et efficace pour la synthèse des sels d’imidazolium chiraux qui servent comme préligands pour les NHC a été développé. Quelques-uns de ces nouveaux ligands ont été installés sur le cuivre et de l’or, créant de nouveaux complexes chiraux. Les nouveaux complexes à base de cuivre ont été évalués comme catalyseurs pour le couplage oxydatif de 2-naphthols. Les ligands C1-symmétriques ont fourni des meilleurs rendements que les ligands C2-symmétriques. Au cours de l’optimisation, des additifs ont été évalués; les additifs à base de pyridine ont fourni des énantiosélectivités modérées tandis que les additifs à base de malonate ont donné des meilleurs rendements de la réaction de couplage oxydatif. Ultérieurement, les additifs à base de malonate ont été appliqués envers l’hétérocouplage de 2-naphthols. Le partenaire de couplage qui est riche en électrons est normalement en grand excès à cause de sa tendance à dégrader. Avec le bénéfice de l’additif, les deux partenaires de couplage peuvent être utilisés dans des quantités équivalentes. La découverte de l’effet des additifs a permis le développement d’un protocole général pour l’hétérocouplage de 2-naphthols.

Exploration of Novel Organic Reactions Catalyzed by Nucleophilic Heterocyclic Carbenes (NHCs)

The thesis entitled “Exploration of Novel Organic Reactions Catalyzed by Nucleophilic Heterocyclic Carbenes (NHCs)” embodies the results of the investigations carried out to explore the synthetic potential of N–heterocyclic carbenes (NHCs) as organocatalyst towards various electrophiles for the synthesis of heterocyclic and carbocyclic systems. Recent investigations in the generation of homoenolates by the addition of NHCs to conjugated aldehydes have made it possible to study the reactivity of this unique three carbon synthon.

The reactivity of N-heterocyclic carbenes and their precursors with [Ru3(CO)12]

The ambient temperature reaction of the N-heterocyclic carbenes (NHCs) 1,3-dimesitylimidazol-2-ylidene (IMes) and 1,3-bis(2,6-diisopropylphenyl)imidazol-2-ylidene (IDipp) with the triruthenium cluster [Ru3(CO)12], in a 3 : 1 stoichiometric ratio, results in homolytic cleavage of the cluster to quantitatively afford the complexes [Ru(CO)4(NHC)] (1; NHC = IMes, 2; NHC = IDipp). Reaction of the 2-thione or hydrochloride precursors to IMes, i.e. S[double bond, length as m-dash]IMes and IMes·HCl, with the same triruthenium cluster affords the complexes [Ru4(μ4-S)2(CO)9(IMes)2] (3) and [Ru4(μ4-S)(CO)10(IMes)2] (4) (3 : 1 and 2 : 1 reaction), and [{Ru(μ-Cl)(CO)2(IMes)}2] (7) (3 : 1 reaction) respectively. By contrast, the complex [Ru3(μ3-S)2(CO)7(IMeMe)2] (6), where IMeMe is 1,3,4,5-tetramethylimidazol-2-ylidene, is the sole product of the 2 : 1 stoichiometric reaction of S[double bond, length as m-dash]IMeMe with [Ru3(CO)12]. Compounds 1–4, 6 and 7 have been structurally characterised by single crystal X-ray diffraction.

Pyrrolide-supported lanthanide alkyl complexes. Influence of ligands on molecular structure and catalytic activity toward isoprene polymerization

The N,N- bidentate ligands 2- {( N- 2,6- R) iminomethyl)} pyrrole ( HL1, R) dimethylphenyl; HL2, R) diisopropylphenyl) have been prepared. HL1 reacted readily with 1 equiv of lanthanide tris( alkyl)s, Ln(CH2SiMe3)(3)(THF)(2), affording lanthanide bis(alkyl) complexes L(1)Ln(CH2SiMe3)(2)(THF)(n) (1a, Ln= Lu, n = 2; 1b, Ln = Sc, n = 1) via alkane elimination. Reaction of the bulky ligand HL2 with 1 equiv of Ln(CH2SiMe3)(3)( THF)(2) gave the bis(pyrrolylaldiminato) lanthanide mono(alkyl) complexes L(2)(2)Ln- (CH2SiMe3)(THF) (2a, Ln) Lu; 2b, Ln = Sc), selectively. The N,N- bidentate ligand HL3, 2- dimethylaminomethylpyrrole, reacted with Ln( CH2SiMe3) 3( THF) 2, generating bimetallic bis( alkyl) complexes of central symmetry ( 3a, Ln = Y; 3b, Ln = Lu; 3c, Ln = Sc). Treatment of the N,N,N,N- tetradentate ligand H2L4, 2,2'-bis(2,2-dimethylpropyldiimino) methylpyrrole, with equimolar Lu(CH2SiMe3)(3)(THF)(2) afforded a C-2- symmetric binuclear complex ( 4). Complexes 3a, 3b, 3c, and 4 represent rare examples of THF- free binuclear lanthanide bis( alkyl) complexes supported by non- cyclopentadienyl ligands. All complexes have been tested as initiators for the polymerization of isoprene in the presence of AlEt3 and [ Ph3C][B(C6F5)(4)]. Complexes 1a, 1b, and 3a show activity, and 1b is the most active initiator, whereas 2a, 2b, 3b, 3c, and 4 are inert.

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.

Novel Hetrocyclic Constructions Mediated by Nucleophilic Carbenes and Related Chemistry

The thesis entitled novel heterocyclic constructions mediated by nucleophilic carbenes and related chemistry, embodies the results of the investigations carried out to explore the reactivity patterns of the 1:1 zwitterions, generated in situ from various nucleophilic carbenes and DiMethyl AcetyleneDicarboxylate(DMAD) towards aldehydes and ketones. The traditional synthesis of complex organic molecules employs stepwise formation of bonds and involves multiple steps. Besides the sequential synthesis, in several instances, the desired product can also be obtained in one pot reactions of three or more starting compounds. Such reactions in which more than two starting materials react to form a product in such a way that the majority of the atoms of the starting materials can be found in the products are called multicomponent reactions(MCRs). The results of our investigations on the application of N-heterocyclic carbenes in multicomponent reaction with DMAD and aromatic aldehydes leading to the one pot synthesis of 2-oxy-maleate and furanone derivatives. It is interesting to note that dihydrofuran and lactone motifs are present in a number of biologically active natural products and other heterocyclic compounds. It is conceivable that the novel multicomponent reactions described herein will find application in the synthesis of a variety of heterocyclic compounds, and in natural product synthesis.

N-Heterocyclic carbene complexes of silver, rhodium and iron: structures, dynamics and catalysis

The research performed in the framework of this Master Thesis has been directly inspired by the recent work of an organometallic research group led by Professor Maria Cristina Cassani on a topic related to the structures, dynamics and catalytic activity of N-heterocyclic carbene-amide rhodium(I) complexes1. A series of [BocNHCH2CH2ImR]X (R = Me, X = I, 1a’; R = Bz, X = Br, 1b’; R = trityl, X = Cl, 1c’) amide-functionalized imidazolium salts bearing increasingly bulky N-alkyl substituents were synthetized and characterized. Subsequently, these organic precursors were employed in the synthesis of silver(I) complexes as intermediate compounds on a way to rhodium(I) complexes [Rh(NBD)X(NHC)] (NHC = 1-(2-NHBoc-ethyl)-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl, R = Me (3a’), R = Bz (3b’), R = trityl (3c’); X = I, R = Me (4a’)). VT NMR studies of these complexes revealed a restricted rotation barriers about the metal-carbene bond. However, while the rotation barriers calculated for the complexes in which R = Me, Bz (3a’,b’ and 4a) matched the experimental values, this was not true in the trityl case 3c’, where the experimental value was very similar to that obtained for compound 3b’ and much smaller with respect to the calculated one. In addition, the energy barrier derived for 3c’ from line shape simulation showed a strong dependence on the temperature, while the barriers measured for 3a’,b’ did not show this effect. In view of these results and in order to establish the reasons for the previously found inconsistency between calculated and experimental thermodynamic data, the first objective of this master thesis was the preparation of a series of rhodium(I) complexes [Rh(NBD)X(NHC)] (NHC = 1-benzyl-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl, R = Me, Bz, trityl, tBu), containing the benzyl substituent as a chiral probe, followed by full characterization. The second objective of this work was to investigate the catalytic activity of the new rhodium compounds in the hydrosilylation of terminal alkynes for comparison purposes with the reported complexes. Another purpose of this work was to employ the prepared N-heterocyclic ligands in the synthesis of iron(II)-NHC complexes.

A comparative study of hydroxyl- and carboxylate-functionalized imidazolium and benzimidazolium salts as precursors for N-heterocyclic carbene ligands

The preparation of imidazolium and benzimidazolium salts with hydroxyl or carboxylate functions has been achieved using straightforward synthetic pathways. These salts in combination with palladium(II) acetate give active catalytic systems for Suzuki reaction. A comparative study has been performed, which has revealed that both the heterocycle and the functional group are important for the catalytic activity and stability of the catalyst.

Methyleneimidazoline Complexes of Iridium, Rhodium, and Palladium from Selective C(sp(3))-H Bond Activation

Palladium, iridium, and rhodium complexes of 2-methyleneimidazolines have been synthesized by selective phosphine-assisted activation of the 2-methyl C-H bonds in 2-methylimidazolium compounds. Metallacycles of various sizes were obtained in the reaction of phosphine-tethered 2-methylimidazolium compounds and [{M(cod)X}(2)] (M = Rh or Ir cod = 1,5-cyclooctadiene: X = alkoxyl or Cl). representative complexes were characterized by X-ray crystallography. The selectivity for aliphatic C(sp(3))H versus aromatic C(sp(2))H activation could be adjusted by means of the steric bulk of the OR ligand, whereby a bulky, OR group favors activation of the 2-methyl C(sp(3))-H bond. Experimental results confirmed that a methyl C-H activation product (a seven-membered iridacycle) is the kinetic product, while the aryl C-H activation product (a six-membered iridacycle) is the thermodynamic product.

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.

Synthesis of Chiral Benzimidazolylidenes from 1,10-Phenathrolines and 1,10-Phenathroline-2,9-dione /

A^-heterocyclic carbenes (NHCs) have become the focus of much interest as ancillary ligands for transition metal catalysts in recent years. Their structural variability and strong cy-donation properties have led to the preparation of demonstrably useful organometallic catalysts. Among the three general structural types of NHCs (imidazolylidenes, imidazolinylidenes, and benzimidazolylidenes), benzimidazolylidenes are the least investigated because of the limitation of current synthetic approaches. The preparation of chiral analogues is even more challenging. Previously, our group has demonstrated an alternative approach to synthesizing benzimidazolylidenes with a tetracyclic framework in three steps from 1,10-phenanthroline. This thesis is focused on approaches to chiral benzimidazolylidenes derived from substituted 1,10-phenanthrolines. A key step in the preparation of these ligands involves a reduction of the pyridyl rings in 1,10-phenanthrolines. Chirality can be introduced to phenanthrolines before, during, or after the reduction as illustrated by three approaches: 1) de novo construction of the phenanthroline from chiral ketones with endo and exo faces to provide a degree of diastereoselectivity during subsequent reduction; 2) introduction of substituents into the 2- and 2,9- position of phenanthroline by nucleophilic aromatic substitution, followed by a reduction-resolution sequence; and 3) use of the protected octahydrophenanthroline as a substrate for chiral induction a to nitrogen.

Iridium(I) complexes of phenanthroline-derived benzimidazolylidenes : synthetic, structural and catalytic studies

N-heterocyclic carbenes (NHCs) have undergone rapid development in recent years. Due to their strong a-electron donation and structural variability properties, NHCs are becoming a major class of ligands in organometallic chemistry. Compared with the other two types of NHCs (imidazolylidenes and imidazolinylidenes), benzimidazolylidenes have not been well represented. Limited synthetic approaches may impede the development ofbenzimidazolylidenes. This thesis is focused on the synthesis of phenanthroline-derived benzimidazolylidene ligands and their metal complexes. A series of benzimidazolylidene-iridium complexes were synthesized and characterized spectroscopically and crystallographic ally. All of the new complexes showed varying degrees of catalytic activity and enantioselectivity toward transfer hydrogenation and asymmetric hydrogenation. The best results were achieved in hydrogenation of methyl-2-acetamidoacrylate, which afforded (-)-(R)-methyl-2-acetamidopropanoate in 97% yield and 81 % ee.

Propriétés supramoléculaires des cations diimidazolium disubstitués : des complexes d’inclusion en solution aux interactions à l’état cristallin et cristal liquide

Les sels d’imidazolium ont un rôle important dans certaines protéines et acides nucléiques et ont été utilisés à de nombreuses reprises dans des assemblages supramoléculaires en raison de leurs propriétés uniques. Les sels de diimidazolium dérivés sont toutefois moins connus. Ils ont pour l’instant uniquement été utilisés comme des précurseurs de carbènes N-hétérocycliques. Ils sont donc à la base de plusieurs catalyseurs utilisés pour des réactions de couplage croisés mais leurs propriétés sont toutefois méconnues dans le cadre de la chimie supramoléculaire. Cette classe de composés a nottament attiré notre attention en raison de la facilité de modification de leurs propriétés physico-chimiques par modification de leur structure chimique. L’objectif général des travaux présentés dans cette thèse est l’étude des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium disubstitués en solution (aqueuse ou organique), ainsi qu’en phase solide ou cristal-liquide. L’influence de l’espaceur entre les deux noyaux imidazolium ainsi que l’influence des substituants latéraux et des contre-ions a été étudiée. Dans un premier temps, les propriétés de complexation des sels de diimidazolium à des macrocycles sont étudiées. Les sels bromure sont étudiés en solution aqueuse avec plusieurs cyclodextrines et le cucurbit[7]uril, et les sels hexafluorophosphate sont étudiés en solution organique pour leur complexation avec l’éther couronne DB24C8 et un calix[4]arène. Cette nouvelle classe de composés a montré de très bonnes propriétés de complexation à ces différents macrocycles en solution et a également permis de contrôler différents assemblages supramoléculaires à l’interface air-eau. Dans un deuxième temps, l’étude des sels de phénylènediimidazolium a permis de modifier les propriétés de complexation en solution pour obtenir la formation de complexes multiples avec le cucurbit[7]util en solution aqueuse. Cette même famille de composés a également permis la formation de cristaux liquides ioniques lorsque les substituants sont des chaînes alkyles plus longues. La résolution de plusieurs structures cristallines de différents sels de diimidazolium a finalement permis de comprendre la nature des interactions intermoléculaires à l’état cristallin. La recherche présentée dans cette thèse a donc permis une étude détaillée des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium dans tous les états de la matière qui leur sont accessibles.