Synthèse de ligands macrocycliques comportant des fragments aromatiques et leur application pour la détection des cations métalliques

par Alexey Uglov

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Irina Petrovna Beletskaya et de Alla Lemeune.

Soutenue le 07-12-2011

à Dijon en cotutelle avec l'Université Lomonossov (Moscou) , dans le cadre de École doctorale Carnot (Dijon) , en partenariat avec Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne (Dijon) (laboratoire) .

Le jury était composé de Yu Nekrasov, Yoann Rousselin, Valerii Traven'.

Les rapporteurs étaient Alexander Dilman, Olga Federova.


  • Résumé

    La catalyse homogène à l’aide des complexes des métaux de transition est l’un des domaines les plus dynamiques de la chimie organique moderne. Durant ces dernières années la majorité des nouvelles réactions en chimie organique est issue de ce domaine de recherche. Par exemple la carbonylation, la réaction de Heck, le couplage C—C sont déjà devenues des méthodes classiques en synthèse. L’un des objectifs actuels de la catalyse homogène est la recherche de nouvelles voies de formation de liaisons carbone-hétèroélément en présence de complexes de métaux de transition. Ces réactions ouvrent une nouvelle voie pour la synthèse de différentes familles de composés organiques. Certaines de ces réactions ont largement été étudiées et ont trouvé des applications pratiques dans les laboratoires académiques et dans l’industrie. Nous pouvons citer par exemple l’hydrogénation et l’hydrosilylation catalytique. D’autres, tell la formation des liaisons C(sp2)—O, C(sp2)—N, C(sp2)—Se et C(sp2)—S, sont moins développées et nécessitent encore beaucoup de mises au point avant de pouvoir être utilisées de façon routinière. L’accroissement des besoins en outils permettant de fonctionnaliser facilement, régio- et stéréosélectivement les substrats actuellement à notre disposition, explique la progression constante des recherches dans ce domaine. Les objectifs de ce travail étaient l’étude de la synthèse de ligands polyazotés par la réaction de formation de liaison C(sp2)—N en présence des complexes du palladium. L’intérêt porté depuis de nombreuses années aux polyazamacrocycles saturés a pour origine principalement leur grande affinité vis-à-vis des cations métalliques qui se manifeste par une stabilité thermodynamique et cinétique remarquable de leurs complexes. Les polyazamacrocycles peuvent complexer les atomes métalliques en milieu aqueux et être utilisés in vivo. En général, la stabilité des complexes formés par les récepteurs macrocycliques est supérieure à celle des complexes formés par les ligands non cycliques apparentés en raison de l’effet macrocyclique. De plus, la fonctionnalisation du macrocycle par des groupes coordinants disposés à la périphérie du cycle conduit à des récepteurs plus sophistiqués. Il en découle que les polyazamacrocycles peuvent être adaptés aux métaux ayant un nombre de coordination élevé sans perdre l’avantage de la préorganisation du ligand. Ainsi, l’affinité du ligand vis-à-vis d’un ion métallique peut être contrôlée en faisant varier le nombre et la nature des bras fonctionnels liés au macrocycle. La chimie organique moderne permet de réaliser la synthèse des polyazamacrocycles N-fonctionnalisés selon des schémas simples, efficaces et transposables à grande échelle. Cependant la synthèse de dérivés contenant le fragment diaminoaryl- ou diaminohétèroaryl- incorporé dans l’entité macrocyclique reste délicate. Par ailleurs la présence de tels fragments dans un macrocycle peut influer sur les propriétés coordinantes du ligand et sa solubilité. De plus ces macrocycles présentent un intérêt majeur pour le développement de détecteurs optiques car la plupart des groupes qui sont capables de visualiser la coordination d’une molécule cible sont de nature aromatique ou hétèroaromatique...

  • Titre traduit

    Synthese of macrocyclic ligands bearing aromatic fragments and their use for the detection of metal cations


  • Résumé

    The PhD thesis deals with the synthesis of polyazaligands using Pd-catalyzed amination of aryl halides. The manuscript consists of two parts. In the first part the scope of the Pd-catalyzed amination reaction for the synthesis of polyazamacrocyclic ligands is studied. The Pd-catalyzed amination of 2,7-dibromonaphthalene, 3,3’-dibromobiphenyl and 6,6’-dibromo-2,2’-bipyridyl with linear polyamines and oxadiamines is thoroughly investigated, and corresponding nitrogen- and oxygen-containing macrocycles is synthesized in yields up to 45%. The dependence of the formation of macrocycles and cyclic oligomers on the nature of the starting compounds is established. Two alternative approaches to cyclic dimers are elaborated: a) via N,N’-bis(haloaryl) substituted polyamines and b) via bis(polyamine) substituted arenes. These approaches are shown to give different results for different arenes and polyamines, and the choice of the appropriate method allowed to obtain cyclic dimers in yields up to 44%. The conditions for N,N,N',N'-tetraarylation of oxadiamines using 2,7-dibromonaphthalene are worked out, and resulting tetrakis(bromonaphthyl) derivatives are employed in the synthesis of macrobicycles containing four naphthyl and three oxadiamine fragments. The majority of such macrobicycles are obtained as two isomers. To avoid the formation of these isomers an alternative route to macrobicycles is proposed. The macrocycles on the basis of 2,7-diaminonaphthalene and 3,3’-diaminobiphenyl are functionalized by two bromobenzyl substituents to give corresponding derivatives in quantitative yields. These compounds are reacted with linear di- and polyamines as well as with diazacrown ethers under catalytic conditions. As a result, a series of macrobicycles and macrotricycles are obtained, the highest yields being 30-35%. The efficiency of the reactions strongly depends on the nature of the arene moiety and the structure of employed polyamines. Bipyridyl-containing macrocycles are studied in binding Zn2+, Pb2+, Cu2+, Co2+, Ni2+, Ag+, Hg2+ cations using spectrophotometry, fluorescent and NMR spectroscopy. The structure of the complex with Zn2+ is elucidated by X-ray analysis. In the second part, the Pd-catalyzed amination reaction is used to develop selective chemosensors for heavy metal ions. Anthraquinone derivatives are chosen to elaborate colorimetric chemosensors using the Pd-catalyzed amination of corresponding halides. This method allows covalent binding of the signaling unit and a wide series of receptors what provides a quick and efficient screening of a great number of ligands. Using this approach, a highly selective colorimetric chemosensor for qualitative and quantitative analysis of Cu2+ ions at physiological pH in water is developed. This chemosensor allows naked-eye detection of copper ions at 0.4 ppm concentration in the presence of 13 other metal cations, and the use of spectrophotometer lowers the detection limit to 20 ppb. Another selective chemosensor is elaborated for naked-eye detection of lead ions in aqueous medium at 1.3 ppm and higher concentration. Coordination of copper, lead and cadmium cations with the most selective ligands is studied in details using spectrophotometry, potentiometry and NMR spectroscopy. Stability constants of the complexes are established and the nature of the color changes is discussed. The key role of the deprotonation of the aromatic amino group during the copper ion coordination is demonstrated. The color change caused by the lead ion coordination is explained by the coordination of the metal ion to the aromatic amino group.


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