Approche théorique de la réactivité des isonitriles en chimie organique

par Nicolas Chéron

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Paul Fleurat-Lessard.

Soutenue le 18-11-2011

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie (UMR 5182) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Sautet.

Le jury était composé de Paul Fleurat-Lessard, Philippe Sautet, Xavier Assfeld, Olivier Parisel, Laurence Grimaud, Géraldine Masson.

Les rapporteurs étaient Xavier Assfeld, Olivier Parisel.


  • Résumé

    Les isonitriles sont des espèces connues depuis longtemps, mais étudiées depuis peu. Une approche théorique a permis de s'intéresser en détails aux réactions de Nef et de Ugi. Nous nous sommes tout d'abord focalisés sur la première. Après en avoir élucidé le mécanisme, nous avons étudié l'effet du solvant et nous avons proposé de nouvelles conditions expérimentales. Nous avons ensuite étudié l'influence des groupements de l'acyl, de l'isonitrile et du groupe partant. L'ensemble des variations considérées a pu être rationalisé en reliant l'énergie d'activation au pKa du groupe partant. En parallèle, nous avons étudié la réaction de Ugi. Le mécanisme proposé par Ugi pour cette réaction complexe n'avait toujours pas été vérifié 50 ans après sa découverte. Une étude quasi-exhaustive des différents mécanismes possibles a été menée, en utilisant une approche originale mêlant théorie et expériences. Le mécanisme de cette réaction a ainsi été démontré, tant dans le méthanol que dans le toluène. Les étapes cinétiquement déterminantes et les forces motrices ont été mises en lumière et diffèrent de celles proposées par Ugi. Une variation de la réaction de Ugi est le couplage Ugi-Smiles pour lequel de nombreux résultats expérimentaux n'ont toujours pas trouvé d'explications. Nous nous sommes donc intéressés au réarrangement de Smiles. Nous avons montré l'importance d'une liaison hydrogène intramoléculaire sur la faisabilité de la réaction, et nous avons étendu cette observation aux réactions intermoléculaires. Nous avons également étudié l'influence des substituants des quatre réactifs sur les barrières afin de construire un modèle prédictif.

  • Titre traduit

    Theoretical aspects of the reactivity of isocyanides in organic chemistry


  • Résumé

    Isocyanides are known for a long time, but have been studied only recently. A theoretical approach allowed us to investigate in details the Nef and the Ugi reactions. We first focused on the former. After elucidating its mechanism, we studied solvent effects and proposed new experimental conditions. We then studied the acyl moiety and isocyanide influences, such as the leaving group one. All the variations were rationalized by linking the activation energy to the leaving group pKa. Simultaneously, we studied the Ugi reaction. The mechanism proposed by Ugi for this complex reaction was still unverified 50 years after its discovery. A thorough and quasi-complete study of all the possible mechanisms were lead, using a mixed theoretical and experimental approach. The mechanism of this reaction was demonstrated, in both methanol and toluene. Rate determining steps and driving forces were highlighted and differ from those proposed by Ugi. A variation of the Ugi reaction is the Ugi-Smiles coupling, for which numerous experimental results are still unexplained. We thus studied the Smiles rearrangement. We showed the key-role of an intramolecular hydrogen bond on the reaction feasibility, and extended this observation to intermolecular reactions. We also studied the four substituent influence on the barrier, aiming to build a predictive model.


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