Large cavity cyclodextrin-based macrocyclic ligands : synthesis, coordination and catalytic properties

par Rafael Gramage-Doria

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Dominique Matt et de Jean-Paul. Armspach.

Soutenue le 03-01-2012

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg) , en partenariat avec Institut de chimie (Strasbourg) (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Braunstein.

Le jury était composé de Peter W. Roesky.

Les rapporteurs étaient Carmen Claver, Eric Monflier.

  • Titre traduit

    Ligands macrocycliques à grande cavité dérivés de cyclodextrines : synthèse, propriétés complexantes et catalytiques


  • Résumé

    Les cyclodextrines (CDs) sont des oligosaccharides cycliques constituées de monomères D-(+)-glucopyranose liés entre eux par des liaisons glycosidiques α-(1→4). Les plus utilisées sont celles qui comportent six, sept ou huit unités glucose, et sont appelées α-CD, β-CD et γ-CD, respectivement. Grâce à leur structure "cage", les cyclodextrines sont capables de former des complexes d'inclusion avec diverses molécules, ouvrant ainsi la voie à des applications dans de nombreux domaines de la chimie. Un des développements les plus récents, à l’origine des travaux présentés dans cette thèse, concerne l'élaboration de molécules associant de manière covalente une cyclodextrine et un métal de transition,composés particulièrement adaptés à l'étude de réactions catalytiques confinées et/ou fonctionnant en mode supramoléculaire.La première partie de ce mémoire est une mise au point donnant un aperçu du rôle croissant joué en chimie des métaux de transition par des ligands hybrides associant des centres donneurs et une entité cavitale.Les chapitres suivants sont consacrés à la synthèse de deux ligands phosphorés originaux construits sur une plateforme β-CD, ainsi qu’à l’étude de leurs propriétés complexantes et catalytiques. Le premier, WIDEPHOS, est une β-CD méthylée qui intègre deux unités phenylphosphinidène "PPh" pontant chacune deux unités glucose adjacentes. Dans cette diphosphine qui est conçue comme un chélateur à très grand angle de chélation, les doublets libres des atomes de phosphore pointent vers l’intérieur de la plateforme CD. En présence d'entités MX2 "carré-plan" (M = Pd, Pt,Rh), WIDEPHOS forme des complexes chélate caractérisés par un angle P-M-P proche de 160º, autrement dit conduit à des complexes de stéréochimie trans "imparfaite". Cette dernière est à l’origine d'un mouvement de balancier du ligand autour du métal, l’oschélation, un mouvement qui permet à chacun des atomes de phosphore d’optimiser, à tour de rôle, la liaison qu’il forme avec le métal complexé. Une autre propriété remarquable de WIDEPHOS concerne sa propension à former des espèces dinucléaires dans lesquelles les deux centres métalliques sont confinés dans l’espace cavital. Les contraintes induites par la formation de tels complexes sont manifestes au niveau de l’angle d’inclinaison τ de l’un des atomes de phosphore ainsi que par l’apparition d’un mouvement d’ "oschélation" d’un fragment P,O constitutif de la CD.


  • Résumé

    Cyclodextrins (CDs) are cyclic oligosaccharides of various sizes containing several α-(1→4)-linked D-(+)- glucopyranose units. The commercially available ones comprise six, seven or eight glucose units, named respectively α-CD, β-CD and γ-CD. Their truncated cone-like and well-defined cavity are particularly attractive for the encapsulation of a variety of substrates. As such, they found numerous applications in many areas of chemistry. A recent development, from which the present work is inspired, consisted in covalently linking transition metals to CD cavities in order to perform and study catalytic reactions in a confined environment featuring steric repulsive or attractive noncovalent interactions with the substrate or/and the metal coordination sphere.The first part of this thesis focuses on reviewing transition metal-based cavitands, for which the first and second metal coordination spheres are controlled by their cavity-shaped ligand. The following chapters are concerned with the synthesis, coordination and catalytic properties of two new phosphane ligands built on a large β-CD scaffold. The first one, named WIDEPHOS, is a diphosphine having two phenylphosphinidene "PPh" units capping adjacent glucose units on a methylated β-CD. This ligand features two phosphorus lone pairs pointing to the cavity interior but not aligned. These geometrical features, combined with the large distance separating the two phosphorus atoms, promote the formation of "imperfect" trans-chelate complexes in which the metal centre swings about the ligand. This unprecedented molecular movement, christened "oschelation", allows each phosphorus atom to form an optimal bond in turn with the coordinated d8 and d10 transition metal ions. Further studies on WIDEPHOS proved that it is better suited for coordinating dinuclear fragments within the confinement of the large β-CD cavity. Severe steric constrains on the metal first sphere of coordination result in the formation of single μ-chlorido bridged dinuclear species. In this new type of square planar complexes, non-optimal orbital overlapping measured by the so-called tilt angle was also found to take place for one of the phosphorus atom together with an "oschelation" movement involving non identical donor atoms, namely a phosphorus and an oxygen atom. Static gold(I) dinuclear complexes displaying similar imperfect orbital overlapping for one of the phosphorus atom were also prepared.


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