Conception et réactivité de complexes mono- et polymétalliques d'éléments f en bas degré d'oxydation

par Clément Camp

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Marinella Mazzanti.

Soutenue le 20-09-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie Inorganique et Biologique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Fabrice Thomas.

Le jury était composé de Didier Bourissou, Olivier Maury.

Les rapporteurs étaient F. geoffrey Cloke, Polly Arnold.


  • Résumé

    Au-delà de son importance dans l’industrie nucléaire, la chimie d’oxydoréduction de l’uraniumretient de plus en plus l’attention des chercheurs. En effet, la capacité toute particulière descomplexes d’uranium à bas degré d’oxydation à promouvoir des réductions originales par desvoies inhabituelles suscite actuellement un grand intérêt, tout particulièrement leur aptitude àactiver dans des conditions douces des petites molécules telles CO, CO2, N2, ou encore descomposés aromatiques et des azotures. Les composés d’uranium, de part leurs propriétés decoordination tout à fait uniques pourraient offrir une alternative aux métaux de transitionclassiques pour la conception de catalyseurs. Cependant, comparativement aux métaux du bloc d,les processus polyélectroniques sont rares dans la chimie de l’uranium à bas degré d’oxidation quiest dominée par les transferts monoélectroniques. C’est pourquoi le développement de nouveauxcomplexes d’uranium capables de réaliser des réductions poly-électroniques est particulièrementintéressant. Le premier objectif de ce travail était d’associer à l’uranium des ligands non-innocentsservant de réservoir d’électrons. Ainsi nous avons utilisé des bases de Schiff p-conjuguées pourexplorer la chimie de cet élément à bas degree d’oxydation. Cela nous a permis d’isoler descomplexes riches en électrons dans lesquels des électrons sont stockés sur le ligand via laformation de liaisons C-C. Ces mêmes liaisons sont rompues en présence d’agent oxydant, et lesélectrons sont libérés pour réaliser des transformations polyélectroniques. Ce procédé a étéobservé pour plusieurs bases de Schiff, permettant de moduler les propriétés des composés. Dansune seconde approche, nous nous sommes intéressés à la synthèse et à l’étude de la réactivité denouveaux complexes d’uranium trivalent supportés par des ligands silanolates. De nouveauxcomposés dinucléaires d’uranium à basse valence ont été obtenus. Ces composés très réactifsdécomposent spontanément en clivant des groupements tertiobutyls des ligands, conduisant à laformation de complexes d’uranium(IV). En parallèle, un complexe monoanionique mononucléaired’U(III) a été isolé, nous permettant de comparer la réactivité de l’uranium trivalent dans différentsenvironnements stériques et électroniques. Ces études de réactivité ont permis de stabiliser unexemple rare de dimère d’uranium ponté par un groupement CS22- et ont mis en évidence lacapacité de l’uranium trivalent à promouvoir la dismutation de CO2 en carbonate et CO. La réactionde ces composés d’uranium trivalent vis-à-vis d’azotures organiques et inorganiques a produit denouveaux nitrures et nitrènes d’uranium originaux. Enfin, la capacité de ces agents réducteurspuissants à transférer des électrons au toluène a permis d’isoler une famille de complexessandwiches inversés où deux cations uranium sont liés de part et d’autre d’un cycle aromatique.

  • Titre traduit

    Design and reactivity of mono- and polymetallic complexes of low valent f-elements


  • Résumé

    Beyond its importance in nuclear industry the redox chemistry uranium is attracting increasinginterest because complexes of low-valent uranium can promote unusual reductive chemistrythrough unusual reaction pathways, including attractive examples of CO, CO2, N2, arenes andazides activation in mild condition. Due to the unique coordination and bonding properties ofuranium, its compounds could provide an attractive alternative to transition metals for thecatalytic transformation of small molecules. However, metal-based multi-electron processesremain uncommon in uranium chemistry especially in comparison with the d-block metals, thechemistry of low-valent uranium being dominated by single-electron transfers. In this context, thefirst aim of this project was to investigate the association of low-valent uranium to a non-innocentligand acting as an independent electron reservoir at a same molecule. Accordingly, weinterrogated the use of highly p-delocalized Schiff bases ligands for supporting low-valent uraniumchemistry. This led to the isolation of electron-rich complexes which are stabilized by storingelectrons on the ligands through the formation of C-C bonds. Interestingly, these C-C bonds can becleaved by oxidizing agents and the electrons released to participate in multi-electron redoxreactions. This process was observed within different Schiff-base ligand scaffolds, allowing atuning of the properties of the compounds. The second part of this work was dedicated to thesynthesis of novel trivalent uranium complexes supported by siloxy ligands and the study of theirredox reactivity and coordination properties. Novel dinuclear highly-reactive low-valent uraniumassemblies were developed. The study of their limited stability revealed that these compounds arespontaneously decomposing through the cleavage of tBu groups from the supporting ligandsresulting in the formation of U(IV) species. In parallel, a mononuclear trivalent uranium atecomplex was obtained, allowing to compare the reactivity of U(III) in different steric and electronicenvironements. Hence we became interested in studying the redox reactivity of these compoundswith different substrates including CO2, CS2, azides and arenes. These investigations led to thestabilization of a rare CS22- sandwich complex of uranium, and highlited the ability of U(III) topromote reductive disproportionation of CO2 to carbonate and CO. The reaction of these trivalenturanium siloxide species with organic and inorganic azides produced original uranium imidos andnitridos compounds with original topologies. Finally the capacity of these strongly reducing agentsto transfer electrons to the toluene fragment lead to the isolation of a family of arenes invertedsandwich complexes.


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