Selective arene and polyarene hydrogenation catalysed by ruthenium nanoparticles

par Emma Breso

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Bruno Chaudret et de Sergio Castillon Miranda.

Soutenue le 21-01-2015

à Toulouse, INSA en cotutelle avec l'Universitat Ravira i Virgili (Tarragona, Espana) , dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de physique et chimie de nano objets (Toulouse) (laboratoire) et de Laboratoire de physique et chimie des nano-objets [LPCNO] (laboratoire) .

Le président du jury était Piet Van Leeuwen.

Le jury était composé de Bruno Chaudret, Sergio Castillon Miranda.

Les rapporteurs étaient Jairton Dupont, Roberto Sanchez-Delgado, Catherine Santini.

  • Titre traduit

    Hydrogénation sélective d’arenes et polyarènes catalysé pour nanoparticules de ruthénium


  • Résumé

    Les nanoparticules de métaux de transition ont suscité une attention considérable au cours des dernières années en raison de leur activité catalytique et sélectivité. Elles sont à la frontière entre la catalyse homogène et hétérogène et combinent les avantages des deux. Pour cette raison, les nanoparticules ont émergé en tant que catalyseurs pour différentes réactions telles que l'hydrogénation d'arènes. L'objectif final de cette thèse est la synthèse et la caractérisation de nanoparticules de ruthénium et l’exploration de leur performance catalytique en réactions d'hydrogénation d’arènes et polyarènes.Le Chapitre 1 contient une introduction générale à la synthèse, la caractérisation et l'application des nanoparticules en catalyse. Le Chapitre 2 définit les objectifs généraux de cette thèse.Le Chapitre 3 décrit la synthèse et la caractérisation de nanoparticules de ruthénium et de rhodium stabilisées par des ligands de type phosphine et leur application dans une étude comparative concernant la réduction d'une large gamme de phényles substitués, benzyle et de phénéthyle cétones. Dans le cas des cétones d'aryle, des nanoparticules de ruthénium ont démontré être plus sélectives pour l'hydrogénation du groupe aryle que celles de rhodium. Par contre, les nanoparticules de rhodium fournissent des produits d'hydrogénolyse. En ce qui concerne les arylcétones non conjuguées, les deux métaux sont très sélectifs envers l'hydrogénation du groupe aryle.Le Chapitre 4 décrit l'utilisation de nanoparticules de ruthénium stabilisées par la triphénylphosphine pour l'hydrogénation de substrats polycycliques aromatiques dans des conditions réactionnelles douces. Les systèmes contenant deux, trois ou plusieurs cycles aromatiques condensés sont réduites et montrent une haute sélectivité pour l’hydrogénation partielle. Le produit d'hydrogénation totale est uniquement obtenu pour les substrats moins encombrés, tels que le naphtalène et l'anthracène. L'influence d’un substituant (réductible ou non) sur l'hydrogénation du naphtalène est également étudiée.La recherche dans le Chapitre 5 explore la synthèse d'un nouveau ligand de type phosphine chirale, qui est obtenue avec un bon rendement et avec une pureté optique de 97%. Ensuite, cette phosphine et la cinchonidine commerciale (Figure 2) sont utilisées comme agents de stabilisation pour la synthèse de nanoparticules chirales.Ces nanoparticules ont été testées dans l'hydrogénation asymétrique de différents arènes disubstitués mais en terme d’énantiosélectivité, les résultats n’ont pas été bons. Une étude de deutération a été effectuée pour élucider la coordination des différents substrats à la surface de nanoparticules. Le Chapitre 6 présente les observations finales et les conclusions de cette thèse.


  • Résumé

    Transition metal nanoparticles have generated considerable attention in recent years as a result of their potential catalytic activity and selectivity. They are at the frontier between homogeneous and heterogeneous catalysis and combine the advantages of both. For this reason, nanoparticles emerged as promising catalyst for different reactions such as for the hydrogenation of arenes. The final goal of this thesis is the synthesis and characterization of ruthenium nanoparticles to explore their performance in arene and polyarene hydrogenation reactions. Chapter 1 contains a general introduction to the synthesis, characterization and application of nanoparticles in catalysis. Chapter 2 sets out the general objectives of this thesis. The research in Chapter 3 describes the synthesis and characterization of ruthenium and rhodium nanoparticles stabilized by phosphine donor ligands and their application in a comparative study in the reduction of a wide range of substituted phenyl, benzyl and phenethyl ketones. In the case of arylketones, ruthenium nanoparticles were found to be more selective than the rhodium ones towards the hydrogenation of the aryl group. Interestingly, only rhodium nanoparticles provided hydrogenolysis products. Concerning the non-conjugated aryl ketones, both metals were found to be really selective towards arene hydrogenation.The research in Chapter 4 describes the use of ruthenium nanoparticles stabilised by triphenylphosphine in the hydrogenation of polyaromatic substrates under mild reaction conditions. Systems containing 2, 3 or more fused benzene rings are reduced obtaining high selectivities towards the partial hydrogenation. The recovering of the total hydrogenated product is only achieved for the less hindered substrates like naphthalene and anthracene. Moreover, the influence on the hydrogenation of naphthalenes containing a substituent (reducible or not) is also studied. The research in Chapter 5 explores the synthesis of a new chiral phosphine ligand, which is obtained in good yield and with 97% optical purity. Then, this phosphine and commercial cinchonidine (Figure 1) are used as stabilizing agents for the synthesis of chiral nanoparticles. These nanoparticles are tested in the asymmetric hydrogenation of different substituted arenes but unsuccessful results in terms of enantioselectivity are obtained. Moreover, deuteration studies to elucidate the coordination of the different substrates to the nanoparticles surface are performed.Chapter 6 presents the final remarks and conclusions extracted from the results obtained in this thesis.


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Informations

  • Sous le titre : Selective arene and polyarene hydrogenation catalysed by ruthenium nanoparticles
  • Détails : 1 vol. (230 p.)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
  • Annexes : Notes bibliogr.
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