Cobalt-catalyzed bond activation : C-H functionalization, hydrosilylation and coupling reactions

par Brendan Fallon

Thèse de doctorat en Chimie Organique

Sous la direction de Marc Petit et de Alejandro Perez Luna.

Soutenue le 04-11-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Chimie moléculaire de Paris-Centre , en partenariat avec Institut Parisien de Chimie Moléculaire (laboratoire) .

Le jury était composé de Jean-Luc Renaud, Jean-Baptiste Sortais, Joanna Wencel-Delord, Giovanni Poli.

  • Titre traduit

    Activation de liaisons catalysée par le cobalt : fonctionnalisation de liaisons C-H, hydrosilylation et réactions de couplage


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous nous concentrerons principalement sur l’utilisation de complexes basse-valence de cobalt bien définis de la famille des RCo(PMe3)4 pour l’activation de divers types de liaisons (C–H, Si–H, C–X). Notre but était de développer un système compétitif par rapport au système bimétallique de Yoshikai, mais aussi par rapport aux systèmes onéreux à base de rhodium. Nous avons démontré avec succès que les complexes isolés Co(PMe3)4 et HCo(PMe3)4 étaient des catalyseurs efficaces pour l’hydroarylation de différents alcynes et alcènes via une activation de liaisons C–H. De plus, nous avons fait une étude mécanistique en couplant des marquages au deutérium et des études de chimie théorique. Nous avons déterminé que la fonctionnalisation de liaisons C–H se faisait selon un mécanisme concerté appelé ‘’Ligand-to-Ligand Hydrogen Transfer’’ (LLHT). A partir de ces études, nous avons pu aussi développer une hydrosilylation hautement régio- et stéréosélective d’alcynes permettant d’utiliser un grand nombre de silanes différents. Nous avons pu au cours de cette étude isoler un nouveau complexe de cobalt(III) bis-hydrure jouant un rôle important dans le mécanisme. Enfin, nous décrivons aussi que ces mêmes complexes de cobalt RCo(PMe3)4 sont capables de catalyser l’homocouplage de bromure et chlorure de benzyle en présence de dimethylzinc. Une étude mécanistique préliminaire suggère que la réaction procède par deux transferts mono-électroniques et que le diméthylzinc permet de régénérer le catalyseur.


  • Résumé

    This thesis has focused on the use of well-defined low-valent cobalt complexes of the family RCo(PMe3)4 for a variety of bond activation (C–H, Si–H, C–X). We aimed to develop a catalytic system that could compete with the previously reported bimetallic systems of Yoshikai and expensive rhodium catalysis. To this end, we successful demonstrated that Co(PMe3)4 and HCo(PMe3)4 are efficient catalysts for the hydroarylation of a broad variety of alkynes and alkenes. In addition, we carried out extensive mechanistic investigations using deuterium labelling experiments and theoretical studies namely DFT. The main finding of these studies was that the C–H bond activation proceeded via a ligand-to-ligand hydrogen transfer mechanism. Following on from this study we then showed that it was possible to carry out the regio- and stereoselective hydrosilylation of internal alkynes with a broad variety of hydrosilanes. During this study we successfully isolated an interesting cobalt(III) intermediate which we believe plays a crucial role in the reaction mechanism. Finally, we report on the ability of these catalysts to efficiently catalyze the homocoupling of benzyl halides in the presence of dimethylzinc. Initial mechanistic investigations suggest that the reaction takes via two single electron transfers and that dimethylzinc act to regenerate the catalyst.


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