Nouveaux complexes cationiques du groupe 4 comme potentielles paires frustrées de Lewis organométalliques : synthèse, réactivité, catalyse

New cationic group 4 metallocenes as potential organometallic frustrated Lewis pairs : synthesis, reactivity and catalysis

• Auteur / Autrice : Quentin Bonnin
• Direction : Pierre Le Gendre, Adrien Normand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 05/12/2017
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne [Dijon] / ICMUB
• Jury : Président / Présidente : Nadine Pirio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gerhard Erker
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Audrey Auffrant, Didier Bourissou, Gabor Laurenczy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lewis, Bases de

Catalyse

Métallocènes

Mots clés libres

Groupe 4

Métallocènes

Amine

Paires frustrées de Lewis

Catalyse

Activation CH

Group 4

Metallocenes

Amine

Frustrated Lewis pair

Catalysis

CH activation

Résumé

Le concept de “paires frustrées de Lewis” (plus communément désignés par l’acronyme anglais FLPs) a suscité un vif intérêt depuis sa formulation en 2006. Initialement décrit à partir d’une phosphine encombrée comme base de Lewis et d’un borane comme acide de Lewis pour l’activation coopérative d’hydrogène sans métal, ce concept a été ensuite très largement développé en utilisant divers éléments du groupe principal (N/B, P/Al, N/Al …). Le concept a ensuite été étendu aux métaux de transitions pour pallier cette faiblesse: sont ainsi apparues les premières paires frustrées de Lewis organométalliques (OmFLPs). Dans le but de développer de telles OmFLPs, nous nous sommes intéressés à la synthèse de complexes cationiques titanocèniques et zirconocèniques en présence d’une amine. La première partie de cette thèse présente les travaux précédemment décrits sur les ligands azotés, en vue de synthétiser des complexes du groupe 4 N-fonctionnalisés. Une description plus détaillée du concept de FLP est ensuite réalisée, et un parallèle est fait avec des concepts connexes (coopérativité métal-ligand, systèmes ambiphiles). La seconde partie de ce manuscrit développe la synthèse de nouveaux ligands (aminomethyl)cyclopentadiènylure de potassium ainsi qu’une étude de leur coordination aux métaux du groupe 4. Cette étude a permis d’accéder à toute une série de nouveaux complexes dichlorotitanocènes et zirconocènes porteurs d’une fonction amine tertiaire encombrée (diisopropylaminyl et 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine) à proximité du centre métallique. Ces travaux ont montré que l’amine ne se coordine pas audit centre métallique. Les métallocènes ainsi formés ont ensuite été transformés en cation afin de renforcer le caractère acidité de Lewis du centre métallique. Ces espèces ont montré une réactivité inattendue donnant lieu à des réarrangements par activation CH au voisinage de l’atome d’azote. Ces réarrangements ainsi que des études mécanistiques font l’objet du troisième chapitre. La quatrième partie de ce mémoire porte sur la synthèse de complexes phosphido- et amidotitanocènes cationiques. Ces complexes montrent une très bonne activité en catalyse d’hydrogénation de petites molécules dans des conditions relativement douces, vraisemblablement pour des raisons d’effets coopératifs entre le métal et le ligand. Dans une dernière partie, la synthèse de complexes titanocéniques cationiques portant une fonction iminophosphorane est développée, suivie d’une étude de réactivité de ces complexes en tant que paires frustrées de Lewis organométalliques.

In 2006, the concept of “frustrated Lewis pairs” (called FLPs) was introduced. The main characteristic of these compounds is their ability to activate cooperatively small molecules without the use of a metal (H2, CO2, alkene alkyne…). Initially based on P/B combination, the concept has been extended to several other main group elements (N/B, P/Al, N/Al …). Recently, FLPs have been extended to the transition metal realm. These organometallic FLPs (OmFLPs) are obviously non-metal free systems but they extend significantly the scope of FLP applications. Seeking to develop such systems, a research toward new omFLP combinations (N/Ti+, N/Zr+) has been initiated in our group, based on the synthesis of N-based titanocene and zirconocene complexes. The first part of this manuscript deals with a survey of the literature of such compounds, and a more detailed presentation of FLPs and related concepts (metal-ligand cooperativity, ambiphilic ligands) are also developed. In a second chapter, the synthesis of new N-based cyclopentadienyl ligands and their coordination to group 4 metals is presented. The formation of a cationic complex is then developed in a third part on selected titanocenes. In these complexes, the amine function undergoes CH activation by the cationic metal centre, leading to unexpected rearrangements. Investigations on their plausible mechanism are also presented. In a fourth part, the synthesis of new cationic phosphido- and amidotitanocenes, discovered in the course of our study on OmFLPs, is developed. The cationic amidotitanocenes are shown to be catalytically active towards hydrogenation of small molecules. Lastly, the potential of cationic titanocenyl iminophosphoranes as OmFLPs, was developed.