Desperately Seeking For The Catalytic Species In Suzuki-Miyaura Reaction

par Amine Bourouina

Thèse de doctorat en Procédés

Sous la direction de Claude de Bellefon et de Valérie Meille.

Soutenue le 28-11-2019

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Génie des Procédés Catalytiques (CPE) (laboratoire) .

Le président du jury était Rosaria Ferrigno.

Le jury était composé de Claude de Bellefon, Valérie Meille, Laurent Djakovitch, Emmanuelle Schulz, Jean-Noël Tourvieille.

Les rapporteurs étaient Olivier Riant, King Kuok Mimi Hii.

  • Titre traduit

    Désespérément à la recherche des espèces catalytiques dans la réaction Suzuki-Miyaura


  • Résumé

    L’état de l’art montre que l’utilisation de Pd supporté sans ligand est une idée séduisante car elle permet d’éviter les problèmes liés à la présence des ligands potentiellement coûteux et toxiques, et également de récupérer plus facilement le catalyseur en fin de réaction. Ainsi, il est plus aisé de respecter la réglementation fixant la teneur maximale de Pd dans les principes actifs pharmaceutiques (IPA) à une concentration inférieure à 10 ppm. Cependant, la présence des espèces (moléculaires ou nanoparticules) de Pd en solution lors de l’utilisation de catalyseurs solides a créé un débat important dans la bibliographie sur la vraie nature de la catalyse, hétérogène à la surface du Pd supporté ou homogène par l’intermédiaire d'espèces en solution. Dans ce travail la réaction de Suzuki-Miyaura (SM) a été choisie comme réaction cible. En absence d’étude cinétique globale dans la bibliographie une étude cinétique a été effectuée avec un catalyseur moléculaire afin d’obtenir une loi mécanistique qui représente la partie homogène de la réaction. Un test innovant a été proposé afin de bien distinguer entre les contributions homogène et hétérogène et de déterminer par la suite la nature des espèces qui catalysent la réaction. Ce test a été appliqué dans la réaction de différents iodo, bromo, et chloro aryles en utilisant plusieurs catalyseurs supportés tout en variant la nature du support et l’état d’oxydation du Pd (Pd(0) et Pd(II)) dans le précurseur initial. Enfin, un modèle de réacteur a permis de démontrer que pour le même iodoaryle, peu importe la nature du solide, le Pd supporté semble relarguer les mêmes espèces actives en solution qui catalysent la réaction SM avec des activités initiales de l’ordre de 500 000 h-1. Le « split flow reactor » est un nouveau test très simple à utiliser qui, accompagné de techniques d’analyses en ligne, peut permettre de suivre l’évolution des espèces catalytiques en temps réel, et d’étudier d’autres systèmes chimiques


  • Résumé

    The use of ligand-free supported Pd is an attractive idea because it avoids problems related to the presence of the ligands (cost and toxicity). Also the catalyst is easily recovered at the end of the reaction by conventional methods such as filtration or decantation. Thus, it is easier to meet regulations in Active Pharmaceutical Ingredients (<10 ppm). However, the presence of molecular or atomic Pd species in solution when using solid catalysts has created an important discussion on the true nature of catalysis. This last could be heterogeneous on the surface of the supported Pd or homogeneous via species in solution. In this work the Suzuki-Miyaura (SM) reaction was chosen as the target reaction. In the absence of an overall kinetic study in the literature, a kinetic study was carried out with a molecular catalyst. It provided a mechanistic law that represents the homogeneous part of the reaction. Furthermore, an innovative test (“split flow reactor”) has been proposed. It permits to distinguish between the homogeneous and heterogeneous contributions and to determine the nature of the species that catalyze the reaction. It was used in the reaction of different iodo, bromo, and chloro aryls. Several supported catalysts were used by varying the nature of the support and the oxidation state of Pd (Pd (0) and Pd (II)) in the initial precursor. Finally, a reactor model has shown that for the same iodoaryl, whatever the nature of the solid, the supported Pd seems to release the same active species in solution. These species catalyze the SM reaction with initial activities of the order of 500 000 h-1. The split flow reactor is a new, easy-to-use test. Accompanied with online analysis techniques, it can be used to track the evolution of catalytic species in real time and to study other chemical systems


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