activation électrophile des alcynes vis-à-vis de l'attaque de nucléophiles carbonés catalysée par les acides de Bronsted. éco-conception et analyse du cycle de vie d'une nouvelle voie catalytique.

par Julien Gicquiaud

Thèse de doctorat en Chimie Organique

Sous la direction de Patrick Toullec et de Guido Sonnemann.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Sciences Chimiques , en partenariat avec Institut des Sciences Moléculaires (laboratoire) .


  • Résumé

    Ce manuscrit présente une étude de réactions de cycloisomérisation, respectant les principes de la chimie verte, reposant sur l'activation électrophile d'alcynes en présence d'acides de Brønsted achiraux et chiraux via la formation intermédiaire d'un cation vinylique et l'attaque de ces derniers par des nucléophiles carbonés. L'emploi d'une quantité catalytique d'acide de Brønsted avec des substrats de types 2-éthynylbiaryles a permis d'accéder à des dérivés de type phénanthrène avec des rendements bons à excellents dans des conditions douces. Une très grande activité ainsi que des différences de chimio- et de régiosélectivité ont été observées par rapport aux catalyseurs de la famille des acides de Lewis carbophiles. L'emploi d'un groupement directeur substituant la fonction alcyne, le groupement 2-naphtolyle, a permis d'augmenter la basicité de l'alcyne, de fixer le site de protonation et de créer des liaisons hydrogène avec le catalyseur, ce qui ouvre la voie au développement d'une version asymétrique de ces réactions de cycloisomérisation. En présence d'acides de Brønsted chiraux, notamment les N-triflylphosphoramides, la synthèse énantiosélective de phénanthrènes atropoisoméres a été réalisée avec d'excellents rendements et de bons excès énantiomériques. Une version intermoléculaire d'hydroarylation d'alcynes en présence des mêmes catalyseurs a conduit à la synthèse d'alcènes atropoisomériques avec d'excellents rendements et énantiosélectivités. L'utilisation d'un groupement directeur sur l'alcyne a aussi permis, pour la première fois, le développement de réactions de cycloisomérisations d'énynes catalysées par les acides de Brønsted impliquant la protonation initiale sélective de la fonction alcyne. Plusieurs familles de dérivés polycycliques ont ainsi été obtenues avec de bons rendements et des énantiosélectivités modérées. Les réactions de cycloisomérisation en présence de catalyseurs sont connues des chimistes pour être citées comme des réactions modèles respectant plusieurs principes de la chimie verte tel que l'économie d'atome, la limitation des déchets et le principe de catalyse. Cependant, aucune preuve quantitative n'est avancée par les chimistes pour comparer la durabilité des voies de synthèse développées au sein de leurs laboratoires respectifs. Plusieurs paramètres monocritères ainsi que des méthodes dites multicritères ont été développés pour répondre à cette problématique de quantification environnementale. L'analyse du cycle de vie (ACV) est la méthode standardisée de référence permettant de quantifier des impacts environnementaux (ex. changement climatique, toxicité, utilisation de ressources) d'un produit sur son cycle de vie. L'ACV a déjà été appliquée aux développements de la chimie verte pour comparer la durabilité de réactions chimiques, ou à des fins d'éco-conception. Cependant, il n'est pas trivial d'utiliser l'ACV à l'échelle du laboratoire car elle nécessite (i) des données difficiles d'accès pour le chimiste (ii) des étapes de modélisation supplémentaires pour estimer les impacts potentiels à l'échelle industrielle (iii) nécessite l'expertise d'un praticien en ACV. Dans ce contexte, nous proposons une procédure et un outil associé pour quantifier les impacts environnementaux d'une réaction chimique à l'échelle industrielle à partir de données facilement accessibles au laboratoire (masses des composés chimiques, conditions de la réaction, rendement). La procédure est basée sur des modèles issus de la littérature ACV, pour la génération d'inventaire du cycle de vie à l'échelle industrielle (par exemple pour le traitement des déchets) et l'évaluation des impacts du cycle de vie. Elle permet de fournir plusieurs types de résultats : analyse de contribution pour l'éco-conception de réactions, analyse de sensibilité pour étudier l'influence de paramètres clés (quantité de solvant utilisé, taux de recyclage, etc.), et comparaison de différentes réactions générant le même produit. Une étude de cas basée sur des données de la littérature a permis de vérifier l'applicabilité de l'outil et de comparer différents procédés catalytiques pour la synthèse d'un même aldol. Cette procédure a permis d'évaluer les impacts environnementaux de la production de phénanthrène à partir des voies de synthèse développées dans cette thèse, à des fins d'éco-conception. Enfin, cette voie a été comparée à des alternatives trouvées dans la littérature, afin de démontrer quantitativement sa durabilité environnementale. Cette étude montre que l'ACV peut informer les chimistes sur la durabilité de leurs systèmes avec des valeurs quantitatives.

  • Titre traduit

    electrophilic activation of alkynes catalyzed by Bronsted acid and reactivity in the presence of carbon nucleophiles. eco-design and life cycle assessment of a new catalytic pathway.


  • Résumé

    This manuscript presents a study of cycloisomerization reactions, in accordance with the principles of green chemistry, based on the electrophilic activation of alkynes in the presence of achiral and chiral Brønsted acids via the formation of vinyl cation intermediates and the attack of the latter by carbon nucleophiles. The use of a catalytic amount of Brønsted acid with 2-alkynylbiaryl substrates delivered phenanthrene derivatives in good to excellent yields under mild reaction conditions. High catalytic activities, along with differences of chemo- and regioselectivity were observed when comparing to carbophilic metallic Lewis acid catalysts. The use of a directing group substituting the alkyne function, the 2-naphtholyle moiety, resulted in increased basicity of the alkyne, increased regioselectivity of the protonation step and the creation of hydrogen bonding with the catalyst, paving the way for the development of an asymmetric version of cycloisomerization reactions. In the presence of chiral Brønsted acids, such as N-triflylphosphoramides, the enantioselective synthesis of atropisomeric phenanthrenes was achieved with excellent yields and good enantiomeric excesses. An intermolecular reaction of hydroarylation of alkynes in the presence of the same catalysts delivered atropisomeric alkenes in excellent yields and enantioselectivities. The use of a directing group on the alkyne also allowed for the first time the development of Brønsted acid-catalyzed enyne cycloisomerization reactions involving the initial, selective protonation of the alkyne function. A variety of polycyclic scaffolds were obtained by this methodology with high yields and moderate enantioselectivities. The cycloisomerization catalytic reaction is known to chemists as a model reaction respecting several principles of green chemistry such as atomic economy, waste limitation and the principle of catalysis. However, no quantitative evidence is provided by chemists to promote the sustainability of the methodologies developed in their laboratories. Several monocriteria parameters and multi-criteria methods have been developed to try to address this environmental quantification issue. However, the interest in developing new catalytic systems should be associated with the development of more environmentally efficient processes in addition to knowing if it is more chemically efficient. Life cycle assessment (LCA) is the standardized reference method for quantifying the environmental impacts (e. g. climate change, toxicity, resource use) of a product over its life cycle. LCA has already been applied to green chemistry developments to compare the durability of chemical reactions, or for eco-design applications. However, it is not trivial to use LCA at the laboratory scale because it requires (i) data that are difficult for the chemist to access (ii) additional modeling steps to estimate potential impacts at the industrial scale (iii) requires the expertise of a LCA practitioner. In this context, we propose a procedure and associated tool to quantify the environmental impacts of an industrial-scale chemical reaction based on data readily available to the laboratory (masses of chemical compounds, reaction conditions, yield). The procedure is based on models from the LCA literature, for the generation of life-cycle inventory on an industrial scale (e. g. for waste treatment) and the assessment of life-cycle impacts. It provides several types of results: contribution analysis for the eco-design of reactions, sensitivity analysis to study the influence of key parameters (quantity of solvent used, recycling rate, etc.), and comparison of different reactions generating the same product. A case study based on data from the literature was used to verify the applicability of the tool and to compare different catalytic processes for the synthesis of the same aldol. This procedure made it possible to evaluate the environmental impacts of phenanthrene production from the synthesis pathways developed in this thesis, for eco-design applications. Finally, this pathway was compared to alternatives found in the literature to quantitatively demonstrate its environmental sustainability. This study shows that LCA can inform chemists about the durability of their systems with quantitative values.