Complexes sulfonamido-phosphine du nickel pour l'oligomérisation sélective des oléfines, exploration de ligands dissymétriques et de stratégies supramoléculaires

Sulphonamido-phosphorus nickel complexes for the selective oligomerisation of olefins - Exploring dissymmetric ligands and supramolecular strategies

• Auteur / Autrice : Pierre Boulens
• Direction : Hélène Olivier, Joost Reek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure en cotutelle avec Universiteit van Amsterdam
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine) - Laboratoire de chimie. Lyon (2003-….)
• Jury : Président / Présidente : Sander Woutersen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Olivier, Joost Reek, Sander Woutersen, Bas De Bruin, Frédéric William Patureau, Pierre-Alain Breuil, Elsje Alessandra Quadrelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bas De Bruin, Frédéric William Patureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liaison hydrogène

Chimie organométallique

Catalyse

Éthylène

Mots clés libres

Oligomérisation

Éthylène

LAO

Oléfines

Nickel

Catalyse

Chimie organométallique

Complexes

Ligands phosphorés

Supramoléculaire

Bidentes

Liaison hydrogène

Oligomerisation

Ethylene

LAO

Olefins

Nickel

Catalysis

Organometallic chemistry

Complexes

Phosphorus ligands

Supramolecular

Bidentate

Hydrogen bonding

Résumé

Les alpha oléfines linéaires courtes sont des molécules de base en pétrochimie donc le marché est en constante augmentation notamment pour les oléfines légères (butène-1, hexène-1, octène-1). Ces oléfines, utilisées massivement dans l’industrie des plastiques, sont produites par la réaction catalytique d’oligomerisation de l’éthylène. IFPEN a contribué à développer plusieurs procédés homogènes d’oligomérisation de l’éthylène (AlphaButol, AlphaHexol, AlphaSelect) à base des complexes de titane, chrome ou zirconium. A travers une collaboration avec l’Université d’Amsterdam de nouvelles stratégies de développement de ligands ont été entreprises afin de rendre les catalyseurs à base de nickel sélectifs pour cette transformation. Ainsi, une approche supramoléculaire basée sur des interactions par liaison hydrogène, jusqu’alors décrite pour les métaux nobles, a été développée et appliquée aux complexes de nickel. Des complexes organométalliques originaux ont pu être générés et les interactions supramoléculaires ont été caractérisées par diffraction aux rayons X notamment. Ces complexes se présentent sous forme zwitterionique et sont formés par la combinaison de deux ligands simples donneurs et/ou accepteurs d’hydrogène. Ces complexes se sont avérés très actifs vis-à-vis de l’éthylène et ne nécessite pas l’ajout d’activateur du fait de la présence d’une liaison nickel-carbone réactive. Ils ont permis d’accéder à des sélectivités très importantes en butène-1. Appuyé par des expériences in situ et l’évaluation en catalyse de plusieurs complexes aux propriétés électroniques et stériques variées, cette approche a permis d’identifier l’espèce active et de mesurer l’impact de plusieurs descripteurs permettant de moduler la sélectivité et l’activité de la réaction catalytique en profondeur.

The demand for short linear alpha olefins is constantly increasing and motivates the development of robust and selective catalysts. In this thesis, several libraries of phosphorus ligands with the capacity to form dissymmetric or supramolecular assemblies were synthesized. The variability observed within the aminophosphine libraries, clearly reflected by the various tautomeric equilibrium of the ligand, was also observed in the nickel complexes as a single ligand could generate several complexes with different structures. Sulphonyliminobisphosphine were then introduced as a new class of ligands. These precursors rearrange in the presence of nickel to generate diphosphinamine nickel complexes. Activated by MAO, these complexes are active in the reaction of ethylene oligomerisation and produce short chain olefins. A new approach that forms stable supramolecular nickel complexes was developed by combining two phosphorus ligands with Ni(0). These complexes stabilised by hydrogen bonding are directly active in the reaction of ethylene oligomerisation with some catalysts leading to high selectivity to 1-butene (up to 84%). To understand the origin of that selectivity, the scope of complexes was extended to ligands with different steric and electronic properties. Their evaluation in the reaction of ethylene oligomerisation evidenced a relation between the catalyst structure and the selectivity of the reaction. Mechanistic studies, under an ethylene atmosphere, reveals that cationic complexes rearrange to neutral complexes, which are likely, the active species.