Synthèse et réactivité chimiques et électrochimiques de dérivés d'imidazoliums : vers des procédés éco-responsables

par Guillaume De Robillard

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Jacques Andrieu et de Charles Devillers.

Soutenue le 24-09-2015

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....) , en partenariat avec Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne (ICMUB) (Dijon) (laboratoire) .

Le président du jury était Franck Denat.

Le jury était composé de Laurent Dupont, Christophe Bucher, Laurent Douce.

mots clés

• Azolium
• Imidazolium
• Électrosynthèse
• Bio sourcé
• Liquides ioniques
• Estérification
• Carbène masqué
• Antimicrobien
• Pyrène
• Développement durable
• Azoliums
• Imidazolium -- Composés
• Électrochimie
• Liquides ioniques
• Estérification
• Développement durable

Résumé

Ce mémoire est consacré à l’utilisation de l’électrochimie comme outil de synthèse alternatif pour la formation de nouvelles molécules de la famille des azoliums. Une nouvelle méthode de synthèse électrochimique a été mise au point pour la synthèse de carboxylates d’imidazoliums (carbènes masqués) conduisant à une grande variété de molécules. Cette méthode a été comparée aux synthèses chimiques déjà existantes. Dans un contexte actuel de développement durable, des produits bio sourcés ont été synthétisés et à partir de ces derniers l’optimisation du procédé a été réalisée afin de réduire les flux entrants et sortants de matière et d’énergie.Le rôle clé de l’ion hydrogénoxalate a été démontré dans la synthèse de liquides ioniques et/ou sels d’imidazoliums. Certains ont été par la suite employés comme catalyseurs recyclables pour l’estérification de Fischer.La réduction électrochimique directe de différents azoliums a aussi été étudiée. Le couplage des radicaux neutres ainsi électrogénérés conduit aux σ-dimères correspondant. Ce produit redonnant par oxydation l’azolium de départ, la renversabilité de la réaction a été prouvée ouvrant la voie à de nouveaux interrupteurs moléculaires.Une électrosynthèse d’azoliums à fragment aromatique a également été étudiée. Ainsi, l’oxydation électrochimique du pyrène en présence de différents nucléophiles azotés génère les sels d’azoliums pyrène. Ce procédé a été optimisé en termes de réduction de déchets et de simplification de mise en œuvre. Certaines molécules obtenues ont montré des propriétés antimicrobiennes.

mots clés

• Azolium
• Imidazolium
• Electrosynthesis
• Bio based
• Ionic liquids
• Esterification
• Masked carbene
• Antimicrobial
• Pyrene
• Sustainable development

Titre traduit

Chemical and electrochemical synthesis and reactivity of imidazoliums derivatives : toward eco-responsible processes

Résumé

This work deals with the use of electrochemistry as a tool for alternative synthesis of new azolium-based molecules.A new electrosynthesis method was developed for the synthesis of imidazolium carboxylates (masked carbenes) leading to a wide library of compounds. This approach was compared to already reported chemical syntheses. In the current context of sustainable development, bio based products have been synthesized and optimization of the process was achieved in order to reduce waste and energy consumption.The key role of the hydrogenoxalate anion was demonstrated in the synthesis of ionic liquids and/or imidazolium salts. Some of them were employed as recyclable catalysts for Fischer esterification.The direct electrochemical reduction of various azoliums was also studied. The coupling of two electrogenerated neutral radicals leads to the corresponding σ-dimers. The oxidation of this species gives back the starting azolium proving the “reversibility” of the reaction, paving the way for new molecular switches.Azolium containing pyrene moiety was also electrosynthesized. Thus, electrochemical oxidation of pyrene in presence of different nitrogen nucleophiles leads to azolium pyrenes. This process was optimized in order to reduce waste and simplify the experimental setup. Some products have shown antimicrobial activities.