Ligands imidazo[1,5-a]pyridin-3-ylidènes fonctionnalisés : synthèse, chimie de coordination et applications en catalyse à l'or(I)

Functionalized imidazo[1,5-a]pyridin-3-ylidene ligands : synthesis, coordination chemistry and implementation in Au(I) catalysis

• Auteur / Autrice : Idir Benaissa
• Direction : Vincent César, Stéphanie Bastin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organométallique de coordination
• Date : Soutenance le 26/11/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyse à l'or

Catalyse homogène

Carbènes N-hétérocycliques

Mots clés libres

Carbènes

Synthèse

Catalyse homogène

Hétérocycles

Or

Ligands

Carbenes

Synthesis

Homogeneous catalysis

Heterocycles

Gold

Ligands

Résumé

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la chimie des carbènes N-hétérocycliques (NHCs) et a pour objectif principal le développement de nouveaux ligands NHCs basés sur la plateforme imidazo[1,5-a]pyridin-3-ylidène (IPy) dont la position 5 est fonctionnalisée par un hétérocycle barbiturique anionique ou neutre, et potentiellement chiral. L'intérêt majeur de cette structure bicyclique rigide réside dans la géométrie "en L" des ligands générés, qui est particulièrement bien adaptée à la catalyse à l'or(I). Dans un premier temps, notre attention s'est portée sur une version achirale de cette famille. Après avoir décrit la voie de synthèse vers les précurseurs zwitterioniques, les complexes anioniques et neutres d'or(I) supportés respectivement par un NHC anionique et par des ligands NHCs neutres obtenus par C- et O-fonctionnalisation de la partie malonate de l'hétérocycle barbiturique ont été synthétisés et caractérisés. L'étude comparée de ces complexes en tant que pré-catalyseurs dans des réactions d'hydroélémentation des alcynes et de réactions domino, impliquant une cycloisomérisation des énynes-1,6 suivie d'une addition nucléophile, a montré que le complexe à ligand O-méthylé est le meilleur de la série, ainsi que supérieur aux NHCs classiques tant en termes d'activité que de sélectivité (TON et TOF). L'efficacité remarquable de ces complexes d'Au(I) a été rationalisé par la stabilisation électronique et stérique de l'espèce active d'or(I) cationique par le ligand NHC. Dans un deuxième temps, le processus d'oxydation des complexes d'Au(I) en Au(III) en utilisant un oxydant externe a été étudié en détails, et a montré que le ligand anionique se réarrangeait pour passer de monodente dans les complexes d'Au(I) à bidente de type LX dans les complexes d'Au(III), par déformation de l'hétérocycle barbiturique et réhybridation du carbone malonique central. Ce comportement s'est révélé général dès que la géométrie de coordination du centre métallique laisse un site de coordination en cis du centre carbénique. Les complexes de Pd(II), Rh(I), Ir(I) et Mn(I) ont ainsi été synthétisés et caractérisés. L'analyse structurale des complexes montre que le degré d'hybridation du carbone malonique est fonction de l'électrophilie du métal, avec un caractère sp3 plus marqué lorsque le centre métallique est plus pauvre en électrons. Une bibliothèque de trois ligands chiraux a été synthétisée à partir de la (S)-(-)-1-phényléthylamine comme source de l'information chirale à travers une stratégie de synthèse convergente et analogue à celle des dérivés achiraux. Les complexes d'Au(I) correspondant ont été synthétisés et utilisés comme des pré-catalyseurs dans des réactions domino d'énynes-1,6 et permettent d'accéder à de bons rendements et des excès énantiomériques allant jusqu'à 70%. En parallèle, la réactivité de la plateforme 5-bromoimidazo[1,5 a]pyridinium avec les esters maloniques et les esters de 2-arylacétates a été développée. Cette étude a mis le point sur l'utilisation des NHCs libre comme des intermédiaires réactionnels dans la synthèse des composés mésoioniques hétérotricycliques fusionnés.

This PhD work concerns the chemistry of N-heterocyclic carbenes (NHCs) and its main objective consists in the development of new NHC ligands based on the imidazo[1,5-a]pyridin-3-ylidene (IPy) platform whose position 5 is functionalized by an anionic or neutral, and potentially chiral barbituric heterocycle. The major advantage of this rigid bicyclic structure lies in the "L-shaped" geometry of the generated ligands, which is particularly well adapted to gold (I) catalysis. In a first time, the chemistry of an achiral version of this family is reported. After describing the synthetic pathway to the zwitterionic precursors, the anionic and neutral gold(I) complexes supported respectively by an anionic NHC and neutral NHC ligands obtained by C- and O-functionalization of the malonate part of the barbiturate heterocycle were synthesized and characterized. The comparative study of these complexes as pre-catalysts in alkyne hydroelementation and domino reaction reactions, involving cycloisomerization of 1,6-enyne followed by nucleophilic addition, showed that the O-methylated ligand complex is the best in the series, as well as superior to conventional NHCs in both activity and selectivity (TON and TOF). The remarkable efficacy of these Au(I) complexes has been rationalized by the electronic and steric stabilization of the active species of cationic gold(I) by the NHC ligand. In a second step, the oxidation process of Au(I) to Au(III) complexes using an external oxidant was studied in detail, and showed that the anionic ligand rearranged from monodentate in Au(I) complex to LX-type bidentate ligand in Au(III) complexes, resulting from a deformation of the barbituric heterocycle and rehybridization of the central malonic carbon atom. This behavior is general as soon as the coordination geometry of the metal center leaves a cis coordination site next to the carbenic center. The complexes of Pd(II), Rh(I), Ir(I) and Mn(I) are thus synthesized and characterized. Structural analysis of the complexes shows that the degree of malonic carbon hybridization is a function of the electrophilicity of the metal, with a more pronounced sp3 character when the electron-density on the metal is lower. A library of three chiral ligands has been synthesized from (S)-(-)-1-phenylethylamine as the source of chiral information through a convergent synthesis strategy similar to that of achiral derivatives. The corresponding Au(I) complexes have been synthesized and used as pre-catalysts in 1,6-enyne domino reactions and provide access to good yields and enantiomeric excesses of up to 70%. In parallel, the reactivity of the 5-bromoimidazo[1,5-a]pyridinium platform with malonate esters and 2-arylacetate esters has been developed. This study proves the intermediacy of free NHCs as reaction intermediates in the synthesis of fused heterotricyclic mesoionic compounds.