Synthèse hautement énantiosélective de molécules chirales sur des électrodes métalliques mésoporeuses modifiées

Highly enantioselective synthesis of chiral molecules at modified mesoporous metal electrodes

• Auteur / Autrice : Sopon Butcha
• Direction : Alexander Kuhn, Chularat Wattanakit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 05/08/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Vidyasirimedhi Institute of science and technology (Vistec)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Crespy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jonggol Tantirungrotechai
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Hapiot, Tawan Sooknoi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Chiralité

Synthèse asymétrique

Mots clés libres

Empreinte chirale

Métaux mésoporeux

Synthèse asymétrique

Discrimination énantiomérique

Chiral imprinting

Mesoporous metals

Asymmetric synthesis

Enantiomeric discrimination

Résumé

L'un des besoins humains fondamentaux est celui de médicaments efficaces. Pour les applications pharmaceutiques, les composés utilisés comme médicament sont très souvent des molécules chirales. Ils ont deux configurations image-miroir possibles (énantiomères), mais une seule d'entre elles montre généralement une activité biologique, tandis que l'autre est soit inactive, soit même toxique. Ainsi, le développement de méthodes pour obtenir sélectivement un énantiomère est d'une importance cruciale. Cela peut être réalisé soit par la séparation de mélanges racémiques, soit par une synthèse chirale sélective. Notre groupe a établi des électrodes métalliques mésoporeuses imprimées avec une information chirales et a démontré qu'elles peuvent être utilisées pour l'électrosynthèse énantiosélective. Ces matériaux permettent d'atteindre pendant l'électroréduction de composés achiraux un excès énantiomérique de plus de 90%. Cependant, le temps de réaction assez long et la durée de vie limitée des électrodes restreint pour le moment leur utilité pratique.Par conséquent, dans cette thèse, nous avons exploré différentes stratégies pour augmenter la performance de ces électrodes. Le premier chapitre présente une stratégie alternative pour fonctionnaliser la surface externe d'électrodes de platine mésoporeuses chirales avec des ligands organosoufrés. Cette modification vise à diminuer le degré de réactions indésirables. Les résultats ont révélé que l'enrobage d'une électrode de Pt avec un ligand thiol pouvait considérablement augmenter l'excès énantiomérique de la molécule désirée au-delà de 90%, tout en diminuant le temps de réaction.Ensuite, une nouvelle stratégie d’impression chirales dans des alliages métalliques mésoporeux a été étudiée. Un métal promoteur, l'iridium, a été associé au Pt pour générer un alliage platine-iridium. La formation de l'alliage a été confirmée par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), révélant une composition élémentaire 90:10 at% de Pt et Ir.Le matériau conçu a été par la suite appliqué à la fois comme catalyseur hétérogène et comme électrocatalyseur pour la synthèse asymétrique via l'hydrogénation et l'électroréduction respectivement. Dans le cas de l'électrosynthèse, une énantiosélectivité de presque 100% a pu être atteinte, combiné avec une stabilité électrochimique exceptionnelle. L'alliage nanostructuré a aussi été utilisé comme catalyseur hétérogène pour l'hydrogénation asymétrique de cétones aromatiques simples. Dans ce cas, les films de Pt-Ir chiraux ont été déposés sur une mousse de nickel à haute surface, afin d'améliorer l'accessibilité des sites imprimés par les précurseurs moléculaires. Dans des conditions expérimentales optimisés, un degré très élevé d'énantiosélectivité allant jusqu'à 85% a été obtenu, même après plusieurs cycles catalytiques successifs.Enfin, la l'alliage a été testée comme matériau d'électrode pour la discrimination énantiomérique par électrochimiluminescence (ECL). La phénylalanine (PA), qui se présente sous forme de L-PA et de D-PA, a été étudiée comme un acide aminé modèle qui peut servir simultanément d'analyte cible et de coréactif, avec le luminophore [Ru(bpy)3]2+, pour générer des signaux ECL vingt fois plus élevés pour le bon énantiomère par rapport à son antipode.En résumé, cette thèse souligne que la conception de ces surfaces d'électrodes chirales ouvre des perspectives fascinantes dans le cadre global des technologies chirales, allant de la catalyse asymétrique utilisant des voies électrochimiques et chimiques à une discrimination énantiomérique efficace basée à la fois des méthodes électrochimiques traditionnelles et des stratégies d’analyse opto-électrochimiques.

One of the basic human needs is access to efficient drugs. For pharmaceutical applications, compounds used as drugs are very often chiral molecules. They have two possible mirror-image configurations (enantiomers), but only one of them usually shows biological activity, while the other is either inactive or even toxic. Thus, the development of methods to selectively obtain one enantiomer is of crucial importance. This can be achieved either by the separation of racemic mixtures or by chiral selective synthesis. Our group has established mesoporous metal electrodes imprinted with chiral information and has demonstrated that they can be used for enantioselective electrosynthesis. During the electroreduction of achiral compounds, these materials allow reaching an enantiomeric excess of more than 90%. However, the long reaction time and the limited lifetime of the electrodes restrict their practical use for the moment.Therefore, in this thesis, we explored different strategies to increase the performance of these electrodes. The first chapter presents an alternative strategy to functionalize the external surface of chiral mesoporous platinum electrodes with organosulfur ligands. This modification is intended to decrease the degree of undesirable reactions. The results revealed that coating a Pt electrode with a thiol ligand could significantly increase the enantiomeric excess of the desired molecule beyond 90% while decreasing the reaction time.Next, a new strategy for chiral printing in mesoporous metal alloys was investigated. A promoter metal, iridium, was combined with Pt to generate a platinum-iridium alloy. The formation of the alloy was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), revealing a 90:10 at% elemental composition of Pt and Ir.The designed material was subsequently applied both as a heterogeneous catalyst and as an electrocatalyst for asymmetric synthesis via hydrogenation and electroreduction, respectively. In the case of electrosynthesis, the enantioselectivity of almost 100% could be achieved, combined with exceptional electrochemical stability. The nanostructured alloy was also used as a heterogeneous catalyst for the asymmetric hydrogenation of simple aromatic ketones. In this case, the chiral Pt-Ir films were deposited on a high surface area of nickel foam to improve the accessibility of the imprinted sites by the molecular precursors. Under optimized experimental conditions, a very high degree of enantioselectivity, up to 85%, was obtained, even after several successive catalytic cycles.Finally, the alloy was tested as an electrode material for enantiomeric discrimination by electrochemiluminescence (ECL). Phenylalanine (PA), which exists as L-PA and D-PA, was studied as a model amino acid that can simultaneously serve as a target analyte and co-reactant, along with the luminophore [Ru(bpy)3]2+, to generate twenty-fold higher ECL signals for the correct enantiomer compared to its antipode.In summary, this thesis highlights that the design of these chiral electrode surfaces opens up fascinating perspectives in the overall framework of chiral technologies, ranging from asymmetric catalysis using electrochemical and chemical pathways to efficient enantiomeric discrimination based on both traditional electrochemical methods and opto-electrochemical analysis strategies.