Modélisation moléculaire pour l'étude des propriétés catalytiques de foldamères hélicoïdaux à base d'urée

Molecular design for catalytic activities of helical chiral oligoureas

• Auteur / Autrice : Yaidel Toledo Gonzalez
• Direction : Philippe Carbonniere, Jean-Marc Sotiropoulos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Président / Présidente : Céline Leonard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Carbonniere, Jean-Marc Sotiropoulos, Antonio Monari, Aurélien de la Lande, Antonia Mielgo, Gilles Guichard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonio Monari, Aurélien de la Lande

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusion (chimie physique)

Mots clés libres

Chimie computationnelle

Modélisation moléculaire

Organocatalyseur

Réactions asymétriques

Computational chemistry

Molecular modelling

Organocatalyst

Asymmetric reactions

Résumé

Les catalyseurs de type oligomères bioinspirés à base d'urée de formes hélicoïdales (foldamères d'urée) se sont avérés être des alternatives robustes aux catalyseurs asymétriques organométalliques. Ces catalyseurs organiques permettent des réactions qui conduisent à la formation de liaisons C-C avec une énantiosélectivité extrêment élevée et des charges aussi faibles que des rapports molaires catalyseur chiral/substrats de 1:10 000. Cependant, malgré les connaissances acquises sur la performance catalytique de ces foldamères d'urée, le mécanisme réactionnel à l'échelle atomistique dans lequel il intervient, ainsi que l'identification des paramètres structuraux qui font leur excellente énatiosélectivité ne sont pas encore bien compris. L'objet de cette thèse est de participer à élucider ces aspects par les outils de la modélisation moléculaire au niveau quantique. Cette étude se focalise sur l'étude d'une réaction type catalysée par ces foldamères : l'addition conjuguée d'un composé 1,3-dicarbonyl pronucléophile à des nitroalcènes. À cette fin, l'étude est réalisée en trois partie : i) Une analyse de reconnaissance moléculaire des composants du système à partir d'une procédure d'optimisation globale qui a révélé la modalité d'encrage la plus probable des deux réactifs sur le foldamère. ii) La modélisation du profil énergétique de ces structures qui a révélé l'excellente énantiosélectivité du catalyseur ainsi que la chiralité des molécules formées en excellent accord avec les données expérimentales. Ainsi et en retour, ces observations conduisent à valider le mécanisme d'encrage proposé préalablement. iii) L'identification des paramètres électroniques et structuraux à la base de l'énantiocontrôle et en conséquence des propositions d'amélioration des performances par “design moléculaire”. Les résultats présentés ici se veulent d'une part servir de base théorique à l'amélioration des propriétés catalytiques de ces foldamères et d'autre part sur un plan plus méthodologique à une modalité d'investigation théorique pour des processus catalytiques à portée éminemment sociétale puisque qu'elle renvoie à la proposition de solution pour l'environnement (par exemple la synthèse de polymères biosourcée) et l'énergie (par exemple le stockage chimique de l'hydrogène).

Bioinspired urea-based oligomers that fold with high fidelity (foldamers) have been shown to be robust alternatives to asymmetric organometallic catalysts. These organic catalysts facilitate reactions that lead to the formation of C-C bonds with extremely high enantioselectivity and loadings as low as 1:10000 chiral catalyst/substrates molar ratios. However, despite the insights gained on the catalytic performance of these urea foldamers, the atomistic scale reaction mechanism in which they are involved, as well as the identification of the structural parameters related to their excellent enatioselectivity are not yet well understood. The aim of this thesis is to participate in the elucidation of these aspects by the tools of molecular modeling at the quantum level. This study focuses on the study of a typical reaction catalyzed by these foldamers: the conjugate addition of a pronucleophilic 1,3-dicarbonyl compound to nitroalkenes. To this end, the study is carried out in three parts: i) A molecular recognition analysis of the components of the system based on a global optimization procedure which revealed the most probable anchoring modes of the two substrates on the catalyst; ii) The modeling of the energy profile of these structures which revealed the excellent enantioselectivity of the catalyst as well as the chirality of the molecules formed in excellent agreement with the experimental data. Thus, and in return, these observations lead to the validation of the previously proposed anchoring mechanism. iii) The identification of the electronic and structural parameters at the basis of the enantiocontrol and consequently proposals for improving the foldamers catalytic performance by "molecular design". The results presented here are intended, on the one hand, to serve as a theoretical basis for the improvement of the catalytic properties of these foldamers, and on the other hand, in a more methodological level, to a theoretical investigation modality for catalytic processes with eminently societal scope since it refers to the proposal of solutions for the environment (e.g. the synthesis of bio-based polymers) and energy (e.g. the chemical storage of hydrogen).