UNIVERSITE LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG

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UNIVERSITE LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE LOUIS PASTEUR Présentée par Vincent César LIGANDS CARBENES N-HETEROCYCLIQUES CHIRAUX PAR ASSEMBLAGE MODULAIRE D'UNITES OXAZOLINES ET IMIDAZOL-2-YLIDENES : SYNTHESE ET APPLICATION EN CATALYSE HOMOGENE Soutenue le 13 septembre 2004 devant la commission d'examen : Prof. E. P. Kündig Université de Genève, Suisse Prof. W. Leitner RWTH Aachen, Allemagne Prof. P. Pale Université Louis Pasteur, Strasbourg Prof. L. H. Gade Université Louis Pasteur, Strasbourg Dr. S. Bellemin-Laponnaz Université Louis Pasteur, Strasbourg Laboratoire de Chimie Organométallique et de Catalyse (UMR 7513)

  • équipe de rmn

  • chimie de coordination du ligand

  • application en hydrosilylation asymétrique des cétones

  • synthèse des sels d'imidazolium précurseurs des ligands carbène- oxazoline

  • équipe pédagogique de l'agrégation de chimie


Publié le : mercredi 1 septembre 2004
Lecture(s) : 39
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 205
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UNIVERSITE LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG




THESE


pour obtenir le grade de


DOCTEUR DE L'UNIVERSITE LOUIS PASTEUR



Présentée par


Vincent César




LIGANDS CARBENES N-HETEROCYCLIQUES CHIRAUX
PAR ASSEMBLAGE MODULAIRE
D'UNITES OXAZOLINES ET IMIDAZOL-2-YLIDENES :
SYNTHESE ET APPLICATION EN CATALYSE HOMOGENE






Soutenue le 13 septembre 2004 devant la commission d'examen :



Prof. E. P. Kündig Université de Genève, Suisse
Prof. W. Leitner RWTH Aachen, Allemagne P. Pale Université Louis Pasteur, Strasbourg L. H. Gade Université Louis Pasteur, Strasbourg
Dr. S. Bellemin-Laponnaz Univ



Laboratoire de Chimie Organométallique et de Catalyse (UMR 7513) Remerciements

Je tiens à remercier Mr le professeur Lutz H. Gade, directeur du Laboratoire de Chimie Organométallique
et de Catalyse de l'Université Louis Pasteur de Strasbourg, pour la confiance qu'il m'a accordée tout au long de ce
travail de thèse. Son enthousiasme, son expérience et sa disponibilité ont été d'une aide considérable.

Je remercie Messieurs les professeurs Peter Kündig, Walter Leitner et Patrick Pale de m'avoir fait
l'honneur de juger ce travail.

Je remercie Stéphane Bellemin-Laponnaz qui a été indispensable à la réalisation de cette thèse. Depuis
notre arrivée commune au laboratoire il y a quatre ans, il m'a constamment encouragé et soutenu pour ainsi
accompagner mes premiers pas en recherche. Je n'oublierai pas toutes ces années passées ensemble.

Pendant ma thèse, j'ai eu l'opportunité d'enseigner à l'Université Louis Pasteur. Je tiens à remercier toutes
les personnes que j'ai côtoyées au cours des enseignements et de leurs préparations, notamment Jean Marc Kern qui
m'a accueilli dans l'équipe pédagogique de l'agrégation de chimie et m'a soutenu avec sa gentillesse habituelle.

Je tiens à remercier André (Dédé) De Cian et Nathalie Gruber-Kyritsakas pour la résolution des structures
radiocristallographiques. Merci également à toute l'équipe de RMN pour sa disponibilité et sa bonne humeur.

Je remercie tous les membres du laboratoire, anciens et présents, pour l'ambiance joyeuse et conviviale
régnant au sein du laboratoire. Une mention toute particulière à Aline, pour son entrain quotidien, à Yann, qui
m'a supporté pendant ces trois années de thèse, à Carole pour tout, et dans le désordre à : Bjöern, Nathanaëlle,
Hélène, Clémence, Nadia, Adeline, Ben, Macarena, Matthieu, Mathieu, Isabelle et tous les autres que j'ai oubliés
de citer ici. Je souhaite également remercier les Extra-Gade et en particulier les "Sauvageons" et surtout Damien
pour tous les moments de détente passés ensemble.

Je ne saurais oublier la contribution "Nancéenne" : Matthieu, Nicolas et les autres auprès desquels il était
bon de se ressourcer.

Enfin, cette thèse n'aurait peut être pas vu le jour sans le soutien inconditionnel de mes parents et de ma
famille. Par ces quelques mots, je tiens à les remercier chaleureusement.




TABLE DES MATIERES


CHAPITRE 1 Introduction 3
CHAPITRE 2 Synthèse des sels d'imidazolium précurseurs des ligands carbène- 47
oxazoline cibles
CHAPITRE 3 Chimie de coordination du ligand (Mes-CarbOx-Me ).Réactions 592
catalytiques de type Heck et Suzuki
CHAPITRE 4 Complexes chiraux de rhodium(I) : synthèse, caractérisation et 97
application en hydrosilylation asymétrique des cétones
CHAPITRE 5 Ligand tridentate de type bisoxazoline-carbène (BoxCarb) 139
CONCLUSION GENERALE 151
CHAPITRE 6 Partie expérimentale 155
PUBLICATIONS 197

1
2
-Chapitre 1-
I. INTRODUCTION..................................................................................................................5

II. GENERALITES SUR LES CARBENES N-HETEROCYCLIQUES ..............................6

1. Définition.................................................................................................................................6
2. Les NHC en chimie de coordination........................................................................................7
Historique.....................................................................................................................................7
Liaison métal-NHC ......................................................................................................................8
Complexes NHC en catalyse homogène ......................................................................................9

III. NHC EN CATALYSE ASYMETRIQUE ..........................................................................10

1. Introduction............................................................................................................................10
2. Bras substituant les azotes contenant une chiralité centrale ..................................................11
3. Ligands NHC à chiralité portée sur l'hétérocycle ..................................................................15
4. NHC chiraux dont le squelette comporte une chiralité axiale................................................23
5. NHC à chiralité planaire.........................................................................................................28
6. NHC chiraux à squelette basé sur la trans-cyclohexanediamine............................................35
7. Carbènes chiraux incorporant des unités oxazolines .............................................................37
Le cycle oxazoline .....................................................................................................................38
Le cycle oxazoline en catalyse asymétrique ..............................................................................38
Carbènes chiraux incorporant des unités oxazolines .................................................................39
8. Conclusion.............................................................................................................................44

IV. PRESENTATION DES SYSTEMES ETUDIES ..............................................................45

3
4
Chapitre 1 :Introduction

I. INTRODUCTION
L'industrie pharmaceutique a montré au cours de ces dernières années un très fort intérêt
pour la production et la commercialisation de médicaments énantiopurs à la place de mélanges
1racémiques. En effet, les deux énantiomères d'une molécule chirale possèdent, de manière
2générale, des activités biologiques différentes, l'exemple le plus flagrant étant celui où un
énantiomère se révèle toxique pour l'organisme alors que l'autre possède une activité bénéfique
3comme dans le cas tragique du Thalidomide dans les années 1960. C'est pour ces raisons que 40%
des médicaments mis sur le marché en 2000 possédaient une molécule énantiopure comme principe
4actif.
Parmi les nombreuses méthodes développées pour préparer un composé énantiopur, la
catalyse asymétrique constitue la méthode la plus intéressante puisqu'elle ne fait intervenir qu'une
quantité sub-stoechiométrique d'auxiliaire chiral. Elle est constituée de deux parties que sont la
biocatalyse qui utilise directement la capacité des enzymes à distinguer deux sites énantiotopiques
d'une molécule et la catalyse asymétrique purement chimique qui fait intervenir le plus souvent un
complexe à ligand chiral.
L'attribution du prix Nobel de chimie en 2001 conjointement à W. S. Knowles, R. Noyori et
5K. B. Sharpless, pour leurs travaux pionniers et leurs contributions au développement de la
catalyse asymétrique d'hydrogénation et d'oxydation, démontre d'ailleurs l'importance de celle-ci en
synthèse organique et pharmaceutique. La recherche de nouveaux catalyseurs toujours plus
efficaces continuera d'être l'un des principaux axes de recherche tant du point de vue académique
qu'industriel.
Le ligand chiral lié au métal tient un rôle prépondérant dans le contrôle de la stéréochimie au
cours de la réaction catalytique. La majeure partie des recherches s'est concentrée sur les ligands
phosphorés et a déjà conduit à l'élaboration de systèmes extrêmement efficaces pour de nombreuses
6,7réactions. Cependant, ces ligands requièrent une synthèse généralement assez élaborée et sont

1 H. U. Blaser, B. Pugin, F. Spindler, Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Compound (Ed.: B. Cornils,
W. A. Herrmann), Wiley-VCH, Weinheim, 2002, chap. 3.
2 E. J. Ariens, J. Med. Res. Rev. 1986, 6, 451.
3 M. T. Miller, K. Strömland, Teratology 1999, 60, 306.
4 S. C. Stinson, Chem. Eng. News 2001, October 1, 79.
5 (a) W. A. Knowles, Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1998 ; (b) R. Noyori, Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2008 ; (c)
K. S. Sharpless, Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2024.
6 I. Ojima (Ed.), Catalytic Asymmetric Synthesis, Wiley-VCH, New York, 2000.
5
souvent sensibles à l'air. Ainsi, la recherche s'est axée sur l'élaboration de nouveaux ligands ne
contenant pas de phosphines, parmi lesquels la famille des ligands azotés tient une place
8prépondérante.
La famille des carbènes N-hétérocycliques (couramment abrégés par NHC en anglais) s'est
développée très rapidement depuis la première synthèse d'un carbène N-hétérocyclique libre par
9Arduengo et al. en 1991. Ces molécules sont de bons ligands et peuvent constituer une alternative
intéressante aux ligands phosphinés. La description de ces composés sera l'objet de la partie
suivante.

II. GENERALITES SUR LES CARBENES N-HETEROCYCLIQUES
Il ne s'agit pas ici de faire un bilan complet de la chimie de ces composés car il existe de très
10bonnes revues couvrant ce sujet. Nous expliquerons brièvement ce que sont ces composés, puis
leur chimie de coordination et enfin l'application de leurs complexes avec les métaux de transition
en catalyse homogène.
1. Définition
Les carbènes N-hétérocycliques sont des composés neutres cycliques comportant un carbone
divalent à six électrons de valence et entouré de deux atomes d'azote. Ils peuvent être classés en
quatre grandes familles qui sont représentées schéma 1.2.1.
R RR R R33 4 3 4
N
N N NN N N NNR R R R2R 2 R 2 R 2 R11 1 1
imidazolylidène imidazolinylidène benzimidazolylidène triazolylidène
BA C D

Schéma 1.2.1 : les quatre grandes familles des ligands carbènes N-hétérocycliques.


7 Revues sélectionnées : (a) W. Tang, X. Zhang, Chem. Rev. 2003, 103, 3029 ; (b) P. W. N. M. van Leeuwen, P. C. J.
Kamer, J. N. H. Reek, P. Dierkes, Chem. Rev. 2000, 100, 2741.
8 Articles de revues : (a) A. Togni, L. M. Venanzi, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1994, 33, 497 ; (b) F. Fache, E. Schulz,
M. Lorraine-Tommasino, M. Lemaire Chem. Rev., 2000, 100, 2159.
9 A. J. Arduengo, III, R. L. Harlow, M. Kline, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 361.
10 Articles de revue : (a) W. A. Herrmann, Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1290 ; (b) D. Bourissou, O. Guerret, F.
Gabbaï, G. Bertrand, Chem. Rev. 2000, 100, 39 ; (c) W. A. Herrmann, C. Köcher, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997,
36, 2162.
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