Catalyseurs moléculaires et matériaux à base de graphène pour le développement de processus multicatalytiques "one pot" bio-inspirés et durables - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2022

Molecular catalysts and graphene-based materials for the development of sustainable bio-inspired multicatalytic 'one pot' processes

Catalyseurs moléculaires et matériaux à base de graphène pour le développement de processus multicatalytiques "one pot" bio-inspirés et durables

Ikram Yagoub
  • Function : Author
  • PersonId : 1163429
  • IdRef : 264181115

Abstract

N-alkylation of amines with alcohols is a method of choice for accessing compounds of pharmaceutical interest in a more sustainable way. This field of catalysis is now largely dominated by the use of molecular complexes in homogeneous phase. The proposed mechanism is based on hydrogen auto-transfer (HAT). Among the two main families of iron-based catalysts that have been developed, we have chosen to focus more particularly on iron(cyclopentadienone) type catalysts. These catalysts have several advantages: air stability and easy synthesis in few steps, as well as the possibility of modulating catalytic activity via ligand modification. Iron(cyclopentadienone) complexes have been shown to be effective catalysts but several challenges remain. The main problem in terms of substrates concerns the use of primary alcohols bearing electron-withdrawing groups but also secondary alcohols. In addition, they often require the use of high temperatures and/or unwanted additives. Reactions are most often carried out at solvent reflux or in closed vials for reaction times of up to days for some. This highlights the presence of a high-energy barrier within at least one stage of the catalytic cycle, severely limiting the application of these molecular catalysts to develop new reactivities. In addition, these molecular catalysts operate under homogeneous conditions making their recycling difficult and reducing the atom economy of the process as a whole. The development of efficient catalysts that can be recycled and can operate in milder conditions remains a challenge.As a first step, an in-depth mechanistic study on the functioning of known molecular complexes of iron (cyclopentadienone)carbonyl is conducted. It has led to a better understanding of the chemical activation step of the catalyst by shedding light on the formation of new iron species.In a second step, this same strategy was applied in the development of a new multi-catalytic process with the aim of synthesizing fluorinated pharmaceutical compounds. The results suggest that neither the mode of activation – i.e. chemical and/or thermal – nor the type of complex [LFe(CO)3] or [LFe(CO)2(NCPh)], has any influence on yields.Finally, the grafting of these catalysts on a graphene surface was studied. Two types of grafting were considered: covalent grafting and supramolecular grafting. Our choice finally fell on supramolecular grafting. For this purpose, a synthetic pathway to access functionalized complexes with a perylene-type anchor has been developed. This strategy was established with the aim of developing a heterogeneous and therefore recyclable version of the catalyst.
La N-alkylation d’amines avec des alcools constitue une méthode de choix pour accéder à des composés d’intérêt pharmaceutique de manière plus durable. Ce domaine de catalyse est désormais largement dominé par l’emploi de complexes moléculaires en phase homogène. Le mécanisme proposé se base sur l’auto-transfert de dihydrogène (HAT). Parmi les deux grandes familles de catalyseurs à base de fer qui ont été développées, nous avons choisi de nous intéresser plus particulièrement aux catalyseurs de type fer(cyclopentadiénone). Ces catalyseurs présentent plusieurs avantages : stabilité à l’air et synthèse aisée en peu d’étapes ainsi que la possibilité de moduler l’activité catalytique via la modification des ligands. Ces catalyseurs se sont montrés efficaces mais plusieurs défis restent à relever. Le principal problème en terme de substrats concerne l’utilisation d’alcools primaires portant des groupements électroattracteurs mais aussi les alcools secondaires. Par ailleurs, ils nécessitent souvent l’usage de températures élevées et/ou d’additifs non désirés. Les réactions sont le plus souvent effectuées à reflux du solvant ou dans des vials clos pour des temps de réaction pouvant atteindre des jours pour certaines. Ceci met en évidence la présence d’une barrière énergétique élevée au sein d’au moins une étape du cycle catalytique, limitant fortement l’application de ces catalyseurs moléculaires pour développer de nouvelles réactivités. De plus, ces catalyseurs moléculaires opèrent en conditions homogènes rendant leur recyclage difficile et diminuant l’économie d’atomes du procédé dans son ensemble. Le développement de catalyseurs efficaces pouvant être recyclés et pouvant opérer en conditions plus douces reste un défi à relever.Dans un premier temps, une étude mécanistique approfondie sur le fonctionnement des complexes moléculaires connus de fer(cyclopentadiénone)carbonyle est menée. Elle a permis de mieux comprendre l'étape d'activation par voie chimique du catalyseur en mettant en lumière la formation de nouvelles espèces de fer.Dans un second temps, cette même stratégie a été appliquée dans le développement d’un nouveau procédé multi-catalytique dans le but de synthétiser des composés pharmaceutiques fluorés. Les résultats suggèrent que ni le mode d’activation – à savoir chimique et/ou thermique – ni le type de complexe [LFe(CO)3] or [LFe(CO)2(NCPh)], n’a d’influence sur les rendements.Enfin, le greffage de ces catalyseurs sur une surface de graphène a été étudié. Deux types de greffage ont été envisagés : le greffage covalent et le greffage supramoléculaire. Notre choix s’est finalement porté sur le greffage supramoléculaire. Dans ce but, une voie de synthèse permettant d’accéder aux complexes fonctionnalisés avec une ancre de type pérylène a été développée. Cette stratégie a été établie dans le but de développer une version hétérogène et donc recyclable du catalyseur.
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Dates and versions

tel-03774816 , version 1 (12-09-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03774816 , version 1

Cite

Ikram Yagoub. Catalyseurs moléculaires et matériaux à base de graphène pour le développement de processus multicatalytiques "one pot" bio-inspirés et durables. Chimie organique. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. Français. ⟨NNT : 2022GRALV035⟩. ⟨tel-03774816⟩
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