L'objectif de cette thèse est le développement de nouvelles stratégies d'immobilisation de complexes de ruthénium sur des supports insolubles par des interactions non-covalentes pour le recyclage aisé de ces catalyseurs dans la métathèse des oléfines. Tout d'abord, un rappel bibliographie sur le développement de la métathèse des oléfines, de sa découverte jusqu'à nos jours, est présenté. Ensuite trois approches différentes d'immobilisation de catalyseurs de métathèse sont détaillées afin de réaliser le recyclage en tenant compte des défis concernant cette réaction. Une procédure d'immobilisation des catalyseurs par formation de complexes à transfert de charge (CTC) réversibles entre le catalyseur et le support est tout d'abord étudiée dans ces conditions. En se basant sur les résultats obtenus dans ces conditions, une approche plus économique a alors été développée qui consiste en l'immobilisation d'un catalyseur commercial par formation de liaisons hydrogène avec les sites silanols d'un simple support de silice. Finalement, un autre type de support à base de carbone structuré (rGO) a été employé dans l'étude de l'immobilisation de complexes de ruthénium tagués par un fragment pyrène via la formation d'interactions π- π (π-stacking).La performance des différents matériaux catalytiques a d'abord été évaluée dans la réaction test de métathèse d'oléfines (RCM du DEDAM). Ensuite, autres types de métathèses (ènyne, CM et l'homo-métathèse de l'oléate de méthyle) ont été testées pour étendre l'application de ces matériaux.Le développement de ces approches d'immobilisation est également accompagné par des études mécanistiques, en se basant sur l'effet boomerang, connu pour ces réactions.Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet ANR CD2I CFLOW-OM, en collaboration avec des partenaires académiques (ENSC-Rennes, LGPC-Lyon, CPE-Lyon, LCMT-Caen) et industriels (ITERG, NOVANCE, OMEGA-CAT-SYSTEM). / Ruthenium complexes immobilization by non-covalent interactions for the recycling in olefin metathesisAbstractThe aim of this thesis is the development of new ruthenium complexes immobilization strategies onto insoluble supports by non-covalent interactions, for their easy recycling in olefin metathesis reactions.First, a bibliographic part is devoted to the development of the olefin metathesis from the discovery until now. Then, three different approaches of metathesis catalysts immobilization are described in order to achieve efficient recycling, considering the important challenges associated to this reaction. Firstly, an immobilization procedure of catalysts by formation of reversible charge transfer complexes (CTC) is described between the appropriated tagged catalyst and the support. Based on the results obtained in these conditions, a more economical approach involved the immobilization of a commercially available catalyst by formation of hydrogen bonds with the silanol sites present in silica. Finally, another type of support namely a structured carbon based support (rGO), was used for the pyrene tagged ruthenium complexes immobilization via formation of non-covalent π- π interactions (π-stacking).The catalytic performances of these solid materials were firstly evaluated in the benchmark reaction of olefin metathesis (RCM of DEDAM). Then, other olefin metathesis reactions were applied to extend the application of these materials (enyne, CM, self-metathesis of methyl oleate).The development of these approaches has also been accompanied by mechanistic studies, based on the boomerang effect, already known for these reactions.This work was performed as part of the ANR project CD2I CFLOW-OM, in collaboration with academic (ENSC-Rennes, LGPC Lyon, CPE Lyon-Caen LCMT) and industrial (ITERG, NOVANCE, OMEGA-CAT- SYSTEM) partners.

Ces travaux décrivent la synthèse et l'étude de la réactivité de complexes binucléaires à fer, développés dans le but de mimer l'activité catalytique d'enzymes binucléaires à fer telles que la méthane monooxygénase soluble. Nous avons synthétisé et caractérisé plusieurs complexes binucléaires à fer(III), possédant différents types de groupements (électro-donneurs, électro-attracteurs, donneurs de liaison hydrogène) dans leur seconde sphère de coordination, de façon symétrique ou dissymétrique. Nous avons étudié l'influence de la seconde sphère de coordination de ces différents complexes sur les différents intermédiaires formés (notamment l'intermédiaire µ-peroxo-FeIIIFeIII) lorsque que ces complexes sont exposés au peroxyde d'hydrogène. Nous avons également étudié la capacité de ces différents complexes à catalyser les réactions d'oxydation de différents substrats (sulfures, alcènes et alcanes) par le peroxyde d'hydrogène, en absence et en présence d'eau dans le milieu réactionnel. Une modification intéressante de la chimiosélectivité de la réaction d'oxydation du cyclooctène par le peroxyde d'hydrogène, en présence d'un complexe binucléaire à fer dissymétrique et d'eau dans le milieu réactionnel a été observée. Différentes études d'aspect mécanistique ont été réalisées afin de déterminer l'origine des différents phénomènes observés en catalyse d'oxydation. / This work describes the synthesis and the study of the reactivity of diiron complexes, developed in order to mimic the catalytic activity of diiron enzymes such as the soluble methane monooxygenase. We synthesized and characterized several diiron(III) complexes, bearing different types of groups (electron-donating, electron-withdrawing, hydrogen bond donating) in their second coordination sphere, in a symmetrical or non-symmetrical way. We studied the influence of the second coordination sphere of these different complexes over the different intermediates (particularly the µ-peroxo-FeIIIFeIII intermediate) formed by exposing them to hydrogen peroxide. We also studied the ability of these complexes to catalyze the oxidation of various substrates (sulfurs, alkenes, alkanes) by hydrogen peroxide, in absence or in presence of water in the reaction mixture. An interesting modification of chemoselectivity was observed in the case of oxidation of cyclooctene by hydrogen peroxyde, catalyzed by a non-symmetrical diiron complex, in presence of water in the reaction mixture. Several mechanistic studies were performed in order to investigate on the origin of the phenomenons we observed during oxidation catalysis studies.

Développement de méthodes d'α,β-fonctionnalisation d'amines et formation d'hétérocycles optiquement actifs via l'utilisation de l'organocatalyse et de la catalyse photoredox. / Development of methods α,β-functionalization of amines andformation of optically active heterocycles via the use of the organocatalysis and thephotoredox catalysis.

L’objectif principal de cette thèse a été de développer de nouveaux systèmes catalytiques efficaces pour la dépolymérisation de la biomasse et des plastiques. La stratégie choisie pour favoriser cette transformation a été l’hydrosilylation de liaisons C-O. Le catalyseur d’iridium(III) de Brookhart s'est révélé particulièrement efficace pour l’hydrosilylation la lignine conduisant à des produits aromatiques purs avec des rendements très élevés. Il a également été utilisé pour la dépolymérisation réductrice de plastiques oxygénés qui ont permis d’isoler les monomères et des composés de haute valeur ajoutée.Dans un second temps, une dépolymérisation plus « verte » de polycarbonates et de polyesters a été mise en œuvre. Celle-ci ne fait intervenir ni métaux ni solvant grâce à l’utilisation du fluorure de tetra-n-butyle amonium comme catalyseur. Enfin, l’uranium appauvri, considéré comme un déchet de l’industrie nucléaire, a été valorisé comme catalyseur pour la réduction des liaisons C-O. Il a été découvert qu’un complexe de triflate d'uranyle favorisait efficacement le couplage réducteur de l'aldéhyde en présence d'hydrosilanes conduisant à l'éther symétrique. / The main objective of this thesis is the development of new efficient catalytic systems for the depolymerization of biomass and plastics. The chosen strategy to promote such transformations was the hydrosilylation of C-O bonds. Brookhart's iridium(III) catalyst was found to be very effective for hydrosilylation of lignin leading to pure aromatic products isolated in very high yields. It was also used for the reductive depolymerization of oxygenated plastics, allowing the isolation of monomers and valuable chemicals.In a second step, a "greener" depolymerization of polycarbonates and polyesters was implemented. This does not involve metals or solvents through the use of tetra-n-butyl amonium fluoride as a catalyst for hydrosilylation. Finally, depleted uranium, considered as a waste product of the nuclear industry, was valorized as a catalyst for the reduction of C-O bonds. It has been discovered that a uranyl(VI) triflate complex efficiently promotes reductive coupling of the aldehyde in the presence of hydrosilanes leading to symmetric ethers.

La catalyse permet de réaliser des transformations efficaces à un coût énergétique plus faible qu'avec des réactions non catalysées. Le développement d’un catalyseur peut souvent être inspiré par la Nature qui parvient à réaliser des transformations chimiques difficiles avec de hauts rendements et une grande sélectivité et ce en milieu aqueux dans des conditions douces. Par exemple, les protéines dépendantes du cuivre peuvent oxyder une large gamme de substrats. Inspirés par les systèmes biologiques, les metallopeptides ont récemment émergés en tant que plate-forme fiable pour développer de nouveaux catalyseurs grâce à leur facilité d’accès, de maniement et d’affinage de leurs propriétés. Dans cette thèse, nous décrivons la synthèse d’une famille de décapeptides bio-inspirés, qui contiennent des résidus His et Asp permettant de coordiner des ions métalliques. Les données indiquent que tous les peptides se lient au cuivre et qu’ils forment, à un pH proche de la neutralité, une espèce cuivre (II) majoritaire, similaire entre tous les peptides. Dans ces complexes, les peptides lient le cuivre (II) par les chaines latérales des résidus His et Asp. Pour finir, la capacité de ces systèmes ainsi que des complexes cuivre (II)-amyloid-β à catalyser des transformations oxydantes en solution aqueuse en utilisant H2O2 comme oxydants a été évaluée. Cette étude révèle que i) la structure des peptides à un impact sur les rendements catalytiques et sur l’obtention d’excès énantiomérique, et que ii) les complexes cuivre (II)-amyloid-β sont moins performants que nos systèmes cuivre (II)-peptide / Catalysis gives access to efficient transformations at a lower cost in energy and generally offers possibilities to reduce or eliminate the need for and the generation of hazardous compounds . The development of a catalyst is often inspired by Nature that performs challenging chemical transformations with high rates and high selectivity under mild conditions and aqueous media. For example, copper dependent proteins can react to oxidize a broad range of substrates. Inspired by biological systems, metallopeptides have recently emerged as reliable platforms to evolve new catalysts because they are chemically accessible, easy to handle and fine-tune.In this work we synthetized a family of bioinspired decapeptides containing His and Asp residues as metal ion coordinating amino acids. Their copper coordination properties were studied using pH potentiometry, and different spectroscopic techniques (UV-Vis, CD, EPR, NMR). The data indicates that all the peptides bind copper and form similar major copper(II) species at a pH close to neutrality where copper (II) is coordinated by the side-chains of His and Asp residues. Finally, the capabilities of these metallopeptides to perform a variety of oxidative transformations in aqueous solution at room temperature, using H2O2 as the oxidant were evaluated in parallel with that of amyloid-β peptides copper (II) complexes. This study revealed that i) the scaffold of the designed peptides had an impact on the catalytic efficiencies and enantiomeric excess and ii) the amyloid-β peptides copper (II) complexes are less active than our designed copper(II) peptide systems

Cette thèse s'inscrit dans le cadre très général de la recherche de nouvelles méthodes de synthèse éco-compatibles. Dans la première partie, intitulée « Arylation catalysée au cuivre d'hétérocycles azotés par des sels d'aryldiazonium», nous avons présenté nos travaux décrivant le premier exemple d'une réaction de type Sandmeyer permettant la formation d'une liaison carbone-azote (C-N). Nos systèmes permettent, en effet, l'arylation de nucléophiles azotés, essentiellement de type pyrazole, à partir d'électrophiles d'aryldiazoniums. Les motifs obtenus, les arylpyrazoles, sont des molécules extrêmement répandues, aux nombreuses applications dans le domaine des sciences de la vie mais aussi des matériaux.Les conditions que nous utilisons sont extrêmement douces puisqu'elles ne font appel qu'à des quantités catalytiques de cuivre et d'acide acétique. Par ailleurs, ce système fonctionne à température ambiante sans nécessiter la présence de ligands, additifs ou bases.Enfin l'azote (N2) libéré dans le milieu est inerte et sans impact dans le milieu réactionnel.Dans une seconde partie, intitulée « Synthèse des biaryles symétriques à partir des aryllithiens, en présence d'un catalyseur au fer », nous avons décrit un nouveau système catalytique au fer, permettant la synthèse directe de dérivés biaryliques symétriques à partir d'arylithiens générés in situ et d'halogénures d'aryles, dans des conditions de températures très douces en utilisant un système catalytique au fer, en absence de ligands. La procédure, qui se déroule via l'échange quantitatif in situ d'halogénure d'aryle avec les alkyllithiums, permet un excellent contrôle de la réactivité et de la sélectivité.Enfin, dans une dernière partie intitulée « Synthèse directe des biarylméthanes sans un métal de transition », nous avons mis en évidence une nouvelle méthode de synthèse de biarylméthanes dissymétriques par couplage en milieu super basique de cétones benzyliques énolisables avec des dérivés aromatiques iodés. Dans ces conditions, la présence d'un catalyseur métallique n'est plus nécessaire pour obtenir ces molécules qui présentent un fort intérêt dans le domaine pharmaceutique et dans celui des matériaux. / This thesis is part of a very general search for new synthetic eco-friendly methods.In the first part, entitled "Arylation catalyzed by copper nitrate salts aryldiazonium heterocycles", we present our work describing the first example of a Sandmeyer reaction type allowing the formation of a carbon-nitrogen bond (C-N). Our systems can, indeed, arylate nitrogen nucleophiles, essentially pyrazole, from aryldiazoniums electrophiles. The patterns obtained, the arylpyrazoles, are extremely common in the field of life and also in materials. The experimental procedures we use are extremely mild, as they involve only catalytic amounts of copper and acetic acid. Furthermore, this system operates at room temperature without the presence of ligand, base or additive. As a side product of the reaction, nitrogen (N2) is released into the medium but without impacting on the inert atmosphere of the reaction. In the second part, entitled "Synthesis of symmetrical biaryls from aryllithiens in the presence of an iron catalyst", we describe a new iron catalytic system that allows the direct synthesis of symmetrical biaryl derivatives from arylithiens, generated in situ from aryl halides under very mild temperature conditions, using an iron catalyst system in the absence of ligands. The procedure which takes place via an in situ quantitatively generated aryl halide with alkyllithiums exchange, provides an excellent control of reactivity and selectivity.Finally, in the last section entitled "Direct Synthesis of biarylmethanes without a transition metal", we demonstrate a new method for the synthesis of unsymmetrical biarylmethanes in a super basic medium of benzyl ketones, with enolizable iodinated aromatic compounds. Under these conditions, the presence of a metal catalyst is not necessary. The molecules obtained have a strong interest in the pharmaceutical field and in materials.

Dans le cadre de nos travaux, deux méthodes de fonctionnalisation d’hétérocycles par catalyse organométallique ont été développée. Dans un premier temps, l’introduction d’un motif oléfinique en position C3 sur des hétérocycles à 5 chaînons a été réalisée grâce à un système catalytique basé sur l’utilisation d’un sel de rhodium(III) et d’un sel d’argent. Malgré quelques limites au niveau du champ d’application de la méthode, cette dernière se trouve être particulièrement efficace pour l’introduction d’acrylate en position C3 sur ces hétérocycles. L’emploi ici d’un carbamate comme groupe directeur nous a permis d’effectuer un grand nombre de réaction de post-fonctionnalisation tels que des couplages croisés catalysés par des sels de nickel et de fer. La seconde partie de nos travaux concerne la mise au point d’une réaction d’arylation de 2-quinolone en position C3 par catalyse photorédox. Dans des conditions particulièrement douces (température ambiante, sans additifs), l’arylation de ces 2-quinolones a été effectuée en utilisant des sels d’aryldiazonium tétrafluoroborate comme précurseur de radicaux aryles. Des expériences de contrôles, des mesures de spectres d’absorption UV-visible ainsi qu’une expérience de type ON/OFF ont également été entrepris afin d’élucider le mécanisme de cette réaction d’arylation photocatalysée. / The work presented in this manuscript concerns two methods of functionalization of heterocycles by using organometallic catalysis. Firstly, the introduction of an olefinic moiety at the C3 position of 5-membered heterocycles was achieved by a catalytic system based on the use of a rhodium(III) salt and a silver salt. Despite some limitations in the scope, this method was found to be particularly effective for the introduction of an acrylate group at the C3 position of these heterocycles. Furthermore, the use of carbamate as a directing group, has allowed a large number of post-functionalization reactions such as cross-couplings catalyzed by nickel and iron salts. The second part of our work was devoted to the arylation of 2-quinolone at the C3 position by photoredox catalysis. More particularly, under mild conditions (ambient temperature, without additives), the arylation of these 2-quinolones was carried out using aryldiazonium tetrafluoroborate salts as a precursor of aryl radicals. Control experiments, measurements of UV-visible absorption spectra and an ON/OFF experiment were also performed to elucidate the mechanism of this photocatalysed arylation.

Cette thèse porte sur la catalyse supportée sur nanotubes de carbone. Plusieurs aspects ont été étudiés, électrocatalyse pour la production d'hydrogène à partir d'eau, catalyse pour la synthèse organique et électrocatalyse de la réaction de réduction de l'oxygène. Différents catalyseurs ont été synthétisés à partir d'assemblages supramoléculaires de molécules amphiphiles autour de nanotubes de carbone ou d'adhésion de molécules polyaromatiques à la surface des nanotubes et ont impliqué l'utilisation de catalyseur moléculaire ou nanoparticulaire. L'utilisation de ces catalyseurs pour les différents types de réactions mentionnés plus haut ont abouti à des résultats intéressants. / This PhD thesis deals with the catalysis supported on carbon nanotubes. Several aspects have been studied such as electrocatalysis for hydrogen production form water, catalysis for organic synthesis and electrocatalysis of the oxygen reduction reaction. Many different catalysts have been synthesized based on supramolecular assembly of amphiphilic molecules around carbon nanotubes or assembly of polyaromatic molecules at the surface of the nanotubes. These catalysts are made of metallic complexes or metallic nanoparticles. These catalysts have been successfully used to perform the reactions mentioned above.

Les motifs azotés sont présents dans de nombreuses molécules d’intérêts pharmaceutiques. Les méthodes de synthèses traditionnelles de ces motifs vont, par exemple, de la substitution nucléophile d’amines sur des halogénures d’alkyles à de l’amination réductrice des composés carbonylés. Ces méthodes, bien qu’efficaces, nécessitent néanmoins des quantités stœchiométriques de réactifs pour être appliquées et génèrent souvent des quantités importantes de déchets. Un des challenges de la chimie organique moderne consiste à développer de nouvelles méthodes de synthèses de ces motifs plus économiques et plus respectueuses de l’environnement en produisant un taux de déchets le plus faible possible. L’addition directe d’une amine sur une double liaison carbone-carbone non-activée que l’on appelle la réaction d’hydroamination des alcènes est une approche très prometteuse pour le développement d’une méthodologie de synthèse alternative de ces composés. En effet, dans cette réaction, tous les atomes du substrat de départ sont transférés au produit réduisant ainsi considérablement les déchets produits. De plus, les amines et les oléfines employées sont des réactifs relativement bon marché, abondants et variés. Néanmoins, cette transformation a priori simple nécessite généralement l’emploi d’un catalyseur. Dans la littérature, la réaction d’hydroamination des alcènes a été étudiée en utilisant comme catalyseur des complexes de métaux alcalins, alcalino-terreux, de terre-rares et de métaux de transition. Au commencement de ce projet, il n’existait pas d’exemples de réaction d’hydroamination des alcènes mettant en jeu des amines primaires non protégées catalysée par des complexes de fer ou de de cobalt. Dans ce contexte, notre équipe s’est intéressée à la réactivité de complexes de fer(II) et de cobalt(II) de basse valence stabilisés par des ligands de type β-dicétiminate. Ces complexes se sont révélés être d’excellents catalyseurs pour promouvoir la réaction d’hydroamination des amines primaires non protégées liées à des alcènes non activés.Dans un premier temps, les synthèses des complexes de fer(II) et de cobalt(II) alkyles stabilisés par des ligands β-dicétiminates ainsi que leurs applications en réaction de cyclohydroamination des amines primaires non protégées seront présentées. De plus, des études mécanistiques poussées permettront d’éclaircir le mécanisme de la réaction, qui est proposé de passer par une étape élémentaire clé d’insertion 1,2 migratoire aboutissant à la formation d’une liaison carbone-azote.Dans un second temps, les influences des propriétés électroniques et stériques des ligands sur la réactivité en réaction d’hydroamination des alcènes des complexes de fer(II) alkyles seront étudiées. Nous nous attarderons particulièrement sur des complexes stabilisés par des ligands β-dicétiminates dissymétriques ou iminoanilidures. Les données cristallographiques des complexes à l’état solide permettront alors de rationaliser les variations de réactivités de ces différents complexes.Enfin, les complexes de fer(II) et de cobalt(II) synthétisés précédemment seront exploités pour développer de nouvelles réactivités en réactions d’oxydation, d’amination oxydante ou de création de liaison azote-silicium par un couplage déshydrogénant. / The nitrogenous units are present in many molecules of pharmaceutical interest. The traditional synthesis methods of these units range, for example, from the nucleophilic substitution of amines on alkyl halides to reductive amination of the carbonyl compounds. These methods, although effective, nevertheless require stoichiometric amounts of reagents to be applied and often generate large amounts of waste. One of the challenges of modern organic chemistry is to develop new methods of synthesizing these more economical and environmentally friendly patterns by producing the lowest waste rate possible. The direct addition of an amine to an unactivated carbon-carbon double bond known as the alkene hydroamination reaction is a very promising approach for the development of an alternative synthesis methodology for these compounds. Indeed, in this reaction, all the atoms of the starting substrate are transferred to the product thus considerably reducing the waste produced. In addition, the amines and olefins employed are relatively inexpensive, abundant and varied reagents. Nevertheless, this simple transformation generally requires the use of a catalyst. In the literature, the hydroamination reaction of alkenes has been studied using alkali metal, alkaline earth, rare earth and transition metal complexes as catalysts. At the beginning of this project there were no examples of the hydroamination reaction of alkenes involving unprotected primary amines catalysed by iron or cobalt complexes. In this context, our team was interested in the reactivity of iron (II) and cobalt (II) complexes of low valence stabilized by β-diketiminate ligands. These complexes have proved to be excellent catalysts for promoting the hydroamination reaction of unprotected primary amines bound to non-activated alkenes.In a first step, the syntheses of the iron (II) and cobalt (II) complexes stabilized by β-diketiminate ligands as well as their applications in cyclohydroamination reaction of the unprotected primary amines will be presented. In addition, advanced mechanistic studies will clarify the mechanism of the reaction, which is proposed to go through a key elementary 1..2 migratory insertion leading to the formation of a carbon-nitrogen bond.In a second step, the influence of the electron and steric properties of the ligands on the reactivity in the hydroamination reaction of the alkenes of the iron (II) alkyl complexes will be studied. We will focus particularly on complexes stabilized by asymmetric β-diketiminate ligands or iminoanilides. The crystallographic data of the solid state complexes will then make it possible to rationalize the variations of reactivities of these various complexes.Finally, the iron (II) and cobalt (II) complexes synthesized above will be exploited to develop new reactivities in oxidation reactions, oxidative amination or the creation of a nitrogen-silicon bond by a dehydrogenating coupling.

Les nanoparticules (NPs) métalliques ont de nombreuses applications en catalyse. Certaines d’entre elles (or, argent, cuivre) présentent une absorption dans le visible résultant de l’excitation du plasmon de surface par un champ électromagnétique extérieur. Nous proposons dans ce projet de coupler les propriétés catalytiques de nanoparticules à base d’or avec leurs propriétés de résonance de plasmon de façon à assister la réaction catalytique notamment par l’effet thermique qui en découle. Cette approche de catalyse assistée par plasmon, est générale et peut être utilisée pour une variété de procédés catalytiques exothermiques et endothermiques impliquant des nanoparticules. Cette catalyse assistée par plasmon permettra de réaliser des réactions catalytiques à moindre coût énergétique sous lumière solaire. / Metallic nanoparticles (NPs) have many applications in catalysis. Some of them (gold, silver, copper) have a visible absorption resulting from the excitation of the surface plasmon by an external electromagnetic field. In this project, we propose to couple the catalytic properties of gold-based nanoparticles with their plasmon resonance properties in order to assist the catalytic reaction, in particular by the resulting thermal effect. This plasmon-assisted catalysis approach is general and can be used for a variety of exothermic and endothermic catalytic processes involving nanoparticles. This plasmon-assisted catalysis will make it possible to carry out catalytic reactions at lower energy cost under solar light.