Les catalyseurs bis(imino)pyridine au fer sont hautement actifs en oligo- ou polymérisation des oléfines. L'IFP souhaite étudier ces catalyseurs pour transformer l'éthylène en oléfines linéaires de tailles maîtrisées. Cependant, l'étape d'activation du précurseur (usuellement avec le cocatalyseur MAO) génère une espèce activée dont la nature reste à ce jour inconnue. Nos calculs DFT montrent que l'espèce activée la plus réactive est dans un état d'oxydation +III et de spin quadruplet. Le fait que nos calculs, en combinaison avec un modèle microcinétique, décrivent précisément les résultats expérimentaux d'oligomérisation du butène-1, c'est-à-dire la formation majoritaire d'octènes linéaires, fournit un support additionnel à la pertinence de l'espèce activée retenue. Par ailleurs, l'utilisation de ce modèle moléculaire a permis d'établir une puissante corrélation entre le coefficient Schulz-Flory, qui informe du degré d'oligo- ou de polymérisation expérimental d'un catalyseur, et la différence des enthalpies libres d'activation d'une réaction d'insertion et de terminaison particulières. Cette relation nous a permis d'étudier et de mieux comprendre le comportement des catalyseurs bis(arylimino)pyridine au fer vis-à- vis des changements de substituants. En outre, son fort potentiel universel est montré grâce à l'extension de son domaine d'application vers d'autres catalyseurs (autres ligands, autres métaux). Enfin, les liaisons agostiques dans les complexes bis(arylimino)pyridine ont été étudiées par des calculs QTAIM parce qu'elles sont souvent un prélude aux réactions de terminaison dans les cycles catalytiques.

L'utilisation du fer en chimie de coordination et en catalyse suscite un intérêt croissant de par son abondance et sa faible toxicité. Dans le premier chapitre, une étude bibliographique présente deux domaines d'applications du fer : i) l'utilisation de complexes de fer comportant des ligands " non innocent " pour différentes applications en catalyse, et ii) l'utilisation de complexes de fer pour des transformations stœchiométriques et catalytiques du CO2. Dans le chapitre 2, la synthèse et la caractérisation de complexes de fer portant un ligand coopératif non-innocent sont présentées. Le composé hautement réactif [Fe(N(TMS)2)2] a été choisi comme précurseur pour l'étude de la coordination du ligand bis(picolyl)phosphine dans des conditions douces. Une famille de complexes mono- et di-nucléaires de fer a été isolée et le comportement " non-innocent " du ligand a été mis en évidence. La combinaison de plusieurs techniques : diffraction des rayons X, RMN (en solution et à l'état solide), RPE, Mössbauer et spectroscopie infrarouge a permis de complètement caractériser à la fois les complexes diamagnétiques mais aussi paramagnétiques. Le chapitre 3 se concentre sur la transformation de CO2 par un système catalytique efficace au fer. Les complexes dihydrure de fer [Fe(H)2(diphosphine)2] catalysent la fonctionnalisation réductrice du CO2 dans des conditions douces. Dans ce système, la première étape concerne la réduction catalytique du CO2 par des hydroboranes donnant un composé bis(boryl)acetal. Via une stratégie " un pot, deux étapes " l'intermédiaire acétal est ensuite utilisé comme source de méthylène et est fonctionnalisé pour donner une série de composés organiques contenant non seulement des liaisons C-N mais aussi des liaisons C-O, C-S et C-C avec de bons à très bons rendements. / There is an increasing interest in the use of iron in coordination chemistry and catalysis because it is an earth abundant metal which exhibits a low toxicity. The first chapter is a bibliographic study concerning two areas of applications for iron: the combination of iron with non-innocent ligands leading to highly active catalysts, and the use of iron complexes for CO2 transformations at the stoichiometric and catalytic levels. In chapter 2, the synthesis and characterization of iron complexes bearing a cooperative non-innocent ligand are presented. The highly reactive compound [Fe(N(TMS)2)2] has been chosen as a precursor for the study of the coordination of the bis(picolyl)phosphine ligand under mild conditions. As a result, a family of mono- and di-meric iron complexes has been isolated and the non-innocent behavior of the ligand has been observed. The combination of several techniques: X-ray diffraction, NMR (in solution and in the solid state), EPR, Mössbauer and infrared spectroscopy allows to clearly characterize both diamagnetic and paramagnetic complexes. Chapter 3 focuses on the transformation of CO2 catalyzed by an efficient iron-based system. In this system, iron hydride complexes [Fe(H)2(diphosphine)2] have been chosen to catalyze the reductive functionalization of CO2 through a one-pot two steps strategy under mild conditions. The first step concerns the iron-catalyzed reduction of CO2 by hydroboranes affording a bis(boryl)acetal compound. This intermediate is then used as a source of methylene in functionalization reactions, leading to a series of organic compounds containing not only C-N but also C-O, C-S, and C-C bonds in good yields.

Mes travaux de thèse ont consisté en l'élaboration de nouveaux catalyseurs répondant aux critères de la “chimie verte” dans le but de réaliser la catalyse asymétrique d'oxygénation de molécules organiques telles que les thioéthers et les alcènes. Ces nouveaux catalyseurs sont des hybrides bioinorganiques résultant de l'association d'une protéine et d'un complexe de fer. Notre choix s'est porté sur la protéine bactérienne NikA qui est capable de reconnaître le complexe Fe(EDTA). Nous avons synthétisé des complexes de fer possédant des ligands de type N2Py2 (deux amines et deux pyridines), un environnement propice pour avoir une chimie centrée sur le métal. Sur les amines, ont été greffés un ou deux groupements carboxyle pour permettre la reconnaissance avec NikA. Les études catalytiques menées sur ces complexes en oxydation d'alcènes et de thioéthers ont montré que la présence d'un seul groupement carboxyle altère peu l'activité du catalyseur, mais deux groupements carboxyle inhibent totalement la réactivité du complexe. L'obtention de la structure de l'un d'entre eux, ainsi que les analyses spectroscopiques nous ont montré des aspects singuliers de ces complexes, comme la coordination sur l'ion Fe(II) des groupements carboxyle par le carbonyle, et la formation de l'espèce Fe(II)Cl42-, en contre-ion, lorsque les complexes sont préparés à partir de Fe(II)Cl2. Les hybrides ont été testés en catalyse de sulfoxydation montrant une activité accrue sans (ou très peu) de production de sulfone, contrairement aux complexes correspondants avec lesquels autant de sulfoxyde que de sulfone se forme. En outre, nous avons observé au niveau de la structure cristallographique de certains des hybrides des configurations inédites pour ce type de complexes. Malheureusement, nous n'avons obtenu que de très faibles énantiosélectivités (ee = 11%). Pour pallier à ce problème, des expériences de mutagenèse dirigée, basées sur la structure cristallographique des hybrides et des études de docking, sont envisagées. Pour conclure, de nouvelles métalloenzymes artificielles ont été élaborées. Elles serviront de base pour de nouveaux systèmes plus optimisés.

Il existe dans la Nature des métalloenzymes, les hydrogénases, capables de produire et consommer du dihydrogène de façon catalytique. La résolution des structures de ces hydrogénases a révélé la présence de sites actifs de nature organométallique, pouvant-être décrits comme des entités bimétalliques à base de fer et de nickel. Dès lors, de nombreux complexes dinucléaires du fer ont été synthétisés en vue de comprendre et de reproduire les processus de conversion H+/H2 réalisés par les hydrogénases [FeFe]. En particulier, des composés dithiolato-pontés dinucléaires du fer, possédant des ligands bidentates ont été élaborés suite aux résultats d'études théoriques ayant proposé qu'une disubstitution dissymétrique sur un des atomes de fer de ces molécules pouvait permettre de reproduire certaines caractéristiques structurales clés du site actif. Une partie des travaux décrits dans ce mémoire s'inscrit dans la suite des études entreprises dans le laboratoire concernant l'utilisation de ligands bidentates chélatants dans des complexes dinucléaires du fer inspirés par le site actif des hydrogénases [FeFe], comme la 1,10-phénanthroline ou encore les diphosphines. L'autre partie concerne le développement d'une voie de synthèse systématique pour l'obtention de complexes trinucléaires originaux du fer présentant un agencement quasi-linéaire des trois atomes de fer. Le comportement électrochimique des espèces synthétisées ainsi que leur réactivité en milieu acide ont été étudiés. / Hydrogenases are metalloenzymes found in Nature which are able to catalyse the production and the uptake of dihydrogen. Reports orr the structures of these hydrogénases have revealed the organometallic nature of their active sites, which are based on bimetallic assemblies containing nickel and iron atoms. Therefore, many diiron complexes have been synthesized in order to understand and to reproduce the high efficiency of [FeFe]- hydrogenases towards the reversible conversion of protons into dihydrogen. In particular, dithiolato-bridged diiron compounds, with bidentate ligands, have been developed in reason of results of theoretical studies which have suggested that an asymmetrical disubstitution at one iron atom of such bioinspired molecules may allow to reproduce some structural key features of the active site. One part of the works reported in this thesis concems pursuing studies previously undertaken in the laboratory on the use of bidentate chelating ligands with diiron bioinspired models of [FeFe] hydrogenases, such as 1,10- phenanthroline or diphosphines. Another part reports the development of a systematîc way for the synthesis of original trinuclear iron clusters having a quasi-linear arrangement of the three iron atoms. Electrochemical behaviours of the synthesized species as well as their reactivity in acidic medium have been studied.

Le mémoire concerne l'utilisation de complexes butadiène fer-tricarbonyle fonctionnels ainsi que des diènes correspondants pour une approche originale à des molécules de type leucotriène. Le rôle biologique extrêmement important de cette nouvelle famille de composés a été largement démontré dans la littérature récente. Outre les synthèses de leucotriènes, dont certains ont fait l'objet de tests biologiques, ce travail a nécessité : - une étude systématique de la réactivité de nucléophiles variés vis à vis de groupes formyles en α du complexe butadiène-fer tricarbonyle : diastéréosélectivité des réactions, compatibilité des réactifs avec le motif complexe, protection de fonctions alcools notamment. - La mise au point de méthodes de décomplexation efficaces et chimiosélectives . - Une étude préliminaire de la réactivité de cations pentadiényles complexés au motif fer-tricarbonyle : elle permet en particulier une synthèse hautement stéréosélective d'alcools ou d'éthers diéniques E, Z fonctionnalisés.

Dans cette thèse nous avons eu pour but d’étudier la réactivité des complexes à bas degré d’oxydation du fer stabilisés par des ligands phosphines vis-à-vis des substrats insaturés. Cet objectif s’inscrit dans une démarche plus large d’accès à des systèmes catalytiques au fer capables de transformer de manière sélective l’éthylène, par la réaction d’oligomérisation, vers des alpha-oléfines linéaires courtes (butène-1, héxène-1, octène-1), ce qui n’a jamais été rapporté dans la littérature. Pour se faire, le passage par le mécanisme métallacyclique de transformation de l’éthylène est la voie privilégiée. Cependant, les propriétés électroniques et géométriques de ligand requises pour suivre un tel mécanisme, et en particulier son étape clé de couplage oxydant de deux molécules d’éthylène sur le centre métallique, ne sont pas clairement identifiées. Nous rapportons ici dans un premier temps la synthèse d’une bibliothèque de complexes de fer(II) et fer(III) à base de ligands phosphines présentant des propriétés électroniques et géométriques variées. Ces nouveaux complexes sont opportunément testés en tant que catalyseurs, d’une part pour la réaction d’oligomérisation de l’éthylène; mais également en tant qu’espèces réduites in situ en association avec des diènes (isoprène, butadiène) conduisant à leur polymérisation. Afin de nous rapprocher davantage de notre objectif d’accès aux espèces à bas degré d’oxydation du fer, l’emploi d’une voie de réduction en une étape et en conditions douces est rapportée; conduisant à l’isolement et la caractérisation de neuf complexes phosphorés de fer(0) à 18 et à 16 électrons. Bien qu’a priori inactifs vis-à-vis de l’éthylène ou des oléfines plus longues, nous montrons la capacité de ces complexes à promouvoir des réactions de couplage oxydant de substrats insaturés (alcynes) le couplage catalytique de l’éthylène et du butadiène et l’activation de divers composés tels que les silanes ou les halogénures d’alkyles, posant ainsi un premier jalon vers leur optimisation et application en tant que catalyseurs d’autres réactions, et potentiellement dans l’avenir, pour la transformation de l’éthylène. / In this thesis our aim was to study the reactivity of phosphine-based low-valent iron complexes towards unsaturated substrates. This goal is part of a wider approach of access to an iron catalytic system able to transform ethylene in a selective manner, by the reaction of oligomerization, towards short linear alpha-olefins (1-butene, 1-hexene, 1-octene), which is unreported in the literature. To achieve this, going through the metallacyclic mechanism of ethylene transformation is the most likely way. However, the electronic and geometrical features of the ligand required to follow this mechanism, and in particular the key step of the oxidative coupling of two molecules of ethylene to the metal center, are ill-defined. We thus report here in a first part the synthesis of a library of P-based iron(II) and iron(III) complexes bearing varied electronic and geometrical features. These novel complexes are opportunistically screened as catalysts for ethylene oligomerization on one hand, and as in situ reduced species in association with dienes (isoprene, butadiene) leading to the polymerization of the latter substrates, on the other hand. In order to get closer to our goal of access to low-valent iron complexes, the use of a one-pot reduction methodology under mild conditions is reported, leading to the isolation and characterization of nine 18- and 16-electron iron(0) complexes. Even though they do not show reactivity towards ethylene or longer olefins, we demonstrate the ability of these complexes to promote reactions involving the oxidative coupling elementary step of unsaturated substrates (alkynes), the catalytic coupling of ethylene and butadiene and the activation of various compounds such as silanes and organic halides, representing a first milestone towards their optimization and application as catalysts for other reactions, including potentially in the near future, for ethylene transformation

Les amines sont des composés essentiels en biologie, pharmacie et agriculture. La synthèse directe de tels composés constitue un enjeu majeur dans le domaine de la chimie. Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l’étude et le développement de synthèses intégrant le transfert de nitrène par des catalyseurs de fer pour l’obtention de composés aminés. Dans une première partie, nous avons étudié la réaction d’aziridination par plusieurs catalyseurs à base de fer sur différentes oléfines. Nous rapportons ici, comment des études mécanistiques couplées à des investigations des structures électroniques et des profils réactionnels, par des méthodes quantiques de type DFT, peuvent conduire à une complète compréhension du mécanisme, ainsi qu’au développement rationnel de nouveaux catalyseurs de fer pour la réaction d’aziridination. Nous avons pu établir que l’affinité électronique joue un rôle majeur dans ce type de transformation. Dans une seconde partie, nous avons étudié la possibilité d’intégrer la catalyse de transfert de nitrène de fer dans des processus multi-séquentiels. Nous avons pu obtenir des amidines et imidazolidines dans des réactions multicomposants via la réaction entre un substrat, un donneur de nitrène et un nitrile, le tout catalysé par le fer. Les calculs DFT ont pu confirmer le mécanisme proposer expérimentalement. Une seconde étude a pu mettre en lumière les réactions monotopes à travers la synthèse de 2-iminothiazolidines via l’ouverture de cycle d’une aziridine suivie de l’insertion d’un isothiocyanate avec de bons rendements. Ces deux types de réactions ont démontré le fort potentiel du transfert de nitrène dans des réactions multi-séquentielles et ouvrent la porte au développement de nouvelles voies de synthèses efficaces dans une chimie durable. / Amines are essential compounds in biology, pharmacy and agriculture. Therefore, their direct synthesis is a major issue in chemistry. The work presented in this manuscript focuses on the study and development of syntheses integrating nitrene transfer by iron catalysts in order to obtain amines. In a first part, we studied the aziridination reaction with several iron catalysts on different olefins. We report here, how mechanistic studies coupled with investigations of electronic structures and reactivity profiles, by quantum methods of DFT type, can lead to a complete understanding of the mechanism, as well as to the rational development of new iron catalysts for the aziridination reaction. We have been able to establish that electron affinity plays a major role in this type of transformation. In a second part, we studied the possibility to integrate iron-catalyzed nitrene transfer in multi-sequential processes. We have been able to obtain amidines and imidazolidines in multicomponent reactions via the reaction between a substrate, a nitrene donor, a nitrile and an iron catalyst. The DFT calculations were able to confirm the mechanism proposed experimentally. A second study was to highlight telescoping reactions through the synthesis of 2-iminothiazolidines via the ring opening of an aziridine followed by the insertion of an isothiocyanate with good yields. These two types of reactions have shown the strong potential of nitrene transfer in multi-sequential reactions and open the way to the development of new efficient synthesis routes in the context of green chemistry.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Dans cette étude, un nouveau complexe de fer est utilisé dans des processus d’oxydation avancée pour la dégradation de polluants organiques présents dans l’eau. Le fer ferrique (Fe(III)) et l’acide éthylène diamine-N,N’-disuccinique (EDDS) forment un complexe Fe(III)-EDDS dont la structure a été mise en évidence durant ce travail. Les propriétés photochimiques du complexe ont ensuite été évaluées en fonction de différents paramètres physico-chimiques dont le pH qui est apparu comme un paramètre clé pour l’efficacité des processus testés. Ensuite nous avons donc travaillé sur l’utilisation de ce complexe dans les processus de Fenton modifié, photo-Fenton et comme activateur des persulfates (S2O82-). Nos expériences ont été réalisées en présence du 4-tert-butylphénol (4-t-BP) qui est connu pour être un perturbateur endocrinien. Nous avons ensuite mis en évidence les conditions optimales du traitement pour la dégradation du 4-t-BP. Il est apparu que le pH joue un rôle très important et qu’en présence de ce complexe de fer, l’efficacité est plus importante pour des pH neutre ou légèrement basique. L’identification des radicaux oxydants responsables de la dégradation du polluant a également été réalisée. Dans ce cadre nous avons montré que le radical sulfate joue un rôle plus important que le radical hydroxyle lors du processus d’activation des persulfates. / Advanced Oxidation Processes (AOPs) have been proved to be successfully applied in the treatment of sewage. It can decolorize the wastewater, reduce the toxicity of pollutants, convert the pollutants to be a biodegradable by-product and achieve the completed mineralization of the organic pollutants. The Fenton technologies which are performed by iron-activated hydrogen peroxide (H2O2) to produce hydroxyl radical (HO•) has been widely investigated in the past few decades. Recently, Sulfate radical (SO4•-) which was produced by the activation of persulfate (S2O82-) is applied to the degradation of organic pollutants in water and soil. It is a new technology recently developed. It is also believed to be one of the most promising advanced oxidation technologies.In this study, a new iron complex is introduced to the traditional Fenton reaction. The ferric iron (Fe(III)) and Ethylene diamine-N,N′-disuccinic acid (EDDS) formed the complex named Fe(III)-EDDS. It can overcome the main disadvantage of traditional Fenton technology, which is the fact that traditional Fenton technology can only perform high efficiency in acidic condition. Simultaneously, EDDS is biodegradable and it is one of the best environment-friendly complexing agents. On the other hand, the transition metal is able to activate S2O82- to generate SO4•-. Therefore, Fe(III)-EDDS will also be applied to activate S2O82- in the present study. 4-tert-Butylphenol (4-t-BP) has been chosen as a target pollutant in this study. It is widely used as a chemical raw material and is classified as endocrine disrupting chemicals due to the estrogenic effects. The 4-t-BP degradation rate (R4-t-BP) is used to indicate the efficiency of the advanced oxidation processes which are based on Fe(III)-EDDS utilization. The main contents and conclusions of this research are shown as follows:In the first part, the chemical structure and properties of Fe(III)-EDDS and the 4-t-BP degradation efficiency in UV/Fe(III)-EDDS system were studied. The results showed that Fe(III)-EDDS was a stable complex which was formed by the Fe(III) and EDDS with the molar ratio 1:1. From the photoredox process of Fe(III)-EDDS, the formation of hydroxyl radical was confirmed including that HO• is the main species responsible for the degradation of 4-t-BP in aqueous solution. Ferrous ion (Fe(II)) was also formed during the reaction. With the increasing Fe(III)-EDDS concentration, 4-t-BP degradation rate increased but is inhibited when the Fe(III)-EDDS concentration was too high. Indeed, Fe(III)-EDDS is the scavenger of HO•. pH value had a significant effect on the degradation efficiency of 4-t-BP that was enhanced under neutral or alkaline conditions. On the one hand, Fe(III)-EDDS presented in the FeL-, Fe(OH)L2-, Fe(OH)2L3-, Fe(OH)4- four different forms under different pH conditions and they had different sensitivity to the UV light. On the other hand, pH value affected the cycle between Fe(III) and Fe(II ). The formation of hydroperoxy radicals (HO2•) and superoxide radical anions (O2•-) (pka = 4.88) as a function of pH was also one of the reasons. It was observed that O2 was an important parameter affecting the efficiency of this process. This effect of O2 is mainly due to its important role during the oxidation of the first radical formed on the pollutant. (...)

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal