Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie organometallique et de coordination : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. dans le corps du texte.

Th.--Sci.--Université de Strasbourg 1, 1985. / Bibliogr. p. 257-280.

Thesis (Ph.D.) - University of St Andrews, November 2009.

Ce travail développe une nouvelle approche de la catalyse biphasique aqueuse qui repose sur la construction de micelles réticulées à partir de polymères de type cœur-coquille. Le catalyseur (Rh) doit être incorporé sur les ligands du polymère dans la couche interne lipophile et la coquille hydrophile externe permettra de le séparer aisément du milieu réactionnel organique (oct-1-ène, nonanal, pour la réaction modèle d'hydroformylation choisie). La première partie du projet a donc consisté à préparer ces polymères à couche périphérique hydrophile assurant leur confinement en phase aqueuse et une partie interne lipophile contenant les sites actifs pour la réaction. Deux stratégies ont été explorées avec succès pour aboutir à ces structures en s'appuyant sur la polymérisation radicalaire par transfert d'atome. La première, dite « convergente », met en jeu la réticulation des copolymères linéaires fonctionnalisés préformés en présence de monomères divinyliques. La préparation des macroamorceurs linéaires fonctionnalisés a permis d'effectuer en parallèle une optimisation des conditions d'introduction d'un monomère fonctionnalisé par une phosphine qui servira par la suite de ligand pour le métal. Cette voie d'assemblage s'est avérée inefficace car un résidu des chaines linéaires non-incorporées accompagnait les produit de réticulation. Sa contrepartie, l'approche dite « divergente », a été abordée à partir de l'extension de chaines provenant d'un cœur réticulé. Les structures cœur-coquille fonctionnalisées ainsi obtenues ont des distributions de taille très homogènes. Dans le but d'évaluer leur potentiel catalytique, les copolymères fonctionnalisés, linéaires et réticulés, ont été utilisés comme ligands pour l'hydroformylation de l'oct-1-ène catalysée par le rhodium en phase homogène. Le confinement du complexe au sein des polymères a entraîné une amélioration de la régiosélectivité ainsi qu'une diminution de l'activité avec les deux types de polymères utilisés par rapport au ligand PPh3. Grace au caractère vivant de la polymérisation qui permet l'association des étapes synthétiques en séquence, il a été possible d'introduire des blocs de type PtB(M)A comme précurseurs pour l'obtention d'un bloc externe hydrophile de type P(M)AA. Les résultats préliminaires d'hydrosolubilisation des nanoréacteurs sont aussi présentés. / The current project is focused on the development of a new tool for the rhodium-catalyzed aqueous biphasic hydroformylation based on the construction of crosslinked micelles from core-shell polymers. The first goal of the project was the preparation of polymers having an hydrophilic shell that insures solubility and total confinement in the aqueous phase and a lipophilic inner shell acting as a support of active catalytic sites. Two strategies were explored to achieve such structures based on atom transfer radical polymerization. The first one, known as “arm-first”, involved the crosslinking of preformed functionalized linear copolymers in the presence of divinyl monomers. The preparation of functionalized linear macroinitiators allowed at the same time the optimization of the conditions for the introduction of a functionalized phosphine monomer that will ultimately serve as a ligand for the metal. This assembly pathway was ineffective because some residual dead chains accompanied the crosslinking product of the reaction. Its counterpart, the approach called "core-first", is based on the extension of chains from a crosslinked core. From this second approach, functionalized core-shell structures with very uniform size distributions were obtained. Both linear and cross-linked copolymers were used as ligands for the rhodium catalyzed hydroformylation of 1-octene under homogeneous conditions in order to test their catalytic performance. Because of the confinement of the ligand inside the polymer coils, a selectivity improvement as well as the slowdown of the reaction rate was observed relative to PPh3 ligand. The living character of the synthesis technique allowed the introduction of external PtB(M)A blocks: precursors to obtain a hydrophilic outer shell P(M)AA. Preliminary hydrosolubilization results of the nanoreactors will be presented in the last part of the manuscript.

La synthèse d'amines chirales par catalyse asymétrique à l'aide de complexes de métaux de transition suscite un grand intérêt, puisque cela conduit à la production de molécules à haute valeur ajoutée. La voie catalytique offre une alternative avantageuse par rapport aux voies de synthèses conventionnelles, dont les inconvénients sont d'une part des produits de départ coûteux et d'autre part un grand nombre de produits secondaires, sans parler des étapes de synthèse souvent nombreuses. Dans le cadre d'un projet industriel visant à développer des outils catalytiques performants pour la synthèse d'amines chirales, nous nous sommes orientés vers le développement d'un système qui permettrait de réaliser l'hydroaminométhylation d'alcènes de façon énantiosélective. L'hydroaminométhylation est une réaction tandem combinant deux réactions catalytiques, l'hydroformylation et l'hydrogénation. A partir de molécules modèles, nous avons développé une approche permettant de rationnaliser la création de centres asymétriques en fonction du type de substrat utilisé, soit au cours de l'hydroformylation, soit au cours de l'hydrogénation de l'énamine intermédiaire. La réaction a été étudiée en version intermoléculaire et intramoléculaire. Le cycle catalytique de l'hydroformylation et celui de l'hydrogénation possèdent chacun des exigences différentes au niveau de la sphère de coordination du métal. De plus, les conditions de la réaction tandem ont une influence sur les espèces catalytiques formées et les sélectivités de la réaction. Grâce à des études de RMN sous pression, confirmées par des calculs théoriques, nous nous sommes attachés à étudier le comportement des complexes du rhodium mis en jeu, sous pression et dans les conditions d'hydroaminométhylation. Ces études nous ont permis d'approfondir la connaissance des espèces catalytiques impliquées dans cette réaction tandem. L'ensemble du travail de recherche a été mené en combinant les approches fondamentale et appliquée, nous permettant ainsi de proposer un outil catalytique adapté au substrat de départ considéré, dans la perspective d'une application industrielle de la réaction. / Amines are of great importance as building blocks or reactants in the chemical industry. The development of catalytic processes for their synthesis is thus of particular interest from an industrial point of viewsince they can afford an alternative to conventional synthetic pathways. In the context of an industrial project aiming to synthesize chiral amines, we focused on the development of a catalytic system adapted to the asymmetric hydroaminomethylation of alkenes. This tandem reaction includes two transition metal catalyzed reactions under CO and H2 pressure: the hydroformylation and the hydrogenation reactions. Starting from model molecules, we proposed an approach to carefully study the creation of asymmetric centers during the reaction sequence, either in the hydroformylation step or in the enamine intermediary hydrogenation step. The reaction was studied in its inter- and intramolecular version.Rhodium is often used for the hydroaminomethylation reaction, since it is able to complete both catalytic cycles of hydroformylation and hydrogenation. However, requirements in the coordination sphere of the metal center and species involved in each catalytic cycle are presumed to be different. Thanks to high pressure NMR experiments, combined with DFT calculations, the behaviour of rhodium complexes involved in the catalysis was investigated under conditions close to those of hydroaminomethylation. The knowledge of the rhodium species involved in the reaction was also improved thanks to these spectroscopic and catalytic experiments. The fundamental and applied approaches result in a deeper understanding of the tandem reaction sequence and allow us to design a catalytic system adapted to the starting substrate, in the purpose of an industrial application of the reaction.

Dans cette thèse, la synthèse, la caractérisation et les applications en catalyse de nanoparticules mono- et bimétalliques à base de rhodium sont décrites. Le rhodium a été choisi comme métal central de cette étude en raison de son intérêt reconnu en catalyse, principalement pour les réactions d'hydrogénation et d'hydroformylation. La synthèse de nanoparticules de rhodium monométalliques constitue le coeur de ce travail. Elle a été réalisée par décomposition du complexe organométallique [Rh(C3H5)3] en solution, sous pression de dihydrogène et en présence de différents stabilisants tels que des ligands et des polymères pour contrôler la croissance des particules. Certaines nanoparticules ont été déposées sur la surface d'une silice magnétique fonctionnalisée par des groupements amines utilisée comme support, dans un objectif de récupération plus aisée pour le recyclage des catalyseurs. Diverses nanoparticules bimétalliques ont également été préparées par co-décomposition du complexe [Rh(C3H5)3] avec d'autres précurseurs organométalliques, incluant [Ni(cod)2], [Ru(cod)(cot)], [Pt(nor)3] et [Pd(dba)2]2. En modulant les ratios de métaux entre [Rh] et le second métal [M], ainsi que la nature et la quantité de stabilisant utilisé pour la synthèse, des nanoparticules de tailles et de compositions chimiques différentes ont pu être obtenues. La caractérisation des nanoparticules ainsi préparées a été menée en utilisant une combinaison de techniques de l'état de l'art (TEM, HRTEM, STEM-EDX, ICP, WAXS, EXAFS, XANES, XPS, RMN ...). Pour certaines nanoparticules de rhodium, des études de surface ont été réalisées, par adsorption du CO sur la surface des particules et un suivi par des techniques spectroscopiques (FT-IR, RMN) pour sonder leur état de surface. Un autre aspect de ce travail a concerné l'évaluation des nanoparticules synthétisées dans des réactions catalytiques, en particulier réactions d'hydrogénation avec des particules monométalliques de Rh et réaction d'hydrogénolyse avec des nanoparticules bimétalliques RhNiOx. Dans le cas de la catalyse d'hydrogénation, des études en conditions colloïdales et supportées ont été réalisées. L'originalité de ce travail réside dans le développement d'outils de synthèse simples inspirés de la chimie organométallique pour obtenir des nanoparticules à base de rhodium bien contrôlées en termes de taille, distribution en taille, composition et état de surface, tous ces paramètres étant importants quelle que soit l'application visée. L'intérêt des nanoparticules obtenues en catalyse a également été mis en évidence dans différentes réactions. Ce travail de thèse offre de nouvelles opportunités de recherche, tant en nanochimie qu'en catalyse. / In this thesis, synthesis, characterization and catalytic applications of mono- and bi-metallic rhodium-based nanoparticles are reported. Rhodium has been chosen as a primary metal given its high interest in catalysis, mainly in hydrogenation and hydroformylation reactions. The synthesis of mono-metallic rhodium nanoparticles (NPs) is the core of this work. It was performed by decomposition of the organometallic complex [Rh(C3H5)3] in solution under dihydrogen pressure and in the presence of different stabilizers including ligands and polymers to control the growth of the particles. Selected nanoparticles were deposited on the surface of amino-functionalized magnetic silica as a support for recovery and recycling concerns in catalysis. Diverse bi-metallic nanoparticles have been also prepared in one-pot conditions by co-decomposition of the [Rh(C3H5)3] with other organometallic precursors including [Ni(cod)2], [Ru(cod)(cot)], [Pt(nor)3] and [Pd(dba)2]2. Tuning of the metal ratios between [Rh] and the second metal [M], or of the nature and the amount of the stabilizer used for the synthesis allowed to obtain nanoparticles of different sizes and chemical compositions. The characterization of the obtained nanoparticles was performed by using a combination of state-of-art techniques (TEM, HRTEM, STEM-EDX, ICP, WAXS, EXAFS, Xanes, XPS, NMR...). Surface studies were carried out in some cases, by adsorbing CO on the surface of the particles which was followed by spectroscopic techniques (FT-IR, NMR) to probe their surface state. Some of these nanoparticles were investigated in catalytic reactions, mainly hydrogenation with Rh NPs and hydrogenolysis for RhNiOx NPs. Both colloidal and supported catalytic studies were carried out in the case of hydrogenation catalysis. The originality of this work lies in the development of simple synthesis tools inspired from organometallic chemistry to get well-controlled rhodium-based nanoparticles in terms of size, size distribution, composition and surface state, all these parameters being important whatever the target application. The interest of the obtained nanoparticles in catalysis has been also evidenced in different reactions. This PhD work may open new opportunities of research both in nanochemistry and catalysis.

L'hydroformylation (l’action d’un mélange gazeux CO/H2 sur une liaison C=C en présence d’un catalyseur métallique pour former des aldéhydes) du 10-undécénitrile (une oléfine biosourcée obtenue à partir d'huile de ricin) a été étudiée. Elle représente une étape clé dans la synthèse de monomères vers le polyamide-12. La combinaison in situ de Rh(acac)(CO)2 avec 20 équivalents de Biphephos, un ligand biphosphite encombré, conduit à une régiosélectivité (rapport aldéhyde linéaire/branché, l/b jusqu’à 99:1), une chimiosélectivité (jusqu’à 74% d’aldéhydes) et une activité (TOF jusque 28,000 mol(aldéhydes).mol(Rh)-1.h-1) optimisées. Les conditions opératoires, en particulier le rapport substrat-catalyseur, ont une forte influence sur l’isomérisation de la liaison C=C: une forte rétro-isomérisation des alcènes internes en oléfines terminales peut être observée sous certaines conditions. L’isomérisation-hydroformylation de l'oléonitrile (une autre oléfine grasse biosourcée avec une liaison C=C en milieu de chaine) a aussi été étudiée. Nous avons également démontré que la combinaison in situ de précurseurs de ruthénium, un métal significativement moins cher mais moins étudié, avec le ligand Biphephos conduit à des productivités élevées et à des sélectivités identiques à celles obtenues avec le système Rh-Biphephos. Le recyclage du catalyseur par nanofiltration organique (OSN) a été validé (99% de recyclage du système catalytique Rh-Biphephos). La modification du Biphephos pour améliorer sa récupération par nanofiltration a été entreprise: une nouvelle synthèse impliquant une étape de métathèse croisée avec des acrylates a été validée et des ligands avec un volume plus important, et possiblement une affinité différenciée vis-à-vis de la membrane, ont été développés. / Hydroformylation (action of syngas on C=C bonds in presence of a transition metal-catalyst to form aldehydes) of 10-undecenitrile (a bio-sourced fatty olefin obtained from castor oil) was studied as a key reaction step toward the formation of monomers for polyamide-12 synthesis. In situ combination of Rh(acac)(CO)2 with 20 equiv of Biphephos, a bulky biphosphite ligand, led to optimized regioselectivity (linear-to-branched aldehyde ratio; l/b up to 99:1), chemoselectivity (up to 74% of aldehyde) and activity (TOF up to 28,000 mol(aldehydes).mol(Rh)-1.h-1). Reaction conditions, in particular the substrate-to-catalyst ratio, have a strong influence on the extent of the isomerization side-reaction: a strong back-isomerization of internal alkenes into terminal olefins was observed under specific conditions. Tandem isomerization-hydroformylation was also investigated through the prism of oleonitrile (another biosourced long-chain fatty olefin with a C=C bond in remote internal position). It was also demonstrated that in situ combinations of ruthenium precursors, a much cheaper but poorly studied metal, with Biphephos lead to high productivities and similar selectivities than Rh-based systems. Catalyst recycling by Organic Solvent Nanofiltration (OSN) was possible (99% of Rh-Biphephos catalytic system recovery). Structural modification of Biphephos to improve its recovery by OSN was undertaken. An original synthetic pathway involving insertion of vinyl moieties on the Biphephos frame to perform cross-metathesis with acrylates was validated and ligands with a higher volume, and possibly different affinity toward organic membranes, were undertaken.

Thesis advisor: James P. Morken / (+)-Discodermolide is a marine natural product and is one of the most potent microtubule stabilizers in human cell lines. Because of its unique linear structure and important properties, a number of total syntheses of (+)-discodermolide and its derivatives have been reported. Herein, an efficient, highly convergent, and stereocontrolled total synthesis is presented (Chapter 2). The synthesis relied on the development of three catalytic and stereoselective processes: platinum-catalyzed asymmetric diene diboration, nickel-catalyzed diastereoselective hydroboration of chiral dienes (Chapter 1), and nickel-catalyzed borylative diene-aldehyde coupling (see Chapter 4). Combination of these reactions allows preparation of the target in a short sequence. Moreover, the development of rhodium-catalyzed asymmetric hydroformylation (Chapter 3) makes this approach the first Roche ester free (+)-discodermolide synthesis. / Thesis (PhD) — Boston College, 2014. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Chemistry.

The side-on dioxygen adducts of N-heterocyclic carbene (NHC) containing rhodium complexes, [ClRh(IPr)2(O2)] and [ClRh(IMes)2(O2)], previously synthesized in our laboratories possess a square planar geometry and O-O bond lengths of 1.323(3) and 1.341(4) Å, respectively. Both of these attributes are uncharacteristic of Rh(O2) complexes, which are typically octahedral and possess O-O bond lengths of approximately 1.45 Å. Full characterization by NMR, IR, Raman, DFT and XAS confirmed the short O-O bond lengths of these structures and revealed that they were rhodium(I) coordination complexes of singlet oxygen with no net oxidation/reduction process having taken place. The unique bonding mode appears to result from the interaction of a filled Rh d orbital with one of the two degenerate O2 * orbitals, which causes splitting of the O2 * orbitals, favoring spin pairing in the O2 HOMO, and the inability of Rh to donate electron density to the empty * orbital. Initial investigations of these complexes as catalysts for the reduction and oxidation of C-O bonds, as well as singlet oxygen generation were also undertaken. Rh(IPr)2 coordination complexes of N2, H2 and CO were also synthesized and characterized by X-ray crystallography, NMR and elemental analysis. Interestingly, the addition of hydrogen gas to rhodium did result in oxidation of the metal. A Rh(NHC) complex featuring an anionic acetate ligand, [(AcO)Rh(IPr)(CO)2], was synthesized and characterized by NMR, IR and X-ray crystallography. This complex proved to be an effective catalyst for the regioselective hydroformylation of aliphatic and aromatic alkenes, which occurred without isomerization of the alkene. Initial rates of hydroformylation with our catalyst were compared to the chloride analogue, [ClRh(IPr)(CO)2], and demonstrated the beneficial nature of replacing the halide with a carboxylate ligand, which is less inhibiting of the reaction. The synthesis of a bifunctional hydrogenation catalyst featuring a protic-NHC was attempted by addition of benzimidazoles to [Cl2Ru(diphosphine)]. Although these attempts were unsuccessful, a large number of complexes of the formula [Cl2Ru(diphosphine)(-N3-benzimidazole)2] were synthesized and proved to be effective catalysts for the chemoselective hydrogenation of ketones versus alkenes. Use of chiral diphosphines and 1-triphenylmethylbenzimidazole yielded catalysts capable of producing secondary alcohols with moderate enantioselectivity. / Thesis (Ph.D, Chemistry) -- Queen's University, 2010-09-17 12:44:52.686

The hydroformylation of unfunctionalised olefins (such as prop-1-ene and oct-1-ene) is an extremely valuable process and is practised on a massive scale industrially in the synthesis of commodity chemicals. In fact, it represents the worlds largest scale application of homogeneous catalysis. As a result, the majority of research carried out on this reaction has been in the study of catalytic systems which provide high rates and selectivity for the production of linear aldehydes from terminal unfunctionalised olefins, with the products finding use in the production of plasticizers and detergents. Asymmetric hydroformylation, the enantioselective variant of this reaction is extremely attractive, as low cost or easily accessible olefins are transformed into highly versatile value-added enantioenriched aldehydes in a single step. However synthetic organic chemists interested in the synthesis of fine chemicals, both in academia and industry, have been slow to adopt this attractive protocol for the production of chiral aldehydes. This is mainly due to the fact that in the past catalysts for this reaction exhibited low activity and/or selectivity in this process. However, the last two decades have seen major advances, mainly in the development of highly effective chiral ligands, and with these developments the time has come to tackle the vastly under-explored area of asymmetric hydroformylation of more functionalised olefins. To set the scene for the research carried out during this project a brief introduction will be given which highlights the historical development of highly efficient catalysts for the hydroformylation of olefins. This will be accompanied by some examples of the use of this methodology in the synthesis of pharmaceutically relevant compounds. It should become apparent from the introduction that the asymmetric hydroformylation of functionalised olefins and in particular nitrogen containing olefins, has received very little attention despite the fact that over half of all medicinal compounds contain at least one nitrogen containing functional group. Firstly we describe hydroformylation as a useful alternative to the classical synthesis of a delicate chiral building block, namely α-formyl amides. These compounds, traditionally only available through multi-step synthetic procedures from enantiopure starting materials, have been accessed by asymmetric hydroformylation of readily accessible and in some cases commercially available acrylamides. By judicious choice of reaction conditions and selection of the appropriately active chiral ligand enantioenriched α-formyl amides (e.e. up to 82%) were produced in high yield. A comparison is made between the classical route and the hydroformylation route to illustrate the potential of this efficient transformation. We have studied the hydroformylation of enamides, a much under-studied substrate class in hydroformylation and developed knowledge of how some more functionalised 1,1- and 1-2-subtituted olefinic amides react under hydroformylation conditions. This research illustrates the work still to be done in terms of development of more active and selective catalysts for this reaction but despite limitations we developed a potential route to gamma amino aldehyde derivatives which could be used in turn in the synthesis of physiologically important gamma amino butyric acid (GABA) derivatives. We provide an example of the highly efficient and selective asymmetric hydroformylation of a bicyclic olefinic lactam, which is of industrial importance in the synthesis of carbocyclic nucleosides. We demonstrate the efficiency of this synthetic methodology by synthesising the central pharmacophore of a potent anti- HSV-1 (herpes simplex virus) carbocyclic nucleoside via a hydroformylationreduction protocol. The classical synthesis of this pharmacophore involves nine synthetic transformations to produce racemic material, whereas the hydroformylationreduction protocol produces highly enantioenriched material in just two steps. We also demonstrate some downstream chemistry of the aldehyde products showcasing the synthetic versatility of the aldehyde functionality in the production of a variety of functionalised cyclopentanes. Finally the synthesis and catalytic testing of a group of novel phosphine-phosphite ligands for use in asymmetric hydroformylation is described, one of which produces unprecedented regioselectivity and state of the art enantioselectivity in the asymmetric hydroformylation of styrene. Highly selective asymmetric hydroformylation of the other two ‘model substrates' in this reaction namely, vinyl acetate and allyl cyanide is also achieved. Having shown high activity and selectivity over these ‘model substrates' this ligand takes its place among the small group of highly active and selective ligands available for asymmetric hydroformylation and may also help to broaden the substrate scope of this efficient and atom-economic transformation.