京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19744号 / 工博第4199号 / 新制||工||1648(附属図書館) / 32780 / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 中條 善樹, 教授 赤木 和夫, 教授 松原 誠二郎 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Les composés organiques présentant une chiralité portée par un atome de phosphore sont appelés composés P-chiraux, P-chirogéniques ou P-stéréogéniques. Ces composés trouvent des nombreuses applications dans l’industrie agrochimique et pharmaceutique, en tant qu’outils de coordination, mais surtout en catalyse organométallique asymétrique en tant que ligands privilégiés (Prix Nobel pour W. S. Knowles en 2001). Cependant, la synthèse de composés P-chiraux reste un défi majeur et les méthodes actuellement utilisées sont souvent difficiles à mettre en oeuvre et multi-étapes. Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés au développement d’une méthodologie efficace et inédite pour la synthèse de composés P-stéréogeniques. Notre approche est basée sur la réaction d’Atherton-Todd et implique le dédoublement cinétique dynamique lors d’un couplage entre un phénol portant un auxiliaire de chiralité, ie. le sulfoxyde, et un H-phosphinate racémique. De plus, la post-functionalisation des composés diastéréomériques P-chiraux ainsi obtenus est possible dans des conditions douces, permettant ainsi d’accéder à un large panel de composés P-stéréogeniques. Ainsi, cette nouvelle méthodologie permet de synthétiser, via un couplage O-P diastéréosélectif, des précurseurs originaux de composés P-chiraux variés. / Organic compounds having chirality on phosphorous atom, are called P-stereogenic, P-chirogenic or P-chiral compounds. These compounds are widely used in agrochemistry, pharmacy, coordination chemistry and in organometallic asymmetric catalysis, as one of the most important classes of chiral ligands (Nobel Prize 2001; W. S. Knowles). However, access to these P-stereogenic compounds, is challenging due to the complex, tedious and multi-steps synthetic methodologies. Herein, we report a highly efficient novel methodology to access P-stereogenic compounds, which often involves dynamic kinetic resolution (DKR) under modified Atherton-Todd reaction conditions, using a racemic H-phosphinate and an enantiopure phenol bearing a chiral sulfoxide moiety. Furthermore, the newly obtained O-P coupling product can potentially be post-functionalised under mild conditions to obtain various original P-stereogenic scaffolds. Thus, these O-P coupling products can be considered as highly potential precursors to access a variety of original P-stereogenic molecules.

Ce mémoire porte sur la synthèse asymétrique de ligands à pont méthano P-stéréogénique, ainsi que sur leurs applications en catalyse asymétrique, en chimie de coordination et pour la préparation de polymères de coordination avec des métaux de transition. Les diphosphines P-stéréogéniques sont synthétisées par création d'une liaison phosphore-carbone au niveau du pont méthano, à partir d'un anion formé en position α d'une méthylphosphines borane. Plusieurs stratégies ont été étudiées selon que l'électrophile est un complexe d’oxazaphospholidine borane, un phosphinite borane ou une chlorophosphine borane. L'utilisation de chlorophosphine borane dans cette synthèse s'est révélée la plus stéréosélective car les excès énantiomériques obtenus sont supérieurs à 99%. Les différentes stratégies étudiées montrent qu'il est possible d’accéder à des diphosphines diborane à pont méthano variées, dissymétriques ou de symétrie C2, porteuses de substituants alkyl ou aryl, tels que Me, OMe, Ph, o-An... Les diphosphines P-stéréogéniques obtenues ont été utilisées pour la synthèse des premiers clusters chiraux du palladium. Ceux-ci sont obtenus par réaction des ligands diphosphines, fraîchement décomplexées avec du DABCO, avec l’acétate de palladium en présence d’acide trifluoroacétique dans un mélange eau/acétone sous pression de CO. La structure cristallographique d'un des clusters de palladium préparés a pu être établie, confirmant la structure avec un cœur trimétallique de palladium. L'étude des propriétés électrochimiques et l'analyse RPE de ces clusters a permis de mettre en évidence la formation du premier radical dans un environnement chiral hautement structuré. Une étude de la réactivité de ces clusters chiraux dans une réaction de Friedel Craft a été réalisée, mais le produit est obtenu de façon non catalytique et sans activité optique significative. Par contre dans le cas de réactions asymétriques, tels que l’hydrogénation, l’hydrosilylation, l’allylation ou la réaction de Diels Alder, catalysées par des complexes du rhodium, du palladium ou d’argent, des inductions asymétriques de 30-38% sont obtenus. Il ressort que les synthèses stéréosélectives mises au point dans ce travail, permettent d'envisager maintenant les modifications structurales nécessaires à l'optimisation de ces catalyses asymétriques. Enfin dans une dernière partie, les diphosphines à pont méthano P-stéréogéniques ont été utilisées pour la préparation d'une nouvelle classe de polymères de coordination chiraux, dérivés du cuivre ou de l'argent. Les études photophysiques et le dichroïsme circulaire ont permis d’établir pour la première fois la structure 1-D de tels polymères et de mettre en évidence les propriétés optiques des macrocomplexes énantiomères. / We were interested in asymmetric synthesis of P-stereogenic methano bridged ligands and in their applications in asymmetric catalysis, coordination chemistry and in the preparation of coordination polymers of transition metals. P-stereogenic diphosphines were obtained highly stereoselectively by creation of a phosphorus-carbon bond on the methano bridge, starting from the anion formed in α position of methylphosphine borane. Several strategies were investigated, with the electrophiles varying from oxazaphospholidine borane complex, phosphinite borane, to chlorophosphine borane. The most stereoselective synthesis was obtained using chlorophosphine borane leading enantiomeric excesses up to 99%. Various methano bridge diphosphine diboranes, dissymmetric or C2-symmetric, bearing alkyl or aryl substituants (Me, OMe, Ph, o-An...), have been synthetised. The first chiral palladium clusters was prepared by reaction of the freshly decomplexed diphosphine with palladium acetate and trifluorocetic acid in water/acetone mixture under CO pressure. The palladium trimetallic center structure of the cluster was confirmed by X-ray analysis. Electrochemical properties and EPR analysis pointed out the formation of the first radical in highly structurated chiral environment. Preliminary studies of the chiral clusters in asymmetric Friedel Craft reaction were carried out, but lead to the product in a non-catalytic way and with no significant optical activity. The prepared chiral ligands were tested in asymmetric catalyzed hydrogenation, hydrosilylation, allylation and Diels Alder reaction using rhodium, palladium and silver derived catalysts and afforded low selectivities from 30 to 38% e.e. Nevertheless, the stereoselective syntheses of the diphosphine ligands elaborated in this work allow to pursue the optimisation of asymmetric catalysis by structural modifications. In the last chapter, P-stereogenic methano bridge diphosphines were used for the preparation of a new class of chiral coordination polymers derived from copper and silver. Photophysical studies and circular dichroism confirmed the 1-D structure and the optical properties of such polymers.

La première partie de ce manuscrit traite de la synthèse de phosphine-boranes P-stéréogènes énantioenrichis à partir d’un précurseur développé par notre laboratoire : le H-phénylphosphinate d’adamantyle. Grâce au développement d’une séquence monotope, une variété d’oxydes de phosphine P-stéréogènes de haute pureté optique a pu être synthétisée. Ces composés comportant une attache hydroxyle ont ensuite été réduits de façon stéréospécifique en présence de borane pour générer les précurseurs phosphine-boranes correspondants. Lors de cette étape de réduction, l’importance de la fonction hydroxyle a été mise en évidence, et un mécanisme basé sur la formation d’une espèce phosphaboracyclique intermédiaire a été proposé, sur la base de l’isolement d’intermédiaires réactionnels O-borés. Les trois rôles du borane (activation, réduction, protection de la phosphine) ont été clairement identifiés dans ce processus. Dans un second temps, nous avons pu mettre à profit la rétroaddition du groupement hydroxyalkyle en milieu basique lors de l’alkylation stéréospécifique chimiodivergente de phosphure-boranes masqués. Cette rétroaddition a permis de contourner l’instabilité chimique et configurationnelle des phosphures générés in situ, permettant l’accès à des phosphine-boranes fonctionnalisés de manière énantiospécifique. Ces ligands P,N ont été ensuite complexés au palladium et les complexes ont pu être testés comme catalyseurs de couplages C-C énantiosélectifs. Lors de ces couplages, l’angle de morsure du ligand s’est révélé crucial pour la réactivité du système catalytique. / The first part of this manuscript deals with the synthesis of enantioenriched P-stereogenic phosphine-boranes from a chiral precursor developed in our laboratory: H-adamantyl phenylphosphinate. Through the design of a one-pot procedure, the synthesis of a wide array of highly enantioenriched phosphine oxides has been achieved. These hydroxy-functionalised compounds were reduced stereospecifically under borane conditions to yield the corresponding hydroxyalkylphosphine-boranes. During the study of this reaction, the importance of hydroxy group has been highlighted, and a mechanism relying on the formation of transient phosphaboracyclic intermediate could be proposed, on the basis of kinetic observation and isolation of O-borylated intermediates. In this transformation, borane seems to display three roles: activating, reducing and protecting agent. Next, we were able to take advantage of the retroaddition of hydroxyalkyl moiety under basic conditions to develop a new approach for the stereospecific and chemodivergent alkylation of masked secondary phosphine-boranes. This unusual reactivity allowed us to circumvent the relative chemical and configurational instability of such in situ generated phosphido-boranes intermediate, thus enabling the stereospecific synthesis of functionalised tertiary phosphine-boranes. These P-N ligands have been complexed to palladium, and the catalytic activity of these complexes in enantioselective C-C couplings has been studied. During the catalytic process, it appears that the ligand bite angle plays an important role in the catalyst activity.