Les travaux réalisés au cours de cette thèse sont centrés sur la synthèse et la réactivité de ligands phosphorés à caractère faiblement s-donneur et fortement p-accepteur. Il s'agit de ligands phosphines présentant une charge cationique en position a de l'atome de phosphore. Cette charge positive est amenée alternativement par un fragment amidinium ou bien cyclopropénium, conduisant respectivement aux amidinio- et cyclopropéniophosphines. Ces travaux sont présentés en trois chapitres. Dans le premier chapitre, après un partie bibliographique, nous avons décrit la synthèse de di-imidazolo- et di-imidazoliophosphines diversement P-substituées par des groupements aryle, alkyle et di(alkyl)amino. L'étude de la réactivité de ces ligands vis-à-vis d'acides de Lewis métalliques ou non a permis de démontrer que la nature du substituant porté par l'atome de phosphore influençait de façon critique les propriétés de coordination. Divers complexes métalliques et oxydes de phosphines ont été ainsi obtenus et entièrement caractérisés. Dans le deuxième chapitre, nous nous sommes intéressés à la préparation de phosphines a-cationiques chirales. Deux cas distincts ont été ainsi considérés : des phosphines cationiques à chiralité électrostatique dans lesquelles l'effet électrostatique prime sur l'effet stérique et des phosphines cationiques à chiralité stérique dans lesquelles l'effet stérique est cette fois-ci prédominant. Il a été démontré qu'en dépit des effets électroniques et stériques présents, ces phosphines étaient capables de se coordiner à un centre métallique. Divers complexes de métaux de transition de ces phosphines P-chirogènes ont été ainsi préparés et entièrement caractérisés. Dans le cas des phosphines à chiralité électrostatique, une version énantiopure a été isolée grâce à l'utilisation d'un complexe de palladium(II) orthométallé optiquement actif comme agent de dédoublement. Le troisième chapitre est axé sur le développement de ligands carbonés anioniques fortement donneurs de type imidazolyle et de leurs complexes. Afin de contre-balancer l'extrémité carbonée donneuse, une partie phosphorée acceptrice de type imidazolophosphine a été introduite. En série rhodium(I), deux complexes de ces ligands chélatants hybrides phospho-carbonés ont été ainsi isolés et caractérisés. / The project developed during this PhD thesis aims at the synthesis and reactivity of phosphorus ligands with weak s-donor and strong p-acceptor properties. They correspond to phosphine ligands featuring a cationic charge in a position of the phosphorus atom. The cationic charge can be introduced alternatively through an amidinium or a cyclopropenium moiety affording amidinio- and cyclopropeniophosphines, respectively. In the first chapter, after a bibliographical section, the synthesis of di-imidazolo- and di-imidazoliophosphines with aryl, alkyl and dialkylamino P-substituents is described. The study of the reactivity of these phosphine ligands towards metallic (or not) Lewis acids demonstrates that the nature of the P-substituent influences dramatically the corresponding coordination properties. Various cationic metal complexes and phosphine oxides are obtained and fully characterized. The second chapter of the thesis is focused on the development of chiral a-cationic phosphines. Two different cases are considered: cationic phosphines with electrostatic chirality where steric effects may be neglected and cationic phosphines with predominant steric chirality. In both cases, despite electron-poor character, these phosphines were shown to coordinate various transition metal centers. In the case of phosphines featuring electrostatic chirality, a representative was isolated in an optically pure form through the use of chiral orthometallated palladium(II) complexes as resolving agents. Finally, the third chapter concerns the development of imidazolyl carbon ligands and the corresponding complexes. In order to balance the electron-richness of the anionic imidazolyl donor extremity, an electron-poor phosphorus coordinating end, namely an imidazolophosphine is introduced. In the rhodium(I) series, two chelating complexes of these hybrid 'rich-poor' carbon-phosphorus ligands have been isolated and characterized.

Cette thèse porte sur la synthèse de ligands P-stéréogéniques dérivés du calix[4]arène et leur utilisation en catalyse asymétrique dans des complexes de métaux de transition. Des mono et diphosphines ont été préparées sur la cavité supérieure du macrocycle par réaction du mono ou dianion du calix[4]arène avec des chlorophosphines borane ou le complexe d’oxazaphospholidine borane préparés à partir d’éphédrine. La meilleure sélectivité est observée par réaction du dianion avec le complexe d’oxazaphospholidine borane qui conduit à une bisaminophosphine borane. Après acidolyse par HCl pour donner la bischlorophosphine correspondante puis réaction avec organolithien, les diphosphines diborane sont obtenus avec 40 à 60 % de rendement. Les structures cristallographiques des ligands préparés confirment la stéréospécificité de la méthode éphédrine. La préparation de diphosphines P-stéréogéniques surélevées au dessus de la cavité supérieure du calix[4]arène a été effectuée par réaction de phosphures borane avec le dérivé bisiodométhyl correspondant. Des ligands de type aminophosphinephosphinite (AMP*P) ont également été préparés à partir du produit d’ouverture du complexe d’oxazaphospholidine borane par l’anion du calixarène. Les différents ligands ont été synthétisés en série complexée au borane. La décomplexation est ensuite réalisée par réaction avec le DABCO et les phosphanes libres obtenus quantitativement ont été utilisés pour la préparation de catalyseurs chiraux de métaux de transition. Les AMP*P porteurs d’un substituant calix[4]arène sur le fragment aminophosphine ont permis d’obtenir de très bonnes inductions asymétriques en catalyse d’hydrogénation de l’α-acétamidocinnamate de méthyle par des complexes de rhodium (98% e.e.). L’étude comparée avec des ligands homologues d’un point de vue stérique et/ou électronique montre clairement l’influence bénéfique du substituant calix[4]arène. Les mono et diphosphines P-stéréogéniques fonctionnalisées sur la partie supérieure du calix[4]arène ont été utilisés en substitution allylique catalysée par des complexes de palladium. La réaction donne d’excellents rendements et stéréosélectivités avec des nucléophiles carbonés et azotés. Les meilleures inductions ont été obtenues avec une diphosphine porteuse de substituants méthyl et phényl au niveau des atomes de phosphore, qui entraîne des excès énantiomériques de 82% et 79 % en alkylation et en amination, respectivement. / We were interested in synthesis of P-stereogenic ligands derived from calix[4]arene and in their application in asymmetric catalysis. Mono et diphosphines were prepared on the upper rim of the macrocyle starting from the mono or dianion of the calix[4]arene and chlorophosphines borane or the oxazaphospholidine borane complex. The best selectivity was obtained by reaction of the dianion with the oxazaphospholidine borane complex leading to a bisaminophosphine borane. After acidolysis with HCl giving the corresponding bischlorophosphine and reaction with organolithium reagents, diphosphines diborane were obtained with good yields (40 à 60 %). X-ray structures of the prepared ligands confirmed the stereospecificity of the ephedrine method. Preparation of P-stereogeniques diphosphines elevated above the upper rim of the calix[4]arène was carried out by reaction of phosphides borane with the corresponding bisiodomethyl derivative. Ligands aminophosphinephosphinite (AMP*P) were also prepared from the opened product of the oxazaphospholidine borane complex by the calixarene anion. Ligands were synthetised in borane complex serie. Decomplexation with DABCO affords quantitatively the free phosphanes which were used in the preparation of transition metal catalysts. AMP*P bearing calix[4]arene on the aminophosphine moeity gave very high asymetric induction in hydrogenation catalysis of methyl α-acetamidocinnamate with rhodium complexes (98% e.e.). Compared study with isoelectronic or sterically similar ligands obviously prove the positive influence of the calix[4]arene substituent. P-stereogenic mono and diphosphines on the upper rim of the macrocycle were used in asymetric allylic subtitution catalyzed with palladium complexes. High yields and enantioselectivities were obtained with carboned and nitrogened nucleophiles. The best inductions were carried out with a diphosphine bearing methyl and phenyl on the phosphorous centers, affording enantiomeric excesses of 82 % and 79 % in alkylation and in amination, respectively.

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.

Gas-phase electron diffraction (GED) is the only viable technique for the accurate structural study of gas-phase molecules that contain more than ~10 atoms. Recent advances in Edinburgh have made it possible to study larger, more complex, stable molecules using the SARACEN method. This thesis is concerned with obtaining the structures of unstable species, using both standard GED techniques and by developing a new method in which ash vacuum pyrolysis is used to generate short-lived species in situ. In the first part of this thesis nine primary phosphines (R-PH2) with different substituents (R = methyl, vinyl, ethynyl, allenyl, allyl, propargyl, phenyl, benzyl and chloromethyl) are studied by GED. Vinylarsine and vinyldichloroarsine are also studied. Primary phosphines and arsines appear infrequently in the literature owing to their toxicity and high reactivity, especially of the unsaturated systems. The conformational behaviour in these molecules and trends throughout the series are rationalised. As appropriate, comparisons are made to analogous amines and the differences found are discussed. Tertiary phosphines (R3P) are routinely protected by complexation with borane (BH3) and it has been proposed that this technique could be extended to primary phosphines. As an extension of the initial investigation, the GED study of methylphosphine-borane offers an insight into structural changes that occur upon complexation, although attempts to study larger phosphine-borane complexes by GED proved dificult. The structures and bonding trends in a series of phosphineborane adducts are discussed, mainly using the results of ab initio calculations. The second part of the thesis details the implementation of a new, very high temperature nozzle, which allows the generation of short-lived species by pyrolysis. The workings of this nozzle are discussed and the study of the structure of ketene, generated from three different precursors, is detailed. The benzyl radical has also been studied, and a preliminary GED structure is presented. As a result of this work the molecular structures of Meldrum's acid and dibenzylsulfone are also presented, having been determined in the gas phase for the first time.

Title: Light platinum group metal complexes with a ferrocene N-phosphinoamide Author: Bc. Michal Navrátil Department: Department of Inorganic chemistry Supervisor: prof. RNDr. Petr Štěpnička, Ph.D., DSc. Abstract: The aim of this diploma thesis is the preparation of coordination compounds containing ferrocene phosphinoamide FcCONHPPh2 (1, Fc = ferrocenyl), whose preparation was discussed in author's bachelor thesis. Twelve new complexes are described in this thesis, including their characterisation by NMR and infrared spectroscopy, elemental analysis and mass spectrometry. In all cases the crystal structure was determined. Two palladium(II), one rhodium(III) and one ruthenium(II) precursors were used for the preparation of the complexes with each providing three new compounds. A reaction of the precursors with phosphinoamide 1 yielded complexes, in which the phosphinoamide was P-coordinated. This compound was a precursor for the other two complexes. The first one was obtained by a reaction with silver(I) perchlorate producing a cationic P,O-chelate. The other was obtained by a reaction with potassium tert-butoxide resulting in neutral P,O- chelate. All twelve complexes were prepared with optimised yields. Keywords: ferrocene, amides, phosphines, palladium, rhodium, ruthenium, structure elucidation.

Cette thèse présente des avancées dans la synthèse et l'utilisation en catalyse énantiosélective de structures bicycliques à phosphore optiquement actif: les 1-phosphanorbornadiènes (1-PNBD). Le premier chapitre est consacré à une étude bibliographique sur les diphosphines chélatantes à phosphore asymétrique et leurs performances en catalyse énantiosélective. Le second chapitre décrit la mise au point et les performances catalytiques d'une nouvelle famille de diphosphines mixtes 1-PNBD-Phosphine. Le troisième chapitre reporte la synthèse d'un bis-1-PNBD de symétrie C2 par réaction de McMurry. Les tests catalytiques réalisés permettent de démontrer l'efficacité de cette nouvelle structure, en hydrogénation des oléfines et sur des réactions de couplage de type Heck asymétrique ou Tsuji-Trost. Le quatrième chapitre reporte l'emploi de cette nouvelle structure pour stabiliser des nanoparticules de palladium. Les résultats obtenus en C- et N-alkylation allylique, ainsi que la possiblité de recyclage de ce type de catalyseur démontrent l'intérêt de cette approche. Le dernier chapitre présente une nouvelle voie d'accès aux 1-phosphanorbornanes. Ces phosphines sont difficilement accessibles par synthèse directe. Grâce à une étude physico-chimique, il a été démontré que les phosphanorbornanes possèdent un caractère basique prononcé par rapport aux 1-PNBD. Ceci pourrait permettre d'élargir le champ d'application de la structure 1-PNBD en catalyse asymétrique.

19 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 2515" Roman Vladimirovich Rozhkov. 12/19/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

xx, 290 p. : ill. (some col.) / Macrocyclic phosphine compounds have long been sought as ligands for transition metal complexes because of their strong binding properties. Despite considerable effort in this field, no general methods for synthesizing phosphine macrocycles or their complexes have been developed. This dissertation describes attempts to synthesize an iron complex with a water-soluble macrocyclic tetraphosphine ligand for use in separating nitrogen from natural gas. Chapter I reviews previous syntheses of macrocyclic phosphine ligands and their complexes, focusing on ligand synthesis, coordination chemistry, and demetallation of the complexes. Chapter II reports on the synthesis of water-soluble secondary bidentate phosphine ligands, their coordination chemistry with iron(II), and attempts to use these complexes as templates for forming a macrocyclic iron-phosphine complex by reactions with carbon electrophiles. Over the course of treating these iron complexes with various carbon electrophiles, an interesting reaction between bromomaleic anhydride and proton sponge was discovered. Chapter III explores the product, 4-maleicanhydrido-1,8-bis-(dimethylamino)naphthalene (MAPS). Due to its conjugated donor-acceptor network, which is disrupted upon protonation, MAPS acts as a colorimetric version of a proton sponge. The attachment of MAPS to amine-functionalized solid supports, forming solid-supported proton sponge reagents, is also described. Chapter IV discusses the synthesis of an iron(II) complex of the water-soluble phosphine 1,2-bis(di(hydroxymethyl)phosphino)ethane (DHMPE). Although unbound hydroxymethylphosphines commonly react with NH-functional amines via the phosphorus Mannich reaction, this and other complexes of DHMPE do not undergo this reaction. Further investigation with hydroxymethylphosphine-boranes suggests that the currently-accepted mechanism of the phosphorus Mannich reaction is incorrect, and an alternate mechanism is proposed. Chapter V discusses the synthesis and functionalization of copper(I) complexes of water-soluble phosphines. Unlike the complexes described in Chapter I, these complexes readily react with α,ω-dihalides or di(acyl chloride)s, forming complexes whose mass spectra correspond to those with macrocyclic phosphine ligands. Unlike most macrocyclic tetraphosphine complexes, these complexes can be demetallated by treatment with sulfide. Finally, a new synthesis of water-soluble macrocycles, based on lessons learned during the course of these investigations, is proposed. This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material. / Committee in charge: Dr. Michael M. Haley, Chairperson; Dr. David R. Tyler, Advisor; Dr. Darren W. Johnson, Member; Dr. Shih-Yuan Liu, Member; Dr. Mark H. Reed, Outside Member

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / In recent years, mesoporous silica has attracted considerable scientifical and industrial interest. This material possess physical and chemical properties, which makes it to be used in a variety of applications. These properties include thermal stability, mechanical strength and low solubility, which makes it an ideal matrix support for catalysts. The heterogeneous catalysis has the advantage of separating catalyst from the reaction medium, which justifies the interest in heterogeneous catalysts. Coordination compounds are widely used in homogeneous catalytic processes, based on this there is a growing interest in producing catalytic systems onto heterogeneous silica matrices making very interesting materials. In this work, ruthenium complexes, [RuIICl2(dppb)(PPh3)] and [RuIIICl3(dppb)(OH2)] were synthesized and immobilized onto mesoporous silica matrices modified with aminopropyl and bipyridine groups forming the systems known as Si-apts-bipy-RuIICl2dppb and Si-apts-[bipy-RuIIICl2dppb]Cl-. These systems were characterized by spectroscopic techniques (FTIR, NMR and electronic absorption), electrochemical (cyclic and square wave voltammetry), thermogravimetry (TG), isotherms of adsorption / desorption of N2 and elemental analysis (CHN). The N2 adsorption isotherms using BJH (Barret, Joyner and Halenda) method for matrices shows the synthesized material has characteristics of micro and mesoporous with predominantly mesopore size. Si-apts-bipy-RuIICl2dppb system was the only one that showed catalytic activity in the reaction of hydrogenation of acetophenone with a yield of 53%. The development of catalysts in solid matrices is an area of great interest, which has justified this work. / A sÃlica mesoporosa à um material bastante versÃtil, com porosidade fÃcil de ser moldada tanto em forma quanto em tamanho, alÃm de possuir propriedades fÃsicas e quÃmicas que lhe possibilitam diversas aplicaÃÃes. Dessas propriedades destacamos a sua estabilidade tÃrmica, sua resistÃncia mecÃnica e sua pouca solubilidade as quais a tornam um suporte ideal para catalisadores. Nesse sentido, o uso de compostos de coordenaÃÃo ancorados em matrizes sÃlidas torna-se um interessante sistema a ser estudado, tendo em vista as propriedades, jà bem conhecidas, de alguns complexos metÃlicos de atuarem em catÃlise homogÃnea. De acordo com dados na literatura hà um contÃnuo interesse na sÃntese e caracterizaÃÃo de materiais mesoestruturados aplicados a heterogeinizaÃÃo de catalisadores, como por exemplo, o uso de compostos de coordenaÃÃo. Neste trabalho os complexos de rutÃnio, [RuIICl2(dppb)(PPh3)] e [RuIIICl3(dppb)(OH2)] foram sintetizados e imobilizados em matrizes de sÃlica mesoporosa modificada com grupos aminopropil e bipiridinÃcos, formando os sistemas denominados como Si-apts-bipy-RuIICl2dppb e Si-apts-[bipy-RuIIICl2dppb]Cl. Estes sistemas foram caracterizados por tÃcnicas espectroscÃpicas (FTIR, UV-Vis e RMN de 13C, 29Si e 31P), eletroquÃmicas (voltametria CÃclica e Voltametria de onda quadrada), termogravimÃtricas (TG), isotermas de adsorÃÃo/desorÃÃo de N2 e anÃlise elementar (CHN). As isotermas de N2 para adsorÃÃo pelo mÃtodo BJH (Barret, Joyner e Halenda) para as matrizes indicam que o material sintetizado neste trabalho apresenta caraterÃsticas micro e mesoporosas com predominÃncia de mesoporos. Dos materiais sintetizados apenas o sistema Si-apts-bipy-RuIICl2dppb apresentou atividade catalÃtica na reaÃÃo de hidrogenaÃÃo da acetofenona com um rendimento de 53%. O desenvolvimento de catalisadores em matrizes sÃlidas à uma Ãrea ampla e de grande interesse o que justifica o desenvolvimento deste trabalho.

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