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.

Cette thèse présente le greffage de complexes organométalliques sur des anions hydroxyborates. Ces ligands originaux sont susceptibles de conférer des propriétés particulières à la sphère de coordination du métal. Leur caractère anionique pourrait permettre l'immobilisation des catalyseurs dans une phase liquide ionique. La majeure partie des travaux a porté sur la réactivité des anions hydroxyborates avec les métaux du groupe IV de la classification périodique. Les complexes alkyles du zirconium et de l'hafnium réagissent avec la fonction hydroxyle de l'anion par protonolyse de la liaison métal-alkyle. La résolution par diffraction des rayons X de la structure des complexes métallocènes [Cp2MMe(OB(C6F5)3)]- [PPN]+ (M = Zr et Hf) a confirmé la nature covalente des liaisons M-O et B-O et donc l'intérêt des anions hydroxyborates comme ligands de complexes organométalliques. Cette réactivité a ensuite été déclinée sur différents précurseurs du zirconium et de l'hafnium. Le complexe ionique [Ti(OiPr)3(OB(C6F5)3]-[PPN]+ a été synthétisé à partir d'un complexe alkoxy du titane par une réaction d'échange de ligands. Ce complexe activé par le triéthylaluminium dimérise sélectivement l'éthylène en butène-1 en milieu liquide ionique. L'extension du concept à d'autres métaux de la classification périodique : aluminium, fer, molybdène, a été abordée. Deux complexes anioniques du molybdène ont notamment été isolés et sont des catalyseurs de métathèse des oléfines / This thesis presents the use of hydroxyborate anions as anchors for organometallic complexes. These original ligands might confer particular properties to the coordination sphere of the metal. Their anionic nature might also allow the immobilization of catalysts in ionic liquids. The main part of this work dealt with the reactivity of hydroxyborate anions with group IV metals. Zirconium and hafnium complexes reacted with the hydroxyl function of the anion by protonolysis of the metal-alkyl bond. Resolution of the structure of metallocene complexes [Cp2MMe(OB(C6F5)3)]-[PPN]+ (M = Zr and Hf) by X-Ray diffraction confirmed the covalent nature of M-O and B-O bonds and so the relevance of hydroxyborate anions as ligands for organometallic complexes. Then, this reactivity was extended to different zirconium and hafnium precursors. The ionic complex [Ti(OiPr)3(OB(C6F5)3)]- [PPN]+ was synthesized from an alkoxy titanium complex by a ligand exchange reaction. This complex activated by triethylaluminium selectively dimerized ethylene into 1-butene in ionic liquids. Extension of the concept to other metals such as aluminum, iron and molybdenum, was studied. Two anionic molybdenum complexes were isolated and are catalysts for olefin metathesis

Durant les darreres dècades, el disseny de processos en el marc de la química sostenible ha anat creixent de forma exponencial. La recerca constant de processos mes benignes amb el medi ambient ha implicat un gran esforç per obtenir millors rendiments mitjançant l'activació de llocs específics, i possant especial èmfasi amb el control de la quimio-, la regio- i la enantioselectivitat, punts crucials per a l'economia atómica. En aquest sentit, els dissolvents juguen un paper crític, i com podrà veure's al llarg d'aquesta memòria..Aquesta Tesi s'enfoca en l'ús de mitjans de reacció alternatius i sostenibles, com són els líquids iònics (ILs), el diòxid de carboni supercrític (scCO2) i la barreja de ambdós dissolvents, amb l'objectiu de disminuir l'ús de dissolvents orgànics convencionals i la seva aplicació en els següents processos catalítics: hidrogenació asimètrica, reacció de Suzuki d'acoblament creuat C-C, reacció d'alquilació al·lílica asimètrica i la hidrogenació de arens. / In the last decades, the design of processes in the framework of the sustainable chemistry has been exponentially growing. The constant searching of cleaner processes has led to a lot of effort to obtain higher yields by activation of specific sites, and improving chemo-, regio- and enantio-selectivities, which are crucial from a point of view of an atom economy strategy. In this sense, solvents play a critical role. This PhD thesis focuses on the use of alternative sustainable reaction media such as ionic liquids (ILs), supercritical carbon dioxide (scCO2) and mixtures of both solvents in different catalytic processes, with the aim of decreasing the use of conventional organic solvents applied in the following catalytic reactions: homogeneous and supported rhodium catalysed asymmetric hydrogenation, biphasic palladium catalysed Suzuki C-C cross-coupling, homogeneous palladium catalysed asymmetric allylic alkylation, and ruthenium and rhodium nanoparticles catalysed arene hydrogenation were tested.

Une démarche de type génie de la réaction chimique est appliquée à l'hydroformylation modèle d'oct-1-ène par des complexes lipophobes du rhodium préparés à partir de Rh(CO)2(acac) en phase liquide ionique ([Bmim][PF6]) ou en phase liquide ionique supportée sur silice. La réaction étant contrôlée par la concentration des réactifs dans la phase liquide ionique catalytique, une première étape a consisté à mesurer ces concentrations tant pour les deux gaz (H2 et CO) que pour l'oct-1-ène à différentes températures et pressions. Diverses méthodes de mesures sont utilisées pour la solubilité de l'oléfine : thermogravimétrie et chromatographie gazeuse après extraction multiple d’espace de tête, en présence de solvant (décane) et du produit de la réaction (nonanal). Le transfert gaz-liquide, qui peut conditionner la vitesse de réaction dans ces milieux visqueux, est également mesuré par une technique dynamique de variation de pression, en liquide ionique pur et en mélange biphasique liquide ionique-phase organique, dans un réacteur autoclave à autoaspiration de gaz par arbre creux. Une corrélation générale est proposée montrant une forte influence de la vitesse d'agitation.Une étude cinétique est réalisée en conditions de transferts non limitants en gaz-liquide organique-liquide ionique avec la TPPTS comme ligand. Les comportements habituels de l’hydroformylation  en  phase organique ou en phase aqueuse sont retrouvés : ordre voisin de 1 pour H2, inhibition par CO à forte concentration, énergie d'activation élevée. Si le turnover est convenable (70 h-1), le rapport n/iso est par contre très bas ce qui n'est pas en faveur de ce système catalytique. Quelques résultats permettent aussi une première analyse de la catalyse biphasique avec le ligand sulfoxantphos et de la catalyse en phase liquide ionique supportée sur silice avec la TPPTS. / A chemical reaction engineering approach is applied to the hydroformylation of 1-octene using lipophobic complexes of rhodium prepared from Rh(CO)2(acac) in ionic liquid phase ([Bmim] [PF6]) or in the ionic liquid phase supported on silica. As the reaction is controlled by the concentration of the reagents in the catalytic ionic liquid phase, the concentrations of both gases (H2 and CO) and also of 1-octene are measured at various temperatures and pressures as an initial step. Different methods are used for the measurement of the olefin solubility inside the ionic liquid: thermogravimetry and multiple headspace chromatography, in the presence of solvent (decane) and reaction product (nonanal). The gas-liquid mass transfer, which can be a rate controlling step in these viscous media, is also measured by a dynamic technique of pressure variation, both in case of pure ionic liquid and biphasic mixture of ionic liquid and organic phase, in an autoclave reactor with self induced stirrer. A general correlation is proposed showing the strong influence of the agitation speed. A kinetic study is realized in no gas–liquid nor organic–ionic liquid mass transfer limiting conditions (chemical regime) with TPPTS as ligand. The usual hydroformylation behaviour is observed, as already found in organic phase or in aqueous phase: order close to 1 for H2, inhibition by CO at large concentration, and high activation energy. If the turnover frequency is suitable (70 h-1), the n/iso ratio is very low which is not favourable to this catalytic system. Some experimental results also allow a first analysis of biphasic catalysis with sulfoxantphos ligand and of ionic liquid phase supported catalysis with TPPTS ligand.

Transition-metal chemistry in ionic liquids (IL) has achieved intrinsic fascination in the last few years. The use of an IL as environmental friendly solvent, offers many advantages over traditional materials synthesis methods. The change from molecular to ionic reaction media leads to new types of materials being accessible. Room-temperature IL have been found to be excellent media for stabilising transition-metal clusters in solution and to crystallise homo- and heteronuclear transition-metal complexes and clusters. Furthermore, the use of IL as solvent provides the option to replace high-temperature routes, such as crystallisation from the melt or gas-phase deposition, by convenient room- or low-temperature syntheses. Inorganic IL composed of alkali metal cations and polynuclear transition-metal cluster anions are also known. Each of these areas will be discussed briefly in this contribution. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Les phosphines sulfonées sont les ligands hydrosolubles les plus utilisés en catalyse organométallique aqueuse. La méthode la plus courante d’introduction des groupements sulfonate sur une arylphosphine consiste en la réaction de celle-ci avec l’oléum sulfurique. Dans ce contexte, la première partie de cette thèse a été consacrée à la synthèse de nouvelles triarylphosphines sulfonées encombrées possédant des groupements naphtyle. Plus précisément, les phosphines sulfonées synthétisées ont été du type [(1 ou 2-naphtyl)x(phényl)3-x]phosphine (x = 1, 2, 3) avec en moyenne, deux groupes sodium sulfonate par molécule. Dans la seconde partie de cette thèse, le développement d’une nouvelle voie d’accès à des phosphines du type R-diphénylphosphines disulfonées, où R est un groupement sensible aux conditions drastiques de sulfonation a été mis en œuvre. Ce protocole met en jeu deux étapes : la première étape implique l’alkylation de la benzyldiphénylphosphine trisulfonée (BDPPTS) ou du 1,2-bis(diphénylphosphino)éthane tétrasulfoné (DPPETS) par un dérivé halogéné (RX) apportant le groupement R sensible. La seconde étape consiste en le clivage réducteur par l’aluminohydrure de lithium (LiAlH4) des sels de phosphonium ou de bis-phosphonium ainsi obtenus et conduit à la R-diphénylphosphine disulfonée. Les phosphines qui ont été synthétisées par cette méthode sont les n-octyl-, n-dodécyl-, n-hexadécyl-, phénéthyl- et but-3-ényl-diphénylphosphines disulfonées. Les phosphines sulfonées synthétisées dans le cadre de cette thèse ont été valorisées en tant que ligands dans la réaction d’hydroformylation du déc-1-ène catalysée au rhodium et assistée ou non par des cyclodextrines. / Sulfonated arylphosphanes are the most applied water-soluble ligands in aqueous organometalliccatalysis. Sodium sulfonate groups are commonly introduced on an arylphosphane by using sulfuric oleum(SO3/H2SO4) followed by neutralization with aqueous sodium hydroxide. In this context, the first part of thiswork was focused on the synthesis of new bulky sulfonated triarylphosphanes with naphtyl groups. Moreprecisely, sulfonated [(1 or 2-naphtyl)x(phenyl)3-x]phosphane (x = 1, 2, 3) with an average sulfonation degreearound two have been prepared. In the second part, a new and convenient synthesis pathway to disulfonatedR-diphenylphosphanes with R an oleum-sensitive group was developed. This route involves two steps: thefirst step is the alkylation of trisulfonated benzyldiphenylphosphane (BDPPTS) or tetrasulfonated 1,2-bis(diphenylphosphanyl)ethane (DPPETS) with an halide compound (RX) bearing the sensitive group R. Inthe second step, the synthetized trisulfonated phosphonium or tetrasulfonated bis-phosphonium salt aresubsequently cleaved by lithium aluminium hydride (LiAlH4) to give the corresponding disulfonated Rdiphenylphosphanes.The phosphanes obtained by this new methodology are the disulfonated n-octyl-, ndodecyl-,n-hexadecyl-, phenethyl-, and but-3-enyl-diphenylphosphanes. Most of the synthetized phosphanesin this work have then been tested as ligand in the rhodium catalyzed dec-1-ene hydroformylation assisted ornot by cyclodextrins.

Transition-metal chemistry in ionic liquids (IL) has achieved intrinsic fascination in the last few years. The use of an IL as environmental friendly solvent, offers many advantages over traditional materials synthesis methods. The change from molecular to ionic reaction media leads to new types of materials being accessible. Room-temperature IL have been found to be excellent media for stabilising transition-metal clusters in solution and to crystallise homo- and heteronuclear transition-metal complexes and clusters. Furthermore, the use of IL as solvent provides the option to replace high-temperature routes, such as crystallisation from the melt or gas-phase deposition, by convenient room- or low-temperature syntheses. Inorganic IL composed of alkali metal cations and polynuclear transition-metal cluster anions are also known. Each of these areas will be discussed briefly in this contribution. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.