Les avancées dans la recherche de complexes doués de grandes activités catalytiques ont conduit à l'utilisation intensive des carbènes N-hétérocycliques (NHCs). Depuis une quinzaine d'années cette classe de ligands a fait ses preuves en donnant accès à des complexes d'une grande<br />stabilité et très actif en comparaison à d'autres ligands.<br />Les récents travaux sur la synthèse de ligands bidentes comportant un NHC et un groupement azoté coordonnant, puis de complexes de palladium, rhodium et iridium très actifs en catalyse, nous ont orientés vers la préparation de ligands analogues avec des hétéroatomes différents.<br /><br />Dans cette thématique nouvellement développée au sein de notre équipe, nous avons mis au point deux méthodes de synthèse originales donnant accès à de nouveaux précurseurs de carbènes N-hétérocycliques, composés d'un groupement imidazolium et d'un second groupement<br />coordonnant qui sera soit une phosphine, soit un thioéther.<br /><br />L'étude de ces ligands a permis de développer une chimie de coordination riche avec Ni, Pd, Rh, Ru et Ir. Ainsi, quatre modes de coordination ont été mis en évidence : soit une monocoordination de l'hétéroatome ou du NHC, soit une double coordination de l'hétéroatome et du carbène Nhétérocylique selon des modes dit « normal » ou « anormal ». Nos études ont montré que le mode de coordination adopté par les ligands dépendait des conditions expérimentales, de la réactivité du métal et de son affinité pour l'hétéroatome. <br /><br />L'obtention de tels complexes a permis d'effectuer quelques tests préliminaires en hydrosilylation et hydrogénation avec le rhodium(I). Une étude approfondie de la réaction de couplage d'un organomagnésien et d'un halogénure d'aryle (réaction de Kumada-Corriu-Tamao) a été menée avec les complexes du nickel(II).

Le développement de catalyseurs efficaces à base de ruthénium a contribué à l'essor de la métathèse des oléfines. Cette réaction catalysée par des complexes à base de tungstène, rhénium ou molybdène, était appliquée, jusqu'à présent, à des oléfines non fonctionnalisées. L'utilisation de précurseurs à base de ruthénium a permis d'élargir les domaines d'applications de la métathèse grâce à leur tolérance élevée à de nombreuses fonctions organiques. En effet, les esters méthyliques d'huiles végétales peuvent être valorisés en bases chimiques par la réaction de métathèse en présence de catalyseurs à base de ruthénium. Nous reportons, ici, l'étude de la réactivité des complexes de ruthénium en éthénolyse de l'oléate de méthyle ainsi que la conception et la caractérisation de nouveaux systèmes. Nous exposerons la synthèse de nouveaux catalyseurs de ruthénium contenant des ligands carbènes aminoalkyle cycliques et l'évaluation de leurs performances. Nous montrerons que ces précatalyseurs présentent des propriétés catalytiques intéressantes pour l'éthénolyse de l'oléate de méthyle. Ces ligands ont l'avantage d'être modulables, ce qui nous offrent de nombreuses possibilités en terme d'originalité, tout comme la fonctionnalisation du ligand isopropoxybenzylidène qui permet l'immobilisation des catalyseurs dans les liquides ioniques. Par ailleurs, des tentatives de coordination d'autres ligands, tels que le fluorénylidène et le silylène, susceptibles de conduire à des complexes de ruthénium efficaces seront abordées.

Dans ce mémoire, deux projets de recherche bien distincts seront présentés. La première moitié du document sera consacrée à l’étude de la formation d’indoles via un intermédiaire diaziridine alors que la deuxième moitié portera sur la synthèse de ligands carbène N-hétérocycliques anioniques obtenus à partir d’ylures de N-sulfonyliminoimidazolium. Le premier chapitre portera sur la synthèse d’indoles et sera divisé en quatre sections : l’introduction, les précédents effectués au laboratoire, le développement de la méthodologie et la conclusion. L’introduction présentera les différents concepts théoriques et précédents de la littérature permettant de comprendre l’origine et l’intérêt du projet. La deuxième section, quant à elle, exposera les premiers résultats obtenus au laboratoire par Julie Prévost, alors que la troisième section présentera les différentes approches employées au courant de ma maitrise. Finalement, ce chapitre se terminera par une conclusion résumant le projet et expliquant l’abandon de celui-ci. Le second chapitre portera sur la synthèse d’une nouvelle famille de ligands N-hétérocycliques anioniques et sera divisé en cinq sections : l’introduction, les précédents reliés au projet, la synthèse des ylures, la synthèse des complexes d’argent et les projets futurs. Encore une fois, l’introduction présentera les différents concepts théoriques et précédents de la littérature permettant de comprendre l’origine et l’intérêt du projet. La seconde section portera sur les premiers travaux effectués par Claude Legault et Hannah Guernon durant sa maitrise. La troisième section présentera la synthèse en trois étapes des différentes familles d’ylures développées, alors que la quatrième section présentera la formation des différents complexes d’argent ainsi que leurs propriétés. Ce chapitre se terminera avec la présentation des différentes applications possibles de ces nouveaux complexes d’argent et présentera les travaux futurs restants à faire.

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

Les réactions de couplage métallocatalysées mises en avant par l'attribution du Prix Nobel de Chimie 2010 permettent la création de liaison C-C impossible par les réactions de type SN1 ou SN2. Or, les composés auxquels elles donnent accès sont très utilisés dans le domaine pharmaceutique, agrochimique ou encore dans celui de la chimie supramoléculaire. Si les réactions sont efficaces, les agents de couplages sont souvent peu accessibles et/ou peu éco(nomique/logique)-compatibles. Les triarylbismuthines lèvent en partie ces limitations, car tous les atomes de ces organométalliques participent aux processus et ces composés sont considérés comme non toxiques mais les réactions engageant ce type d'organométalliques souffrent de leur dimérisation. Afin de lever cette limitation, nous avons développé un système catalytique plus " vert" utilisant le PEPPSI comme pré-catalyseur sur une réaction test. Ces nouvelles conditions donnent généralement d'excellents rendements en série biarylique comme hétérobiarylique. La gamme des substituants sur le dérivé halogéné est très étendue mais plus limitée sur la bismuthine. Ce système catalytique a ensuite été utilisé sans modification dans les réactions domino d'élimination/couplage. Une étude cinétique comparative par GC/MS et RMN 13C a permis de montrer qu'une élimination d'ordre 2 avait lieu avant le couplage. De plus il y a un effet coopératif entre les ions fluorures et la bismuthine : celle-ci joue donc un double rôle : agent organométallique doux de couplage et base. L'ambiguïté mécanistique ainsi levée, il a été permis d'envisager une chimiosélectivité en fonction des divers états d'hybridation du carbone portant le brome au moment du couplage. Plusieurs méthodes d'accès à des molécules de structures Ar-Ar-C C-Ar à géométries variables peuvent être obtenues rapidement. Le système catalytique a également permet l'activation de liaison C-Br de bromocoumarines. Ainsi, il est possible de réaliser le couplage sur les positions 3-, 4- et 6-. L'ordre de réactivité a été déterminé ce qui a permis de réaliser des monocouplages parfaitement sélectifs sur les 3,4- ou 3,6- dibromocoumarines, dont les applications biologiques suscitent un grand intérêt. Le nouveau système catalytique a donc éliminé le problème de dimérisation des triarylbismuthines et donne potentiellement accès à des molécules intéressantes pour leurs propriétés physiques ou biologiques / Metallocatalysed crosscoupling reactions have been highlighted by the attribution of the 2010 Nobel Chemistry Price since they allow CC bond formation when classical SN1 or SN2 do not permit it. Furthermore, they give access to many pharmaceutics and agronomic compounds but also molecules used for their supramolecular properties. Nowadays, reactions are really efficient but reactants are not always readily accessible and can't be classified as green reagents. Since all its atoms act over the catalytic process and because they are not considered as toxic so far, triarylbismuthines may be a good alternative to circumvent the limitation described above. However, they suffer a main drawback, their reductive dimerisation. In order to avoid this side-reaction, a new greenest process has been developed on a benchmark reaction based on PEPPSI, an NHC/Pd catalyst. These conditions gave usually excellent yields, either for the biaryle or heterobiaryle crosscoupling reaction. The range of substituents is really wide on the aryle halide moiety but slightly more limited on the triarylbismuthine reagents. Then, this catalytic process has been applied without modification to an elimination/crosscoupling domino reaction. A GC/MS and 13C NMR supported comparative kinetic study showed that a 2nd order elimination take place before the C-C bond formation. Fluoride anion and triarylbismuthine act together. Therefore triarylbismuthine play a dual role: base and aryl transfer reagent. This mechanism study led to chimioselective reactions that allow many paths for the synthesis of Ar-Ar-C C-Ar containing compounds with a good control on geometry of this highly conjugated structure. This catalytic process allows also bromocoumarine C-Br bond activation. Thus, crosscoupling may be selectively performed at the 3-, 4- or 6- position of coumarines. The reactivity order difference of these positions even allow hightly selective mono crosscoupling reaction on 3,4- or 3,6-dibromocoumarines for further biological application. To conclude, our PEPPSI based greenest process avoid the dimerisation of bismuthines and give easy access to many compounds of great interest either for their biological or physical properties

Les complexes carbéniques, résultants de la coordination d'un ligand carboné divalent et di-coordiné à un centre métallique, constituent une gamme de composés organométalliques possédant de nombreuses applications en synthèse organique et en catalyse (métathèse des oléfines, annélation, cyclopropanation...). L'objectif principal du présent travail doctoral a été de préparer de nouvelles classes de complexes carbéniques, pour lesquels le centre carbénique est substitué par des groupements phosphorés. La stratégie de synthèse de ces espèces nouvelles a reposé sur la mise au point de précurseurs carbéniques stables dont la décomposition contrôlée a été conduite dans la sphère de coordination de métaux de transition et de lanthanides. Cette approche ! réactionnelle a été optimisé par la mise en place d'un couplage entre théorie et expérience, permettant d'expliciter la structure électronique des précurseurs et complexes carbéniques ainsi formés et de rationaliser leur réactivité. Ce manuscrit décrit la synthèse des premiers complexes mettant en jeu un carbène P-hétérocyclique (PHC) dont la nature de l'interaction métal-carbone est fortement influencée par le fragment métallique et le schéma de substitution des atomes de phosphore tri-coordinés (

Les complexes carbéniques ont connu un essor considérable ces dernières années. L'introduction générale présente les différentes facettes de ces complexes aux propriétés aussi diverses qu'uniques. D'abord utilisés comme réactifs stoechiométriques, les complexes carbéniques sont devenus des catalyseurs de choix dans de nombreuses réactions. Dans ce contexte, nous présenterons différentes approches pour la synthèse de complexes carbéniques hétérosubstitués.<br /><br />Le premier chapitre présente la synthèse et la chimie de coordination d'aminoarylcarbènes possédant un squelette biphényl ou binaphtyl. Dans les complexes obtenus, la topologie du squelette biaryl est différente de celle rencontrée dans les complexes de phosphines biarylées. En fait, les différences observées proviennent de l'hybridation sp2 ou sp3 du site donneur (phosphine ou carbène). Cette topologie particulière entraîne des modes de coordination originaux et différents de ceux mis en jeu dans les complexes de phosphines analogues. Des essais préliminaires en catalyse d'α-arylation de cétones ont donné des résultats encourageants pour le couplage de chlorure d'aryl à température ambiante.<br /><br />Le deuxième chapitre présente la synthèse de complexes mixtes aminocarbène/phosphine par insertion d'un fragment métallique dans la liaison P-C d'un C-aminoylure. Appliquée à des C-(amino)ylures cycliques basés sur le squelette biphényl, cette méthodologie permet d'accéder à des complexes hétéroditopiques carbène/phosphine, analogues des complexes de BIPHEP et BINAP.<br /><br />La synthèse et la coordination d'α-diazophosphines est décrite dans le troisième chapitre. Les complexes d'α-diazodiphosphines ne sont pas stables et se réarrangent en complexes de C-chlorodiphosphinométhanides. L'étude expérimentale et théorique de la dissociation de C-pyridinodiphosphinométhanides révèlent la formation transitoire de métalladiphosphinocarbènes. Les calculs DFT réalisés sur ce composé, montrent une structure électronique inversée tout à fait originale. Celle-ci est favorisée par des interactions transannulaires PdC dont la symétrie est opposée à celle rencontrée dans les complexes de Fischer (donation σPd→C et rétrodonation πC→Pd).

Dans le premier chapitre, nous avons synthétisé les premiers phosphino(silyl)carbènes optiquement purs, à partir de la (R,R)- et de la (S,S)-N-N'- ditertiobutyl-1-1,2-éthanediamine. Ces carbènes ont ensuite été impliqués dans des réactions de cyclopropanation asymétriques, conduisant à d'excellents excès diastéréoisomériques, puisque supérieurs à 98%. Préalablement d'autres diamines précurseurs avaient été utilisées, sans succès, démontrant ainsi une fois de plus, l'importance de l'encombrement stérique dans la stabilisation des carbènes singulets. En effet la photolyse du dérivé diazoïque de la trans-N-N'-diisopropylcyclohexane -1,2-diamine ne conduit pas au carbène correspondant mais à un 1,3 -diphosphète, dimère "tête-queue" du carbène attendu. De même la photolyse du dérivé diazoïque de la N-N' -diisopropyl- 1,2 éthanediamine ne conduit pas au carbène correspondant mais à un cycle à 6 chaînons original, correspondant à l'addition d'une molécule de précurseur diazoïque sur le carbène attendu. La réactivité originale de ce phosphino(sylil)diazométhane a d'ailleurs été plus largement étudiée et est présentée dans ce document.<br />Dans le deuxième chapitre, est présentée l'étude de la réactivité des phosphino(amino)carbènes. Ce type de carbènes, découvert récemment au sein de notre laboratoire par Nathalie Merceron-Saffon, est une molécule bi fonctionnelle, présentant une fonction carbénique et une fonction phosphine. Nous avons exploité la réactivité de la paire libre de la phosphine pour réaliser la synthèse de nouveaux phosphonio(amino)carbène par oxydation du phosphore. Une étude sur les propriétés acido-basique de ce carbène a ensuite est menée, ouvrant ainsi une nouvelle voie à la synthèse en une seule étape de dérivés propargyliques par réaction d'un phosphino(amino)carbène avec l'acétone ou l'acétonitrile. Enfin ce carbène a été utilisé comme ligand bidentate du palladium et du nickel. Le complexe de palladium (II) obtenu a alors été testé en catalyse pour la réaction d'amination d'aryle. Les résultats obtenus (90% de conversion en 2h) sont encourageants.<br />Dans le troisième chapitre, nous avons cherché à synthétiser de nouveaux modèles de diphosphinocarbènes cycliques, analogues des NHCs et découverts très récemment au sein de notre laboratoire par David Martin. Dans un premier temps, l'importance cruciale de l'encombrement stérique dans la stabilisation des carbènes singulets a été une nouvelle fois illustrée, puisque la synthèse du diphosphinocarbène présentant un groupement tertiobutyle sur les phosphores s'est révélée impossible, validant ainsi une étude théorique réalisée précédemment par W.W. Schoeller. Dans un deuxième temps, nous avons synthétisé un nouveau modèle de diphosphinocarbène cyclique complexé à GaCl3. Il a été obtenu par déprotonation du diphosphino-carbocation correspondant, synthétisé par piégeage d'un phosphénium par la dimétyl-cyanamide.

Les dianions géminés stabilisés par des phosphores hypervalents ont récemment éveillé un vif intérêt en tant que précurseurs carbéniques pour les métaux d0 et les lanthanides ; Cependant, les interactions entre les éléments du groupe principal, comme le carbone, et ces métaux sont réputées essentiellement ionique et peu directionnelles, tandis que les liaisons entre le carbone et le métal dans un complexe carbénique classique sont usuellement décrites comme étant directionnelle et partiellement covalente. Le travail effectué au cours de cette thèse vise à synthétiser de nouveaux complexes de métaux du groupe 3, stabilisés par un dianion géminé bis(diphénylthiophosphinoyl)méthanediure, dans le but d'en étudier la réactivité et d'en modéliser la structure électronique, pour une meilleure compréhension de l'interaction multiple métal-ligand. Ces études ont été menées sur le scandium, puis partiellement étendues aux autres éléments du groupe 3 : yttrium et lutétium. Il ressort de cette étude que ces interactions sont directionnelles, de symétrie σ et π, mais qu'elles restent en compétition avec la stabilisation présente ab initio au sein du ligand dianionique libre. Cette stabilisation permet une adaptation de l'interaction carbone-métal en fonction des autres ligands présents dans la sphère de coordination : lorsqu'ils sont à caractère ionique et donneur fort, l'interaction carbone-métal prend un caractère plus ionique et l'interaction de symétrie π peut être rompue. La réactivité reste proche de celle d'un carbène de type Schrock. Des réactions indésirables menant à la détérioration du ligand ont également été observées ; un ligand plus résistant, porteur de fonctions phosphine-borane et oxyde de phosphine a été proposé. De nouvelles perspectives quant à la réactivité de ces espèces ont été également explorées : transmétallation permettant d'accéder à de nouveaux complexes aux propriétés magnétiques intéressantes, réaction de couplage des alcynes notamment.

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