No description available.

The productive, controlled activation of O2 via small-molecule catalysts remains a significant challenge to bioinorganic chemistry. With enzymes, global folding energies dictate the positioning of ligands to optimize chemical pathways. Synthetic iron catalytic complexes, with open or labile coordination sites, frequently give rise to Fenton-like radical-based reactions. To minimize such peroxide/hydroxyl radicals, we developed a synthetic model for the 2-oxoglutarate-dependent dioxygenases, [FeII(N2O1)]- (N2O1 = 2-((2-dimethylamino)ethyl)-(methyl)amino)acetic acid) . We present herein an iron-based synthetic analogue system capable of utilizing dioxygen to perform velut vivum C ‒ H activation at ambient temperatures and pressures. The relationships between a range of α-ketocarboxylate adducts producing metal-to-ligand charge transfer band energies and their corresponding π → π* energy gaps (DFT simulated) are described. Electronic (MCD) and computational (DFT) methods are combined to elucidate the electronic structures of a subset of these adducts. Catalytic efficiency of 15 α-ketocarboxylates is investigated and includes the use of oxalate. The latter represents an original example of a small-molecule synthetic catalyst capable of activating O2 while using oxalate as a cofactor for C ‒ H oxidation. A series of varying N,N,Ox (x = 1 ̶ 3) carboxylate-ligated ferrous, ferric, and chromic complexes was assessed for chemical and electronic influences of increasing carboxylate metal ligation. Electrochemical and spectroscopic characterization, and initial reactivities were examined. The use of the same ligand set but with differing ‘d-electron count’ explores mechanistically dramatic changes to chemical reactivity in the presence of a terminal oxidant. A methodology for the functionalization of the N2Ox (x = 1 ̶ 3) ligand series, using an alkynyl moiety, was also developed. Such could allow ‘click’ chemistry for converting homogeneous catalysts to heterogeneous versions. Using a globally uniform and diffuse low loading resin will provide enhanced catalyst lifetime by diminishing inactivation pathways and support its use in flow chemistry reactors using O2 from air as the oxidant.

The ability of simple oligopeptide complexes of nickel (II) to react with various dioxygen intermediates was investigated. Under physiological conditions, nickel (II)-histidine-containing oligopeptides were found to dismutate superoxide anions and disproportionate hydrogen peroxide. In the latter process, chemiluminescence was generated and a strongly oxidizing intermediate was detected capable of oxidizing uric acid, hydroxylating p-nitrophenol, and damaging 2-deoxy-D-ribose. The generation of this reactive intermediate likely occurs without the involvement of free hydroxyl radicals derived from Haber-Weiss or Fenton-type reactions. In addition, the Ni(II) complex of glycylglycyl-L-histidine (GGH) was found to react with mollecular oxygen resulting in the oxidation of the ligand. An attempt was made to relate these reactions to the involvement: of the nickel(III)/(II) redox couple which was shown to exist under physiological conditions. Similar reactivity was observed for non-histidine-containing oligopeptides but higher pH values were required. The oligopeptides used not only represent biologically relevant ligands but: the histidine containing oligopeptides mimics the specific copper(II)/nickel(II) binding and transport site of human serum albumin. The observations made in this study suggest some novel mechanism for the deleterious effects associated with excessive lifelong exposure to nickel compounds, especially in relation to cancer of the respiratory tract. / Thesis / Master of Science (MS)

A long standing global scientific challenge has been the activation of O2 at a single metal center, and use of the subsequent metal-based oxidant for a variety of difficult chemical transformations. Towards this end, computational and synthetic methods have been utilized in an approach to develop model compounds capable of this type of chemistry, and to better understand the electronic and mechanistic properties of the observed catalytic reactivity. We have developed a first generation catalyst that has been shown to be fully functional in utilizing α-keto acids for the catalytic activation of O2 and oxidation of organic substrates in a highly conserved manner. This reactivity takes place at room temperature and standard pressure, and resembles the type of chemistry performed by mononuclear non-heme enzymes, which inspired the design of the catalyst. However, these solution-phase reactions do not benefit from the controlled environment provided by a protein active site, and solution studies and DFT simulations demonstrate an isomeric family of reactive species that ultimately deactivate via a dimerization pathway. A second generation catalyst, which incorporates ligand aromatic functionality, has been developed. This complex has been shown to catalytically oxide methanol to formaldehyde in the presence of α-ketoglutarate using O2. The aromatic group provides a synthetic platform, allowing a variety of substituents geared toward increasing complex solubility and the tuning of the redox properties of the metal center. Additionally, the ligand has been functionalized to allow for the immobilization of the catalyst using an azido-functionalized solid support, by means of 'click' chemistry. A procedure for the immobilization of the catalyst has been developed that sets the stage for the preparation of a material that will diminish dimerization and inactivation. Additional insights into potential reaction pathways of the first generation catalyst have been obtained from DFT studies. These simulations have provided energetic comparisons of proposed intermediates and set the stage for future computational and spectroscopic studies. This synergistic approach will not only allow for detailed electronic and mechanistic descriptions of the intimate mechanism, but will be used in the development of next generation catalysts that that can be tuned for desired reactivity properties.

Les enjeux économiques et écologiques actuels requièrent le développement de réactions et procédés respectueux de l'environnement. Dans ce cadre, nous étudions l'oxydation des hydrocarbures dans des conditions douces, un problème que la Nature a résolu en mettant en œuvre des enzymes dont le site actif contient un ou deux ions du fer, pour obtenir des produits avec efficacité et sélectivité. Parmi ces systèmes, les MonoOxygénases (MO) catalysent l'insertion d'un atome d'oxygène dans une liaison chimique d'un substrat organique inerte (S). Cela passe par l'activation réductrice du dioxygène ce qui mène à des intermédiaires très oxydants de type FeIII-(hydro)peroxo et Fe-Oxo (i.e. FeIV=O ou FeV=O).En utilisant des complexes très simples, nous avons préparé et identifié des intermédiaires réactionnels FeIII-peroxo et FeIV-oxo, à l'aide d'oxydants chimiques (H2O2, peroxydes, peracides...) ou de O2 et d'un réducteur, selon une réaction analogue aux MO à un atome de fer. Ces intermédiaires se sont montrés efficaces, respectivement pour l'hydroxylation catalytique des aromatiques et pour l'oxydation des oléfines et des alcanes, mais souffrent souvent d'un manque de sélectivité. De plus, les intermédiaires générés en présence d’O2 sont consommés par réaction indésirable avec le réducteur chimique ou son sous-produit d’oxydation, rendant la catalyse d’oxydation non réalisable dans ces conditions. Différentes stratégies ont été adoptées lors de cette thèse afin de mimer au mieux l’activité des enzymes et reproduire l’efficacité et la sélectivité de ces réactions d’oxydations.Ainsi, une cavité artificielle (calix[6]arène) a été greffée à nos complexes de fer. Une étude du site catalytique portant une fonction triazole résultant de la chimie « click » a été réalisée. La synthèse d’un nouveau complexe fer-zinc a ensuite été réalisée, où l’insertion des métaux dans leur site de coordination destiné est maîtrisée. L’insertion d’un substrat à l’intérieur de la cavité calixarène a été réalisée, permettant d’obtenir un système qui pourrait améliorer la sélectivité et l’efficacité des réactions d’oxydations des alcanes.La seconde stratégie développée a été d’utiliser une électrode comme source d’électrons lors de l’activation du dioxygène par un complexe de fer(II). L’étude par voltampérométrie cyclique de cette réaction a permis de démontrer la formation d’un adduit FeII-O2 en conditions réductrices. Un intermédiaire FeIII-peroxo a par la suite été détecté en oxydation, qui génère une espèce à haut degré d’oxydation. Cet intermédiaire généré directement en solution à l’aide d’H2O2 pourrait alors réaliser les réactions d’oxydations en conditions oxydantes. De nouveaux systèmes électrocatalytiques pourraient alors être développés. / MonoOxygenases (MO) such as cytochromes P450 catalyse the oxygen atom insertion into a chemical bond of an inert organic substrate following reductive activation of dioxygen. By using very simple Fe(II) complexes bearing amine/pyridine ligands, it is possible to prepare reactive species such as Fe(III)OOH and Fe(IV)O by using chemical oxidants (H2O2, peroxides, peracides...), or O2 in the presence of a chemical reductant via a reaction sequence similar to the one of P450. These intermediates have shown an efficient activity on hydroxylation of aromatic, and oxydation of olefins and alkanes. Nevertheless, these reactions suffer from a lack of specificity and regioselectivity. A drawback to the use of these complexes in oxidation catalysis by O2 is the side reaction between the oxidative intermediate species and the chemical reductant used. To solve these problems, different approaches have been developed during this thesis, in view to better mimic enzymes activity, and reproduce oxidation reactions efficiency and selectivity.A first strategy is to add an artificial cavity (calix[6]aren) to our iron complexes. A study of the catalytic site, bearing a triazole function resulting from the “click” chemistry, have been followed. The synthesis of a new iron-zinc complex have been then realized, with the insertion of the two metals in their destined coordination site was controlled. Insertion of a substrate inside the cavity has been realized, forming a system which could improve selectivity and efficiency of alkanes oxidation reactions.The second strategy developed was to use an electrode as source of electrons, during activation of O2 by an iron(II) complex. The cyclic voltammetry study of this reaction allowed us to reveal the formation of an adduct FeII-O2 in reductive conditions. An intermediate FeIII-peroxo was then detected at the electrode in oxidation, which generates a species with a high oxidation degree. This intermediate, generated in solution directly by reaction with H2O2, could realize oxidation reactions in oxidative conditions. New electrocatalytical systems could be then developed.

Les laccases sont des enzymes de type oxydase, réalisant de manière efficace la réduction du dioxygène en eau. Des études réalisées au laboratoire ont permis de montrer que l’irradiation sous atmosphère inerte d’un système de type, EDTA/[Ru(bpy)3]2+/laccase, conduisait à la photoréduction de l’enzyme via la formation d'une espèce [Ru(bpy)3]2+*. La substitution de l’EDTA par un alcène de type p-styrène sulfonate conduit également à la photoréduction de l’enzyme. L'ouverture à l'air du système permet une consommation d’oxygène concomitante à la détection par RMN de produits d’oxydation tels que l’époxyde, le diol et le p-benzaldéhyde sulfonate. L’influence de la concentration des différents partenaires, de la source d’irradiation et du pH sur l’efficacité de cette réaction a été évaluée. D’autres alcènes tels que le styrène, le cyclohéxène ou le cyclooctène sont également substrats. Le marquage isotopique en présence soit d'H218O soit d'18O2 ainsi que l’utilisation de générateurs d’espèces réactives de l’oxygène, ont permis de proposer un mécanisme majoritaire où l’espèce RuIII, photoproduite avec l'assistance de la laccase, pourrait arracher un électron du substrat qui à son tour réagirait avec le dioxygène présent dans le milieu pour conduire aux produits observés. D’autres complexes photoactivables à base de ruthénium ou de manganèse ont également été employés. Afin d’aborder le contrôle de la réactivité, le greffage covalent d’un photosensibilisateur à base de ruthénium sur une lysine unique à proximité du site d'oxydation des substrats de l'enzyme a été effectué. / Laccases are oxidases that efficiently perform the reduction of dioxygen into water. Studies in the laboratory have allowed to show that irradiation under inert atmosphere of a EDTA/[Ru(bpy)3]2+/laccase system, lead to the photoreduction of the enzyme via the irradiation of [Ru(bpy)3]2+*. The substitution of EDTA by the alkene p-styrene sulfonate results similarly in a photoreduction of the enzyme. Opening the system to air allows a dioxygen consumption with a simultaneous detection of oxidation products such as the epoxide, diol and p-benzaldehyde sulfonate detected by NMR. The influence of the concentration of the partners, the irradiation source and pH on the efficiency of the reaction was evaluated. Other alkenes such as styrene, cyclohexene and cyclooctene are also substrates. Isotopic labeling experiments in the presence of either H218O or 18O2, as well as the use of reactive oxygen species generators, allowed us to propose a main mechanism where the laccase assisted RuIII photogenerated specie would withdraw an electron from the substrate which in turn would react with dioxygen to yield the products observed. Other ruthenium and manganese photosensitizers were also used. To address the control of the reactivity, a covalent grafting of a ruthenium photosensitizer, on a unique lysine nearby the substrate oxidation site of the laccase was done.

A CuI fully fluorinated O-donor monodentate alkoxide complex, K[Cu(OC4F9)2] (1), was previously shown to form a trinuclear copper–dioxygen species with a {Cu3(3-O)2} core, TOC4F9, upon reactivity with O2 at low temperature. A significantly expanded kinetic and mechanistic study of TOC4F9 formation is reported using stopped-flow spectroscopy. The TOC4F9 complex performed catalytic oxidase conversion of para-hydroquinone (H2Q) to para-benzoquinone (BQ) and hydroxylation of 2,4-di-tert-butylphenolate (DBP) to catecholate, making TOC4F9 the first tri-copper species to perform tyrosinase (both monooxygenase and oxidase) chemistry. As opposed to 1, when K+ is fully encapsulated in {K(18C6)}[Cu(OC4F9)2] (4), O2 was not reduced under identical conditions. To study the effects of both alkali cation and the degree of encapsulation on reduction of O2, derivative complexes were synthesized with Na+ (16), {Na(DME)}+ (17), {Na(15C5)}+ (18), {K(15C5)}+ (19), {K(15C5)2}+ (20), Cs+ (21), {Cs(18C6)}+ (22), and {Cs(18C6)2}+ (23). Reduction of O2 was found to be encapsulation-dependent, and cation size was also determined to affect the chromophore observed. These results suggest that cation…F/O interactions between the CuI complexes assemble aggregates that are required to form reactive {Cun−O2} species. However, catalytic oxidation of H2Q to BQ and sub-stoichiometric oxidation of DBP to catecholate occurred regardless of whether a {Cun−O2} intermediate was detected, suggesting that a reactive species may self-assemble in the presence of substrate in all complex derivatives unable to reduce O2. A series of heteroleptic mixed phosphine/alkoxide 3d complexes was designed to evaluate PPh3 as a protecting group. Complexes of the form [(Ph3P)2M(OC4F9)2] (M= Fe (24), Co (25), Ni (26), Zn (27)) and [(Ph3P)2M(pinF)] (M= Co (31), Ni (32), Zn (33)) were prepared and characterized, along with related complexes with non-reactive L-donors for comparison, [(DME)Fe(OC4F9)2] (28) and [(Ph3PO)2M(OC4F9)2] (M= Fe (29), Ni (30)). Dimeric [Fe2(-O)(OPPh3)2(OC4F9)4] (36) was isolated after O2 reactivity with 24, and 28 and 29 were able to generate intermediate species capable of both oxidation of H2Q to BQ and oxygen atom transfer of thioanisole to methyl phenyl sulfoxide. The choice of fluorinated ligand influences O2 reactivity with CoII (25, 31), but not for NiII (26, 32). Related dimeric compounds [Co2(pinF)2(THF)4)] (34) and [Zn2(pinF)2(THF)2)] (35) were also isolated.

Les cytochromes P450 sont des enzymes mononucléaires de fer qui catalysent l’oxydation de liaisons C-H en utilisant le dioxygène de l’air. L’activation de O2 nécessite sa réduction partielle par l'apport de deux protons et deux électrons. Ces derniers sont fournis par le réducteur naturel NADPH par l'intermédiaire d'une flavoprotéine qui permet de convertir l’adduit fer(II)-O2 en un intermédiaire de type fer(III)-peroxo dont les protonations successives permettent la rupture hétérolytique de la liaison O—O et l’obtention d’un intermédiaire de type fer-oxo responsable de l’oxydation du substrat.1 Ce projet s’inscrit dans le cadre de la chimie bio-inspirée, il a pour objectif de développer des catalyseurs de fer non-hémiques afin de réaliser l’oxydation de petites molécules organiques en utilisant le dioxygène de l’air. L’activation du dioxygène est assurée par le biais d’une électrode qui sert de source d’électrons mais également de sonde mécanistique. Pour comprendre le mécanisme de l’activation du dioxygène il est nécessaire (i) de générer les intermédiaires réactionnels oxydants (fer-oxo, fer-(hydro)peroxo) par le biais d’oxydants chimiques comme le PhIO et H2O2 puis (ii) de les caractériser par spectroscopie et électrochimie à basse température. Enfin (iii) l’étude expérimentale par voltampérométrie cyclique de la réaction du complexe de Fe(II) en présence de dioxygène couplée à des simulations de voltampérogrammes de cette même réaction (à l’aide de données thermodynamiques et cinétiques obtenues en (ii)) permettent ainsi de valider le mécanisme de l’activation réductrice du dioxygène de ce système. Ce travail a démontré que les complexes de FeII avec des ligands amines/pyridine peuvent activer le dioxygène à la surface d’une électrode en suivant un mécanisme proche de celui du cytochrome P450. A présent, la difficulté principale est de s’affranchir de la réduction prématurée des intermédiaires lorsqu’ils sont générés à l’électrode. En se basant sur ces résultats, l’essentiel du travail est à présent ciblé sur la compréhension des différents paramètres (première sphère de coordination, conditions expérimentales, …) qui peuvent modifier la stabilité des intermédiaires et donc l’efficacité de la catalyse. / Cytochrome P450 is a mononuclear iron enzyme, which catalyzes the oxidation of robust C-H bonds using O2. Activation of O2 is achieved at the Fe(II) center and requires an electron transfer to convert the iron(II)-dioxygen adduct into an iron(III)peroxo intermediate. After protonation, this latter may directly oxidize substrates or evolves to yield a powerful high valent iron-oxo moiety. In such natural systems, the necessary electrons are provided by a co-substrate NAD(P)H and are conveyed through a reductase.1The aim of this project is to develop non-heme iron(II) complexes as catalysts for the oxidation of small organic molecules by O2. Our objective is to use an electrode to deliver the electrons while providing mechanistic information at the same time thanks to a combined experimental/simulation approach using cyclic voltammetry. This work has shown that simple Fe(II) complexes bearing amine/pyridine ligands can activate O2 at an electrode surface following a mechanism that is reminiscent of the one of P450. However, the main scientific lock is to avoid the fast reduction of the reaction intermediates when they are generated at the electrode. We are currently studying how alterations of the first coordination sphere of the metal center and experimental conditions modulate the formation and the stability of these intermediates and thus, the efficiency of the catalysts.

No description available.

L’utilisation de dioxygène lors de la délignification des pâtes à papier permet une réduction considérable des coûts de production et de l’impact environnemental du procédé de blanchiment. Seulement, le taux de délignification est limité par le fait qu’une partie de la lignine résiduelle n’est pas réactive vis-à-vis du dioxygène et que la cellulose est partiellement dépolymérisée au cours du procédé. L’utilisation de catalyseur pourrait permettre d’améliorer l’efficacité et la sélectivité de la délignification au dioxygène comme le suggèrent certaines études. Le complexe cuivre(II)-phénanthroline présente des résultats prometteurs en termes d’efficacité, mais entraîne une dégradation importante de la cellulose. Différents ligands polypyridiniques ont été étudiés dans ces travaux, afin de trouver un complexe du cuivre(II) présentant une affinité forte vis-à-vis de la lignine et faible vis-à-vis de la cellulose. Les complexes formés ont été caractérisés par spectroscopie UV/Vis et voltammétrie cyclique et étudiés comme catalyseurs de l’oxydation de différents substrats : un composé modèle de lignine non phénolique et des substrats lignocellulosiques (un modèle de cellulose, un modèle de lignine native et une pâte kraft industrielle). Les résultats ont montré que la nature même du ligand a un effet important sur l’activité catalytique du complexe de Cuivre (II) lors de l’oxydation du composé modèle de lignine. En revanche, les complexes actifs présentent une activité faible lors de la délignification d’une pâte kraft et oxydent fortement les hydrates de carbone. Ce manque de sélectivité ne permet pas une application pour la production de pâte à papier mais oriente l’utilisation de ce type de catalyseur dans de nouvelles applications n’ayant pas les mêmes contraintes sur le degré de polymérisation de la cellulose. / Dioxygen delignification considerably reduces the operating cost of the bleaching process and decreases the environmental impact of the bleaching effluent. Unfortunately the performance of dioxygen delignification is limited since part of the residual lignin is not reactive toward dioxygen while cellulose depolymerisation occurs. Studies suggested that dioxygen delignification could be improved thanks to the use of catalysts such as copper(II)–phenanthroline type complexes which have shown promising results on delignification efficiency. However cellulose was also more degraded. Different polypyridinyl ligands have been studied in this work, in an attempt to find copper(II) complexes that have more affinity toward lignin and less toward cellulose. Complexes have been characterised by UV/Vis spectroscopy, cyclic volammetry, and they were studied for the catalysed oxidation of various substrates: a non phenolic lignin model compound and lignocellulosic substrates (a model of cellulose, a model of native lignin and an industrial kraft pulp). It has been shown that the nature of the ligand had a significant effect on the catalytic activity of Cu(II) complexes in the oxygen oxidation of the lignin model compound. However, the active complexes only show a limited activity during the delignification of a kraft pulp and oxidize carbohydrates. This lack of selectivity prevents from an industrial application for paper pulp production but may be useful for the design of products with fewer constraints on cellulose polymerization degree.