Titre de l'écran-titre (visionné le 6 février 2024) / Les changements climatiques et la dégradation environnementale posent un défi de taille pour l'industrie chimique. La recherche d'approches plus durables afin de réduire les dommages causés à l'environnement par les procédés chimiques est donc cruciale. Dans cette optique, la catalyse représente l'un des meilleurs outils. Celle-ci permet d'accélérer des transformations chimiques autrement difficiles, réduisant ainsi la demande énergétique et la quantité de déchets générés par ces procédés. Cependant, la plupart des catalyseurs utilisés à ce jour sont à base de métaux nobles, qui sont rares, dispendieux et parfois toxiques. Il est donc nécessaire de trouver d'autres alternatives aux métaux dans la catalyse. L'une des stratégies les plus prometteuses est la catalyse par paires de Lewis. Une paire de Lewis est composée à la fois d'un acide et d'une base de Lewis. Cette configuration particulière lui permet d'agir coopérativement sur une autre molécule de façon similaire à un métal à la différence que celles-ci sont faites à partir d'éléments abondants et peu toxiques. Cela leur permet de catalyser des transformations importantes avec un impact environnemental moindre que leurs analogues métalliques. Dans cette thèse, la borylation C-H isodesmique catalysée par des paires de Lewis est étudiée. Une réaction isodesmique est une transformation dans laquelle la nature des liens qui sont brisés est la même que ceux qui sont formés. Ainsi, la borylation isodesmique consiste à briser un lien B-C pour former un nouveau lien B-C sur une autre molécule. Comme les propriétés chimiques des réactifs sont similaires à celles des produits, cette approche comporte l'avantage d'être compatible avec davantage de fonctions chimiques considérées comme problématiques avec d'autres approches. Dans les premiers chapitres, les fondements de cette approche sont présentés. Il est démontré que la 2-mercaptopyridine en combinaison avec une source de bore appropriée forme une paire de Lewis autoassemblée qui peut catalyser la borylation de transfert d'hétéroarènes. Non seulement cette transformation fonctionne sur les mêmes substrats que les précédents systèmes à base de paires de Lewis, mais que celle-ci est compatible avec des groupements fonctionnels fragiles tels que les alcynes, les alcènes, les nitriles et les esters. Suite à ces travaux, le système catalytique est optimisé. Il est ainsi rapporté que les catalyseurs de type 2-mercaptoazole dont l'azole est un cycle à 5 membres sont plus catalytiquement performants que les azoles à 6 membres. Cette performance améliorée permet la borylation de nouveaux substrats tels que les alcynes terminaux, les alcènes riches en électrons ainsi que les thiophènes. La borylation de chacun de ces substrats est explorée en détail, et les différents mécanismes de désactivation des catalyseurs sont étudiés. Il est également démontré que la borylation de transfert se prête bien aux réactions de fonctionnalisation *in situ*, permettant ainsi une économie d'étapes. Tous les résultats présentés sont soutenus par des études computationnelles approfondies. Finalement, le mécanisme réactionnel de la borylation de transfert est exploré grâce à des expériences cinétiques et mécanistiques. D'abord, un ordre de réaction de ½ est obtenu pour le catalyseur, suggérant que celui-ci se dimérise dans les conditions réactionnelles. Également, des expériences d'entrainement démontrent une réversibilité du processus de borylation du substrat et écartent l'hypothèse de désactivation du catalyseur. Grâce à des modélisations cinétiques, il est conclu que la réversibilité de la borylation du substrat cause une forme d'inhibition par le produit qui s'accentue au fil de la réaction. Ces expériences démontrent que pour améliorer davantage le système, cette inhibition doit être combattue. L'ensemble de ces travaux démontre que les paires de Lewis autoassemblées sont des catalyseurs efficaces pour la borylation d'une grande variété de substrats qui dans certains cas ne sont pas possibles de boryler avec des catalyseurs métalliques. Qui plus est, les études mécanistiques dévoilent comment améliorer la performance de cette transformation et même contribuer à l'avancement de la catalyse grâce aux paires de Lewis. / The growing concerns regarding environmental degradation and climate change are pushing the chemical industry to look for sustainable and green ways to reduce their negative environmental impact. Catalysis presents itself as a ubiquitous tool on the path to greener processes as it allows the acceleration of chemical processes that would be difficult to achieve otherwise, thus reducing the energy demand and the waste generated. However, catalysis mostly relies on a handful of transition metals, which are often scarce, onerous and toxic. This is why there is a pressing need to develop alternative catalytic processes that do not rely on these metals. Enter Lewis pair catalysis, a promising alternative to noble metal catalysts. These compounds are made of earth-abundant elements which are less toxic and expensive than transition metals. As their name implies, they are comprised of both a Lewis acid and a Lewis base. Through the cooperation of the Lewis acid and base, these Lewis pairs can mimic metals. As such, they are greener catalysts for many key transformations. In this thesis, one of these Lewis pair catalyzed reactions is explored: isodesmic C-H borylation reaction. An isodesmic reaction, also called a transfer reaction, is a transformation in which the nature of the bonds that are broken is the same as the nature of the bonds that are formed. In this case, a B-C bond from the boron source is broken to form a C-H bond while in parallel a C-H bond is cleaved on a substrate to make a new C-B bond. Since the chemical nature of the reagents is the same as the products, these reactions often have an excellent functional group tolerance. In the first chapter of this thesis, the basics of transfer C-H borylation are laid out. It is first shown that 2-mercaptoazole compounds such as 2-mercaptopyridine can self-assemble into a Lewis pair *in situ*. This Lewis pair is then able to C-H activate and borylate electron-rich 5-membered arenes such as indoles and pyrroles, the same substrates as with previously reported Lewis pairs based borylation systems. Unlike these previous systems, sensitive functional groups like alkenes, alkynes, nitriles and esters are tolerated due to the innocuity of the boron source. Following this work, the catalytic system was optimized. As such, it was found that 5-membered 2-mercaptoazole catalysts are more catalytically performant than their 6-membered counterparts due to an improved geometry. This improved catalytic efficiency allowed expanding the scope of transfer borylation of more challenging C-H bonds, such as terminal alkynes, electron-rich alkenes and thiophenes. The borylation of each substrate is explored in-depth, including investigation of potential catalyst deactivation pathways and computational studies. It is also demonstrated that transfer borylation is a prime candidate for *in situ* functionalization reactions, going as far as only requiring a sub-stoichiometric amount of boron in boron recycling reactions. Finally, the mechanism of transfer C-H borylation was investigated using kinetic and mechanistic experiments. A reaction order of ½ was obtained for the catalyst, suggesting an underlying catalyst dimerization process was occurring that sequestered the catalyst. Furthermore, label entrainment experiments showed that the borylation of the substrate was reversible and discarded the hypothesis of catalyst deactivation. Kinetic modelling of the reaction demonstrated that the reversible borylation of that substrate was inhibiting the borylation process as the accumulation of the product in the reaction significantly decreased the rate of the reaction. This study has shown that self-assembled Lewis pairs have the capability to effectively borylate a wide range of substrates, including some that cannot be borylated by transition metals. The mechanistic experiments outlined in this research provide insight into how to enhance this chemical process and explore additional applications of Lewis pair catalysis.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/135083 |
| Date | 08 February 2024 |
| Creators | Desrosiers, Vincent |
| Contributors | Fontaine, Frédéric-Georges |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xviii, 177 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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