Apport de la modélisation en organocatalyse : sélectivités, mécanismes et propriétés

Explaining organocatalysis through molecular modelling : selectivities, mechanisms and properties

• Auteur / Autrice : Julien Pastor
• Direction : Gilles Frison
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acides phosphoriques

Écologie chimique

Mots clés libres

Modélisation

Organocatalyse

Résumé

La modélisation moléculaire, et plus particulièrement les méthodes issues de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), est devenue actuellement un partenaire privilégié pour la description et la rationalisation des propriétés des systèmes chimiques. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous avons utilisé ces outils pour étudier des réactions issues de l’organocatalyse. Ce mode de catalyse, classé dans le domaine de la chimie vert du fait de l’absence d’atomes métalliques, s’est démarqué au cours de ces dernières décennies par ses excellentes performances en termes de rendements, mais aussi d’excès énantiomériques en utilisant un catalyseur chiral. Nous nous sommes intéressés au cours de cette thèse à deux grands types d’organocatalyseurs : les phosphines et les acides phosphoriques. Les phosphines catalysent la réaction entre un diène conjugué et une imine, produisant une pyrroline de façon sélective. La compréhension de la régiosélectivité de cette réaction a été au centre de notre étude théorique, au cours de laquelle nous avons modélisé les différents chemins réactionnels envisageables. Cette partie théorique a été accompagnée de mesures cinétiques expérimentales qui ont permis de confirmer l’étape déterminante de la réaction. L’ensemble de ces travaux nous a conduits à proposer un nouveau mécanisme réactionnel expliquant les résultats expérimentaux de la littérature. Les acides phosphoriques catalysent la réaction de réduction de quinoline par un ester de Hantzsch de façon énantiosélective. Seul un réexamen complet du mécanisme de cette réaction nous a permis, par modélisation, de reproduire les excès énantiomériques expérimentaux. Sur cette base, une rationalisation entre les propriétés physico-chimiques des acides phosphoriques et leurs capacités catalytiques a pu être envisagée.

Nowadays, molecular modelling, and more particularly density functional theory methods (DFT), is a great way to describe and rationalize properties of chemical systems. In this work, we used these computational methods to study organocatalyzed reactions. Organocatalysis, which is part of the green chemistry field by the absence of metal atoms, proved to be a very successful mode of catalysis over the last decade in terms of yields, but also in terms of enantiomeric excesses when using a chiral catalyst. In this thesis we were interested in two types of organocatalysts : phosphines and phosphoric acids. Phosphines catalyze the reaction between a conjugated diene and an imine, yielding a pyrroline in a selective manner. The understanding of the regioselectivity of this reaction was the main topic of our theoretical study, in which we modelled different possible reaction pathways. These theoretical works were joined by experimental kinetic measures which allowed us to confirm the rate-determining step of the reaction. These studies lead us to propose a new reaction mechanism which explains the experimental results observed in the literature. Phosphoric acids catalyze the enantioselective reduction of quinolines by Hantzsch esters. A complete theoretical study of the mechanism of this reaction allowed us to reproduce the enantiomeric excesses obtained experimentally. On this basis, we were also interested in the rationalization between the chemical properties of these phosphoric acids and their ability to catalyze reactions.