Fonctionnalisation durable d'amides et d'imides cycliques avec des catalyseurs au ruthénium : développement, applicabilité et mécanismes

Sustainable functionalization of cyclic amides and imides with ruthenium catalysts : development, scope and mechanisms

• Auteur / Autrice : Yu-Chao Yuan
• Direction : Rafael Gramage-Doria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie moléculaire et macromoléculaire
• Date : Soutenance le 29/10/2019
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyse homogène

Fonctionnalisation chimique

Chimie industrielle

Catalyseurs au ruthénium

Mots clés libres

Catalyse homogène

Ruthénium

Chimie fine

Économie d'atomes

Économie d'étapes

Homogeneous catalysis

Ruthenium

Fine chemistry

Atom-Economy

Step-Economy

Résumé

La synthèse durable et plus respectueuse dans l'environnement est très important dans le devenir de notre société. Dans ce contexte, la formation et la rupture des liaisons chimiques de manière contrôlée est au cœur de la chimie. Ainsi, réduire le nombre d'étapes pour l'élaboration des molécules, éviter l'utilisation des quantités sous-stoechiométriques des réactifs dangereux et diminuer les quantités des déchets sont quelques-uns des principes relevés de la chimie verte. Dans cette thèse de doctorat, différents stratégies ont été développé de manière à accéder à des molécules à haute valeur ajouté en partant de molécules très peu fonctionnalisés. En utilisant des catalyseurs de ruthénium (qui sont plus abondant et moins couteux que ses homologues classiques Rh, Pd, Ir, etc.), il s'est avéré que des amides et des imides cycliques (qui sont des constituants très important pour la biologie et les sciences des matériaux) se comportent comme des groupements directeurs pour la fonctionnalisation des liaisons très énergétiques CH. En particuliers, des réactions très sélectives de formation carbone-oxygène et carbone-carbone, respectivement, ont été développés en utilisant des réactifs très disponibles tels que les acides carboxyliques, les alcènes et les acides boroniques. Plusieurs dérivatisations ont été effectués (i.e. indoprofen) pour illustrer le potentiel de ces méthodologies. Pendant ces études, la transformation inattendue de groupement phthalimides en amides secondaires en présence des catalyseurs au ruthénium a été relevée et analysée en détail. Les mécanismes réactionnels associés à toutes ces transformations ont été étudié en partie pour avoir une meilleure compréhension des catalyseurs au ruthénium.

The sustainable synthesis of fine chemicals is an important topic in view to drive our society to a more environmentally respectful way of living. In this context, forming and breaking chemical bonds at will with high levels of selectivity is at the central core of chemical synthesis. Consequently, reducing the number of chemical steps towards the target molecules, avoiding the utilization of overstoichiometric amounts of hazardous reagents and diminishing chemical wastes are only some of the challenges to be addressed by a future green chemistry. In this PhD thesis, different strategies are developed to prepare highly-added value chemicals starting from very low-functionalized starting materials. Using ruthenium catalysts, which are more abundant and less expensive than other noble metals (i.e. Pd, Rh, Ir, etc.), it was found that cyclic amides and cyclic imides, which are important building blocks in biology and materials science, behave as excellent weak directing groups to functionalize traditionallybelieved inert aromatic C-H bonds. Particular focus was devoted to the formation of new C-O and C-C chemical bonds using readily availableand benchmark (air and moisture) stable carboxylic acids, alkenes and boronic acids, respectively, as coupling partners. These reactions led to excellent levels of selectivity (i.e. site, regio, stereo). Some derivatizations of the resulting compounds and the late-stage functionalization of a representative drug candidate were tackled to highlight the utility of these methodologies. In the course of these studies, an unexpected cleavage of phthalimides leading to secondary amides was identified in the presence of a ruthenium catalyst. Traditionally, phthalimides are cleaved in the presence of hydrazine to release primary amines, however, such unprecedented protodecarbonylation reaction fills the gap delivering secondary amides. The mechanisms associated to all these transformations were investigated experimentally to some extent with the aim to gain a better fundamental understanding.