Utilisation de la lumière visible pour la fonctionnalisation sélective de liaisons C-H d’hétérocycles azotés

Visible-light induced selective C-H bonds functionalization of N-heterocycles

• Auteur / Autrice : Lucas Guillemard
• Direction : Françoise Colobert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation moléculaire et applications (Strasbourg ; Mulhouse ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Blanchard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Colobert, Nicolas Blanchard, Géraldine Masson, Louis Fensterbank, Philippe Renaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Géraldine Masson, Louis Fensterbank

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alkylation

Fonctionnalisation chimique

Liaisons carbone-hydrogène

Catalyse photorédox

Azote -- Composés

Chimie des composés hétérocycliques

Mots clés libres

Catalyse duale

Catalyse photorédox

Activation C-H

Chimie radicalaire

N-hétérocycle

Perfluoroalkylation

Acylation

Complexe EDA

Organocatalyse bifonctionnelle

Chiralité axiale

N-hétérobiaryle

Atropoisomère

Dual catalysis, photoredox catalysis, C-H activation

Photoredox catalysis

C-H activation

Radical chemistry

N-heterocycle

Perfluoroalkylation

Acylation

EDA complex

Bifunctional organocatalysis

Axial chirality

N-heterobiaryl

Atropisomer

Résumé

Les travaux présentés dans ce manuscrit portaient initialement sur un système de catalyse duale combinant la catalyse photorédox et l’activation de liaisons C-H, deux domaines en plein essor dans le paysage de la chimie organique moderne. L’objectif est de parvenir à associer ces deux cycles catalytiques distincts de façon synergique afin de réaliser des couplages sans précédent dans le respect d’une chimie durable. Au cours de nos recherches, nous avons découvert deux nouvelles méthodologies à fort potentiel concernant la fonctionnalisation C-H de N-hétérocycles induite par la lumière visible. Nous avons d’abord développé un protocole pour la perfluoroalkylation de dérivés de quinoléines sélectivement aux positions C5 et C8. Par ailleurs, nous avons conçu une procédure permettant l’acylation de N-hétérocycles via la génération de complexes Electron Donneur Accepteur (EDA). De façon remarquable, ces transformations radicalaires sont effectuées dans des conditions particulièrement douces et ne requièrent aucun métal de transition ou photosensibilisateur. Par la suite, nous avons eu la volonté de contrôler la chiralité axiale de N-hétérobiaryles en adaptant les réactions précédentes de manière atroposélective. Nous avons alors utilisé des organocatalyseurs bifonctionnels capables de créer des interactions par liaisons hydrogène avec les substrats mis en jeu dans le but d’obtenir une induction chirale.

The initial work presented in this manuscript revolves around a dual catalytic system merging photoredox catalysis and C-H bonds activation, two significant fields in modern organic chemistry. The objective was to combine these two distinct catalytic cycles in a synergistic way to perform unprecedented couplings while targeting eco-friendly chemistry. During our research studies, we discovered two new powerful methodologies allowing the C-H functionalization of N-heterocycles induced by visible-light irradiation. First, we developed a regiodivergent perfluoroalkylation of quinolines derivatives selectively at C5 and C8 positions. Furthermore, we designed a direct C-H acylation of N-heterocycles thanks to the visible-light irradiation of in situ generated Electron Donor Acceptor (EDA) complexes. Remarkably, these exceptionally mild and green radical transformations do not require any transition metal or photosensitizer and are compatible with a large panel of substrates. Subsequently, we had the ambition to control the axial chirality of N-heterobiaryls by adapting the previously disclosed protocols in an atroposelective fashion. In that respect, we used bifunctional organocatalysts able to establish hydrogen bonding interactions with the involved substrates in order to obtain a chiral induction.