Conception de catalyseurs de ruthénium hautement robustes et stéréosélectifs pour la métathèse des oléfines

Design of highly robust and stereoselective ruthenium-based catalysts for olefin metathesis

• Auteur / Autrice : Jennifer Morvan
• Direction : Marc Mauduit, Christophe Crévisy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Rennes, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Guillaume
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Mauduit, Christophe Crévisy, Sophie Guillaume, Gwilherm Evano, Joseph Moran, Guy Bertrand, Janine Cossy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gwilherm Evano, Joseph Moran

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métathèse (chimie)

Catalyse asymétrique

Catalyseurs au ruthénium

Mots clés libres

Métathèse des oléfines

Complexes de ruthénium optiquement purs

NHCs prochiraux

CAACs chiraux

Z-sélectivité

Olefin metathesis

Ruthenium-based optically pure complexes

Prochiral NHCs

Chiral CAACs

Asymmetric catalysis

Z-selectivity

Résumé

La métathèse des oléfines est une réaction emblématique de la chimie verte pour la forma-tion de nouvelles doubles liaisons carbone-carbone. Permettant une grande économie d’atome et la réduction du nombre d’étapes de synthèse, cette technologie offre des atouts incontestables pour la production de molécules d’intérêts (actifs pharmaceu-tiques, polymères, ingrédients pour la cosmétique et la parfumerie, phéromones d’insectes pour le bioconTRÖLE… ) Ainsi, une multitude de complexes de ruthénium ont été développés depuis les années 1990 avec pour objectif d’étendre les champs d’applications de la métathèse. Si des avancées majeures ont été accomplies au niveau de l’activité et de la stabilité de ces précatalyseurs, le contrôle de la sélectivité de la réaction (i.e. formation de centres stéréogènes, géométrie de la double liaison) consti-tue toujours un réel défi. C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux de thèse. Ainsi, une méthodologie innovante et versatile de dédoublement racémique de composés organométal-liques par HPLC préparative a été développée pour la synthèse de complexes de ruthénium optique-ment purs à partir de carbènes N-hétérocycliques (NHCs) prochiraux ou de carbènes aminoalkyles cycliques (CAACs) chiraux. Ces deux familles de complexes ont conduit à des excès énantiomé-riques allant jusqu’à 94% en métathèse croisée par ouverture de cycle (AROCM) et 50% ee en méta-thèse croisée asymétrique (ACM). Par ailleurs, des calculs théoriques (DFT) ont permis d’élucider l’origine de l’énantiosélectivité en AROCM. Afin d’élargir le champ d’application de ces nouveaux complexes chiraux, le contrôle simultané de la stéréochimie de la double liaison et de la configuration absolue des centres asymétriques a été envisagé. Grâce à un simple échange des ligands chlorures par un catéchodithiolate, les premiers complexes de ruthénium Z-sélectifs optiquement purs ont été développés. Ces derniers, isolés avec d’excellents rendements ou formés in-situ, ont été évalués en AROCM pour conduire à la formation d’oléfines Z (jusqu’à 99%) avec des énantiosélectivités encourageantes (jusqu’à 84% ee).

Olefin metathesis is an important reaction of green chemistry for the formation of new carbon-carbon double bonds. Allowing a large atom economy and shorter synthetic pathways, this technology offers many advantages for the production of highly valuable molecules (drugs, polymers, ingredients for cosmetics and fragrances, insect pheromones for biocontrol…) Thus, numerous ruthenium-based complexes have been developed since the 1990s aiming to extend the field of application of metathesis. While major advances have been made concern-ing activity and stability of these precatalysts, controlling the selectivity of the reaction (i.e. formation of stereogenic centers, geometry of the double bond) remains a real challenge. In this context, an innovative and versatile methodol-ogy based on organometallic complexes chiral reso-lution by preparative HPLC has been developed for the synthesis of optically pure ruthenium complexes from prochiral N-Heterocyclic Carbenes (NHCs) or chiral Cyclic (Alkyl)(Amino) Carbenes (CAACs). These two families of complexes afforded enantiomeric excesses up to 94% ee in asymmetric ring opening-cross metathesis (AROCM) and 50% ee in asymmetric cross metathesis (ACM). In addition, theoretical calculations (DFT) have allowed to under-stand the origin of enantioselectivity in AROCM. Simultaneous control of the double bond stereo-chemistry and the absolute configuration of the asymmetric centers has been considered in order to broaden the scope of these chiral complexes. The first Z-selective optically pure ruthenium-based com-plexes have been developed by exchange of chlo-rides with a catechodithiolate ligand, which could be either isolated with nearly quantitative yields or used in-situ. They demonstrated high Z-selectivity in AROCM (up to 99%) along with promising enantiose-lectivities (up to 84% ee).