Quand l'eau devient un solvant efficace et inattendu pour les composés organométalliques polaires du bloc s : réseaux de liaisons H et mécanisme

When water becomes an unexpected efficient solvent for polar s-block organometallic compounds : H-bond networks and mechanism

• Auteur / Autrice : Samuel Danladi Mador
• Direction : Anne Milet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique moléculaire et structurale
• Date : Soutenance le 27/01/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de chimie moléculaire (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Guy Royal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hassan Oulyadi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carine Michel, Hélène Gérard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie organométallique

Théorie de la fonctionnelle de densité

Liaisons hydrogène

Mots clés libres

Calculs QM/MM

Réseau de liaison hydrogene

Métadynamique

Dft

Réactivité organométallique

Sapt

QM/MM calculations

H-Bond network

Metadynamics

Dft

Organometallic reactivity

Sapt

Résumé

L’utilité des organolithiens et organomagnésiens pour les chimistes de synthèse n’est plus à démontrer. Ces composés et, plus généralement, les composés organométalliques fortement polaires du bloc s (R-Li, R-Mg, ..) demandent néanmoins à être manipulés dans des conditions strictes : solvant aprotique, atmosphère inerte, et souvent basse température. Mais récemment, ces dérivés ont pu être utilisés dans des milieux totalement inattendus comme l’eau et cela à température ambiante et avec d’excellents rendements voire sélectivité !Cette thèse vise à comprendre le mécanisme de cette réaction et le rôle de l'eau, en mettant l'accent sur la synthèse du tétrahydrofurane 2,2-disubstitué par réaction de la 4-chloro-1-phényl butan-1-one (chlorocétone) avec le méthyllithium "sur l'eau" par des méthodes de modélisation de type DFT et par des dynamique QM/MM biaisée comme la métadynamique. Nous avons d'abord étudié les différents états d'agrégation et la nature de la solvatation du MeLi dans les solvants éthérés (éther diéthylique et THF). Les états d’agrégation dominants sont le dimère et le tétramère, le tétramère étant l'état le plus stable. Le nombre de coordination du solvant observé avec le THF est plus élevé que la solvatation correspondante dans l'éther diéthylique. Ceci est principalement dû à la répulsion stérique exercée par les chaînes alkyle de l'éther diéthylique. Une tendance similaire a été observée pour les clusters avec une cétone coordonné (acétone, chlorocétone) au lithium du méthyllithium (clusters MeLi-Ketone). L'étude de l'énergie d'interaction intermoléculaire entre les solvants ou les cétones et les clusters de MeLi a été réalisé en utilisant SAPT (Symmetry Adapted Perturbation Theory) et a montré une relation directe entre l’énergie d'interaction et le nombre de solvants coordonnés en raison de la réduction de la densité électronique sur le cluster de MeLi par l'attraction des solvants coordonnés.Le mécanisme de réaction de l'addition des agrégats de MeLi aux cétones a été étudié dans les milieux conventionnels (éther diéthylique et THF) et non conventionnels ("sur l'eau"). Les solvants se sont avérés avoir un effet significatif sur les réactions. Pour la réaction sur l'eau, un réseau de liaison hydrogène formé par l'eau et le système cétone-cluster partiellement hydrolysé permet cette réaction sans consommation complète du réactif organométallique par l'eau.Nous avons également étudié l'addition nucléophile organométallique de sulfinylcétimines et avons trouvé que la différence de stabilité et la rapidité de l'addition par rapport à l'isomérie des diastéréoisomères et l'effet du stérique sont les raisons de la haute sélectivité de l'addition 1,2 obtenue pour la réaction.

Organometallic compounds of polar s-block metals especially organolithium and Grignard reagent have found vast applications in organic transformations. Due to the polarity of their C—Metal bonds, a significant thing to note in their use is their extreme sensitivity to moisture and therefore, their manipulation must be in anhydrous solvents under controlled conditions. Yet, recently, interesting and surprising use of these class of compounds in organic transformations under uncontrolled environment (under air and at room temperature) and in the presence of water were reported with improved performance and yield in most cases. This thesis sort to understand the mechanism of this reaction and the role of water, with emphasis on the synthesis of 2,2-disubstituted tetrahydrofuran by reaction of 4-chloro-1-phenyl butan-1-one (chloroketone) with methyllithium “on water” by DFT and the biased QM/MM dynamics such as metadynamics method. We first, studied the different aggregation states and nature of solvation of the MeLi in ethereal solvents (diethyl ether and THF). The prominent states were found to be the dimer and tetramer with the tetramer being the most stable state. The solvent coordination number observed with THF is higher than the corresponding diethyl ether solvation. This is chiefly due to the steric repulsion pose by the alkyl chains of the diethyl ether. A similar trend was observed for the clusters with docked ketone (acetone, chloroketone) on the lithium of the methyllithium (MeLi—Ketone clusters). Study of intermolecular interaction energy between solvents or ketones and MeLi clusters by symmetry-adapted perturbation theory (SAPT) showed direct the interaction energy is dominated by electrostatic interaction with contributions from induction and dispersion interactions.Reaction mechanism of addition of MeLi aggregates to the ketones were studied in the conventional (diethyl ether and THF) and unconventional media (“on water”). The solvents were found to have significant effect on the reactions. For the reaction on water, a hydrogen bonding network formed by water and the partly hydrolysed ketone-cluster system postulate an insight to this reaction without complete consumption of the organometallic reagent by the water.We also studied the organometallic nucleophilic addition of sulfinyl ketimines and found the difference in stability and quick addition relative to isomerism of the diastereomers and the effect of steric to be the reasoning behind the high selectivity of the 1,2-addition obtained for the reaction.