Utilisation de Carbènes Alkyl-Amino Cycliques (CAACs) pour des applications potentielles en catalyse organométallique asymétrique

Use of Alkyl-Amino-Cyclic Carbenes (CAACs) for potential applications in asymmetric organometallic catalysis

• Auteur / Autrice : Armand Taussat
• Direction : Jean-Marc Campagne, Renata Marcia de Figueiredo
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie Biomoléculaire
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : D1 - Chimie et Matériaux Moléculaires
• Jury : Président / Présidente : Eric Clot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Campagne, Julie Broggi, Emmanuel Gras, Renata Marcia de figueiredo, Rodolphe Jazzar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julie Broggi, Emmanuel Gras

Mots clés

Mots clés libres

Enantiosélective

Catalyse

Palladium

Ligand

Synthèse

Enantioselective

Catalysis

Palladium

Ligand

Synthesis

Résumé

Depuis l'isolement des premiers carbènes stables par Bertrand et Arduengo, la popularité des carbènes comme ligands ancillaires n'a cessé de croitre. Parmi toutes les sous-familles de carbènes persistants, celle des CAACs (Carbènes Amino-Alkyles Cycliques) est restée globalement en retrait dans le cadre de la catalyse organométallique avant le début de ces travaux de thèse. Dans le cadre d’une ANR regroupant notre laboratoire, celui de Marc Mauduit à Rennes et celui de Guy Bertrand et Rodolphe Jazzar à San Diego, aux États-Unis, nous nous sommes intéressés à l’utilisation de complexes CAAC-Pd dans le cadre de diverses réactions catalytiques, avec comme but d’en développer des versions énantiosélectives. En effet les CAACs, stabilisés par un seul atome d’azote, se différencient des NHCs, stabilisés par deux atomes d’azote, par leur propriétés électroniques et stériques. Du point de vue électronique, les CAACs sont à la fois plus électrophiles et plus nucléophiles que les NHCs (et donc plus σ-donneurs et plus π-accepteurs quand ils ont liés à des métaux de transition). D’un point de vue stérique, le carbone quaternaire en alpha du carbène impose une géométrie qui place les substituants plus près du centre métallique que ceux des NHCs, un comportement nommé « effet mur ». De plus, ce carbone étant quaternaire, il peut aisément être rendu asymétrique, permettant de positionner une poche chirale proche du centre métallique. Pour toutes ces raisons, nous avons souhaité tester ces carbènes dans des réactions qui permettent de challenger les résultats obtenus par des NHCs traditionnels. Cependant, des difficultés liées à pandémie de covid-19 et à notre manque de maîtrise et d’équipements adaptés à la synthèse d’aldiminiums, carbènes libres et de complexes carbéniques, ainsi que le manque de stabilité des complexes CAACs-Pd, ne nous ont pas permis de synthétiser la diversité de catalyseurs que nous souhaitions pour explorer leur réactivité dans les différentes réactions (allylation, isomérisation, couplages…) envisagées, et ce malgré des résultats préliminaires encourageants. Un séjour de six mois dans le laboratoire de notre partenaire américain, a permis de développer la synthèse d’un nouveau type de ligand bidenté, le CAACPhos. Cependant, la géométrie de la phosphine permet l’attaque de l’aldiminium, formant un phosphonium, puis un ylure de phosphore par déprotonation. La grande instabilité de ce C-amino phosphorane ne nous a pas permis d’explorer sa réactivité, notamment vis-à-vis de la complexation, à l’exception notable de l’or. Nous avons également tenté de synthétiser des sels d’aldiminium énantiopurs, pour circonvenir à la lourdeur de la méthode actuelle, qui nécessite l’utilisation d’HPLC chirale préparatrice à l’échelle du gramme, ce qui ne rend pas les CAACs énantiopurs très accessibles. Malheureusement, la séparation des diastéréoisomères s’est révélée difficile et ne nous a pas permis de valider une voie de synthèse. Ainsi, alors que nous avons entraperçu le potentiel des complexes CAAC-Pd dans le cadre de la catalyse, nous n’avons pas pu l’explorer efficacement notamment dans le cadre de la catalyse énantiosélectives.

Since the isolation of the first stable carbenes by Bertrand and Arduengo, the popularity of carbenes as ancillary ligands has continued to grow. Of all the sub-families of persistent carbenes, the CAACs (Cyclic Alkyl Amino Carbenes) has globally remained in the background of organometallic catalysis prior to the start of this thesis work. As part of an ANR project involving our laboratory, Marc Mauduit's laboratory in Rennes and Guy Bertrand and Rodolphe Jazzar's laboratory in San Diego, USA, we tried our hand at using CAAC-Pd complexes in various catalytic reactions, with the aim of developing an asymmetric version. CAACs, stabilized by a single nitrogen atom, differ from NHCs, stabilized by two nitrogen atoms, in their electronic and steric properties. From an electronic point of view, CAACs are both more electrophilic and more nucleophilic than NHCs (and therefore more σ-donors and more π-acceptors when bound to transition metals). From a steric point of view, the carbene's alpha quaternary carbon imposes a geometry that places substituents closer to the metal center than those of NHCs, a behavior termed the ''wall effect''. Loreover, as this carbon is quaternary it can easily be made chiral, enabling a chiral pocket to be positioned close to the metal center. For all these reasons, we wanted to test these carbenes in reactions that would challenge the results obtained with traditional NHCs. However, difficulties linked to the covid-19 pandemic and our lack of expertise and suitable equipment for the synthesis of aldiminiums, free carbenes and carbene complexes, as well as the lack of stability of CAACs-Pd complexes, prevented us from synthesizing the diversity of catalysts we wanted to explore in the various reactions we had planned (allylation, isomerization, couplings...), despite encouraging preliminary results. A six-month stay in the laboratory of our American partner, enabled us to develop the synthesis of a new type of bidentate ligand, CAACPhos. However, the geometry of the phosphine allows aldiminium to be attacked, forming a phosphonium, then a phosphorus ylide by deprotonation. The high instability of this C-amino phosphorane has prevented us from exploring its reactivity, particularly towards complexation, with the notable exception of gold. We also attempted to synthesize enantiopure aldiminium salts, to circumvent the cumbersome nature of the current method, which requires the use of chiral preparative HPLC on a gram scale, which doesn't make enantiopure CAACs very accessible. Unfortunately, we were unable to separate our reaction intermediates, preventing the success of our synthetic routes. So, while we have glimpsed the potential of CAAC-Pd complexes in catalysis, we have not been able to explore it effectively, particularly in enantioselective catalysis.