Développement et application des photocatalyseurs à base de cuivre en catalyse homogène et enzymatique

Abstract

Le développement de réactions catalytiques est sans cesse en expansion et s’aligne fortement aux principes de la chimie vert. La photocatalyse est devenue un outil de synthèse omniprésent en synthèse organique. Elle est une alternative de choix pour accéder à de nouvelles réactivités qui ne sont pas accessibles thermiquement. Le choix des photocatalyseurs a une importance primordiale pour obtenir la réactivité désirée et la synthèse de nouveaux photocatalyseurs est essentiel pour la découverte de nouvelles réactivités. La biocatalyse est une alternative sans conteste qui permet d’obtenir des composés énantiopures. Dans cette thèse ces deux types de catalyse seront utilisés pour la conversion d’alcool en halogénure correspondant, pour la formation de cyclophanes chiraux planaires, et pour le développement d’une réaction cinétique dynamique par voie photocatalytique. Les chapitres 1 et 2 ont pour but d’introduire les concepts de photochimies, photocatalyse, chimie en débit continu et les photocatalyseurs à base de cuivre(I) pour la bonne compréhension des chapitres 4 et 8. Les résultats du premier projet de cette thèse sont présentés dans le chapitre 4 et portent sur le développement d’une réaction de type Appel via un système photocatalytique en chimie en débit continu. En premier lieu il a été criblé une libraire de 50 photocatalyseurs à base de cuivre, le complexe [Cu(tmp)(BINAP)]BF4 a été identifié comme le meilleure pour cette transformation. Une dizaine de substrats ont été évalué et les rendements varient de 80 % à 99 % en chimie traditionnelle. L’utilisation de la chimie en débit continu a permis de diminuer le temps de réaction à 4 h (contre 24 h) pour des rendements similaires. Le deuxième projet de cette thèse porte sur la tentative de synthèse de cyclophanes chiraux planaires (Chapitre 6) et est précédé d’introductions sur les procédés de biocatalyse et les cyclophanes (Chapitre 5). Les résultats présentés dans ce chapitre montrent les efforts sur la synthèse de précurseurs macrocyclique et les tentatives de macrocyclisation pour l’obtentions de macrocycles énantioenrichis. Les versions racémiques de certains composés ont été obtenus avec des rendements compris en 19 et 25 % et a permis de réaliser une étude de variation de température. 4 Précédé d’une introduction sur le concept des procédés de transfert d’atomes d’hydrogène (Chapitre 7), le chapitre 8 présente les résultats sur le développement d’une résolution cinétique dynamique impliquant un système photocatalytique à base de cuivre(I). Premièrement un criblage de 60 photocatalyseurs a été réaliser et le [Cu(dtbbpy)(DPEPhos)]BF4 a été identifié comme le meilleur pour un processus de HAT sur un alcool secondaire. Deuxièmement, la combinaison de la photocatalyse et la catalyse enzymatique a permis d’obtenir des esters et des amides hautement énantioenrichis avec des rendements compris entre 62 % et 99% avec des excès énantiomériques allant de 75 % ee à 99 % ee.

The development of catalytic reactions is constantly expanding and aligns with the principles of green chemistry. Photocatalysis has become omnipresent as a synthesic tool in organic chemistry. The choice of photocatalyst is of paramount importance to obtaining desired reactivities and thus the synthesis of new photocatalysts is essential. Biocatalysis is a efficient route to obtain enantiopure compounds. In the thesis, the two types of catalysis will be used for the conversion of alcohols to the corresponding halides, for the formation of planar chiral cyclophanes and for the development of photocatalytic a dynamic kinetic resolution. Chapters 1 and 2 are intended to introduce the concepts of photochemistry, photocatalysis, continuous flow chemistry and copper(I)-based photocatalysts for the proper understanding of chapters 4 and 8. The results of the first project of the thesis are presented in chapter 4 and focus on the development of a photocatalytic Appel reaction in continuous flow. First, a library of 50 copper-based photocatalysts was screened and the [Cu(tmp)(BINAP)]BF4 complex was identified as the best for the transformation. About ten substrates were evaluated and the yields varied from 80 % to 99 % in batch. The use of continuous flow chemistry decreases the reaction time to 4 h (vs 24 h) for similar yields. The second project of the thesis deals with the attempted synthesis of planar chiral cyclophanes (Chapter 6) and is preceeded by introductions to biocatalytic processes and cyclophanes (Chapter 5). The results presented in the chapter decribe the efforts toward the synthesis of macrocyclic precursors and the attempts at macrocyclization thereof to obtain enantioenriched macrocycles. The racemic version of some compounds were obtained in 19-25 % yields and variable temperature NMR stuies identified racemization barriers. Proceeded by an introduction on the concept of hydrogen atom transfer processes (Chapter 7), chapter 8 presents the results of the development of a dynamic kinetic resolution involving a copper-based photocatalytic system. First, a screening of 60 photocatalysts was performed and [Cu(dtbbpy)(DPEPhos)]BF4 was identified as the best for a HAT process on secondary alcohols. Second, the combination of photocatalysis and enzymatic catalysis provided highly enantioenriched esters and amides in yields between 68 and 99 % with enantiomeric excesses ranging from 75 % ee to 99% ee.