Complexes pinceurs de type POCOP de Nickel (II) : synthèse, caractérisation, réactivité et applications catalytiques

Abstract

Ce mémoire décrit la synthèse, la caractérisation spectroscopique et l’étude de la réactivité catalytique d’une nouvelle série de complexes pinceurs de Ni(II) formés à partir du ligand POCOPPh (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H4), très peu étudié dans le cas du nickel. Les études décrites dans ce mémoire examinent l’effet des substituants des phosphines sur les propriétés spectroscopiques et électrochimiques ainsi que les activités catalytiques. La synthèse du ligand a été améliorée par rapport à la procédure connue dans la littérature en diminuant le temps de réaction à 30 min et la température jusqu'à température ambiante. Les composés pinceur (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H3)NiX ont été obtenus avec des rendements variant entre 60% et 88%. Le premier complexe a été synthétisé en faisant réagir le précurseur NiBr2(NCCH3)x avec le ligand POCOPPh pour donner (POCOPPh)NiBr. Ce dernier réagit par la suite avec les sels d’argent et de potassium pour donner 4 nouveaux complexes soient : (POCOPPh)NiCN, (POCOPPh)NiOTf, (POCOPPh)NiOAc et (POCOPPh)NiONO2 (OTf = triflate et OAc = acetate). Vu la réactivité limitée du dérivé bromure, le dérivé (POCOPPh)NiOTf a été utilisé pour la préparation du composé (POCOPPh)NiCCPh. Le dérivé Ni-OTf a été utilisé également pour la synthèse des complexes (POCOPPh)NiR qui ont été détectés par RMN. Ces complexes (POCOPPh)NiR ont montré une stabilité trop faible et donnent des nouveaux complexes de type (POCOPPh)NiX en échangeant l’halogène avec le Mg ou de type (POCOPPh)NiOH en s’hydrolysant. Les espèces cationiques [(POCOPPh)NiNCR][OTf] (R= Me, CHCH2, CHCHMe, C(Me)CH2, NCCH2CH2N(Ph)H) ont été obtenues facilement et avec des bon rendements à partir du (POCOPPh)NiOTf. Tous les composés obtenus ont été caractérisés par la spectroscopie RMN (1H, 13C{1H}, 31P{1H}, 19F{1H}), la spectroscopie IR et la spectroscopie UV-vis. L’analyse élémentaire et l’analyse par la diffraction des rayons X, dont le but est de résoudre la structure à l’état solide, ont été utilisées pour la plupart des complexes. Des études de voltampérométrie cyclique ont été menées pour déterminer la densité électronique des centres métalliques et l’effet des phosphines sur cette propriété électrochimique. Dans le but de déterminer l’effet des substituants des phosphines sur l’activité catalytique des complexes, nous avons évalué les réactivités catalytiques des deux complexes (POCOPPh)NiOTf et (POCOPi-Pr)NiOTf dans la réaction d’hydroamination des oléfines activés et plus spécifiquement l’acrylonitrile. Après optimisation des conditions expérimentales, on a constaté que la réactivité des deux composés sont similaires mais une grande différence apparaît après l’ajout des additifs. En effet, le complexe (POCOPi-Pr)NiOTf donne une bonne activité catalytique en présence de la triéthylamine, tandis que cette activité diminue considérablement en présence d’eau, contrairement au complexe (POCOPPh)NiOTf qui est plus actif en présence d’eau. Dans le cas du complexe (POCOPPh)NiOTf, on a pu montrer que la base se coordonne au nickel dans le produit formé après la réaction d’hydroamination, ce qui diminue l’activité de ce complexe dans certains cas. Également on a exploré la réaction de l’addition du lien O-H sur l’acrylonitrile, et étonnamment le complexe (POCOPPh)NiOTf est beaucoup plus actif que son homologue (POCOPi-Pr)NiOTf dans le cas des alcools aromatiques. Par contre, les alcools aliphatiques restent un défi majeur pour ce genre de complexe. Le mécanisme de cette réaction qui a été proposé montre que l’alcoolyse passe par les deux intermédiaires (POCOPPh)NiOAr et [(POCOPPh)NiOAr][HOAr] mais l’isolation de ces intermédiaires observés par RMN semble être difficile.

This thesis describes the synthesis, spectroscopic characterization and the catalytic activities of a new family of pincer complexes of Ni (II) starting from the ligand POCOPPh (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H4) for which very few nickel complexes have been reported previsouly. We discuss the influence of P-substituents on the spectroscopic, electrochemical and catalytic activities of these complexes. The synthesis of POCOPPh has been improved comparatively to the procedure reported in the literature by reducing the reaction time to 30 minutes and the temperature to room temperature. The complex (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H3)NiBr was obtained with 88% yield by reacting the precursor NiBr2(NCCH3)x with POCOPPh . This complex was then reacted with various silver and potassium salts to give the following complexes (POCOPPh)NiCN, (POCOPPh)NiOTf, (POCOPPh)NiOAc and (POCOPPh)NiONO2 (OTf = triflate et OAc = acetate). The limited reactivity of the bromo derivative led us to use (POCOPPh)NiOTf for the preparation of some of the desired derivatives, such as (POCOPPh)NiCCPh. Attempts to prepare the desired alkyl derivatives (POCOPPh)NiR were not successful, but we were able to detect these derivatives using NMR. The thermal instability of (POCOPPh)NiR led to formation of new (POCOPPh)NiX complexes by halogen exchange with MgX2 or (POCOPPh)NiOH by hydrolysis. The cationic species [(POCOPPh)NiNCR][OTf] (R = Me, CHCH2, CHCHMe, C(Me)CH2, NCCH2CH2N(Ph)H) also were obtained easily from the (POCOPPh)NiOTf with good yields. All these complexes were characterized by elemental analysis, NMR spectroscopy (1H, 13C{1H} 31P{1H}, 19F{1H}), IR spectroscopy and UV-vis spectroscopy. For most complexes analysis by X-ray diffraction allowed us to establish their solid state structures. A few studies by cyclic voltammetry have been done to determine the electronic density of the metal center and the P-substituent influence on this characteristic. In order to investigate the effect of phosphine substituents on the catalytic activities of this type of complexes, catalytic studies were undertaken with the following two complexes (POCOPPh)NiOTf and (POCOPi-Pr)NiOTf in hydroamination of activated olefins specifically acrylonitrile. After optimization of experimental conditions, it was found that both complexes have similar activities but what makes a huge difference is the use of additives. Indeed, (POCOPi-Pr)NiOTf showed good catalytic activity in the presence of triethylamine as base but this activity decreased significantly in the presence of water. The opposite was observed with (POCOPPh)NiOTf complex: it was shown that triethylamine coordinates to the nickel center in this complex and hence reduces its activity in some cases. We Also explored other reactions such as the addition of the O-H bond in aromatic alcohols to acrylonitrile, and it was surprising that (POCOPPh)NiOTf is much more active than its homologous (POCOPi-Pr)-NiOTf. However aliphatic alcohols remain a major challenge for this kind of complex. Mechanistic studies suggest that this reaction passes through the following intermediates (POCOPPh)NiOAr and [(POCOPPh)NiOAr][HOAr]. These species were observed by NMR but not isolated.