Synthèse et réactivité de complexes du nickel(II) comportant des ligands carbène N-hétérocyclique : des réactions de couplage C-C croisé à l'activation de liaisons C-H
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The research in this thesis targets some aspects of the chemistry of nickel-N-heterocyclic carbene (NHC) complexes. A series of half-sandwich nickel(II) complexes, [Ni(R-NHC-n-Bu]XCp†] (Cp† = Cp, Cp*, X = Cl, I), bearing a N-bound n-butyl sidearm NHC ligands has been synthesized from the appropriate imidazolium halides and nickelocene or [Ni(acac)Cp*] as models for heterogenized versions of these complexes. All these complexes were fully characterized by standard spectroscopic techniques [1H and 13C{1H}NMR spectroscopy, 2D spectroscopy when appropriate, MS, and elemental analyses]. Furthermore, many representative complexes were the subject of single-crystal X-ray diffraction studies. All these complexes feature a two-legged piano stool geometry common for 18-electron MCp†L2 compounds with a trigonal planar geometry around the central nickel atom. The [Ni(Ar-NHC-n-Bu)ICp] compounds are highly active catalysts for the Suzuki cross-coupling of aryl bromides or chlorides with phenylboronic acid in the absence of any reductant or co-catalyst and show higher turnover frequencies (TOF) than seen in their closely related symmetric [Ni(Ar2-NHC)LCp†] counterparts. The origin of the improved stability of the in situ generated active species is discussed. A heterogenized version of these complexes onto alumina has been prepared by employing 3-(trialkoxysilylpropyl)imidazolium halides and tested in Suzuki cross-coupling. In the prospect of enhancing the longevity of the active species, unprecedented half-sandwich Ni(II) complexes bearing two different NHC ligands were prepared by displacement of the labile acetonitrile ligand from [Ni(Ar2-NHC)(CH3CN)Cp]+X- with a “free” NHC. The resulting cationic bis-(NHC)-nickel complexes [Ni(NHC)(NHC’)Cp]+X- show remarkable stability, and thus low acitivity in Suzuki couplings. The Ni– NHC bonds are particularly robust as can be demonstrated by the displacement of the Cp, and not of a NHC ligand, when these bis-NHC Cp complexes are protonated. The final chapter presents a novel reaction in which the base-promoted activation of sp3-hybridized C– H bonds a- to functional organic groups at Cp†Ni-NHC centres was achieved. The scope and breadth of this activation is demonstrated by the activation of acetonitrile, acetone and other ketones under relatively mild conditions to give a range of new nickel alkyls. A remarkable double activation of acetone was notably demonstrated. The activation of C–H bonds a-to nitriles in NHC-attached sidearms to give a series of new half-sandwich nickelacycles was also achieved. Possible mechanistic pathways for these reactions have been the subject of theoretical DFT analyses. Similarly to the bis-NHC species, the nickelacycles show great robustness of the NHC– and alkyl–Ni bonds.
Abstract FR:
Cette thèse s’inscrit dans le carde de la recherche sur la chimie des complexes du nickel(II) comportant des ligands carbène N-hétérocylique (NHC). Une série de complexes demi-sandwich du nickel(II), [Ni(R-NHC-n-Bu)XCp†] (Cp† = Cp, Cp*, X = Cl, I) comportant une chaîne n-butyl sur le cycle d’imidazole a été synthétisée à partir d’un halogénure d’imidazolium et du complexe [Ni(acac)Cp*] ou du nickelocène afin de servir de modèle pour une future version hétérogénéisée de ces composés. Tous les complexes ont été entièrement caractérisés par les techniques de spectroscopie standard [Spectroscopie RMN 1H et 13C{1H} et 2D dans certains cas, HRMS et microanalyse]. De plus, la structure d’un grand nombre de ces espèces a été déterminée par diffraction des rayons X sur monocristal : tous ces composés présentent une géométrie de tabouret à deux pieds commune aux complexes de formule générale MCp†L2 à 18-électrons. La géométrie autour de l’atome de nickel central est trigonale plane. Les composés de formule générale [Ni(R-NHC-n-Bu)ICp] se sont avérés être de très bons catalyseurs pour le couplage C—C croisé de Suzuki entre divers bromures et chlorures d’aryle et l’acide borophénylique sans ajout d’un agent réducteur ou d’un co-catalyseur et ont montré des valeurs de Turn Over Frequency (TOF) supérieures à leur équivalent symétriquement substitué [Ni(Ar2-NHC)LCp†]. L’origine de l’amélioration de la stabilité de l’espèce active générée in situ est discutée. Une version hétérogénéisée sur de l’alumine de ces complexes a été préparée en employant des halogénures de 3-(trialkoxysilylpropyl)imidazolium et testée en tant que catalyseur pour le couplage C—C croisé de Suzuki. Dans le but d’améliorer encore plus la longévité de ces catalyseurs, des complexes demi-sandwich du Ni(II) comportant deux ligands NHC différents ont été synthétisés par déplacement d’un ligand acétonitrile labile d’un complexe [Ni(Ar2-NHC)(CH3CN)Cp]+X par NHC « libre ». Le composé bis-(NHC)-nickel cationique résultant, [Ni(NHC)(NHC’)Cp]+X montre une stabilité remarquable et ainsi s’avère être un piètre catalyseur pour le couplage C—C croisé de Suzuki. La liaison Ni—NHC montre une inertie notable puisque le ligand Cp est protoné lorsque les composés bis-(NHC) Cp sont traités en milieu acide. Le dernier chapitre de cette thèse présente l’activation par le centre Cp†Ni-NHC assistée par une base des liaisons sp3-C—H en a d’une fonction organique. L’étendu de cette réaction a été démontré par l’activation de l’acétonitrile, de l’acétone et de cétones dans des conditions relativement douces. Ainsi, une série de nouvelles espèces nickel-alkyle a pu être formée. De plus, la remarquable double activation de l’acétone a été réalisée. L’activation de liaisons sp3C—H en a d’une fonction nitrile intramoléculaire au ligand NHC a permise la synthèse de nouvelles espèces demi-sandwich nickelacycliques. L’étude du mécanisme probable à cette réaction a été le sujet de calculs théoriques par analyse DFT. Similaire aux espèces bis-(NHC)-Ni, la liaison NHC— ainsi que la liaison Ni—alkyle des nickelacycles est inerte à la protonation en milieu acide.