Synthesis of cyclic palladium-based supported catalysts suitable for industrial applications in cross-coupling reactions
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Our project is related to organometallic catalysis that is extensively exploited in organic synthesis to produce valuable synthons. One of the major challenges encountered in fine chemistry is the cost-effective elimination of residual metal in crude products. The concept of heterogeneous supported catalysts emerged as a solution to suppress the metal contamination in final products by simple filtration. Nevertheless, existing immobilized complexes often exhibit lower activity compared to their non-immobilized counterparts together with a poor reproducible preparation. These shortcomings limit the involvement of the supported catalysts on large-scale syntheses. In this context, NOVECAL project targets to graft stable organometallic species on a filterable benzyloxycalix[8]arene macrocycle to meet fine chemical industry needs. This molecular macrocycle constitutes a relevant support that can be furthermore burnt to recover expensive metals. In EtOH, a ‘first’ generation of heterogeneous Pd-NHC supported complexes has displayed an important reactivity in Suzuki-Miyaura C-C cross-couplings mainly with bromoarene derivatives to form biaryls. This cross-coupling is a transformation broadly applied in both academic and industrial laboratories. A simple filtration significantly reduced the palladium leaching in crude products. My PhD project with ICMMO and the start-up NOVECAL consisted in preparing a new generation of bulkier filterable Pd-NHC precatalysts to reach a high performance in cross-couplings with challenging aryl chlorides. Besides, the applicability of such precatalysts was investigated in Buchwald-Hartwig C-N cross-couplings which is another industrially appealing transformation. First the preparation of target Pd-NHC precatalysts was investigated according to an approach called ‘Top-Down’. The resulting complexes showed an important reactivity in both Suzuki-Miyaura and Buchwald-Hartwig cross-couplings with challenging substrates. However, the structure of the ‘Top-Down’ supported catalysts was not well-defined and the contamination of the final products with residual palladium traces was high. Consequently, another strategy called ‘Bottom-Up’ was adopted in order to prepare second and third generations of well-defined, sterically congested Pd-NHC supported complexes. The synthesis was done in solvents solubilizing the precatalysts and all the intermediates without column chromatography and proved to be reproducible and scalable. The second generation of pyridine-based ‘Bottom-Up’ precatalysts immobilized on benzyloxycalix[8]arene was tested in Suzuki-Miyaura C-C cross-couplings. Starting from chloroarenes, excellent efficiency was achieved with a pyridine-based complex in which the palladium coordinates chloride ligands compared to its counterpart bearing iodide ligands. The third generation of chlorinated cinnamyl-based ‘Bottom-Up’ supported precatalysts with an additional bulkiness on the carbene was examined in Buchwald-Hartwig C-N cross-couplings. Impressive results were accomplished with a wide range of substrates and amine derivatives. In addition, the recycling character enabling the reuse of the precious palladium-based supported catalyst was proved. In both Suzuki-Miyaura and Buchwald-Hartwig cross-couplings, our immobilized precatalysts operate at low palladium loadings and are easily removed after simple filtration, outperforming existing immobilized catalysts. In some cases, the measured palladium leaching in crude products matched the industrial regulations (< 10 ppm).
Abstract FR:
Notre projet se situe dans le contexte de la catalyse organométallique qui est largement exploitée en synthèse organique pour produire des synthons de grande valeur ajoutée. L'un des défis majeurs rencontré en chimie fine est l'élimination des métaux résiduels dans les produits bruts en utilisant des méthodes peu coûteuses. Les catalyseurs supportés hétérogènes offrent une solution permettant de supprimer la contamination des produits finaux avec les métaux par simple filtration. Néanmoins, les complexes immobilisés existants présentent souvent une activité inférieure comparée à leurs homologues non immobilisés ainsi qu'une préparation peu reproductible. Ces inconvénients limitent l’utilisation de ces catalyseurs à l’échelle industrielle. Dans ce contexte, le projet NOVECAL vise à greffer des espèces organométalliques stables sur un macrocycle de benzyloxycalix[8]arène filtrable pour répondre aux besoins de la chimie fine. Ce macrocycle présente l’avantage de permettre la récupération du métal précieux par simple combustion du support organique. Dans l’EtOH, une première génération de complexes de palladium supportés liés par le carbène N-hétérocyclique a montré une réactivité importante dans les couplages croisés de Suzuki-Miyaura, notamment avec des dérivés bromés. Ce couplage est une transformation largement appliquée en industrie pour former de nouvelles liaisons carbone-carbone. Une simple filtration a abouti à une réduction considérable du relargage du palladium dans les produits bruts. Mon projet de thèse, avec l'ICMMO et la jeune entreprise NOVECAL, a consisté à préparer une nouvelle génération de pré-catalyseurs de palladium filtrables, liés à des carbènes encombrés pour atteindre une grande réactivité avec des dérivés chlorés peu réactifs. En outre, leur application dans les couplages croisés de type Buchwald-Hartwig, une autre transformation utilisée en industrie pour former des liaisons C-N, a été étudiée. Tout d'abord, la préparation des pré-catalyseurs cibles a été étudiée selon une approche appelée « Top-Down ». Les complexes formés ont conduit à une réactivité importante dans les couplages croisés de Suzuki et de Buchwald avec des substrats difficiles. Cependant, la structure de ces catalyseurs supportés n'était pas bien définie et la contamination du produit final par des traces résiduelles de palladium était élevée. Par conséquent, une autre stratégie appelée « Bottom-Up » a été adoptée afin de préparer les deuxième et troisième générations de complexes de palladium encombrés, dont la structure a pu être précisément caractérisée. La synthèse s’est révélée reproductible, réalisée à une échelle pilote dans des solvants solubilisant les pré-catalyseurs et tous les intermédiaires, et sans purification par colonne chromatographique. La deuxième génération de ces pré-catalyseurs à base de pyridine immobilisés sur benzyloxycalix[8]arène a été testée dans des couplages croisés de type Suzuki-Miyaura. En partant des dérivés chlorés, une excellente efficacité a été obtenue avec un complexe à base de pyridine porteur de ligands chlores comparés à son homologue contenant des iodes. La troisième génération de pré-catalyseurs supportés à base de cinnamyl et de chlore, possédant un encombrement supplémentaire sur le carbène, a été examinée dans des couplages croisés de Buchwald. Des résultats impressionnants ont été obtenus en engageant différents substrats et plusieurs amines. De plus, la réutilisation de ce catalyseur supporté a été possible. Dans les couplages croisés de Suzuki-Miyaura et de Buchwald-Hartwig, nos pré-catalyseurs immobilisés fonctionnent à de faibles taux catalytiques et sont facilement éliminés après une simple filtration, surpassant les résultats décrits par les catalyseurs immobilisés existants. Dans certains cas, un taux de relargage de palladium respectant les contraintes industriels (< 10 ppm) a pu être directement mesuré dans les produits bruts.