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Etude   du   système   précurseur   {sel   de   fer;   ligand}   en   présence   d’un   halogénure   d’aryle

PARTIE III - CHAPITRE III

II.2)   Etude   du   système   précurseur   {sel   de   fer;   ligand}   en   présence   d’un   halogénure   d’aryle

II.2.a)  Etude  du  système  {[FeIII(acac)3]  ;  phen}  

Le  ligand  acac  étant  un  ligand  de  type   LX  en  nomenclature  de  Green,  le  complexe  [FeIII(acac)3]   est  un  complexe  de  formule  générique  ML  3  X  3  et  possède  donc:

NEV  ([FeIII(acac)3])  =  8  +  3x3    =  17  électrons  de  valence     II.2.a.1)  Voltammétrie  du  précurseur  [FeIII(acac)3]

Le  voltammogramme  d’une  solution  contenant  [FeIII(acac)3]  =  4  mmol.L-­‐1    est  donné  ci-­‐dessous:  

Schéma  3.5:  voltammogramme  du  système    [FeIII(acac)3]  /  [FeII(acac)3]   à  la  vitesse  de  balayage  de  200  mV.s-­1

Il   est   la   signature   d’un   système   rédox   totalement   réversible   (i(R1)/i(O1) ~   1)   et   rapide   sur   l’électrode   choisie   (ΔEp ~   70   mV).   Les   pics   observés   correspondent,   à   l’aller,   à   la   réduction   monoélectronique   du   complexe   [FeIII(acac)3]  au  potentiel  R1   (Ep(R1)   =   -­‐0,65   V)   en  un  complexe   anionique  du  fer  (II)   de  formule   [FeII(acac)3]  (18  électrons  de  valence);  le  balayage   retour  fait   apparaître  le  pic  d’oxydation  O1  (Ep(O1)  =  -­‐0,58  V)  du  complexe  électrogénéré  [FeII(acac)3]:  

Fe

III

(acac)

3

+ e FeR

1 II

(acac)

3

-O

1

Schéma  3.6

On  remarque   également  que   ce  voltammogramme   fait  apparaître   uniquement  le   système  rédox   PARTIE III - CHAPITRE III

Schéma  3.7:  voltammogramme  du  système    [FeIII(acac)3]  /  [FeII(acac)3]

en  présence  d’un  équivalent  d’iodobenzène  à  la  vitesse  de  balayage  de  200  mV.s-­1

Ces  systèmes  sont  les  suivants:  

-­‐ le   premier   système   (R1/O1)   correspond   au   système   rédox   [FeIII(acac)3]/[FeII(acac)3]   déjà   observé  précédemment.  

-­‐ le   deuxième   système   (pic   de   réduction   R’4   au   potentiel   Ep(Rʼ4)   =   -­‐1,72   V)   correspond   à   la   réduction  biélectronique148  non  réversible  de  l’iodobenzène,  aussi  observée  lorsqu’il  est  seul:

Ph-I + 2 e Ph + I

R'

4

Schéma  3.8

On  peut  tirer  les  conclusions  suivantes:  le  fer  (III)  de  départ  ne  réagit  pas  avec  PhI,  et  le  fer  (II)   électrogénéré,  à   l’échelle  de  temps  de   la   voltammétrie,   n’active   pas  non   plus  l’iodobenzène.   La   mise  en  présence  de  ces  réactifs  ne  modi]ie  en  effet  pas  leurs  potentiels  d’oxydoréduction  (ce  qui   témoigne  de  l’absence  de  formation  d’une  nouvelle  espèce  caractérisable  électrochimiquement),   pas   plus  que  le   courant   des   pics  associés  (ce  qui  témoigne   de   l’absence   de   consommation   des   réactifs,  donc  de  l’absence  d’une  réaction  quelconque  entre  ces  derniers).  

  II.2.a.3)  [FeIII(acac)3]  en  présence  de  1,10-­‐phénanthroline  (notée  phen)   ♦  II.2.a.3.i)  Signature  électrochimique  du  ligand  phen

Il  est  possible  de  réduire  la  phénanthroline  en  premier  lieu  en  radical-­‐anion,  puis  en  dianion:  ces   deux  systèmes  correspondent  à  deux  pics  de  réduction  monoélectroniques  réversibles  successifs   aux  bas  potentiels  (première  réduction  à  -­‐2,05  V  et  deuxième  réduction  à  -­‐2,23  V;  schéma  3.9). PARTIE III - CHAPITRE III

148  La  réduction  d’un  halogénure  aromatique  Ar-­‐X  est  généralement  biélectronique:  on  génère  en  premier  lieu  un   radical   anion   qui  se   décompose   rapidement   en   un  ion   halogénure   et   un  radical  aryle,  lequel  radical  aryle  est   généré  à  un  potentiel  où  il  n’est  thermodynamiquement  pas  stable  mais  déjà  réduit  en  carbanion.  D’où  le  passage   d’un  deuxième  électron  au  même  potentiel  aboutissant  à  une  réduction  biélectronique  du  substrat  de  départ:  

Ar-X [Ar-X] Ar + X Ar première réduction deuxième réduction au même potentiel fragmentation rapide du radical-anion 1e 1e

On  n’observe  donc  généralement  qu’un  seul  pic  du  fait  de  l’absence  d’existence  d’un  domaine  de  stabilité  propre   du  radical  aryle:  E°(ArX/Ar)  <  E°(Ar/Ar).  

N N 1e E = -2,05 V N N 1e E = -2,23 V N N 2— Schéma  3.9

♦  II.2.a.3.ii)  Ajout  de  1  équivalent  de  phen  à  une  solution  de  [FeIII(acac)3]

Les  propriétés  électrochimiques  de  [FeIII(acac)3]  en  présence  d’un  équivalent  de  phénanthroline   sont   considérablement   modi]iées   comme   le   montre   le   voltammogramme   ci-­‐dessous   (schéma   3.10).

Première   constatation,   la   vague   de   réduction   R1   précédemment   attribuée   est  inchangée,   et   la   vague   d’oxydation  O1  associée,   quant  à  elle,  disparaît  partiellement;  on  observe   sur  le  balayage   retour  une  nouvelle  vague  d’oxydation  O2  à  un  potentiel  plus  élevé  (Ep(O2)  =  -­‐0.08  V):

Schéma  3.10:  voltammogramme  de    [FeIII(acac)3]  (  4  mmol.L-­1)   en  présence  d’un  équivalent  de  phen  à  la  vitesse  de  balayage  de  200  mV.s-­1

Deux  conclusions  peuvent  être  tirées:

-­‐ Le   complexe   de   départ  [FeIII(acac)3]  n’est  pas  complexé  par  la   phénanthroline   car  son   pic  de   réduction  est  inchangé;  

Fe

III

(acac)

3

+ e FeR

1 II

(acac)

3-

Fe

II

(acac)

2

(phen)

étape "E" étape "C"

phen acac

oxydé en O

2

Schéma  3.11

Si   le   balayage   est  poursuivi   à   des   potentiels  plus  négatifs   (voir  schéma  3.12.a   ci-­‐dessous),  une   nouvelle  vague  de  réduction  R2  apparaît  (à  Ep(R2) =  -­‐1,67  V);  elle  est  d’une  hauteur  comparable  à   celle  de  R1  (i(R2)/i(R1)  ~  0,9),  à  la  vitesse  de  balayage  considérée.  

Schéma  3.12  a)  et  b)  :  voltammogramme  de  [FeIII(acac)3]  (4  mmol.L-­1)  en  présence  d’un  équivalent   de  phen;  à  la  vitesse  de  balayage  de  200  mV.s-­1

Le   pic   R2   correspond  à   la   réduction  monoélectronique   de   [FeII(acac)2(phen)]   (18  électrons   de   valence)   en   un   complexe   anionique   du   fer   (I)   à   19   électrons   de   valence;   cette   réduction   est   partiellement  réversible:  

Fe

II

(acac)

2

(phen) + e FeR

2 I

(acac)

2

(phen)

O'

2

Schéma  3.13

L’étude   du   balayage  retour  en   oxydation   révèle   que   le   fer  (I)   électrogénéré   donne   naissance     à   deux   pics   d’oxydation,   O’2   (Ep(Oʼ2)   =   -­‐1,61   V)   et   O’3   (Ep(Oʼ3)   =   -­‐1,39   V).   Le   rapport   i(O’2)/i(O’3)   décroit  avec  la  vitesse  de  balayage  comme  le  montre  le  schéma  qui  suit:  

Schéma  3.14:  évolution  du  ratio  i(O’2)/i(O’3)  avec  la  vitesse  de  balayage  v

Cette  décroissance  suggère  que  les  deux  espèces  s’oxydant  en  O’2  et  O’3  sont  impliquées  dans  un   processus  de   type   «CE»,   processus   dans   lequel   une   réaction   chimique   («C»,   ici   un   échange   de   ligands  équilibré)   précède  une  étape  électrochimique   («E»,   ici  l’oxydation  d’un  complexe  formé   après  échange   de   ligands).150  Le   fer  (I)  électrogénéré   est  donc   impliqué   dans  un  processus   de   dissociation:  

Fe

I

(acac)

2

(phen)

Fe

I

(acac)(phen) + acac

O'

2

O'

3

Fe

II

(acac)

2

(phen) + e Fe

II

(acac)(phen)

+

+ e

Schéma  3.15

A   des   potentiels   plus   négatifs,   deux   nouvelles   vagues   apparaissent:   R’3   au   potentiel                                                                      

Ep(Rʼ3)  =  -­‐2,28  V  et  R’2  à  au  potentiel  Ep(Rʼ2)  =  -­‐2,39  V  (voir  schéma  3.12.b  ci-­‐dessus).  Ces  pics  R’3  et   R’2   ont   été   respectivement   attribués   à   la   réduction   des   complexes   [FeI(acac)(phen)]   et                                               [FeI(acac)2(phen)]:   le   complexe   [FeI(acac)(phen)],   neutre   et  à   15  électrons  de   valence,   est   en   effet  a  priori  plus  aisément  réductible   que   [FeI(acac)2(phen)],  anionique   et  à   19   électrons   de   valence:  

Fe

I

(acac)

2

(phen)

Fe

I

(acac)(phen) + acac

R'

2

R'

3

Fe

I

(acac)

2

(phen

•—

)

Fe

0

(acac)(phen)

+ e + e

Schéma  3.16

Remarques  sur  la  localisation  des  électrons  transférés  en  R’2  et  R’3:  

-­ Le   complexe   [FeI(acac)2(phen)]   étant   déjà   à   19   électrons   de   valence,   l’électron   qui   y   est   transféré  au  potentiel  Ep(Rʼ2)  est  donc  localisé  sur  le  ligand  phen,151  et  non  localisé  sur  le  métal  lui-­ même.  D’où  la  formule  [FeI(acac)2(phen•—)],  proposée  pour  le  complexe  électrogénéré  en  R’2.  

-­  En  revanche,  la  réduction  du  complexe  [FeI(acac)(phen)]  peut  quant  à  elle  se  faire  au  niveau  du   centre  métallique  pour  donner  naissance  au  potentiel  Ep(Rʼ3)  à  un  complexe  de  fer  (0)  à  16  électrons   de  valence  et  de  formule  [Fe0(acac)(phen)].  

En   conclusion   de   cette   étude   partielle,   il   apparaît   que   la   présence   d’un   équivalent   de   phénanthroline   permet  au  précurseur  [FeIII(acac)3]  de   générer  de   plus  bas  degrés  d’oxydation:   via   la   formation   du   complexe   [FeII(acac)2(phen)],   on   peut   en   effet   électrogénérer   divers   complexes  aux   degrés  d’oxydation  +I  et  0.   Il   est  également  à   noter  que   le   fer  (0)  est  à   ce   stade   généré  à  un  potentiel  extrêmement   négatif  (qui  est  celui   du  pic  de   réduction  R’3,  soit  -­‐2,28   V).   Cette  réduction,  mimée  à  l’électrode,  nécessiterait  la  présence  d’un  réducteur  chimique  puissant   comme  le  magnésium.  

Les  différentes   demi-­‐équations  électroniques  mises  en   jeu   lors  de  la  réduction  de  [FeIII(acac)3]   en  présence  d’un  équivalent  de  phénanthroline  sont  donc  les  suivantes:  

O1

Schéma  3.17

Le   complexe   intermédiaire   [FeII(acac)2phen]   a   par   ailleurs   été   synthétisé   a]in   de   corroborer   l’attribution  de  cette  formule  au  complexe  oxydé  en  O2  et  réduit  en  R2.  Le  complexe  obtenu  après   synthèse  (ajout  d’un  équivalent  de  phénanthroline   à  une  solution  de  [FeII(acac)2]  commercial)  a   PARTIE III - CHAPITRE III

été   caractérisé   par   RMN  1H   et  par   ESI-­‐MS;   son   voltammogramme   donné   ci-­‐dessous   (schéma   3.18)  con]irme  les  attributions  des  formules  proposées  précédemment:

O2

Schéma  3.18:  voltammogramme  du  complexe  [FeII(acac)2phen]  authentique  (4  mmol.L-­1) a)  balayage  en  oxydation;  b)  en  réduction;  à  la  vitesse  de  balayage  de  200  mV.s-­1

Le   complexe   [FeII(acac)2(phen)]   est   par   ailleurs   d’une   grande   sensibilité   à   l’air;   on   s’aperçoit   d’ailleurs  sur  le  voltammogramme  3.18.b  que  des  produits  de  dégradation  oxydés  (fer  (III))  de  ce   complexe  sont  présents  et  réduits  à  environ  -­‐0,7  V.  

Le   tableau   ci-­‐dessous   (3.19)   regroupe   les   différentes   données   électrochimiques   relatives   à                                                       au  complexe  [FeII(acac)2(phen)]:  

[FeII(acac)2(phen)]  électrogénéré  [FeII(acac)2(phen)]  synthétisé

Ep(O2)  =  -­‐0,08  V Ep(O2)  =  +  0,01  V

Ep(R2)  =  -­‐1,67  V Ep(R2)  =  -­‐1,71  V

Tableau  3.19

♦  II.2.a.3.iii)  Ajout  de  N  (N  >  1)  équivalents  de  phen

Lorsqu’un  excès  de  phénanthroline  (3  équivalents)  est  ajouté   à  une  solution  de   [FeIII(acac)3],   la   première   constatation  par  rapport  à   la   situation   où   la   phénanthroline   et   [FeIII(acac)3]  sont   en   quantités   stœchiométriques   (schémas   3.10   et   3.12)   est   que   la   réduction   de   [FeIII(acac)3]   en                                                                               [FeII(acac)3]—  (au   potentiel   Ep(R1)   =   -­‐0,65   V)   devient  complètement   irréversible   (comparer   les   schémas  3.20  et  3.10).  

Schéma  3.20:  voltammogramme  d’une  solution  contenant  

[FeIII(acac)3]  =  4  mmol.L-­1  et  [phen]  =  12  mmol.L-­1  à  la  vitesse  de  balayage  de  200  mV.s-­1

Ceci   est   le   signe   du   déplacement   de   l’équilibre   d’échange   de   ligands   vers   la   formation   de   ce   même  complexe  [FeII(acac)2(phen)]:

Fe

II

(acac)

3-

Fe

II

(acac)

2

(phen)

phen acac

Schéma  3.21

Si  l’on  effectue  le  balayage  à  des  potentiels  plus  négatifs,  on  s’aperçoit  également  que  la  hauteur   de   la   vague   de  réduction  R2   augmente   avec  le   nombre   d’équivalents  de   phénanthroline  ajoutés   (voir   le   schéma   3.22   pour   N   =   3   équivalents   de   phen).   Le   rapport   i(R2)/i(R1)   tend   asymptotiquement  vers  2  (voir  schéma  3.23):  le  processus  de  réduction  impliqué  au  potentiel  R2   devient  ainsi  biélectronique  en  présence  d’un  excès  de  phen.                                                      

Schéma  3.22:  voltammogramme  d’une  solution  contenant  [FeIII(acac)3]  =  4  mmol.L-­1  et                                                     [phen]  =  12  mmol.L-­1  à  la  vitesse  de  balayage  de  200  mV.s-­1

Schéma  3.23:  évolution  du  rapport  i(R2)/i(R1)  avec  le   nombre  d’équivalents  de  phénanthroline.

Le  passage  d’un  processus  mono-­‐  à  un  processus  bi-­‐électronique  au  potentiel  R2  suggère  que  les   deux   complexes   [FeI(acac)(phen)]   et   [FeI(acac)2(phen)]   qui   étaient   formés   par   réduction   monoélectronique  de  [FeII(acac)2(phen)]  à   ce  potentiel  aboutissent  tous  deux   en   présence  d’un   excès  de  phen  à  la  formation  d’un  nouveau  complexe  généré  à  un  potentiel  où  il  devrait  déjà  être   réduit.  

D’où  le  passage  global  d’un  électron  supplémentaire,  qui  aboutit  à   un  processus  biélectronique:   le  complexe  [FeI(acac)(phen)],  moins  riche  en  électrons,  peut  échanger  un  ligand  acac  avec  un   ligand  phen  pour  aboutir  au  complexe  cationique  [FeI(phen)2+],  lequel  est  généré  à   un  potentiel   inférieur  à  son  potentiel  de  réduction,  d’où  sa  réduction  observée  en  R2  (schéma  3.24):  

Fe

I

(acac)

2

(phen)

Fe

I

(acac)(phen) + acac

Fe

I

(phen)

2+

R

2

Fe

0

(phen)

2

+ e

phen acac