Complexes organométalliques de carbènes N-hétérocycliques hélicoïdaux

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Complexes organométalliques de carbènes N-hétérocycliques hélicoïdaux

Nora Hellou

To cite this version:

Nora Hellou. Complexes organométalliques de carbènes N-hétérocycliques hélicoïdaux. Chimie or- ganique. Université Rennes 1, 2016. Français. �NNT : 2016REN1S147�. �tel-02003472�

ANNÉE 2016

THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1

sous le sceau de l’Université Bretagne Loire

pour le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1

Mention : Chimie

Ecole doctorale Sciences de la matière

présentée par

Nora Hellou

Préparée à l’unité de recherche UMR 6226-CNRS Institut des Sciences Chimiques de Rennes UFR « Sciences et Propriétés de la matière » (SPM)

Complexes

organométalliques de carbènes N-

hétérocycliques hélicoïdaux

Thèse soutenue à Rennes le 13 Décembre 2016

devant le jury composé de :

Vincent CESAR

Chargé de recherche, Laboratoire de Chimie de Coordination, Toulouse / rapporteur

Hani AMOURI

Directeur de recherche, Université Pierre et Marie Curie, Paris 6 / rapporteur

Nicolas VANTHUYNE

Ingénieur de recherche, ISm2, Chirosciences, Marseille / examinateur

Marc MAUDUIT

Directeur de recherche, ENSCR, Rennes / examinateur

Véronique GUERCHAIS

Directrice de recherche, Université de Rennes 1 / examinateur

Jeanne CRASSOUS

Directrice de recherche, Université de Rennes 1 / directrice de thèse

Remerciements

Je remercie du fond du cœur ma directrice de thèse, le Dr. Jeanne Crassous de m’avoir acceptée en tant que doctorante, pour son encadrement et son aide tout au long de cette thèse. Je lui suis infiniment reconnaissante pour avoir cru en moi et m’avoir guidée durant ces 3 années, pour ses encouragements et sa patience. « Merci pour tous tes conseils et pour toutes les connaissances que j’ai acquises grâce à toi ». « Merci également pour ton aide très précieuse au moment de chercher un postdoc! ».

Je remercie le Pr. Muriel Hissler pour m’avoir acceptée dans son groupe « Phosphore et Matériaux Moléculaires », et pour tous les conseils donnés pendant ma thèse.

Un grand merci également à tous les membres du groupe « Phosphore et Matériaux Moléculaires » pour leur soutien et leur contribution au bon déroulement de cette thèse. Merci à Thibault Reynaldo pour m’avoir aidée à m’intégrer dans le groupe quand je suis arrivée, pour son aide précieuse au laboratoire (notamment dans les analyses physico-chimiques, et les synthèses), et pour sa bonne humeur qui met une bonne ambiance au laboratoire! Merci au Dr.

Ludovic Favereau pour tous les bons conseils, et pour toutes les mesures physico-chimiques réalisées par ses soins à la fin de ma thèse. Je remercie ensuite les personnes qui m’ont formée quand je suis arrivée dans le groupe (en stage de Master 2 et ensuite lorsque j’ai poursuivi en thèse), je pense aux Dr. Chengshuo Shen et Nidal Saleh (anciens doctorants maintenant en postdoc) qui m’ont encadrée au laboratoire lors de mon stage et également beaucoup appris au début de ma thèse en matière de chimie des hélicènes, et avec qui j’ai apprécié partager le laboratoire pour leur bonne humeur. Je remercie également Claire Lethielleux que j’ai encadrée pendant son stage de licence de deux mois au laboratoire, et qui a permis au projet d’avancer.

Merci également à tous les post-doctorants et doctorants : Dr. Thomas Dombray, Dr. Matthew Duffy, Dr. Faouzi Chadoura, et à tous mes collègues de bureau actuels et anciens : Jiang-Kun Ou-Yang, Sloane Evariste, Anabella Mocanu, Kais Dbaibi, Rozsa Szücs, Tereza Vitvarova, Antoine Maufroy, pour la bonne ambiance qui règne au laboratoire.

Mes remerciements vont également à tous nos collaborateurs qui ont permis en grande partie à cette thèse d’aboutir et au projet « NHC-hélicènes » d’avancer.

Je remercie le Dr. Marc Mauduit et son équipe : Le Dr. Olivier Baslé, le Dr. Claire Jahier (ancienne Post-doctorante), le Dr. Thibault Schmith, Adrien Dumas, qui m’ont beaucoup appris sur la chimie des NHC et qui m’ont toujours bien accueillie quand je venais chercher de l’aide ou des conseils.

Merci au Dr. Bertrand Carboni, au Dr. Fabienne Berrée, et à Clothilde Martin (Stagiaire IUT), grâce à qui le projet « nouvelles stuctures NHC-hélicènes à partir de boronates d’hélicènes » a pu évoluer rapidement, et pour toutes les discussions très enrichissantes.

Je tiens à remercier le Dr. Elsa Caytan à qui je dois une grande partie des caractérisations par RMN. Merci pour sa grande disponibilité et pour toutes les analyses qui ont permis de mieux comprendre ce qui se passait dans nos produits.

Merci également au Dr. Narcis Avarvari pour les travaux sur les hélicène-thiadiazoles qui nous ont permis d’obtenir les hélicènes-NHC orthofusionnés.

Je remercie le Dr. Loïc Toupet, le Dr. Thierry Roisnel et le Dr. Vincent Dorcet, pour toutes les analyses par diffraction aux RX.

Merci au Dr. Philippe Jéhan pour les analyses par spectroscopie de masse.

Je remercie le Dr. Nicolas Vanthuyne, le Pr. Christian Roussel et Marion Jean pour toutes les séparations par HPLC qui ont rendu possible l’analyse des propriétés chiroptiques de nos complexes de NHC-hélicène.

Je remercie le Pr. Jochen Autschbach, et le Dr. Monica Srebo pour tous les calculs théoriques réalisés sur nos complexes qui ont permis une meilleure interprétation des phénomènes observés expérimentalement.

Merci au Pr. Gareth Williams pour les mesures de luminescence.

J’aimerais maintenant remercier tous mes proches, famille et amis qui ont été présents tout au long de ma thèse pour me soutenir, et m’accompagner.

Je remercie du fond du cœur mes parents et mon frère Sami qui ont toujours été à mes côtés à chaque étape de cette aventure, que ce soit dans les périodes de doutes ou dans les bons moments, pour me conseiller, et me guider.

Enfin, je remercie mon cher Robin, a qui j’ai tout confié durant ces 3 années, mes doutes et mes joies, et qui a été d’un soutien précieux au quotidien.

Table des matières

Abréviations ________________________________________________________________

Introduction générale ________________________________________________________ 1

Références ____________________________________________________________________ 3

Chapitre 1 : Introduction aux hélicènes et carbènes N-hétérocycliques __________________

I. Les Hélicènes _________________________________________________________________ 5 I.1. Définition et historique _______________________________________________________________ 5 I.2.Méthodes de synthèse _______________________________________________________________ 6 I.3.Hélicènes configurationnellement stables ________________________________________________ 8 I.4.Barrière de racémisation _____________________________________________________________ 11 I.5.Propriétés chiroptiques ______________________________________________________________ 11 I.6.Applications _______________________________________________________________________ 15

II. Les carbènes N-hétérocycliques ________________________________________________ 25 II.1. Définition _________________________________________________________________________ 25 II.2. Historique ________________________________________________________________________ 25 II.3. Structure et propriétés des NHC libres _________________________________________________ 26 II.4. Complexes métalliques à base NHC ____________________________________________________ 27 II.5. Applications _______________________________________________________________________ 35

III. Conclusion _________________________________________________________________ 45

Références ___________________________________________________________________ 45

Chapitre 2 : Complexes cycloiridiés chiraux à base de ligands NHC et hélicéniques : synthèse et étude des propriétés chiroptiques et électroniques _____________________________ 51

I. Introduction _________________________________________________________________ 51 I.1.Contexte __________________________________________________________________________ 51 I.2.Nos objectifs ______________________________________________________________________ 51

II. Les complexes de type Ir-Cp* cyclométallés à base de NHC dans la littérature ___________ 52 II.1. Géométrie et configuration des complexes d’Ir-Cp* à chiralité centrée sur le métal _____________ 52 II.2. Exemples d’applications _____________________________________________________________ 52

III. Stratégie de synthèse ________________________________________________________ 56

IV. Synthèse et résultats ________________________________________________________ 56 IV.1.Synthèse et étude du complexe cycloiridié de [4]hélicène-CH2-NHC _________________________ 56

IV.2.Synthèse et étude du complexe cycloiridié de [6]hélicène-CH2-NHC _________________________ 65 IV.3. Evaluation de l’efficacité en catalyse énantiosélective de transfert d’hydrogène _______________ 75

V. Conclusion ________________________________________________________________ 77

VI. Références ________________________________________________________________ 78

VII. Partie experimentale ________________________________________________________ 80

Chapitre 3 : Complexes à base de NHC-hélicènes orthofusionnés : synthèse, études des propriétés chiroptiques, photophysiques et catalytiques ___________________________ 87

I. Introduction _________________________________________________________________ 87 I.1. Contexte __________________________________________________________________________ 87 I.2. Nos objectifs : Nouveaux complexes à base de NHC-hélicènes orthofusionnés __________________ 87

II. Données bibliographiques _____________________________________________________ 88 II.1. Précurseurs hélicoïdaux _____________________________________________________________ 88 II.2. Données bibliographiques sur la catalyse énantiosélective _________________________________ 88 II.3. Données bibliographiques sur les complexes d’iridium(III) émissifs __________________________ 90

III. Stratégies de synthèse _______________________________________________________ 91 III.1. Méthodes d’obtention des sels d’hélicène-imidazolium ___________________________________ 92 III.2. Méthodes de synthèse des complexes métalliques _______________________________________ 92

IV. Synthèse et étude de complexes de NHC-hélicènes orthofusionnés pour des applications en catalyse énantiosélective ________________________________________________________ 93

IV.1. Obtention et caractérisation structurale du précurseur [5]hélicène-imidazole _________________ 93 IV.2. Obtention et caractérisation structurale du sel d’imidazolium 15 ___________________________ 97 IV.3. Synthèse et caractérisation du complexe 17 d’Au(I) à base de [5]hélicène-NHC orthofusionné ___ 100 IV.4. Synthèse et éude du complexe 18 d’iridium(I) à base de [5]hélicène-NHC orthofusionné _______ 103 IV.5. Synthèse et étude du complexe 22 d’iridium(I) à base de [5]hélicène-NHC structurellement modifié ___________________________________________________________________________________ 114

V. Vers des propriétés d’émission : synthèse et étude d’un complexe cyclométallé d’iridium(III) à base de NHC-hélicène orthofusionné _____________________________________________ 124

V.1. Chiralité dans les complexes octaédriques porteurs de ligands bidentates ___________________ 124 V.2. Isomères de géométrie dans les complexes d’iridium(III) porteurs de ligands de type LX ________ 124 V.3. Synthèse et étude d’un complexe d’iridium(III) 24 modèle sans unité hélicénique _____________ 125 V.4. Synthèse et étude du complexe 25 cyclométallé d’iridium(III) à base de [5]hélicène-NHC

orthofusionné _______________________________________________________________________ 130

VI. Conclusion ________________________________________________________________ 140

VII. Références _______________________________________________________________ 141

VIII. Partie expérimentale ______________________________________________________ 143

Chapitre 4 : Vers une diversité de NHC-hélicènes accessibles via des amino-hélicènes ou via des boronates d’hélicènes __________________________________________________ 155

I. Introduction ________________________________________________________________ 155 I.1. Contexte _________________________________________________________________________ 155 I.2. Nos objectifs : Accès à une diversité structurale de complexes à base de NHC-hélicènes _________ 155

II. Les amino-hélicènes dans la littérature__________________________________________ 156

III. Notre démarche ___________________________________________________________ 158

IV. Synthèse et résultats _______________________________________________________ 160 IV.1. Obtention et caractérisation de boronates d’hélicène ___________________________________ 160 IV.2. Synthèse d’amino-hélicènes pour l’obtention d’une variété de précurseurs NHC-hélicènes _____ 166 IV.3. Fonctionnalisation de boronates d’hélicène pour l’obtention de nouveaux complexes d’iridium(III) à base de NHC-hélicène _________________________________________________________________ 175

V. Conclusion et perspectives ___________________________________________________ 182

VI. Références ________________________________________________________________ 183

VII. Partie expérimentale _______________________________________________________ 184

Conclusion générale et perspectives __________________________________________ 198

Annexes _________________________________________________________________ 203

I. HPLC separations _____________________________________________________ 203

II. X-ray crystallographic data _____________________________________________ 234

Abréviations

[] : pouvoir rotatoire spécifique

: déplacement chimique

 : coefficient d’absorption molaire [] : pouvoir rotatoire molaire

 : rendement quantique

 : longueur d’onde

 : temps de vie de luminescence acac : acétylacétonate

AcOEt : Acétate d’éthyle AIBN : Azobisisobutyronitrile cat. : catalytique

DCM : Dichlorométhane DMSO : Diméthylsulfoxyde

CD : Dichroïsme Circulaire (Circular Dichroïsm)

COD : Cyclooctadiène

Cp* : Pentaméthylcyclopentadiène CPL : Luminescence Polarisée Circulairement (Circularly Polarized Luminescence)

dfppy : 2-(2,4-difluorophényl)pyridyl EBL : couche bloquant les électrons EML : couche émettrice

ee : excès énantiomérique ed : excès diastéréoisomérique éq. : équivalent

er : ratio énantiomérique

g_lum : facteur de dissymétrie en CPL g_�� : facteur de dissymétrie en électroluminescence polarisée circulairement

IMes : 1,3-bis(2,4,6-

triméthylphényl)imidazol-2-ylidène IPr : 1,3-bis(2,6-

diisopropylphényl)imidazol-2-ylidène NBS : N-Bromosuccinimide

NHC : Carbène N-hétérocyclique (N- Heterocyclic Carbene)

NOESY : Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy

n-BuLi : n-butyl lithium

OLED : Dispositif Electroluminescent organique (Organic Light Emitting Device) PhOLED : OLED Phosphorescente

PCy3 : tricyclohexylphosphine ppy : 2-phényl-pyridine SIMes : 1,3-bis(2,4,6-

triméthylphényl)imidazolin-2-ylidène SIPr : 1,3-bis(2,6-

diisopropylphényl)imidazolin-2-ylidène t. a : température ambiante

TAPA : Acide Tétranitrofluorenylidène Aminoxy Propionique

t-BuOK : tert-butanolate de potassium TD-DFT : Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Dépendante du Temps

TEP : Paramètre électronique de Tolman TH : Transfert d’hydrogène

THF : Tétrahydrofurane rac. : racémique

ROESY : Rotating-frame nuclear Overhauser Effect correlation SpectroscopY

1

Introduction générale

Les hélicènes, grâce à leur topologie particulière en hélice, possèdent une chiralité hélicoïdale.

Ces molécules présentent des propriétés chiroptiques élevées très intéressantes (pouvoir rotatoire, dichroïsme circulaire, luminescence polarisée circulairement…), laissant envisager des applications originales dans les matériaux moléculaires chiraux (commutateurs chiroptiques, guides d’ondes chiraux…).¹Par ailleurs, leur système -conjugué étendu en fait de bons candidats pour le développement de dispositifs électroluminescents chiraux.² Les recherches menées au sein du groupe du Dr. Jeanne Crassous sont fondées sur l’étude des interactions métal-hélicène dans des complexes organométalliques ou de coordination.³ Ainsi, les premiers platinahélicènesont pu être obtenus par incorporation d’un ion platine au sein d’un squelette hélicoïdal, conduisant à de nouvelles propriétés telles que la phosphorescence à température ambiante.^3a Ces molécules ont très récemment été incorporées dans des diodes à lumière polarisée circulairement par l'équipe du Dr. Fuchter.⁴ Par la suite, des complexes de [6]hélicène greffé à une unité vinyl-ruthénium^3c (Figure 1) ou alcynyl-fer^3h ont également été obtenus. Ces complexes peuvent être utilisés en tant que commutateurs moléculaires de type rédox ou acido-basique. Le groupe se base actuellement sur le développement de nouveaux hélicènes et l’incorporation de divers métaux de transition pour moduler les propriétés chiroptiques mais aussi pour en apporter de nouvelles.

Figure 1. Commutateur chiroptique à base de Ru-vinyl-[6]hélicène.^3c

Dans le cadre de ma thèse, nous avons choisi de développer des édifices moléculaires associant des hélicènes et des carbènes N-hétérocycliques (NHC) avec un ion métallique afin de développer une nouvelle famille de complexes métalliques de NHC-hélicène. Cette association inédite permet d’envisager des applications dans des matériaux moléculaires chiraux et en catalyse asymétrique. En effet, les NHC sont bien connus pour leur fort caractère -donneur qui leur permet de former des complexes très stables avec de nombreux métaux de transition,⁵

60 70 80 90 100 110

0 2 4 6 8

number of cycles D / M-1 cm-1

[P-(+)].+

P-(+)

Switch à 340 nm

2 et sont ainsi considérés comme des ligands efficaces en catalyse homogène.⁶ D’autre part, depuis quelques années les domaines d’applications des NHC se diversifient avec notamment l’apparition de complexes de NHC émissifs⁷ et possédant des activités biologiques.⁸

En combinant les propriétés des hélicènes avec celles des NHC, nous voulons explorer les applications en catalyse énantiosélective mais aussi dans les matériaux luminescents chiraux.

Trois exemples de complexes développés au cours de cette thèse sont présentés Figure 2.

Figure 2. Exemples de complexes NHC-hélicène-iridium développés au cours de la thèse.

Dans le premier chapitre, nous présenterons un résumé bibliographique sur les hélicènes d’une part et sur les NHC d’autre part. Nous introduirons brièvement l’historique de ces deux entités moléculaires, leur préparation et leurs propriétés, suivi d’exemples d’applications. Dans le chapitre 2, nous décrirons les synthèses et propriétés chiroptiques des premiers complexes cycloiridiés à base de NHC-CH2-hélicènes, 10b. Ensuite, dans le chapitre 3, nous analyserons une autre famille de complexes à base de NHC-hélicènes totalement orthofusionnés, ainsi que leurs applications en catalyse énantiosélective (complexes 18 et 22) et en tant que matériaux émissifs (complexe 25). Enfin, dans le dernier chapitre, nous explorerons d’autres méthodes d’accès à des complexes de NHC-hélicènes, notamment à partir de boronates d’hélicènes facilement fonctionnalisables.

3

Références

1) a) Y. Shen, C. F. Chen, Chem. Rev. 2011, 112, 1463 ; b) M. Gingras, Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 1051.

2) N. Saleh, C. Shen, J. Crassous, Chem. Sci. 2014, 5, 3680.

3) a) L. Norel, M. Rudolph, N. Vanthuyne, J. A. G. Williams, C. Lescop, C. Roussel, J.

Autschbach, J. Crassous, R. Réau, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 99 ; b) E. Anger, M.

Rudolph, C. Shen, N. Vanthuyne, L. Toupet, C. Roussel, J. Autschbach, J. Crassous, R. Réau, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 3800; c) E. Anger, M. Srebro, N. Vanthuyne, L. Toupet, S.

Rigaut, C. Roussel, J. Autschbach, J. Crassous, R. Réau, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15628

; d) C. Shen, E. Anger, M. Srebro, N. Vanthuyne, K. K. Deol, T. D. Jefferson Jr., G. Muller, J. A. G. Williams, L. Toupet, C. Roussel, J. Autschbach, R. Réau, J. Crassous, Chem. Sci.

2014, 5, 1915; e) E. Anger, M. Srebro, N. Vanthuyne, L. Toupet, S. Rigaut, C. Roussel, J.

Autschbach, J. Crassous, R. Réau, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15628; f) D. Mendola, N.

Saleh, N. Vanthuyne, C. Roussel, L. Toupet, F. Castiglione, T. Caronna, A. Mele, J. Crassous, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5786; g) N. Saleh,M. Srebro, T. Reynaldo, N. Vanthuyne, L. Toupet, V. Y. Chang,G. Muller, J. A. G. Williams, C. Roussel, J. Autschbach, J. Crassous, Chem. Comm. 2015, 51, 3754; h) C. Shen, G. Loas, M. Srebro-Hooper, N. Vanthuyne, L.

Toupet, O. Cador, F. Paul, J. T. López Navarrete, F. J. Ramírez, B. Nieto-Ortega, J. Casado, J. Autschbach, M. Vallet, J. Crassous, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 128, 1.

4) J. R Brandt, X.-H. Wang, Y. Yang, A. Campbell, M. J Fuchter, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 9743.

5) M. N. Hopkinson, F. Glorius, Nature 2014, 510, 485.

6) S. Díez-González, S. P. Nolan, Coord. Chem. Rev. 2007, 251, 874.

7) R. Visbal, M. C. Gimeno, Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 3551.

8) K. M. Hindi, M. J. Panzner, C. A. Tessier, C. L. Cannon, W. J. Youngs, Chem. Rev. 2009, 109, 3859.

Chapitre 1

Introduction aux hélicènes et carbènes

N-hétérocycliques

5

Chapitre 1 : Introduction aux hélicènes et carbènes N-hétérocycliques

I. Les Hélicènes

I.1. Définition et historique

^1,2

Les hélicènes désignent une classe particulière de molécules polycycliques obtenues par fusion en ortho de plusieurs cycles aromatiques. Un [n]hélicène possède donc n cycles benzéniques ou hétérocycles, conduisant à une molécule de forme hélicoïdale et possédant un système - conjugué étendu. Pour n < 5, les cycles aromatiques ne se recouvrent pas, on dit alors que la molécule n’est pas configurationnellement stable à température ambiante. A partir de n= 5, la répulsion stérique entre les cycles aromatiques terminaux va induire une importante distorsion rendant la molécule intrinsèquement chirale de par sa forme en hélice. Ainsi, la molécule peut exister sous deux formes énantiomères stables de configuration Pou M en fonction du sens de rotation (Figure 1), et possède des propriétés chiroptiques exceptionnellement élevées (pouvoir rotatoire, dichroïsme circulaire…).

Figure 1. Le carbo[6]hélicène

Historiquement, cette fascinante classe de molécules est connue depuis le tout début du 20^ème siècle avec les premières synthèses d’hélicènes datant de 1903.³ Ce sont des [5]hélicènes dans lesquels un noyau benzénique a été remplacé par une pyridazine ou un pyrrole (Figure 2). Par la suite, pendant plusieurs décennies les découvertes sur les hélicènes se font rares. C’est alors en 1955 que la synthèse et le dédoublement du carbo[6]hélicène est publiée par Newman.⁴ Débute ainsi un intérêt croissant pour l’étude des propriétés chiroptiques qui découlent de ces molécules et rapidement, des hélicènes de taille plus grande vont être synthétisés. Depuis, de nombreuses recherches visent à tirer parti des extraordinaires propriétés des hélicènes pour des applications dans des matériaux moléculaires chiraux ou en catalyse.^1,2

6

(a) (b)

Figure 2. Premiers hélicènes synthétisés en 1903³

I.2. Méthodes de synthèse

Il existe un grand nombre de méthodes d’obtention des hélicènes, les plus utilisées étant la photocyclisation, les réactions de Diels-Alder, les cyclotrimérisations métallocatalysées, et les métathèses d’oléfines.⁵ Depuis la première photocyclisation d’un [7]hélicène en 1967 par Martin et coll., cette méthode de synthèse a gagné en importance (Schéma 1).⁶ Elle a en effet permis de faciliter la synthèse d’hélicènes qui était jusqu’alors compliquée, en diminuant considérablement le nombre d’étapes. De plus, cette voie photochimique a permis l’obtention d’hélicènes de grande taille, comme le [14]hélicène également synthétisé par Martin et coll,^7,8 ou encore le [16]hélicène synthétisé récemment par Fujita.⁹ Elle présente néanmoins l’inconvénient de limiter les quantités en raison des importantes dilutions nécessaires afin d’éviter des réactions intermoléculaires parasites. Cependant, elle est une méthode efficace pour la synthèse d’une large variété d’hélicènes du fait que les précurseurs stilbéniques sont faciles d’accès.

Schéma 1 : Synthèse du carbo[7]hélicène par photocyclisation⁶

La méthode par réaction de Diels-Alder s’est quant à elle beaucoup développée à partir des premiers travaux de Katz en 1992 puis en 1997, qui ont permis de synthétiser en grandes quantités des [5]- et [6]-hélicènes, susbstitués par des para-quinones en positions terminales (Schéma 2).¹⁰ Urbanoa également beaucoup œuvré dans ce domaine en mettant au point des synthèses asymétriques d’hélicène-quinones (voir §I.3.2.)

7 Schéma 2 : Synthèse d'un hélicène-quinone par réaction de Diels-Alder¹⁰

La synthèse par cyclotrimérisation [2+2+2] métallocatalysée s’est beaucoup développée depuis la première synthèse en 1998 impliquant des triynes mise au point par Stary et Stara (Schéma 3).¹²

Schéma 3 : Cyclotrimérisation [2+2+2] catalysée au Cobalt¹²

En 2006, une nouvelle méthode donnant accès à des [5]-, [6]- et [7]- hélicènes, et reposant sur la métathèse d’oléfine est rapportée par Collins et coll.¹³ Deux ans plus tard, ils décrivent l’utilisation d’un catalyseur au ruthénium possédant un ligand chiral de type NHC permettant d’induire un excès énantiomérique (ee) jusqu’à 80% (Schéma 4).¹⁴

Schéma 4 : Synthèse du carbo[7]hélicène énantioenrichi par métathèse d'oléfine énantiosélective¹⁴ Il existe dans la littérature beaucoup d’autres méthodes de synthèse d'hélicènes, cependant durant cette thèse, nous avons choisi de synthétiser nos molécules par photocyclisation, dont le mécanisme général est décrit Schéma 5.

8 Schéma 5: mécanisme général de la photocyclisation

Celle-ci consiste généralement en l’irradiation ultraviolette (UV) d'un précurseur stilbénique en mélange cis/trans en présence d’une quantité catalytique de diiode. L’exposition à la lumière UV entraîne l’isomérisation de la forme trans en la forme cis, propice à l’électrocyclisation intramoléculaire, conduisant à la formation de dihydrophénanthrène. Enfin, l’aromatisation du système est réalisée par le diiode qui joue le rôle d’agent oxydant en libérant du iodure d’hydrogène (Schéma 5). La présence d’oxygène dans le milieu est nécessaire à cette étape afin de régénérer le diiode. Dans certains cas, la photocyclisation est réalisée sous atmosphère inerte en présence d’une quantité stoechiométrique de diiode, et d’un large excès d’oxyde de propylène¹⁵ ou de THF¹⁶ afin de piéger l’iodure d’hydrogène formé au cours de l’aromatisation du système.

I.3. Hélicènes configurationnellement stables

I.3.1. Méthodes de dédoublement

A partir de 5 cycles aromatiques, il est possible d’isoler les deux énantiomères P et M d’un hélicène. Il existe pour cela différentes méthodes. Une première méthode consiste en un dédoublement par cristallisation qui s’applique aux cas des conglomérats, c’est-à-dire aux composés ayant la particularité de cristalliser sous forme homochirale.¹⁷ Pour dédoubler des conglomérats, deux solutions principales sont à envisager : la cristallisation simultanée des deux énantiomères ou la cristallisation préférentielle d’un seul des deux énantiomères. Dans le cas de la cristallisation simultanée, trois stratégies peuvent être employées, le tri manuel des cristaux (à condition d’avoir des cristaux suffisamment gros), la cristallisation localisée (germes de chaque énantiomère localisés), ou la cristallisation différenciée lorsque les cristaux de

9 chaque énantiomère sont de tailles différentes (séparation par filtration sur un tamis de porosité intermédiaire). Le dédoublement préférentiel quant à lui nécessite une bonne maîtrise des conditions hors-équilibre de cristallisation et est basé sur l’utilisation d’une solution sursaturée en un énantiomère. On obtient ainsi préférentiellement des cristaux de cet énantiomère que l’on va ensuite filtrer. La solution s’enrichit alors en l’autre énantiomère, et plusieurs cycles de cristallisation peuvent être répétés.

Une deuxième méthode est basée sur l’introduction d’un auxiliaire chiral énantiopur (par exemple un dérivé de l’acide camphanique) sur l’hélicène racémique. Il en résulte la formation de deux diastéréoisomères séparables sur colonne chromatographique achirale.¹⁸ Cette méthode a notamment permis l’obtention par Katz du [5]HELOL dont l’utilisation en catalyse asymétrique est décrite dans le paragraphe I.6.6.

Une autre méthode, qui a permis à Newman et coll. de réaliser le premier dédoublement du carbo[6]hélicène, consiste en l’utilisation d’un agent complexant énantiopur, par exemple l’acide tétranitrofluorènyloximinopropanoïque (TAPA, Figure 3).⁴ Le TAPA va alors former, par interactions de type - avec l’hélicène, des complexes diastéréoisomères de solubilités différentes.

Figure 3. L'agent de dédoublement dit TAPA⁴

Il est également possible de dédoubler les énantiomères d’hélicènes par HPLC chirale.¹⁹ Cette technique utilise une phase stationnaire sur laquelle est greffé un sélecteur chiral, formant ainsi avec le composé à dédoubler des complexes diastéréoisomères qui auront des temps de rétention différents. C’est cette méthode que nous avons utilisée pour dédoubler nos composés.

I.3.2. Synthèse asymétrique

Certains groupes ont également mis au point des synthèses asymétriques d’hélicènes dans le but de les obtenir configurationnellement stables. Par exemple en 1999, Urbano et coll. mettent au point la première synthèse asymétrique d’hélicène-quinones par cycloaddition de Diels- Alder en utilisant une tolylsulfinylquinone chirale de configuration SS comme copule

10 chirale.^11a,20 Après élimination du sulfoxide et aromatisation du système, la [5]hélicène-quinone est obtenue enrichie à 80 % en l’énantiomère de configuration M (Schéma 6).

Schéma 6: synthèse énantiosélective d'une hélicène-quinone via une copule chirale^11a,20

Plus tard, une méthode de synthèse analogue en utilisant le 3,6-divinylphénanthrène et la même tolylsulfinylquinone chirale leur permet de synthétiser la tétrahydro-[7]hélicènequinone correspondante de configuration M avec un excès énantiomérique de 96%.^11e

En 2015, Stary, Stara et coll. développent une méthode de synthèse asymétrique de [5], [6], et [7]hélicènes par cyclotrimérisation [2+2+2] de triynes obtenus à partir d’un alcool propargylique énantiopur dédoublé par voie enzymatique (Schéma 7).²¹ Dans cet exemple, la stéréochimie de l’hélice est totalement contrôlée par la répulsion stérique entre les substituants en positions 8 et 9. Les auteurs parlent alors d’un transfert d’une chiralité centrale vers une chiralité hélicoïdale.

Schéma 7: synthèse énantiosélective d'un [6]hélicène par cyclotrimérisation [2+2+2] d'une triyne encombrée²¹(MOM = Méthoxyméthyle ; fum = fumarate de diméthyle)

11

I.4. Barrière de racémisation

Comme nous l’avons déjà mentionné auparavant, l’hélicité des hélicènes provient de l’encombrement stérique existant entre les deux cycles terminaux, engendrant une distortion hélicoïdale. Connaître la stabilité configurationnelle de ces molécules est importante si l’on veut pouvoir les utiliser en catalyse énantiosélective ou dans des matériaux moléculaires chiraux. C’est pourquoi plusieurs groupes ont mené des études de racémisation des hélicènes.^4c,22 Ainsi, le premier phénomène de racémisation a été observé par Newman et coll.

sur le carbo[6]hélicène pour lequel une racémisation partielle apparaît par chauffage à environ 250°C.^4c Il est important de noter que la barrière de racémisation d’un [n]hélicène augmente avec l’indice n, ou par l’introduction de substituants à l’intérieur de l’hélice bloquant l’inversion de configuration. Par exemple, on remarque que l’introduction d’un méthyle en position 1 du [5]-hélicène^22c conduit à l’obtention d’une barrière de racémisation plus élevée que pour le [6]- hélicène. Les valeurs des barrières d’énantiomérisation de quelques hélicènes, calculées par l’équation d’Eyring à partir des constantes cinétiques d’énantiomérisation ou de racémisation décrites dans la littérature sont données dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Valeurs des barrières d'énantiomérisation de quelques hélicènes.

I.5. Propriétés chiroptiques

I.5.1. Pouvoir rotatoire spécifique et molaire

Le pouvoir rotatoire correspond à la rotation du plan d’une lumière polarisée linéairement après avoir traversé une substance chirale. Le Tableau 2 regroupe les valeurs des pouvoirs rotatoires spécifiques (10⁻¹.deg.cm².g⁻¹) et molaires (10⁻³.deg.cm².mol⁻¹) de quelques [n]hélicènes.²³ De par la chiralité inhérente à leur squelette, les hélicènes possèdent des pouvoirs rotatoires

Hélicènes DG rac [kJ / mol]

[5]-hélicène 102,8 (31°C, solvant non précisé)^22a

[6]-hélicène 155,1 (221,4°C, naphtalène)

[7]-hélicène 178,8 (295°C, naphtalène)^22c

[8]-hélicène 182,2 (293,5°C, naphtalène)^22c [9]-hélicène 188,8 (293,5°C, naphtalène)^22c

1-méthylpentahélicène 166,4 (200°C, diéthylène glycol dibutyl éther)^22d 1-méthylhexahélicène 186,4 (269°C, naphtalène)^22e

12 spécifiques extrêmement élevés. En effet, lorsqu’on les compare avec ceux du menthol ou de l’acide tartrique, ne possédant que des carbones asymétriques, on constate un important écart, d’un facteur 100 environ. Ces pouvoirs rotatoires spécifiques sont d’autant plus grands que la taille de l’hélice est grande. Le pouvoir rotatoire molaire est relié, comme son nom l’indique, au nombre de moles du produit étudié et non à la masse. Il permet donc de comparer des molécules dont les masses molaires sont très différentes.

Tableau 2 : valeurs de pouvoirs rotatoires spécifiques et molaires Pouvoir rotatoire spécifique

   ²³ _D

Pouvoir rotatoire molaire

   ²³ _D

Masse molaire

P-[6]hélicène +3640 (CHCl3)^a + 11900 328

P-[7]hélicène +5900 (CHCl3, c 6×10⁻² M) + 22300 378 P-[8]hélicène +7170 (CHCl3, c 4,3×10⁻² M) + 30600 428 P-[9]hélicène +8100 (CHCl3, c 6,07×10⁻² M) + 38700 478 (+)-menthol + 50 (Ethanol, c 1,5×10⁻² M) + 78 156 (+)-acide tartrique + 14 (H2O, c 3,6×10⁻² M) + 22 148

a : La concentration n’est pas précisée I.5.2. Dichroïsme circulaire (CD)

Le dichroïsme circulaire est la propriété d’une molécule optiquement active qui absorbe différemment la lumière polarisée circulairement gauche (LPCG) et circulairement droite (LPCD). La somme de deux ondes polarisées circulairement droite et gauche et de même amplitude est une onde linéaire (Figure 4a). Si le milieu optiquement actif est absorbant, alors les composantes de la LPCD et la LPCG subissent dans les régions d’absorption des changements d’intensité. Après avoir traversé l’échantillon chiral, la lumière initialement polarisée linéairement, a tourné d’un angle α, et ressort polarisée elliptiquement. En effet, la somme de deux ondes circulaires droite et gauche d’intensités différentes donne cette fois une ellipse (Figure 4b).²⁴

13 Figure 4 : a) décomposition dune lumière polarisée rectilignement en deux lumières polarisées circulairement droite et gauche d'intensités égales; b) absorptions différentes donnant lieu à du

dichroïsme circulaire

Le premier spectre de dichroïsme circulaire (CD) a été obtenu en 1967 par Newman pour le carbo[6]hélicène (Figure 5).^23b Depuis, l’étude des propriétés chiroptiques par CD est devenue une méthode de caractérisation fondamentale des hélicènes énantiopurs et de nombreux [n]hélicènes ont ainsi été mesurés ²⁵. Il en ressort que les hélicènes de même taille et de même configuration possèdent la même signature en CD, et que les courbes de deux énantiomères sont images miroirs. Le spectre se compose généralement de deux bandes de forte intensité très caractéristiques. Pour le carbo[6]hélicène de configuration P, on trouve principalement une première bande négative intense (D



≈ - 100-200 M^-1.cm^-1) aux faibles longueurs d’onde (~ 250 nm), suivie d’une bande positive intense (D



≈ + 100-200 M^-1.cm^-1) aux plus hautes longueurs d’onde (~ 330 nm). L’énantiomère M a une signature opposée. Notons par ailleurs que la structuration de ces bandes correspond généralement à la structure vibronique (vibrations d'élongation C=C) et qu'une bande d'intensité plus faible à plus faible énergie, positive ou négative, est généralement présente dans les hélicènes substitués.

Figure 5 : Spectre de dichroïsme circulaire du carbo[6]hélicène

14 I.5.3. Luminescence polarisée circulairement

Une autre propriété chiroptique qu’il est possible d’étudier est la luminescence polarisée circulairement (CPL). Il s’agit de l’équivalent du CD en émission. On étudie alors cette fois la capacité d’une molécule chirale à émettre préférentiellement de la lumière polarisée circulairement droite ou gauche. Certains hélicènes peuvent combiner une importante activité optique avec d’autres propriétés telles que la luminescence, conduisant ainsi à l’émission de lumière circulairement polarisée.²⁶ Afin de quantifier la CPL, on définit la différence de luminescence DI = IG – ID, et le facteur de dissymétrie glum comme étant égale à 2 fois le quotient de DI sur IG + ID (équation (1)). IG et ID représentent les intensités lumineuses transmises par la lumière polarisée circulairement gauche et droite respectivement. La valeur de glum est comprise entre -2 et +2. En effet, la valeur absolue maximale que peut atteindre g_lum (|g_lum| = 2) correspond à une polarisation circulaire purement gauche ou purement droite de la lumière émise tandis que la plus petite valeur absolue de g_lum (|g_lum| = 0) correspond à l’émission d’une lumière non polarisée.

g

_lum

= 2

^IG�ID

I_G + I_D -2 ≤

g

_lum≤ 2 (1)

Récemment, des complexes métalliques d’hélicènes possédant des propriétés de CPL ont été développés dans le groupe de Jeanne Crassous. Par exemple, l’incorporation de rhénium sur un [6]hélicène-bipyridine a conduit à l’obtention des premiers complexes de rhénium se comportant comme des émetteurs chiraux (g_lum ≈ 10^-3).²⁷

Figure 6 : premiers complexes de rhénium chiraux émettant de la CPL²⁷

DI

15

I.6. Applications

^1,2

I.6.1. Emetteurs

Les hélicènes, grâce à leur topologie particulière en hélice et à leur squelette -conjugué rigide, ont été étudiés non seulement pour leurs propriétés chiroptiques extrêmement élevées mais aussi pour d’autres propriétés comme par exemple la luminescence. Les hélicènes organiques sont en effet connus depuis plusieurs décennies pour être fluorescents. Ainsi, que ce soit sous forme racémique ou énantiopure, ces molécules ont reçu un intérêt croissant à être utilisés comme émetteurs. Par exemple, en 2003, Venkataraman et coll.²⁸ publient des hélicènes fortement fluorescents formés à partir de triarylamines (Figure 7) et actifs en luminescence circulairement polarisée avec des valeurs de glum d’environ 0,001.

Figure 7 : Exemple d'hélicène fortement fluorescent et actif en CPL²⁸

Par la suite, en tirant parti de bonnes propriétés d’émission, des azahélicènes racémiques ont été utilisés comme dopants émettant dans le bleu dans des OLEDs (Dispositif électroluminescent organique).^29,30 En effet, l’obtention d’un bleu intense est nécessaire à la fabrication de tels dispositifs mais reste encore un défi en raison du large gap entre les états fondamental et excité (HOMO-LUMO) nécessaire à sa production. L’incorporation d’hélicènes a montré quelques avantages. En plus d’une bonne solubilité, leur structure non-planaire permet de réduire les phénomènes d’agrégation en empêchant notamment la formation d’interactions

-, et contribue ainsi à diminuer la perte d’excitons en concentration élevée. Une forme twistée en hélice, en diminuant la conjugaison , peut également être un moyen d’atteindre un large gap (HOMO-LUMO). Très récemment en 2015, Liu et coll. rapportent l’incorporation d’un 7- hexyl-monoaza[6]hélicène possédant une unité carbazole, en tant que dopant bleu, dans une OLED, conduisant à un rendement quantique externe de 0,76% (Figure 8).³⁰

16 Figure 8 : Exemple d’hélicène utilisé comme dopant bleu dans une OLED³⁰

Notre groupe a par ailleurs développé des complexes organométalliques d’hélicènes actifs en CPL pour des applications prometteuses en optoélectronique. Des complexes cycloplatinés obtenus par incorporation d'ion platine au sein du squelette -conjugué hélicoïdal en sont un bel exemple (Figure 9).^26e Dans ces complexes, les orbitales du platine sont totalement conjuguées avec le système -hélicoïdal, il en résulte une phosphorescence polarisée circulairement dans la région du rouge. Les valeurs de g_lum sont de l’ordre de 10^-3 pour le platina[8]hélicène (Figure 9b) (même ordre de grandeur que pour d’autres hélicènes connus) et 10^-2 pour le platina[6]hélicène (Figure 9a). Un résultat très important a été obtenu très récemment par Fuchter, Campbell et coll. puisqu'ils ont réussi à préparer des OLEDs chirales émettant de la lumière polarisée avec un g_EL atteignant 0.38, la plus haute valeur de lumière polarisée circulairement obtenue à ce jour pour une diode organique.³¹

17 Figure 9 : Réponses CPL obtenues pour un platina[6]hélicène (a) et un platina[8]hélicène (b)^26e I.6.2. Reconnaissance moléculaire chirale

Grâce à leur chiralité intrinsèque et à la présence d’un système -conjugué polarisable en forme d’hélice, les hélicènes sont capables d’engendrer une discrimination chirale par l’intermédiaire de différents types d’interactions (van der Waals, liaisons hydrogènes, interactions -…). Par exemple, une reconnaissance chirale impliquant un [5]hélicène portant un éther-couronne, configurationnellement stable (Figure 10), a été décrit pour une extraction chirale liquide/liquide. La méthode a permis la différentiation énantiomérique d’amino-alcools chiraux séparés par une membrane liquide/liquide.³²

Figure 10: exemple de [5]hélicène-éther-couronnes utilisés en reconnaissance chirale d'amino- alcools³²

18 Plus tard, la préparation d’un bis-[5]hélicène chlorophosphite ([5]-HELOL phosphite) par Katz et coll., utilisé comme agent de dérivation, a permis la détermination de la composition énantiomérique d’une série d’alcools chiraux (ainsi que de phénols et amines) par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du phosphore. En effet, le bis-(M,M)-[5]hélicène chlorophosphite obtenu à partir du (M,M)-[5]HELOL et de PCl3, peut réagir avec les alcools chiraux pour conduire à la formation de diastéréoisomères (Schéma 8). Dans cet exemple, bien que le centre stéréogène soit éloigné du squelette hélicoïdal, la reconnaissance chirale est rendue possible grâce à la torsion de l’hélice.³³

Schéma 8: Utilisation du bis-(M,M)-[5]hélicène chlorophosphite en reconnaissance moléculaire chirale³³

En 2001, Reetz et coll. rapportent la synthèse du 2,15-dihydroxy-hexahelicene (HELIXOL) et son utilisation en reconnaissance chirale d’une série d’amines et d’amino-alcools. Des études de fluorescence révélèrent en effet un caractère énantiosélectif de l’HELIXOL par 'quenching' de la fluorescence (Figure 11).³⁴

Figure 11: structure de l'HELIXOL³⁴ I.6.3. Pinces moléculaires

L’obtention d’un carbo[7]hélicène permet de former un tour complet d’hélice dans laquelle les deux noyaux benzéniques terminaux sont co-faciaux. Ainsi, la capacité des carbo[7]hélicènes à agir comme des pinces moléculaires a été étudiée par différents groupes. Des études théoriques menées par Saini et Deb en 2007³⁵ puis par Johansson en 2009³⁶ ont permis d’examiner le piégeage de métaux alcalins puis de métaux de transition par un carbo[7]hélicène, proposant ainsi une méthode pour éviter la racémisation en fixant la chiralité. Plus tard en 2012,

19 ces résultats ont pu être rationalisés expérimentalement par Fuchter et coll. qui ont synthétisé un complexe d’argent de [7]hélicène.³⁷ La caractérisation structurale de ce complexe a mis en évidence la complexation du cation Ag+ sur le système  des deux cycles terminaux de l’hélice (Figure 12).

M = Na, K, Cs ou Ag

(a) (b)

Figure 12 : (a) Exemple de pince moléculaire à base d’un [7]hélicène^35,36 ; (b) Structure moléculaire d'un énantiomère complexant un ion Ag⁺³⁷

Très récemment, un complexe sandwich de même nature à base de carbo[6]hélicène et formé par interactions -cation avec un cation Ag⁺ a été caractérisé (Figure 13).³⁸

Figure 13: complexe sandwich à base de carbo[6]hélicène³⁸ I.6.4. Commutateurs moléculaires chiraux

Un commutateur moléculaire est une molécule qui oscille réversiblement entre deux ou plusieurs états. Une des propriétés physico-chimiques de ces états peut-être alors fortement modifiée. La conversion peut être induite par la lumière (commutateurs photochromes), par un changement de pH (commutateurs acido-basique), par l’application d’un potentiel électrique (commutateurs rédox), par la présence d’un ligand (commutateurs hôte-invité) ... Dans le cas de molécules chirales on pourra parler de commutateur chiroptique si les propriétés chiroptiques de la molécule s’en trouvent modifiées. Le photochromisme est depuis longtemps l’objet de nombreuses études grâce à son potentiel pour des applications telles que les mémoires optiques.

Un exemple de commutateur photochrome est celui de Branda qui a conduit à la formation réversible d’un diméthyl[7]hélicène, de type dithiényl-éthène, par irradiation dans le

20 dichlorométhane à 410 nm de la forme ouverte avec un ratio de 74%/36% (Schéma 9). La réaction inverse est produite à une longueur d’onde de plus de 458 nm.^39a

Schéma 9 : exemple de photochrome hélicénique^39a

Plus tard, Branda rapporta un phénomène de discrimination chirale grâce à des thiahélicènes photochromes chiraux (Schéma 10).^39b L’encombrement stérique des unités pinènes chirales permet de former majoritairement le M-hélicène.

Schéma 10: exemple de photochrome hélicénique énantioenrichi^39b

En 2014, Teplý met en évidence la présence de trois états rédox réversibles dans un système hélicénoïde (Schéma 11).⁴⁰ Ce phénomène est dû à l’intégration d’une unité de type viologène à l’intérieur de la structure hélicoïdale. Il s’agit à ce jour du commutateur possédant les plus intenses variations des propriétés chiroptiques en dichroïsme circulaire.

21

[P-1] ⁺ radical cation N

N

N

N

N

N + e^-

- e^-

+ e^- - e^-

[P-1]²⁺

dication

[P-1]⁰ neutre

Schéma 11: exemple de commutateur rédox hélicénique (en haut) et leurs spectres de dichroïsme circulaire respectifs (en bas)⁴⁰

Plusieurs commutateurs chiroptiques ont également été développés dans notre groupe.⁴¹ Par exemple, en 2014, le premier commutateur acido-basique a été rapporté par Crassous et coll.^41b Il s’agit d’un [6]hélicène greffé à une unité vinyl-osmium capable de se transformer réversiblement en le complexe carbène-osmium de [6]hélicène par addition d’une solution d’HCl dans le toluène. La réaction inverse est obtenue par addition de NEt3 (Schéma 12). Cette réversibilité a été mise en évidence par spectroscopie infrarouge montrant que la fréquence d’élongation du ligand CO varie suivant la nature du complexe. Par ailleurs, des études de dichroïsme circulaire ont révélé que plusieurs bandes étaient modifiées par la transformation du complexe.

Os PⁱPr3

PⁱPr₃

Cl CO Os

PⁱPr3

PⁱPr₃

Cl ClCO

HCl

NEt3

Schéma 12: exemple de commutateur chiroptique acido-basique^41b

Très récemment, un nouveau type de commutateur chiroptique, cette fois basé sur la coordination réversible d’ion Zn²⁺ sur un ligand de type bis-hélicène-terpyridine, a également été rapporté par notre groupe (Schéma 13).^41c L’addition de Zn(OAc)2 induit par complexation un changement de conformation du ligand, de la forme en W vers la forme en U. La réaction inverse est réalisée par addition d’un ligand compétiteur du zinc, la N,N,N’,N’-tetrakis(2- pyridylmethyl)éthane-1,2-diamine (TPEN). Ces changements conformationnels conduisent à

22 d’importantes variations des propriétés chiroptiques (CD, CPL), mais aussi d’absorption et de fluorescence entre les deux formes.

Schéma 13: exemple de commutateur chiroptique hélicénique par coordination-décoordination^41c I.6.5. Les hélicènes en biologie

La double hélice de l’ADN constitue un bel exemple de chiralité hélicoïdale présente dans la nature. Il existe 3 types de structures possibles pour l’ADN, A, B ou Z. Celles-ci diffèrent notamment par le sens de l’hélice ; le pas d’hélice est droit pour l’ADN A et B, gauche pour l’ADN Z. Il faut alors remarquer que l’ADN et les hélicènes ont une topologie similaire. Par ailleurs, les hélicènes semblent avoir une tendance à former des agrégats homochiraux par l’intermédiaire d’interactions au sein du système  hélicoïdal. C’est pour cette raison que certains chercheurs se sont penchés sur l’étude de l’existence possible d’interactions entre ADN et hélicènes. Ainsi dans une publication de 2002, apparaît la première découverte par Yamaguchi d’une reconnaissance chirale entre une hélicène-diamine configurationnellement stable (Figure 14a) et l’ADN B.⁴² Dans cette publication, l’accent est mis sur le fait que l’hélice de pas droit de l’ADN forme un complexe plus stable avec l’hélicène de configuration P. En 2013, Sasaki et coll., mettent en évidence l’existence d’une interaction énantiosélective entre le 1,14-diméthyl[5]helicene-spermine (Figure 14b) et l’ADN B ou Z.⁴³ L’hélicène de configuration P interagit préférentiellement avec l’ADN B, celui de configuration M avec l’ADN Z. Ces résultats sont particulièrement intéressants du fait que la structure Z de la double hélice est connue depuis plusieurs années pour ses fonctions biologiques régulatrices.

(a) (b)

Figure 14: exemples d'hélicènes reconnaissant certaines formes de l'ADN^42,43

23 I.6.6. Les hélicènes en catalyse asymétrique

Il existe encore relativement peu de publications abordant l’utilisation des hélicènes en catalyse asymétrique bien qu’ils soient connus depuis un peu plus d’un siècle. Pourtant, leur rigidité, associée à une bonne stabilité thermique évitant la racémisation, et à une large occupation de l’espace en font de bons candidats.^2,44 Il est connu que la majorité des ligands utilisés en catalyse asymétrique sont des phosphines. C’est pourquoi certains groupes ont développé des ligands de type hélicène-phosphine comme par exemple le 2,15-bis(diphénylphosphino)-[6]hélicène énantioenrichi (Figure 15a). Il s’agit du premier hélicène rapporté en 1997 par Reetz pour son application en catalyse asymétrique.⁴⁵ Son utilisation dans la catalyse d’hydrogénation asymétrique au rhodium de l’itaconate de diméthyle a conduit à un excès énantiomérique moyen de 39%. Ainsi, en 2003, Yamaguchi et Nakano remplacèrent ce ligand par un bis- hélicénol phosphite possédant une chiralité hélicoïdale et axiale. Ils comparent alors ce ligand au célèbre 2,2’-binaphtol (BINOL), mais dans lequel la présence d’hélicènes induit une importante poche chirale autour du centre métallique (Figure 15b). L’utilisation de ce ligand bis-hélicénol phosphite dans la même réaction d’hydrogénation asymétrique de l’itaconate de diméthyle permit d’obtenir une conversion totale et des excès énantiosélectifs très élevés (jusqu’à 96%).⁴⁶ De plus, ils observèrent un phénomène 'match/mismatch', l’hélice M combinée à la chiralité axiale S étant la paire 'match'.

(a) (b)

Figure 15 : Exemples d’hélicènes utilisés en catalyse asymétrique.^45,46

En 2000, Katz, Lam et coll. rapportent la synthèse énantiosélective du (P,P)-(+)-[5]HELOL (Figure 16) et son utilisation en tant que ligand auxiliaire chiral dans des réactions d’addition de diéthylzinc sur des aldéhydes aromatiques. Grâce à ce ligand combinant une chiralité axiale à une chiralité hélicoïdale, et avec lequel le métal est dirigé à l’intérieur de l’hélice lors de la réaction catalytique, ils obtinrent les alcools correspondant de configuration (S) avec des excès énantiomériques allant de 46 à 81 %.¹⁸

24 Figure 16 : exemple de catalyse asymétrique utilisant le [5]HELOL¹⁸

Beaucoup plus récemment, des complexes d’or à base de phosphahélicènes dans lequel l’atome de phosphore est directement incorporé à l’extrémité de l’hélice, ont été développés par le groupe d’Angela Marinetti et Arnaud Voituriez.⁴⁷ La catalyse énantiosélective à l’or est connue pour être un défi important de par la linéarité de la liaison Au-L qui place le site actif du catalyseur à l’opposé du ligand chiral. Pour l’obtention de bons excès énantiomériques, l’emploi de ligands chiraux volumineux est donc nécessaire. Le design des ligands phosphahélicènes et l’optimisation de leur structure ont été réalisés afin d’obtenir une bonne efficacité en catalyse asymétrique. Le groupe a étudié l’influence de la position de l’atome d’or par rapport au pas de l’hélice mais aussi de l’encombrement stérique engendré par des substituants en position  du phosphore, sur l’induction asymétrique. L’utilisation des complexes de phosphahélicène en tant que catalyseurs dans des réactions de cycloisomérisation d’ényne^47a ou de cyclisation [2+2]

d’ène-allènes^47b a conduit à des excès énantiomériques allant jusqu’à 95 %, les meilleurs étant obtenus lorsque l’atome d’or est orienté à l’intérieur de l’hélice.

Figure 17 : Exemple de complexe d’or à base de phosphahélicène utilisé en catalyse asymétrique⁴⁷

25

II. Les carbènes N-hétérocycliques II.1. Définition

⁴⁸

Les carbènes N-hétérocycliques (NHC) sont définis comme des espèces hétérocycliques constituées d’au moins un atome d’azote (deux la plupart du temps) adjacent à un carbone divalent porteur d’un doublet d’électrons libres. Ils sont ainsi considérés comme une sous-classe de diamino-carbènes pour laquelle les deux azotes, en position  et ’ du carbone carbénique, sont pontés par une chaîne généralement carbonée (Figure 18).

Figure 18 : Quelques classes courantes de NHCs

II.2. Historique

Les NHC furent longtemps considérés comme des espèces trop réactives pour être isolées. C’est en 1962 que Wanzlick⁴⁹ rapporta pour la première fois l’étude de la stabilité des NHC en proposant un équilibre entre le carbène et son dimère (Schéma 14). Peu de temps après, en 1968, il dévoile la première utilisation des NHC en tant que ligand dans des complexes métalliques par la synthèse directe de complexe de mercure à base de NHC (Schéma 15a).⁵⁰ A partir des années 70, le groupe de Lappert s’intéresse à la chimie de coordination de ces ligands.

Il décrit alors la formation d’un complexe de platine(II) par dissociation de l’oléfine bis-(N,N- diphényl)-imidazole (Schéma 15b).⁵¹

26 N

N Ph

Ph

N N

Ph

Ph N N Ph

Ph

Schéma 14 : dimérisation d'un NHC⁴⁹

Schéma 15 : Premières synthèses de complexes métalliques de NHC : a) Par Wanzlick⁵⁰ en 1968, b) par Lappert⁵¹ en 1988

C’est seulement une vingtaine d’années plus tard que Arduengo décrit l’isolement et la caractérisation complète du premier NHC (IAd), substitué par des groupements adamantyles, obtenu par déprotonation du sel d'imidazolium précurseur (Schéma 16).⁵² Cette découverte constitue le début d’un important engouement pour la chimie des NHC, notamment en catalyse homogène, même si ces espèces sont en réalité connues depuis plus d’un demi-siècle. Leur utilisation en catalyse homogène se développe alors de manière fulgurante. Plus récemment, les NHC ont également connu un grand succès dans le domaine biologique en tant qu’agents thérapeutiques⁵³, dans les matériaux luminescents⁵⁴ ou comme autres matériaux fonctionnels.⁵⁵

Cl

t-BuOK THF

N N N N

Schéma 16 : Obtention du 1,3-di(adamantyl)imidazol-2-ylidene (IAd)⁵²

II.3. Structure et propriétés des NHC libres

Les NHC sont décrits comme possédant une paire libre d’électrons située dans le plan de l’hétérocycle, et une orbitale p vacante perpendiculaire à ce plan sur le carbone carbénique. Ils diffèrent ainsi des carbènes classiques par leur configuration électronique singulet, et leur nucléophilie.^48,56