Merging nickel catalysis with light driven ligand-to-metal charge transfer (LMCT) catalysis for radical cross-couplings of alcohols and carboxylic acids

Cette thèse est consacrée à la conception, au développement et l’étude mécanistique de ‎nouveaux couplages croisés catalytiques « duals » combinant d'une part la catalyse au nickel et ‎d'autre part la catalyse par transfert de charge ligand-métal (« Ligand-to-metal Charge ‎Transfer », LMCT). Plus précisément, le transfert de charge ligand-métal photo-induit est ‎utilisé en tant que mode d'activation de nombreuses fonctionnalités natives (les alcools et les ‎acides carboxyliques), permettant leur transformation directe en radicaux libre carboné, qui ‎sont ensuite couplés à divers groupes fonctionnels par le biais d'un cycle catalytique au nickel. ‎Les différents chapitres de cette thèse décriront un système catalytique différent, chacun étant ‎conçu pour répondre à des déconnexions stratégiques spécifiques. ‎Le chapitre 1 fournit un aperçu bibliographique de l'état de l'art, en commençant par une ‎présentation des principaux aspects mécanistiques de la catalyse au nickel dite « à couche ‎ouverte ». Le concept de LMCT est ensuite présenté. En se concentrant sur les systèmes LMCT ‎catalysés au cérium et au fer, les applications dans l'activation des alcools natifs et des acides ‎carboxyliques sont ensuite mises en évidence.‎ Le chapitre 2 est consacré à une première tentative de construction de liaisons Csp³-Csp³ via un ‎couplage « dual » Ni/Fe ou Ni/Ce entre des alcools et des bromures d'alkyle, sous l'action de la ‎lumière visible. Bien que fournissant une preuve de concept pour cette stratégie, ce système ‎catalytique, qui repose sur un mécanisme de couplage interne, s'est avérée limité en termes de ‎champ d’application et de rendements. ‎Le chapitre 3 porte sur le développement d’une méthode permettant le couplage croisé Csp2-‎Csp3 entre des bromures d'aryle et des alcools en tant que source de radicaux Csp3, via une ‎catalyse synergique nickel/fer. Cette méthode est applicable à une vaste gamme de substrats, ‎ouvrant la voie à une large valorisation des systèmes catalytiques « duals » impliquant ‎l'activation par LMCT des alcools. Les études mécanistiques menées dans le cadre de ce projet, ‎notamment l'isolement et la caractérisation des intermédiaires clés par spectroscopie, XRD et ‎voltamétrie cyclique, ont permis d’acquérir une compréhension approfondie des cycles ‎catalytiques impliqués. ‎Le chapitre 4 revient sur le défi du couplage Csp³-Csp³ à travers une stratégie repensée, ‎remplaçant le mécanisme de couplage croisé en sphère interne utilisé précédemment par un ‎processus de tri des radicaux (« radical sorting ») SH2. Dans cette stratégie, une catalyse LMCT ‎à base de fer génère des radicaux carbonés à partir d'acides carboxyliques d'une part, tandis ‎qu'un radical méthyle est généré à partir d'un peroxyde d'autre part. Les deux radicaux sont ‎ensuite couplés via une plateforme SH2 à base de nickel. Cette méthode permet la méthylation ‎de composés pharmaceutiques avancés avec une excellente sélectivité, et ce pour une large ‎classe d'acides. Les travaux en cours visent à étendre cette méthode à une plateforme de ‎couplage croisé Csp³-Csp³ plus générale. Les premières études mécanistiques soulignent les ‎multiples rôles essentiels que joue le peroxyde dans ce système. ‎Le chapitre 5 s'écarte du thème principal de cette thèse en explorant la semi-hydrogénation ‎stéréodivergente d’alcynes par catalyse « dual » nickel/photoredox. Plus précisément, nous ‎avons développé un système catalytique « dual » nickel/photoredox utilisant des trialkylamines ‎comme source d'atomes d'hydrogène pour la semi-réduction des alcynes en alcènes. Des études ‎mécanistiques confirment l'implication d'espèces Ni-H et excluent l'isomérisation post-‎réduction. Ainsi, nous démontrons que la stéréosélectivité E/Z est régie par la cinétique de ‎l'isomérisation de l'intermédiaire alcényl-nickel par rapport à la protonolyse.‎