Acide/base de Lewis confinées – Co-LAB

Pour atteindre cet objectif, nous prévoyions d'abord de concevoir des paires de Lewis frustrées (FLP), basées sur l'encapsulation d'au moins un des deux partenaires dans une cavité bien définie. Le confinement individuel de ces différents sites catalytiques dans des cages moléculaires avait pour objectif d’empêcher leurs interactions directes. Ainsi, de nouveaux systèmes devait émerger de la combinaison de systèmes catalytiques multiples incompatibles, travaillant en synergie : soit en activant ensemble une seule petite molécule, soit en agissant comme des systèmes catalytiques relais qui transformeront deux fois (ou plus) une même molécule par des réactions successives.

Des nouvelles cages présentant un base de Lewis confinée ont pu être synthétisées. Nous avons pu montrer que l’encapsulation de ce site basique (au sens de Lewis) évitait sa réaction avec un acide de Lewis comme le chlorure de titane. Ainsi des paires de Lewis frustrées ont pu être obtenues conduisant à des systèmes catalytiques originaux pour la réaction de Morita Baylis Hilman (Org. Chem. Front. 2022). Par ailleurs, des cavités à tailles très réduites ont été également obtenues, afin de frustrer au maximum les partenaires acido-basiques. Cependant, seules les cages non fonctionnalisées ont pu être isolées pour l’instant, la synthèse ayant conduit à des structures de cages non-attendues de symétrie C1 (J. Org. Chem. 2021). Par ailleurs, nous avons également réussi à confiner un acide de Lewis dans une cage via sa fonctionnalisation par un ion cuivre. Ce complexe s’est révélé être très efficace pour catalyser les réaction de CUACC même en présence de dérivé soufré nucléophile comme le glutathion. La cage empêche l’interaction acide/base de Lewis entre l’ion Cu(II) et l’atome de soufre du glutathion conduisant à un système frustré, et permettant l’activité catalytique du complexe de cuivre, même en condition biologique (Chem Comm. 2021).
Sur le plan théorique, nos efforts ont porté jusqu’à maintenant sur le développement d’une approche en principe exacte et générale (i.e., applicable non seulement aux hamiltoniens ab initio de la chimie quantique mais également aux hamiltoniens modèle plus simples que nous souhaitons utiliser dans le cadre de ce projet) d’imbrication quantique basée sur le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). L’objectif est de pouvoir fragmenter n’importe quel système électronique et de mettre chaque fragment en présence d’un «bain» quantique (décrivant l’environnement) qui est construit de manière auto-cohérente en réalisant un calcul DFT sur le système entier. L’équation de Schrödinger peut alors être résolue simplement pour chaque cluster (un cluster étant constitué d’un fragment et d’un bain), fournissant ainsi une description locale et détaillée de la structure électronique. La théorie a pour l’instant été implémentée pour le modèle de Hubbard dans l’état fondamental (invited paper, special issue of Computation 2022). Nous travaillons actuellement sur son extension aux états excités et ce, en se basant sur nos travaux récents en DFT pour les ensembles. Nous avons récemment publié un article de revue sur ce sujet (Top Curr Chem 2022). Un article sur une description unifiée des excitations électroniques neutres et chargées est également en préparation.

Notre objectif est maintenant d’introduire un atome de bore comme site acide au sens de Lewis dans une cage, afin d’obtenir des paires de Lewis Frustrées originales. Par ailleurs, nous allons également complexer un atome de phosphore dans les « petite » cage récemment obtenue afin d’étudier l’influence de la taille et de la symétrie de la cavité sur le degré de frustration de ce type de système. Sur le plan théorique, notre objectif pour la prochaine période est de construire des hamiltoniens modèle permettant de décrire les paires de Lewis synthétisées. Ces derniers seront résolus par imbrication quantique. Parallèlement nous poursuivrons l’extension de la théorie aux hamiltoniens ab initio.

1. “Frustrated Behavior of Lewis/Brønsted Pairs inside Molecular Cages” C. Li, A.-D. Manick, J.-P. Dutasta, X. Bugaut, B. Chatelet, A. Martinez Organic Chemistry Frontiers 2022, accepted, DOI:
10.1039/D2QO00011C.
2. “Hemicryptophane Cages with a C1-Symmetric Cyclotriveratrylene Unit.” C. Li, A.-D. Manick, M. Jean, M. Albalat, N. Vanthuyne, J.-P. Dutasta, X. Bugaut, B. Chatelet, A. Martinez* J. Org. Chem. 2021, 86, 15055–15062.
3. “A Tris(benzyltriazolemethyl)amine-based Cage as CuAAC Ligand tolerant to exogeneous bulky nucleophiles” G. Qiu, P. Nava, A. Martinez, C. Colomban Chem. Commun. 2021, 57, 2281-2284.
4. “Ensemble Density Functional Theory of Neutral and Charged Excitations.” F. Cernatic, B. Senjean, V. Robert, E. Fromager Topics in Current Chemistry 2022, 380
5. “Local Potential Functional Embedding Theory: A Self-Consistent Flavor of Density Functional Theory for Lattices without Density Functionals”- S. Sekaran, M. Saubanère, and E. Fromager, invited paper, special issue of Computation (2022), Preprint: arXiv:2202.08071

Le développement de catalyseurs permettant l’activation de petites moélcules telles que H2 dans des conditions douces et respectueuses de l’environnement est l'un des défis les plus importants pour la chimie. Dans ce contexte, l'application de la chimie des Paires de Lewis Frustrées (FLP) en catalyse se révèle particulièrement intéressante pour répondre à cette problématique. Ce projet vise à confiner des systèmes de type FLP dans des cages moléculaires et de les appliquer à l'activation de petites molécules et à la catalyse. Ces systèmes seront également testés sur des substrats plus complexes, afin d’éprouver leur efficacité sur d’autres réactions clés de l’industrie chimique comme des réactions de Baylis Hillmann ou de Mannich. L’originalité de notre approche par rapport aux FLP classiques et d’encapsuler l'acide de Lewis ou la base (ou les deux) dans des cages moléculaires de type hemicryptophane, conduisant à des nanoréacteurs présentant une cavité bien définie juste au-dessus l'un des partenaires acide/base. Cette cavité permettra non seulement d’éviter l’interaction direct acide-base de Lewis, mais devrait conduire à des de nouvelle réactivités en imposant des conformations et orientation non usuelles aux réactifs encagés. Ainsi des systèmes catalytiques plus efficaces sont attendus du fait de la désolvatation et du « stress » du substrat dans la cavité. De plus, les hemicryptophanes sont des hôtes chiraux et capable de reconnaître sélectivement des substrats, ouvrant ainsi la voie à la catalyse asymétrique. Ainsi, le confinement du site catalytique et des substrats dans la même cavité devrait conduire à une forte activité catalytique et une importante énantiosélectivité.
Par ailleuris, ce projet s'appuiera sur une forte et constante interaction entre théorie et expérience, afin de résoudre les problématiques énoncées plus haut.