New Multifunctional Ligands for the Catalytic Carbonylation of Methanol
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UNIVERSITE DE NEUCHATEL FACULTE DES SCIENCES NEW MULTIFUNCTIONAL LIGANDS FOR THE CATALYTIC CARBONYLATION OF METHANOL THESE PRESENTEE A LA FACULTE DES SCIENCES PAR CHRISTOPHE THOMAS CHIMISTE DIPLOME DE L’UNIVERSITE LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG INSTITUT DE CHIMIE DE L’UNIVERSITE DE NEUCHATEL 14 MAI 2002 UNIVERSITE DE NEUCHATEL FACULTE DES SCIENCES NEW MULTIFUNCTIONAL LIGANDS FOR THE CATALYTIC CARBONYLATION OF METHANOL THESE PRESENTEE A LA FACULTE DES SCIENCES PAR CHRISTOPHE THOMAS CHIMISTE DIPLOME DE L’UNIVERSITE LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG INSTITUT DE CHIMIE DE L’UNIVERSITE DE NEUCHATEL 14 MAI 2002 A ma mère A Tatiana A mon père La science ne consiste pas seulement à savoir ce qu'on doit ou peut faire, mais aussi à savoir ce qu'on pourrait faire quand bien même on ne doit pas le faire. Umberto Eco (Le nom de la rose) Tout le talent d'écrire ne consiste après tout que dans le choix des mots. Gustave Flaubert (Extrait d'une Lettre à Louise Colet 22 juillet 1852) Remerciements Les travaux décrits dans cette thèse ont été réalisés au laboratoire de Chimie Organométallique et de Catalyse Homogène de l’Université de Neuchâtel sous la direction du Professeur Georg Süss-Fink. Je tiens à le remercier sincèrement de m’avoir accueilli dans son groupe et de m’avoir fait partager son enthousiasme pour la recherche. J’aimerais également lui exprimer ma profonde gratitude pour le soutien qu’il m’a apporté, tant par ses qualités humaines que scientifiques. J’aimerais également remercier les Professeurs Thomas Ward et Lutz Gade d’avoir accepté de juger ce manuscrit et de m’avoir fait part de leurs remarques éclairées et pertinentes. Je remercie sincèrement les Docteurs Régis Gauvin, Frédéric Chérioux et Bruno Therrien d’avoir relu ce manuscrit avec attention. Il est bien connu que Monsieur Therrien est efficace dans son travail mais je sais également maintenant que Messieurs Gauvin et Chérioux sont redoutables dans leurs appréciations. J'adresse également un grand merci à Monsieur David Schwab qui a reussi à me supporter pendant sa deuxième année d'apprentissage et qui m'a permis d'avancer plus rapidement et dans la bonne humeur. Il va sans dire que je remercie aussi les membres du groupe Süss-Fink grâce auxquels il a régné une ambiance conviviale et chaleureuse au laboratoire (en particulier Laurent, Amel, Frédéric, Ludovic et Bruno) et mes collègues de l'Institut (Blaise, Sandrine, Olivier, Sébastien, Philippe, Michaël et Gilles). J’adresse mes remerciements aux personnes responsables des services d’analyses RX, RMN et MS de l’Institut de Chimie de Neuchâtel (à savoir le Docteur Bruno Therrien, le Docteur Armelle Michel, le Professeur Helen Stoeckli-Evans, le Docteur Antonia Neels et Monsieur Heinz Bursian), au Professeur T. Jenny et à Monsieur F. Nydegger du Département de Chimie Organique de Fribourg et au Docteur Hansjörg Eder responsable du Service de Microanalyse de Genève. Je remercie l'Université de Neuchâtel et le Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique qui ont soutenu financièrement ce projet. Enfin je remercie tout particulièrement mes amis et mes proches dont le soutien a été plus qu'une aide pendant toutes ces années. A ce titre j'ai une pensée particulière pour ma "belle-famille", mes parents et surtout Tatiana. Table of Contents Chapter 1 Introduction ............................................................................................................................ 1 1.1 Historical Aspects of Carbonylation Reactions ................................................. 2 1.2 Recents Developments in the Carbonylation of Methanol.............................. 3 1.3 Scope and Aims of this Work .............................................................................. 3 Chapter 2 The Catalytic Carbonylation of Methanol: State of the Art.............................................. 5 2.1 Chemicals from Methanol and Carbon Monoxide ........................................... 5 2.2 The Transition Metal Catalyzed Carbonylation of Methanol .......................... 7 2.2.1 Cobalt Catalysts ........................................................................................... 11 2.2.2 Nickel Catalysts............................................................................................ 13 2.2.3 The Rhodium-Based Monsanto Catalyst.................................................. 14 2.2.4 Mechanistic Studies of the Rhodium-Catalyzed Process ....................... 16 2.2.5 Heterogenized Rhodium Catalysts............................................................ 18 2.2.6 The CativaTM Iridium Catalyst for Methanol Carbonylation................. 22 2.2.7 Mechanistic Studies of the Iridium-Catalyzed Process........................... 25 2.2.8 Comparison between Monsanto and CativaTM Systems ........................ 27 2.3 Ligand-Accelerated Catalysis.............................................................................. 29 Chapter 3 New Benzotriazole Ester Ligands: Synthesis, Coordination, Catalytic Properties...... 39 3.1 Nitrogen-Containing Ligands in Catalysis........................................................ 39 3.2 Ligand Syntheses.................................................................................................. 43 3.2.1 Preparation and Characterization.............................................................. 45 3.2.2 X-ray Crystal Structure Analyses ............................................................... 47 3.3 Coordination Chemistry...................................................................................... 50 3.3.1 Cobalt(II) Complexes.................................................................................. 50 3.3.2 Rhodium(I) and Iridium(I) Complexes .................................................... 55 3.4 Catalytic Potential ................................................................................................ 63 3.4.1 Carbonylation of Methanol........................................................................ 63 3.4.2 Complex Isolation from Catalytic Mixtures............................................. 66 3.5 Conclusion ............................................................................................................ 68 Chapter 4 New Phosphinodithioic Ester Ligand: Synthesis, Coordination, Catalytic Properties............................................................................................................................... 69 4.1 Sulfur-Containing Ligands in Catalysis ............................................................. 70 4.2 Ligand Synthesis................................................................................................... 71 4.2.1 Preparation and Characterization.............................................................. 72 4.2.2 X-Ray Crystal Structure Analysis............................................................... 74 4.3 Coordination Chemistry...................................................................................... 76 4.3.1 Nickel(II) Complexes.................................................................................. 76 4.3.2 Rhodium(I) Complexes .............................................................................. 77 4.4 Catalytic Potential ................................................................................................ 81 4.4.1 Carbonylation of Methanol........................................................................ 81 4.4.2 Complex Isolation from Catalytic Mixture .............................................. 83 4.5 Conclusion ............................................................................................................ 85 Chapter 5 New Diphosphine Ester Ligands: Synthesis, Coordination, Catalytic Properties ....... 87 5.1 trans-Spanning Diphosphine Complexes .......................................................... 87 5. 2 Ligand Syntheses.................................................................................................. 92 5.2.1 Preparation ................................................................................................... 93 5.2.2 Characterization........................................................................................... 94 5.3 Coordination Chemistry...................................................................................... 95 5.3.1 Rhodium(I) Complexes .............................................................................. 95 5.3.2 Iridium(I) Complexes.................................................................................. 98 5.3.3 Platinum(II) Complexes ........................................................................... 101 5.4 Carbonylation Potential .................................................................................... 103 5.4.1 Catalytic Carbonylation of Methanol...................................................... 103 5.4.2 Complex Isolation from the Reaction Mixture ..................................... 106 5.5 Conclusion .......................................................................................................... 109 Chapter 6 Conclusion and Perspectives ............................................................................................ 113 Chapter 7 Experimental Section......................................................................................................... 115 7.1 Apparatus............................................................................................................ 115 7.2 Solvents and Gases...........................................................................................