UN NOUVEAU DESCRIPTEUR DE LA RÉACTIVITÉ CHIMIQUE: ÉTUDE THÉORIQUE ET APPLICATIONS Á LA SÉLECTIVITÉ DE QUELQUES RÉACTION

1. Thèse de Doctorat : UN NOUVEAU DESCRIPTEUR DE LA RÉACTIVITÉ CHIMIQUE: ÉTUDE THÉORIQUE ET APPLICATIONS Á LA SÉLECTIVITÉ DE QUELQUES RÉACTIONS CHIMIQUES Christophe Morell Directeurs de Thèse : Pr. A.Grand et Pr. A. Toro-Labbé Grenoble, le 31 Octobre 2006

2. Sommaire A – Étude théorique I- Situation du descripteur dans l’espace E[N,v(r)] II- Df(r) et l’énergie d’interaction III- Df(r) et le Principe de Dureté Maximum (PMH) B – Applications à quelques réactions chimiques I- Réactivité des composés carbonyles II- Régiosélectivité de la substitution électrophile aromatique III- Régiosélectivité de la cycloaddition de Diels-Alder IV - Addition sur les alcènes Conclusion et Perspectives

3. A – Étude Théorique

4. I- Situation du descripteur dans l’espace E[N,v(r)]

5. Théorie Cinétique de la Réactivité Hypothèse : La pente énergétique la plus faible conduit au TS le plus stable Produit majoritaire TS1 TS2 DE1 DE2 R x P

6. Description en Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Électronique (DFT) Emolécule=Eélectronique + Enoyaux Energie d’interaction entre les électrons et potentiels externes (noyaux,Champ E/B,….) Energie d’interaction entre électrons: J[]+XC[]+T[]

7. Dérivée de l’énergie [N, v(r)]

8. E LUMO h µ HOMO Propriétés Globales: Approximation des différences finies et le théorème de Koopmans :

9. Propriétés locales :Fonctions de Fukui 3 dérivées peuvent être définies : La fonction f +(r) caractérise la réactivité vis à vis d’une attaque nucléophile La fonction f -(r) caractérise la réactivité vis à vis d’une attaque électrophile La fonction f °(r) est définie comme

10. Propriété locale:Descripteur h(r) ou dual E LUMO 2 LUMO 1 HOMO HOMO v2(r) v1(r)

11. Relations entre le descripteur dual Df(r) et les fonctions de Fukui  Site actif vis-à-vis d’attaques de nucléophiles Df(r)>0 Df(r)=0 Réactivité équilibrée  Site Actif vis-à-vis d’attaques d’électrophiles Df(r)<0

12. II – Df(r) et Énergie d’Interaction

13. A B Variation d’énergie de 2 fragments en interaction Avec :

14. Variation d’énergie de 2 fragments en interaction E total = E e + E p + E c Covalent Électrostatique Polarisation des nuages électroniques

15. La contribution covalente Si les fragments ont une électronégativité similaire Réaction entre un électrophile et un nucléophile

16. é ù 1 1 ò ò ò ò D - D + D D + D D 0 0 2 f ( r ) v ( r ) dr f ( r ' ) v ( r ' ) dr f ( r ) v ( r ) dr f ( r ' ) v ( r ' ) dr ' ê ú El El Nu Nu El El Nu Nu ë 2 2 û D = - E c h + h 2 ( ) Nu El Signification physique 

17. Durant l’égalisation des électronégativités la variation des potentiels chimiques est faible 

18. III – Relation avec le Principe de Dureté Maximum (PMH)

19. Principe de Dureté MaximumPrinciple of Maximum Hardness Il semble être une règle de la nature que les molécules se réarrangent pour être aussi dures que possible* Démonstration Parr et Chattaraj** : Combinaison de Physique Statistique et théorème de fluctuation-dissipation: à µ et v(r) constant Autre approche de Parr et Liu qui montrent qu’à v(r) et N constant alors l’énergie du système électronique diminue lorsque la dureté augmente * Pearson, R.G. J.Chem.Educ.1987, 561 ** Parr, R.G.; Chattaraj, P.K., J.Am.Chem.Soc.1991, 1854

20. PMH et Réaction chimique *Perez, P.; Toro-Labbé, A. J. Phys. Chem. A, 2000 1557.

21. Relation avec le PMH :Analyse Qualitative Modélisation d’un Électrophile/Nucléophile par Cation/Anion approchant une molécule  Anion v(r)>0 Cation v(r)<0 Site moléculaire Df(r)<0 Site moléculaire Df(r)>0 Augmente

22. 0 Favorables 0 Défavorables Critère Physique On évalue l’intégrale* : Autre critère** : * Morell, C.; Grand, A.; Toro-Labbé, A. Chem. Phys. Lett 2006, ** Ayers, P Notes de recherches non publiées

23. A B Orientation de chaque molécule dans le potentiel créé par l’autre. Le long du chemin de réaction, chaque molécule s’orientera pour être la plus dure possible.

24. B – Applications à quelques réactions chimiques

25. Calculs Quantiques HF/6-311G** ou DFT : B3LYP/6-31G** Gaussian 98/03 Fonctions de Fukui* f+(r)/f-(r) modélisées par densité de spin du système N+1/N-1 *Galvan, M.; Gazquez, J. L.; Vela, A.; J.Chem.Phys.,1986, 64, 2337

26. I- Réactivité des Composés Carbonyles.

27. Les Résultats Expérimentaux Mn+

28. Nu -  E+ f(r)>0 f(r)<0 Descripteur Df(r)

29. Attaque de Dunitz-Burgi *Burgi, H. B.; Dunitz, J. D.; Lehn, J. M.; Wipff; G. J.Am.Chem.Soc.,1974, 96, 1956.

30. Nu -  E+ f(r)>0 f(r)<0 Rationalisation avec Df(r)

31. II - Substitution Électrophile Aromatique

32. Résultats Expérimentaux

33. Nu -  E+ f(r)>0 f(r)<0 Df(r) de l’aniline et benzaldéhyde Benzaldéhyde Aniline

34. III –Cyclo-additions de Diels-Alder

35. Schéma de base Composé cyclique Diène Diènophile

36. Régiosélectivité

37. Df(r) du diène et du diènophile

38. Df(r) des 2 fragments

39. Stéréo sélectivité Isomère endo stabilisé par la présence d’interactions secondaires

40. IV - Addition sur les Alcènes

41. Règle de Markovnikov

42. Nu -  E + Df(r) du propène

43. Rationalisation à l’aide du Descripteur

45. IX –Conclusion et perspectives

46. Conclusion : Avantages théoriques du descripteur dual:  Réponse différentielle au gain/perte d’électron  Terme local de l’énergie d’interaction covalente  Descripteur local du PMH  Critère d’approche des réactifs Avantages interprétation des résultats  Meilleure discrimination des sites réactifs  Possibilité d’étude de la stéréosélectivité  Pas d’apriori sur l’électrophilie ou la nucléophilie des réactants