The catalytic application of ionic liquid-stabilized metal nanoparticles and molecular complexes

Ionic liquids (ILs) have gained considerable research attention as potential replacements for volatile organic chemicals (VOCs) based solvents due to their low vapour pressures and ability to be easily recovered and recycled. Research on ILs has revealed such novel properties as: high chemical and thermal stabilities, good gas solubilites, wide windows of electrochemical stability, good electrical conductivities, high ionic mobilities and immiscibilities with some organic solvents and water. The exploitation of these IL properties has expanded the application scope to include: analytics, catalysis, electrochemistry, nanotechnology, synthesis and separations. This thesis examined the use of ILs in the synthesis of metal nanoparticles (NPs) and molecular complexes, with their application in biphasic catalysis. Metal NPs were synthesized directly in imidazolium or phosphonium ILs, which act as a reaction solvent and an electrostatic NP stabilizer. ILs functionalized with a metal binding moiety (i.e. thiolate or phosphine), otherwise known as functionalized ILs (FILs), were also employed for the synthesis of NPs to enhance their stability by direct attachment of the IL moiety to the metal surface. Transition metal NPs embedded in an IL solvent provided highly effective and recyclable biphasic hydrogenation catalysts for the reduction of alkene and arene substrates. FILs were also employed as stabilizing species of molecular complexes used as biphasic hydroformylation catalysts of long-chain olefins. Important to all of these studies was the influence of the IL parameters (i.e. cationic headgroup, alkyl chain length, counter anion) on the properties of the metal NPs and molecular complexes (i.e. NP size, surface plasmon band, stability under catalytic conditions, catalytic activity and selectivity). ILs are shown to be a highly tunable class of compounds, which allow for control of the properties of metal species stabilized within an IL.Les liquides ioniques (LIs) ont fait l'objet d'une attention considérable en tant qu'alternatives potentielles aux solvants à base de composés organiques volatiles du fait de leur faible pression de vapeur saturante et de la facilité avec laquelle on peut les récupérer et les recycler. La recherche sur les LIs a par ailleurs révélé de nombreuses propriétés telles que : une grande stabilité chimique et thermique, de bonnes solubilités pour les gaz, une large fenêtre de stabilité électrochimique, une bonne conductivité électrique, une bonne mobilité ionique et une immiscibilité avec certains solvants organiques et l'eau. L'exploitation de ces propriétés ont étendues le champ des applications pour comprendre : la chimie analytique, la catalyse, l'électrochimie, la nanotechnologie, la synthèse et la purification. Cette thèse traite de l'utilisation des LIs pour la synthèse de nanoparticules (NPs) métalliques et de complexes, ainsi que de leur utilisation en catalyse biphasique. Des NPs métalliques ont été synthétisées directement dans les LIs à base de cations imidazolium ou phosphonium. Ces LIs jouent le rôle de solvant et de stabilisants électrostatiques pour les NPs. Des LIs fonctionnalisés avec une espèce ligante (i.e. un thiolate ou une phosphine), appelés LIs fonctionnalisés (LIFs), ont été employés pour la synthèse de NPs pour améliorer leur stabilité par attachement direct du LI à la surface métallique. Les NPs de métaux de transition ainsi obtenues sont très actives en catalyse biphasique d'hydrogénation des alcènes et des arènes et recyclables. Les LIFs ont également été employés comme ligands pour des complexes moléculaires utilisés en catalyse biphasique d'hydroformylation des oléfines à longue chaine. Au centre de cette étude, les paramètres moléculaires des LIs (i.e. le groupement cationique, la longueur de la chaine alkyle, le contre-ion) se sont révélés influer sur les propriétés des NPs métalliques et des complexes moléculaires (i.e. la taille des NPs, leur bande plasmon, leur stabilité en condition catalytique, leur activité catalytique et leur sélectivité). Les LIs constituent une classe de composés hautement versatiles, qui permettent le contrôle des propriétés des espèces métalliques qu'ils stabilisent