Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La chimie des composés organofluorés peut être subdivisée en deux domaines d’activité. L’un concerne la création des composés organofluorés, que ce soit par la formation du lien C-F ou par une modification apportée à un motif préalablement fluoré, tandis que l’autre concerne plutôt le bris du lien C-F, le plus fort lien simple carbone-élément. La présente étude sur la réactivité des mono- et difluorures allyliques et propargyliques envers certains nucléophiles, séparée en trois grands projets où la catalyse aura été une thématique centrale, nous aura fait explorer ces deux volets de la chimie des composés organofluorés. Les monofluoroalcènes sont au coeur du premier projet. Malgré une littérature abondante sur le sujet, une voie de synthèse générale pour leur préparation se fait encore attendre. L’approche que nous avons d’abord préconisée repose sur la substitution nucléophile des 3,3-difluoropropènes. Nos travaux sur la catalyse au platine et au nickel n’auront cependant pas été à la hauteur de nos attentes. Se tourner vers les 3-chloro-3-fluoropropènes aura toutefois représenté un net progrès : un catalyseur métallique n’est généralement pas nécessaire pour permettre la substitution nucléophile de ces substrats et une gamme incomparable de nucléophiles peut être employée. La réaction ne dépend que de la différence de caractère nucléofuge entre un fluor et un chlore en relation géminale. Le second projet traite de l’activation du lien C-F, ici appliquée aux monofluorures propargyliques. Alors que des conditions fortes sont typiquement requises, notre groupe s’intéresse à l’activation par les liaisons hydrogène, une interaction faible. Nous aurons ainsi pu développer une réaction de Friedel-Crafts des monofluorures propargyliques. Enfin, le dernier projet porte sur l’hydrofonctionnalisation des gem-difluorures propargyliques catalysée à l’or. À ce jour, l’hydratation et l’hydroalkoxylation ont été explorées. La transformation présente une régiosélectivité parfaite pour l’attaque du nucléophile sur le carbone de l’alcyne distal au groupement fluoré. Une étude computationnelle par DFT indique que le biais électronique imposé par les atomes de fluors est responsable de cette sélectivité inusitée. / Organofluorine chemistry as a whole can be divided into two main topics. While the first concerns the synthesis of specific fluorinated moieties, either through the creation of C-F bonds or by the elaboration of an already fluorinated motif, the second one deals with the cleavage of the C-F bond, the strongest single bond carbon can make with any other element. The current study of the reactivity of allylic and propargylic mono- and difluorides with certain nucleophiles, separated in three projects for which catalysis ended being at the very core, had us delve into those two areas of organofluorine chemistry. The first project involves the preparation of monofluoroalkenes. Notwithstanding the abundant literature on the subject, a general and versatile route to monofluoroalkenes is still sought after. Our initial approach revolved around the nucleophilic substitution of 3,3-difluoropropenes. However, our attempts at platinum catalysis and nickel catalysis did not meet expectations. The breakthrough came from resorting to 3-chloro-3-fluoropropenes as no transition metal was now necessary in most cases for the allylic substitution to occur, and this with an unmatched scope of nucleophiles. The success of the transformation is only attributable to the difference in leaving group ability of a fluorine atom and a chlorine atom in geminal relationship. The second project focusses on C-F bond activation as applied to propargylic monofluorides. While strong conditions are commonplace for C-F bond activation, our group approaches this problem through hydrogen bonding, a weak interaction. This has led us to develop the Friedel-Crafts reaction of propargylic monofluorides. Finally, the last project concerns the hydrofunctionalization of propargylic gem-difluorides under gold catalysis. To this date, both the hydration and hydroalkoxylation reactions were explored. The transformation displays a perfect regioselectivity for nucleophilic attack onto the carbon of the alkyne distal to the fluorinated unit. DFT calculations point towards the electronic bias brought about by the fluorine atoms as being at the origin of this unusual selectivity.

L’amélioration des méthodes de synthèse organique, que ce soit les réactions ou les réactifs, retient continuellement l’intérêt des chimistes. Ceci est particulièrement vrai pour les molécules fluorées, qui sont d’une grande utilité en chimie pharmaceutique, en agrochimie et en sciences des matériaux. À cet effet, la compagnie OmegaChem a récemment développé deux réactifs de fluoration nucléophile capables de réaliser la déoxofluoration d’alcools, de cétones et d’acides carboxyliques en fluorures d’alkyles, difluorométhylènes et fluorures d’acyles respectivement. Il s’agit de tétrafluoroborate de diéthylaminodifluorosulfinium et de tétrafluoroborate de morpholinodifluorosulfinium, appelés XtalFluor-E et XtalFluor-M. Ceux-ci possèdent un pouvoir activant, mais une source externe de fluorure est nécessaire pour que la déoxofluoration s’opère. En raison de leur facilité de manipulation et leur faible coût, il s’est avéré intéressant d’utiliser cette nouvelle classe de réactifs dans d’autres réactions de fluoration, mais également dans des transformations nécessitant un agent activant. Dans le cadre des travaux de cette thèse, diverses réactions impliquant le XtalFluor-E ont été développées. Ainsi, des isonitriles ont pu être synthétisés à partir de formamides, puis impliqués dans des réactions multicomposantes. De la même manière, une méthode permettant de former des nitriles à partir d’amides primaires ou d’aldoximes a été développée. Des esters perfluorés ont également été synthétisés, à partir d’acides carboxyliques et d’alcools perfluorés variés. Enfin, une réaction de déoxofluoration éliminatrice a permis l’obtention de monofluoroalcènes cycliques. La seconde partie du projet s’est focalisée sur la fluoration électrophile. Dans ce cas-là, le substrat joue le rôle de nucléophile tandis que l’atome de fluor est fourni sous forme électrophile. Au vu des limites des réactifs actuels (disponibilité commerciale, solubilité dans les solvants organiques, réactivité, etc.), l’objectif consiste à élaborer de nouveaux réactifs de fluoration électrophile comblant ces lacunes. Plus particulièrement, des dérivés de N-fluorosquaramides ont été brièvement étudiés. / The improvement of synthetic methodologies, either reactions or reagents, continually retains the interest of chemists. This is particularly true for fluorinated molecules, which occupy a significant place in pharmaceutical chemistry, agrochemistry, and material sciences. To this end, OmegaChem recently commercialized two nucleophilic fluorinating reagents allowing the deoxofluorination of alcohols, ketones and carboxylic acids into alkyl fluorides, difluoromethylenes and acyl fluorides, respectively. These are diethylaminodifluorosulfinium tetrafluoroborate and morpholinodifluorosulfinium tetrafluoroborate, named XtalFluor-E and XtalFluor-M. They possess an activating power, but an exogenous source of fluoride is required to perform deoxofluorination reactions. Because of their ease of handle and low cost, it was advantageous to use this new class of reagents in other fluorination reactions, but also in transformations requiring an activating agent. As part of this thesis, various reactions involving XtalFluor-E have been developed. Isocyanides could be synthesized from formamides and then involved in multi-component reactions. In the same way, a method allowing the formation of nitriles from primary amides or aldoximes has been developed. Perfluorinated esters have been also synthesized, from carboxylic acids and various perfluorinated alcohols. Finally, an eliminative deoxofluorination allowed the formation of cyclic monofluoroalkenes. The second part of the project focused on electrophilic fluorination. In this case, the substrate behaves as the nucleophile whereas the fluorine atom is delivered as an electrophile. Given the limitations of the current reagents (commercial availability, solubility in organic solvents, reactivity, etc.), the objective is to develop new electrophilic fluorine sources that can address these issues. More particularly, N-fluorosquaramides derivatives were briefly investigated.

Le domaine de recherche de la chimie du fluor a connu un essor considérable. En particulier, le motif SCF3 et plus récemment les groupements SCF2R (R = H, SO2Ph, SAr, COAr, Rf) ont fait l'objet d'une attention particulière de la part de la communauté scientifique du fait de leurs propriétés remarquables. Dans ce contexte, le développement de nouvelles méthodologies et de réactifs originaux pour l'introduction de ces groupements fluorés a suscité un fort intérêt. En conséquence, les objectifs de cette thèse ont été 1) de développer de nouvelles méthodologies pour la fonctionnalisation de liaisons C(sp3)-H par l'introduction directe d'un motif SCF3 catalysée par des métaux de transition, et son extension à d'autres groupements fonctionnels ainsi que 2) de concevoir et étudier de nouveaux réactifs fluorés électrophiles. La première partie de cette thèse a été dédiée au développement d'une réaction de trifluorométhylthiolation d'amides aliphatiques catalysée au palladium, une transformation inédite (Chapitre 2). Puis, la chloration d'amides aliphatiques catalysée au palladium, dans des conditions douces, a été étudiée (Chapitre 3). Enfin, une nouvelle voie de synthèse pour accéder aux sulfénamides trifluorométhylés a été développée (Chapitre 4). Cette approche a été étendue à la préparation d'un nouveau réactif électrophile pour l'introduction du groupement SCN. De plus, un réactif électrophile original, source du motif SCF2PO(OEt)2, a été synthétisé et appliqué à la construction de liaisons C-SCF2PO(OEt)2, N-SCF2PO(OEt)2 et S-SCF2PO(OEt)2 ainsi qu'à la synthèse d'un composé d'intérêt biologique (Chapitre 4). / The organofluorine chemistry field has witnessed a very fast expansion. In particular, the SCF3 moiety and more recently the SCF2R groups (R = H, SO2Ph, SAr, COAr, Rf) have attracted a special interest from the scientific community because of their remarkable properties. In this context, the development of new methodologies and original reagents for the introduction of such fluorinated groups is particularly appealing. Therefore, the goals of this thesis were 1) to develop a new methodology for the direct introduction of the SCF3 group by transition metal-catalyzed C(sp3)-H bond functionalization and its extension to other functional groups as well as 2) to design and study new electrophilic fluorinated reagents.The first part of this Ph.D. thesis was dedicated to the development of an unprecedented Pd-catalyzed trifluoromethylthiolation of aliphatic amides by C-H bond functionalization (Chapter 2). Then, the Pd-catalyzed chlorination of aliphatic amides by C-H bond functionalization under mild conditions was investigated (Chapter 3). Finally, a newly designed strategy for the synthesis of trifluoromethanesulfenamides was elaborated (Chapter 4). This approach was extended to the preparation of a new electrophilic reagent for the thiocyanation reaction. In addition, an original electrophilic SCF2PO(OEt)2 reagent was designed and applied to the construction of C-SCF2PO(OEt)2, N-SCF2PO(OEt)2 and S-SCF2PO(OEt)2 bonds as well as to the synthesis of a biorelevant compound (Chapter 4).

L’atome de fluor est omniprésent dans plusieurs domaines grâce à sa capacité à moduler les propriétés biologiques et physicochimiques d’une molécule. De ce fait, la demande en molécules originales ne cesse de croître. Dans ce contexte, la synthèse de nouveaux réactifs fluorés et le développement de nouvelles méthodologies de synthèse pour introduire ces motifs fluorés suscite un fort intérêt. La première partie de cette thèse a été consacrée à l’élaboration d’un réactif inédit, source de CHFMe, et l’étude de sa réactivité. Cela a permis d’accéder à des composés substitués par un groupement OCHFMe, une classe de dérivés sous-explorée et pourtant prometteuse en chimie médicinale (Chapitre 2). Le chapitre 3 a été dédié au groupement CF₂PO(OEt)₂, un motif d’intérêt grâce à son bioisostérisme avec le groupement phosphate. L’étude d’une voie d’accès directe aux molécules aliphatiques comportant le groupement CF₂PO(OEt)₂ a été étudiée. Enfin, en collaboration avec l’UCL, l’étude de nouveaux groupements fluorés radiomarqués a été réalisée. En effet, le chapitre 4 a porté sur le développement d’une méthodologie permettant de synthétiser des molécules comportant un motif SCF₂¹⁸F, combinant ainsi les propriétés du motif émergent SCF₃ à celles du fluor 18. / The fluorine atom is ubiquitous in several fields thanks to its unique feature to modulate the biological and physical properties of a molecule. Thus, the demand for original fluorinated molecules is steadily increasing. In this context, a special attention has been paid to the synthesis of new fluorinated reagents as well as the development of new methodologies to introduce fluorinated motifs. The first part of this PhD thesis focused on the design of an unprecedented CHFMe-containing reagent and the study of its reactivity. A new access to OCHFMe-containing molecules was possible, an underexplored class of compounds despite their potential in medicinal chemistry (Chapter 2). The chapter 3 was dedicated to the CF₂PO(OEt)₂ moiety, which is of high importance due to its bioisosterism with the phosphonate group. A direct pathway toward the synthesis of aliphatic CF₂PO(OEt)₂-containing molecules was investigated. Finally, in collaboration with the Université Catholique de Louvain, the design of new radiolabeled fluorinated groups was studied. Indeed, the chapter 4 was devoted to the development of a methodology to access SCF₂¹⁸F-containing molecules, combining hence the properties of the emerging moiety SCF₃ with the ones of the ¹⁸F atom.

La défense pré-invasive ou stomatique est un mécanisme qui consiste en la fermeture des pores stomatiques présents sur les organes aériens des plantes lorsque celles-ci sont en contact avec certains agents pathogènes. Cette fermeture empêche ces derniers de pénétrer dans l’hôte et de le coloniser. Ce mécanisme s’active chez Arabidopsis inoculée par la bactérie Pseudomonas syringae pv tomato (Pst) DC3000. Des travaux préliminaires de notre groupe avaient montré que la carbonylation de protéines cibles par des espèces réactives électrophiles (EREs) représentait une étape cruciale de la signalisation cellulaire nécessaire à la mise en place de cette défense. Par des approches de marquage ciblé et de purifications couplées à des identifications par spectrométrie de masse en tandem (nanoLC-MS/MS), nous avons pu caractériser une sérine-thréonine protéine kinase qui joue un rôle déterminant dans ce mécanisme de défense. En effet, des plantes mutées sur le gène codant cette protéine ont perdu la capacité à induire la fermeture de leurs stomates et à déployer la défense stomatique vis-à-vis de la bactérie. De plus, l’introduction de la chimie click (cycloaddition alcyne-azide catalysée par le cuivre), dans nos approches de marquage, nous a permis d’identifier un ensemble de protéines très probablement carbonylées et susceptibles de jouer un rôle crucial dans ces évènements cellulaires qui contribuent à une part de l’immunité végétale. Enfin, les EREs étant capables d’induire la fermeture des stomates, nous avons cherché à savoir, dans le cadre de l’établissement d’une preuve de concept, si leur application sur des plantes permettrait la protection de ces dernières contre Pst. / Pre-invasive or stomatal defense is a mechanism which consists of closing the stomata present at surface of aerial organs of plants when they are in contact with certain pathogens. This closure prevents them from entering and colonizing the host. This mechanism is activated in Arabidopsis inoculated by the bacterium Pseudomonas syringae pv tomato (Pst) DC3000. Preliminary work by our group had shown that carbonylation of target proteins by reactive electrophile species (RES) was a crucial step of the cell signaling required to set up this defense. Through targeted tagging and purifications approaches coupled with tandem mass spectrometry identifications (nanoLC-MS/MS), we have been able to characterize a serine-threonine protein kinase that plays a crucial role in this defense mechanism. Indeed, plants mutated on the gene encoding this protein have lost their ability to trigger stomatal closure and to deploy the stomatal defense against the bacteria. In addition, the use of the click chemistry and notably, the copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition, in our tagging approaches has enabled us to identify a set of proteins that are most likely carbonylated and likely to play a significant role in these cell events that contribute to part of plant immunity. Finally, since RES are able to induce stomatal closure we sought to find out, in the context of establishing a proof-of-concept, whether their application to plants would enable them to be protected against the Pst.