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

Les stimulants de type amphétaminique (STA) et la méthadone sont des drogues chirales dont les énantiomères possèdent des propriétés pharmacologiques différentes. Ainsi, la détermination des rapports énantiomériques de ces substances peut s’avérer utile dans l’interprétation d’examens toxicologiques dans un contexte clinique et médico-légal. Les STA ont été dosés dans les cheveux en utilisant un nouvel agent de dérivation chiral, le chlorure de (2S,4R)-4-heptafluorobutoyloxy-N-heptafluorobutyryl-prolyle. Les diastéréoisomères ont été séparés et quantifiés par chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse en mode d’ionisation chimique négative. Les limites de détection ont nettement été améliorées par rapport à d’autres méthodes. Les rapports R/S des STA les plus courants ont été calculés dans les cheveux de consommateurs connus. Les expériences ont permis de montrer que le mécanisme d’incorporation des STA dans les cheveux n’était pas énantiosélectif et que les rapports R/S restaient stables le long d’une mèche. La quantification énantiosélective de la méthadone (MTD) et de son métabolite principal, l’EDDP dans la salive a été étudiée par électrophorèse capillaire (EC), en utilisant la cyclodextrine ? hautement sulfatée comme sélecteur chiral. Les résultats ont montré une prépondérance de la (R)-MTD et de la (S)-EDDP dans la salive. Finalement, les simulations par ordinateur ont montré que la modélisation moléculaire est un outil supplémentaire permettant de prévoir l’ordre de migration des énantiomères des STA, de la MTD ou de l’EDDP, séparés par des cyclodextrines en EC. / The amphetamine-type stimulants (ATS) and methadone (MTD) are chiral drugs of abuse, whose enantiomers present different pharmacological properties. Thus, the determination of the R/S ratios of these analytes could be helpful for the interpretation of toxicological results in clinical and forensic cases. The enantiomers of ATS extracted from the hair matrix have been quantified by gas chromatography-mass spectrometry using a new chiral derivatization agent, (2S,4R)-N-heptafluorobutyryl-(4-heptafluorobutoyloxy)-prolyl chloride. The method showed excellent limits of detection compared to former studies. This study permitted us to determine the enantiomeric ratios of the ATS in hair. The results pointed out that the incorporation mechanism of ATS into hair matrix seems not to be enantioselective. Furthermore, the R/S ratios remained relatively stable along hair shafts. The enantioselective quantification of methadone and its primary metabolite EDDP in oral fluid was studied using capillary electrophoresis (CE). Separations were obtained using highly sulphated ?-cyclodextrins as chiral selectors. A predominance of (R)-MTD and (S)-EDDP were observed in oral fluid. Finally, computational simulations showed that molecular modelling is an additional tool for the prevision of the migration order of enantiomers such as ATS, MTD or EDDP separated by CE using cyclodextrins as chiral selectors.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été effectués dans le but de développer de nouveaux catalyseurs chiraux base d'iode afin de les utiliser dans différentes méthodes de synthèse catalytiques énantiosélectives. Pour ce faire, l'optimisation d'une réaction étalon, soit l' alpha-tosyloxylation de la propiophénone, a principalement été étudiée afin d'évaluer l'efficacité des catalyseurs. Le premier chapitre abordera la synthèse d'une première génération d'iodooxazolines et de bisiodooxazolines chirales. L'efficacité de cette nouvelle gamme de catalyseurs sera discutée au niveau de l'activité et de la sélectivité. Suite aux résultats obtenus avec cette première génération d'iodooxazolines chirales, une étude plus approfondie de l'activité et de la sélectivité a été effectuée à l'aide de composés modèles plus accessibles. Le second chapitre présentera l'étude de l'activité de différents composés iodoamides et iodoéthers sur le système catalytique. Cette étude plus approfondie permettra d'évaluer l'effet stérique et électronique du noyau aromatique sur le système catalytique. Finalement, au dernier chapitre sera étudiée plus en détail l'induction asymétrique du système à l'aide de différentes iodooxazolines chirales de deuxième génération. Celles-ci étant synthétisées suite aux résultats obtenus au chapitre précédent possèdent un noyau aromatique permettant une bonne activité. Une optimisation des paramètres de la réaction sera effectuée afin d'obtenir une meilleure activité et sélectivité lors de la catalyse.

Au cours de ce travail, nous avons synthétisé des lactones bicycliques par réactions de Diels-Alder à demande électronique inverse, de façon énantio- ou diastéréosélective. Pour cela, nous avons étudié, d'une part, un système catalytique à base de triflate d'ytterbium utilisant le binol comme source de chiralité. Nous avons également étudié les cycloadditions d'une 2-pyrone portant une copule chirale dérivée de la pantalactone. Nous avons également découvert et développé un réarrangement radicalaire original de bicyclo[2.2.2]lactones substituées par un groupe phénylséléniure. L'étude du mécanisme de ce réarrangement nous a conduit à la production des lactones pontées [3,2,1], intermédiaires instables qui se transforment rapidement, sous conditions acides, dans les produits fusionnés correspondants. Nous avons ensuite étendu ces conditions à divers substrats et avons démontré que ce réarrangement procédait avec une rétention totale de la stéréochimie relative et absolue de la lactone de départ. Nous avons ensuite utilisé cette séquence tandem de réarrangement dans une courte synthèse de la lactone de Corey, intermédiaire important dans la préparation des prostaglandines.

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

En catalyse asymétrique, des efforts considérables ont été portés à la meilleure compréhension du processus énantiosélectif à l'état de transition via la proposition de conformations possibles adoptées par le substrat dans l'environnement chiral du catalyseur. L'architecture moléculaire de plusieurs complexes organométalliques inspire la conception de nouveaux ligands chiraux de manière à profiter de fonctionnalités particulières intégrées avec le but d'améliorer leur efficacité en synthèse énantiosélective. Dans cette optique, la présente thèse de doctorat vise à établir de nouvelles applications de systèmes catalytiques formés de ligands chiraux de type 2,2'-bipyridinediol de symétrie C₂ et d'acides de Lewis bénins pour l'environnement, et ce, pour des réactions classiques de la chimie organique. Ces complexes organométalliques chiraux à base de Feᴵᴵ, de Feᴵᴵᴵ , de Biᴵᴵᴵ et de Znᴵᴵ , générés in situ, ont été employés en catalyse énantiosélective pour les réactions d'aldolisation de Mukaiyama, d'addition de Michael de thiols, de Diels-Alder, d'oxydation de sulfures aromatiques et d'alkylation d'aldéhydes avec le diéthylzinc. La réaction d'addition conjuguée de thiols catalysée par des sels de Feᴵᴵ a permis la synthèse de β-thioéthers obtenus soit sous la forme d'un énantiomère majoritaire (23 exemples, jusqu'à 98% de rendement et 96:4 er), soit sous la forme d'un mélange racémique (27 exemples, jusqu'à 99% de rendement). Aussi, le processus d'optimisation pour la catalyse d'oxydation d'un sulfure aromatique effectuée par un complexe chiral de Biᴵᴵᴵ a permis d'obtenir le sulfoxyde correspondant avec 72% de rendement et une sélectivité de 83:17 er. Outre le développement de nouvelles méthodologies de synthèse stéréosélective, la conception de nouveaux ligands 2,2'-bipyridinediols analogues, conduisant à des propriétés stériques et/ou électroniques modifiées, a aussi été étudiée. Avec les connaissances acquises sur les résultats obtenus avec le ligand 2,2'-bipyridine-α,α՚-tert-butyldiol modèle, les motifs de substitution 3,3'-diméthyle (99% de, >99.5% ee; énantiomère S,S), α,α'-1-adamantyle (98% de, >99.5% ee; énantiomère S,S) et α,α'-trifluorométhyle (97% de, >99% ee et >99.5% de, >99.5% ee; énantiomères R,R et S,S) ont été judicieusement choisis avec l'ambition de moduler positivement l'induction chirale. Les étapes réactionnelles, les intermédiaires de réaction et les configurations absolues des centres asymétriques sont détaillés et discutés pour chaque processus synthétique menant à l'obtention du ligand 2,2'-bipyridinediol ciblé. Des informations structurelles sur l'environnement chiral de complexes de Feᴵᴵ (2) et de Znᴵᴵ (1) formés par ces ligands originaux ont été obtenues par des analyses par la diffraction des rayons X de leurs monocristaux. Pour des réactions de référence sélectionnées, les stéréosélectivités obtenues par ces nouveaux catalyseurs ont permis la comparaison de leur efficacité et la vérification de l'hypothèse initiale visant à bonifier les événements stéréosélectifs. Les hauts niveaux de stéréosélectivité atteints par l'utilisation du ligand 2,2'-bipyridine-α,α'-tBu-diol modèle ont été surpassés par l'utilisation d'un de ces ligands nouvellement synthétisés pour l'une des quatre réactions asymétriques étudiées: i) aldolisation de Mukaiyama, ii) addition de thia-Michael, iii) Diels-Alder et iv) éthylation d'aldéhydes. Finalement, le projet ambitieux d'arrimer la 2,2'-bipyridine-α,α'-tBu-diol chirale sur un matériau silice pour des applications en catalyse hétérogène a été initié. Malgré des essais préliminaires non fructueux, le jumelage potentiel des conditions réactionnelles respectueuses de l'environnement, développées en catalyse homogène, avec le caractère recyclable et l'efficacité accrue des catalyseurs hétérogènes s'insère parfaitement dans une approche de synthèse énantiosélective axée vers le développement durable. / In asymmetric catalysis, considerable efforts have been made for the better understanding of a stereoselective event at the transition state by postulating possible conformations of the substrate in the chiral environment brought up by the catalyst. The molecular architecture of many organometallic complexes inspires new designer chiral ligands to benefit from unlocked key features that improve their efficiency in enantioselective synthesis. In this perspective, this thesis aims to establish new synthetics applications of chiral catalysts made from the complexation of C₂-symmetric 2,2'-bipyridinediol type of ligands with environmentally benign Lewis acids in classical reactions of organic chemistry. In situ generated chiral Feᴵᴵ-, Feᴵᴵᴵ-, Biᴵᴵᴵ-, and Znᴵᴵ-catalysts were employed for asymmetric catalysis in Mukaiyama aldol, thia-Michael addition, Diels-Alder, aromatic sulfide oxidation and aldehyde alkylation reactions. Feᴵᴵ-catalyzed thia-Michael addition reaction led to the synthesis of β-thioethers obtained either as one major enantiomer (23 examples, up to 98% yield and 96:4 er) or as a racemic mixture (27 examples, up to 99% yield). Also, the optimization study for the catalytic oxidation of an aromatic sulfide by a chiral Bᴵᴵᴵ catalyst afforded the corresponding sulfoxide in 72% yield and 83:17 er. In addition to the development of new asymmetric synthetic methodologies, the ligand design towards the synthesis of 2,2'-bipyridinediol analogs, leading to modified steric and/or electronic properties, was studied. Based on the results obtained using the model 2,2'-bipyridine-α,α'-tert-butyl-diol ligand, three analogs bearing the 3,3-dimethyl (99% de, >99.5% ee; S,S enantiomer), the α,α'-1-adamantyl (98% de, >99.5% ee; S,S enantiomer), and the α,α'-trifluoromethyl (97% de, >99% ee and >99.5% de, >99.5% ee; R,R and S,S enantiomers) substitution motifs were selected to modulate the chiral induction positively. All reaction steps, reaction intermediates, and absolute configurations were detailed and discussed for each synthetic process leading to the targeted 2,2'-bipyridinediol ligand. Structural insights of the chiral environment of Feᴵᴵ- (2) and Znᴵᴵ-based (1) catalysts made from these original ligands were obtained from X-ray diffraction analyses of single crystals. For selected model reactions, the stereoselectivities observed using these new chiral catalysts allowed the comparison of their efficiency and the bonification of the chiral induction at the stereoselective event, initially hypothesized, was verified accordingly. The high levels of stereoselectivity reached by using the model 2,2'-bipyridine-α,α'-tBu-diol were outperformed by using one of the newly synthesized ligands in one of the four tested reactions: i) Mukaiyama aldol, ii) thia-Michael addition, iii) Diels-Alder, and iv) ethylation of aldehydes. Finally, the ambitious project of grafting the chiral 2,2'-bipyridine-α,α'-tBu-diol ligand onto mesoporus silica for applications in heterogeneous catalysis was initiated. Despite the unsuccessful preliminary trials, the combination of the green reaction conditions developed in homogeneous catalysis with the inherent recyclability of highly efficient heterogeneous catalysts fits perfectly in an asymmetric synthesis approach oriented towards sustainable chemistry.

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

Nous avons développé de nouveaux accès pour la construction de molécules comportant les motifs Csp3-CF3 et Csp3-SCF3. Deux réactions de transfert d'hydrure sur des composés trifluorométhylés par catalyse avec des métaux de transition ont été réalisées : 1) l'isomérisation catalytique d'alcools allyliques trifluorométhylés par des complexes de fer (II); 2) le transfert d'hydrogéne énantiosélectif de céto-imines trifluorométhylées par des complexes chiraux de ruthénium en utilisant l'isopropanol comme source d'hydrure pour obtenir des amines trifluorométhylées optiquement actives avec de hauts rendements et de hautes énantiosélectivités. La trifluorométhylthiolation allylique nucléophile de dérivés de Morita-Baylis-Hillman a été étudiée. L'accès régio- et stéréosélectif aux produits SCF3 thermodynamiques a été réalisé par la combinaison de S8/CF3SiMe3/KF/DMF avec de bons rendements. Le produit cinétique a été obtenu en utilisant le réactif de Zard. / We have developed new accesses for the construction of molecules featuring Csp3-CF3 and Csp3-SCF3 motifs. Two atom-economical hydride transfer reactions of trifluoromethylated compounds by transition-metal catalysis were realized: 1) the isomerization of trifluoromethylated allylic alcohols by iron (II) complexes; 2) the enantioselective transfer hydrogenation of trifluoromethylated ketimines by a chiral complex of ruthenium and isopropanol as hydride source for the preparation of optically pure trifluoromethylated amines in high yields and high enantioselectivities. The nucleophilic allylic trifluoromethylthiolation of Morita-Baylis-Hillman derivatives was investigated. The regio- and stereoselective access to thermodynamic trifluoromethylthiolated products has been achieved by combination of S8/KFfMe3SiCF3/DMF in good yields. The kinetic trifluoromethylthiolated products were obtained by using Zard's trifluoromethylthiolating reagent.

Nous avons eu comme objectif de développer de nouvelles méthodologies de synthèse en utilisant un système de fer et de ligand bipyridine chiral. D’abord, pour faire suite aux résultats déjà développés dans le groupe pour la réaction d’ouverture d’époxydes méso par des anilines, nous avons engagé de nouveaux nucléophiles dans les conditions réactionnelles avec le système catalytique précédemment étudié. Dans le cas d’ouverture d’époxydes aromatiques méso par les indoles, de très hautes énantiosélectivités ont été obtenues. Après un processus d’optimisation, les conditions réactionnelles idéales ont été établies. Avec l’ajout de tamis moléculaire au milieu réactionnel, d’excellentes énantiosélectivités (>99% ee) ont été obtenues pour la plupart des substrats engagés. Ces résultats nous ont permis de proposer un modèle d’induction asymétrique pour cette réaction avec le catalyseur organométallique. Le système a aussi pu être appliqué dans le dédoublement cinétique de l’époxyde du trans-stilbène avec l’indole comme nucléophile. Nous avons aussi concentré nos recherches sur le développement d’une méthodologie utilisant le système fer-bipyrine pour la réaction de Mukaiyama aldol dans l’eau pure. Nous avons synthétisé un nouveau sel de fer, le bis(dodécylsulfate) de fer(II), agissant à la fois comme acide de Lewis et tensioactif en catalyse asymétrique. Le système s’est montré efficace pour catalyser la réaction de manière hautement énantiosélective, sans produire l’hydrolyse de l’éther d’énol silylé en conditions aqueuses. Les aldéhydes aromatiques, conjugués, hétéroaromatiques et aliphatiques ont pu être condensées efficacement avec cette méthode. Un traitement post-réactionnel par centrifugation permet de séparer les produits organiques sans utilisation de solvant. La réaction peut aussi être réalisée sur plus grande échelle, sans érosion de la stéréosélectivité. Nous avons aussi brièvement travaillé sur le développement d’une méthodologie pour la cyclisation de Nazarov. Dans ce cas, le système fer-bipyridine a donné des résultats préliminaires intéressants. Une poursuite du projet est à envisager. Nous avons aussi travaillé sur la synthèse de ligands chiraux présentant de bons potentiels en catalyse asymétrique. Une nouvelle méthode de couplage pour brancher des amino-alcools en position 2 et 2’ sur des noyaux bipyridine a été utilisée, permettant de synthétiser deux nouveaux ligands prenants notamment le L-diphénylprolinol et le (1R, 2S)-cis-aminoindanol comme unités chirales. Finalement, les ligands synthétisés ont été appliqués dans les réactions mentionnées précédemment. / We had the objective of developing new synthetic methodologies using a system of iron and a chiral bipyridine ligand. In order to continue with the results previously developed in the group for the meso epoxide-opening reaction with anilines, we tested new nucleophiles using the system. For the opening reaction of aromatic epoxides by indoles, very high enantioselectivities were obtained. After an optimization process, optimal reaction conditions were established. With the addition of molecular sieves to the reaction medium, excellent enantioselectivities ( > 99 % ee ) were obtained for most of the substrates involved . These results allowed us to propose a model for asymmetric induction of this reaction with the organometallic catalyst. The system has also been applied in the kinetic resolution of trans-stilbene oxide with indole. We also focused our research on the application of iron-bipyrine systems in the Mukaiyama aldol reaction in pure water. We have synthesized a new iron salt, i.e. iron(II) bis(dodecylsulfate), acting both as a Lewis acid and a surfactant in the reaction medium. The system was effective to catalyze the reaction in a highly enantioselective manner, without hydrolysis of the silyl enol ether in water. Aromatic, conjugated, heteroaromatic and aliphatic aldehydes could effectively be employed using the method. Centrifugation was used as post-reactional procedure, allowing to separate de products without using any solvent. The reaction may also be carried out on a larger scale, with no erosion on stereoselectivity. We also briefly worked on the development of a methodology for Nazarov cyclization. In this case, the iron-bipyridine system yielded interesting preliminary results. We also worked on the synthesis of chiral ligands with a good potential in asymmetric catalysis. A new method for coupling aminoalcohols in position 2 and 2 ' on bipyridine moieties was used to synthesize two new ligands using L-diphenylprolinol and (1R, 2S)-cis-aminoindanol as chiral units. Finally, the ligands were applied in the above-mentionned reactions.

La préparation de produits énantiopurs a toujours suscité un grand intérêt depuis leur découverte en 1897 par J. H. Van't Hoff. Dans l'organisme humain, l'action d'une molécule est étroitement liée à sa chiralité puisque les récepteurs biochimiques sont eux-mêmes chiraux. Parmi les méthodes de préparation de molécules chirales utilisées dans l'industrie, la réaction d'Orito permet l'hydrogénation énantiosélective d'a-cétoester en alcool sur le platine modifié chiralement en présence de solvants. Ces derniers affectent grandement les excès énantiomériques (ees) des produits formés. Le toluène et l'acide acétique sont les solvants les plus utilisés car ils permettent d'atteindre des ees jusqu'à 99 %. Suite à un modèle récemment proposé permettant d'expliquer l'énantiodifférenciation de la réaction d'Orito, le modificateur offre au substrat deux points d'interaction : l'interaction A se fait entre la fonction ester et l'aminé protonée du modificateur alors que l'interaction B est rendue possible grâce à l'activation de la portion aromatique du modificateur par la surface. Dans ce sens, nous avons étudié l'interaction entre la partie ester d'un substrat et un modificateur simplifié, le ]-jV-méthyl(l-naphthyl)éthylamine (interaction A). Par la suite, nous avons étudié l'activation de molécules aromatiques bicycliques (l-méthylnaphtalène (MN) et naphtalène (Naph) et monocycliques (toluène et benzène) ainsi que de l'acide acétique déposées seules d'une part, et en coadsorption avec le pyruvate de méthyle (PM) d'autre part sur une surface de Pt(l 11) (interaction B) propre par des études de spectroscopie infra rouge et par thermodésorption. Ces observations nous ont permis de mieux comprendre l'influence de ces solvants (toluène et acide acétique) sur la performance de la réaction d'Orito et d'expliquer la nécessité d'utiliser des modificateurs possédants au moins deux cycles aromatiques.