Cette thèse est consacrée à l’étude de mécanismes de réactions catalysées par des métaux ainsi qu’au développement de nouveaux outils pour la rationalisation et la prévision du comportement catalytique. L’étape de transmétallation entre le bore et le nickel a été étudiée en détail à l’aide de méthodes expérimentales variées (electrochimie, RMN, cinétiques) et par DFT, permettant d’expliquer certaines limitations rencontrées par les experimentateurs. La seconde partie de cette thèse est dédiée à la rationalisation du comportement d’une famille d’acides de Lewis : les sels de triflate et de triflimidate. Leur comportement a été étudié sur des réactions modèles d’amination et d’oxidation et une nouvelle échelle théorique d’acidité de Lewis basée sur l’estimation du transfert de charge vers l’acide à permis de reproduire et prévoir l’activité catalytique. / In this thesis mechanistic studies of metal-catalyzed reactions as well as development of new tools to predict and rationalize the catalytic properties are presented. The boron-tonickel transmetalation step was thoroughly studied by experimental technics (electrochemistry, NMR, kinetics) and DFT calculations, allowing us to solve some of the limitation encountered by the synthetic chemists. In the second part of this thesis the behavior of a family of Lewis acids (triflates and triflimides) is rationalize. Two model reactions (SN and redox) were studied and a new theoretical scale of Lewis acidity was developed based on the charge transferred to the acid allowing us to reproduce and predict the catalytic activity of these salts.

Pour la recherche de candidats d’intérêt thérapeutique, l’accès à des systèmes carbonés toujours plus complexes peut se heurter à divers problèmes synthétiques. Afin d’enrichir la diversité structurales, il est nécessaire de pallier aux difficultés synthétiques par le développement de nouveaux outils de synthèse. Dans ce contexte, ce travail s’est principalement orienté sur l’accès de cycles carbonés par des réactions d’expansion de cycle via l’utilisation de composés polarisés. Une première partie est réalisée avec l’utilisation de l’α-chlorodiazoacétate d’éthyle dans la réaction d’expansion de cycle de Tiffeneau-Demjanov pour la synthèse de céto-esters cycliques avec l’incorporation d’un centre tétrasubstitué présentant un atome de chlore. Dans un second temps, le développement d’une réaction de cycloaddition (5+3) à partir de deux entités cyclopropaniques polarisées a été mené au laboratoire. Cette méthodologie a conduit à décrire une nouvelle réactivité des composés cyclopropanes donneurs-accepteurs pour former des lactones α,β,γ-trisubstituées via une activation avec un acide de BrØnsted. Une étude approfondie par des calculs théoriques ont permis d’appréhender le mécanisme réactionnel et la sélectivité de cette transformation. La dernière partie a examinée la réactivité d’une nouvelle classe de molécule : les vinylbiscyclopropanes. Ces composés peuvent conduire à la famille des benzocyclobutènes et aux composés cycliques à 8 chainons par des réactions de réarrangement ou de transposition sigmatropique [3.3] formelle. Ce dernier motif est toujours à l’étude et devrait permettre un accès rapide à de multiples structures carbonées. / In the quest for new therapeutic candidates, the description of novel synthetic approaches to access to increasingly complex carbon systems remains a daunting challenge. In order to increase the structural of such scaffolds, it is necessary to overcome the encountered difficulties by developing new straightforward an efficient tools. In this context, this work has mainly focused on the access of structurally defined carbon cycles by ring expansion reactions via the use of polarized compounds. The first part of this study has been devoted to the Tiffeneau-Demjanov ring expansion reaction using ethyl α-chlorodiazoacetate. This approach allowed us to access highly versatile cyclic keto esters displaying a tetrasubstitued carbon center bearing a chlorine atom. The next topic of this study has been focused on the development of a (5 + 3) cycloaddition reaction between two polarized cyclopropane entities. This methodology led to the description of a novel reactivity of donor-acceptor cyclopropanes compounds to form α,β,γ-trisubstituted lactones under a BrØnsted acid activation. In order to gain mechanistic insights, a theoretical study has also been conducted which led us to rationalize the mechanism and the selectivity of this transformation. The last part described the reactivity of a underexplored class of molecule, the vinylbiscyclopropanes. These compound, can lead to the benzocyclobutene family and to the 8 membered-ring compounds through rearrangement or formal [3.3] sigmatropic rearrangement reaction. This last class of compound is still under study and should allow rapid access to diverse cyclic structures.

Les réactions de transfert couplé électron/proton et rupture de liaison sont présentes dans de nombreux processus, et notamment dans les réactions d'activation des petites molécules comme H2O ou CO2. Le contexte écologique actuel (ressources limitées en énergies fossiles et réchauffement climatique par les gaz à effet de serre émis) nous impose de trouver des sources d'énergies alternatives et non polluantes. L'énergie produite via l'utilisation de flux naturels (énergie solaire, éolienne...) doit être stockée pour permettre une utilisation à la demande. La liaison chimique peut permettre de répondre à cette problématique du stockage, ce qui passe par l'activation de petites molécules abondantes comme le CO2 (gaz à effet de serre) via des processus électrocatalytiques impliquant des complexes de métaux de transition comme catalyseurs. L'étude mécanistique de ces réactions est nécessaire afin de permettre l'élaboration raisonnée de ces catalyseurs moléculaires. L'étude de la réduction du CO2 en CO catalysée par une porphyrine de fer (FeTPP) et de la réduction des dérivés halogénoalkylés catalysée par la CoTPP a permis de mettre en lumière le rôle prépondérant du donneur de proton exogène et qu'une catalyse efficace passe par la concertation totale ou partielle des différents événements impliqués dans la réaction (transfert d'électron, transfert de proton et rupture de liaison C-O ou C-Métal) permettant ainsi d'éviter le passage par des intermédiaires coûteux en énergie. Ces observations nous ont permis d'élaborer de manière raisonnée deux catalyseurs de la famille des porphyrines de fer (CAT et FCAT) possédant le donneur de proton directement sur la molécule pour la réduction du CO2 en CO, réduction d'intérêt majeur actuellement. L'étude mécanistique a montré que la cinétique de l'étape cinétiquement déterminante était contrôlée par une étape mettant en jeu un transfert d'électron, la rupture d'une liaison C-O et un voire deux transferts de proton agissant de manière totalement concertés. La présence du donneur de proton sur la molécule est un élément incontournable d'une catalyse efficace, puisqu'il sert à la fois de relais pour les protons exogènes et permet de stabiliser l'intermédiaire formé (adduit Fe(0)-CO2) par liaisons hydrogènes. Une définition précise de la fréquence de renouvellement qui a permis de lier celle-ci à la surtension et une analyse comparative avec les autres catalyseurs présents dans la littérature a permis d'affirmer que FCAT est, actuellement, le meilleur catalyseur moléculaire homogène pour la réduction du CO2 en CO.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse concerne pour l'essentiel, l'utilisation des dialkylzincs en tant que médiateurs de réactions radicalaires. La particularité de ces organométalliques réside dans le fait qu'ils sont, d'une part, de très bons précurseurs de radicaux alkyle en présence d'oxygène, et d'autre part, qu'ils peuvent subir des réactions de substitution homolytique bimoléculaire permettant de passer au cours d'une même réaction d'une espèce radicalaire à une espèce organométallique. Ainsi, les dialkylzincs sont de très bons médiateurs de réactions radicalaires et polaires en cascade en milieu aérobie.Cette méthodologie a été appliquée à la synthèse one-pot stéréosélective de γ-lactones disubstituées et de pyrrolizidines à partir du fumarate de diéthyle. La synthèse inédite de dérivés fumariques tri- et tétrasubstitués a été réalisée, à partir de l'acétylènedicarboxylate de diéthyle. Des cétoesters ont également été préparés à partir du bromoacrylate d'éthyle et de cétones silylées. L'utilisation d'azoture d'alkyle comme accepteur de radicaux s'est révélée infructueuse mais a permis de détecter une réactivité originale des azotures d'alkyle, qui en présence d'iodure de tertiobutyle, sont convertis en iodures correspondants. Enfin, une étude fondamentale par RPE du mécanisme d'oxydation des dialkylzincs a été réalisée afin de mieux appréhender les différences de comportement observées pour les divers dialkylzincs à l'échelle préparative. / The research work reported in this thesis is essentially concerned with the use of dialkylzincs in radical reactions. The peculiar behavior of these organometallic reagents resides in the fact that they are good precursors of alkyl radicals in the presence of oxygen and that they are good partners for bimolecular homolytic substitution reactions that enable to generate polar species from radical ones. Thereby, dialkylzincs are reagents of choice to perform radical-polar cascades in aerobic medium.This methodology has been applied to the one-pot stereoselective synthesis of disubstituted γ-lactones and pyrrolizidines from diethylfumarate and to the original formation of tri- and tetrasubstituted fumaric derivatives from diethylacetylene dicarboxylate. Ketoesters have also been prepared from bromoethylacrylate and sylilated ketones. The use of alkyl azide as radical acceptor in this process failed but a new reactivity of alkyl azides was detected during this study, i.e, their original conversion into the corresponding alkyl iodides in the presence of t-BuI.Finally, mechanistic studies have been achieved to investigate the mechanism of the oxidation of dialkylzincs. EPR experiments have been performed with the aim to gain a better understanding of the behavior observed for various dialkylzincs at preparative scale.