This thesis describes the development of transition metal catalyzed transformations towards the synthesis of stereochemically rich motifs and heterocycles. The main themes present throughout this thesis are rhodium-catalysis in reactions of boronic acids with alkenes and alkynes, the use of alkynes as a key motif in the synthesis of heterocycles, and the use of domino and one-pot processes to effect high efficiency in multistep transformations. In Chapter 1, a rhodium-catalyzed desymmetrization of diazabicyclic alkenes with boronic acids is discussed. In this work a chemodivergent and enantioselective process for the synthesis of substituted cyclopentenes and cyclopentanes is developed. Both the chemo- and the enantioselectivity of the reaction are shown to be highly dependent on the phosphine ligand structure. The observed reactivity of rhodium is further applied to a domino reaction to synthesize highly substituted benzofuranones. In Chapter 2, the reactivity of boronic acids and alkynes under rhodium catalysis is exploited as a key step to access polycyclic motifs. In the first part of this chapter the development of a domino process using both rhodium and palladium catalysis is described. Detailed mechanistic investigations allow some insight into the interactions between two catalysts. In the last part of this chapter, preliminary experiments in the application of multimetallic catalysis in the synthesis of azadibenzoxepines are discussed. Chapter 3 summarizes work on the arylation of propargylic alcohols with boronic acids under rhodium catalysis. This reaction is shown to proceed with high regioselectivity and can be conducted under mild conditions. The resulting allylic alcohols are shown to be versatile motifs and are applied in a synthesis of indenes and quinolines. In the final chapter of this thesis, iodotriazoles are explored as key intermediates in the synthesis of fused triazole-containing heterocycles. Palladium-catalyzed cyclization, either through C-H functionalization or through Heck coupling, is achieved. Furthermore, it is shown that the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition and palladium-catalyzed C-H arylation can be combined into a one-pot process.

This thesis describes the development of transition metal catalyzed transformations towards the synthesis of stereochemically rich motifs and heterocycles. The main themes present throughout this thesis are rhodium-catalysis in reactions of boronic acids with alkenes and alkynes, the use of alkynes as a key motif in the synthesis of heterocycles, and the use of domino and one-pot processes to effect high efficiency in multistep transformations. In Chapter 1, a rhodium-catalyzed desymmetrization of diazabicyclic alkenes with boronic acids is discussed. In this work a chemodivergent and enantioselective process for the synthesis of substituted cyclopentenes and cyclopentanes is developed. Both the chemo- and the enantioselectivity of the reaction are shown to be highly dependent on the phosphine ligand structure. The observed reactivity of rhodium is further applied to a domino reaction to synthesize highly substituted benzofuranones. In Chapter 2, the reactivity of boronic acids and alkynes under rhodium catalysis is exploited as a key step to access polycyclic motifs. In the first part of this chapter the development of a domino process using both rhodium and palladium catalysis is described. Detailed mechanistic investigations allow some insight into the interactions between two catalysts. In the last part of this chapter, preliminary experiments in the application of multimetallic catalysis in the synthesis of azadibenzoxepines are discussed. Chapter 3 summarizes work on the arylation of propargylic alcohols with boronic acids under rhodium catalysis. This reaction is shown to proceed with high regioselectivity and can be conducted under mild conditions. The resulting allylic alcohols are shown to be versatile motifs and are applied in a synthesis of indenes and quinolines. In the final chapter of this thesis, iodotriazoles are explored as key intermediates in the synthesis of fused triazole-containing heterocycles. Palladium-catalyzed cyclization, either through C-H functionalization or through Heck coupling, is achieved. Furthermore, it is shown that the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition and palladium-catalyzed C-H arylation can be combined into a one-pot process.

Les synthèses « one pot » multi-étapes efficaces et éco-compatibles ont été envisagées pour la synthèse de molécules potentiellement bioactives tels que les systèmes bis(bibenzyliques) et leurs précurseurs stilbéniques ou bibenzyliques par catalyse hétérogène au palladium. Une synthèse « one-pot » impliquant une réaction de couplage de Heck suivie d’une hydrogénation des stilbènes ainsi formés a été mise au point en présence de Pd/C. Cette stratégie c’est révélée être limitée lors de l’application à des substrats désactivés et stériquement encombrées. Couplée au manque de disponibilité commerciale d’oléfines aromatiques intéressantes pour nos objectifs, nous avons mis au point une synthèse de styrènes par catalyse hétérogène à partir d’halogénures d’aryles et du vinyltrifluoroborate de potassium impliquant un couplage de Suzuki-Miyaura. Cette vinylation hétérogène a été ensuite appliquée à la synthèse « one-pot » de stilbènes. Des études d’optimisation de ce procédé sont encore en cours. Les stilbènes ainsi obtenus ont été utilisée pour la synthèse de bis(bibenzyles) ouverts et fermés. Pour ce faire différentes stratégies « one-pot » ont été évaluées au cours de ces travaux et des bis(stilbènes) ont été obtenus avec des rendements compris entre 30% et 50%. Les bis(stilbènes) ainsi obtenus ont été l’objet d’études en hydrogénation. A ce jour aucune de nos tentatives n’a permis l’obtention de bis(bibenzyles) quelles que soient les conditions employées. Des études sont en cours pour comprendre les raisons de ces résultats et obtenir les bis(bibenzyles) cibles de nos travaux / “One-pot” strategy, powerful tools for the creation of molecular complexity, has been applied in the synthesis of possible bioactive molecules such bis(bibenzyls) systems and their precursors stilbenes and bibenzyles using heterogeneous palladium catalysts. In this work a “one-pot” synthesis concerning a Heck coupling reaction followed by in situ hydrogenation with Pd/C has been studied for the synthesis of bibenzyl derivates. We have observed limitations for deactivated and hindered substrates. Moreover due to the low commercially availability of aromatic styrenes we focused our attention on the development of new heterogeneous vinylation reaction starting from aromatic halides and potassium vinyltrifluoroborate through a Suzuki coupling reaction. This strategy was then applied to “one-pot” stilbenes synthesis. The study is still under investigation in our laboratory. The synthesized stilbenes have been used as precursors in the synthesis of cyclic or acyclic bis(bibenzyls) derivates. Many different “one-pot” strategies have been developed that allowed to reach yields of bis(stilbenes) between 30% and 50% in only one step. Bis(stilbenes) have been objects of investigation as what concerned the hydrogenation. However every effort has not yet been successful under our reaction conditions. Studies are still in progress to understand the reasons of these results and to obtain bis(bibenzyls) systems, target of our research

L’Héparane Sulfate (HS) est un polysaccharide linéaire hautement sulfaté largement présent à la surface des cellules ou dans la matrice extracellulaire des tissus animaux. L’HS est l'un des polymères les plus hétérogènes et présente une alternance de domaines fortement sulfatés (S) et faiblement sulfatés (A). L'exposition à la surface cellulaire de ces domaines SAS permet d'établir des interactions spécifiques avec des protéines basiques présentant des topologies de charges complémentaires, permettant la régulation de leurs activités biologiques. CXCL12, une protéine de la famille des chimiokines se liant aux chaînes d’HS, est l'unique ligand naturel du récepteur CXCR4. La signalisation CXCL12/CXCR4 est impliquée dans divers processus biologiques dont l'hématopoïèse, la réponse immunitaire et la migration des cellules cancéreuses et leur prolifération. La conception de glycoligands pouvant se lier spécifiquement à CXCL12 pourrait permettre de moduler son interaction avec son récepteur et donner accès à une substance thérapeutique innovante pour le traitement de plusieurs types de cancer. Nous avons ainsi imaginé la construction d’un ligand tridentate symétrique comportant une partie centrale de type fragment d’HS synthétique (dp4) dont les extrémités réductrice (ER) et non réductrice (ENR) seraient reliées à des ligands capables d'occuper une partie du site de liaison à CXCR4.Grâce à de précédents travaux sur l'IFN-γ, une cytokine se liant aux chaînes HS, notre laboratoire a déjà démontré que la préparation de mimes de SAS pouvait être obtenue en reliant deux fragments d’HS synthétiques (domaines S) par leur ER via des bras espaceurs de type PEG et de longueur différente pour mimer les domaines A. Afin d’adapter cette stratégie à la préparation de neutraligands de CXCL12 et d’une nouvelle génération de mimes de SAS, ce programme doctoral visait (i) à établir une stratégie générale de modification de l’ER et l’ENR de fragments d’HS, (ii) à établir des conditions efficaces de réactions de couplage pour (iii) synthétiser des ligands de CXCL12 ainsi que de nouveaux mimes de SAS. Nous avons sélectionné deux réactions orthogonales de couplage dans le panel de Chimie Click, à savoir la formation de triazole «CuAAC» et la «ligation oxime». Afin de déterminer la faisabilité de transformation des deux extrémités de fragments d’HS pour réaliser ces réactions de couplage, nous avons optimisé les conditions de ces modifications sur un disaccharide modèle dérivé du cellobiose. Tout d’abord, en utilisant la procédure de couplage thiol-ène décrite par notre équipe, nous avons introduit une amine sur l'ER de ce disaccharide et optimisé les conditions d’une séquence monotope transfert de diazo/CuAAC permettant la conversion sélective de cette amine en azoture puis son couplage avec des alcynes vrais. Cette séquence a également pu être appliquée à des acides aminés libres pour la préparation de dérivés organofluorés. Ensuite, l'installation d'un motif aldéhyde sur l’ENR du composé modèle a été obtenue par une séquence en trois étapes comportant une allylation décarboxylante de type Tsuji-Trost de la position O-4 de l'unité NR, une dihydroxylation de l’éther d’allyle obtenu et enfin une coupure oxydante du diol formé. En plus d'explorer la sélectivité de la coupure oxydante en faveur de diols vicinaux acycliques en présence de diols cycliques portés par le squelette saccharidique, nous avons également optimisé les conditions de la réaction de formation d’oximes pour obtenir une seconde procédure monotpe de coupure oxydante/formation d’oxime pour la modification rapide de l’ENR de fragments d’HS. Cette stratégie de fonctionnalisation sélective de l’ER et l’ENR d’oligosaccharides a été implémentée dans notre voie actuelle de synthèse de fragments d’HS : elle a été appliquée de manière représentative à un fragment tétrasaccharidique d’HS qui permettra la préparation de neutraligands de CXCL12 et de mimes de SAS. / Heparan sulfate (HS) is a class of linear and highly sulfated polysaccharides widely present in animal tissues, onto the cell surface or into the extracellular matrix. HS is one of the most heterogeneous polymers and presents an alternation of highly sulfated domains (S domains) and weakly sulfated one (A domains). Exposition of those SAS domains at the cell surface permits the establishment of specific interactions with proteins displaying complementary charge topologies, leading to the regulation of their biological activities.CXCL12, a HS-binding protein, member of the chemokine family of pro-inflammatory mediators, is the unique natural ligand of CXCR4 receptor. CXCL12/CXCR4 signaling is involved in several biological processes, including hematopoiesis, immune response and cancer metastasis. The design of HS type ligands that could bind specifically to CXCL12 to block or modulate its interaction with its receptor should give access to therapeutic substance being able to modulate its activity and allow treatment of several cancer types. To this aim, we planed to construct a symmetric tridentate ligand of CXCL12 in which the reducing end (RE) and non-reducing end (NRE) of a short synthetic HS fragment (dp4) would be connected to ligands able to occupy part of the CXCR4 binding site. Thanks to previous investigation onto IFN-γ, a cytokine that binds tightly to HS chains, our lab already demonstrated that the preparation of SAS mimics should be reached by connecting two synthetic HS fragments (S domains) by their RE through a PEG-type spacer differing in length to mimic internal A domain. To adapt this strategy to the preparation of CXCL12 neutraligands and new type of SAS mimics, this PhD program aimed (i) to establish a general strategy of modification of the HS fragments RE and NRE, (ii) to setup efficient conditions of ligation reactions for (iii) the preparation of CXCL12 neutraligands as well as a second generation of SAS mimics. We selected our two orthogonal ligation reactions into the Click Chemistry panel: “the CuAAC” triazole formation and the “oxime ligation”. In order to setup the practicability of this strategy of transformation of the two HS fragments ends, we optimized reaction conditions onto model disaccharide derived from cellobiose. On one hand, by using thiol-ene coupling procedure reported by our lab, we introduced an amino group to the RE of this disaccharide and optimized reactions conditions of a one-pot diazotransfer reaction/CuAAC sequence, allowing the selective conversion of this amino group into azide and its coupling with alkyne derivatives. To demonstrate the robustness of this sequence, we applied it to the direct modification of free amino acids for the preparation of organofluorine derivatives. On the other hand, the installation of an aldehyde motif onto the NRE of the model compound was obtained via a three steps sequence involving a Tsuji-Trost decarboxylative allylation of the position O-4 of the NRE unit, dihydroxylation of the resulting allyl ether and finally oxidative cleavage of the formed diol. Besides exploring the possibility of the selectivity of the oxidative cleavage in favor of vicinal acyclic diols without affecting cyclic diols of the disaccharide backbone, we also optimized the reaction conditions of oxime ligation to obtain a second one-pot procedure of oxidative cleavage/oxime ligation for the rapid modification of the NRE of HS fragments. This strategy of functionalization of the RE and NRE of oligosaccharides was implemented into our current synthetic pathway of preparation of HS fragments: a tetrasaccharidic HS fragment was representatively modified using this strategy for the synthesis of CXCL12 neutraligands and SAS mimics.

Les travaux exposés dans ce manuscrit ont pour objectif d’étudier des séquences réactionnelles organocatalysées permettant la formation stéréosélective de liaisons carbone-carbone ou carbone-hétéroatome. Plusieurs stratégies ont été développées pour la préparation d’architectures cycliques chirales dont la synthèse représente un enjeu important en raison de leur présence dans un grand nombre de molécules d’intérêt biologique. Le manuscrit débute par une introduction sur le principe de l’organocatalyse en se focalisant sur les différents modes d’activation en aminocatalyse.Le premier chapitre traite de la synthèse, sans solvant, régio- et diastéréosélective de bicycles comportant une hydrazine cyclique. Le deuxième chapitre combine la désaromatisation ou la désymétrisation à une séquence aminocatalysée, pour former des polycycles tridimensionnels énantio-enrichis à partir d’aldéhydes insaturés. Enfin, le troisième chapitre se concentre sur la synthèse de sulfamides non symétriques et leur utilisation comme substrats en aminocatalyse. / The work presented in this manuscript aims to study organocatalytic reaction sequences enabling the stereoselective formation of carbon-carbon and carbon-heteroatom bonds. Various strategies have been developped for the preparation of chiral cyclic architectures, which represents an important challenge due to their presence in a vast number of biologically active compounds. This manuscript starts off by introducing the principal of organocatalysis, and more specifically the different activation means used in aminocatalysis.The first chapter focuses on the regio- and diastereoselective synthesis of cyclic hydrazine-containing bicycles in a solvent-free way. The second chapter merges de-aromatization or desymetrization with an aminocatalytic reaction sequence, to yield tridimensional enantioenriched polycycles from unsaturated aldehydes. Lastly, the third chapter concentrates on the synthesis of unsymmetrical sulfamides and their uses as substrates in aminocatalysis.