Le carburant hydrocarbure JP-10 est étudié comme agent propulsif destiné aux moteurs à détonation ainsi qu’à d’autres applications concernant les vols à vitesses élevées. La précraquage catalytique du JP-10 pourrait produire un mélange d’oléfines légères plus facile à détoner. Un mélange d’hydrocarbures aliphatiques, pour la plupart légers, présente l’avantage d’être moins enclin à la carbonisation que des mélanges comportant de fortes teneurs en hydrocarbures aromatiques. Cette réaction endothermique de précraquage offre le même potentiel que celui d’un puits de chaleur trouvé dans des applications de vols à vitesses élevées pour lesquelles toute hausse de la masse du système de refroidissement contrevient à une plus grande efficacité du moteur. Plusieurs essais de craquage catalytique hétérogène furent réalisés à l’aide d’un réacteur tubulaire et les gaz produits analysés par GC/MS et par GC. Deux formes de zéolithe nanocristalline (n) ZSM-5(24h) et nZSM-5 (6h) et trois formes de silico-aluminophosphate SAPO-5A, SAPO-5B et SAPO-11 furent testées. SAPO-5 et nZSM-5(24h) apparaissent être les candidats les plus propices au précraquage du JP-10. Ces dernières ont permis de convertir plus de 90 % de JP-10 en un mélange d’hydrocarbures principalement composé de molécules en C4 et moins (C3 à C1). nZSM-5(24h) ont procuré le plus petit rapport de masse de carbone, CR (C5+:C4−), à des températures situées entre 350 oC et 450 oC et le taux de conversion le plus élevé à des températures supérieures à 500 oC. SAPO-5A & B ont présenté le taux de conversion le plus élevé mais le plus petit CR entre 400 oC et 500 oC. / The hydrocarbon jet-fuel, JP-10, is being studied as a possible propellant for the Pulse Detonation Engine (PDE) and other high-speed flight applications. Catalytic pre-cracking of JP-10 could provide a more easily detonated mixture of light olefin products. A mixture of mostly light hydrocarbons has the added benefit of being less prone to coking than a product mixture heavy in aromatics. This endothermic reaction also offers potential as a heat sink in high-speed flight applications where the extra weight of an onboard cooling system would hinder engine efficiency. Several heterogeneous catalytic cracking tests have been done using a Bench Top Tubular Reactor and the products were analyzed with GC/MS and GC. Two forms of nanocrystalline zeolites, nZSM-5(24h) and nZSM-5(6h), and three forms of silico-alumino-phosphates, SAPO-5A, SAPO-5B, and SAPO-11 successfully catalyzed the cracking of JP-10; however, SAPO-5 and nZSM-5(24h) have proven to be the most promising catalyts. Both catalysts converted over 90 % of JP-10 (∼ 3s residence time) into a mixture of hydrocarbon products consisting mainly of C4 and lower chain hydrocarbons (C3 to C1). nZSM-5(24h) demonstrated the lowest carbon mass ratio, CR (C5+:C4−), between 350 oC and 450 oC and the highest conversion rates above 500 oC. SAPO-5A & B demonstrated the highest conversion rates and the lowest CR between 400 oC and 500 oC.

Les mécanismes chimiques détaillés de combustion des carburants à basse température font intervenir un nombre important d'espèces et de réactions. Les logiciels de génération automatique permettent de faire face à cette complexité. Ces logiciels font appel à des corrélations permettant de prédire les propriétés thermodynamiques (enthalpies de formation, entropies et capacités calorifiques) et cinétiques (constantes de vitesse) associées aux espèces et aux réactions. Ces corrélations reposent cependant, généralement, sur un nombre limité de données de référence. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé une méthode faisant appel à la chimie quantique pour développer de nouvelles corrélations pour le logiciel de génération automatique EXGAS. En ce qui concerne les données thermodynamiques, des groupes de Benson associés aux fonctions hydroxyle et hydroperoxyle ont été évalués, ainsi que des énergies de liaison C-H, et O-H de fonctions hydroxyle et hydroperoxyle. En ce qui concerne les données cinétiques, nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux réactions d'isomérisation des radicaux alkylperoxyles et hydroxyalkylperoxyles, ainsi qu'aux réactions de formation d'éthers cycliques. Nous avons également étudié l'impact de certaines règles de globalisation et introduit de nouvelles réactions pour rendre compte de la formation de produits de combustion jusqu'ici négligés ou sommairement prédits par les modèles. Les résultats obtenus ont été introduits dans des mécanismes chimiques détaillés générés par EXGAS. Ces mécanismes ont servi de base pour réaliser des simulations de la combustion du propane et du n-butane à basse température. Les résultats de ces simulations ont été comparés à des résultats expérimentaux récents afin de valider les calculs effectués. Les résultats des simulations ont montré que la prise en compte des nouvelles corrélations ainsi que la modification des règles de globalisation dans les mécanismes permettaient d'améliorer la prédiction de certains polluants mineurs pouvant avoir un impact sanitaire et environnemental majeur / Detailed chemical kinetic models for the low-temperature combustion of fuels involve a large number of species and reactions. Automatic generation of kinetic mechanisms is a powerful tool to deal with this complexity. These softwares are based on correlations that predict thermodynamic (enthalpies of formation, entropies and heat capacities) and kinetic (rate constants) properties associated with species and reactions. However, these correlations are generally based on a limited number of reference data. In this work, we used a method involving quantum chemistry to develop new correlations for EXGAS, a software for the automatic generation of kinetic mechanisms. For thermodynamic data, new Benson groups associated with hydroxyl and hydroperoxyl functions were evaluated. Bond dissociation energies of C-H bonds and O-H bonds of these groups were also evaluated. For the kinetic data, we focused our study on the isomerization reactions of alkylperoxyl and hydroxyalkylperoxyl radicals, and on the reactions of formation of cyclic ethers. We also studied the impact of some rules of globalization and introduced new reactions to account for the formation of minor combustion products usualy neglected or imperfectly predicted by the current models. The results obtained have been introduced into detailed chemical mechanisms generated by EXGAS. These mechanisms were used to simulate the combustion of propane and n-butane at low temperatures. The results of these simulations were compared with recent experimental results to validate the calculations. The simulations showed that taking into account the new correlations and the modifications of the rules of globalization in the mechanisms improved the prediction of some minor pollutants that can have major health and environmental impacts

L'objectif de ce travail est de développer un système catalytique hétérogène pour l'époxydation en utilisant directement O2 de l'air plutôt que H2O2 commercial. La stratégie adoptée a été de coupler la production in situ de H2O2, catalysée par la glucose oxydase (GOx), avec un catalyseur à base de Ti. La GOx a été immobilisée de manière covalente sur une mousse silicique mesocellulaire (MCF) amino-fonctionnalisée puis la stabilité thermique et aux solvants organiques de MCF-NH2-GOx a été étudiée. L'approche visant à ancrer Ti puis la GOx sur le même support n’a pas abouti à un catalyseur tandem efficace du fait d'un recouvrement de Ti par –NH2. L’hydrophilie de MCF apparaît, de plus, défavoriser l'oxydation d'alcènes organosolubles. Une option a consisté à utiliser la zéolithe TS-1 hydrophobe et réputée fonctionner en milieu aqueux mais dont les micropores ne peuvent loger la GOx. Cette dernière, associée à MCF-NH2-GOx en mélange mécanique, s’est montrée performante pour l'oxydation du cyclohexène dans MeOH/tampon acétate 50:50 à 35°C (rendement de 50% en époxyde et ses dérivés). D’encore meilleurs résultats ont été obtenus pour le prop-2-ène-1-ol en milieu aqueux à 40°C (rendement de 87% en glycérol). L’attaque basique de TS-1 crée une porosité suffisante pour loger la GOx, mais endommage son activité. En revanche, le recouvrement de MCF par un film de TS-1 a eu un effet bénéfique sur l’oxydation du prop-2-ène-1-ol dans l’eau par H2O2. Enfin, la porphyrine Mn-TCPP s’est montrée efficace comme catalyseur d'oxydation en tandem avec la GOx en solution mais, en cas d’immobilisation sur le support silicique MCF, la formation d’un précipité inhibe son activité. / The objective of this work was to develop an heterogeneous catalyst system supplied by dioxygen, rather than commercial H2O2, in order to carry out epoxidation reactions. Our strategy was to couple the in situ production of H2O2, catalyzed by glucose oxidase (GOx), with a Ti-based catalyst. The enzyme was covalently grafted onto a silicic mesocellular foam (MCF) functionalized by aminopropyle groups, then the thermal stability and behavior in organic solvents of the resulting material were investigated. The approach aiming at anchoring Ti, then GOx on the same support did not result in an effective tandem catalyst because of a too high –NH2 surface coverage. Hydrophilicity of MCF makes the oxidation of organosoluble alkenes unefficient. An alternative approach consisted in using the hydrophobic TS-1 zeolite known to operate in aqueous medium but whose micropores do not allow GOx hosting. However, TS-1 combined in a mechanical mixture with GOX immobilized on MCF turned out to be effective for the oxidation of cyclohexene in MeOH/acetate buffer 50:50 at 35°C (50% yield of epoxide and its derivatives). Even better performances were obtained for prop-2-ene-1-ol oxidation in aqueous medium at 40°C (87 % yield of glycerol). The basic attack of TS-1 has created mesoporosity to host GOx but damaged active Ti sites. On the other hand, TS-1 coated MCF appeared to be a good option having a beneficial effect on the oxidation of prop-2-en-1-ol in water by H2O2. Finally, a manganese porphyrin, Mn-TCPP, was also tested successfully as alkene oxidation catalyst in combination with GOx but, in case of immobilization, the presence of the silicate support lead to a deactivated catalyst.

L'hydrosilylation des alcènes est une méthode cruciale de formation de liaisons carbone-silicium. Elle est utilisée industriellement pour la production de fluides silicones fonctionnels et d'élastomères silicones. Les procédés actuels d'hydrosilylation des alcènes utilisent des complexes de platine comme catalyseurs. Bien que ces complexes soient extrêmement efficients, ils ne sont d'habitude pas récupérés en fin de réaction, ce qui rend leur utilisation coûteuse et peu durable, étant donnée la rareté du platine. Dans ce projet, nous avons synthétisé et testé plusieurs types de nanoparticules métalliques comme catalyseurs pour l'hydrosilylation des alcènes, dans un effort vers des catalyseurs durables. D'abord, nous avons synthétisé des nanoparticules de platine de 2 nm de diamètre et les avons comparées avec le complexe de Karstedt, le catalyseur de référence en hydrosilylation des alcènes. Nous avons montré que les nanoparticules de platine étaient aussi efficientes que le complexe de Karstedt dans des conditions proches des conditions industrielles, malgré leur dispersion métallique plus faible. Ces observations ont réactivé le débat sur la nature réellement homogène ou colloïdale du complexe de Karstedt pendant la catalyse. Ensuite, un catalyseur hétérogène à base de platine, résistant à la lixiviation, a été développé, basé sur l'encapsulation de nanoparticules de platine dans la matrice d'une silice mésostructurée, la SBA-15. Enfin, d'autres catalyseurs alternatifs ont été développés, basés sur d'autres métaux / Alkene hydrosilylation is a crucial method of forming carbon-silicon bonds. It is used industrially for the production of functional silicone fluids and silicone elastomers. The current industrial alkene hydrosilylation processes use platinum complexes as catalysts. Although these complexes are extremely efficient, they are usually not recovered at the end of the synthesis, making their use expensive and unsustainable, given the scarcity of platinum. In this work, we have synthesized and evaluated several kinds of metal nanoparticles as catalysts for alkene hydrosilylation, in a quest towards sustainable catalyts. First, we have synthesized platinum nanoparticles of 2 nm diameter and compared them with Karstedt's complex, the benchmark catatalyst in alkene hydrosilylation. It was shown that platinum nanoparticles were as efficient as Karstedt's complex in industrially relevant hydrosilylation conditions, despite their lower metal dispersion. These findings reactivated the debate on whether's Karstedt's complex was truly homogeneous or colloidal during catalysis. Then, a leaching-resistant heterogeneous platinum catalyst was developed, based on the embedding of platinum nanoparticles in the matrix of a mesostructured silica, SBA-15. Finally, other alternative catalytic systems were developed, based on other metals

Les laccases sont des enzymes de type oxydase, réalisant de manière efficace la réduction du dioxygène en eau. Des études réalisées au laboratoire ont permis de montrer que l’irradiation sous atmosphère inerte d’un système de type, EDTA/[Ru(bpy)3]2+/laccase, conduisait à la photoréduction de l’enzyme via la formation d'une espèce [Ru(bpy)3]2+*. La substitution de l’EDTA par un alcène de type p-styrène sulfonate conduit également à la photoréduction de l’enzyme. L'ouverture à l'air du système permet une consommation d’oxygène concomitante à la détection par RMN de produits d’oxydation tels que l’époxyde, le diol et le p-benzaldéhyde sulfonate. L’influence de la concentration des différents partenaires, de la source d’irradiation et du pH sur l’efficacité de cette réaction a été évaluée. D’autres alcènes tels que le styrène, le cyclohéxène ou le cyclooctène sont également substrats. Le marquage isotopique en présence soit d'H218O soit d'18O2 ainsi que l’utilisation de générateurs d’espèces réactives de l’oxygène, ont permis de proposer un mécanisme majoritaire où l’espèce RuIII, photoproduite avec l'assistance de la laccase, pourrait arracher un électron du substrat qui à son tour réagirait avec le dioxygène présent dans le milieu pour conduire aux produits observés. D’autres complexes photoactivables à base de ruthénium ou de manganèse ont également été employés. Afin d’aborder le contrôle de la réactivité, le greffage covalent d’un photosensibilisateur à base de ruthénium sur une lysine unique à proximité du site d'oxydation des substrats de l'enzyme a été effectué. / Laccases are oxidases that efficiently perform the reduction of dioxygen into water. Studies in the laboratory have allowed to show that irradiation under inert atmosphere of a EDTA/[Ru(bpy)3]2+/laccase system, lead to the photoreduction of the enzyme via the irradiation of [Ru(bpy)3]2+*. The substitution of EDTA by the alkene p-styrene sulfonate results similarly in a photoreduction of the enzyme. Opening the system to air allows a dioxygen consumption with a simultaneous detection of oxidation products such as the epoxide, diol and p-benzaldehyde sulfonate detected by NMR. The influence of the concentration of the partners, the irradiation source and pH on the efficiency of the reaction was evaluated. Other alkenes such as styrene, cyclohexene and cyclooctene are also substrates. Isotopic labeling experiments in the presence of either H218O or 18O2, as well as the use of reactive oxygen species generators, allowed us to propose a main mechanism where the laccase assisted RuIII photogenerated specie would withdraw an electron from the substrate which in turn would react with dioxygen to yield the products observed. Other ruthenium and manganese photosensitizers were also used. To address the control of the reactivity, a covalent grafting of a ruthenium photosensitizer, on a unique lysine nearby the substrate oxidation site of the laccase was done.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude des réactions unimoléculaires de décomposition des alcènes à basse température. L'oxydation de ces molécules est primordiale dans la compréhension des mécanismes de combustion, car elles peuvent être présentes initialement dans des carburants usuels ou formées en tant qu'intermédiaires dans le processus d'oxydation. L’étude théorique menée peut se décomposer en deux parties : - L’étude des réactions de décomposition des radicaux hydroxyalkylperoxyles (HOROO•) obtenus à partir de l’addition d’un radical •OH sur l’alcène, suivi par une addition du radical •ROH sur l’oxygène moléculaire. Cette étude a été conduite de façon systématique sur un ensemble de radicaux représentatifs d'alcènes afin de mettre en évidence l'influence de l'environnement intramoléculaire sur les constantes de vitesse. Les résultats obtenus ont montré l’influence très nette de certains paramètres comme la présence d'un groupement hydroxyle en position β par rapport à l'atome de carbone réactif, la nature des atomes de carbone portant les hydrogènes transférés, la taille des cycles de transition ou encore la présence d'une liaison hydrogène intramoléculaire. - L’étude des réactions de décomposition unimoléculaires des radicaux allylperoxyles obtenus à partir de l’addition des radicaux allyliques sur l’oxygène. La grande complexité de ces systèmes a été mise en avant au cours de ce travail. Il a ainsi pu être mis en évidence que la formation d'un composé de type 1-alcenyloxirane est favorisée à basse température ce qui montre l'importance de ces réactions, souvent négligées dans les modèles / This work focused on the study of the unimolecular decomposition of the low-temperature reactions of alkenes. The oxidation of these molecules is essential in the understanding of the mechanisms of combustion, because they are initially present in conventional fuels or formed as intermediates in the oxidation process. The theoretical study can be divided in two parts: - The study of the decomposition of hydroxyalkylperoxyl radicals (HOROO•) obtained from the addition of an •OH radical on the alkene, followed by a subsequent addition of the formed radical •ROH on molecular oxygen. This study was conducted in a systematic way on a set of representative radicals of alkenes in order to highlight the influence of the intramolecular environment on the rate constants. The results clearly showed the major influence of parameters such as the presence of a hydroxyl group in β position with respect to the reactive carbon atom, the nature of the carbon atoms bearing the transferred hydrogen, the size of the transition state ring and the presence of intramolecular hydrogen bonds. - The study of the unimolecular decomposition of the allylperoxy radicals obtained from the addition of a resonance-stabilized radical on molecular oxygen. The complexity of these systems, specifically induced by the mesomeric structures of heavy allyl radicals and the role of cis and trans conformations alkenes parents, have been highlighted in this work. It has been shown that the formation of a compound 1-alkenyloxirane is favored at low-temperatures, which shows the importance of these reactions, usually neglected in the kinetic models for the combustion of alkenes

Première partie: Synthèse totale des plakortones A, B et E Les plakortones A-G font partie d'une famille de lactones isolées en 1996, 1999 et 2001 des éponges de mer. Toutes les plakortones sont caractérisées par une chaîne latérale de 8 à 12 carbones. De plus, les plakortones A-F possèdent une structure nouvelle et originale composée d'un noyau tétrahydrofuryllactone bicyclique comprenant deux centres asymétriques quaternaires. Notons que la chaîne latérale des plakortones A et B est plus complexe que celle du plakortone D et que celle du plakortone E est la plus courte. En plus de leur structure intéressante, les plakortones A-D sont des activateurs de la pompe ATPase cardiaque SR-Ca21 et pourraient servir de composés guides pour le traitement de l'insuffisance cardiaque, la première cause de mortalité dans les pays industrialisés Les travaux initiaux effectués dans notre groupe de recherche ont mené à la synthèse du plus simple membre des plakortones A-F, le plakortone D, et ont permis d'en élucider la configuration relative et absolue. Des études de synthèse ainsi que des synthèse totales des plakortones D, E et G ont aussi été effectuées et publiées par d'autres groupes. Cependant, aucune synthèse des plakortones A et B n'ont été rapportée jusqu'à maintenant, tandis que le plakortone E n'a été synthétisé que sous forme racémique. De plus, notons que les synthèses des plakortones D et E sont non stéréosélectives. Cette thèse décrit la première synthèse totale asymétrique des plakortones A, B et E. Leur noyau bicyclique ainsi que chacune des chaînes latérales ont été construits de manière hautement stéréosélective. Pour ce faire, de nouvelles et efficaces méthodologies, ainsi que des améliorations à des méthodes existantes, ont été élaborées. Par exemple, une nouvelle méthode permettant la réduction chimio- et régiosélective des 2,3-époxy alcools a été développée spécifiquement pour la construction de la chaîne latérale du plakortone B. De plus, l'adaptation d'une méthode publiée récemment pour le transfert de chiralité 1,3 a permis la synthèse stéréosélective de la double liaison trisubstituée retrouvée dans la chaîne latérale du plakortone A. Finalement, ces travaux ont permis d'établir sans ambiguïté la stéréochimie relative et absolue des plakortones A, B et E. De plus, ils ont aussi permis la synthèse de quelques nouveaux analogues de ces produits naturels. Deuxième partie: Synthèse de peroxydes cycliques par la réaction de métathèse des oléfines Le nombre grandissant de produits naturels comprenant un peroxyde cyclique et possédant des propriétés biologiques utiles a rapidement capturé l'attention des chimistes travaillant dans le domaine de la synthèse et de la médecine. Cependant, dû à l'instabilité intrinsèque des peroxydes, la synthèse de ces produits demeure un défi de taille, spécialement lorsque le groupement peroxyde est partie prenante d'un cycle de moyenne taille. Au cours des dernières années, la métathèse des oléfines s'est révélée une méthode attrayante pour la synthèse de divers composés cycliques et, en raison de sa tolérance avec plusieurs groupements fonctionnels, a été employée de manière extensive pour la synthèse totale. Une nouvelle route permettant la synthèse de peroxydes cycliques via la réaction de métathèse des oléfines sera présentée. Tirant profit de cette méthode et du catalyseur au molybdène de Shrock, des peroxydes cycliques comprenant de 6 à 8 membres ont été synthétisés avec un rendement atteignant les 95%. Notons que cette méthode s'est avérée particulièrement efficace pour la construction de peroxydes cycliques à 8 membres et qu'une explication de ce phénomène via le mécanisme réactionnel de la métathèse a été fournie dans cette thèse. Finalement, une nouvelle et avantageuse procédure faisant appel à un agent de transfert de phase (Bu4NBr) pour l'allylation et l'alkylation en milieu basique des hydroperoxydes a été développée afin de faciliter l'accès aux précurseurs de la réaction de métathèse. Troisième partie: Synthèse stéréosélective du (+)-zérumin B, un diterpènoïde aux propriétés anticancéreuses La synthèse efficace du (+)-zérumin B, un agent anticancéreux, a été effectuée via l'addition stéréosélective d'un nouveau silyloxyfuryltitanium au y-bicyclohomofarnésal. Des travaux initialement effectués dans notre groupe ont établi la stéréochimie relative au carbone C-12 par une route modestement sélective ayant mené au 12-ép/-zérumin B et au zérumin B à partir du (-)-sclaréol. Le présent travail a résolu ce problème de stéréochimie et a permis d'obtenir l'isomère désiré avec une bonne stéréosélectivité. Une route alternative pour la synthèse rapide et efficace du y-bicyclohomofarnésal à partir du (+)- sclaréolide, un produit commercialement disponible, a aussi été élaborée. En plus de clarifier la stéréochimie du zérumin B, nous avons aussi réussi à corriger la structure d'un prétendu nouveau diterpènoïde isolé de la plante médicinale Renealmia alpinia. La nouvelle procédure expérimentale ayant permis l'addition stéréosélective du silyloxytitanium au y-bicyclohomofarnésal a aussi servi à améliorer l'efficacité globale de notre deuxième génération de la synthèse totale du dysidiolide. Finalement, la première synthèse totale du produit naturel villosin a été accomplie en deux étapes à partir du y-bicyclohomofarnésal par l'aldolisation régiosélective d'un 2-furanolate de bore généré in situ, suivi d'une élimination p. Notons que cette synthèse a été effectuée dans le contexte d'investigations parallèles ayant pour but l'assemblage stéréocontrôlé du zérumin B. / Part One: Total Synthesis of Plakortones A, B and E Plakortones A-G are a family of bioactive lactones isolated from marine sponges in 1996, 1999 and 2001. Ail plakortones feature an 8 to 12-carbon side chain, while plakortones A-F share a novel bicyclic tetrahydrofuryllactone core containing two quaternary stereocenters. Plakortones A and B possess more complex side-chains than plakortone D, while plakortone E has a shorter side chain than the others. Significantly, plakortones A-D are potent activators of cardiac SR-Ca2+-pumping ATPase, and may thus represent new leads for the treatment of heart failure which is the leading cause of death in most industrialized countries. Previous work in our group led to the total synthesis of plakortone D which is the simplest member among plakortones A—F. This synthesis allowed the complete elucidation of the stereostructure (absolute and relative configuration) of plakortone D. Model studies and total syntheses of plakortones D, E and G have been published by other groups. However, no total synthesis of plakortones A or B has been reported thus far, while plakortone E has only been synthesized in racemic form. Moreover, the published syntheses of plakortones D and E are non-stereoselective. This thesis describes the first enantioselective total synthesis of plakortones A, B and E. Both the bicyclic core and individual side-chains are constructed in highly enantioselective fashion. Powerful new methodologies along with some improvements over previous methods are described. For example, a new method for chemo- and regioselective reduction of the 2,3-epoxy alcohol moiety was developed specifically for constructing the plakortone B side-chain. Moreover, adaptation of a recently published method for 1,3-chirality transfer allowed the stereocontrolled elaboration of the E-disposed trisubstituted double bond found in the side-chain of plakortone A. The present work unambiguously established the relative and absolute stereochemistry of plakortones A, B and E. It also made available some new analogues of the natural products. Part Two: Synthesis of Cyclic Peroxides by Ring Closing Metathesis The growing inventory of naturally occurring cyclic peroxides with potentially useful biological properties has captured the attention of synthetic and medicinal chemists. Due to the inherent instability of the peroxide group, the synthesis of such compounds is a challenging undertaking, especially when the peroxide moiety is part of a medium-sized ring. Ring closing metathesis (RCM) has emerged in recent years as an attractive avenue to various types of cyclic compounds, and is finding extensive applications in total synthesis due to the tolerance of many functional groups. A new pathway to cyclic peroxides based on RCM is described. Using Shrock's Mo based catalyst, a number of 6 to 8-membered cyclic peroxides were synthesized in yields of up to 95%. This method proved especially efficient for constructing 8-membered cyclic peroxides. A mechanistic rationale for this is provided in the thesis. A new, advantageous procedure for the allylation/alkylation of hydroperoxides under basic conditions, that makes use of a phase transfer catalyst (Bu4NBr), was developed in order to facilitate access to the requisite RCM-precursors. Part Three: Synthesis and Stereochemistry of (+)-Zerumin B & Beyond An efficient synthesis of the antitumor diterpenoid (+)-Zerumin B was achieved through the stereoselective addition of a new silyloxyfuryltitanium reagent to y-bicyclohomofarnesal. Previous work in our group established the relative stereochemistry at C-12 by a modestly stereoselective route to 12-ep/-zerumin B and zerumin B, starting from (-)- sclareol. The present work solved the stereochemical problem, allowing stereocontrol in the desired direction, and further established an alternative, highly efficient route to the penultimate intermediate (y-bicyclohomofarnesal) from commercially available (+)- sclareolide. In addition to clarifying the stereostructure of zerumin B, we were also able to correct the proposed structure of a purportedly new, unnamed diterpenoid from the medicinal plant Renealmia alpinia. The new expérimental procedure developed for attaining stereoselectivity in the silyloxyfuryltitanium addition to y-bicyclohomofarnesal, also served to improve the overall efficiency of our second generation total synthesis of dysidiolide. Finally, the first synthesis of the natural product villosin was achieved in only two steps from y-bicyclohomofarnesal by regiocontrolled aldolization with an in situ generated boron 2-furanolate, and p-elimination. This particular synthesis was carried out in the context of parallel investigations toward the stereocontrolled assembly of zerumin B.

Cette thèse de doctorat met en évidence l'utilisation de catalyseurs de fer qui présentent de nombreux avantages par rapport aux autres métaux de transition. En effet, le fer est moins coûteux, respectueux de l’environnement et présente des activités catalytiques intéressantes. Du fait de ces caractéristiques, la catalyse au fer a connu un réel essor ces 15 dernières années. Cette thèse présente la réaction de type carbonyl-ène intermoléculaire catalysée par des sels de fer(II) et de fer(III), utiles pour leur rôle d’acides de Lewis, en employant plusieurs alcènes avec le 3,3,3-trifluoropyruvate d'éthyle. Les sels de FeII, notamment FeCl2, Fe(OAc)2, Fe(NTf)2, Fe(ClO4)2·6H2O, Fe(BF4)2·6H2O et Fe(OTf)2, ont été utilisés pour catalyser cette transformation. Un système efficace utilisant le Fe(BF4)2 anhydre a été développé pour catalyser la réaction carbonyl-ène intermoléculaire de multiples alcènes avec le 3,3,3-trifluoropyruvate d’éthyle, et aussi la réaction carbonyl-ène intramoléculaire du (S)-citronellal. Des rendements entre 36-87% en produits-ène, soit des alcools homoallyliques et de produits de cyclisation du citronellal ont été obtenus par l’utilisation de différents alcènes disubstitués. Les carbènes N-hétérocycliques (NHC) sont reconnus comme des ligands prometteurs en catalyse avec des métaux de transition. Trois sels de xanthinium dérivés de la caféine ont été utilisés comme précurseurs NHC pour développer des complexes fer-ligand NHC pour les réactions carbonyl-ène intra- et intermoléculaires. Les conditions optimales ont été étudiées, notamment le choix du sel de fer, du solvant, de la charge catalytique et du contreanion. Fe(OTf)2 est apparu comme le meilleur catalyseur lorsque complexé au ligand NHC dérivé du sel de xanthinium caféine méthylé. Avec [NHC-Fe]2+(SbF6)22− comme catalyseur, des rendements de 22% à 99% en alcools homoallyliques ont été obtenus pour la réaction carbonyl-ène en employant divers énophiles et le trifluoropyruvate d’éthyle. De plus, NHC-FeIIICl2[SbF6] s’est avéré être un catalyseur efficace et sélectif pour la transformation du citronellal en produit désiré, l’isopulégol. L’aspect recyclable du sel de xanthinium dérivé de la caféine lié au Fe(OTf)2 a été évalué dans la réaction de Diels-Alder en employant des solvants verts, comme le diméthyl carbonate. Le catalyseur a pu être recyclé cinq fois et des rendements identiques ont été obtenus. Différents substrats ont été testés dont des composés dicarbonylés bidendates, cétones, aldéhydes et esters. Les ligands NHC alkoxylés ont été développés comme famille émergente de ligands dans les réactions d’addition conjuguées énantiosélectives. Enfin, de nouveaux ligands NHC-diol ont été synthétisés et testés dans la réaction carbonyl-ène. Ces derniers sont prometteurs en catalyse asymétrique et notamment en catalyse utilisant des métaux de transition. / Iron has many advantages compared to other transition metals in homogeneous catalysis, such as relatively cheap price, eco-friendly, good catalytic activities. Hence, these features boosted the development of iron catalysis since 15 years ago. In this thesis, various iron salts including FeII and FeIII were examined as Lewis acid catalysts in the intermolecular carbonyl-ene reaction of various alkenes and ethyl 3,3,3-trifluoropyruvate. FeII salts, such as FeCl2, Fe(OAc)2, Fe(NTf)2, Fe(ClO4)·6H2O, Fe(BF4)2·6H2O, Fe(OTf)2, were found to be effective in catalyzing the reaction. An anhydrous Fe(BF4)2 catalytic system was developed for both of an intermolecular carbonyl-ene reaction of various alkenes and ethyl 3,3,3-trifluoropyruvate and an intramolecular carbonyl-ene reaction of (S)-citronellal. The ene-products, i.e. homoallylic alcohols, were afforded in 36-87% yields giving a scope of various with 1,1-disubstituted alkenes and the cyclization of citronellal. N-heterocyclic carbenes (NHC) are recognized as promising ligands in transition metals catalysis. Three caffeine-derived xanthinium salts were used as NHC precursors to transition metals iron for developing an NHC-iron catalyst in the intermolecular carbonyl-ene reaction and the intramolecular carbonyl-ene reaction of citronellal. Optimized conditions were developed from the screening of iron salts, solvents, catalyst loading and counter anions. Fe(OTf)2 was found to efficiently catalyze the reaction while complexed with NHC ligand derived from methylated caffeine xanthinium salt. Caffeine-derived-[NHC-Fe]2+(SbF6)22− catalyzed carbonyl-ene reaction of various enophiles with ethyl trifluoropyruvate afforded 22-99% yields in homoallylic alcohols. NHC-FeCl2[SbF6] was efficiently and selectively used as a catalyst to convert citronellal into the desired isopulegol. Caffeine-derived xanthinium salt was designed with Fe(OTf)2 as a recyclable catalyst for Diels-Alder reaction in dimethyl carbonate used as a green solvent. Several other green solvents were examined to further study the application of green solvents in organic synthesis. The catalyst, derived from a caffeine-derived xanthinium salt and Fe(OTf)2, was recycled up to five times, while maintaining the same level of yields for the Diels-Alder reaction and recyclability. A relative large scope of substrates including bidentate dicarbonyl compounds, ketones, aldehydes, and esters were tested. Alkoxyl-NHC ligands were developed as a rising family of ligands in enantioselective conjugate addition. A series of new NHC-diol ligands were designed and tested in the carbonyl-ene reaction. These newly developed ligands are promising systems in asymmetric catalysis and transition metal catalysis.

Un nouveau composé polyphénolique formé durant la production du sirop d’érable a été rapporté en 2011. Ce composé, nommé québécol en l’honneur de son origine géographique, a montré jusqu’à maintenant des propriétés biologiques prometteuses. L’approfondissement de son étude a cependant été grandement limité par sa faible abondance dans le sirop d’érable. Afin de contourner ce problème, notre groupe s’est intéressé au développement d’une voie synthèse permettant d’effectuer la préparation de ce produit naturel. En plus d’accéder au québécol, nous voulions également étendre l’application de cette même stratégie à la synthèse d’une variété d’esters d’acides 2,3,3-triarylacryliques, un type d’oléfine tétrasubstituée dont la préparation a été peu explorée et comporte plusieurs défis. La présente thèse rassemble l’ensemble de nos progrès réalisés ces dernières années dans la synthèse d’esters d’acides 2,3,3-triarylacryliques, la synthèse du québécol et de ses dérivés, ainsi que dans l’évaluation de l’activité anti-inflammatoire de ce produit naturel et d’autres structures apparentées. Dans un premier temps, notre stratégie de synthèse ayant mené à la synthèse totale du québécol sera d’abord présentée. Elle fait intervenir comme séquence clé la préparation d’un composé gem-dibromoalcène par homologation C-1 d’un -cétoester, suivie de l’installation de deux groupements aryles par des réactions de Suzuki-Miyaura. Nous démontrerons par la suite l’application de cette même séquence à la préparation de cinq classes diverses d’esters d’acides 2,3,3-triarylacryliques. Dans un second temps, l’évaluation de l’activité anti-inflammatoire du québécol et de plusieurs composés apparentés sera détaillée. Au passage, la préparation de certains dérivés sera discutée, notamment celle de l’isoquébécol, un isomère de constitution inédit. Finalement, les différentes relations structure-activité tirées de ces résultats et permettant d’orienter les recherches futures seront présentées. / A new polyphenolic compound was found in 2011 in maple syrup. It is formed during maple syrup processing of Acer saccharum sap. This compound, named quebecol, is structurally similar to common bioactive agents and showed activity against breast and colon cancer cell lines in some preliminary in vitro biological assays. However, the study of this compound has as yet been limited by its low abundance in its vegetal source. To facilitate further research on this compound by solving its availability problem, we decided to work on the total synthesis of quebecol. In addition to getting access to this natural product, we were interested in developing a general synthetic strategy to produce a variety of 2,3,3-triarylacrylic acid esters, a class of tetrasubstituted olefins whose preparation has not been much explored, and involves many challenges. The following thesis will present our group’s progress over the last years on the synthesis of 2,3,3-triarylacrylic acid esters, the preparation of quebecol and its derivatives, and the evaluation of the anti-inflammatory activity of quebecol and several related structures. First, we will present our synthetic strategy to form quebecol. It involves two key steps. The first is a C-1 homologation reaction on an -ketoester to produce the dibromoalkene analog. This product is used in the second key step: a double Suzuki-Miyaura cross-coupling with the appropriate arylboronic acid. We will also discuss the extension of this strategy to the development of a methodology for the preparation of 2,3,3-triarylacrylic acid esters with one, two, or three different aryl groups. Secondly, we will present our evaluation of the anti-inflammatory activity of quebecol and its derivatives. We will discuss the synthesis of some of these derivatives, including isoquebecol (an unprecedented isomer). Finally, we will establish a series of structure-activity relationships regarding the anti-inflammatory activity of quebecol and its general structure by comparing the tested compounds.

Dans des travaux précédents, les liens amides de la Leu-enképhaline, un pentapeptide endogène agoniste des récepteurs opioïdergiques, ont été substitués séquentiellement et systématiquement par des alcènes trans, des esters, des N-méthylamides et des thioamides. Des essais pharmacologiques sur l’affinité et sur l’activité (inhibition de la contraction du mouse vas deferens et phosphorylation de ERK 1 et ERK 2) des composés peptidomimétiques résultants envers le récepteur opioïdergique δ ont démontré que la substitution de l’amide 1 par un alcène, la substitution de l’amide 2 par un thioamide et la substitution de l’amide 4 par un ester, un N-méthylamide ou un thioamide sont des modifications tolérées pour l’obtention de composés ayant une activité agoniste. Cet ouvrage traite de la conception, de la synthèse et de la caractérisation chimique, pharmacologique et physico-chimique de molécules peptidomimétiques dotées de plusieurs de ces isostères (à la même position que celle menant à des composés actifs). Un composé peptidomimétique de la Leu-enképhaline a aussi été synthétisé en substituant l’amide 3 par un fluoroalcène, un isostère jusqu’ici inexploré par notre laboratoire. Les résultats démontrent que les molécules peptidomimétiques dotées de plus d’un isostère gardent, dans certains cas, une bonne affinité pour le récepteur δ. Cependant, des pertes au niveau de l’activité sont observées dans la majorité des cas. D’un point de vue pharmacocinétique, l’approche a permis la synthèse de composés peptidomimétiques ayant un profil plus favorable que celui de la Leu-enképhaline. En effet, tous les composés synthétisés ont démontré une lipophilicité et une résistance enzymatique (sauf dans un cas) accrue par rapport à la Leu-enképhaline.