Le travail de recherche concerne l'utilisation de catalyseurs à base de métaux de transition: ruthénium, iridium, cobalt, argent, pour la transformation de substrats bio-sourcés renouvelables en produits à valeur ajoutée pour l'industrie chimique et l'énergie. La transformation par transfert d'hydrogène de l'acide lévulinique en γ-valérolactone a d'abord été développée avec de nouveaux catalyseurs du ruthénium et de l'iridium porteurs d'un ligand dipyridylamine et d'un chlorure en utilisant l'acide formique comme source d'hydrogène. Puis de nouveaux catalyseurs zwitterioniques de type ruthénium et iridium(sulfato)(dipyridylamine) ont été préparés et ils ont conduit aux meilleures productivités observées pour la réduction de l'acide lévulinique en γ-valérolactone par hydrogénation directe. Sur la base des excellentes performances des complexes iridium(sulfato)dans des processus de réduction, l'amination réductrice de l'acide lévulinique et de l'acide o-formylbenzoïque a été réalisée et a permis la synthèse efficace de dérivés de type pyrrolidones, en particulier à partir d'amines primaires encombrées. La déshydrogénation sélective de l'acide formique dans des conditions douces sans additif en milieu aqueux ou en absence de solvant a été développée avec les mêmes types de catalyseurs de l'iridium porteurs du ligand modifié diméthylaminodipyridylamine. Finalement, une méthode d'hydrogénation douce de cétones a été mise en évidence en présence d'un système catalytique à base de nanoparticules d'argent générées in situ. Ce système catalytique permet d'obtenir de bonnes efficacité et sélectivité vis-à-vis d'autre groupement fonctionnels. / This research work deals with the use of catalysts based on transition metals, such as ruthenium, iridium, cobalt, silver for transformations of renewable bio-based substrates to valuable products for applications in chemical industry and energy. The transfer hydrogenation of levulinic acid to γ-valerolactone with novel ruthenium- and iridium(dipyridylamine)chloride complexes using formic acid as hydrogen source was first developed. Then, novel zwitterionic ruthenium and iridium(sulfato)(dipyridylamine) catalysts were prepared, which displayed the highest turnover numbers reported for the reduction of levulinic acid into γ valerolactone using H₂ as hydrogen source. Based on the high catalytic performance of the iridium(sulfato)complexes in reduction processes, the efficient reductive amination of levulinic acid and o formylbenzoic acid, in particular with bulky primary amines, for the synthesis of pyrrolidone derivatives was disclosed. The selective dehydrogenation of formic acid under mild conditions in aqueous media or neat conditions without using an organic additive has been developed using iridium catalysts of the same family equipped with a modified dimethylaminodipyridylamineas ligand. Finally, an unprecedented hydrogenation of ketones in the presence of in situ generated silvernanoparticleswas discovered. High efficacy and functional group selectivity have been achieved in most cases.

Les processus d’oxydation et d’amination sont très importants dans le monde de l’industrie mais les procédés actuels sont polluants. Afin de réaliser ces transformations de manière catalytique et propre, les réactions bioinspirées par transfert d’atome d’oxygène (TAO) et d’azote (TAN) ont été étudiées. La formation de l’espèce active à haut degré d’oxydation étant bien connue dans le cas des TAO, l’enjeu se situe dans le design des ligands. Dans le cas des TAN, cette étape est moins bien étudiée, limitant le développement de nouveaux catalyseurs. Enfin, l’utilisation d’une source d’énergie lumineuse, et non plus chimique, est recherchée afin de diminuer les déchets produits lors de ces réactions.Deux stratégies ont été mises en œuvre au cours de ce projet. Pour l’étude des réactions par TAO, deux nouveaux jeux de ligands, similaires aux porphyrines et aux BODIPY, ont été synthétisés. L’obtention et la caractérisation des complexes de ruthénium ainsi que leur réactivité par oxydation chimique ou électrochimique ont été réalisées. Pour les réactions de TAN, le mécanisme du dimère connu Rh2(esp)2 de type PCET (transfert couplé de proton et d’électron), semblable à celui des réactions par TAO, a été étudié en identifiant les différents intermédiaires formés grâce à une étude spectro-électrochimique. Ces différentes étapes ont ensuite été réalisées par voie photochimique développant ainsi l’utilisation de l’énergie lumineuse pour réaliser des réactions de TAO et TAN de manière éco-compatible. / Processes of oxidation and amination hold an important place on an industrial level but the current available methods are polluting and non-sustainable. To perform these transformations in the contour of green catalysis, bio-inspired oxygen atom transfer (OAT) and nitrogen atom transfer (NAT) reactions were addressed. In the case of OAT, the mechanism for the formation of the active species, the highly oxidized metal-oxo, is rather well described, and the challenge relies in the design of ligands to stabilize such species. For NAT, this step is less studied which limits the development of new catalysts. An even more challenging task resides in the use of light energy to generate these active species in the perspective to replace the classic oxidants. During this thesis, two projects have been undertaken. Firstly, the synthesis of dipyrrin based ligands and the corresponding ruthenium complex was evaluated for their ability to perform OAT reactions using conventional oxidants or the electrochemical way. Regarding the NAT reactions, we have investigated on the electrochemical, chemical and photochemical activation of the known catalyst Rh2(esp)2. Our strategy consisted in the activation of the nitrogen atom donor substrate, the sulfonamidate, in the coordination sphere of the catalyst. We disclose the spectroscopic signatures for the stepwise activation of the catalyst-substrate form. This work has as objective to set us on the path to develop a sustainable way to perform these reactions.

L’importance des oligosaccharides, et plus particulièrement des β-glucanes et des mannanes, dans les processus biologiques, confère à ces familles de biomolécules des propriétés riches et variées. Celles-ci permettent d’envisager des applications potentielles dans de nombreux domaines, et notamment dans le cas de problèmes de santé publique majeurs, tels que les maladies cardiovasculaires, le cancer ou encore les infections. Néanmoins, malgré les énormes avancées faites en glycochimie, la synthèse d’oligosaccharides à longue chaîne reste un défi synthétique important. La synthèse de glycomimétiques, proches structurellement des sucres naturels et accessibles via une chimie efficace, nous a semblé judicieuse. Inspirés du design des glycomimétiques existants, nous avons élaboré la synthèse de deux mimes du centre anomérique : le premier de type phosphonate et le second de type hydroxylamine.Le lien phosphonate a été choisi car il nous permet de garder un centre stéréogène sur la position anomérique, donnant ainsi la possibilité de créer les deux configurations α et β. Ceci nécessite cependant l’élaboration d’une synthèse stéréosélective. Le lien inter-résidus a donc été construit par couplage stéréosélectif entre une espèce phosphonite-borane diastéréopure et un alcool de type phostone, suivi d’une oxydation stéréospécifique de la fonction phosphonite-borane en phosphonate. Les phosphonite-boranes ont été obtenus en cinq étapes à partir du D-glucal (Schéma 2). L’étape clé de couplage passe par un mécanisme faisant intervenir deux activations successives de la fonction phosphorée apportant la réactivité nécessaire pour une attaque de l’alcool. Des stéréosélectivités variables ont été obtenues en fonction des conditions réactionnelles et du groupement protecteur en position 2 du substrat de départ. Cependant, seuls des alcools primaires peuvent être introduits. Trois dimères phostone-phostone possédant un lien (1→6) ont ainsi été obtenus. Le choix du lien hydroxylamine a été motivé par le fait que la barrière d’inversion de l’azote dans ce type de fonction est faible, ce qui implique que l’atome d’azote n’est pas stéréogène. Cette particularité permet d’éviter une synthèse stéréosélective du centre anomérique. De plus, les hydroxylamines étant peu basiques, elles ne seront pas protonées en milieu physiologique et pourraient donc être de bons mimes des glycanes naturels. Le lien inter-résidus a été construit via une double amination réductrice entre un dialdéhyde et une hydroxylamine portée par une pipéridine polyhydroxylée. Ces deux composés ont été obtenus par un processus diastéréo- et énantiosélectif à partir du cyclopentadiénylure de sodium. La combinaison de deux groupements protecteurs Boc sur l’hydroxylamine s’est révélée être la plus adéquate pour le bon déroulement de l’étape clé de double amination réductrice. Cette séquence implique deux étapes « one-pot » consistant en la formation d’une dioxime, qui subit dans un second temps une réduction, pour former l’hétérocycle. Ce processus de création du lien inter-résidus a pu être réitéré avec succès pour la synthèse d’un dimère / The importance of oligosaccharides in biological processes and particularly β-glucanes and mannanes, gives to these families of biomolecules numerous properties. These natural polymers may find potential applications in many areas, particularly in the case of major public health problems such as cardiovascular disease, cancer or infections.Despite many advances in this field, many challenges remain particularly pertaining to the assembly of higher oligosaccharides. The synthesis of glycomimetics, structurally close to natural sugars and accessible via an efficient chemistry could be an alternative. Inspired by the known glycomimetics, we have elaborated the synthesis of two new mimetics of the anomeric center: cyclic phosphonate (phostone) and hydroxylamine. The phosphonate linkage was chosen because it contains a stereogenic center on the anomeric position, with the possibility to create the two configurations α and β via a stereoselective synthesis. The linkage was built by a stereoselective coupling step between a diastereopure phosphonite-borane and a phostone-type alcohol, followed by a stereospecific oxidation of the phosphonite-borane function into phosphonate. The phosphonite-boranes were obtained in five steps from D-glucal (Scheme 2). The mechanism of the key coupling step involves two successive activations of the phosphorus function for the alcohol attack. Different stereoselectivities were obtained depending on the reaction conditions and the protecting group on the position 2. However, only primary alcohols can be introduced. Three phostone-phostone dimers possessing a (1→6) linkage were synthesized.The choice of the hydroxylamino linkage was motivated by the fact that the nitrogen barrier of inversion in this type of function is low, which means that the nitrogen is not stereogenic. This characteristic avoids a stereoselective synthesis of the anomeric center. Moreover, hydroxylamines being weakly basic, they won’t be protonated in physiological conditions and could be good mimetics of natural glycans. The linkage was built via a double reductive amination between a dialdehyde and a hydroxylamine carried by a polyhydroxylated piperidine. These two compounds were obtained by a diastereo- and enantioselective process from sodium cyclopentadienylide. The combinaison of two Boc protecting groups on the hydroxylamine proved to be the most appropriate for the key double reductive amination. This process consists in a « one-pot » two-steps sequence consisting in the formation of a dioxime, followed by its reduction to form the heterocycle. This process could be successfully reiterated for dimer and trimer synthesis

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.

The development and optimisation of conditions for oxidative Wacker-type cyclisations followed by establishing the reaction scope are reported. Building upon the achievements in the field of oxidative Wacker-type reactions that has recently gathered interest, hydroxylamines and hydrazines were converted to isoxazolidines and pyrazolidines respectively. Secondary hydroxylamines cyclised yielding syn-isoxazolidines with excellent diastereoselectivities, whereas secondary hydrazines cyclised yielding anti-pyrazolidines but still maintained a high level of diastereoselectivity. Additionally, an enantioselective variant was explored. Isoxazolidines were successfully transformed to the corresponding 1,3-amino alcohols, which were further converted to amino sugar derivatives.

C-H functionalisation reactions aim for the selective cleavage of C-H bonds, and formation of a new carbon or heteroatom bond, often with the use of a transition metal catalyst. These reactions offer potential for functionalisation of hydrocarbons in fewer steps than conventional methods, and with high atom efficiency. They are therefore a subject of intense research in organic synthesis. Carbon-heteroatom bond forming reactions are particularly sought after, and useful in the efficient synthesis of many biologically significant groups such as oxazolidinone rings, 1,2 or 1,3 amino alcohols and amino acid analogues. An efficient, cheap and robust method for C-H amination would also be adaptable to varied syntheses of important large molecules. The necessity for complex and efficient transformations with a minimal number of steps means that heteroatom ring closures are also attractive and widely used reactions in such large molecule syntheses. The nitroso group is a highly reactive species which is normally generated in situ by oxidation of a hydroxylamine, for carbon-nitrogen bond forming reactions including the nitroso Heteroatomic Diels Alder reaction, nitroso ene reaction, and nitroso aldol reaction. Nitroso group reactions often show high stereo- and regioselectivity, and have formed key components of the syntheses of important biological molecules. Enantioselectivive protocols for the nitroso-ene reaction and, to a lesser extent, the nitroso HDA reaction, are poorly developed, however, and the range of available intramolecular nitroso reactions is limited. We aimed to establish efficient single-step intermolecular C-H amination reactions, to give 1,2 and 1,3 heteroatom functionalised molecules, and to develop the capacity for enantioselective induction in this reaction, if possible. Having synthesised a model set of unsaturated hydroxycarbamates, we identified a suitable system for nitroso generation, using a catalytic metal and stoichiometric oxidant. This resulted in in situ generation of cyclised product, with the olefin functionality intact. This cyclisation was then optimised and used to obtain a range of new heterocycles. The possibility of enantioselective induction via chiral catalysts was explored, as well as catalytic systems to increase the stereoselectivity of the reaction. In summary, a cheap, novel and reliable method was developed for formation of oxazolidinone rings from unsaturated hydroxycarbamates using an original intramolecular nitroso ene reaction, and a range of unsaturated heterocycles were synthesised in fairly good yields. Distereoselectivity of the nitroso ene cyclisations was optimised. However, to-date, we were unable to develop an enantioselective varient of the reaction. Several related aminations, as well as transformations of N-hydroxyoxazolidinone products, were also attempted during the project.

Ce travail porte sur l'amélioration de la sélectivité préférentielle d'une membrane cationique à base d’ETFE pour une utilisation en électrodialyse afin de traiter des effluents industriels contenant un mélange d’acides et de sels métalliques. Pour cela, nous avons fait appel à la méthode de la modification chimique de la surface d’une membrane cationique par la formation d’un film superficiel mince portant des charges positives afin de former une barrière de répulsion électrostatique pour des cations bivalents tout en permettant le passage de cations monovalents tels que les protons. La synthèse de la membrane cationique de base a été réalisée en passant par différentes étapes à savoir : le greffage du styrène - divinylbenzène (DVB), la chlorosulfonation et l’hydrolyse. Au cours de ce travail, nous avons mis au point un protocole de greffage du styrène-DVB dans le film d’ETFE qui permet l’obtention d’un film ayant un taux de greffage reproductible assurant à la membrane cationique finale une bonne conductivité électrique et une capacité d’échange acceptable pour une membrane d’électrodialyse. Une étude de la réaction de greffage en fonction de la concentration en réticulant a été réalisée. Nous avons procédé par la suite à la modification de la surface du film d’ETFE greffé styrène-DVB par la formation d’une couche superficielle mince fixée par des liens covalents. Les membranes modifiées ont été obtenues par la réaction d’une seule face du film d’ETFE greffé chlorosulfoné avec la 3-diméthylaminopropylamine. La modification chimique de la surface du film ETFE greffé chlorosulfoné a été suivie par la technique FTIR-ATR. L’effet de la concentration de la diamine sur les propriétés électrochimiques des différentes membranes modifiées a été étudié. La résistance électrique des membranes modifiées équilibrées au contact de solutions de chlorure de sodium et d'acide sulfurique a été mesurée par la technique d’impédance. La détermination du nombre de transport du proton et de l’ion sodium a été réalisée à partir de mesures du potentiel de membrane. La densité de courant limite des membranes a été évaluée sur base des courbes courant-tension. Les mesures de chronopotentiométrie ont été également effectuées sur les différentes membranes synthétisées. Les résultats de ces caractérisations montrent que la modification de la surface engendre des changements considérables au niveau des propriétés électrochimiques des membranes résultantes. La résistance électrique, la densité de courant limite ainsi que les propriétés de transport de la membrane dépendent d’une part de la concentration de la diamine utilisée et d’autre part de la solution dans laquelle la membrane modifiée est équilibrée. La sélectivité préférentielle des différentes membranes vis-à-vis des protons par rapport aux ions bivalents a été testée en réalisant des électrodialyses d’un milieu mixte H2SO4-NiSO4. Nos résultats montrent que la modification chimique de la surface de la membrane affecte d’une manière significative le transport des ions nickel tout en respectant le passage des protons. Une meilleure séparation a été obtenue pour une membrane modifiée en utilisant la diamine pure.

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<p>Allylic amines are important and fundamental building blocks due to their wide-spread occurrence in many natural products and the ability to further functionalize them by transformations on the double bond to generate a diverse range of compounds. Transition-metal catalyzed allylic substitution represents an attractive and efficient approach towards the synthesis of these allylic amines. However, limitations associated with the traditional methods developed for such allylic amination in terms of regiospecificity, atom economy and generality in these transformations, combined with the importance of allylic amination, prompted us to develop novel atom efficient and regiospecific methods for their synthesis.</p><p>A 1:1 mixture of AuCl[P(<italic>t</italic>-Bu)₂<italic>o</italic>-biphenyl] (5 mol %) and AgSbF₆ (5 mol %) catalyzed the intermolecular amination of underivatized allylic alcohols with 1-methyl-2-imidazolidinone and related nucleophiles. The first examples of intermolecular allylic amination was developed that in the case of gamma-unsubstituted and gamma-methyl-substituted allylic alcohols, occurred with high gamma-regioselectivity and <italic>syn</italic>-stereoselectivity.</p><p>A 1:1 mixture of AuCl[P(<italic>t</italic>-Bu)₂<italic>o</italic>-biphenyl] (5 mol %) and AgSbF₆ (5 mol %) also served as a very efficient catalytic system for the intramolecular amination of allylic alcohols with alkylamines to form substituted pyrrolidine and piperidine derivatives. The protocol was effective for a range of secondary as well as primary alkylamines as nucleophiles with different substitutions on the alkyl chain tethering the nucleophile to the allylic alcohol. The method was also extended towards the total synthesis of the naturally occurring alkaloid (S)-(+)-coniine in two steps from the starting (R,Z)-8-(N-benzylamino)-3-octen-2-ol. In addition, gold(I)-catalyzed cyclization of (R,Z)-8-(N-benzylamino)-3-octen-2-ol (96% ee) led to isolation of (R,E)-1-benzyl-2-(1-propenyl)piperidine in 99% yield and 96% ee that established the net syn-addition of the nucleophile with respect to the departing hydroxyl group.</p><p> A bis(gold) phosphine complex (S)-Au₂Cl₂(DTBM-MeOBIPHEP) (2.5 mol %) and AgClO₄ (5 mol %) catalyzed the intramolecular enantioselective dehydrative amination of allylic alcohols with carbamates to form the corresponding substituted pyrrolidines, piperidines, morpholines and piperazines in excellent yields and with up to 95% ee. This general and effective protocol tolerated a range of carbamates as well as sulfonamides as nucleophiles. Cyclization of chiral amino allylic alcohols that possessed a stereogenic homoallylic or hydroxy-bound carbon atom occurred with an overriding catalyst control of asymmetric induction. In addition, stereochemical analysis of the cyclization of a chiral non-racemic secondary allylic alcohol established the net syn-displacement of the hydroxy group by the carbamate nucleophile.</p><p>Alongside allylic amination, a cationic gold(I)-N-heteocyclic carbene complex catalyzed the intermolecular etherification (alkoxylation) of allylic alcohols in a regiospecific and syn-stereoselective fashion. The transformation was highly efficient to utilize unactivated primary and secondary alcohols as nucleophiles with different allylic alcohols to undergo regiospecific etherification. Employment of a chiral nonracemic secondary allylic alcohol, trans-5-(benzyloxy)pent-3-en-2-ol (98% ee) showed a high level of chirality transfer on reaction with n-butanol to the corresponding allylic ether, (2-butoxypent-3-en-1-yloxy)methylbenzene (97% ee) and established the net syn-addition of the alcohol nucleophile with respect to the departing hydroxyl group of the allylic alcohol.</p> / Dissertation

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.