<p>Density Functional Theory is used in order to shed light on the reaction mechanisms and the origins of stereoselectivity in enantioselective organocatalytic reactions. The reactions investigated are the dipeptide-catalyzed aldol reaction, the cinchona thiourea-catalyzed nitroaldol reaction and the prolinol derivative-catalyzed hydrophosphination reaction. We can justify the stereoselectivity in the reactions from the energies arising from different interactions in the transition states. The major contributions to the energy differences are found to be hydrogen bond-type attractions and steric repulsions. This knowledge will be useful in the design of improved catalysts as well as general understanding of the basis of selection in other reactions</p>

This thesis is concerned with the use of Lewis base organocatalysts for carboxyl and acyl transfer reactions. Chapter 1 introduces the ability of organic Lewis bases other than DMAP-type to promote a range of asymmetric O-, N- and C-acyl transfer processes. This chapter summarizes the developments in catalyst architectures and approaches to these processes that have been disclosed to date in this dynamic area of asymmetric organocatalysis. Chapter 2 introduces studies into the synthesis of pyrrolyl carbonates via cyclization of gamma-amino esters and ring closing metathesis (RCM) of N-allylamides. The ability of a range of Lewis bases to promote the regioselective O- to C-carboxyl transfer of pyrrolyl carbonates is also presented. Chapter 3 introduces isothiourea DHPB as an efficient Lewis base catalyst for the diastereoselective C-acylation of silyl ketene acetals with anhydrides or benzoyl fluoride, giving 3-acyl-3-aryl or 3-acyl-3-alkylfuranones in excellent yields and stereoselectivities (up to 99:1 dr). Chapter 4 introduces C(2)-aryl substituted DHPB derived-isothioureas as efficient Lewis base catalysts for the enantioselective C-acylation of silyl ketene acetals with propionic anhydride, giving 3-acyl-3-aryl or 3-acyl-3-alkylfuranones in good isolated yields and enantioselectivities (up to 98% ee). This chapter also demonstrates that these chiral isothioureas are required for high reactivity and asymmetry in related acylation manifolds. Chapter 5 presents and overall conclusion for chapters 2,3 and 4. Chapter 6 contains full experimental procedures and characterization data for all compounds synthesized in Chapters 2, 3 and 4.

Depuis de nombreuses années, les phosphines chirales multifonctionnelles se sont révélées être des outils synthétiques puissants en organocatalyse asymétrique. Ces catalyseurs qui contiennent un site de base de Lewis et un site d'acide de Bronsted, ont reçu une attention particulière en raison de leur efficacité pour créer des liaisons C-C avec de très bonnes énantiosélectivités. A notre connaissance, la synthèse d'organocatalyseurs de type thiourée-phosphine dérivés de la (L)-proline n'a jamais été décrite dans la littérature. Ce sujet de thèse concerne la synthèse d'une nouvelle famille d'organocatalyseur chiral de type thiourée-phosphine dérivée de (L)-proline, un produit naturel, disponible et peu coûteux. Nous avons mis au point plusieurs méthodes de synthèse efficaces qui nous ont permis de préparer trois familles de phosphines-thiourées à partir de la (L)- proline. Ainsi, sept nouveaux composés énantiopurs ont été préparés au cours de ce travail. Ces composés ont été utilisés comme catalyseurs dans des réactions asymétriques catalysées par des phosphines. Ces réactions incluent la cyclisation [3+2], la réaction de Baylis-Hillman, la réaction de Friedel-Crafts, la réaction de substitution nucléophile. / For many years, multifunctional chiral phosphines have proven to be powerful synthetic tools in asymmetric organocatalysis. These catalysts, containing Lewis basic and Brnsted acidic sites, have received considerable attention owing to their highly efficiency to create C-C bond by asymmetric organocatalysis. To our knowledge, the synthesis of organocatalysts type thiourea-phosphine derivatives (L) -proline have never been described in the literature. In this work, we wish to report the synthesis of new family of bifunctional chiral thiourea-phosphine organocatalyst derived from L-proline, a natural available product. We developed efficient methods to prepare three families of phosphine thiourea derived from L-proline. Thus, Seven new enantiopure compounds were synthesized in this study. They were used as catalyst asymmetric reaction catalyzed by phosphines: [3+2] cyclisation, Baylis-Hillman reaction, Friedel-Crafts reaction and nucleophilic substitution.

Submitted by Livia Mello (liviacmello@yahoo.com.br) on 2016-10-05T19:33:10Z No. of bitstreams: 1 DissGSS.pdf: 4312480 bytes, checksum: 8eef058f121a266e5a7c67e3b4613506 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-20T18:49:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissGSS.pdf: 4312480 bytes, checksum: 8eef058f121a266e5a7c67e3b4613506 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-20T18:49:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissGSS.pdf: 4312480 bytes, checksum: 8eef058f121a266e5a7c67e3b4613506 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-20T18:49:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissGSS.pdf: 4312480 bytes, checksum: 8eef058f121a266e5a7c67e3b4613506 (MD5) Previous issue date: 2014-11-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / The derivatization of organocatalysts with functional appendages suitable to anchor onto solid supports is usually achieved by stepwise syntheses. As an alternative to such a strategy, this work describes a one-pot approach to silylated prolyl-peptide catalysts by a multicomponent reaction that enables the simultaneous incorporation of the catalytic and the heterogenizable (triethoxysilane) moieties. A microreactor with high catalytic efficacy and reproducibly in the conjugate addition of aldehydes to nitroolefins was obtained by grafting onto HPLC-grade silica (10 μm) and packing into a column with a selected catalyst. A 3 D continuous-flow system that includes the on-line monitoring of the reaction outcome was set up. For that, the microreactor was coupled to a chromatographic column for the separation of the remaining substrates from the Michael adduct in the second dimension, followed by a chiral polysaccharide column for the analysis of conversion and stereoselectivity. This approach represents a new instrumental setup that combines the advantages of multidimensional chromatography and flow catalysis. / A derivação de Organocatalisadores com apêndices funcionais adequados para ancorar em suportes sólidos é geralmente obtida por síntese “passo a passo”. Como uma alternativa para tal estratégia, este trabalho descreve uma abordagem de síntese one-pot de catalisadores prolil-peptio sililados através de uma reação multicomponentes, que permite a incorporação simultânea do sítio catalítico e o grupo funcional de ancoragem (trietoxisilano). Um micro-reactor foi obtido, tendo elevada eficácia catalítica e reprodutibilidade, na adição conjugada de aldeídos a nitro-olefinas, enxertando sobre sílica de grau HPLC (10 um) e preenchendo uma coluna com um catalisador escolhido. Um sistema de fluxo contínuo 3D que inclui a monitoração em linha do resultado da reação foi ajustado para cima. Para isso, o micro-reator foi acoplado a uma coluna cromatográfica para a separação dos substratos restantes do aduto de Michael na segunda dimensão, seguido por uma coluna de polissacarídeo quiral para a análise de conversão e estereosselectividade. Essa abordagem representa uma nova configuração do instrumento que combina as vantagens de cromatografia multidimensional e reações catálisadas em fluxo.

La récupération et le recyclage des systèmes catalytiques dans la formation de liaisons carbone-carbone reste un défi scientifique important pour des raisons économiques et environnementales. Leur immobilisation sur des polymères insolubles permet une séparation simple par filtration et une purification facile des composés finaux. Les organosilices sont des gels de silice modifiés par des fragments organiques. Elles ont été appliquées comme supports pour une grande variété de catalyseurs. Dans ce travail, différentes organosilices ont été préparées par le procédé sol-gel ou par des méthodes de post-fonctionnalisation. Les matériaux contenant des alkylidènes de ruthénium ont été testés pour des réactions de métathèse d'oléfines, tandis que ceux qui sont dérivés de prolinamides sont des organocatalyseurs chiraux efficaces pour les aldolisations asymétriques (recyclage possible jusqu'à 5 fois). Enfin, on a contrôlé les propriétés morphologiques et texturales des silsesquioxanes pontées en ajustant les conditions de synthèse lors de l'hydrolyse-polycondensation de sels d'imidazolium silylés contenant des fonctions urée. / The recovery and recycling of catalytic systems in carbon – carbon bond forming reactions remains a scientific challenge of economical and environmental relevance. Their immobilization onto insoluble polymers allows a simple separation of the final compounds by filtration and an easy purification. Organosilicas are silica gels modified with organic moieties, which have been applied as versatile supports for a great variety of catalysts. In the present work, several organosilicas have been prepared by sol-gel procedures and post-functionalization methods. Some materials containing ruthenium alkylidenes were successfully tested in olefin metathesis reactions, whereas silica-supported prolinamides resulted in efficient chiral organocatalysts in asymmetric aldolizations (recycling up to 5 runs possible). Finally, the control of the morphologic and textural properties of self-assembled bridged silsesquioxanes was possible by adjusting the synthetic conditions in the hydrolytic polycondensation of silylated imidazolium salts containing urea functions.

Capítulo 1. Adiciones Michael asimétricas organocatalizadas en líquidos eutécticos. Siguiendo los principios de la “Química Verde” se desarrolló un sistema catalítico basado en disolventes eutécticos y organocatalizadores quirales derivados de 2-amino benzimidazol. Este nuevo sistema fue empleado para catalizar la adición enantioselectiva de compuestos de 1,3-dicarbonílicos a β-nitroestirenos. El procedimiento evita el uso de disolventes orgánicos volátiles tóxicos como medio reacción, proporcionando acceso a moléculas quirales altamente funcionalizadas de forma selectiva y eficiente. Además, la reacción puede realizarse a una escala de gramos y a su vez este sistema catalítico es fácilmente reciclable y reutilizable durante cuatro ciclos, lo que da lugar a un procedimiento limpio, económico, sencillo y escalable que cumple la mayoría de los criterios necesarios para ser un proceso medioambientalmente benigno y sostenible. Los estudios de RMN realizados a la mezcla organocatalizador-líquido eutéctico han confirmado el papel clave de los enlaces de hidrógeno entre el disolvente y el organocatalizador quiral, que permiten su recuperación y la reciclabilidad del sistema. Capítulo 2. α-Aminación electrofílica asimétrica organocatalizada en líquidos eutécticos. Empleando el sistema catalítico basado en el uso de catalizadores quirales de 2-benzoimidazol y líquidos eutécticos se realizó la α-aminación enantioselectiva de compuestos de 1,3-dicarbonílicos. Con este procedimiento, se evita el uso de compuestos orgánicos volátiles tóxicos como medios de reacción. Las moléculas quirales altamente funcionalizadas sintetizadas, que son importantes en la síntesis de productos naturales, se sintetizaron mediante un protocolo eficiente y estereoselectivo. Además, la reacción puede llevarse a cabo para la síntesis de un gramo de producto, siendo posible el reciclaje del sistema catalítico durante al menos cinco ciclos de reacción consecutivos. Este procedimiento representa un método barato, simple, limpio y escalable que cumple con la mayoría de los principios para ser considerado un proceso medioambientalmente benigno y sostenible. Capítulo 3. Líquidos eutécticos quirales. Diferentes mezclas eutécticas basadas en prolina fueron empleadas en la adición Michael asimétrica de cetonas sobre nitroalquenos. En vista de los resultados, y los estudios de 1H-RMN realizados, se confirmó una relación entre la conversión y selectividad del proceso con la constante asociación de los componentes de la mezcla eutéctica. Con estos datos un nuevo disolvente eutéctico quiral a base de bromuro de (S)-N,N,N,-trimetil-1-(pirrolidin-2-il)-metanamina y glicerol fue diseñado y sintetizado con éxito. Este sistema catalítico se mostró eficiente en la adición Michael de ciclohexanona a β-nitroestirenos, obteniendo selectividades moderadas en condiciones suaves. El sistema catalítico eutéctico fue recuperado fácilmente y reciclado hasta cinco veces en la adición de ciclohexanona a β-nitroestireno sin pérdida significativa de actividad catalítica.

La catalyse est par définition l’utilisation d’une quantité sous stœchiométrique d’un composé accélérant une réaction, sans entrer dans son bilan réactionnel. Si le catalyseur est une molécule organique chirale, nous pouvons effectuer des réactions d’organocatalyse asymétrique. D’autre part, si les phosphines trivalentes sont largement employées comme ligands en catalyse organométallique, elles présentent également une réactivité complémentaire aux amines en organocatalyse. Une nouvelle phosphine chirale à noyau ferrocénophane, le FerroPHANE, a été récemment développée et utilisée avec succès au laboratoire. C’est dans ce contexte que s’inscrivent mes travaux de thèse portant à la fois sur l’étude de nouveaux processus catalytiques et la synthèse de nouveaux dérivés phosphorés chiraux. Tout d’abord, une réaction de cyclisation [3+2] entre des oléfines et des allénylphosphonates catalysée par le FerroPHANE a été développée (excès énantiomériques compris entre 84 et 91%). Dans un second temps, des groupements aryles ont été introduits sur le noyau ferrocénique du FerroPHANE afin de moduler sa réactivité et son énantiosélectivité. Enfin, une nouvelle famille de phosphoramidites chiraux à noyau ferrocénique a été synthétisée et utilisée dans la synthèse de complexes de platine. / Catalysis is the acceleration of a reaction by addition of a sub-stœchiometric amount of a compound. When catalyst is a chiral organic derivative, it is possible to obtain enantioenriched products by asymmetric organocatalysis. Moreover, if trivalent phosphines have been widely developed as ligand for organometallic catalysis, their reactivity is complementary to amines in organocatalysis. A new planar chiral phosphine with ferrocenophane scaffold was recently developed and successfully used in organocatalysed reactions by our team: FerroPHANE. In this context, we have been interesting both in the development of new enantioselective [3+2] cyclization reactions catalyzed by chiral trivalent phosphines and the development of new chiral phosphorus derivatives with ferrocenophane scaffolds. In a first part, new enantioselective [3+2] cyclization reactions between olefins and allenylphosphonates, catalyzed by FerroPHANE, have been successfully developed (enantiomeric excesses between 84 to 91%). In a second part, to modify the reactivity and the enantioselectivity of this new family of phosphines, aryl groups were introduced on the ferrocenyl scaffold. Finally, a new family of chiral phosphoramidites with ferrocenyl scaffold have been synthesized and applied to the synthesis of chiral platinum complexes.

L'organocatalyse asymétrique est un domaine en plein développement. L'immobilisation de ce type de catalyseurs pourrait présenter de multiples avantages. Ces travaux de thèse s'intéressent à la préparation de silices hybrides organiques/inorganiques par voie sol-gel et aux applications de ces matériaux en organocatalyse asymétrique. La première partie du manuscrit est consacrée à une présentation bibliographique du sujet. Dans la deuxième partie, l'utilisation de la L-proline comme modèle est décrite. Des matériaux contenant un fragment L-proline ont été préparés et leurs performances catalytiques évaluées pour une réaction d'aldolisation asymétrique. Les processus à l'origine des propriétés catalytiques modérées de ces catalyseurs supportés sont discutés. La troisième partie porte sur le catalyseur de Takemoto, organocatalyseur bifonctionnel contenant un groupement donneur de liaisons hydrogène et une fonction amine tertiaire. Les différentes stratégies envisagées pour préparer des dérivés silylés de ce catalyseur sont exposées. Enfin, la nanostructuration de silsesquioxanes par le biais de liaisons hydrogène entre fonctions thiourée est présentée. / Asymmetric organocatalysis is a blossoming area of research. Immobilisation of this kind of catalysts could present numerous advantages. This thesis deals with the sol-gel synthesis of organic/inorganic hybrid silicas and their applications in asymmetric organocatalysis. The first part of this work is dedicated to a bibliographic presentation of this area of research. In the second part, the use of L-proline as a model is described. Hybrid materials containing a L-proline component were prepared and their catalytic performances were evaluated in an asymmetric aldolisation reaction. The processes accounting for the moderate performances of these materials are discussed. The third part relates the synthetic strategies used to prepare silylated derivatives of the Takemoto catalyst, a bifunctional catalyst containig a H-bond donnor and a tertiary amine. Finally the nanostructuring of bridged silsesquioxanes through H-bonding interactions between thiourea cross-linkers is presented.

The first part of the thesis deals with the synthesis and biological evaluation of new platelets aggregation inhibitors, based on 12-HETE, 13-HODE and their analogues. In the second part we are interested in novel methodologies for the preparation of CF₂-containing molecules : First, a flexible strategy for the synthesis of gem-difluoro-bisarylic derivatives and heteroaromatic analogues was designed based on the easy synthesis and the reactivity of gem-difluoro propargylic intermediates, which by Diels-Alder cycloaddition and 1,3-dipolar cycloadditions afforded respectively the bisarylic and mixed arylic heteroarylic scaffolds. In addition, two small libraries were constructed around a bisarylic scaffold as representative examples. Second, we were interested in the synthesis of optically active functionalized molecules containing a gem-difluoro group, using asymmetric organocatalysis protocols. After preparation of the gem-difluoro enals, from their difluoropropargylic precursors, asymmetric organocalytic Diels-Alder cycloaddition and 1,4-conjugated additions were successfully performed.

Cette thèse porte sur la préparation de nouveaux catalyseurs chiraux à partir de composés naturels issus de la biomasse, et leurs applications en organocatalyse asymétrique. La première partie décrit la synthèse de thiourées énantiomériquement pures dérivées de l'isosorbide et l’isommanide. Ces thiourées ont été évaluées comme catalyseurs organiques dans des réactions asymétriques de Friedel-Crafts, d’alkylation, d’addition de type aza-Michael, d’hydroamination et de type Morita-Baylis-Hillman (MBH). Les meilleurs résultats en termes de réactivité et d’induction asymétrique, ont été obtenus dans le cas de la réaction de Friedel-Crafts. La deuxième partie est consacrée à la conception et la synthèse de thiourée-phosphines chirales à partir de la L-proline. Ces thiourée-phosphines sont capables de promouvoir la formation de liaisons C-N et C-S, selon un processus de substitution allylique énantiosélectif d’adduits modifiés de MBH. De très bons rendements (jusqu’à 98%) et énantiosélectivités (jusqu'à 93%) ont été obtenus. Dans la troisième partie, nous avons développé le premier exemple de cyclisation [4 + 2] entre un allénoate et un alcène tétrasubstitué, catalysée par une amine tertiaire. Nous avons montré que des composés de type 4H-pyranniques peuvent être sélectivement obtenus, avec d’excellents rendements, en utilisant le DABCO comme catalyseur. Dans le cas de catalyseur organique de type alcaloïde, le β-ICD conduit sélectivement aux composés 2H-pyranniques avec des excès énantiomériques jusqu’à 71 % ee. / The thesis focused on the preparation of new chiral catalysts derived from biomass and their applications in asymmetric organocatalysis. The first part described the synthesis of chiral thioureas derived from isosorbide and isomanide, naturally renewable resource, in moderate to good overall yields. These thioureas were evaluated in asymmetric reactions such as Friedel-Crafts alkylation, aza-Michael addition, hydroamination, Morita-Baylis-Hillman reaction. Good yields and enantioselectivities were obtained. The second part of our work went on the design and synthesis of chiral thiourea-phosphines from L-Proline. These thiourea-phosphines promoted C-N and C-S bond formation via the asymmetric allylic substitution of tert-butoxycarbonyloxy adducts. Good yields (up to 98 %) and enantioselectivities (up to 93 %) were observed. In the third part, we have developed the first example [4+2] annulation of allenoate and all-carbon tetrasubstituted alkenes catalyzed by an amine. In the case of DABCO catalyst, 4H-pyrans were isolated exclusively in good to excellent yield under mild reaction conditions. While employing β-ICD as catalyst, the enantioenriched 2H-pyran derivatives were obtained with enantiomeric excess up to 71 % ee.