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This thesis describes two new phase-transfer catalysed processes, in which asymmetry is mediated via ion-pairing with a chiral cation. In the first chapter, an enantioselective method for N functionalization of pyrroles is described and a phase-transfer catalysed approach to axial chirality via a cation-directed SNAr reaction is discussed in Chapters 3, 4 and 5.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20388号 / 工博第4325号 / 新制||工||1670(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料化学専攻 / (主査)教授 松原 誠二郎, 教授 吉田 潤一, 教授 中尾 佳亮 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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Memory of chirality (MOC) is an emerging strategy in asymmetric synthesis. It has been applied to enolate chemistry, reactions involving carbocation intermediates, and to radical systems. In this strategy the chirality of an enantiopure reactant is transferred to the dynamic chirality of a reactive intermediate to produce stereospecific product. 1,4-Benzodiazepin-2-ones have been described as a "privileged" structure in medicinal chemistry. In addition to their uses as anxiolytics (Valium ®) and anti-epileptic agents (Clonopin ®), they have shown activity as HIV Tat antagonist, ras farnesyltransferase inhibitors in cancer cells, and antiarrhythmic agents. Because of the utility of this scaffold in the area of medicinal chemistry, it has served as a template in libraries for tens of thousands of compounds. Despite the vast diversity of 1,4-benzodiazepin-2-ones, there are few routes to enantiomerically enriched 3,3-disubstituted benzodiazepines containing a "quaternary" stereogenic center. This research will discuss the stereochemical properties of 1,4-benzodiazepin-2-ones, and provide a novel approach to synthesize enantiomerically enriched "quaternary" benzodiazepines with stereogenic centers through MOC, without the use of external chiral sources. / Ph. D.

Les travaux présentés dans ce manuscrit ont eu pour but d’étudier le « couplage aryne », une technique de synthèse qui produit des biaryles sans l’intervention de métaux de transition, grâce à la réaction entre deux intermédiaires réactionnels générés in situ : un aryllithien nucléophile et un aryne électrophile. Les travaux réalisés ont consisté en l’optimisation de la version diastéréosélective du couplage, ensuite appliquée à la synthèse formelle de la (-)-stéganacine. Dans un second temps, les premières études sur la version énantiosélective du couplage ont été réalisées, en introduisant des ligands chiraux à la réaction et en évaluant l’influence de différents paramètres réactionnels. Les premiers excès énantiomériques ont ainsi été obtenus, parfois accompagnés de la formation de divers sous-produits, parmi lesquels des dérivés de biphénylène. Devant l’intérêt que représentent ces composés, une partie des travaux a été consacrée à leur synthèse par dimérisation des arynes. / This work consisted in the study of the “aryne coupling”, a transition-metal free process to access biaryl moieties, which involves the reaction between two in situ generated intermediates: a nucleophilic aryllithium derivative and an electrophilic aryne. This work resided in the optimization of the atropoenantioselective version of the aryne coupling and its application to the formal synthesis of (-)-steganacin. We then moved to the atropoenantioselective version of the reaction, by introducing chiral ligands in the reaction mixture, which aim was to coordinate the aryllithium species and to transfer their chiral information to the biaryl axis. After optimization of various reaction parameters, some enantiomeric excesses were obtained as well as various side products in some cases, among which biphenylene derivatives. According to the potential applications of these compounds, another part of this work was dedicated to their synthesis by means of aryne dimerization reactions.

Après avoir pu développer une nouvelle méthode de déracémisation de biphényles iodés permettant, pour la première fois, d’influencer la diastéréosélectivité de la réaction de piégeage du réactif d’Andersen par dédoublement cinétique, nous avons obtenu de nombreuses informations et développé des méthodes permettant de lever différents verrous synthétiques pour accéder à des paires de Lewis frustrées basées sur le squelette biphénylique et portant simultanément ou non un groupement acide de Lewis et une base de Lewis. Par la fonctionnalisation de ces biphényles, nous avons pu accéder à de nouvelles biphénylphosphines énantiopures pouvant jouer le rôle de base de Lewis dans le domaine des paires de Lewis frustrées (FLP) mais aussi d'organocatalyseur nucléophile ou de ligand pour la catalyse organométallique. Différentes méthodes ont ensuite été (re)développées, pour accéder à des acides de Lewis : d'une part la synthèse de boranes par fonctionnalisation de sels d'organotrifluoroborate de potassium comme précurseurs polyvalents d’acides de Lewis chiraux et énantiopurs et d'autre part l’utilisation de silanes électrophiles. L’ensemble des informations et méthodes découlant de ce travail pourront être appliquées à la synthèse de molécules ambiphiles, nouvelles paires de Lewis atropo-frustrées. / After having developed a new method of deracemization of iodinated biphenyls allowing us, for the first time, to influence the diastereoselectivity of the trapping by the Andersen reagent, we have turned our attention to the use of this molecular scaffold in the design of new frustrated Lewis pairs bearing either a Lewis acidic group, a Lewis basic group or simultaneously both groups. We first accessed a new series of enantiopure biphenylphosphines that can find applications as Lewis base (including the field of frustrated Lewis pairs), as nucleophilic organocatalyst or as ligand in organometallic catalysis. Then, various methods were (re)developed to access chiral biphenyl-based Lewis acids: firstly, the functionalization of biphenyltrifluoroborate salts as chiral and enantiopure borane precursors and secondly the use of electrophilic silanes. The whole information and methodologies developed herein may be applied to the synthesis of new ambiphilic compounds as new atropo-frustrated Lewis pairs.

L’objectif de ce travail de thèse est de développer une nouvelle voie d’accès aux hétérobiaryles à chiralité axiale selon une stratégie de synthèse atropoénantiosélective réalisée en l’absence de métaux de transition. Le projet combine une méthode de construction de la liaison Csp2-Csp2 appelée couplage Aryne, et une approche énantiosélective, le concept ICE (ionic chiral environment). Ce concept repose sur la mise en œuvre de ligands chiraux en tant que stabilisants du métal (Li) à partir d’un partenaire de couplage organolithié. L’environnement chiral résultant des agrégats chiraux générés doit permettre d’induire la chiralité lors de l’étape de couplage. La première partie de ce travail a consisté à développer une version hétérocyclique du couplage Aryne en conditions achirales. Les résultats obtenus à l’issue de cette étude ont permis de relier la nature électronique du partenaire hétérocyclique à sa réactivité dans le couplage. Le thiophène en particulier a fourni de très bons résultats ce qui nous a permis de développer davantage la méthode. La seconde partie de ce travail a eu pour objectif de développer le couplage étudié dans des conditions de solvants adaptées à la formation des agrégats mixtes chiraux envisagés. Cette étude a permis de mettre en évidence l’influence remarquable d’une gamme de plusieurs ligands (polyéthers, polyamines, aminoalcoolates,…) et sels (Li, Zn, K,…) sur le couplage développé en solvant apolaire. Par la suite, les conditions de couplages optimales ont été étendues à différents hétérocycles avec succès. En parallèle, des calculs théoriques de la densité fonctionnelle ont permis d’appuyer plusieurs de nos résultats ; ces calculs ont également fourni une analyse détaillée du mécanisme du couplage Aryne. Enfin, la dernière partie de ce manuscrit a concerné le couplage d’un partenaire hétérocyclique encombré des dérivés du thiophène et du benzothiophène / The aim of this thesis work was to provide novel access to axially chiral heterobiaryls following a transition metal free atropoenantioselective synthetic route. This project combines the Csp2-Csp2 Aryne coupling methodology, and an enantioselective approach, the ICE concept (ionic chiral environment). This concept relies on the implementation of chiral ligands as metal (Li) stabilizers with organolithium coupling partners. The chiral environment resulting from the chiral aggregates obtained must induce chirality during the coupling step. The first part of this work aimed to develop an heterocyclic version of the Aryne route in achiral conditions. The results of this study revealed a clear correlation between the electronic nature of the heterocyclic partner and its reactivity in the Aryne coupling. Thiophene, especially, proved to furnish promising results and allowed us to further develop the method. Second part of this work aimed to develop the reaction in the appropriate solvent conditions so that chiral mixed metal aggregates could be envisioned. This study outlined the remarkable effect of external chelating ligands (polyethers, polyamines, aminoalkoxides,…) and salt additives (Li, Zn, K,…) on the aryne coupling reaction in apolar media. The best reaction conditions emerging from this work were then successfully applied to others heterocyclic coupling partners. In parallel, theoretical calculations using density functional theory showed good agreement with experimental work and allowed us to propose mechanistic scheme for the reaction. Last part of this work focused on the reaction of hindered heterocyclic coupling partners with thiophene and benzothiophene derivatives

L’organocatalyse est reconnue comme une approche attractive dans la synthèse énantiosélective, offrant de nombreux avantages par rapport à la métallo-catalyse et biocatalyse. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés dans le développement de nouveaux catalyseurs tropos de transfert de phase, basée sur les dérivés de dibenzazepinium et leurs applications en synthèse asymétrique. Nous avons mis en évidence la possibilité d’utiliser le principe de transfert de chiralité centrale-axiale. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'élaboration de méthodologies organocatalytiques en utilisant la catalyse par transfert de phase ou de base de Brønsted. Notre nouvelle approche, basée des réactions organocatalytiques de cycloaddition formelles [3 + 2], ouvre l'accès aux différents cycles chiraux comme des cyclopentènes, pyrrolidines ou isoxazolidinones. Toutes ces molécules sont potentiellement intéressantes pour leur évaluation comme des ligands bioactif. / Organocatalysis is recognized as a versatile and attractive tool in enantioselective synthesis, offering a number of advantages over metal-based and bioorganic methods. During the first part of this thesis, we were interested in development of novel tropos Phase-Transfer catalysts, based on the dibenzazepinium derivatives and their applications in asymmetric synthesis. Their design was tackled by anoriginal central-axial chirality transfer principal. The second part of this thesis was devoted to the elaboration of novel organocatalytic methodologies under chiral PTC or Brønsted base organocatalysis. Based on formal organocatalytic [3+2]cycloaddition reactions our novel approach opens the access to various chiral cycles like cyclopentenes, pyrrolidines or isoxazolidinones. All these molecules are potentially interesting for their evaluation as bio-ligands.

Les acides α-aminés non protéinogènes sont des composés riches d’applications et peuvent donner accès à des composés possédant des propriétés biologiques intéressantes ou à des analogues de peptides. Ainsi, de nombreuses méthodes de synthèse asymétrique ont été développées. Parmi celles-ci, seulement quelques méthodes utilisent la chiralité d’acides α -aminés tertiaires naturels pour accéder à des acides α -aminés quaternaires et il n’existe que peu de synthèses asymétriques absolues d’acides α -aminés tertiaires.Notre équipe a précédemment développé une méthode de synthèse d’acides α-aminés quaternaires reposant sur le concept de la mémoire de chiralité. Cette méthode utilise la chiralité axiale d’amides aromatiques tertiaires pour l’alkylation stéréoselective d’énolates d’acides aminés. Lors de ma thèse, nous avons souhaité appliquer cette méthode d’alkylation stéréosélective d’énolate à d’autres types de réaction tels que la réaction d’aldolisation (utilisant un aldéhyde comme électrophile, et dans ce cas il est nécessaire de contrôler un second centre asymétrique), la réaction d’arylation (utilisant un sel de diaryliodonium comme électrophile) ou à la synthèse totale des composés biologiques intéressants. Des résultats préliminaires encourageants obtenus dans des réactions d’aldolisation (dans le cas avec du benzaldéhyde), d’arylation ainsi que dans la synthèse du précurseur de la L-Méthyl DOPA seront présentés.D’autre part, nous exposerons également la stratégie de synthèse des dérivés d’acides α-aminés tertiaires et des aminoalcools, qui utilise le concept de la chiralité gelée. Cette méthode repose sur l’emploi de la chiralité axiale dynamique des amides aromatiques tertiaires, qui est gelée dans un cristal chiral, et une réaction d’alkylation stéréosélective d’énolate conduisant à des acides aminés énantiomériquement enrichis. En effet, en partant de la glycine, nous avons réussi à trouver un composé de départ qui cristallise dans un groupe d’espace chiral, qui donne donc des cristaux chiraux après la cristallisation. Après avoir trouvé des conditions optimales pour la réaction d’allylation, plusieurs autres électrophiles ont été employés avec succès. Les produits alkylés sont obtenus avec des rendements allant jusqu’à 80% et des excès énantiomériques allant jusqu’à 96% sans utiliser d’autre source de chiralité externe que celle du cristal. L’ouverture de ces composés conduit à la formation des acides α-aminés tertiaires énantiomériquement enrichis. Il s’agit donc d’une synthèse asymétrique absolue d’acides α-aminés. / Non proteinogenic α-amino acids can lead to compounds which exhibit interesting biological properties, or peptides analogues. Numerous methods for asymmetric synthesis of these compounds have been developed. However, few examples have used the chirality of natural tertiary α-amino acids for the synthesis of quaternary α-amino acids, and few examples of asymmetric absolute synthesis to access to tertiary α -amino acids have been described so far. Our research group has previously developed a synthesis of enantioenriched quaternary α-amino acids, based on memory of chirality and using the axial chirality of tertiary aromatic amides for stereoselective alkylation of an enolate of an amino acid.This thesis focuses on expending this methodology to other type of reactions, for example, aldolisation reactions (using an aldehyde as electrophile, in this case it is necessary to control the second asymmetric center), arylation reactions (using a diaryliodonium salt as electrophile) or to the the total synthesis of compounds exhibiting interesting biological properties. Herein, we will show our preliminary results in aldolisation reactions (with benzaldehyde), in arylation reactions and also in the total synthesis of L-Methyl DOPA.On the other hand, we will also present an enantioselective synthesis of tertiary α-amino acids derivatives and of amino alcohols based on the principle of frozen chirality. The strategy uses the dynamic axial chirality of tertiary aromatic amides, which is frozen in chiral crystal, and a stereoselective alkylation reaction of enolate leads to enantioenriched α-amino acids. A compound synthesized from glycine has been finally selected to optimise the asymmetric allylation reaction. These optimales conditions were then successfully employed with various electrophiles. Alkylated products were obtained in yield up to 80% and enantiomeric excesses up to 96% using only chirality of crystal. The deprotection of alkylated products leads to the formation of enantienriched α-amino acids.