Le projet scientifique a consisté au développement de nouveaux processus domino ayant pour étape clé la fonctionnalisation d’une liaison C-H. L’introduction de cette étape de fonctionnalisation C-H a permis d’améliorer significativement l’efficacité moyenne de la réaction et a offert de nouvelles perspectives du point de vue synthétique. Ainsi, nous avons exploité des stratégies se basant sur des séquences Heck / fonctionnalisation C-H, des réactions de difonctionnalisation d’alcènes en conditions oxydantes et un processus d'aminopalladation / fonctionnalisation C-H. Ces méthodologies nous ont permis un accès rapide aux motifs spiroquinolinones, spirooxindoles, oxindoles disubstitués en position 3, oxindoles tétracycliques et pyrrolo[1,2-a]indoles. / The projet consists in developing new domino processes involving C-H functionalization as the key steps. The introduction of C-H functionalization in the domino reaction leads to the enhancing significantly the efficiency of the reaction and offers new perspectives in a synthetic point of view. In this context, we have exploited different strategies basing on Heck/C-H functionalization process, difunctinalization of alkenes reactions through oxidative addition and a sequencial intramolecular aminopalladation/C-H functionalization. These methodologies allow rapid constructions of spiroquinolines, spirooxindoles, 3,3'-disubstituted oxindoles, tetracyclic oxindoles and pyrrolo[1,2-a]indoles cores.

Compostos heterociclos estão muito presentes em nossas vidas, desde processos biológicos até em fármacos. Dentre esses compostos, os carbazóis, vem ultimamente se mostrando promissores como alternativa terapêutica para diversas doenças, principalmente para o câncer. Muitos carbazóis são produtos naturais, como é o caso das Claurailas A-D. Baseando-se na estrutura da Clauraila A, esse trabalho propôs o desenvolvimento de uma biblioteca de análogos desse alcaloide a fim de prospecção biológica. Para a síntese da Clauraila A foram estudadas condições ideais da ciclodeidrogenação da diarilamina precursora desse alcaloide, através da reação de Åkermark-Knölker. Para a obtenção dessa diarilamina, foi realizado uma otimização da reação de aminação de Buchwald-Hartwig. Com o processo otimizado, foram obtidos diversos carbazóis, com diferentes padrões de substituição, em rendimentos bons à moderados, entre eles estão os produtos naturais 6-metoximurraianine e Clausenal. O rendimento global obtido na síntese desses produtos naturais e da Clauraila A são semelhantes aos previamente descritos na literatura, no entanto, em nosso trabalho foi realizada a síntese deste alcaloide em número reduzido de etapas. Durante o processo de otimização da reação de Åkermark-Knölker foi demonstrado, pela primeira vez, o uso de acetilacetonato de paládio como fonte de paládio II alternativa ao acetato de paládio. Além disso, com esses resultados foi possível inferir o possível mecanismo dessa reação. Adicionalmente, após tentativas por diversas alternativas sintéticas, foram obtidos compostos dimetilcromenos a partir de aminofenóis utilizando prenal e ácido fenilborônico, que podem ser úteis na síntese de outros carbazóis, como a Clauraila B. / Heterocyclic molecules are very important class of compounds in biological processes and drugs designing. Among all of them, carbazoles show great applicability for treatment of several diseases, especially against cancer. Many carbazoles are natural products, and one of our interests is Clauraila A. This work is based on the Clauraila A structure to development of a library of carbazoles for biological applications. The optimal conditions of the Åkermark-Knölker cyclodehydrogenation of diarylamine was studied to obtaind the carbazole core. The diarylamines were obtained by the optimized Buchwald-Hartwig amination reaction. This synthetic strategy was used to obtain the range of carbazoles, with different substituents in good and moderate yields, including natural products 6-methoxymurrayanine and Clausenal. The overall yield obtained in the synthesis of the natural products were similar to those previously described in the literature, however, unlike the literature our synthesis involved a reduced number of steps to obtain the desired product. In the optimization step of Åkermark-Knölker reaction, we first applied palladium (II) acetylacetonate instead of palladium (II) acetate. Moreover, with the achieved results the possible mechanism of this reaction was proposed. Additionally, after several attempts, dimethylchromenos were obtained from aminophenols using prenal and phenylboronic acid, which will be useful in the synthesis of other carbazoles, such as Clauraila B.

Cette thèse développe l'étude des complexes de nickel(II) porteurs de ligands carbènes N hétérocycliques (NHC) selon deux axes: la synthèse et la caractérisation de complexes nickelacycliques avec un ligand chélatant carbone-carbone (CNHC, Calkyl); et leur activité catalytique dans la construction des liaisons carbone-carbone (Csp2–Csp2/Csp3) des 1-chalcogènes-azoles par fonctionnalisation des liaisons carbone-hydrogène (C–H). Une série de produits d'addition d'acétonitrile métallacycliques CNHC,Calkyl-Ni(II) cationiques a été synthétisée par élimination d'un ligand cyclopentadiényle des nickelacycles demi-sandwich a 18 électrons de valence parents. Il a été déterminé que les complexes cationiques existaient en tant qu'espèce Ni(II) à 14 électrons de valence en forme de T, insaturée de manière coordonnée et électronique, à l'état solide. L'application de ces nouveaux complexes au couplage croisé du benzothiazole avec les iodoarènes s'est avérée une stratégie efficace dans la formation des liaisons Csp2–Csp2, par la combinaison d'un échafaudage métallacyclique stabilisant avec des ligands labiles. La découverte d'une espèce demi sandwich Ni(II)-(NHC)-(benzothiazolyle) inactif dans l'arylation du benzothiazole, mais actif dans le couplage du benzothiazole avec les iodoalcanes, constitue le premier exemple de construction des liaisons Csp2–Csp3 du benzothiazole avec un catalyseur Ni(II)-NHC. / This thesis develops the study of nickel(II) complexes bearing N-heterocyclic carbene ligands (NHC) in two axes: the synthesis and characterization of nickelacyclic complexes with a carbon-carbon chelating ligand (CNHC,Calkyl); and their catalytic activity in the construction of carbon-carbon bonds (Csp2–Csp2/Csp3) of 1-chalcogene-azoles by carbon-hydrogen (C–H) bond functionalization. A series of cationic CNHC,Calkyl-Ni(II) metallacyclic acetonitrile adducts was synthetized by the removal of a cyclopentadienyl ligand from parent 18 valence electron half-sandwich nickelacycles. The cationic complexes were determined to exist as rare coordinatively and electronically unsaturated T-shaped 14 valence electron Ni(II) species, in the solid state. Application of these new complexes to the cross-coupling of benzothiazole with iodoarenes proved to be a successful strategy in Csp2–Csp2 bond formation, by the combination of a stabilizing metallacyclic scaffold with labile ligands. The discovery of a half-sandwich Ni(II)-(NHC)-(benzothiazolyl) species, inactive in the arylation of benzothiazole, but active for the cross-coupling of benzothiazole with iodoalkanes shows the first example of benzothiazole Csp2–Csp3 bond construction with a Ni(II)-NHC catalyst.

Les monooxygénases à cuivre sont des systèmes enzymatiques capables de transférer un atome d'oxygène à leur substrat de manière hautement régio et stéréo-spécifique. Les complexes modèles de monooxygénases à cuivre ont fourni de précieuses informations sur la structure et la réactivité des espèces «cuivre-dioxygène» impliquées dans une telle réactivité. Cependant, la découverte récente de deux nouveaux systèmes enzymatiques (LPMO et pMMO) capables d'effectuer l'activation des liaisons C-H très énergétiques a réouvert le débat sur les espèces cuivre--oxygène capables d'une telle réactivité. Dans ce travail, nous avons choisi de préparer des complexes bio-inspirés de Cu(I) et Cu(II) avec un ligand contenant un substrat interne. Ces complexes ont été exposés à différents oxydants ou donneurs d'atome d'oxygène et nous avons étudié la régio- et stéréo-sélectivité de la réaction d'oxydation du substrat interne. De plus, nous avons évalue la capacité de ces systèmes à utiliser l'eau comme donneur d'atome d'oxygène. Pour cela, nous avons l'oxydation ou l'activation de l'eau par voie électrochimique afin de générer des intermédiaires cuivre-oxygène conduisant éventuellement à la production de dioxygène ou à l'oxydation sélective du ligand. Enfin, nous nous sommes intéressés aux propriétés d'espèces hétérobimétalliques à haute valence. Par conséquent, deux nouveaux complexes hétérobimétalliques à haute valence contenant du nickel et du cuivre ont été synthétisés. Nous avons étudié leurs propriétés électroniques et leur réactivité envers des substrats externes et internes (ligands) a été évaluée et comparée à la réactivité de leurs homologues homobimétalliques. / Copper-containing monooxygenases are enzymatic systems capable of transferring an oxygen atom to their subtrates in highly regio or stereo-specific modes. Model complexes for copper-containing monooxygenases have provided valuable information on the structure and reactivity of several copper-dioxygen adducts. However, the recent discovery of two new enzymatic systems (LPMO and pMMO) able to perform activation of very strong C-H bonds has re-opened the debate on the catalytically relevant copper-dioxygen species. The use of model systems that mimic an enzyme is a simple approach to obtain a better knowledge of how nature works. For this study, Cu(I) and Cu(II) complexes containing ligand-substrate were prepared. After reaction with different oxidants or O-atom donors, we investigated the regio- and stereo-selectivity of the oxidation of the internal substrate. Based on the relatively well-known chemistry of Cu(I) with dioxygen, we, were also interested in investigating the water as an O-atom donor in C-H bond activation reactions. We have therefore investigated electrochemical water oxidation or activation to generate dioxygen and selective oxygen-insertion into the substrate-bound moiety. Finally, we explored the properties of mixed-metal dioxygen species as compared to their homometalic counter-parts. Indeed heterobimetallic active sites are found in various metalloenzymes such as cytochrome c oxidase. Therefore, two new high-valent Cu-Ni heterobimetallic complexes were synthesized. We investigated their electronic properties using various spectroscopic methods and their reactivity was evaluated towards external and internal substrates (indane).

Depuis de nombreuses années, des notions telles que « l'économie d'atome » ou encore la nécessité de développer des méthodes de valorisation rapide des hydrocarbures, ont pris une place importante en chimie organique. Dans ce contexte, la fonctionnalisation de liaisons carbonehydrogène (C–H) s'avère être un outil puissant de la chimie moderne, thématique fort présente au sein du laboratoire depuis de nombreuses années. En 2010, le développement de la réaction de β- arylation d'esters a initié au sein du laboratoire de nouvelles perspectives. L'extension de cette réaction fait l'objet des travaux de recherches réalisés dans ce manuscrit, pour la fonctionnalisation de liaisons C(sp3)–H en position α, β et γ d'amines. Ces structures sont présentes au sein de nombreuses molécules naturelles de la famille des alcaloides, ou molécules d'intérêt pharmacologique, ce qui en fait des motifs d'intérêt majeur. Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet de thèse s'articulent autour de la réaction de couplage de Negishi (co-lauréat du prix Nobel de Chimie 2010), qui est un outil de synthèse puissant pour la formation de liaisons carbone-carbone. Son application aux couplages migratoires est au coeur des développements présentés dans ce manuscrit, selon trois grands axes de recherche. Le premier s'intéresse à la réalisation de couplages palladocatalysés sélectifs en positions β de N-Boc-pipéridines. Il y est développé l'importance de la flexibilité des ligands biarylphosphines dans le contrôle de la sélectivité α/β. Le second étudie l'extension de ces premiers travaux pour l'α– et β–fonctionnalisation sélective de N-Boc-amines acycliques, qui a nécessité de nouvelles avancées pour la lithiation dirigée d'amines acycliques, et le développement de nouvelles biarylphosphines plus flexibles, et plus sélectives. L'étude des étapes de lithiation, et de transmétallation, a été réalisée par analyse IR in-situ, ainsi que l'influence d'aryles aux propriétés électroniques variées lors de l'α-arylation. Un dernier axe d'étude pour la γ- fonctionnalisation d'allylamines, permet d'étendre le champ d'application du couplage de Negishi pour la fonctionnalisation C–H d'alkylamines, pour la formation de γ–arylamines et β–aryles aldéhydes / Since several years, the emergence of terms such as atom- and step-economy, or the need for the development of rapid and efficient synthetic methods have taken an important place in chemistry. In this context, the transition-metal-catalyzed functionalization of unactivated carbonhydrogen bonds has emerged as a powerful tool and an important field of research. In 2010, the development of the β arylation of esters has initiated a new perspective in our laboratory, and has been at the origin of the research described in this manuscript on the selective C(sp3)–H functionalization of amines at α, β and γ positions. The work performed during this Ph.D. project is related to the Negishi cross-coupling reaction (co-laureate of Chemistry Nobel prize in 2010), an important method for the formation of carbon-carbon bonds. Three different aspects are explored in this manuscript. The first one deals with the development of the palladium-catalyzed β -arylation of N-Boc-piperidines, which highlights the importance of ligand flexibility to control the α- vs. β- arylation selectivity. The second part focuses on the selective α - and β -functionalization of acyclic N-Boc-amines, which required to reinvestigate the directed lithiation of acyclic amines and to synthesize new biarylphosphines possessing greater flexibility. A kinetic analysis of each individual step from the lithiation to the α -arylation was performed by in situ IR spectroscopy, and proved an efficient method to gain further mechanistic insights. Finally, we have developed a selective γ - arylation reaction of allylamines, which represents a new extension of the Negishi cross-coupling for the C–H functionalization of alkylamines, and allows a direct access to valuable γ -arylamines and β - arylaldehydes

Récemment, l'activation C-H catalysée par des métaux de transition est devenue un outil performant pour construire des liaisons carbone-carbone et carbone hétéroatome à partir de liaisons C-H omniprésentes dans les molécules organiques. Bien que l'activation des liaisons C-H aromatiques ait été largement étudiée ces dernières années, celle des liaisons C-H aliphatiques représente encore un domaine faiblement exploré. Notre équipe s'est depuis plusieurs années intéressée au développement méthodologique de l'activation C(sp3)-H et à son application en synthèse de produits naturels et molécules bioactives. Dans la continuité des récents travaux sur la version asymétrique de cette réaction, cette thèse décrit le développement et la synthèse de nouveaux ligands du type Binepine. Ces ligands chiraux et monodentates nous ont permis de réaliser la synthèse d'indanes chiraux possédant un centre asymétrique quaternaire, de manière hautement énantio- et diastéréosélective. Cette réaction présente comme avantages l'utilisation d'une faible charge catalytique et d'une température de réaction inférieure à 100 °C, sans aucun additif. Le champ d'application de la réaction inclut notamment l'activation des liaisons C-H d'un groupement méthylène, donnant ainsi accès à des systèmes fusionnés, tricycliques. La construction de molécules non-aromatiques via une alcénylation C-H intramoléculaire a été récemment décrite et s'avère très prometteuse pour la synthèse de produits naturels saturés. Dans la continuité de ces travaux innovants, nous avons développé la synthèse de γ-lactames à partir de bromoalcènes acycliques. Cette nouvelle réaction permet de construire de manière simple et efficace des hétérocycles a cinq chainons de façon modulaire, donnant ainsi la possibilité d'envisager des nouvelles déconnections rétrosynthétiques, complémentaires des méthodes déjà établies. Cette nouvelle méthode a pu être appliquée à la synthèse totale de l'alcaloïde marin Plakoridine A, dont la structure centrale cyclique a été synthétisée en quatre étapes avec un rendement global de 37% / Recently, transition-metal-catalyzed C-H activation has emerged as a powerful tool to transform stable C-H bonds into carbon-carbon or carbon-heteroatom bonds. While the activation of aromatic C-H bonds has seen a tremendous development, less effort has been devoted to the more challenging activation of aliphatic C-H bonds. Our group has a long-standing interest in the development of C(sp3)-H activation reactions and their application in the synthesis of natural products and bioactive compounds. In line with previous efforts to develop an asymmetric C(sp3)-H activation, the herein presented work details the synthesis of new Binepine ligands. These monodentate, chiral ligands enabled us to realize a highly dia- and enantioselective C(sp3)-H activation reaction allowing the construction of chiral quaternary carbon centers. Strong points of this robust method are the low catalyst loading, the low reaction temperature and the absence of additives. The substrate scope includes the rare activation of methylene C-H bonds leading to fused tricyclic carbocycles and heterocycles. The construction of non-aromatic molecules through intramolecular C-H alkenylation was recently disclosed and has great potential for the construction of saturated natural products. Based on seminal work, we have developed the synthesis of valuable γ- lactams from acyclic bromoalkenes. This new methodology offers a powerful way to build simple, five-membered N heterocycles in a modular fashion. Notably, it enables a new retrosynthetic disconnection which is complementary to conventional approaches. Finally, we set out to showcase its utility as key step in the total synthesis of the pyrrolidine alkaloid Plakoridine A. The cyclic core structure was accessed in four steps and 37% overall yield

La fonctionnalisation de liaisons C-H réputées peu réactives ouvre de nouvelles perspectives en synthèse organique. Une stratégie efficace consiste en l'utilisation d'un métal de transition. Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans ce contexte. Dans un premier temps, la réaction étudiée, catalysée par le palladium, vise à étendre une méthodologie mise au point au laboratoire, permettant la synthèse de benzocyclobutènes par activation intramoléculaire de liaisons C(sp3)-H de groupements méthyles benzyliques, à des composés non aromatiques. Plusieurs substrats ont été synthétisés pour être ensuite placés dans les conditions de la réaction d'activation C(sp3)-H, dans le but d'induire la formation du cyclobutène ou du cyclobutane désiré. Le processus n'est pas sélectif et de nombreux produits secondaires sont obtenus par des réactions péricyliques ou par des réarrangements suite à l'ouverture du palladacycle intermédiaire. Dans un deuxième temps, nos travaux ont permis de mettre à jour une nouvelle réaction de fonctionnalisation C(sp3)-H, catalysée par le palladium permettant l'arylation d'esters en position β par un mécanisme original. Les investigations portent sur l'optimisation complète de cette réaction, la compréhension du mécanisme et le développement d'une version énantiosélective prometteuse. Le mécanisme de cette réaction, confirmé par des calculs DFT réalisés en collaboration avec C. Kefalidis et E. Clot, se rapproche formellement de celui observé en α-arylation, puisqu'il repose sur la formation d'un énolate de palladium. La stratégie mise au point permet le couplage, dans des conditions douces, d'esters simples et commerciaux avec des halogénures d'aryles contenant un groupement électronégatif en position ortho, donnant ainsi accès à des intermédiaires de synthèse intéressants tels qu'un analogue de la phénylalanine ou des composés fluorés.

La fonctionnalisation de liaisons C-H réputées peu réactives ouvre de nouvelles perspectives en synthèse organique. La catalyse par un métal de transition comme le palladium représente une solution particulièrement efficace à ce problème. Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans ce contexte. Dans un premier temps, la réaction étudiée, catalysée par le palladium, a visé à étendre une méthodologie mise au point au laboratoire pour la synthèse de carbocycles et d'hétérocycles à cinq chaînons par activation intramoléculaire de liaisons C(sp3)-H à partir de chlorures d'aryles. Ces derniers sont en effet plus disponibles et moins onéreux que les bromures d'aryle correspondants. Des études d'optimisation ont été effectuées pour la mise au point d'une réaction diastéréosélective et régiosélective. Plusieurs substrats ont été synthétisés pour être ensuite placés dans les conditions optimales de la réaction d'activation C(sp3)-H, et ont conduit à une grande diversité de cycles à cinq chaînons fusionnés. Dans un deuxième temps, nos travaux ont consisté à étendre l'activation C(sp3)-H pallado-catalysée à des précurseurs non aromatiques cycliques ou acycliques. Pour des raisons d'accessibilité, nos études se sont alors portées sur la préparation de bromures vinyliques azotés pouvant conduire après activation C-H à des motifs hexahydroindoles ou pyrrolidines. De nouvelles conditions d'activation CH ont alors été trouvées pour cette famille de substrats, et ont conduit aux hétérocycles cibles de manière diastéréosélective et régiosélective. Après extension de la réaction à divers précurseurs, nous nous sommes intéressés à la synthèse d'un intermédiaire poly-fonctionnalisé permettant d'accéder aux aéruginosines, famille de produits naturels bioactifs.

The selective transformation of carbon-carbon and carbon-hydrogen bonds represents an attractive approach and rapidly developing frontier in synthesis. Benefits include step and atom economy, as well as the ubiquitous presence in organic molecules. Advances to this exciting realm of synthesis are described in this thesis with an emphasis on the development of catalytic, selective reactions under mild conditions. Additionally some applications of the methodologies are demonstrated. In Chapter 1, the first examples of inter-and intramolecular enantioselective conjugate alkenylations employing organostannanes are reported. A chiral, cationic Rh(I)-diene complex catalyzed the enantioselective conjugate addition of alkenylstannanes to benzylidene Meldrum’s acids in moderate enantiomeric ratios and yields. Notably, the cationic and anhydrous conditions required for the asymmetric alkenylation are complementary to existing protocols employing other alkenylmetals. In Chapter 2, a domino, one-pot formation of tetracyclic ketones from benzylidene Meldrum’s acids using Sc(OTf)3 via a [1,5]-hydride shift/cyclization/Friedel-Crafts acylation sequence is described. Respectable yields were obtained in accord with the ability to convert to the spiro-intermediate, and considering the formation of three new bonds: one C-H and two C-C bonds. An intriguing carbon-carbon bond cleavage was also serendipitously discovered as part of a competing reaction pathway. In Chapter 3, the pursuit of novel C-H bond transformations led to the development of non-carbonyl-stabilized rhodium carbenoid Csp3-H insertions. This methodology enabled the rapid synthesis of N-fused indolines and related complex heterocycles from N-aziridinylimines. By using a rhodium carboxamidate catalyst, competing processes were minimized and C-H insertions were found to proceed in moderate to high yields. Also disclosed is an expedient total synthesis of (±)-cryptaustoline, a dibenzopyrrocoline alkaloid, which highlights the methodology. In Chapter 4, the Lewis acid promoted substitution of Meldrum’s acid discovered during the course of the domino reaction was explored in detail. The protocol transforms unstrained quaternary and tertiary benzylic Csp3-Csp3 bonds into Csp3-X bonds (X = C, N, H) and has even shown to be advantageous with regards to synthetic utility over the use of alternative leaving groups for substitutions at quaternary benzylic centers. This reaction has a broad scope both in terms of suitable substrates and nucleophiles with good to excellent yields obtained (typically >90%).

Fluoreszenzfarbstoffe wurden über neuartige Palladium-katalysierte Domino-Reaktionen synthetisiert, die aus einer Sonogshira-Reaktion, zwei Carbopalladierungen und einer C-H-Aktivierung bestanden.