Les molécules marquées par des isotopes de l’hydrogène possèdent de nombreuses applications dans divers domaines tels que la chimie, la biologie ou en science des matériaux. Dans le domaine de la recherche de nouveaux médicaments, les études liées à la pharmacocinétique nécessitent un accès rapide à des molécules marquées afin de ne pas impacter les coûts et les délais de développement. Le développement de la métabolomique a aussi entrainé une augmentation du besoin en molécules marquées isotopiquement. En effet, les molécules deuterées peuvent être utilisées en tant qu’étalons internes pour la quantification rapide des métabolites présents dans des tissus ou des fluides biologiques. La première partie de cette thèse concerne le développement d’une méthode générale de marquage de motifs de type thioéther dans des molécules complexes à l’aide d’une nouvelle réaction d’échange isotopique (catalysée par des nanoparticules de Ruthénium). D’un point de vue fondamental cette transformation représente le premier exemple de (Csp³)-H activation dirigée par un atome de soufre. En termes d’application, cette nouvelle réaction permet la synthèse rapide d’étalons internes pour la quantification LC-MS/MS et le marquage tritium de molécules complexes. La seconde partie de cette thèse relate le développement d’une nouvelle méthode d’homocouplage de phénylpyridines catalysée par Ru/C. Différents substrats comportant des substituants riches et pauvres en électron ont été couplés avec de bons rendements. Ces dimères ont ensuite été utilisés pour synthétiser de nouveaux complexes de bore dont les propriétés photophysiques ont été étudiées. Dans une troisième partie, la mise au point d’une réaction palladocatalysée permettant d’obtenir des molécules polycycliques contenant un motif de type pyridine est développée. / Deuterated and tritiated compounds are widely used in numerous applications in chemistry, biology and material science. In the drug discovery and development process, ADME studies require quick access to labelled molecules, otherwise the drug development costs and timeline are significantly impacted. The rapid development of metabolomics has also increased the need for isotopically labelled compounds. In particular, deuterated molecules are used as internal standards for quantitative LC-MS/MS analysis of metabolites in biological fluids and tissues. In this context, a general method allowing the deuterium and tritium labelling of bioactive thioethers using a HIE reaction is described in the first chapter. From a fundamental point of view, this transformation is the first example of (Csp³)-H activation directed by a sulfur atom. In terms of application, this new reaction has been proved to be useful for the preparation of deuterated LC-MS/MS reference materials and tritiated pharmaceuticals owning high specific activity.In the second chapter of this manuscript, the development of a method allowing the cross-dehydrogenative homocoupling of 2-arylpyridines catalyzed by Ru/C is developed. Various substrates with different substituents were efficiently coupled to give the desired dimers in good yield. In terms of application, a series of pyridine-boron complexes derived from the phenyl pyridine dimers were also synthesized and their photophysical properties were studied.In the third chapter, a regioselective palladium catalyzed intramolecular arylation reaction allowing the synthesis of pyridine containing polycyclic compounds is described.

Cette thèse décrit le développement de trois méthodes de formation de liaison C-P par fonctionnalisation de liaison C-H avec l’utilisation d’aucun métal de transition.Tout d’abord, une méthode de phosphorylation régiosélective a été développée via un procédé séquentiel, constitué d’une activation de la pyridine par l’acide de Lewis BF3 suivie d’une oxydation par la chloranile qui réaromatise le cycle pyridinique. La caractérisation de l’intermédiaire de Meisenheimer par des études RMN à basse température nous a permis de confirmer le mécanisme de la réaction. Ensuite, nous avons développé une voie d’accès directe aux oxydes de benzo[b]phosphole à partir d’oxyde de phosphine secondaire et d’alycne via l’utilisation d’un oxydant organique et d’un organophotocatalyseur. Mis à part la grande étendue de cette méthodologie que nous avons appliquée à de nombreux susbtrats, nous avons effectué de nombreuses études physico-chimiques (RPE, RMN, diffraction des rayons X,…), qui nous a permis de proposer un courant. Ces études nous ont notamment permis de caractériser un complexe à transfert de charge existant entre l’état fondamental de l’organophotocatalyseur et l’oxydant organique qui est à l’origine de l’efficience de ce procédé. Enfin, nous avons développé une méthode de phosphorylation régiosélective et photoinduite d’aniline, ne nécessitant l’ajout d’aucun photocatalyseur. La réaction fonctionnne grâce à la photoexcitation d’un complexe à transfert de charge l’aniline et l’oxydant organique. Des études mécanistiques ont permis de caractériser ce complexe ainsi qu’un intermédiaire de type iminium. / This thesis describes the successful development of three modes of activation for the formation of Carbon–Phosphorus bonds under mild conditions and without the use of transition metals.First, a regioselective phosphorylation of pyridines has been developed via a sequential process consisting of the activation of the pyridine with a Lewis acid (BF3) followed by oxidative aromatization mediated by chloranil. The characterization of the Meisenheimer complex enabled to confirm the proposed reaction mechanism. Next, we developed a straightforward approach for the synthesis of benzo[b]phospholes from the reaction of secondary phosphine oxides and alkynes in the presence of an organic oxidant and eosin Y as a catalyst. Apart from the broad scope of this reaction, extensive mechanistic investigations, including EPR, NMR, steady state photolysis permitted the elucidation of the mechanism of this photoreaction. It has been suggested that the oxidant and the photocatalyst come together to form a ground state charge transfer complex that is the driving force of the photocatalyzed process. Finally, we developed a metal-free photoinduced approach for the phosphorylation of anilines and related structures. The reaction proceeded through the formation of an electron donor acceptor complexes between anilines derivatives (electron donors) and N–ethoxypyridinium (electron acceptor). Scope and limitations of this process are discussed along with detailed mechanistic studies.

Thesis advisor: Masayuki Wasa / Cooperative catalysis has been developed for transformations where at least two reactants are activated in situ by acid or base sensitive catalysts to form the reactive species and subsequent bond formation leads to desired product. This thesis focuses on the development of ɑ-amino C-H alkynylation and β-amino C-H deuteration through the use of cooperative catalysts. In the alkynylation reaction, N-alkylamines and trimethylsilyl substituted alkynes were used to synthesize propargylamines by the cooperative actions of Lewis acid catalysts, B(C₆F₅)₃ and copper complex. The reaction between in situ generated iminium ion and copper alkyne complex afforded the product. The method is applicable to the late-stage functionalization of bioactive amine drug molecules and has been shown to tolerate different functional groups on trimethylsilyl-substituted alkynes. In addition, an enantioselective and diastereoselective version of the method was also developed through the use of chiral copper complex. In the second part, selective deuteration of β-amino C-H bonds of various acylic and cyclic alkyl amines will be introduced. B(C₆F₅)₃ and Brønsted base work cooperatively to afford enamine and deuterated ammonium ion as reactive intermediate. Deuteration of enamine at the β-position and hydride reduction at the ɑ-position gave the selectively deuterated products. Acetone-d₆ was the found to be the optimal source of deuterium. This method was able to incorporate deuterium atoms up to 99% and can be applied in a gram scale reaction without compromising the yield or d-incorporation level. / Thesis (MS) — Boston College, 2020. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Chemistry.

Les composés marqués aux isotopes de l’hydrogène possèdent des nombreuses applications lors des phases précliniques de développement des médicaments. Par exemple, les composés deutérés sont utilisés comme étalons internes dans la quantification par LC-MS de métabolites alors que les molécules tritiées sont souvent des radiotraceurs de choix dans les études d’absorption, distribution, métabolisme et excrétion (ADME) moléculaire des candidats médicaments. Après une brève introduction, un premier chapitre discutera du développement d’une méthode douce et sélective, catalysée par des nanoparticules de ruthénium, qui permet d’effectuer le marquage en une étape de bases azotées et de médicaments dérivés. En changeant le ligand qui stabilise le nanocatalyseur, on a réalisé des échanges isotopiques compliqués tels que des tritiations en utilisant une pression sous-atmosphérique de tritium gaz et des deutérations d’oligonucleotides sensibles. Le chapitre suivant décrira la modification des catalyseurs commerciaux à base de ruthénium grâce à la coordination de carbènes N-hétérocycliques (NHCs). La modification assure une régio- et une chimiosélectivité améliorées lors de la deutération d’alcools aliphatiques. Certains des catalyseurs modifiés ont permis l’échange hydrogène/deutérium sur des molécules, particulièrement sensibles à la réduction, qui n’ont pas pu être isolées en utilisant le catalyseur commercial. Dans le dernier chapitre, la synthèse et l’évaluation de l’activité catalytique des nanoparticules à base d’iridium seront discutées. Ces nanocatalyseurs ont démontré une réactivité intéressante dans le marquage des composés complexes. Dans certains cas, les nanoparticules d’iridium ont permis l’incorporation de deutérium sur des positions inhabituelles en comparaison avec d’autres réactions d’échange isotopique déjà décrites. / Hydrogen isotopes labelled compounds possess a broad range of application in the early pre-clinical phases of drug development process. For instance, deuterated compounds are applied as internal standard in quantitative LC-MS techniques while tritiated molecules are often the preferred radioactive tracers for the study of molecular absorption, distribution, metabolism and excretion (ADME). After a brief introduction, a first chapter will discuss the development of a mild and selective method to perform late stage labelling of variously functionalized nucleobases and drug analogues catalyzed by ruthenium nanoparticles. By changing the ligand which stabilizes the nanocatalyst, we achieved challenging isotopic exchanges such as tritiations of pharmaceuticals using subatmospheric pressure of tritium gas and deuteration of sensible oligonucleotides. The next chapter will describe the modification of commercially available ruthenium nanocatalysts via the coordination of N-Heterocyclic carbenes (NHCs). The modification granted enhanced regio and chemoselectivity for the deuteration of aliphatic alcohols. Some of the modified ruthenium catalysts allowed the hydrogen/deuterium exchange on easily reducible compounds which were not obtainable using the unmodified commercial catalyst. The final chapter will discuss the synthesis and the evaluation of the catalytic activity of iridium nanoparticles. The latter, showed an interesting reactivity for the labelling of challenging substrates. In some of the investigated compounds, IrNps were able to introduce deuterium with unusual regioselectivities compared to already described hydrogen isotope exchange reactions.

Dans cette thèse, nous avons entrepris une aventure pour découvrir une application plus large de la chimie du xanthate dans la construction de cycles fusionnés et l'alkylation directe des hétéroarènes. Au chapitre II, nous avons abordé le problème de la préparation de l'azaindane en tirant parti de la capacité des xanthates à agir à la fois sur l'addition intermoléculaire et la cyclisation intramoléculaire. Au chapitre III, une étude sans précédent sur la fonctionnalisation directe des pyrazines a été décrite, conduisant à des pyrazines hautement fonctionnalisées avec de bons rendements et une bonne régiosélectivité. Enfin, au chapitre IV, nous avons développé une méthode de méthylation et de fluorométhylation des hétéroarènes. / In this thesis, we have undertaken an adventure to discover wider application of xanthate chemistry in the construction of fused cycles and direct alkylation of heteroarenes. In Chapter II, we have tackled the problem of preparation of azaindane by taking advantage of the ability of xanthates to mediate both intermolecular addition and intramolecular cyclisation. In Chapter III, an unprecedented investigation into the direct functionalization of pyrazines was described, leading to highly functionalized pyrazines in good yields and good regioselectivity. Finally, in Chapter IV, we have developed a method for the methylation and fluoromethylation of heteroarenes.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18232号 / 工博第3824号 / 新制||工||1586(附属図書館) / 31090 / 京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻 / (主査)教授 杉野目 道紀, 教授 吉田 潤一, 教授 村上 正浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20584号 / 工博第4364号 / 新制||工||1678(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻 / (主査)教授 杉野目 道紀, 教授 吉田 潤一, 教授 大江 浩一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

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In an effort to obtain more efficient and greener chemical transformations, a substantial amount of research interest has been directed towards the use of arene C-H bonds as functional groups. Hydroarylation of alkynes through direct functionalisation of C-H bonds has been studied in recent years leading to the development of high-yielding metal-mediated processes. The main aim of the current work is the addition of a third component in the hydroarylation of alkynes trough C-H activation, in order to achieve a second C-C bond formation. Attempts at palladium-catalysed three-component reaction of unactivated indoles with alkynes and aryliodides are described. The three-component reaction was studied in the intermolecular mode with both aryliodides and the more reactive diaryliodonium salts. These latter regents are reactive arylating and oxidising agents and have been used in the direct arylation of indoles under mild conditions through a PdII-PdIV catalytic cycle. In both cases the three-component product was not obtained. The intramolecular version of the reaction using alkyne-tethered indoles and diaryliodonium salts is also described. In this case the tandem process was successful, especially when using ethynylbenzyl indole derivatives, the Z-tetrasubstituted olefins could be selectively obtained under mild conditions. Finally, a low-yielding synthesis of chromenes from propargylaryl ethers and diaryliodonium salts is also discussed.

Developing asymmetric C-H bond activation methods in order to achieve enantiopure products is crucial for the advancement of the field and for the production of novel chiral compounds. Therefore, we tried to develop this area of organic chemistry by presenting metal catalyzed stereoselective C-H bond activation utilizing chelation-assisted tools. The first section of this study involves Rh(I) catalyzed asymmetric C-H bond activation of a series of ketones via an intermolecular procedure. By this method, we examine ortho-alkylation of aromatic ketones and β-functionalization of α-β unsaturated ketones with a series of prochiral olefins. In the second section, we present an efficient three steps method for stereoselective intramolecular C-H bond activation of indol-3-carboxaldehyde with tethered prochiral olefins. The catalytic system in both methods involves a joint chiral primary amine and Rh(I) catalyst. Chiral primary amines can serve to induce enantioselectivity as well as acting as a useful directing group which has shown appropriate coordination to the transition metal catalyst, providing high regioselectivity. / February 2017