<p>  </p> <p>Alkyl radicals are powerful intermediates for the generation of carbon-carbon bonds, which play an indispensable role in the synthesis of natural products, pharmaceuticals, and pesticides. Traditionally, there are two main methods for the generation of alkyl radicals. The first is C-H bond functionalization via hydrogen-atom-transfer (HAT). HAT processes have been used as an effective approach for selectively activating C-H bonds via radical pathways. The other strategy to explore the generation of alkyl radicals is C-X bond functionalization via halogen-atom-transfer (XAT). Alkyl halides are one of the largest classes of building blocks in synthesis and they can be obtained from the corresponding alcohols. The most straightforward and effective way to form such alkyl radicals is the direct homolytic cleavage of C-X bonds. In past decades, photoredox catalysis has emerged as a powerful and greener tool for the synthesis of radicals under mild reaction conditions, which has brought tremendous attention. Although remarkable success has been made in this field, some methods still require costly transition metal catalysts or toxic reagents. Herein, we display a series of visible light-induced approaches under transition-metal free conditions or using earth-abundant metals. These novel photo-induced transformations and corresponding mechanistic work will be discussed in the following order:</p> <p>We will first present our work on metal-free visible-light-promoted C(sp3)-H functionalization of aliphatic cyclic ethers using trace O2.  This reaction uses a trace amount of aerobic oxygen as the sole green oxidant under blue light at room temperature to achieve the synthesis of sulfone and phosphate derivatives in good to excellent yields using cyclic ethers and vinyl sulfones. Then, we report on a photo-induced C(sp3)-H chalcogenation of amide derivatives and ethers via a ligand-to-metal charge-transfer. This reaction converts secondary and tertiary amides, sulfonamides, and carbamates into the corresponding amido-<em>N,S</em>-acetal derivatives in good yields, using an earth abundant metal catalyst under mild conditions.</p> <p>Finally, we present a photoredox polyfluoroarylation of alkyl halides via halogen atom transfer. This method converts primary, secondary, and tertiary unactivated abundant alkyl halides into the corresponding polyfluoroaryl compounds in good yields and has good functional group compatibility.</p>

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(薬科学) / 甲第24557号 / 薬科博第174号 / 新制||薬科||19(附属図書館) / 京都大学大学院薬学研究科医薬創成情報科学専攻 / (主査)教授 大野 浩章, 教授 高須 清誠, 教授 大宮 寛久 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Pharmaceutical Sciences / Kyoto University / DFAM

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Cette thèse de doctorat porte sur la catalyse à partir de métaux de transition et sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base visant à former de nouvelles liaisons C–C, et à ainsi concevoir de nouvelles structures chimiques. Au cours des vingt dernières années, des nombreux efforts ont été réalisés afin de développer des méthodologies pour la fonctionnalisation de liens C–H, qui soient efficaces et sélectives, et ce à faible coût et en produisant le minimum de déchets. Le chapitre d'introduction donnera un aperçu de la fonctionnalisation directe de liens C–H sur des centres sp2 et sp3. Il sera également discuté dans cette partie de certains aspects de la chimie radicalaire reliés a ce sujet. Les travaux sur la fonctionnalisation d’imidazo[1,5-a]pyridines catalysée par des compleces de ruthénium seront présentés dans le chapitre 2. Malgré l'intérêt des imidazo[1,5-a]azines en chimie médicinale, ces composés n’ont reçu que peu d'attention dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C–H. L'étendue de la réaction et l'influence des effets stériques et électroniques seront détaillés. Les cyclopropanes représentent les 10ème cycles carbonés les plus rencontrés dans les petites molécules d’intérêt pharmacologique. Ce sont aussi des intermédiaires de synthèse de choix pour la création de complexité chimique. Malgré de grands progrès dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C(sp3)–H, l'étude des cyclopropanes comme substrats dans les transformations directes est relativement nouvelle. Le chapitre trois présentera l'arylation intramoléculaire directe de cyclopropanes. Cette réaction est réalisée en présence de palladium, en quantité catalytique, en combinaison avec des sels d’argent. Des études mécanistiques ont réfuté la formation d'un énolate de palladium et suggéreraient plutôt une étape de métallation - déprotonation concertée. En outre, les cycles de type benzoazepinone à sept chaînons ont été synthétisés par l'intermédiaire d'une séquence d'activation de cyclopropane/ouverture/cyclisation. Une arylation directe intermoléculaire des cyclopropanes a été réalisée en présence d'un auxiliaire de type picolinamide (Chapitre 4). Les deux derniers chapitres de ce mémoire de thèse décriront nos études sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base. Le mécanisme de la réaction de cyclisation intramoléculaire d'halogénures d'aryle, réalisée en présence de tert-butylate de potassium, a été élucidé et se produit via une voie radicalaire (Chapitre 5). La transformation, exempte de métaux de transition, ne nécessite que la présence d’une base et de pyridine comme solvant. Cette réaction radicalaire a été étendue à la cyclisation d'iodures d'alkyle non activés en présence d'un catalyseur à base de nickel et de bis(trimethylsilyl)amidure de sodium comme base (Chapitre 6). Des études de RMN DOSY ont démontré une association entre le catalyseur, la base et le matériel de départ. / The dissertation will focus on transition metal catalysis and base-promoted homolytic aromatic substitution as a means of forming new C–C bonds, and thus designing new chemical scaffolds. During the last twenty years, tremenduous efforts have been expended to achieve low-cost, waste-free, efficient and selective C–H bond functionalization methodologies. The introductory chapter will provide an overview of direct functionalization of C–H sp2 and sp3 centers, as well as discuss relevant topics in radical chemistry. Work on the ruthenium-catalyzed functionalization of imidazo[1,5-a]pyridines will be presented in Chapter 2. Despite interest from the medicinal chemistry field, imidazo[1,5-a]azines have received little attention in the C–H functionalization field. The scope of the reaction and, in particular, the influence of sterics and electronics will be detailed. Cyclopropanes represent the 10th most encountered rings in small drug synthesis. They are also valuable synthetic intermediates en route to more chemical complexity. Despite great advances in the field of C(sp3)–H functionalizations, the exploration of cyclopropanes as substrates in direct transformations is relatively novel. Chapter three will present the intramolecular direct arylation of cyclopropanes. A combination of palladium catalysis in presence of a silver salt was found to mediate the reaction. Mechanistic studies disproved the formation of a palladium-enolate and pointed towards a concerted metalation-deprotonation pathway. Furthermore, seven-membered benzoazepinone rings were synthesized via a cyclopropane activation/opening/cyclization sequence. An intermolecular direct arylation of cyclopropanes was achieved in presence of a picolinamide auxiliary (Chapter 4). The last two chapters of the thesis will describe our studies on base-promoted homolytic aromatic substitution. A potassium tert-butoxide-promoted intramolecular cyclization of aryl halides was shown to occur through a radical pathway (Chapter 5). The transition metal-free transformation occurred in the sole presence of the base and pyridine as the solvent. The radical process was extended to the cyclization of unactivated alkyl iodides in presence of a nickel catalyst and sodium hexamethyldisilzide as the base (Chapter 6). DOSY NMR studies demonstrated an association between the catalyst, base and starting material.

L’attrait des compagnies pharmaceutiques pour des structures cycliques possédant des propriétés biologiques intéressantes par les compagnies pharmaceutiques a orienté les projets décrits dans ce mémoire. La synthèse rapide, efficace, verte et économique de ces structures suscite de plus en plus d’attention dans la littérature en raison des cibles biologiques visées qui deviennent de plus en plus complexes. Ce mémoire se divise en deux projets ciblant la synthèse de deux structures aromatiques importantes dans le monde de la chimie médicinale. Dans un premier temps, l’amélioration de la synthèse de dérivés phénoliques a été réalisée. L’apport de la chimie en flux continu dans le développement de voies synthétiques plus vertes et efficaces sera tout d’abord discuté. Ensuite, une revue des antécédents concernant l’hydroxylation d’halogénure d’aryle sera effectuée. Finalement, le développement d’une nouvelle approche rapide de synthèse des phénols utilisant la chimie en flux continu sera présenté, suivi d’un survol de ses avantages et ses limitations. Dans un deuxième temps, le développement d’une nouvelle méthodologie pour la formation de 3-aminoindazoles a été réalisé. Tout d’abord, un résumé de la littérature sur la synthèse de différents indazoles sera présenté. Ensuite, une présentation de deux méthodes efficaces d’activation de liens sera effectuée, soit l’activation d’amides par l’anhydride triflique et l’activation de liens C–H catalysée par des métaux de transition. Finalement, le développement d’une nouvelle méthodologie pour la synthèse de 3-aminoindazole utilisant ces deux approches sera discuté. / The continuous attraction towards accessing cyclic structures that possess interesting biological properties by pharmaceutical companies has guided the projects described in this M.Sc. thesis. Due to the increasing complexity of drug targets, methodologies encompassing efficient, rapid, economical and environmentally friendly syntheses are highly sought in the organic chemistry literature. The present work consists of two projects targeting the synthesis of two important aromatic structures in the field of medicinal chemistry. The first part of the thesis will present an improved synthesis of phenol derivatives. The recent chemical contributions in the continuous development of greener and efficient synthetic routes will be discussed, followed by a quick review of the literature on the hydroxylation of aryl halides. Then, the development of a new approach for rapid synthesis of phenol derivatives using continuous flow chemistry will be presented, including an overview of its benefits and limitations. The second part of the thesis will put forward the development of a novel methodology for the formation of 3-aminoindazoles. A summary of the literature on the synthesis of various indazoles will be presented, followed by an overview of two effective bond activation methods: the amide activation using triflic anhydride and transition metal catalyzed C–H activation. Finally, the evolution of a new method for the synthesis of 3-aminoindazole using the previously mentioned two approaches will be discussed.

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

Cette thèse décrit le développement et la méthodologie pour la synthèse de 2-pyrazolo[1,5-a]pyridines à partir d’ylures de N-iminopyridinium et d’halogénures de styryle. Des dérivés de chaque ylure de N-iminopyridinium et d’halogénures de styryle ont été utilisés pour la synthèse de plusieurs composés avec un intérêt pharmaceutique. Le premier chapitre présente les précédents littéraires pour la synthèse de pyrazolopyridines. Spécifiquement trois types différents de synthèse seront présentés en détail. L’importance biologique de ces composés sera discutée. La vue d’ensemble des travaux développés dans notre groupe de recherche pour la synthèse des produits de départ sera présentée brièvement. Finalement, la science intéressante qui a apporté cette idée de recherche sera révélée. Le deuxième chapitre décrit les résultats des optimisations étudiées pour la synthèse des 2-phénylpyrazolo[1,5-a]pyridines à partir d’ylures de N-benzoyl-iminopyridinium et d’iodure de styryle. Chaque substrat de la réaction a été étudié individuellement afin d’être optimisé; les ratios, les solvants, la température du milieu réactionnel et le temps optimal de la réaction ont aussi été explorés. Le troisième chapitre présente l’étendue de la synthèse des pyrazolopyridines. L’étendue de la réaction inclut les dérivés des halogénures de styryle. L’étendue de la réaction a été élargie aux dérivés d’ylures de N-iminopyridinium et ils incluent des groupements donneurs d’électrons ainsi que des groupements pauvres en électrons. Des groupements exotiques d’iodure et de bromure de vinyle ont aussi été explorés. Le quatrième chapitre démontre les études mécanistiques que l’on a faites pour mieux comprendre les cycles catalytiques qui ont lieu durant la réaction. Des études de cyclisation avec les ylures de N-iminopyridinium ont été explorées pour les produits de départ suivants : iodure de styryle et phényl acetylène. / This thesis describes the development of a methodology for the one-pot synthesis of 2-pyrazolo[1,5-a]pyridines from N-iminopyridinium ylide and styryl-halide starting materials. Both N-iminopyridinium ylide derivatives and styryl-halide derivatives were employed for the synthesis of various pharmaceutically interesting pyrazolo[1,5-a]pyridines. The first chapter presents the literature precedents for the synthesis of pyrazolopyridines. More specifically, three different types of syntheses will be shown in detail. Furthermore, the biological importance of these compounds will be discussed. An overview of the developed methodologies previously carried out in our research group for the synthesis of the starting materials will be presented. Finally, the copper-catalyzed direct alkenylation of N-iminopyridinium ylides that brought about this research idea will be discussed. The second chapter describes the results of the optimization studies for the synthesis of 2-phenyl pyrazolo[1,5-a]pyridines from N-benzoyliminopyridinium ylides and styryl iodides. Each component of the reaction was individually screened and the loading ratios were optimized: e.g., solvent and temperature. The third chapter presents the scope of the pyrazolopyridine synthesis. The scope includes styryl iodide, –bromide and –chloride derivatives. The scope of the reaction was extended to N-iminopyridinium ylide derivatives and included electron donating and electron withdrawing groups. Substituted vinyl iodides and bromides were also investigated. The fourth chapter demonstrates the mechanistic studies conducted in order to obtain an accurate understanding of the catalytic cycles taking place during the reaction. Cyclization studies were explored for both styryl iodides and phenyl acetylene starting materials reacted with N-iminopyridinium ylides.

La réaction d’amination de liens C-H, impliquant la transformation directe d’un lien C-H en lien C-N constitue une approche synthétique d’avenir pour la préparation de composés azotés. L’application de cette stratégie de manière intramoléculaire apparaît comme une approche puissante pour la synthèse de composés hétérocycliques. En particulier, les oxazolidinones, carbamates cycliques à cinq chaînons, constituant une nouvelle classe d’antibiotiques très prometteuse, pourraient être synthétisées par cette méthode. Il y a moins d’une dizaine d’années, notre groupe de recherche a travaillé sur le développement de méthodologies utilisant des espèces nitrènes métalliques pour l’amination intra et intermoléculaire. Les N-tosyloxycarbamates, en présence d’une base et d’un catalyseur dimère de rhodium (II) tétracarboxylate sont les précurseurs de ces espèces nitrènes métalliques, capables de faire l’insertion de liens C(sp3)-H. Dans ces travaux de thèse, nous avons travaillé sur le développement d’une méthode plus « verte » d’amination intramoléculaire. Les N-mésyloxycarbamates, plus légers que leurs homologues N-tosyloxycarbamates, ont été identifiés comme d’excellents précurseurs de nitrènes. La méthodologie développée ne nécessite que 3 mol % de dimère de rhodium Rh2(tpa)4 et de 1,5 équivalents de solution aqueuse saturée de K2CO3, le tout dans l’acétate d’éthyle et donne de bons rendements de cyclisation. Une étude de l’étendue réactionnelle a été effectuée, montrant la tolérance et les limitations de notre système catalytique : les hétéroatomes ne posent pas de problèmes hormis l’atome d’azote, qui doit être protégé afin de garantir la transformation. En outre, nous avons constaté que les liens C-H aliphatiques secondaires sont moins réactifs que les liens tertiaires. Après avoir tenté de développer des conditions réactionnelles spécifiques aux liens C-H non activés, nous avons montré la possibilité d’aminer des liens C-H propargyliques de manière chimiosélective ; la triple liaison C-C peut ensuite être dérivatisée efficacement, donnant accès à la formule saturée correspondante ainsi qu’à d’autres motifs. Dans un désir de substituer les complexes de rhodium par d’autres complexes de métaux plus abondants et moins dispendieux, nous nous sommes tournés, dans un premier temps, vers les complexes de fer et par la suite, vers les pinceurs de nickel. Les phtalocyanines de fer ont été identifiées comme étant de bons catalyseurs de l’amination intramoléculaire de N-mésyloxycarbamates. Le chlorure de phtalocyanine de fer (III), en présence d’un sel de AgBF4 et de K2CO3, dans le 1,1,2,2-tétrachloroéthane anhydre, permet l’obtention de la 4-phenyloxazolidin-2-one avec 63% de rendement. En outre, il est possible d’atteindre un rendement de 49% à partir du même substrat N-mésyloxycarbamate, par catalyse avec un pinceur de nickel de type POCN, en présence d’un sel de mésylate. Des indices sur le mécanisme des ces deux transformations ont pu être recueillis lors de la courte étude de ces systèmes. / C-H amination reactions, i.e. the direct transformation of a C-H bond into a C-N bond, represents a very promising synthetic approach to prepare nitrogen-containing compounds. The strategy, when applied to intramolecular transformations, represents a powerful method for the preparation of heterocycles. In particular, oxazolidinones (5-membered carbamate heterocycles), which are a novel class of promising antimicrobials, could be easily accessed using C-H amination. Nearly a decade ago, our research group developed methods for metal nitrene-mediated C-H aminations, for both intra- and intermolecular transformations. N-Tosyloxycarbamates, in the presence of a tetracarboxylate rhodium (II) dimer catalyst and a base, were found to be good precursors to metal nitrenes; the latter being able to perform C(sp3)-H insertions. In the present thesis, we have worked on developing a “greener” method for C-H amination reactions. N-Mesyloxycarbamates, lighter than their N-tosyloxycarbamate homologues, were identified as nitrene precursors. The methodology requires only 3 mol % of rhodium dimer Rh2(tpa)4 and 1.5 equivalents of an aqueous saturated solution of K2CO3, in AcOEt and provides the cyclized product in good yields. The scope of the reaction was investigated, illustrating the tolerance and limitations of the catalytic system: heteroatoms are not a problem except for nucleophilic nitrogens, which should be protected, in order to allow for efficient transformation. We observed that secondary C-H bonds were less reactive than tertiary ones. After attempting to develop specific conditions for non-activated bonds, we showed that propargylic C-H bonds can be chemoselectively aminated; and the C-C triple bond can easily be further derivatized, allowing for structural diversification. With regards to replacing rhodium complexes by complexes of other metals, which are more abundant and cheaper, we focused first on iron complexes and then on nickel pincer complexes. Iron phthalocyanin complexes are viable catalysts for the intramolecular C-H amination using N-mesyloxycarbamates. Iron (III) phthalocyanin chloride, along with AgBF4 salt and K2CO3, in anhydrous 1,1,2,2-tetrachloroethane, allows the formation of phenyloxazolidin-2-one in 63% yield. Likewise, the same product can be generated in 49% yield, when a POCN nickel pincer is used as a catalyst, along with a sodium mesylate salt and a base, in anhydrous DCM. Some mechanistic clues could be collected while studying the catalytic systems.

Dans le cadre d’un programme de recherche dédié à la découverte de petites molécules à visée anticancéreuse, nous avons envisagé de concevoir des composés originaux dérivés de quinones. Notre premier objectif a été d’élaborer des mimes non-peptidiques de la protéine Smac, susceptibles de participer à relancer le phénomène d’apoptose, dont la structure est rigidifiée par des contraintes conformationnelles. Par ailleurs, les kinases et les phosphatases, jouant des rôles complémentaires de phosphorylation / déphosphorylation dans le cadre du contrôle du cycle cellulaire notamment, apparaissent aussi comme des cibles intéressantes. Une étude attentive de leurs inhibiteurs connus nous a permis de mettre en avant des analogies structurales qui nous ont conduit à vouloir synthétiser des motifs fonctionnalisés de dérivés de naphtoquinones.L’introduction directe de chaînes latérales aliphatiques sur nos substrats, par création de liaisons de type C(sp2)–C(sp3), a été rendue possible grâce au développement d’une méthodologie de décarboxylation radicalaire. Dans les conditions réactionnelles mises au point, le couple Ag(I)/S2O82- est utilisé comme initiateur radicalaire et autorise la génération de radicaux alkyles par décarboxylation d’acides aminés. L’introduction directe de cycles aromatiques fonctionnalisés, via la création de liaisons de type C(sp2)–C(sp2), a été réalisée par l’intermédiaire de la génération de radicaux aryles issus de sels de diazonium stables ou d’anilines. Les procédés décrits dans ce manuscrit nous ont permis d’apporter certains éclaircissements sur la réactivité des substrats et sur les mécanismes réactionnels impliqués. / In our ongoing course dedicated to the discovery of small anticancer molecules, we designed novel quinone derivatives. Our first objective was to fashion non-peptidic Smac mimics, able to trigger apoptosis in tumor cells, displaying a structure rigidified by conformational restrictions. Otherwise, the kinases and the phosphatases, acting as phosphorylating / dephosphorylating agents mostly in the control of the cell cycle, were thought to be other relevant biological targets. An intent study of their known inhibitors allowed us to underline trends in their chemical structure and made us plan the synthesis of functionalized naphthoquinones.A dedicated approach involving radical decarboxylation of amino acids allowed the introduction of aliphatic side chains on our substrates though C(sp2)–C(sp3) bond formation. Ag(I)/S2O82- was used as alkyl radical initiator and the direct C-H alkylation of the quinonic positions could take place. C(sp2)–C(sp2) bonds were created through aryl radicals generation from stable diazonium salts or anilines which allowed the direct C-H arylation of quinones. The procedures described along this manuscript let us formulate several advances on the substrates reactivity and on the reaction mechanisms involved.

Durant ma thèse, j’ai recherché des conditions pour l'activation / fonctionnalisation de liaisons C-H pour l’arylation d’hétérocycles viables pour l’industrie. Par rapport aux protocoles de couplage classiques tels que les réactions de Suzuki, Stille ou Negishi, la fonctionalisation de liaisons C-H fournit des procédures moins coûteuses et plus écologiques si elle tolère des groupements utiles en synthèse et si elle utilise des solvants peu ou non toxiques. Nous avons observé que le thiophène peut être arylé en C2 avec de nombreux bromures d'aryle en présence de seulement 0.2 mol% de Pd(OAc)2. Ensuite, nous avons démontré que des solvants de type alcool tels que le pentan-1-ol permet le couplage de thiazoles ou d’imidazoles avec des bromures d’aryle. Ce type de solvant est certainement plus viable pour l’industrie que les solvants usuellement utilisés pour ces couplages tels que le DMF ou le DMAc. Nous avons ensuite montré que certains de ces couplages peuvent même être effectués sans aucun solvant. Finalement, nous avons démontré que de nombreuses fonctions sur des bromopyridines sont tolérées lors de ces couplages, permettant l’accès à des pyridines arylées fonctionnelles utiles pour l’industrie pharmaceutique en une étape. / During my PhD, I searched for industrially viable conditions for activation / functionalization of CH bonds for the arylation of heterocycles. Compared to conventional coupling protocols such as Suzuki, Stille or Negishi reactions, the functionalization of CH bonds provides less costly and more environmentally friendly procedures if it tolerates synthetically useful functional groups and if it uses solvents with little or no toxicity. We observed that thiophene can be arylated at C2 with a wide scope of aryl bromides in the presence of only 0.2 mol% of Pd(OAc)2. Then, we demonstrated that alcoholic solvents such as pentan-1-ol allow the coupling of thiazoles or imidazoles with aryl bromides. This type of solvent is certainly more viable for the industry as the solvents commonly used for these couplings such as DMF or DMAc. We then showed that some of these couplings can even be performed without any solvent. Finally, we have shown that many functions on bromopyridines are tolerated in these couplings, enabling access to arylated functionalized pyridines useful for the pharmaceutical industry in one step.