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.

This thesis is focused on the development of new pincer complex-catalyzed transformations. Optimization of the catalytic properties (fine-tuning) was directed to increase the catalytic activity as well as the chemo-, stereo- and enantioselectivity of the complexes. This was achieved by varying the heteroatoms in the terdentate pincer ligand, by changing the electronic properties of the coordinated aryl moiety and by implementing chiral functionalities in the pincer complexes. In the cross-coupling reaction of vinyl epoxides and aziridines with organoboronic acids the chemoselectivity of the reaction could be increased by employment of pincer complexes instead of commonly used Pd(0) catalysts. Furthermore, the introduction of a methoxy substituent in the aromatic subunit of the complex considerably increased the activity of the pincer complex catalyst. Fine-tuning of the enantioselectivity in electrophilic allylation reactions was achieved by using a wide variety of new BINOL- and biphenanthrol-based pincer complexes. The highest enantioselectivity (85% ee) was obtained by applying biphenanthrol-based pincer complexes. Stereoselective pincer complex-catalyzed condensation of sulfonylimines with isocyanoacetate could be achieved under mild reaction conditions. By application of chiral PCP catalysts, 2-imidazolines could be obtained with up to 86% ee. A new pincer complex-catalyzed C-H bond functionalization based reaction between organonitriles and sulfonylimines affords homoallylic amines and beta-aminonitriles in high yields. The asymmetric version of this process affords beta-aminonitriles with up to 71% ee. In the last chapter, a pincer complex-catalyzed redox coupling reaction is described. In this highly regio- and stereoselective process the integrity of the pincer catalysts is fully retained. This catalytic reaction proceeds with a high level of functional group tolerance, as allylic acetate and aryl halide functionalities are retained.

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The use of small molecule building blocks in, for example, pharmaceutical research and new material development, creates a need for new and improved organic synthesis methods. The use of transition metals as mediators and catalysts opens up new reaction pathways that have made the synthesis of completely new compounds possible as well as greatly improved the synthetic routes to known compounds. Herein, the development of new metal-mediated and catalyzed reactions for construction of vinylic and allylic carbon-carbon and carbon-heteroatom bonds is described.  The use of iodonium salts as coupling partners in Pd-catalyzed Heck type reactions with alkenes is shown to improve the current substrate scope. Results from a mechanistic study indicate that the reaction proceeds via high oxidation state palladium intermediates. The use of IIII reagents is also believed to facilitate a PdII/PdIV catalytic cycle in allylic silylation of alkenes using (SiMe3)2, which, to the best of our knowledge, is the first method developed for metal-catalyzed allylic C-H silylation. The same silyl-source, (SiMe3)2, has previously been used in a Pd-catalyzed allylic substitution reaction in which allylic silanes are formed from allylic alcohols. A detailed mechanistic investigation of this reaction is described in which by-products as well as intermediates, including the resting state of the catalyst, are identified using 1H, 11B, 19F and 29Si NMR spectroscopy. Kinetic experiments are performed that give information about the turn-over limiting step and the mechanism of the analogous borylation using B2pin2 is also investigated. Insights from this study further made it possible to improve the stereoselectivity of this reaction. Additionally, a new method for Cu-mediated trifluoromethylation of allylic halides is presented in which linear products are formed exclusively from both linear and branched allylic substrates at room temperature.  Identification of allylic fluorides as by-products during the reaction also led to the development of a similar Cu-mediated reaction for the fluorination of allylic halides. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Manuscript.</p>

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L’objectif de cette thèse de doctorat a été la mise au point de nouvelles méthodes de synthèse pour la fonctionnalisation directe de liaison C-H d’énamide via des réactions métallo-catalysées ou métallo-assistées dans des processus chimio-, régio- et éventuellement énantiosélectifs. Dans un premier temps, nous avons développé la trifluorométhylation d’énamide sélectivement en position C3 via une catalyse au Fe(II) impliquant l’utilisation de nouvelles sources de fluor (réactif de Togni II) et dont le mécanisme radicalaire a pu être mis en avant. Dans un second temps, deux nouvelles méthodes de synthèse impliquant l’utilisation de Fe(II) et Fe(III) ont pu être mises au point pour l’azidation sélective en position C2 ou C3 d’énamide via la difonctionnalisation de ces composés. La synthèse de β-azido alcools ou α-azido esters a ainsi pu être effectuée avec un contrôle diastéréosélectif pour les composés trans. Par la suite, l’étude de la réactivité des nitrènes sur des substrats énamides a permis de mettre au point et de valoriser les réactions d’oxyamidation et de C-H amination via l’insertion sélective de ces nitrènes respectivement sur la double liaison C=C ou bien en position C4 d’énamide. La compétition entre ces deux réactions a alors pu être associée à la nature des substituants présents sur les substrats de départ et plusieurs énamides γ-aminées ainsi que des β-amino éthers ont pu être synthétisés. / The aim of this Ph.D thesis was the development of new synthetic methods for the metal-catalysed direct CH functionalization of enamide with chemo-, regio- and possible enantioselectivity. First, we have developped a C3-selective trifluoromethylation of enamide with Fe (II) catalyst involving new sources of fluoride (Togni’s reagent II) with a radical mechanism. Secondly, two new synthetic methods with Fe(II) and Fe(III) were promoted for the selective azidation of enamides respectively at C2 and C3 position involving difunctionalization of the C=C double bond. β-azido alcohols and α-azido esters were then synthesized by controlling the diastereoselectivity for the trans isomer. Finally, studies on the reactivity of nitrenes on enamides allowed us to develop oxyamidation reaction and CH amination with a selective insertion of nitrenes respectively on the double bond C=C or at C4 position. The outcome of the reaction is highly substrate-dependent and several γ-amino enamides and β-amino ethers have been synthesized.

Fluorinated nucleosides, especially the analogues with fluorine atom(s) in the ribose ring, have been known to exert potent biological activities. The first part of this dissertation was aimed at developing oxidative desulfurization-fluorination and reductive desulfonylation-fluorination methodologies toward the synthesis of 2'-mono and/or 2',2'-difluoro pyrimidine nucleosides from the corresponding 2'-arylthiopyrimidine precursors. Novel oxidative desulfurization-difluorination methodology was developed for the synthesis of α,α-difluorinted esters from the corresponding α-arylthio esters, wherein the arylthio group is present on a secondary internal carbon. For the reductive desulfonylation studies, cyclic voltammetry was utilized to measure the reduction potentials at which the sulfone moiety of substrates can be cleaved. The 5-bromo pyrimidine nucleosides and 8-bromo purine nucleosides act as crucial intermediates in various synthetic transformations. The second part of the present dissertation was designed to develop a novel bromination methodology using 1,3-dibromo-5,5-dimethylhydantoin (DBH). Various protected and deprotected pyrimidine and purine nucleosides were converted to their respective C5 and C8 brominated counterparts using DBH. The effect of Lewis acids, solvents, and temperature on the efficiency of bromination was studied. Also, N-bromosuccinimide (NBS) or DBH offered a convenient access to 8-bromotoyocamycin and 8-bromosangivamycin. Third part of this research work focuses on the design and synthesis of 6-N-benzylated derivatives of 7-deazapurine nucleoside antibiotics, such as tubercidin, sangivamycin and toyocamycin. Target molecules were synthesized by two methods. First method involves treatment of 7-deazapurine substrates with benzylbromide followed by dimethylamine-promoted Dimroth rearrangement. The second method employs fluoro-diazotization followed by SNAr displacement of the 6-fluoro group by a benzylamine. The 6-N-benzylated 7-deazapurine nucleosides showed type-specific inhibition of cancer cell proliferation at micromolar concentrations and weak inhibition of human equilibrative nucleoside transport protein (hENT1). In the fourth part of this dissertation, syntheses of C7 or C8 modified 7-deazapurine nucleosides, which might exhibit fluorescent properties, were undertaken. 8-Azidotoyocamycin was synthesized by treatment of 8-bromotoyocamycin with sodium azide. Strain promoted click chemistry of 8-azidotoyocamycin with cyclooctynes gave the corresponding 8-triazolyl derivatives. Alternatively, 7-benzotriazolyl tubercidin was synthesized by iodine catalyzed CH arylation of tubercidin with benzotriazole.

Fotoredoxkatalys har nyligen genomgått en renässans inom organisk kemi då metoden har möjliggjort framtagandet utav nya reaktionsvägar med milda reaktionsbetingelser genom att använda sig av synligt ljus. I det här arbetet undersöktes metodens bredd genom att kombinera metoden med väteatomöverföringskatalys för att funktionalisera C–H bindningar i α-position till heteroatomer och på så sätt skapa icke-naturliga α-aminosyror. Resultaten från detta arbete gav upp till 60% utbyte genom att kombinera dessa två katalysmetoder för substrat med Boc som skyddsgrupp, medan tertiära aminer inte krävde en väteatomöverföringskatalysator för kunna funktionaliseras. Den syntetiska metoden utan väteatomöverföringskatalys verkar dock inte vara applicerbara för sekundära aminer, men ser ut att fungera för C–H aktivering i α-position till svavelatomer vilket tyder på denna simplare metod utan väteatomsöverföring bör vara applicerbar för flera typer av substrat än för bara aminer / Photoredox catalysis has recently undergone a renaissance in the field of organic chemistry due the enabling of new reaction pathways under mild reaction conditions using visible light. In this work, the scope of this technology was explored by combining it with hydrogen atom transfer (HAT) to perform C–H functionalization in α-position to heteroatoms for synthesis of unnatural α-amino acids. The results showed that this is a viable method, gaining up to 60% yield using a dual catalytic system for Boc protected amines, while the functionalization of tertiary amines does not require HAT in order to work. Secondary amines proved to be non-applicable using the developed synthetic route without HAT catalyst while C–H activation in α-position to sulfur atoms gave similar response as tertiary amines – indicating that C–H activation without HAT should be applicable to a wider substrate scope than only using amines.

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.

Les métalloenzymes d’origine naturelle constituent une riche source d’inspiration pour la conception de catalyseurs synthétiques en raison de leur capacité à réaliser des réactions d’oxydation sélective dans des conditions douces. Parmi ces métalloenzymes, les amine-oxydases à cuivre (CuAOs) permettent l’oxydation sélective des amines primaires grâce à la coopération d’un catalyseur organique quinonique (topaquinone) et d’un ion cuivrique. Récemment, un regain d’intérêt s’est manifesté pour le développement de catalyseurs biomimétiques permettant l’oxydation des amines en imines à l’air ambiant, en raison de l’importance des imines comme intermédiaires de synthèse en chimie fine et en pharmacologie. Au laboratoire, un système co-catalytique mimant l’activité des CuAOs a été décrit pour l’oxydation, à l’air ambiant, des amines primaires en imines, permettant une forte économie d’atomes. Le procédé catalytique comprend deux couples redox comparables à ceux des CuAOs : le catalyseur organique o-iminoquinonique 1ox, généré in situ à partir de l’o-aminophénol correspondant 1red, est le véritable catalyseur de l’oxydation de l’amine substrat, tandis que le sel de cuivre (II) sert de médiateur redox. Il est intéressant de noter que de faibles quantités de sel de cuivre (II) biocompatible et de catalyseur organique 1ox suffisent à activer la liaison C-H située en α de la fonction NH2 des amines primaires aliphatiques, qui sont converties, à l’air ambiant, en imines issues du couplage hétérolytique, à l’issue d’un processus de transamination qui conduit à l’imine résultant du couplage homolytique, suivi d’une réaction de transimination. Les conditions douces utilisées sont particulièrement intéressantes d’un point de vue synthétique, notamment pour engager les alkylimines instables in situ dans des réactions subséquentes. Aussi, avons-nous envisagé d’utiliser ce système co-catalytique bioinspiré dans la synthèse one-pot d’hétérocycles d’intérêt pharmacologique. Dans la première partie de la thèse, nous avions l’intention d’utiliser le système co-catalytique Cu(II)/1ox dans la synthèse de nouveaux dérivés de la 1,4-benzoxazine. Dans le cas particulier des amines primaires de type R1R2CHCH2NH2, le processus catalytique se trouvait bloqué après un certain nombre de cycles catalytiques en raison de l’engagement du catalyseur 1ox dans une réaction de Diels-Alder à demande électronique inverse avec la forme énamine tautomère de l’imine éliminée au cours du processus catalytique, conduisant ainsi aux dérivés de la 1,4-benzoxazine. Toutefois, l’utilisation de ce procédé s’avéra un échec, les énamines générées étant trop instables à l’air ambiant pour permettre l’isolement des dérivés de la 1,4-benzoxazine avec des rendements acceptables. Nous avons ainsi été amenés à développer une réaction alternative en tandem : les dérivés o-aminophénols sont oxydés dans le méthanol sous atmosphère d’azote, à l’aide d’une quantité stoechiométrique de dioxyde de manganèse activé, en o-iminoquinones. Ces hétérodiènes sont ensuite piégés in situ par différentes énamines diénophiles pour conduire aux dérivés de la 1,4-benzoxazine attendus, dans des conditions douces. La possibilité d’introduire des éléments de diversité dans chacun des partenaires de la cycloaddition permet de préparer des dérivés de la 1,4-benzoxazine hautement substitués. Parmi ces composés, un dérivé présentant deux groupements phényle en position 3 s’est avéré présenter une activité neuroprotectrice notable chez la souris nouveau-né, faisant de lui un candidat potentiel pour le traitement et la prévention de la paralysie cérébrale du nouveau-né. Dans la seconde partie de la thèse, le système co-catalytique Cu(II)/1ox est utilisé dans une réaction de couplage oxydatif d’amines primaires, activées ou non, avec des o-aminoanilines conduisant ainsi à des dérivés du benzimidazole d’intérêt biologique au travers d’un procédé multi-étapes. (...) / Naturally occurring metalloenzymes constitute a rich source of inspiration for the design of synthetic catalysts because of their ability to perform controlled aerobic oxidations under very mild conditions. Among metalloenzymes, copper amine oxidases (CuAOs) promote selective aerobic oxidation of primary amines through the cooperation of a quinone-based cofactor (topaquinone) and a copper ion. Recently, there has been a boost in the development of biomimetic catalysts for the aerobic oxidation of amines to imines owing to the importance of imines as pivotal intermediates in the synthesis of fine chemicals and pharmaceuticals. In our laboratory, a CuAOs-like homogeneous co-catalytic system has been described for the atom-economical oxidation of primary amines to imines, under ambient air. The catalytic process combines two redox couples in a way reminiscent of CuAOs: the o-iminoquinone organocatalyst 1ox, generated in situ from the corresponding o-aminophenol 1red, is the substrate-selective catalyst, whereas the copper (II) salt serves as an electron transfer mediator. Interestingly, low loadings of biocompatible CuII and organocatalyst 1ox are sufficient to activate the α-C-H bond of primary aliphatic amines, which are converted, under ambient air, into cross-coupled imines through a transamination process that leads to the homocoupled imine intermediate, followed by dynamic transimination. The mild reaction conditions are highly favorable from a synthetic viewpoint, in particular for trapping the unstable alkylimines in situ for further reactions. So, we have envisioned the use of this bioinspired co-catalytic system in the one-pot synthesis of heterocycles of pharmacological interest. In the first part of the thesis, we envisioned that the Cu(II)/1ox cooperative system might be utilized to synthesize novel 1,4-benzoxazine derivatives. In the specific case of R1R2CHCH2NH2 amines, the catalytic process should stop after a few turnovers, because the catalyst 1ox should be trapped through inverse-electron-demand Diels-Alder (IEDDA) reaction with the simultaneously in situ generated tautomeric enamine form of the alkylimine extruded during the catalytic process, leading to 1,4-benzoxazine derivatives. Unfortunately, this protocol failed to produce the expected cycloadducts in acceptable yields as enamines rapidly decomposed under ambient air. For this reason, we have developed a tandem oxidation-inverse electron demand Diels-Alder reaction as an alternative: a stoichiometric amount of activated MnO2, in deaerated methanol, was then sufficient to convert various o-aminophenol derivatives into o-iminoquinone heterodienes which were trapped in situ by different enamine dienophiles leading to the expected 1,4-benzoxazine derivatives under mild conditions. The possibility of introducing variations in both cycloaddition partners led to highly substituted 1,4-benzoxazine cycloadducts with up to five elements of diversity. Among these compounds, a 3,3-diphenyl-substituted-1,4-benzoxazine derivative was identified as an effective neuroprotective agent in newborn mice, suggesting that it could be a potential candidate for the treatment and prevention of cerebral palsy. In the second part of the thesis, the Cu(II)/1ox cooperative system has been successfully used for the catalytic oxidative coupling of a diverse range of activated and non-activated primary amines with o-amino-anilines under ambient air leading to benzimidazoles of biological interest through multistep oxidation and nucleophilic addition reactions. Through the variation of both solvent and coupling partners, MeOH proved to be the best solvent for this transformation because it provided the ideal balance of 1ox solvation and reaction rate, except when reactive N-alkyl o-aminoanilines were used as in situ imine traps, due to the concomitant formation of a benzimidazole byproduct originated from MeOH itself. (...)