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The first section of this dissertation (Chapter I-III) describes the development of new methodologies for the rhodium catalyzed C-N bond formation between sp3 hybridized carbon atom of phenyl substituted alpha-lactams and the nitrogen atom of indole derivatives. Phenyl substituted alpha-lactams generated in situ from the corresponding alpha-bromoamides reacted with indoles in the presence of rhodium catalyst to afford the ring opening products of alpha-lactams. The scope of this methodology was extended to various types of indole derivatives including electron donating and withdrawing substituents. Furthermore, a series of functionalized phenyl substituted alpha-lactams generated in situ reacted with indole to assess the viability of this methodology. The developed method provides an atom-economical approach for the formation of substituted alpha-amino amides in good to excellent yields. The main goal of the research described in the second section (Chapter IV-VII) is the synthesis of the corannulene-based molecular receptors with polar tethers and their immobilization on silica gel. First, we have considered a preparation of bis-corannulenoanthracene, formally possessing the pentacene core as a potential precursor for a series of barrelene based bis-corannulene receptors with polar groups. Bis-corannulenoanthracene was synthesized by the double Diels-Alder cycloaddition of isocorannulenofuran with bis-benzyne precursor, followed by deoxygenation of the endoxide adducts. While bis-corannulenoanthracene is stable enough to be isolated and stored, its pentacene core undergoes facile cycloaddition with maleic anhydride to afford bis-corannulene molecular receptor with the barrelene tether adorned with the anhydride moiety. The 1H NMR titration experiments carried out in chlorobenzene-d5 proved the high binding affinity of the receptor toward C60. In addition, the presence of polar anchors on its tether allowed for its deposition on silica gel through the (3-aminopropyl)triethoxysilane linker.

Development of C–N bond formation chemistry is a continuing field of study. Recently copper based Chan-Evans-Lam cross-coupling was discovered, and although our understanding of the mechanism has grown, there are still many unanswered questions to be explored. Herein, we set out to develop a series of copper complexes that can stabilize different oxidation states in an attempt to probe how this impacts the mechanism. Initially complexes of copper(II) with 1,10 phenanthroline (phen) and related ligands were generated for use with CEL coupling. The complexes were probed electrochemically and photophysically and found that the 4,5-diazafluorenone complex 4 had a Cu2+/Cu+ potential +1.1 V relative to phen. We observed that the copper complex 4, which stabilize the Cu+, gave the greatest yield of the desired product. Following this study, we aimed to synthesize novel N-heterocyclic carbene copper complexes, which could better stabilize the copper(II) and copper(III) states. Several ligands and derivatives were synthesized, and copper(II) complexes were made using Cu(OAc)2 as a direct metalation agent. This complex was characterized via several spectroscopic methods and it was found to be a copper(II) complex. Initially this complex was thought to be relatively air stable but it was found to slowly decomposed to a novel di-copper bis-imidazolium complex over the course of 96 hours. While the identity of some of the intermediates are unknown, crystals of a potential end point were grown. A series of preliminary C–N coupling reactions show that the NHC copper(II) complexes are possible catalysts in alcoholic solvents.

Telomeres are nucleoprotein complexes found at the ends of linear eukaryotic chromosomes. Telomeres consist of a short sequence of repetitive double stranded DNA, TTAGGG repeats in humans (and all mammals), and a complex of 6 proteins, termed the shelterin complex. The length of the telomeres varies greatly between species, from approximately 300 base pairs in yeast to many 10-15 kilo bases in humans, because of the end replication problem this length get shorten with each cell division and ultimately leads to cell death. However the immortal eukaryotic cells and some transformed human cells over come this incomplete end replication problem with the use of enzyme called Telomerase. Telomerase is a ribonucleoprotein enzyme that adds a specific DNA sequence repeats (TTAGGG) to the 3¢ end of DNA strands in the telomere regions. However from the telomerase activity studies, it was concluded that telomerase is active in almost 90% of human cancers but not in normal somatic tissues. Finally, the low or transient expression of telomerase in normal tissues, including normal stem cells, and the generally longer telomeres in normal cells versus tumor cells provide a degree of tumor specificity to telomerase-based drugs and reduce the probability of toxicity to normal tissue. All of these factors suggest that cancer drugs based on telomerase might have a broad therapeutic window. This dissertation focusing on the synthesis of acridine derivatives that have the capability to inhibit the enzyme telomerase. Several N-acridyl maleimide (NAM), N-acridyl succinimide (NAS) and N-acridyl phthalimide (NAP) derivatives have been synthesized and evaluated for their anti cancer activity against various cancer cell lines. While synthesizing acridine derivatives it was required to form the C-N bonds at various stages. Developed a copper-nicotinic acid complex, which catalyzes the coupling of aryl halides with N-formyl amines and cyclic imides to form C-N bond. Explored Cu (II) catalyzed formation of C-N bond by coupling aryl halides with various N-nucleophiles such as formamide, N,N-dimethyl formamide, N-formyl amines and various cyclic imides.

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À la lumière du changement climatique et de l'épuisement des réserves de combustibles fossiles, l'innovation dans les technologies énergétiques vertes et durables devient un défi crucial. La fabrication de produits chimiques consomme de grandes quantités d'énergie et est responsable d'une part importante des émissions mondiales de carbone. Dans ce contexte, l'électrosynthèse, alimentée par de l'électricité renouvelable, peut remplacer de nombreux procédés thermochimiques industriels pour générer des carburants, des produits chimiques et des engrais. Plutôt que de nous concentrer sur des domaines qui ont reçu beaucoup d'attention ces dernières années (par exemple, l'électrolyse de l'eau et la réduction du CO2), nous avons exploré les domaines émergents de l'électrosynthèse hétérogène pour lesquels il existe un besoin substantiel. Dans le chapitre 3, nous soulignons l'importance de concevoir des électrocatalyseurs avec des sites actifs bien définis. Nous rapportons l'utilisation de la chimie réticulaire pour concevoir un système de modèle électrocatalytique à base d'organo-métallique conducteur avec des sites actifs moléculaires M-O4 pour l'oxydation électrochimique du 5-hydroxyméthylfurfural (HMFOR). L'activité des MOF portant des sites actifs Ni-O4 (Ni-CAT) et Co-O4 (Co-CAT) a été analysée avec des techniques spectroscopiques électrochimiques et operando pour élucider le mécanisme de réaction se produisant à la surface. Les expériences électrochimiques révèlent que le Co-CAT a un potentiel d'apparition plus précoce pour activer le HMFOR, par rapport à la plupart des catalyseurs établis, tandis que le Ni-CAT présente une cinétique plus rapide pour la conversion du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) en acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA) . Nous avons déterminé que Ni-CAT atteignait des rendements de FDCA (notre molécule cible) de 98,7 %. L'efficacité faradique peut atteindre 86,8% d'efficacité faradique. La spectroscopie infrarouge indique le HMF avec un groupe aldéhyde lié à la surface comme intermédiaire clé dans le cycle catalytique, qui se forme une fois que l'oxydation M (II \ III) se produit. Ce travail illustre l'avantage d'utiliser des sites actifs moléculairement définis couplés à la spectroscopie operando pour fournir des informations fondamentales sur une variété de réactions électrosynthétiques et ouvrir la voie à la conception future de catalyseurs. Suite à ce projet, nous nous sommes tournés vers l'utilisation d'un réacteur à membrane sélective pour l'hydrogène afin d'explorer de nouveaux concepts de réaction et de catalyseurs. La clé ici était d'utiliser une feuille de Pd comme matériau qui réduisait les protons en *H dans un compartiment aqueux et transférait l'hydrogène dans un compartiment organique où il hydrogénait le réactif de choix. À l'aide d'un réacteur à membrane, nous avons pu séparer physiquement la réduction électrochimique de l'hydrogène et la chimie de l'hydrogénation d'une manière qui contournait l'utilisation du gaz H2 qui serait autrement nécessaire. Nous choisissons comme point de départ un produit chimique produit industriellement en excès, l'acétonitrile. Le réacteur à membrane Pd est appliqué pour hydrogéner complètement la liaison C≡N de l'acétonitrile. Avec succès, nous avons obtenu de l'ammoniac et de l'acétaldéhyde comme produits de réaction à un potentiel de début record de 0,4 V vs Ag/AgCl. Enfin, en concevant soigneusement une cellule spectroélectrochimique unique, nous avons pu effectuer des mesures spectroscopiques infrarouges pour visualiser le processus de réaction dans la membrane Pd et par conséquent proposé un mécanisme unique de réaction d'hydrolyse de l'imine (Chapitre 4). Dans le chapitre 5, nous choisissons d'innover dans un domaine émergent : la formation de liaisons électrochimiques C-N à partir de réactifs de petites molécules (par exemple CO2, NH3). Le mécanisme conventionnel de formation de liaisons électrochimiques C-N est basé sur le CO2RR électrochimique. Dans ce chapitre, nous proposons une stratégie orthogonale pour activer simultanément le CO2 et les N-réactifs en appliquant respectivement des impulsions de potentiel négatives et positives. Les nanoparticules de Cu sont utilisées comme catalyseur modèle, le CO2 agit comme réactif C et le NH3 agit comme réactif N pour le couplage C-N. Dans des conditions optimisées dans lesquelles la couverture *NH2 est maintenue à l'état stable tandis que Cu reste métallique, l'électrolyse pulsée augmente à la fois le taux de formation et la sélectivité des produits C-N urée, formamide et acétamide de 3 à 20 fois. En étendant le champ d'application à des réactifs C et N supplémentaires, ainsi qu'au couplage C-S, cette nouvelle approche démontre davantage sa valeur générale en électrosynthèse. / In light of climate change and depleting fossil fuel reserves, innovating green and sustainable energy technologies becomes a critical challenge. Chemical manufacturing consumes large amounts of energy and is responsible for a substantial portion of global carbon emissions. Against this backdrop, electrosynthesis, powered by renewable electricity, can replace many industrial thermochemical processes to generate fuels, chemicals, and fertilizers. Rather than focusing on areas that have received much attention in recent years (e.g. water electrolysis and CO2 reduction), we explored emerging areas within heterogeneous electrosynthesis for which there is a substantial need. In chapter 3, we highlight the importance of designing electrocatalysts with well defined active sites. We report the use of reticular chemistry to design a conductive metal organic framework-based electrocatalytic model system with molecular M-O4 active sites for electrochemical oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMFOR). The activity of MOFs bearing Ni-O4 (Ni-CAT) and Co-O4 (Co-CAT) active sites were analyzed with electrochemical and operando spectroscopic techniques to elucidate the reaction mechanism occurring on the surface. Electrochemical experiments reveal that Co-CAT has an earlier onset potential for enabling HMFOR, relative to most established catalysts, while the Ni-CAT shows faster kinetics for the conversion of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA). We determined that Ni-CAT achieved FDCA (our target molecule) yields of 98.7% yield. The faradic efficiency can reach out to 86.8% faradic efficiency. Infrared spectroscopy points to HMF with a surface-bound aldehyde group as the key intermediate in the catalytic cycle, which forms once the M(II\III) oxidation occurs. This work illustrates the advantage of utilizing molecularly defined active sites coupled with operando spectroscopy to provide fundamental insights into a variety of electrosynthetic reactions and pave the way for future catalyst design. Following this project, we turned to the use of a hydrogen-selective membrane reactor to explore more new reaction and catalysts concepts. The key here was using a Pd foil as a material that reduced protons to *H at an aqueous compartment and transferred the hydrogen through to an organic compartment where it hydrogenated the reactant of choice. Using a membrane reactor, we could physically separate electrochemical hydrogen reduction and hydrogenation chemistry in a manner that circumvented the use of H2 gas as would otherwise be necessary. We choose a chemical that is industrially produced in excess, acetonitrile, as a starting point. The Pd membrane reactor is applied to fully hydrogenate the C≡N bond of acetonitrile. Successfully, we obtained ammonia and acetaldehyde as reaction products at a record onset potential of 0.4 V vs Ag/AgCl. Finally, by carefully designing a unique spectroelectrochemical cell, we were able to carry out infrared spectroscopic measurements to visualize the reaction process in Pd-membrane and consequently proposed a unique imine-hydrolysis reaction mechanism (Chapter 4). In Chapter 5, we choose to innovate in an emerging area: electrochemical C-N bond formation from small molecule reactants (e.g. CO2, NH3). The conventional electrochemical C-N bond formation mechanism is based on electrochemical CO2RR. In this chapter, we propose an orthogonal strategy to simultaneously activate CO2 and N-reactants by applying negative and positive potential pulses, respectively. Cu nanoparticles are used as a model catalyst, CO2 acts as the C-reactant, and NH3 acts as the N-reactant for C-N coupling. Under optimized conditions in which *NH2 coverage is maintained at steady state while Cu remains metallic, pulsed electrolysis increases both the rate of formation and the selectivity of the C-N products urea, formamide and acetamide by 3-20 times. By extending the scope to additional C- and N-reactants, as well as C-S coupling, this new approach further demonstrates its general value in electrosynthesis.

Cette thèse est constituée de trois parties : 1) Le contexte bibliographique, 2) le développement de réactions domino cupro-catalysées et 3) une approche vers la synthèse totale des raputindoles.La première partie introduit d’abord le concept de réactions domino ainsi que leurs applications, puis les réactions catalysées par du cuivre permettant de former des liaisons C-N sont passées en revue en incluant les couplages de Ullmann, Goldberg et de Chan-Lam, les séquences d’activation oxydante de liaisons C-H/formation de liaison C-N, l’insertion de nitrènes et l’hydroamination de liaisons C-C multiples. En se basant sur ces réactions élémentaires permettant de former une liaison C-N unique, les développements récents de réactions domino sont ensuite détaillés.La deuxième partie peut être subdivisée en 3 sections : 1) la synthèse de benzimidazoles, 2) la synthèse d’imidazoles and 3) la synthèse de guanidines. Un rappel des méthodes existantes pour la synthèse de ces motifs est proposé dans chaque section. Notre travail, basé sur la formation de liaisons C-N multiples selon une séquence cupro-catalysée domino, est ensuite détaillé. Celui-ci nous a permis d’aboutir au développement de voies d’accès aux benzimidazoles, en utilisant une réaction séquentielle catalysée par du cuivre en présence d’oxygène à partir d’acides boroniques et d’amidines, à la synthèse d’imidazoles par une réaction de di-amination d’alcynes vrai par des amidines et à l’obtention de guanidines et de 2-aminobenzimidines par une réaction à 3 composant. Ces réactions domino montrent une bonne efficacité et permettent d’assembler des hétérocycles à partir de précurseurs aisément accessibles.La dernière partie est consacrée à la synthèse des raputindoles. La structure, les activités et les réactions clé pour la construction de ces alcaloïdes sont discuté d’abord, nous amenant à proposer une rétrosynthèse pour accéder à ces molécules. Les réactions qui ont retenues notre attention pour construire ces molécules sont une annelation [3+2] irido-catalysée d’acides o-formylarylboronique et de 1,3-diènes, la synthèse de Leimgruber-Batcho pour obtenir des indoles et une séquence d’alkylboration-protodéboration. A partir de cela 3 stratégies ont été évaluées, montrant que l’accès à ce type de composé naturel est envisageable en combinant ces étapes. / This thesis consists in three parts: bibliographic background, copper-catalyzed reactions for synthesis of N-containing compounds, approach to the synthesis of raputindoles.The first part introduces the domino reactions and their applications, then, copper-mediated reactions for construction of C-N bond formation are reviewed including Ullmann, Goldberg and Chan-Lam coupling, oxidative C-H activation/C-N formation, insertion of nitrenes and carbenoids, and hydroamination of multi-C-C bonds. This can be used as guides to design domino reaction. Following these copper-mediated single C-N bond formation reactions, recent developments of copper-catalyzed domino reactions for synthesis of heterocycles are described.The second part can be divided into three sections: 1) synthesis of benzimidazoles, 2) synthesis of imidazoles and 3) synthesis of guanidines. Each section summarizes the existing methods used for their synthesis. Following it, our synthetic work involving copper-catalyzed C-N bond formation domino reactions is discussed in detail. Our objectives include the synthesis of benzimidazoles through copper-catalyzed sequential reaction of benzamidines and boronic acids, synthesis of imidazoles via copper-catalyzed domino reaction of benzamidines and acetylenes, and synthesis of guanidines and 2-aminobenzimidazoles by Cu-catalyzed three-component reaction of cyanamides, boronic acids and amines. These copper-catalyzed domino reactions show high efficiencies from readily available and simple starting materials.The last part is about the total synthesis of raputindoles. The structure and bioactivities of raputindoles and key reactions for the total synthesis of raputindoles are introduced first, the synthetic strategies are then proposed on basis of relative synthetic methods. The key reactions we use for the synthesis of raputindoles are iridium catalyzed [3+2] annulation of o-formylarylboronic acids and 1,3-dienes, Leimgruber-Batcho indole synthesis, transition-metal catalyzed SN2 substitution and alkylborylation-protondeborylation. According to the three strategies we proposed, lots of relative reactions were investigated. The results show that it is possible to synthesize the raputindole molecules based on the iridium catalyzed [3+2] annulation of 2-formylarylboronic acids and 1,3-dienes.