This thesis is comprised of two parts. The first part describes the synthesis of cyclopentadienyltungsten complexes containing a pendant alkyne group (I), and the subsequent photo-induced intramolecular coordination of the alkyne, forming complexes such as II. Compounds containing intramolecularly coordinated alkynes are rare, and this is the first example using cyclopentadiene as the core ligand. The second part describes the synthesis and structural characterisation of a number of novel metal complexes containing N-heterocyclic carbene ligands, some containing particular functionality for taylored applications. New methods were used to form complexes of rhodium, iridium, silver and gold (eg. III, IV). Structural and spectroscopic properties of the complexes were correlated with electronic characteristics of the ancillary ligands. A number of rhodium and iridium complexes (eg. IV) derived from imidazolium-linked cyclophanes were synthesised and structurally characterised. Complexes of N-heterocyclic carbenes with pendant ionic groups were synthesised, and a preliminary examination of their catalytic activity in water was performed. N-Heterocyclic carbenes complexes containing an electron withdrawing nitro group were synthesised and the effect of the nitro group on metal-ligand bonding was examined.

Thesis (Ph.D.) -- McMaster University, 1999. / Includes bibliographical references (leaves 149-161). Also available via World Wide Web.

19 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "IS-T 2117" Guodong Du. 12/19/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Ce travail de thèse porte sur la chimie organométallique des complexes d'or(I) et sur l'étude de leurs réactivités. Plus particulièrement, le travail présenté ici dans ce manuscrit avait pour objectif d'approfondir nos connaissances sur l'impact des ligands utilisés sur la réactivité de l'or vis-à-vis (i) de l'addition oxydante intermoléculaire et (ii) la possibilité de stabiliser des intermédiaires d'or(I) hautement réactifs. Dans la première partie de ce manuscrit, l'addition oxydante intermoléculaire des halogénures d'aryle (iodure et bromure) à des complexes moléculaires d'or(I) a été étudiée en détails. Nous avons pu montrer que cette étape élémentaire de la chimie organométallique, considéré comme impossible avec l'or, était en fait un processus favorable lorsqu'un ligand adéquat est employé, et deux stratégies différentes ont été élaborées. La première consiste à utiliser un ligand bis-phosphine bidenté qui impose une géométrie coudée autour de l'or, tandis que la deuxième stratégie implique l'utilisation d'un ligand hémi-labile bidenté avec des groupements donneurs doux et dur. Les deux stratégies ont été fructueuses, et les complexes d'or(III) issus des réactions d'addition oxydante ont été caractérisés spectroscopiquement et structuralement. Dans la deuxième partie, ayant à notre disposition deux complexes d'or(I) capable d'effectuer l'addition oxydante, nous voulions aller au-delà de cette étape élémentaire. Dans cet objectif, nous avons construit un nouveau cycle catalytique Au(I)/Au(III) impliquant une séquence d'addition oxydante Csp2-X, de Csp2-H auration et d'élimination réductrice, illustrant le premier exemple d'arylation directe d'arènes avec des halogénures d'aryle catalysée à l'or. Enfin, dans la dernière partie, nous avons tenté de stabiliser et de caractériser des intermédiaires d'or(I) très instables, comme le a-oxo carbène d'or(I). Cette espèce hautement électrophile est proposée comme un intermédiaire clés dans des nombreuses transformations catalytiques, mais n'a jamais été isolé ou caractérisé (en solution ou à l'état solide). L'utilisation d'un ligand bis-phosphine bidenté nous a permis de caractériser spectroscopiquement et structuralement le carbène a-oxo d'or(I) pour la première fois. Nous avons ensuite étudié sa réactivité vis-à-vis des réactions d'insertion et de cyclopropanation. / The present work is an organometallic study concerning the chemistry of gold(I) complexes and their reactivity. Of particular interest was to gain further knowledge on the impact of the ligands employed on the reactivity of gold towards (i) the intermolecular oxidative addition of aryl halides and (ii) the possibility of stabilizing high reactive gold(I) intermediates. In the first part of the manuscript, the intermolecular oxidative addition of aryl halides (iodide and bromide) with molecular gold(I) complexes was investigated in detail. We showed that this organometallic elementary step, usually considered to be impossible for gold, is actually a favorable process when an adequate ligand is employed and two different strategies have been elaborated. The first one consists in the use of a bis-phosphine bidentate ligand that forces a bent geometry around gold, whereas the second strategy implicates the use of a hemi-labile bidentate ligand bearing a soft and a hard donor group. Both strategies were found fruitful, and the gold(III) complexes stemming from oxidative addition reactions were characterized by spectroscopic and structural means. In the second part, having in hands two gold(I) complexes that undergo the oxidative addition reaction, we wanted to go beyond this elementary step. In that objective, we constructed a new Au(I)/Au(III) catalytic cycle involving a sequence of Csp2-X oxidative addition, Csp2-H auration and reductive elimination, allowing the first example of gold-catalyzed direct arylation of arenes with aryl halides. Finally, in the last part, we attempted to stabilize and characterize high reactive gold(I) intermediates, like the a-oxo gold(I) carbenes. This electrophilic species is proposed in many catalytic transformations as key intermediates, but has never been isolated or characterized (in solution or in solid state). The use of a bidentate diphosphine ligand allowed the characterization of the a-oxo gold(I) carbene for the first time by means of multinuclear NMR spectroscopy, X-ray diffraction analysis and high resolution mass spectroscopy (ESI+). We then investigated the reactivity of the a-oxo gold(I) carbene towards insertion and cyclopropanation reactions. Interestingly, the reactivity of the generated gold(I) carbenes can be modulated depending on the electronic properties of the aryl ethyl diazoacetate used.

L’objectif de cette thèse était la synthèse de nouveaux pro-ligands NHC et de leurs complexes métalliques correspondants, en particulier de l’iridium. La tentative de trouver de nouvelles voies de synthèse de complexes NHC à partir des imidazole-2-thiones correspondants n’a pas donné les résultats attendus.Cependant, il a été possible de préparer des composés de coordination intéressants de ces imidazole-2-thiones : ainsi, un complexe de Bi a été préparé et a pu servir d’agent de transmétallation vers le Pd. De nouveaux proligands NHC de type « pince » et plusieurs de leurs complexes d’iridium ont été préparés. Plusieurs complexes de mercure portant ces ligands ont été synthétisés. De plus, une série de sels d’imidazolium portant des fonctionnalités potentiellement hémilables a été préparée et leur réactivité vis-à-vis de l’iridium étudiée. / The purpose of this thesis was the synthesis of novel pro-ligands to NHCs and their corresponding metal complexes, notably of iridium. While the attempt to find a new pathway to obtain NHC complexes starting from the corresponding imidazole-2-thiones did not yield the expected result, it was possible to obtain interesting coordination compounds from those imidazole-2-thiones themselves:A dinuclear Bi complex was prepared that served as an effective transmetallation agent toward Pd. Novel pincer-type NHC pro-ligands were obtained, and several iridium complexes of their corresponding NHC ligands were prepared. Furthermore, several mercury complexes of these ligands were synthesized. Finally, a series of imidazolium salts bearing potentially hemilabile functionalities were prepared and their reactivity toward Ir was studied.

Au cours des dernières années, l'utilisation des carbènes N-hétérocycliques (NHCs) en tant qu'organocatalyseurs a connu un succès impressionnant. Dans ce manuscrit, nous présentons le design et la synthèse de nouveaux organocatalyseurs NHC bifonctionnels, et leurs applications pour la chimie énantiosélective des homoénolates. En parallèle de ces études, une approche conceptuellement nouvelle aux carbènes de pyridine est proposée et exploitée dans une réaction à trois composants originale. Globalement, ce travail contribue au progrès de la connaissance sur l'utilisation des carbènes comme organocatalyseurs et intermédiaires réactionnels. / N-heterocyclic carbenes (NHCs) have become extremely popular organocatalysts in last decade. In this manuscript, we present our work in the design and the synthesis of a new class of bifunctional NHC organocatalysts, and their applications in enantioselective reactions with homoenolate equivalents. Additionally, a conceptually new synthetic approach to pyrid-2-ylidene carbenes is proposed and used in an original three-component reaction. In a broad sense, this work contributes to the progress of knowledge on the use of NHCs as organocatalysts and reaction intermediates.

Des ligands hydrides potentiellement bidentes (possédant un donneur N-hétérocyclique (NHC) associé à un groupement donneur éther ou amine) ainsi que des ligands tritopiques de type pinceur (possédant un groupement (NHC) flanqué de deux types de donneurs azotés différents Nimine et Namine) ont été préparés et utilisés pour la coordination de métaux de transition tels que le Ni, Cr, Cu et Ir. L’influence de la longueur de la chaine alkylée -(CH2)2- ou -(CH2)3- reliant le groupe éther ou amine au groupe hétérocyclique (NHC) a été examinée. Dans le but d’accéder aux complexes des métaux de transition différentes méthodologies ont été adoptées : a) déprotonation préalable du sel d’imidazolium suivie de l’addition des précurseurs métalliques correspondants ; b) transmétallation à partir des complexes (NHC) de l’argent correspondants ; c) réaction d’addition oxydante des sels d’imidazolium ou de leurs sels protonés avec du Ni(0). Une série de complexes du Ni(II) et du Cr(III) a été testée dans la réaction catalytique d’oligomérisation de l’éthylène. / Potentially bidentate hybrid ligands (containing a NHC donor associated with an ether or an amine) and tridentate NCN pincer-type ligands (containing a central NHC donor flancked by two chemically-different nitrogen donors (Nimine and Namine)) have been prepared and used for coordination to transition metals, such as Ni, Cr, Cu, Ir. The influence of the length of the alkyl chain, -(CH2)2- or -(CH2)3- connecting the ether or the amine group to the heterocycle NHC was examined. In order to have access to the transition metal complexes, several methodologies were adopted: a) deprotonation of the corresponding imidazolium salts followed by addition of transition metal precursors; b) transmetalation from NHC silver complexes; c) oxidative-addition reaction of Ni(0) with imidazolium salts or the corresponding protonated salts. A series of Ni(II), Cr(III) complexes were tested in the catalytic ethylene oligomerization reaction.

L’objectif de ce travail est la synthèse de complexes contenant des ligands NHC protiques fonctionnalisés avec un groupement imine dans le but de développer des méthodologies de synthèse donnant accès à des ligands pNHC ainsi que la synthèse des groupes imidazolide anioniques liés par le C et leurs complexes homo et hétéro-dinucléaires. Dans le cas des imidazoles sans groupe fonctionnel, la déprotonation à l’aide de n-butyl lithium a permis l’obtention de (1-aryl-1H-imidazol-2-yl)lithium avec de bons rendements. La réaction de (1-aryl-1H-imidazol-2-yl)lithium avec [Ir(cod)(μ-Cl)]2 ou [Rh(cod)(μ-Cl)]2 a conduit à des complexes dinucléaires bipontés en C2,N3. Dans le cas de l’imidazole possédant une fonctionnalité imine, le complexe de l’Ir(I) lié au N de l’imidazole peut se tautomériser en complexe de l’Ir(I) imine avec un ligand pNHC suite à la réaction d’abstraction du chlorure à température ambiante, alors que la tautomérisation de l’analogue du Rh(I) nécessite une température de 110°C. La déprotonation des complexes de l’Ir(I) et Rh(I) liés par le N de l’imidazole avec addition de [Ir(cod)(μ-Cl)]2 ou de [Rh(cod)(μ-Cl)]2 in situ permet l’obtention de complexes homo et hétéro-dinucléaires. La métallation des sels d’imidazolium fonctionnalisés avec un groupement imine s’est avére être une méthode efficace pour la synthèse de complexes métallés ayant un ligand pNHC et a été étendue des complexes bidentes aux complexes chélatants pNHC. / The purpose of this work is the synthesis of complexes containing imine-functionalized protic NHC ligands in order to further develop synthetic methodologies giving access to pNHC, C-bound ‘anionic’ imidazolide, and homo- and heterodinuclear complexes. In the case of imidazoles without functional group, deprotonation with n-butyl lithium afforded (1-aryl-1H-imidazol-2-yl)lithium in good yield. Reaction of (1-aryl-1H-imidazol-2-yl)lithium with [Ir(cod)(μ-Cl)]2 or [Rh(cod)(μ-Cl)]2 yielded a doubly C2,N3-bridged dinuclear complex. In the case of imine-functionalized imidazole, the Ir(I) N-bound imidazole complex can tautomerize to Ir(I) imine-functionalized pNHC complex chloride abstraction at room temperature, while in the Rh(I) analog the tautomerization can be achieved at 110 °C. In situ deprotonation of the N-bound imidazole Ir(I) or Rh(I) complexes, followed by addition of [Ir(cod)(μ-Cl)]2 or [Rh(cod)(μ-Cl)]2 led to the isolation of homo- and heterodinuclear complexes. The metalation of imine-functionalized imidazolium salts is also an effective procedure for synthesis of pNHC metal complexes, and it was extended from bidentate to pincer-type pNHC complexes.

Le sujet de cette thèse porte sur l’étude de ligands hybrides incorporant un donneur carbène N-hétérocyclique (NHC). Les ligands phosphine-NHC construits sur le motif m-phénylène ont conduit à des complexes di- ou tétranucléaires d’Ag, Cu, Au et Ir, et à des complexes bimétalliques Ag/Cu et Ag/Ir par transmétallation sélective du site NHC. Dans le cas des ligands phosphino-picoline-NHC (PNC), la transmétallation des sels de Li ou K correspondants a permis d’isoler des complexes « pinceurs » dé-aromatisés du Cr, Fe et Co. La déprotonation du ligand bis(phosphinométhyl)pyridine (PNP) a été examinée, et les ligands dé-aromatisés mono- et bis-anioniques correspondants ont été utilisés dans des réactions de transmétallation vers le Cr(II) et Zr(IV). Différents modes de coordination des ligands dé-aromatisés, notamment une métallation de la position alpha-CHP, ont été observés. La substitution de la phosphine dans PNC par une fonction imine conduit à un ligand hybride « rédox non-innocent ». / The purpose of this work is the synthesis and study of hybrid and potentially “pincer” ligands featuring an N-heterocyclic carbene (NHC) donor. The phosphine-NHC ligands based on the m-phenylene framework led to di- or tetranuclear Ag, Cu, Au and Ir complexes, and to bimetallic Ag/Cu and Ag/Ir complexes by selective transmetallation of the NHC. With the phosphino-picoline-NHC (PNC) ligands, transmetallation from the corresponding Li or K salts led to dearomatised Cr, Fe and Co “pincer” complexes. Deprotonation of the bis(phosphinomethyl)pyridine (PNP) ligand was also examined. The corresponding dearomatised mono- and bis-anionic ligands were isolated as Li or K salts and further used in transmetallation reactions towards Cr(II) and Zr(IV). Different coordination modes of the dearomatised ligands, including side-arm metallation, were observed. Substitution of the phosphine group in PNC by an imine donor led to a hybrid and “redox non-innocent” ligand.

Les carbènes N-hétérocycliques (NHC) sont utilisés comme ligands pour les métaux de transition. Les complexes résultants présentent principalement des applications en catalyse, ainsi que dans la conception de nouveaux candidats médicaments. Dans ce travail, nous discuterons une simplification des méthodes de synthèse des sels d’imidazoliniums, ainsi que des complexes Cu- et Ag-NHC. L’ammoniaque est utilisé ici à la fois comme milieu solubilisant des espèces métalliques et comme base pour la déprotonation des sels d’imidazoli(ni)ums fournissant une métallation douce, rapide et simple. La fonctionnalisation des NHC, dans des positions définies, permet une modulation de certaines de leurs caractéristiques sans impacter les propriétés remarquables de leurs complexes. De nouvelles méthodes de fonctionnalisation, par cycloaddition azoture-alcyne en périphérie des noyaux aromatiques, ont été mises au point. Ceci mène à l’introduction de trois stratégies synthétique : pré-, post- et auto-fonctionnalisation. La stratégie de pré-fonctionnalisation de précurseurs permet l’accès à des métallo-NHC du groupe 11, dont les propriétés de solubilité peuvent être facilement modifiées. Des réactions thermiques d’Huisgen et de SPAAC sont réalisables directement sur les complexes Au-NHC modifiés par des azotures, et sont désignés comme post-fonctionnalisation. Des réactions dites d’auto-fonctionnalisations entre un complexe Cu-NHC possédant un azoture et des alcynes divers, permettent l’introduction, par exemple, de biomolécules sensibles sans étapes de protection/déprotection. Enfin, les complexes Cu-NHC fonctionnalisés avec des groupements hydrosolubilisants ont été étudiés en tant que catalyseurs de cycloaddition de CuAAC dans des milieux biocompatibles, tandis que les Ag-NHC fonctionnalisés avec des groupements lipophiles présentent une activité antibactérienne. / N-heterocyclic carbenes (NHCs) have been used very frequently as ligands for the preparation of transition metal-based catalysts as well as drug candidates. This work will present a simplification of imidazoliniums synthesis and a new preparation of Ag-, Cu-NHC complexes. Aqueous ammonia will be used for the solubilisation of metallic species and as a base for the deprotonation of imidazoli(ni)um salts providing a mild, quick and easy metallation procedure. The functionalisation of NHC ligands, in definite positions, allows the modulation of some of their characteristics without interfering with the remarkable properties of their complexes. New functionalisation strategies by azide-alkyne cycloaddition reaction at the periphery of aromatics cores, were developped. This can be described by the following three synthetics strategies: pre-, post- and auto-functionalisation. Pre-functionnalisations strategy of precursors allows the synthesis of coinage metal-NHC complexes, for which variation of solubility is easily obtained. Thermal Huisgen reactions and SPAAC are achievable on the Au-NHC azide modified complexes directly, in a post-functionalisation pathway. Furthermore, the post-functionnalisation strategy was extended to Cu-NHC complexes resulting in an auto-functionalisation process. This allowed subsequently the introduction of sensitive biomolecules without protection/deprotection steps. Finally, water soluble Cu-NHCs complexes were used as CuAAC catalyst in bio-compatible media. Lipophilic Ag-NHCs complexes were tested as antibacterials (antibiofilm and growth inhibition activities).