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).

Pomocí molekulového modelování je možné předpovídat chování nových látek a napomáhá při jinak obtížné interpretaci experimentálních dat. Cílem práce byla predikce vybraných vlastností polymeračních katalyzátorů na bázi karbenů, predikce jejich struktur a spektrálních charakteristik a studie mechanismu polymerace za otevření kruhu laktidu. K ověření chování karbenů a jejich prekurzorů ve formě chloridů byly studovány vybrané charakteristiky molekuly. Byl proveden výpočet vybraných molekulových orbitalů a elektrostatických map. Následně pomocí počítačových programů byly získány teoretické vazebné délky a úhly vybraných imidazolových a imidazolinových sloučenin, karbenů a jejich možných produktů hydrolýzy. Data strukturně podobných, již charakterizovaných sloučenin, byla získána z CCDC (Cambridge Crystallographic Data Centre) a následně byla konfrontována s vypočítanými daty. Byla změřena infračervená a Ramanova spektra imidazolové soli a infračervené spektrum příslušného karbenu. Tato spektra byla konfrontována s napredikovanými. Pro lepší interpretaci spekter byla spočítána spektra možných produktů hydrolýzy. Následně byl studován mechanismus polymerace za otevření kruhu laktidu. Na základě spočítaných energií stacionárních bodů byl navržen nový mechanismus polymerace.

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Carbene ligands over these years have become a heavily utilizes and effective ligand for catalysis. The diamino carbene class of ligands are slightly less understood. The effects of bis(carbene) ligand structures of palladium (II) catalysts were investigated using the ETS-NOCV method. The results showed that the amount of π-backbonding played a major role in the rate of the reaction for these NHC complexes. The amount of pi acceptance from the ligand increased in correlation to the length of the methylene linkage in the ligand back bone resulting in increased catalytic activity. The ETS-NOCV method was used to determine the deformation densities that had a contribution to this interaction based on visual interpretation. The percent contribution of pi interactions provided a linear correlation to the natural log of the initial reaction rate, indicating that π-backbonding plays a crucial role in the overall catalytic activity of the palladium complexes. Gold (I) bis acyclic diamino carbenes (ADCs) were investigated for the possibility to be strong hydrogen bond catalysts. The ligand motif of the gold (I) bisADCs were found to be analogous thiourea compounds. Based on NBO analysis there were some improvements to hydrogen bond donicity in comparison to thioureas with the same functional group. The complexes were analyzed for hydrogen bond interactions and polarizations interactions between simple nitroolefin substrate and the catalyst using ETS-NOCV. Results showed that the compounds can form a stable hydrogen bonding system and activate the substrate. This capability is tunable by changing the electron withdrawing properties of the ligase motif, providing the idea that gold (I) bisADCs have potential to be good hydrogen bond catalysts. New thiourea-like gold (I) catalysts utilizing the acyclic diamino carbene motif that were hypothesized were synthesized using a one pot synthesis approach utilizing a metal templated synthesis method. The synthesis, characterization, and application prove these complexes with their cationic centers and bisADCs ligand motif can be utilized for Friedel-Crafts alkylation of indoles, resulting in the production of three new compounds to literature. This research also provided a new application for this specific ligand class and further proved the robustness of ADC ligands.

This work describes the application of a variety of Lewis bases, encompassing predominantly N-heterocyclic carbenes (NHCs), but also the use of imidazoles, aminopyridines, amidines and isothioureas, as effective catalysts in the dearomatisation of heterocyclic carbonates, predominantly the rearrangement of oxazolyl carbonates to their C-carboxyazlactone isomers by means of the Steglich rearrangement. This rearrangement reaction has been investigated extensively, with the development of simplified reaction procedures and the invention of domino cascade protocols incorporating this transformation. In an attempt to understand the mechanism of this O- to C-carboxylation process, a number of interesting observations have been made. Firstly, the class of NHC has an important factor in promoting the rearrangement, with triazolinylidenes being the most effective. Secondly, an interesting chemoselectivity has been delineated using triazolium-derived NHCs, prepared using weak bases (typically Et₃N) or strong metallated bases; both alkyl and aryl oxazolyl carbonates undergo smooth rearrangement with triazolinylidenes derived from strong metallated bases such as KHMDS, while only aryl oxazolyl carbonates undergo rearrangement using Et₃N. Extensive effort has focused towards the development of asymmetric variants of these protocols, primarily towards the design, synthesis and evaluation of chiral NHC precatalysts. To this end, a number of chiral azolium salts have been prepared, encompassing a number of different NHC classes, including C₁- and C₂-imidazolinium salts, C₂-imidazolium salts and a range of triazolium salts. Efforts towards the asymmetric catalysis of the Steglich rearrangement of oxazolyl carbonate substrates have given an optimal 66% ee. Similar rearrangements have been demonstrated with the related furanyl heterocyclic substrate class, producing a mixture of α- and γ-carboxybutenolides. In contrast to the analogous oxazolyl carbonates, the regioselectivity of this rearrangement is dependent upon the nature of the Lewis base employed. Amidines and aminopyridines give a mixture of the α- and γ- regioisomers with generally the α-regioisomer being preferred, while a triazolium-derived NHC gives rise to predominantly the thermodynamically more stable γ-carboxybutenolide. Using amidines or aminopyridines, this rearrangement has been shown to proceed via an irreversible C-C bond-forming process, but in contrast, the rearrangement using the NHC proceeds via an equilibrium process with an optimised regioselectivity of >98:2 for the γ-carboxybutenolide regioisomer over the α-regioisomer. Whilst the asymmetric variant using chiral NHCs has proven unfruitful, rearrangements using a chiral isothiourea have given high levels of regioselectivity towards the α- regioisomer and with excellent levels of enantiodiscrimination (77–95% ee).

Ce projet de recherche consiste en l’étude de la réactivité et de la sélectivité de nouveaux catalyseurs de métathèse d’oléfines à base de ruthénium lors de réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfines (RCM). L’emphase de cette étude repose sur l’évaluation de nouveaux catalyseurs possédant un ligand NHC (carbène N-hétérocyclique) C1-symétrique développés par le laboratoire Collins pour des réactions de désymétrisations asymétriques de méso-triènes par ARCM. Le projet a été séparé en deux sections distinctes. La première section concerne la formation d’oléfines trisubstituées par ARCM de méso-triènes. La seconde section consiste en la formation d’oléfines tétrasubstituées par le biais de la RCM de diènes et de la ARCM de méso-triènes. Il est à noter qu’il n’y a aucun précédent dans la littérature concernant la formation d’oléfines tétrasubstituées suite à une désymétrisation par ARCM. Lors de l’étude concernant la formation d’oléfines trisubstituées, une étude de cinétique a été entreprise dans le but de mieux comprendre la réactivité des différents catalyseurs. Il a été possible d’observer que le groupement N-alkyle a une grande influence sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation d’une variété de méso-triènes. En ce qui a trait à la formation d’oléfines tétrasubstituées, une étude de la réactivité des différents catalyseurs a été effectuée par l’intermédiaire de malonates de diéthyldiméthallyle. Il a encore une fois a été possible d’observer que le groupement N-alkyle possède un effet important sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement iv N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation de différents mésotriènes. / This research consists in the study of the reactivity and selectivity of new chiral Ru-based olefin metathesis catalysts in ring-closing metathesis (RCM) reactions. The study focused on evaluating new catalysts possessing C1- symmetric NHC (N-heterocyclic carbene) ligands developed in our laboratories for asymmetric desymmetrization reactions of meso-trienes. The research was divided into two distinct sections, the first concerns the asymmetric ring closing metathesis (ARCM) processes that form trisubstituted olefins from meso-trienes. The second concerns the RCM and ARCM processes that form tetrasubstituted olefins from meso-trienes. It can be observed that there is no precedent in the literature concerning the formation of tetrasubstituted olefins via ARCM. During the investigation concerning the formation of trisubstituted olefins, a kinetic study was done to have better understanding of the catalyst selectivity. With this study in hand, it was possible to observe the effect induced by the N-alkyl group on the catalysts’ reactivity. A selectivity study was done to observe if the Nalkyl group could affects the catalysts’ selectivity. These investigations were done using a variety of meso-trienes in desymmetrization reactions to afford trisubstituted olefins. Concerning the formation of tetrasubstituted olefins, the catalysts’ reactivity was investigated in RCM processes involving diethyldimethallyl malonates. Once again, an effect induced by the N-alkyl group was observed concerning the reactivity of the catalysts. A selectivity study was performed. As for ARCM processes forming trisubstituted olefins, the N-alkyl group also had an impact on the selectivity of the catalysts. This investigation was done with ARCM desymmetrization of meso-trienes.

Dans ce travail de thèse, plusieurs approches ont été développées pour permettre une utilisation plus variée des carbènes N-hétérocycliques (NHCs) et des phosphines en tant que catalyseurs/activateurs organiques.Les précurseurs de NHCs étudiés dans un premier temps, c'est-à-dire les hydrogénocarbonates d’azolium, peuvent être synthétisés en une seule étape, à l’inverse des NHCs dont la synthèse et l’isolation sont souvent compliquées. Nous avons démontré que ces espèces sont stables à l’air et sont à l’équilibre en solution avec leurs homologues carboxylates d’azolium (adduits NHC-CO2). Leur utilisation permet donc de faciliter la manipulation des NHCs tout en conservant une activité catalytique satisfaisante tant en synthèse moléculaire qu’en chimie des polymères.Des paires de Lewis silane ou borane/NHC ont ensuite été employées afin d’augmenter le potentiel des NHCs pour des réactions “modèles” de chimie (macro)moléculaire par un effet de double assistance (acide/base de Lewis).Enfin, une phosphine commerciale a été utilisée pour catalyser la polymérisation par transfert de groupe des (méth)acrylates d’alkyle de façon “vivante/contrôlée”. / In this thesis work, some points are adressed in order to broaden the scope of the application of N-heterocyclic carbenes (NHCs) as organic catalysts/activators.The novel NHC precursors studied first, i.e. azolium hydrogen carbonates, are synthesized in a one-step undemanding process, in contrast to NHCs whose synthesis and isolation is often a tedious procedure. We then showed that these species are air-stable and are at the equilibrium, in solution, with their azolium-2-carboxylates homologues (NHC-CO2 adducts). The use of such precatalysts thus allows facilitating the manipulation of NHCs, while maintaining an efficient catalytic activity in molecular chemistry as well as in polymer synthesis.We then proposed to use NHCs in conjunction with organic Lewis acids (silanes or boranes) as a possible means to induce a cooperative dual activation mechanism (Lewis acid/base) in order to increase the potential of NHCs for “model” (macro)molecular reactions.Finally, a commercial phosphine was used to trigger the group transfer polymerization of alkyl (meth)acrylates in a “controlled/living” fashion.