Ce mémoire est consacré à la synthèse et à l'étude de complexes métalliques originaux contenant des carbènes N-hétérocycliques (NHCs) fortement encombrés. Trois familles ont été élaborées : 1) des complexes Pd-PEPPSI "dissymmétriques" comportant un ligand imidazolylidène (Im) ayant comme N-substituants un groupe 9-alkyl-9-fluorényle (AF) ainsi qu'un aryle. Ces complexes se sont avérés des catalyseurs remarquables en couplage de Suzuki-Miyaura, présentant des performances comparables à celles d'analogues porteurs de deux groupes AF (dont l'excellente efficacité avait déjà été établie), démontrant ainsi le fort rôle stabilisateur du groupe AF; 2) des complexes trigonaux de cuivre(I) de formule générale [Cu(Im)(2,2'-dipyridylamine)]BF4 où le ligand carbénique est soit un carbène symétrique de type AF2-Im, soit dissymétrique de type (AF,Ar)-Im. Ici encore, la présence de substituants AF est un élément favorisant la stabilité des complexes en solution par rapport à une décomposition photo-induite. Contrairement à son anaolgue ayant un imidazolylidène porteur de deux substituants EtF, le complexe [Cu((EtF,Ph)-Im)(2,2'-dipyridylamine)]BF4 présente la particularité d'être luminescent en solution et à l'état solide; 3) des complexes Pd-PEPPSI contenant un imidazolilydène N-substitué par deux groupes identiques dont les extrémités sont des récépteurs potentiels de type calix[4]arène. Ces complexes ont la propriété de s'auto-assembler en formant une entité où les centres métalliques sont stériquement très protégés, avec pour conséquence de modifier sensiblement les propriétés catalytiques attendues du complexe. / Described herein are the stepwise syntheses and properties of three types of complexes based on sterically encumbered N-heterocyclic carbenes (NHCs): 1) Pd-PEPPSI complexes with an unsymmetrical imidalolylidene ligand having its N atoms substituted by a bulky 9-alkyl-9-fluorenyl (AF) group and an aryl group. These turned out to be very active Suzuki-Miyaura cross coupling catalysts with an activity comparable to previously reported, highly performing "symmetrical" analogues which bear two identical AF substituents. These findings illustrate the high stabilising effect of each individual AF group; 2) Trigonal copper(I) complexes with the general formula [Cu(Im)(2,2'-dipyridylamine)]BF4 in which the NHC ligands are symmetrical or not. Here again the AF substituents ensure complex stability with respect to air when compared to analogues displaying sterically non-bulky substituents. One of the complexes, namely [Cu((EtF,Ph)-Im)(2,2'-dipyridylamine)]BF4, was found to be strongly luminescent in solution and in the solid state; 3) Pd-PEPPSI complexes in which calix[4]arene-substituted phenyl moieties have been grafted on both N atoms, these behaving as potential receptor units. Owing to the presence of the calixarene termini, complexes of this type were found to self-assemble, thereby resulting in dimers with sterically highly protected metal centres. The formation of such species was correlated to the catalytic performance of these complexes.

Cette thèse apporte une contribution au développement de complexes carbènes N-hétérocycliques-palladium basés sur des calix[4]arènes: leur synthèse, leur caractérisation ainsi que l'évaluation de leur activité catalytique est presenté. Pour cela, un calix[4]arène mono-substitué a été préparé conformément aux procédures classiques, puis les précurseurs de nouveaux ligands NHC ont été obtenus. Subissant l'alkylation avec du n-butylbromide et puis une métallation subséquente avec du palladium et de la pyridine, quatorze nouveaux complexes ont été obtenus. Après les caractérisations complètes en solution et à l'état solide, l'évaluation de l'activité catalytique a été réalisée dans réactions couplage de Suzuki-Miyaura. De bonnes performances ont pu être observées permettant d'obtenir des taux de transformation de 99% avec des quantités de catalyseur descandant jusqu'à 0.08 mol%. L'étude de conformation ainsi que les résultats catalytiques en catalyse n'ont pas permis de mettre en évidence un effet supramoléculaire de la cavité macrocyclique envers le processus de couplage. Dans le but d'orienter le centre catalytique à l'intérieur de la cavité, des contraintes stériques ont été appliquées sur des nouveaux Pd-NHC-complexes. Ainsi des complexes dimeriques de palladium ont été synthétisés et entièrement caractérisés. Plusieurs approches pour construire des linkers intramoléculaires permettant de fixer la conformation ont été énvisagées mais n'ont pas permis à ce jour un gel conformationnel / This thesis will focus on development of N-heterocyclic carbene palladium complexes based on calix[4]arenes: from synthesis, characterization and structural study to evaluation of catalytic activity. A new series of calix[4]arene supported N-heterocyclic carbene palladium complexes was developed and fully characterized. A mono-substituted calix[4]arene was prepared through conventional procedures, following with the attachment of imidazolyl derivative groups to compose the precursors of novel NHCs ligands. Undergoing the alkylation with n-butylbromide and corresponding metallation with palladium and pyridine, original complexes were obtained. After a full characterization in solution and solid state, the evaluation of catalytic activity was undertaken through Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions which revealed good performances. The conformational study as well as the catalytic results in catalysis did not allow putting in evidence a supramolecular effect of the macrocycle cavity towards the coupling process. With the aim of localize catalytic center inside of the cavity, steric constrain was involved in the form of new Pd-NHC-complexes. Dimeric Pd complexes were synthesized and fully characterized as well. Several approaches to construct intramolecular linkers for fixing the conformation were elaborated. The conception of ‘flexible steric bulky’ inspired the research on confined structure of calix[4]arene, such as encapsulation and capped configuration. Relative progresses were carried out and discussed

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.

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.

Ces travaux de thèse portent sur le développement de catalyseurs à base de ligands carbène N-hétérocycliques dérivés de fer et de nickel, deux métaux de transition abondants, pour les réactions de hydrosilylation et de borylation. Le premier chapitre porte sur les travaux réalisés à l’aide de complexes de fer du type [Cp(NHC)Fe(CO)₂][X] (X = I, PF₆) possédant des ligands de type benzimidazole ou imidazole et leur évaluation en hydrosilylation de dérivés carbonylés. Le deuxième chapitre traite de l’utilisation de complexes demi-sandwichs de nickel du type CpNi(NHC) en hydrosilylation d’aldéhydes, de cétones, d’aldimines et de cétimines. Enfin le troisième chapitre est consacré à la réaction de borylation catalysée par des complexes de nickel demi-sandwich CpNi(triazole)X et des complexes de nickel possédant deux ligands chélatants anioniques de type carbene N-hétérocyclique fonctionnalisé par un bras amido. / The research work described in this manuscript has for main objective the development of new homogeneous catalytic systems based on N-heterocyclic carbene (NHC) iron and nickel complexes for hydrosilyation and borylation reactions. The first chapter describes the use of [Cp(NHC)Fe(CO)₂][X] (X = I, PF₆) complexes bearing benzimidazole or imidazole NHC type ligands for hydrosilylation of benzaldehyde and acetophenone. In a second chapter, we have shown that half-sandwich NHC-nickel complexes in the presence of a catalytic amount of NaHBEt3 can be efficient catalysts for the reduction of aldehydes, ketones, aldimines and ketimines in the presence of diphenylsilane. In the last chapter, two new series of non-classical NHC-nickel triazole complexes had been developed: (i) one series with half sandwich NHC-nickel triazole complexes and (ii) another one based on chelating anionic amido-functionalized N-heterocyclic carbene nickel complexes. The two series of complexes were then evaluated in catalytic borylation cross coupling reaction.

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).

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.

Deux carbènes N-hétérocycliques (NHCs) de type imidazol-2-ylidène ont été étudiés en tant qu’amorceurs organiques pour la polymérisation directe de monomères vinyliques de type (méth)acrylates d’alkyle, principalement le méthacrylate de méthyle(MMA), en l’absence tout autre activateur. Une différence de réactivité a été mise en évidence en fonction des substituants du carbène et de la nature du substrat. Des études théoriques ont permis de rationaliser les résultats expérimentaux par l’influence des effets électroniques et stériques intervenant au cours des réactions mises en jeu. Un NHC en particulier a été ensuite utilisé comme véritable catalyseur de la polymérisation du MMA en présence d’alcools comme amorceurs. En utilisant des macroamorceurs hydroxylés de type poly(oxyde d’éthylène), des copolymères amphiphiles ontété ainsi synthétisés. Des études théoriques ont encore une fois permis d’identifier les mécanismes réactionnels de cette polymérisation. Enfin, des paires de Lewis composées d’un acide à base de silicium et d’une base de typeNHC ou phosphine trialkyle(aryle) ont été ensuite utilisées comme système d’activation de polymérisation du MMA. Ce type de polymérisation est basé sur une activation duale du monomère par effet coopératif de la base et de l’acide. / The reactivity of imidazol-ylidene N-heterocyclic carbenes (NHCs) as direct initiators for the polymerization of miscellaneous (meth)acrylic monomers, mainly methylmethacrylate (MMA), has been screened in the absence of any other co-activator.Different reactivities have been observed according to the structure of the NHC and thenature of the substrate. Computational studies allowed rationalizing steric and electroniceffects involved in these reactions.The use of a peculiar NHCs as catalyst for the polymerization of MMA using alcohols as initiators has then been investigated. This simple and efficient method also allows achieving amphiphilic block copolymers by using hydroxylated poly(ethylene oxide)s asmacro-initiators. Combined computational and experimental investigations have provided insights into the mechanism of polymerization.Various Lewis pairs including a silicon-based compound as acid and NHC or a trialkyl(aryl)phosphine as base, have been investigated to trigger an efficient polymerization of MMA.In this case, the polymerization is expected to proceed via a cooperative/dual activation mechanism.

Le sujet de cette thèse porte sur la synthèse de ligands de type bis-NHC (carbène N-Hétérocyclique) et leur réactivité vis-À-Vis des complexes d’argent(I), de cuivre(I) et de nickel(II).Après avoir exploré les différentes méthodologies de synthèse des complexes de nickel(II) bis-NHC, le but était de tester leurs activités en catalyse d’oligomérisation de l’éthylène. Une série de nouveaux complexes d’argent(I) et de cuivre(I) fut synthétisée. Cinq voies furent testées pour la formation de complexes de nickel. Les résultats les plus probants furent obtenus par transmétallation à partir des complexes d’iodure ou de bromure d’argent(I). / The purpose of this work was the synthesis of bis-NHC (N-Heterocyclic carbene) ligands, theformation of the corresponding silver(I), copper(I) and nickel(II) complexes and the assessment ofthe catalytic activity of the bis-NHC nickel(II) complexes in ethylene oligomerization. A series of new bis-NHC silver(I) and copper(I) complexes was synthesized. Five different synthetic routes were tested for the formation of nickel(II) bis-NHC complexes. The most significant results were obtained by transmetalation from the silver(I) iodide or bromide complexes.