Les transferts de nitrène représentent un outil synthétique très intéressant pour former simplement une liaison C-N à partir d’une liaison C-H. Notre laboratoire a développé des précurseurs de nitrène chiraux : les sulfonimidamides. Leur utilisation a abouti, en présence de catalyseurs de cuivre et de rhodium, à des réactions d’aziridination d’oléfine et d’amination C-H hautement diastéréosélectives. Ce projet de thèse s’inscrit dans la continuité de ces travaux. Les sulfonimidamides ont pu être combinés avec des complexes scorpionate de cuivre et d’argent, au cours d’une collaboration COST avec le groupe de Pedro Pérez à Huelva, avec de bons résultats pour l’aziridination d’oléfines et l’amination C-H. De même, des nouveaux complexes de cuivre développés dans l’équipe de Didier Bourissou à Toulouse, ont pu être testés avec succès pour l’aziridination de différentes oléfines, dans le cadre d’une collaboration ANR. D’autre part, le champ d’application de la réaction d’amination C-H catalysée par le rhodium a été étendu avec d’excellents résultats à des substrats complexes comme les terpènes et différents éthers d’énol, ainsi qu’à des substrats peu réactifs comme les alcanes. Enfin, des études mécanistiques ont été menées pour tenter d’élucider la nature du transfert de nitrène. Les résultats obtenus sont en faveur d’un mécanisme concerté asynchrone, mais ils ne permettent pas d’exclure définitivement un transfert radicalaire. L’isolement d’un complexe métal-carbène étant supposé plus aisé qu’un complexe métal-nitrène, nous nous sommes tournés vers le développement de carbènes de sulfoximines, analogues carbonés des sulfonimidamides, sans résultat satisfaisant pour le moment. / Catalytic nitrene transfers are useful tools in organic synthesis, to perform the transformation of a C-H bond into a C-N bond. Our group has previously demonstrated that sulfonimidamieds are efficient chiral nitrène precursors. Combined with copper or rhodium complexes, they have allowed to uncover olefin aziridination and C-H amination that occur with high level of stereoselectivity. These PhD studies stand within the framework of this topic. Sulfonimidamides have first been combined with scorpionate copper and silver complexes developed by Pedro Perez in Huelva, to afford either aziridines or C-H amination products in very good yields. In the same way, new copper catalysts developed in the group of Didier Bourissou in Toulouse were evaluated with good results in olefin aziridination. On the other hand, rhodium catalyzed C-H amination has been applied to more complex substrates such as terpenes and enol ethers, as well as to less reactives substrates like alkanes, with excellent results in terms of regio-, chemo-, and stereoselectivity. Mechanistic studies have also been conducted. These point to an asynchronous concerted nitrene transfer, but the involvement of radicals cannot be ruled out. We have finally turned our attention to the formation of carbenes from sulfoximines, which are the carbo-analogs of sulfonimidamides, but without success so far.

Afin de développer des méthodes alternatives à l'activation de systèmes Pi en catalyse homogène par des métaux nobles coûteux et toxiques, nous nous sommes focalisés sur des complexes métalliques et plus particulièrement ceux de la colonne du group XIII. Cette thèse approche une contribution à ce champ d'études, et nous nous sommes particulièrement concentrés sur la chimie de gallium.Trois principaux aspects ont été étudiés dans ce manuscrit: la réactivité des halogénures de gallium(III), des complexes bien définis de gallium (III) portant carbènes N- hétérocycliques (NHCs), et leur activation de systèmes en catalyse.La thèse est divisée en trois chapitres. Le premier chapitre donne un aperçu des travaux effectués dans le domaine de la synthèse organique faisant intervenir des composés de gallium (III) , en se concentrant sur ​​leur utilisation en tant qu’ acides de Lewis et .Dans le deuxième chapitre, nous avons tenté d'exploiter le potentiel catalytique de GaCl3 dans une nouvelle réaction de cycloisomérisation/Friedel-Crafts en tandem. Une section dédiée à l'étude sur l’hydratation d’alcyne catalysée par GaCl3 est également fournie.Le troisième chapitre commence par une description de la synthèse d'une série de complexes de gallium (III) portant diverses NHCs comme ligands pour surmonter les limites des halogénures de gallium(III) en catalyse. Ensuite, des études de méthodologie sur le processus de tandem impliquant arenynes-1,6 avec les gallium(III) complexes neutres et cationiques ont été décrits. Une évaluation cinétique pour des catalyseurs, des divers substrats et l'influence de contreanions sont discutés. En outre, les efforts dans la version asymétrique de cette tandem transformation et des autres cyclisations sont également présentés.Le dernier chapitre reprend les résultats les plus importants obtenus dans la thèse. Et les orientations futures de la recherche sur l'utilisation des complexes NHC- gallium (III) sont discutées. / Recently, in order to develop alternative activation methods for Pi-systems in homogeneous catalysis instead of employing expensive and toxic noble metal catalysts, first row transition metals and main group metal complexes have attracted great attention. This thesis is a contribution to it, and we focus on gallium chemistry. There are three main aspects dominating this thesis: gallium(III) halides, well-defined gallium(III) complexes bearing N-heterocyclic carbenes (NHCs), and -systems activation in catalysis.The thesis is divided into three chapters. Chapter I provides an overview of the field of organic synthesis involving gallium(III) compounds, focusing on their use as - or -Lewis acids.In Chapter II, we expose our attempts to exploit the catalytic potential of gallium(III) chloride in a novel tandem cycloisomerization/Friedel-Crafts reaction. A section dedicated to the study on GaCl3-catalyzed alkyne hydration is also provided.Chapter III begins with a description of the synthesis of a series of gallium(III) complexes bearing various NHCs as ligands in order to overcome the limitations of gallium(III) halides in catalysis. Next, methodology studies on the tandem process involving 1,6-arenynes with the neutral and cationic gallium(III) complexes are described. The evaluation of scission kinetics for catalysts, substrates variation and influence of counteranions are discussed. In addition, efforts towards the asymmetric version of this tandem transformation and some other cyclizations are also presented.The concluding chapter reiterates the most important results obtained in the body chapters of the thesis. To conclude, the future directions for the research on the use of the NHC-gallium(III) complexes are discussed.

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.

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

Chemical biology encompasses the study and manipulation of biological system using chemistry, often by virtue of small molecules or unnatural amino acids. Much insight has been gained into the mechanisms of biological processes with regards to protein structure and function, metabolic processes and changes between healthy and diseased states. As an ever expanding field, developing new tools to interact with and impact biological systems is an extremely valuable goal. Herein, work is described towards the synthesis of a small library of heterocyclic-containing small molecules and the mechanistic details regarding the interesting and unexpected chemical compounds that arose; an alternative set of non-toxic copper catalyzed azide-alkyne click conditions for in vivo metabolic labelling; and the synthesis of an unnatural amino acid for further chemical modification via [3+2] cycloadditions with nitrones upon incorporation into a peptide of interest. Altogether, these projects strive to supplement pre-existing methodology for the synthesis of small molecule libraries and tools for metabolic labelling, and thus provide further small molecules for understanding biological systems.

Chemical biology encompasses the study and manipulation of biological system using chemistry, often by virtue of small molecules or unnatural amino acids. Much insight has been gained into the mechanisms of biological processes with regards to protein structure and function, metabolic processes and changes between healthy and diseased states. As an ever expanding field, developing new tools to interact with and impact biological systems is an extremely valuable goal. Herein, work is described towards the synthesis of a small library of heterocyclic-containing small molecules and the mechanistic details regarding the interesting and unexpected chemical compounds that arose; an alternative set of non-toxic copper catalyzed azide-alkyne click conditions for in vivo metabolic labelling; and the synthesis of an unnatural amino acid for further chemical modification via [3+2] cycloadditions with nitrones upon incorporation into a peptide of interest. Altogether, these projects strive to supplement pre-existing methodology for the synthesis of small molecule libraries and tools for metabolic labelling, and thus provide further small molecules for understanding biological systems.

The synthesis of cyclic allenes with eight or less skeletal C-atoms, known as highly strained organic compounds, has for the past decades attracted increasing interest. The first part of study describes an investigation aimed at the incorporation of an allene unit into a natural compound, being &amp / #945 / -pinene, by using &amp / #946 / -elimination method. The two double-bond isomers 310 and 299b were synthesized as key compounds. Treatment of 310 with t-BuOK resulted in the formation of ketone 308 and diene 313. For the formation of 308, the cyclic allene 300 was proposed as an intermediate. Treatment of 299b, with t-BuOK gave arise to the diene 313 and the dimerization product 322. On the basis of density-functional-theory (DFT) calculations on the allene 300 and the alkyne 320, the formation of the latter as the intermediate was excluded. In the second part of study, the stability of endo-carbene 304 was investigated. Previous studies indicated, during the formation of intermediate 264, no exo-carbene 330 structure could be optimized in its free carbene form. At this point, we were curious about the stability of endo-cyclopropylidene 304 not discussed before in literature. First, addition of bromofluorocarbene to anti-7-ethylbenzonorbornadiene (352) was aimed to isolate the endo-adduct 302b. However, no carbene addition reaction was observed caused by pyramidalization on double bond respect to the methoxy derivative, 363b. Therefore, the bromine was introduced to C-7 carbon atom. Treatment of 302a with MeLi in the presence of furan, gave furan adduct 306a confirmed the formation of allene 305a as a reactive intermediate. Theoretical calculations showed endo-carbene 304a was optimized in the free carbene form . However, it readily isomerizes to allene 305a afforded furan adduct 306a.

The covalent bond formed between a N-heterocyclic carbene and an aryl-isothiocyanate was discovered to be thermally-reversible. This bond was incorporated into the backbone of an aromatic polymer which, when subjected to heat and excess monomer, would depolymerize to smaller oligomers. In addition these small molecules contain active chain ends and could be repolymerized to reform the original polymer. The high molecular weight material was made into freestanding sheets with desirable mechanical properties and could be made conductive by treatment with iodine. A new poly(triazene) was formed from the reaction of a facially opposed, annulated, bis-N-heterocyclic carbene (NHC) and an organic bis-azide. The NHC as well as the azide were varied and combined to produce a series of polymers which were characterized by GPC, TGA, and NMR. These thermally robust polymers were also coated onto glass slides and rendered electrically conductive by exposure to iodine vapor. A new reagent for Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer Polymerization (RAFT) is described. This imidazolium based reagent shows unusually fast kinetics which allows it to control polymerizations at significantly reduced loadings compared to the more traditional neutral dithiocarbamates or dithioesters. The fast kinetics is explained by the rapid rotation of the dithioester about the plane of the cationic N-heterocycle. Sulfonated poly(ether ether ketone) (sPEEK) membranes were blended with imidazoles with varying pKas. The proton conductivity of the membranes was evaluated as a function of pKa and temperature. Interestingly, the conductivity of the dry membranes showed a non-monotonous profile over a temperature range of 25 – 150 C. We use a theoretical model to better understand the mechanistic origins of the observed temperature–conductivity profiles. This model is based on the reaction equilibria between sPEEK’s sulfonic acid groups and the basic sites of the added heterocycles. Using the copper-catalyzed 1,3-dipolar “click” cycloaddition reaction, poly(sulfone)s containing pendant azide moieties were functionalized with various amounts of sodium 3-(prop-2-ynyloxy)propane-1-sulfonate and crosslinked with 1,7-octadiyne. The degree of sulfonation as well as the degree of cross-linking was systematically varied by changing the ratios of the aforementioned reagents. The polymers were cast into membranes, acidified, and then tested for proton conductivity, methanol permeability, and membrane-electrode assembly (MEA) performance. / text

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Poröse Materialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen bzw. hohe spezifische Porenvolumina aus. Dies macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Gasspeicherung, Stofftrennung und die heterogene Katalyse, die Hauptanwendungsgebiete poröser Materialien. Um poröse Materialien hinsichtlich der eben genannten Anwendungsfelder zu optimieren ist es von entscheidender Bedeutung, sie hinsichtlich ihrer jeweiligen Anwendung maßzuschneidern. Eine Klasse hochporöser Materialien, bei der das Maßschneidern der Poren möglich ist, ist die der metallorganischen Gerüstverbindungen [engl. Metal-Organic Frameworks (MOFs)]. MOFs zeichnen sich durch einen modularen Aufbau aus, der ein systematisches Design der Poren erlaubt. Auch poröse Polymere können durch Funktionalisierung der entsprechenden Monomere hinsichtlich verschiedener Anwendungsgebiete gezielt synthetisiert werden. Ein Ziel dieser Arbeit war die Integration des Metalls Rhodium als knotenbildendes Element in ein MOF. Dazu wurde Rhodium(II)-acetat, welches bereits das Schaufelradmotiv enthält, mit den trifunktionellen Carbonsäuren Trimesinsäure und 4,4´,4´´ Benzen-1,3,5-triyl-tribenzoesäure zu den MOFs DUT 82 und DUT 83 umgesetzt. Das Schaufelradmotiv als sekundäre Baueinheit in DUT-82 konnte durch röntgenabsorptionspektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden. Nach überkritischem Trocknen gefolgt von thermischer Aktivierung zeigten DUT-82 und DUT-83 eine permanente Porosität mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1150 m2g-1. Weiterhin konnte für DUT-82 eine sehr hohe Affinität zu Kohlenmonoxid, die selten für MOFs beobachtet wird, nachgewiesen werden. Berechnungen der Adsorptionsenthalpie ergaben bei niedrigen Beladungen einen Wert von ungefähr 50 kJmol-1, was für eine Chemisorption von Kohlenmonoxid an DUT-82 bei niedrigen Drücken spricht. Weiterhin zeigten katalytische Untersuchungen, dass sich DUT-82 als heterogener Hydrierkatalysator eignet. In einer Modellreaktion konnte Styrol erfolgreich zu Ethylbenzen umgesetzt werden. In einem weiteren Teil der Arbeit sollte ein MOF synthetisiert werden, das Stabilität und eine hohe Kapazität für Schwefelwasserstoff miteinander vereint. Eine Klasse bereits bekannter MOFs mit hoher Stabilität basiert auf dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster. Durch Kombination des [Zr6O4(OH)4]12+-Clusters mit Bipyridindicarboxylat konnte das MOF UiO-67(bipy) hergestellt werden, welches isostrukturell zu UiO 67 ist. Untersuchungen an UiO 67(bipy) zeigten, dass das unbeladene Netzwerk keinen Schwefelwasserstoff adsorbiert. Die Bipyridinfunktionalität wurde anschließend für die permanente Integration weiterer Metallzentren (Metall = Cu, Ni, Co) genutzt. Dazu wurde UiO-67(bipy) zu wässrigen oder ethanolischen Metallsalzlösungen gegeben und es kam zur Adsorption der Metallsalze aus der Flüssigphase. Durch die postsynthetische Integration der Metallsalze konnte die Adsorptionskapazität der resultierenden Metallsalz@UiO-67(bipy)-Materialien für Schwefelwasserstoff bis auf 8 Gew.% gesteigert werden. Neben Adsorption und Katalyse ist die Sensorik ein weiteres Anwendungsfeld von MOFs. Eine organische Einheit, die sich als sensitive Komponente für eine Integration in ein MOF anbietet, ist Dihydro-1,2,4,5-tetrazin, das zu 1,2,4,5-Tetrazin oxidiert werden kann. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Reaktion ist der radikale Farbwechsel von Gelb nach Pink. Nach erfolgreicher Synthese der Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarbonsäure sollte sie durch Kombination mit dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster zu einem UiO-66 analogen Netzwerk in ein stabiles Netzwerk integriert werden. Da die direkte Syntheseroute eines UiO-66 analogen Netzwerks nicht zum Erfolg führte, wurde die mildere Variante des Linkeraustauschs gewählt. Über diese Route konnte das Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarboxylat erfolgreich partiell in das UiO-66 Netzwerk integriert werden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass die in das Netzwerk eingebaute Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-Einheit sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase erfolgreich oxidiert werden kann, was durch UV/vis-Messungen belegt werden konnte. Eine weitere Klasse poröser Materialien, die hervorragende chemische Stabilität aufweist, ist die der konjugierten Triazin-Netzwerke. Sie entstehen durch Cyclotrimerisierung multifunktioneller Nitrile. Durch geschickte Wahl der Monomere ist eine Funktionalisierung der Triazin-Netzwerke möglich. Um ein chirales Triazin-Netzwerk zu synthetisieren, wurde Spirobiindan erfolgreich mit Nitrilgruppen funktionalisiert. Die Umsetzung des Monomers in einer Zinkchlorid-Schmelze führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1180 m2g 1. Dabei konnte die Porengrößenverteilung des Triazin-Netzwerkes durch Variation des Verhältnisses von Zinkchlorid zu Monomer gezielt eingestellt werden. Die Polymersynthese erfolgte mit einer racemischen Mischung des Monomers und führte somit zu einem achiralen Polymer. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Trennung des racemisch vorliegenden Monomers mittels Hochleistungsflüssigchromatographie möglich ist. Die Imidazoliumgruppe ist eine weitere Baueinheit, die in Triazin-Polymere integriert werden sollte, da sie leicht in ein N-Heterocyclisches Carben überführt werden kann. N-Neterocyclische Carbene können direkt als Katalysator bzw. als Ligand für eine Vielzahl von Metallen zur Generierung eines Katalysators genutzt werden. Über mehrstufige Synthesen konnten zwei nitrilfunktionalisierte Imidazoliumsalze hergestellt werden. Die anschließende Cyclotrimerisierung führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 680 m2g-1. Erste katalytische Untersuchungen zum Einsatz dieser Triazin-Netzwerke in Umpolungsreaktionen von Zimtaldehyd mit 2,2,2 Trifluoracetophenon zeigten jedoch lediglich einen geringen Umsatz zum gewünschten Produkt.