Les nanorubans de graphène (NRGs) sont des matériaux prometteurs pour l'organique électronique, à mi chemin entre polymères conjugués et nanotubes de carbone. Deux approches différentes pour la synthèse de nanorubans aromatiques sont développées et évaluées. La première est fondée sur la formation de céramidonines par cyclisation d'arylamino-anthraquinones en milieu acide. Plusieurs tétraaza-arènes incorporant deux de ces unités sont obtenus, mais l'approche s'est uniquement avérée appropriée dans le cas de courts substrats. La seconde approche repose sur la condensation d'acides aryle-acétiques avec des formylarènes ou acides aryle-glyoxyliques, suivie soit de cyclo-deshydrogénations en présence de quinone, soit de deshydrodebromation catalysée par le palladium, pour donner des arenes carboxy-substitués allongés. La méthode impliquant la quinone s'avère limitée à des substrats suffisamment réactifs tels que des thiophènes et laisse envisager des poly(arènodithiophènes) en partie rigidifiés et carboxy-substitués. La catalyse au palladium s'avère plus générale, ouvrant des perspectives d'obtention d'une grande variété de rubans aux propriétés électroniques ajustables. / Graphene nanoribbons (GNRs) are promising materials for organic electronics, as they bridge the gap betweensingle-stranded conjugated polymers and carbon nanotubes. Two different synthetic approaches to GNRs aredeveloped and evaluated. The first approach is based on the acid-promoted cyclisation of arylaminoanthraquinonesto ceramidonines. Tetraazaarenes with two ceramidonine units are obtained, but the approachis found to be appropriate only to such small systems. The second approach is based on the condensation ofarylacetic acids with arenecarboxaldehydes or arylglyoxylic acids, followed either by quinone-assistedoxidative cyclodehydrogenation or palladium-catalysed dehydrodebromination to yield carboxy-substitutedelongated arenes. The quinone-based variant is found to be limited to reactive substrates such as thiophenederivatives and offers the perspective of partially rigidified carboxy-substituted poly(arenodithiophenes). Thepalladium-based variant is found to be more general, opening the prospect of obtaining a variety of ribbontypestructures with tunable electronic properties.

Cette thèse est centrée sur le développement de méthodologies d’halocyclopropanations énantiosélectives et sur l’étude des mécanismes de formation de carbénoïdes de zinc ainsi que de leur comportement. Nous avons tout d’abord développé une méthodologie de bromocyclopropanation énantiosélective d’alcools allyliques en modifiant les conditions précédemment décrites par notre groupe pour la synthèse d’iodo- et de chlorocyclopropanes. Désirant améliorer cette réaction -notamment en termes de déchêts générés- nous avons mené plusieurs expériences RMN nous permettant d’élucider la nature de l’espèce carbénoïde active ainsi que le mécanisme de sa formation. Grâce à ces informations, nous avons alors développé plusieurs jeux de conditions menant à de meilleurs résultats tout en limitant les ressources utilisées. Nous avons alors réalisé qu’il était possible d’améliorer les réactions d’halocyclopropanation décrites précédemment par notre groupe de la même façon. Nous nous sommes donc penchés sur la réaction d’iodocyclopropanation dans un premier temps, et avons réussi à augmenter son efficacité générale tout en caractérisant le carbénoïde actif. L’amélioration de la chlorocyclopropanation s’est quant à elle révélée plus ambitieuse : l’association de réactifs devant normalement générer le carbénoïde a mené à l’obtention d’un mélange de composés organométalliques selon des mécanismes d’échanges d’halogènes jusqu’à présent peu étudiés. Afin de contrer ces chemins réactionnels non désirés, un sel de zinc organique a été utilisé et a finalement permis l’amélioration de la réaction de chlorocyclopropanation. Nous avons par la suite décidé d’investiguer ces mécanismes d’échanges d’halogènes sur un large panel de carbénoïdes afin d’en comprendre les raisons et de potentiellement pouvoir les prévoir. / This thesis is focused on the development of enantioselective halocyclopropanation methodologies and the study of both the formation and behaviors of zinc carbenoids. Initially, we developed an enantioselective bromocyclopropanation reaction of allylic alcohols by modifying previous conditions described by our group for the synthesis of iodo- and chlorocyclopropanes. To further improve this reaction with particular regard to mitigating wate production, we performed several NMR experiments that elucidated both the active zinc carbenoid structure and the mechanism of its formation. Based on these findings, we developed modified conditions, providing improved yields without the need for excess reagents. Cognizant of a similar mechanistic pathway for previously developed halocyclopropanations, we applied these mechanistic findings towards improving both the iodocyclopropanation and chlorocyclopropanation reactions. Much to our delight, we successfully improved the efficiency of the iodocyclopropantion and characterized the active zinc carbenoid species. In contrast, the chlorocyclopropanation presented more challenges due to the complex mixture of various organometallic species obtained from the mixing of carbenoid reagents. These results suggested scrambling mechanisms were occuring, which were not really understood until now. In order to avoid those mechanisms, an organic zinc salt was used, providing access to an improved, more efficient chlorocyclopropanation reaction. Finally, we conducted an in-depth investigation into the observed scrambling mechanisms using a wide panel of carbenoids to both understand the causes of such scramblings and to potentially predict when they will occur.

Nous nous sommes intéressés au TMC-95A, un tripeptide cyclique naturel inhibant le protéasome humain d’une façon non-covalente à des concentrations de l’ordre du nanomolaire. Nous avons montré que des mimes linéaires du TMC-95A contenant un motif 3-hydroxyoxindolyl alanine conservent l’activité inhibitrice de ce dernier. Mon travail a porté sur la synthèse d’une bibliothèque de mimes linéaires du TMC-95A en partant des amino-acides protéogéniques et des dérivés de la 3-hydroxyoxindolyl alanine. Nous avons préparé des bras espaceurs hydrosolubles contenant des motifs éthylène glycol que nous avons couplés avec les têtes inhibitrices pour l’élaboration de nouveaux inhibiteurs bivalents capables de cibler simultanément deux des six sites catalytiques du protéasome constitutif et de l’immunoprotéasome.Au cours de la synthèse de la 3-hydroxyoxindolyl alanine, il a été observé qu’en milieu basique, ce résidu C-protégé se transpose lentement et d'une façon peu décrite dans la littérature en γ-lactame. Nous avons généralisé cette réaction à la synthèse de lactames de 5 à 12 chaînons par isomérisation d’oxindoles substitués en N-1 par un groupement électroattracteur et en C-3 par une chaine ω-aminée de longueur variable. Ces oxindoles ayant une chaîne aminée ont été obtenus à partir de deux familles différentes : des composés nitrés et des dérivés N-Boc protégés. L’aptitude des différentes molécules synthétisées à inhiber le protéasome et l’immunoprotéasome a été étudiée. / Nous nous sommes intéressés au TMC-95A, un tripeptide cyclique naturel inhibant le protéasome humain d'une façon non-covalente à des concentrations de l'ordre du nanomolaire. Nous avons montré que des mimes linéaires du TMC-95A contenant un motif 3-hydroxyoxindolyl alanine conservent l'activité inhibitrice de ce dernier. Mon travail a porté sur la synthèse d'une bibliothèque de mimes linéaires du TMC-95A en partant des amino-acides protéogéniques et des dérivés de la 3-hydroxyoxindolyl alanine. Nous avons préparé des bras espaceurs hydrosolubles contenant des motifs éthylène glycol que nous avons couplés avec les têtes inhibitrices pour l'élaboration de nouveaux inhibiteurs bivalents capables de cibler simultanément deux des six sites catalytiques du protéasome constitutif et de l'immunoprotéasome. Au cours de la synthèse de la 3-hydroxyoxindolyl alanine, il a été observé qu'en milieu basique, ce résidu C-protégé se transpose lentement et d'une façon peu décrite dans la littérature en γ-lactame. Nous avons généralisé cette réaction à la synthèse de lactames de 5 à 12 chaînons par isomérisation d'oxindoles substitués en N-1 par un groupement électroattracteur et en C-3 par une chaine ω-aminée de longueur variable. Ces oxindoles ayant une chaîne aminée ont été obtenus à partir de deux familles différentes : des composés nitrés et des dérivés N-Boc protégés. L'aptitude des différentes molécules synthétisées à inhiber le protéasome et l'immunoprotéasome a été étudiée.

L’acide (L)-tartrique, co-produit de l’industrie vinicole, est une petite molécule chirale, polyfonctionnelle et peu coûteuse. L’association de la chiralité de ce synthon aux propriétés physico-chimiques de l’atome de fluor a permis d’accéder à des hétérocycles azotés polyfonctionnels énantiopurs contenant un groupement trifluorométhyle porté par un carbone quaternaire.Les synthons de départ, les hémiaminals cycliques trifluorométhylés dérivés de l’acide (L)-tartrique diversement substitués, ont été obtenus par deux voies de synthèse : l’une basée sur une réaction de cyclisation d’un céto-amide trifluorométhylé en présence d’une amine ; l’autre sur une réaction de trifluorométhylation nucléophile d’un imide cyclique.Les dérivés de ces hémiaminals sont des précurseurs d’ions N-acyliminiums dans diverses réactions d’α-amidolakylations diastéréosélectives. Toutefois, l’addition de nucléophiles carbonés a été réalisée avec une efficacité variable. L’addition hautement diastéréosélective de nitriles selon une variante de la réaction de Ritter sur ces hémiaminals a permis de synthétiser divers oxazolines et (amido)pyrrolidin-2-ones originaux, énantiopurs, porteur d’un carbone chiral trifluorométhylé.Mots-clés : Acide tartrique, Trifluorométhylation nucléophile, Synthèse asymétrique, Hémiaminal, N-acyliminium, Carbinamide, Réaction de Ritter. / (L)-tartaric acid, a by-product of the wine industry, is a small chiral and polyfunctional molecule, affordable at low cost. Its chirality combined with the physical and chemical properties of fluorine enabled to afford original polyfunctional and optically pure nitrogen-containing heterocycles, incorporating a quaternary trifluoromethylated carbon.Our starting materials, the variously substituted trifluoromethylated cyclic hemiaminals derived from the (L)-tartaric acid, have been synthesized using two different methods : one is based on the cyclization of a trifluoromethylated keto amide in the presence of an amine, and the other one consists in a nucleophilic trifluoromethylation of a cyclic imide.These hemiaminal derivatives constitute N-acyliminium precursors in various diastereoselective α-amidoalkylations. However, the addition of C-nucleophiles has shown varying efficacy. The highly diastereoselective addition of nitriles on these hemiaminals, according to a Ritter-type reaction, led to the synthesis of original and optically pure oxazolines and (amido)pyrrolidin-2-ones including a chiral trifluoromethylated carbon.Key-words : Tartaric acid, Nucleophilic trifluoromethylation, Asymmetric synthesis, Hemiaminal, N-acyliminium, Carbinamide, Ritter reaction.

Les macrocycles représentent une catégorie chimique unique en chimie organique et ils possèdent des applications dans les industries pharmaceutique et agrochimique, en parfumerie, et dans les matériaux. Une propriété importante des macrocycles est la possibilité de démontrer de la chiralité planaire menant à des atropoisomères distincts aux propriétés uniques. Très peu de techniques générales existent pour le contrôle de l’atropoisomérisme au sein des macrocycles, rendant leur synthèse un véritable défi. Nous avons accompli le premier exemple d’une synthèse biocatalytique énantio- et atroposélective de p-cyclophanes planaires chiraux. En utilisant une lipase immobilisée commercialement disponible (CALB) et des matériaux de départ pro-chiraux simples, nous avons été en mesure de générer 23 différentes structures avec des rendements entre 11 et 88 %. Des analyses SFC ont permis l’évaluation de l’énantioenrichissement des différents macrocycles, étant compris entre 96 et >99 % ee. Surtout, les macrocycles planaires chiraux ayant des substituants de type halogène ou borylé peuvent subir de la diversification moléculaire au-delà des limites tolérées par l’enzyme. Notre découverte ouvre la porte à l’utilisation de biocatalyseurs pour le contrôle de l’atropoisomérisme lors de la formation de structures macrocycliques. / Macrocycles represent a unique chemotype in organic chemistry, with applications ranging from pharmaceuticals, agrochemicals, aromachemicals and material science. An important property of macrocycles is the possibility of displaying planar chirality yielding distinct atropisomeric structures with unique properties. Very few generalized techniques capable of controlling atropisomerism in macrocycles exist, rendering their synthesis extremely challenging. We have achieved the first example of enantio- and atroposelective biocatalytic synthesis of planar chiral p-cyclophanes. Employing a commercially available immobilized lipase (CALB) and simple pro-chiral starting materials, we were able to generate 23 different structures with yields ranging from 11 to 88 %. SFC analysis permitted evaluation of the enantioenrichment of the different macrocycles, which ranged from 96 to >99 % ee. Importantly, planar chiral macrocycles having halogen or borylated substituents are capable of molecular diversification outside the boundaries of what may be tolerated by the enzyme. Our discovery paves the way for the use of biocatalysts in the control of atropisomerism during macrocycle formation.

Ce mémoire présente une nouvelle méthode pour la synthèse de 1,3-énynes par dimérisation d’alcynes terminaux. La méthode de synthèse utilisée est la métallaphotorédox, une technologie qui s’est largement développée au cours des dernières années. Celle-ci nécessite l’utilisation de la lumière visible comme source d’énergie, un photocatalyseur qui peut absorber la lumière ainsi qu’un catalyseur métallique qui peut interagir avec le photocatalyseur. La dimérisation d’alcyne peut être achevée en soumettant un alcyne terminal face à de la lumière bleue en présence du photocatalyseur 4CzIPN, du catalyseur Co(BF4)2·6H2O, du ligand DPPP et de la base DIPEA qui fait office d’anode sacrificielle, dans l’acétonitrile. Les réactions d’homo-dimérisation (un alcyne avec un autre alcyne identique) fournissent des rendements de 48 à 90 % avec un rapport E:Z de >99:1 pour l’ényne formé. Des réactions d’hétéro-dimérisation (un alcyne avec un alcyne différent) peuvent également être effectuées entre un alcyne aliphatique ou aromatique et un alcyne de silyle (TMS ou TIPS) et les rendements varient de 47 à 99 % avec un rapport E:Z de >99:1 pour l’ényne formé. Cette méthodologie a ensuite été appliquée pour des réactions de macrocyclisation. Trois macrocycles à 17, 18 et 19 chaînons ont pu être synthétisés de cette manière avec des rendements respectifs de 25, 91 et 37 %. / This thesis presents a new methodology for the synthesis of 1,3-enynes by dimerization of terminal alkynes. The synthetic method used is based on metallaphotoredox, a technology that was largely developed during the last few years. The latter uses visible light as an energy source, a photocatalyst that can absorb the light and a metal-based catalyst that interacts with the photocatalyst. The dimerization of alkyne can be achieved by submitting a terminal alkyne under blue light irradiation in the presence of the photocatalyst 4CzIPN, the catalyst Co(BF4)2·6H2O, the ligand DPPP and the base DIPEA which is used as a sacrificial anode, in acetonitrile. The reactions of homo-dimerization (one alkyne with an identical alkyne) provides yields ranging from 48 to 90 % and a E:Z ratio of >99:1 for the resulting enyne. Reactions of hetero-dimerization (one alkyne with a different alkyne) can also be achieve with an aliphatic or aromatic alkyne and a silyl alkyne (TMS or TIPS) with yields ranging from 47 to 99 % and a E:Z ratio of >99:1 for the resulting enyne. This methodology was then applied for macrocyclization reactions. Macrocycles with 17-, 18- and 19- members ring were synthesized that way, with yield of 25, 91 and 37 % respectively.

Ce mémoire décrit la synthèse de quinze photosensibilisateurs à base de cuivre pourvus de ligands organiques de type diimines et/ou diphosphines en vue de leur application en synthèse organique. Ces complexes ont été caractérisés par spectroscopie (RMN 1H, 13C et UV-Vis), spectrométrie de masse à haute résolution, fluorimétrie (d’absorption, d’émission et de déclin de phosphorescence) ainsi que par voltampérométrie cyclique. Leurs performances en synthèse organique en tant que photosensibilisateur ont finalement été testées à travers deux processus photocatalytiques différents : un transfert couplé d’électron et de proton ainsi qu’un transfert d’énergie. Les rendements et les propriétés photophysiques des composés ainsi obtenus, ont été rationalisés et comparés à une banque de données collectées pour des molécules similaires. / The present thesis describes the synthesis of fifteen organocopper-based photosensitizers bearing organic diimine and/or diphosphine type ligands. The complexes have been characterized by spectroscopy (1H, 13C NMR and UV-Vis), high resolution mass spectrometry, fluorescence lifetime spectroscopy and cyclic voltammetry. They also have been evaluated in two different photocatalytic processes including: a proton-coupled electron transfer and an energy transfer. Trends in yields and photophysical data have been examined and compared with other photosensitizers.

La production de H2, à partir d'eau et d'énergie solaire, est probablement une solution d'avenir pour le stockage des énergies renouvelables. Pour éviter l’utilisation de platine, des catalyseurs à base de métaux abondants doivent être développés. Les complexes diimine-dioxime de cobalt sont parmi les catalyseurs bio-inspirés les plus performants. Dans ce travail, nous avons dans un premier temps élucidé le mécanisme de production d’hydrogène par ces complexes et extrait les paramètres cinétiques des différentes étapes en utilisant les méthodes et techniques électrochimiques les plus récentes. Une étude comparative via l’établissement d’une « courbe de Tafel catalytique » a mis en évidence l’excellente performance catalytique de ces complexes. Ensuite, une voie de synthèse permettant le couplage de ces complexes avec un motif fullerène réservoir d’électron a été développée, et a permis d’améliorer encore les performances catalytiques. Enfin, ce complexe a été intégré dans une photocathode à base de semi-conducteurs organiques. / The production of H2 through sunlight-driven water splitting appears to be a promising solution for our future energy supply. Earth-abundant catalysts should be developed to replace platinum as water splitting catalysts. Bio-inspired cobalt diimine-dioxime complexes have emerged as one of the most versatile series of non-noble metal catalysts. In this work, the mechanism for H2 evolution mediated by this series of catalysts has been reinvestigated, and kinetic information have been determined thanks to recent advancements in electrochemical methodology. Their superior hydrogen evolution performance has been shown through comparative catalytic Tafel plots. Secondly, a synthetic route towards the incorporation of fullerene moieties, as electron reservoirs, in the vicinity of the catalytic center, has been developed. The resulting catalyst has shown improved catalytic activity and has been implemented in an operational H2-evoving photocathode based on organic semi-conductors.

Le présent mémoire décrit le développement d’une méthode de synthèse des hélicènes catalysée par la lumière visible. Les conditions pour la formation de [5]hélicène ont été établies par une optimisation du photocatalyseur, du solvant, du système d’oxydation et du temps réactionnel. Suite aux études mécanistiques préliminaires, un mécanisme oxydatif est proposé. Les conditions optimisées ont été appliquées à la synthèse de [6]hélicènes pour laquelle la régiosélectivité a été améliorée en ajoutant des substituants sur la colonne hélicale. La synthèse de thiohélicènes a aussi été testée en utilisant les mêmes conditions sous irradiation par la lumière visible. La méthode a été inefficace pour la formation de benzodithiophènes et de naphtothiophènes, par contre elle permet la formation du phenanthro[3,4-b]thiophène avec un rendement acceptable. En prolongeant la surface-π de la colonne hélicale, le pyrène a été fusionné aux motifs de [4]- et [5]hélicène. Trois dérivés de pyrène-hélicène ont été synthétisés en utilisant les conditions optimisées pour la photocyclisation et leurs caractéristiques physiques ont été étudiées. La méthode de cyclisation sous l’action de la lumière visible a aussi été étudiée en flux continu. Une optimisation du montage expérimental ainsi que de la source lumineuse a été effectuée et les meilleures conditions ont été appliquées à la formation de [5]hélicène et des trois dérivés du pyrène-hélicène. Une amélioration ou conservation des rendements a été observée pour la plupart des produits formés en flux continu comparativement à la synthèse en batch. La concentration de la réaction a aussi été conservée et le temps réactionnel a été réduit par un facteur de dix toujours en comparaison avec la synthèse en batch. / The present work describes the development of a visible-light-mediated method for the synthesis of helicenes. The conditions for the formation of [5]helicene were established in a batch process as a result of an extensive optimization of the photosensitizer, solvent, oxidant system and reaction time. Following preliminary mechanistic studies, an oxidative reaction mechanism was proposed. The optimized conditions were applied to the synthesis of [6]helicenes and the regioselectivity of the reaction was improved through substitution along the helicene backbone. Synthesis of thiohelicenes was also explored under the same conditions and although ineffective for the formation of benzodithiophenes and naphthothiophene, it did provide phenanthro[3,4-b]thiophene in a moderate yield. In an effort to extend the π-surface of the helical backbone, a pyrene moiety was fused to the [4]- and [5]helicene core. Three pyrene-helicene hybrid derivatives were synthesized under the visible-light-mediated cyclization conditions and their physical properties investigated. The visible-light-mediated method for the formation of helicenes was also explored using the continuous flow method. An optimization of the reaction set up, the reaction medium as well as the light source was conducted with the [5]helicene model system. The optimal conditions were applied to the formation of various pyrene-helicene derivatives. In most cases the reaction yields were maintained or significantly improved when compared with the batch process. Also, the reaction concentration was conserved while the reaction time was decreased tenfold from the batch method to the continuous flow process.

Les matériaux électrochromiques organiques ont été un domaine de recherche novateur au cours des dernières décennies. Ces composés qui répondent à un potentiel appliqué par un changement de couleur sont dits électrochromes. Leur intérêt est principalement dû à leur synthèse facile, à haut rendement et à leur aspect écologique par rapport à leurs homologues inorganiques. En règle générale, ces composés ne changent de couleur qu’avec un potentiel appliqué. Développer des composés qui changent à la fois leur couleur et leur fluorescence avec un potentiel appliqué pour une utilisation dans des dispositifs électrofluorescents reste un défi majeur. Dans cette étude, une série de composés contenant de la triphénylamine (TPA) et du benzothiadiazole (BZT) ont été évalués. Ils ont été couplés à différents groupes terminaux pour moduler les propriétés photophysiques et électrochimiques. Ces composés ont été entièrement caractérisés par spectroscopie d'absorption, spectroscopie de fluorescence, voltammétrie cyclique, spectroélectrochimie et diffraction des rayons X. Cela nous a permis d'examiner l'influence de leur structure sur les propriétés. Cela nous a également permis d'identifier les composés d'intérêt idéaux pour une utilisation dans des appareils fonctionnels. Les dispositifs contenant du TPA et du BZT sont idéalement employée pour la fabrication de « fenêtre intelligente ». Cela est dû à l'activité électrochimique du TPA ainsi qu'à la fluorescence à l'état solide du noyau BZT. Pour améliorer encore les propriétés des dispositifs, un système passif était le but ultime. Cela contraste avec les dispositifs actifs où un potentiel doit être appliqué en continu pour que la couleur induite soit cohérente. Dans ce but, des couches cathodiques ont été préparées et étudiées dans un dispositif et leur utilisation comme réservoir d'ions dans un dispositif électrochromique / électrofluorescent passif a été testée. Les résultats préliminaires ont montré que les dérivés d'anthraquinone avaient des propriétés idéales pour les couches cathodiques. / Organic electrochromic materials have been a hot area of research during the past decades. These compounds that respond to an applied potential with a color change are said to be electrochromic. Their interest is mainly because of the easy synthesis, convenient mass production, and eco-friendly preparation compared to their inorganic counterparts. Typically, these compounds change only their color with an applied potential. To develop compounds that change both their color and their fluorescence with a potential applied for use in electrofluorescent devices remains a major challenge. In this study, a series of compounds containing triphenylamine (TPA) and benzothiadiazole (BZT) were evaluated. They were coupled with different end groups to tune the photophysical and electrochemical properties. These compounds were fully characterized by absorption spectroscopy, fluorescence spectroscopy, cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry, and X-ray diffraction along with other techniques. This allowed us to examine the influence of their structure on the properties. It also allowed us to identify the ideal compounds of interest for use in functioning devices. The devices containing TPA and BZT are ideally ‘smart window’ applications. This is due to the electrochemical activity by TPA as well as the solid state fluorescence of the BZT core. To further improve the properties of devices, a passive device was the ultimate goal. This is in contrast to active devices where a potential must be applied continuously for the induced color to be consistent. Towards this goal, cathodic layers were prepared and investigated in a device and their use as an ion reservoir in a passive electrochromic / electrofluorescent device was tested. Preliminary results, showed that anthraquinone derivatives had ideal properties for the cathodic layers.