Dans ce manuscrit sont décrites de nouvelles procédures pour la synthèse stéréosélective d’un composé d’intérêt pharmacologique ainsi que leurs implémentations pour la production en continu. Plusieurs procédures de modification de catalyseurs hétérogènes commerciaux ont été développées et ont permis d’augmenter significativement la diastéréosélectivité de la réaction d’hydrogénation d’un intermédiaire de synthèse. Une voie de synthèse alternative par dérivatisation a également été développée, permettant d’atteindre une diastéréosélectivité pus élevée. De plus, des réacteurs modulaires dédiés à la réalisation de réactions triphasiques gas/liquide/solide sous haute pression ont été conçus. Un prototype a été fabriqué et a pu être utilisé pour les procédures d’hydrogénation développées. Enfin, un intermédiaire de synthèse a été préparé sans solvant ni additifs et avec une grande productivité en utilisant un microréacteur. / In this thesis, we present new procedures for the highly stereoselective synthesis of an active pharmaceutical ingredient and initiate their implementation in continuous flow for production. We developed several procedures for the highly diastereoselective hydrogenation reactions using chemically modified commercial heterogeneous catalysts. In addition, a three step reaction pathway through hydrolysis, highly diastereoselective hydrogenation reaction and conversion back to primary amide was developed to prepare. Modular high pressure continuous reactors have been designed and a prototype has been manufactured to perform the gas/liquid/solid triphasic hydrogenation reactions. Finally, we prepared a synthesis intermediate without solvents nor additives in continuous flow using a home-made micro-reactor, dramatically increasing the productivity of the process.

Over the last two centuries, the discovery and application of catalysts has had a substantial impact on how and what chemicals are produced.Given their broad significance, our group has focused on developing new catalyst systems that are recoverable and reusable, in an attempt to reduce concomitant costs. Our efforts have centered on constructing a recyclable chiral heterogeneous catalyst capable of effecting asymmetric hydrogenations of olefins with high stereoselectivity. A class of phosphinoimidazoline ligands, developed by researchers at Boehringer-Ingelheim, known as BIPI ligands, have proven efficacious in the asymmetric reduction of alkenes. However, these chiral ligands are homogeneous and coordinated to precious metals, rendering them irrecoverable and expensive. To address these issues, our group has derivatized the BIPI ligand-metal complex and immobilized it to the surface of graphene oxide as well as polystyrene. Their efficacy and recyclability toward the asymmetric hydrogenation of a functionalized olefin have been evaluated. Another facet of our work has included developing a cost effective synthetic process to artemisinin, the gold standard drug in the treatment of malaria.As a natural product, artemisinin’s worldwide supply remains highly unpredictable, contributing to great price volatility.Combining the benefits of catalysis and the advantages of continuous flow chemistry, our research has sought to develop an economical approach to convert a biosynthetic precursor, artemisinic acid, to artemisinin in three chemical transformations. High-throughput experimentation allowed us to screen a prodigious number of catalysts and identify those effective in the asymmetric hydrogenation artemisinic acid to dihydroartemisinic acid, the first step in the transformation. This screening directed us to an inexpensive, heterogeneous ruthenium catalyst. The second step of the process includes the photooxygenation of dihydroartemisinic acid, which involves photochemically generated singlet oxygen. We have evaluated a commercially available heterogeneous photocatalyst packed in a transparent bed, surrounded by light emitting diodes in the continuous photooxygenation of dihydroartemisinic acid to dihydroartemisinic acid hydroperoxide. The third and final step, an acid induced hock cleavage, initiates an intricate cascading reaction that installs an endoperoxide bridge to deliver artemisinin. Our process afforded a 57% yield from dihydroartemisinic acid to artemisinin.

Les macrocycles peptidiques sont des molécules ayant une importance pharmaceutique grandissante. Le cycle restreint le nombre de conformations accessibles et peut potentiellement améliorer un certain nombre de paramètres pharmacocinétiques et pharmacodynamiques, en comparaison avec un analogue linéaire. La synthèse de macrocycles exige de favoriser la réaction intramoléculaire par rapport à la réaction intermoléculaire, ce qui est souvent réalisé par dilution du milieu dans l’ordre du mM. Les contraintes de concentration rendent certaines réactions de macrocyclisation peu pratiques. Par exemple, les processus photochimiques sont intrinsèquement sensibles à la concentration et à la pénétration de la lumière. Leur efficacité peut être améliorée en réduisant la longueur du trajet optique de la lumière dans une solution, mais cette solution est difficilement transposable aux procédés de macrocyclisation. Le chapitre 1 de ce mémoire introduit les concepts de macrocyclisation et de réaction photochimique. Le chapitre 2 introduit, d’une part, les réactions de macrocyclisation photochimique et, d’une autre, le travail de conception réalisé par Émilie Morin d’un réacteur hybride en flux continu favorisant ce type de réaction. Le chapitre 3 explicite les démarches effectuées pour réaliser les objectifs de ce mémoire. Plus précisément, l’oxydation aérobique photocatalytique de thiols en disulfure dans le réacteur hybride permet l’isolation de cinq macrocycles avec de meilleurs rendements qu’en montage en batch. Le couplage de Glaser-Hay est utilisé pour dériver un des macrocycles synthétisés dans le réacteur hybride. Enfin, l’investigation préliminaire de deux autres systèmes photocatalytique/photochimique est abordée pour leur application future dans le réacteur nouvellement développé. / Peptide macrocycles are molecules of increasing pharmaceutical importance. Their restricted conformations can potentially improve a number of pharmacokinetic and pharmacodynamic parameters, compared to their linear analogs. The synthesis of macrocycles requires favoring the intramolecular reaction over the intermolecular reaction, which is often achieved by dilution in the order of mM. The constraints of concentration make certain macrocyclization reactions unpractical. For example, photochemical processes are inherently sensitive to concentration and light penetration. Their efficiency can be improved by reducing the length of the optical path of the light in a solution, but the solution is difficult to transfer to macrocyclization processes. Chapter 1 of the thesis introduces the concepts of macrocyclization and photochemical reactions. Chapter 2 introduces photochemical macrocyclization reactions and the design work carried out by Émilie Morin of a continuous flow hybrid reactor. Chapter 3 explains the steps taken to achieve the objectives of the thesis. More specifically, the photocatalytic aerobic oxidation of thiols to disulfide in the hybrid reactor allows the isolation of five macrocycles with better yields than in batch. The Glaser-Hay coupling is used to derivatize one of the macrocycles synthesized in the hybrid reactor. Finally, the preliminary investigation of two other photocatalytic/photochemical systems is discussed for their future application in the newly developed reactor.

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La réaction de macrocyclisation est une transformation fondamentale en chimie organique de synthèse. Le principal défi associcé à la formation de macrocycles est la compétition inhérente avec la réaction d’oligomérisation qui mène à la formation de sousproduits indésirables. De plus, l’utilisation de conditions de dilutions élevées qui sont nécessaires afin d’obtenir une cyclisation “sélective”, sont souvent décourageantes pour les applications à l’échelle industrielle. Malgré cet intérêt pour les macrocycles, la recherche visant à développer des stratégies environnementalement bénignes, qui permettent d’utiliser des concentrations normales pour leur synthèse, sont encore rares. Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle approche générale visant à améliorer l’efficacité des réactions de macrocyclisation en utilisant le contrôle des effets de dilution. Une stratégie de “séparation de phase” qui permet de réaliser des réactions à des concentrations plus élevées a été developpée. Elle se base sur un mélange de solvant aggrégé contrôlé par les propriétés du poly(éthylène glycol) (PEG). Des études de tension de surface, spectroscopie UV et tagging chimique ont été réalisées afin d’élucider le mécanisme de “séparation de phase”. Il est proposé que celui-ci fonctionne par diffusion lente du substrat organique vers la phase ou le catalyseur est actif. La nature du polymère co-solvant joue donc un rôle crutial dans le contrôle de l’aggrégation et de la catalyse La stratégie de “séparation de phase” a initiallement été étudiée en utilisant le couplage oxidatif d’alcynes de type Glaser-Hay co-catalysé par un complexe de cuivre et de nickel puis a été transposée à la chimie en flux continu. Elle fut ensuite appliquée à la cycloaddition d’alcynes et d’azotures catalysée par un complexe de cuivre en “batch” ainsi qu’en flux continu. / Macrocyclization is a fundamentally important transformation in organic synthetic chemistry. The main challenge associated with the synthesis of large ring compounds is the competing oligomerization processes that lead to unwanted side-products. Moreover, the high dilution conditions needed to achieved “selective” cyclization are often daunting for industrial applications. Despite the level of interest in macrocycles, research aimed at developing sustainable strategies that focus on catalysis at high concentrations in macrocyclization are still rare. The following thesis describes the development of a novel approach aimed at improving the efficiency of macrocyclization reactions through the control of dilution effects. A “phase separation” strategy that allows for macrocyclization to be conducted at higher concentrations was developped. It relies on an aggregated solvent mixture controlled by a poly(ethylene glycol) (PEG) co-solvent. Insight into the mechanism of “phase separation” was probed using surface tension measurments, UV spectroscopy and chemical tagging. It was proposed to function by allowing slow diffusion of an organic substrate to the phase where the catalyst is active. Consequently, the nature of the polymer co-solvent plays a role in controlling both aggregation and catalysis. The “phase separation” strategy was initially developed using the copper and nickel co-catalyzed Glaser-Hay oxidative coupling of terminal alkynes in batch and was also transposed to continuous flow conditions. The “phase separation” strategy was then applied to the copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition in both batch and continuous flow.

Les composés aminés représentent une grande part des substances actives en chimie médicinale. Les travaux rapportés dans cette thèse décrivent les efforts consacrés au développement d’une nouvelle méthode d’amination de liens C-H propargyliques. Notre groupe de recherche a développé depuis quelques années un nouveau précurseur de nitrène métallique, les N-mésyloxycarbamates, permettant d’effectuer des réactions d’amination de liaisons C-H diversement activées. Au cours du développement de notre méthodologie, la synthèse du N-mésyloxycarbamate a fait l’objet de nombreuses optimisations, notamment en améliorant l’échelle globale de la synthèse ainsi que son efficacité. De même, des efforts ont été consacrés pour diminuer le nombre d’étapes nécessaires à la synthèse du réactif en développant la synthèse d’un des intermédiaires de manière énantiosélective. Enfin, la synthèse de ce réactif a également été envisagée à l’aide de la chimie en flux continu. Au cours du développement de la méthode de synthèse d’amines propargyliques, nous avons constaté que l’acide acétique jouait un rôle déterminant dans la conservation de bonnes sélectivités et réactivités de la réaction. Ces différentes observations ont permis de mettre au point un procédé diastéréosélectif efficace permettant d’obtenir des amines propargyliques avec des rendements allant de moyens à bons et avec d’excellentes diastéréosélectivités. A la suite de l’étude de l’étendue de notre procédé, nous avons tenté de déterminer les mécanismes réactionnels qui régissaient la réactivité et la sélectivité de celui-ci. Nous avons ainsi montré que l’espèce réactive du système catalytique était bel et bien un nitrène métallique, et que l’étape cinétiquement déterminante était celle d’insertion. Des expériences faites en oxydant l’espèce catalytique de rhodium ont suggéré que plusieurs états d’oxydation de cette espèce peuvent être présents et actifs dans le système catalytique. / The nitrogen containing compounds represent a large portion of the active substances in medicinal chemistry. The work reported in this manuscript describe the efforts devoted to the development of a new method of amination of propargylic C-H bonds. Our research group has developed recently a new metal nitrene precursor, N-mesyloxycarbamates, to perform amination reactions on various C-H bonds. During the development of our methodology, the synthesis of N-mesyloxycarbamate has undergone many improvements, including improved global scale synthesis and effectiveness. Similarly, efforts were devoted to reduce the number of steps required for the synthesis of the reagent by developing the synthesis of an intermediate enantioselectively. Finally, the synthesis of this reagent was also considered using continuous flow chemistry. During development of the method of synthesis of propargylic amines, we have found that acetic acid plays a key role in the conservation of good selectivity and reactivity of the reaction. These observations allowed to develop an efficient diastereoselective process in order to obtain propargylic amines with moderate to good yields and with excellent diastereoselectivities. Following the study of the scope of our process, we tried to determine the reaction mechanisms governing the reactivity and selectivity. We have shown that the reactive species of the catalyst system was indeed a metal nitrene, and that the rate-determining step was the insertion. Experiments made by oxidizing the rhodium catalytic species suggested that several oxidation states of this species may be present and active in the catalytic system.