Les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés sont des composés intéressants dans de nombreux domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse, tout d’abord diastéréosélective puis énantiosélective de ces composés. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’utilisation de la zinciocyclopropanation pour l’obtention de ces dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés. Cette méthode consiste en l’utilisation d’un carbénoïde gem-dizincique pour effectuer une réaction de type Simmons-Smith. Cette stratégie a l’avantage d’être diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur qu’est l’oxygène allylique basique. Lors de cette réaction, l’existence d’une réaction compétitive avec un réactif monozincique diminuait l’utilité de la zinciocyclopropanation. L’issue de la réaction s’est avérée dépendre fortement de la nature du carbénoïde utilisé, de la température réactionnelle et de la présence de ZnI2 dans le milieu. L’étude par GCMS de nombreuses conditions pour la formation des différents carbénoïdes a permis d’identifier les paramètres clés conduisant à la zinciocyclopropanation. Ces découvertes ont notamment permis d’étendre la réaction de zinciocyclopropanation aux alcools allyliques portant un seul groupement directeur (ie. non dérivé du 1,4-buténediol). Dans ces conditions, la réaction s’est avérée extrêmement diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur. Afin de fonctionnaliser les zinciocyclopropanes ainsi obtenus, plusieurs réactions de fonctionnalisation in situ ont été développées. Chacune de ces méthodes a montré une conservation totale de la diastéréosélectivité obtenue lors de la réaction de zinciocyclopropanation. La versatilité de la zinciocyclopropanation a donc été démontrée. Avec une méthode diastéréosélective efficace pour la formation de zinciocyclopropanes à partir d’alcools allyliques ne portant qu’un seul groupement directeur, il est devenu possible d’envisager le développement énantiosélectif de la réaction. L’utilisation d’un dioxaborolane énantiopur a permis la zinciocyclopropanation avec de très bons excès énantiomères de divers alcools allyliques chiraux. La présence sur la même molécule d’un lien C–Zn nucléophile est d’un atome de bore électrophile a conduit à un échange bore-zinc in situ, formant un cyclopropylborinate énantioenrichi. La formation de ce composé bicyclique a permis d’obtenir une diastéréosélectivité parfaite. De nombreux alcools allyliques ont pu ainsi être convertis en cyclopropylborinates. Une réaction de Suzuki subséquente a permis la formation de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-trisubstitués avec de très bons excès énantiomères et une excellente diastéréosélectivité. Les cyclopropylborinates obtenus à l’issue de la zinciocyclopropanation énantiosélective se sont avérés être des unités très versatiles puisque de nombreuses méthodes ont pu être développés pour leur fonctionnalisation. / 1,2,3-Substituted cyclopropanes are useful compounds present in several chemical domains. This thesis considers both the diastereo- and enantioselective synthesis of these compounds, particularly focusing on zincocyclopropanation methodologies. This method relies on a gem-diorganozinc carbenoid undergoing a Simmons-Smith type cyclopropanation. This method is advantageous due to its diastereoselectivity, forming the cyclopropylzinc adduct, where the zinc atom is cis relative to the directing group involved in the cyclopropanation. In this reaction, the existence of a competitive pathway involving a monoorganozinc reagent dramatically decreased the efficiency of the zincocyclopropanation. Reactivity studies, and screening of numerous conditions for the formation of the carbenoids highlighted the crucial parameters favouring the zincocyclopropanation reaction. This work demonstrated that the outcome of the reaction strongly depends on the nature of the carbenoid used, the temperature, and the presence of ZnI2 in the reaction mixture. Due to these findings, zincocyclopropanation was extended to allylic alcohols bearing one directing group only (i.e. not derived from 1,4-butenediol). As predicted, under these optimized conditions the zincocyclopropanation was highly cis-diastereoselective. To functionalize these cyclopropylzinc reagents many in situ functionalization reactions were developed. All these methods demonstrated total retention of the diastereoselectivity, and as such, the versatility of zincocyclopropanation for the synthesis of 1,2,3-susbtituted cyclopropanes is demonstrated. With a diastereoselective method in hand for the synthesis of 1,2,3-substituted cyclopropanes, we explored the development of an enantioselective version for this reaction. The use of a dioxaborolane-based ligand allowed the zincocyclopropanation of various allylic alcohols with high enantioselectivity. The presence of a nucleophilic C-Zn bond and an electrophilic boron center within the same molecule led to an in situ zinc-boron exchange and the formation of a cyclopropylborinate. This intramolecular zinc to boron exchange is responsible of the perfect diastereoselectivity of the reaction. These cyclopropylborinates were submitted to a Suzuki cross-coupling reaction leading to various 1,2,3-substituted cyclopropane with high enantioselectivities and excellent diastereoselectivities. These cyclopropylborinates are versatile intermediates as other functionalization reactions have been developed for these compounds.

Le présent mémoire est subdivisé en deux principaux sujets. Le premier porte sur le développement d’une hydrolyse de thiazolidines assistée par micro-ondes en vue d’obtenir des cystéines a-substituées. Le second est axé sur le développement d’une méthodologie pour la synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs. Dans un premier temps, les rôles et les utilités des acides aminés quaternaires, plus spécifiquement des cystéines a-substituées, seront abordés, puis une revue des différentes méthodes énantiosélectives pour accéder à ces unités sera effectuée. Par la suite, le développement d’une méthode rapide et efficace d’hydrolyse sous irradiation aux micro-ondes de thiazolines sera présenté. Finalement, les études menant à l’application de cette méthode à la synthèse de cystéines -substituées sur grande échelle au moyen de réacteurs en écoulement dynamique et à haut criblage seront détaillées. Dans la seconde partie, les applications ainsi que les synthèses générales des alkylidènecyclopropanes en synthèse organique seront décrites. Plus particulièrement, les applications spécifiques des alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs ainsi que leurs synthèses seront traitées de manière exhaustive. Par la suite, le développement d’une méthodologie énantiosélective catalytique pour la synthèse d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs sera présenté. L’extension de cette méthodologie à la synthèse de dérivés cyclopropanes et cyclopropènes, ainsi que l’application de réactions stéréospécifiques pour les alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs seront brièvement discutées. / The present M.Sc. thesis will be divided into two main subjects. The first part will be focused on the development of an efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines for the synthesis of a-substituted cysteines. The second part will be on the development of methodology for the asymmetric synthesis of 1,1-di-acceptor alkylidenecyclopropanes. First, the role and the importance of quaternary amino acids, more specifically of a-substitued cysteines, will be described, then a review of the available enantioselective methods for their syntheses will be reported. Afterward, the development of a fast and efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines will be presented. Finally, the studies toward the applicability of the methodology for the multi-gram synthesis of -substituted cysteines using flow and high-throughput reactors will be detailed. In the second part, the general applications and syntheses of alkylidenecyclopropanes will be described. More specifically, the applications of 1,1-di-acceptor alkylidenecycloproanes as well as their syntheses will be exhaustively covered. Then, the development of a catalytic enantioselective methodology for the synthesis of di-acceptor alkylidenecyclopropanes will be presented. The extension of this methodology for the synthesis of cyclopropane and cyclopropene derivatives, as well as the applications of 1,1-diacceptor alkylidenecyclopropane in stereospecific derivatizations will be briefly discussed.

L'activation catalytique d'alcools vers la formation déshydrative de liaisons chimiques sans pré-activation est devenue un intérêt de recherche majeur au cours des deux dernières décennies. Dans cette thèse, l’effet synergique particulier des acides forts en tant que catalyseurs dans l’hexafluoroisopropanol (HFIP) comme solvant de diverses classes de carbocations instables dans la chimie de Friedel-Crafts a été étudié. Il a été constaté que pour la première fois, les réactions de Friedel-Crafts d'alcools benzyliques primaires fortement désactivés, catalysées par un acide, se déroulaient facilement, en raison des phénomènes d'agrégation induits par l'acide dans HFIP. Une stratégie similaire a été utilisée pour l'activation d'alcools propargyliques, comme nouvelle voie d'accès sélectif aux allènes et indènes portant la fonction CF3, à partir des mêmes composés de départ. De plus, ce système catalytique a été appliqué avec succès pour les réactions de Friedel-Crafts de cyclopropanes de type non activés et donneur-accepteur. Enfin, il a été découvert que le HFIP pouvait atténuer le réarrangement de carbocation classique dans les alkylations de Friedel-Crafts, permettant l’accès aux produits avec chaînes alkyle linéaires en une seule étape à partir d’alcools aliphatiques linéaires. / The catalytic activation of alcohols towards dehydrative bond formation in the absence of pre-activation has become a major research interest over the past two decades. In this thesis, the peculiar synergistic effect of strong acids as catalysts in hexafluoroisopropanol (HFIP) as solvent on various classes of unstable carbocations in Friedel-Crafts chemistry was investigated. It was found that for the first time, Brønsted acid catalyzed Friedel-Crafts reactions of highly electronically deactivated primary benzylic alcohols proceeded smoothly due to the acid-induced aggregation phenomena in HFIP. A similar strategy was used for the activation of propargylic alcohols as a new route to selectively access CF3-substituted allenes and indenes from the same starting compounds. Furthermore, this catalytic system was succesfully applied for Friedel-Crafts reactions of unactivated and donor-acceptor cyclopropanes. Finally, it was discovered that HFIP can mitigate against classical carbocation rearrangement in Friedel-Crafts alkylations, allowing access to linear alkyl chain products in a single step from linear alkyl alcohols.

The thesis entitled ‘Studies of NIS Mediated Cyclopropane Ring Opening Reactions in Carbohydrate Chemistry’ is divided into four chapters. Chapter 1: Section 1: Efficient Synthesis of Fused Perhydrofuro[2,3-b]pyrans (and furans) by Ring Opening of 1,2-Cyclopropanated Sugar Derivatives. In this section a general and efficient methodology for the synthesis of carbohydrate derived perhydrofuro[2,3-b]pyrans (and furans) from the corresponding 1,2-cyclopropane carboxylates has been discussed. A wide range of linear-fused perhydrofuro[2,3-b]pyran or furan ring systems are encountered in a number of biologically active natural products. A few approaches are available for the construction of this kind of fused motifs which involve harsh reaction conditions and lengthy reaction sequence. The methodology utilizes the potential ability of cyclopropanated sugars to undergo N-iodosuccinimide (NIS) mediated electrophilic ring opening assisted by the pyran ring oxygen followed by intramolecular trapping of oxonium intermediate to generate the furan ring system. Cyclopropantion of tribenzyl glucal using methyl diazoacetate and catalytic amount of dirhodiumtetracetate furnished corresponding exo-1,2-cyclopropane carboxylate exclusively. To generate a nucleophile, cyclopropane carboxylate ester was reduced to the corresponding alcohol which upon treatment with NIS in CH3CN underwent ring opening followed by intramolecular ring closure to give the corresponding perhydro[2,3-b]furopyran along with an oxidized product. After various modifications we found that using CH2Cl2 as a solvent gave the expected perhydrofuropyran as the sole product in good yield (Scheme I). The stereochemistry of the product was established on the basis of 1H-1H NOESY experiment. There are many natural products that contain the perhydrofuro[2,3-b]furyl glycal core such as clerodin, jodrelline B and caryoptin, which show insect anti-feedant properties. With this in mind, the methodology has been successfully extended to the cyclopropanated tetrahydrofuran derivatives resulting in the synthesis of furofuryl glycal moiety (Scheme II). Scheme II Chapter 1: Section 2: Synthesis of Carbohydrate Derived Fused Perhydrofuro/pyrano[2,3-b]-γ-butyrolactones. In this section a general and efficient methodology for the synthesis of carbohydrate derived perhydrofuro/pyrano[2,3-b]-γ-butyrolactones has been discussed. The fusion of the γ-butyrolactone onto a substituted tetrahydrofuran/pyran ring makes a distinctive class natural diterpenoids. Representative members of this family include the marine diterpenoids norrisilide and miniolutelide A. In this chapter we describe a neutral and general method for the construction of perhydrofuro/pyrano[2,3-b]-γ-butyrolactones by NIS mediated ring opening of carbohydrate derived 1,2-cyclopropane carboxylic acids (Scheme III). Scheme III The present strategy is complementary to the existing methods and it is useful since it incorporates an additional chiral center in the molecule under milder conditions, which can be used for further transformations. Chapter 2: Ring Opening of Activated Cyclopropanes with NIS/NaN3: One-pot Synthesis of C-1 Linked Pseudo Disaccharides. Ring opening reactions of activated cyclopropanes have been widely used in organic synthesis. But they are restricted to only selected nucleophiles such as alcohol/ water, as most of the ring opening reactions need acidic activation. This chapter deals with studies of reactivity of various activated cyclopropanes with NIS as a neutral activator and sodium azide as a source of nitrogen nucleophile (Scheme IV). Scheme IV We have clearly demonstrated not only the importance of the donor-acceptor feature in the cyclopropanes in the electrophilic ring opening reaction, but also the selectivity in its functionality. Scheme V This methodology has been successfully utilized in a one-pot synthesis of C-1 linked pseudo-disaccharides from carbohydrate derived 1,2-cyclopropane carboxylates (Scheme V). Chapter 3: Synthesis of Unnatural C-2 Amino Acid Nucleosides Using NIS Mediated Ring Opening of 1,2-Cyclopropane Carboxylated Sugar Derivatives. In this chapter, we have efficiently demonstrated the utility of NIS mediated regioselective ring opening of carbohydrate derived donor-acceptor cyclopropanes for the synthesis of C-2 amino acid nucleosides. This leads to a new class of analogs of peptidyl nucleosides (Scheme VI). Scheme VI One of the advantageous factors is the attachment of nucleobase as well as generation of amino acid precursor in the same reaction which avoids lengthy reaction sequence. We have also shown the synthetic utility of our methodology to pyrimidine based furanosyl C-2 amino acid nucleosides which are of interest, since polyoxins having similar structural core exhibit antifungal activity (Scheme VII). Chapter 4: Attempts Towards the Synthesis of Carbohydrate Derived Spiro-perhydrofuropyrans Using NIS Mediated Cyclopropane Ring Opening Reaction. In this chapter we present various attempts to synthesize spiro-perhydrofuropyran/furans by ring opening of spiro-cylopropane derivatives and attempts towards stereoselective synthesis of spiro-cyclopropane carboxylates. Spiroacetal can be synthesized from the corresponding exo-cyclopropyl methanol, which can be obtained from the corresponding exo- cyclopropane carboxylate. The cyclopropyl carboxylate can be obtained from an exo- vinyl ether. Cyclopropanation of carbohydrate derived exo-glycal failed to give any selectivity under a variety of reaction conditions (Scheme VIII). Carbohydrate derived C1-unsaturated ester on cyclopropanation reaction using standard conditions (Pd(OAc)2/CH2N2) was found to be inert. The reaction under Simmons-Smith cyclopropanation conditions also gave similar results. Reduction of the ester part of the molecule to the corresponding alcohol was found to be helpful in the Simmon-Smith cyclopropanation reaction (CH2I2, Et2Zn) to obtain the corresponding exo-cyclopropane, but disappointingly without any selectivity (Scheme IX). In order to get exo-cyclopropane carboxylate with high stereoselectivity, we decided to use one of the hydroxyl group present in the molecule, as a chiral auxiliary. All the established methods for the diazoester formation failed to attach diazo ester at C-4 position (Scheme X). Scheme X (For structural formula pl see the pdf file)

Les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés sont des composés intéressants dans de nombreux domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse, tout d’abord diastéréosélective puis énantiosélective de ces composés. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’utilisation de la zinciocyclopropanation pour l’obtention de ces dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés. Cette méthode consiste en l’utilisation d’un carbénoïde gem-dizincique pour effectuer une réaction de type Simmons-Smith. Cette stratégie a l’avantage d’être diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur qu’est l’oxygène allylique basique. Lors de cette réaction, l’existence d’une réaction compétitive avec un réactif monozincique diminuait l’utilité de la zinciocyclopropanation. L’issue de la réaction s’est avérée dépendre fortement de la nature du carbénoïde utilisé, de la température réactionnelle et de la présence de ZnI2 dans le milieu. L’étude par GCMS de nombreuses conditions pour la formation des différents carbénoïdes a permis d’identifier les paramètres clés conduisant à la zinciocyclopropanation. Ces découvertes ont notamment permis d’étendre la réaction de zinciocyclopropanation aux alcools allyliques portant un seul groupement directeur (ie. non dérivé du 1,4-buténediol). Dans ces conditions, la réaction s’est avérée extrêmement diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur. Afin de fonctionnaliser les zinciocyclopropanes ainsi obtenus, plusieurs réactions de fonctionnalisation in situ ont été développées. Chacune de ces méthodes a montré une conservation totale de la diastéréosélectivité obtenue lors de la réaction de zinciocyclopropanation. La versatilité de la zinciocyclopropanation a donc été démontrée. Avec une méthode diastéréosélective efficace pour la formation de zinciocyclopropanes à partir d’alcools allyliques ne portant qu’un seul groupement directeur, il est devenu possible d’envisager le développement énantiosélectif de la réaction. L’utilisation d’un dioxaborolane énantiopur a permis la zinciocyclopropanation avec de très bons excès énantiomères de divers alcools allyliques chiraux. La présence sur la même molécule d’un lien C–Zn nucléophile est d’un atome de bore électrophile a conduit à un échange bore-zinc in situ, formant un cyclopropylborinate énantioenrichi. La formation de ce composé bicyclique a permis d’obtenir une diastéréosélectivité parfaite. De nombreux alcools allyliques ont pu ainsi être convertis en cyclopropylborinates. Une réaction de Suzuki subséquente a permis la formation de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-trisubstitués avec de très bons excès énantiomères et une excellente diastéréosélectivité. Les cyclopropylborinates obtenus à l’issue de la zinciocyclopropanation énantiosélective se sont avérés être des unités très versatiles puisque de nombreuses méthodes ont pu être développés pour leur fonctionnalisation. / 1,2,3-Substituted cyclopropanes are useful compounds present in several chemical domains. This thesis considers both the diastereo- and enantioselective synthesis of these compounds, particularly focusing on zincocyclopropanation methodologies. This method relies on a gem-diorganozinc carbenoid undergoing a Simmons-Smith type cyclopropanation. This method is advantageous due to its diastereoselectivity, forming the cyclopropylzinc adduct, where the zinc atom is cis relative to the directing group involved in the cyclopropanation. In this reaction, the existence of a competitive pathway involving a monoorganozinc reagent dramatically decreased the efficiency of the zincocyclopropanation. Reactivity studies, and screening of numerous conditions for the formation of the carbenoids highlighted the crucial parameters favouring the zincocyclopropanation reaction. This work demonstrated that the outcome of the reaction strongly depends on the nature of the carbenoid used, the temperature, and the presence of ZnI2 in the reaction mixture. Due to these findings, zincocyclopropanation was extended to allylic alcohols bearing one directing group only (i.e. not derived from 1,4-butenediol). As predicted, under these optimized conditions the zincocyclopropanation was highly cis-diastereoselective. To functionalize these cyclopropylzinc reagents many in situ functionalization reactions were developed. All these methods demonstrated total retention of the diastereoselectivity, and as such, the versatility of zincocyclopropanation for the synthesis of 1,2,3-susbtituted cyclopropanes is demonstrated. With a diastereoselective method in hand for the synthesis of 1,2,3-substituted cyclopropanes, we explored the development of an enantioselective version for this reaction. The use of a dioxaborolane-based ligand allowed the zincocyclopropanation of various allylic alcohols with high enantioselectivity. The presence of a nucleophilic C-Zn bond and an electrophilic boron center within the same molecule led to an in situ zinc-boron exchange and the formation of a cyclopropylborinate. This intramolecular zinc to boron exchange is responsible of the perfect diastereoselectivity of the reaction. These cyclopropylborinates were submitted to a Suzuki cross-coupling reaction leading to various 1,2,3-substituted cyclopropane with high enantioselectivities and excellent diastereoselectivities. These cyclopropylborinates are versatile intermediates as other functionalization reactions have been developed for these compounds.

Le présent mémoire est subdivisé en deux principaux sujets. Le premier porte sur le développement d’une hydrolyse de thiazolidines assistée par micro-ondes en vue d’obtenir des cystéines a-substituées. Le second est axé sur le développement d’une méthodologie pour la synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs. Dans un premier temps, les rôles et les utilités des acides aminés quaternaires, plus spécifiquement des cystéines a-substituées, seront abordés, puis une revue des différentes méthodes énantiosélectives pour accéder à ces unités sera effectuée. Par la suite, le développement d’une méthode rapide et efficace d’hydrolyse sous irradiation aux micro-ondes de thiazolines sera présenté. Finalement, les études menant à l’application de cette méthode à la synthèse de cystéines -substituées sur grande échelle au moyen de réacteurs en écoulement dynamique et à haut criblage seront détaillées. Dans la seconde partie, les applications ainsi que les synthèses générales des alkylidènecyclopropanes en synthèse organique seront décrites. Plus particulièrement, les applications spécifiques des alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs ainsi que leurs synthèses seront traitées de manière exhaustive. Par la suite, le développement d’une méthodologie énantiosélective catalytique pour la synthèse d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs sera présenté. L’extension de cette méthodologie à la synthèse de dérivés cyclopropanes et cyclopropènes, ainsi que l’application de réactions stéréospécifiques pour les alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs seront brièvement discutées. / The present M.Sc. thesis will be divided into two main subjects. The first part will be focused on the development of an efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines for the synthesis of a-substituted cysteines. The second part will be on the development of methodology for the asymmetric synthesis of 1,1-di-acceptor alkylidenecyclopropanes. First, the role and the importance of quaternary amino acids, more specifically of a-substitued cysteines, will be described, then a review of the available enantioselective methods for their syntheses will be reported. Afterward, the development of a fast and efficient microwave-assisted hydrolysis of thiazolidines will be presented. Finally, the studies toward the applicability of the methodology for the multi-gram synthesis of -substituted cysteines using flow and high-throughput reactors will be detailed. In the second part, the general applications and syntheses of alkylidenecyclopropanes will be described. More specifically, the applications of 1,1-di-acceptor alkylidenecycloproanes as well as their syntheses will be exhaustively covered. Then, the development of a catalytic enantioselective methodology for the synthesis of di-acceptor alkylidenecyclopropanes will be presented. The extension of this methodology for the synthesis of cyclopropane and cyclopropene derivatives, as well as the applications of 1,1-diacceptor alkylidenecyclopropane in stereospecific derivatizations will be briefly discussed.

Les dérivés cyclopropanoïques sont des composés importants dans plusieurs domaines tels que la synthèse organique, la chimie médicinale et la science des matériaux. La synthèse asymétrique des dérivés cyclopropanoïques s'est de plus en plus concentrée sur la synthèse stéréocontrolée de cyclopropanes polysubstitutés qui arborent toute une gamme de substituants distincts. Ces méthodes permettent d’accéder à des synthèses divergentes pour préparer des composés pharmaceutiques comportant cette sous-unité. De plus, l'ouverture facile de ce cycle très tendu en fait une bonne cible pour étudier l'activation de la liaison C‒C. C’est pourquoi les cyclopropanes sont parmi les composés les plus attrayants et les plus diversifiés en synthèse organique. La synthèse divergente de dérivés cyclopropanoïques repose sur l'utilisation de précurseurs stables mais réactifs. L'une des réactions pour former des liaisons C‒C les plus couramment utilisées dans la fonctionnalisation à un stade avancé, est la réaction de couplage croisé de Suzuki-Miyaura. C'est l'une des raisons pour lesquelles les borocyclopropanes sont devenus des précurseurs synthétiques attrayants pour la fonctionnalisation et diversification des molécules complexes. L’accès à de telles molécules faciliterait la préparation de molécules cyclopropanoïques de structures diversifiées. Il est difficile de préparer des borocyclopropanes de manière énantiosélective. Dans cette thèse, une cyclopropanation énantiosélective d'acides boroniques protégés dérivés d'alcools allyliques a été réalisée via la réaction de cyclopropanation asymétrique en présence du ligand chiral de type dioxaborolane. Le développement de cette méthodologie a nécessité une modification de la décomplexation oxydative existante du dioxaborolane via son complexe dérivé de la diéthanolamine. Le protocole est maintenant applicable aux dérivés boronates qui incluent des groupements fonctionnels qui sont incompatibles avec les bases. Les borocyclopropanes tétracoordonnés obtenus permettent également la formation de liaisons C‒C et ont démontré une stabilité améliorée par rapport à leurs dérivés tricoordonnés. Une étude plus approfondie sur des complexes cyclopropylméthylamine-boranes (CAB) a démontré que ces derniers pouvaient conduire aux amine-boranes spirocycliques (SCAB). Ces SCAB ont été obtenus grâce à une cascade d'activation des CABs en utilisant le bis(trifluorométhanesulfonimide) (Tf2NH) comme initiateur. L'ouverture du cycle des CAB représente la première conversion des cyclopropanes en spirocycles contenant à la fois un N-spirocentre et un spiro amine-borane. Les amine-boranes ont démontré une activité pharmacologique telle que des propriétés anticancéreuses, anti-inflammatoires et anti-ostéoporotiques. L'incorporation de spirocycles dans un motif augmente le caractère sp3 et la chiralité inhérente. Les SCAB rendent alors des candidats attrayants pour la conception de médicaments. La réaction de SCAB avec de Tf2NH en quantités stoechiométriques a donné un complexe SCAB•NTf2 qui est capable de réduire les fonctions cétone, aldéhyde, imine, nitrobenzène, nitrosobenzène, anthracène, indole et aryl méthyl éther. Le complexe SCAB•NTf2 est également capable de réduire le diphénylacétylène de manière Z-sélective en cis-stilbène. Des études spectroscopiques approfondies ont donné plus d'informations sur la structure de SCAB•NTf2 et nous ont permis de proposer un mécanisme de réduction des groupements fonctionnels ci-dessus. Les études spectroscopiques (RMN, IR et Raman) ont également révélé l'implication d'une liaison α-C‒H au bore dans une liaison hydrogène hypsochromique « improper hydrogen bond » avec [Tf2N]-. L'hyperconjugaison avec l’atome de bore, un acide de Lewis, est proposée, ce qui rend la liaison C‒H acide et donc suffisamment polarisée pour agir comme un donneur de pont hydrogène. / Cyclopropane derivatives are incredibly versatile building blocks used in organic synthesis, medicinal chemistry, and materials science. The asymmetric synthesis of cyclopropane derivatives has increasingly focused on achieving polysubstituted cyclopropanes with a range of distinct substituents and their use in divergent syntheses to access pharmaceutical compounds. Moreover, the ring-opening potential of the cyclopropane ring, due to its inherent strain, makes it a facile target for C‒C bond activation and one of the most attractive and diverse cycloalkanes in organic synthesis. Divergent synthesis of cyclopropanes relies on stable pre-installed handles on cyclopropanes that can be activated readily. One of the most common C‒C bond formation approaches used in late-stage functionalization is the Suzuki-Miyaura cross-coupling reaction. As a result, borocyclopropanes have become attractive synthetic building blocks for their use in late-stage functionalization. Methods for the enantioselective synthesis of borocyclopropanes are scarce. In this thesis, the first enantioselective cyclopropanation of an allylic alcohol bearing a tetracoordinate boronate has been achieved via the Charette dioxaborolane-mediated enantioselective cyclopropanation reaction. The development of our method required modification of the existing oxidative decomplexation of dioxaborolane via diethanolamine. The protocol has now been expanded to include boronates and base-sensitive functionalities. The tetracoordinate borocyclopropane obtained was also shown to undergo C‒C bond formation and demonstrated enhanced stability compared to its tricoordinate boronate derivative. Further investigation of boron tethered cyclopropanes led to the discovery of the unique transformation of cyclopropane amine-boranes (CABs) to spirocyclic amine-boranes (SCABs). SCABs were obtained through a cascade activation of CAB via bis(trifluoromethane)sulfonimide (Tf2NH). The ring-opening of CABs represents the first conversion of cyclopropanes to spirocycles containing an N-spirocenter and furthermore an amine-borane spirocore. Amine-boranes have shown pharmacological activity such as anti-cancer, anti-inflammatory, and anti-osteoporotic properties. Incorporating spirocycles into a motif increases sp3 character and inherent chirality, rendering SCABs as attractive candidates for drug design. The reaction of SCAB with stoichiometric amounts of Tf2NH resulted in a SCAB•NTf2 complex that was found to be able to reduce ketone, aldehyde, imine, nitrobenzene, nitrosobenzene, anthracene, and indole functionalities as well as demethylate aryl methyl ethers. The SCAB•NTf2 complex was also capable of reducing diphenylacetylene in a Z-selective manner to cis-stilbene. In-depth spectroscopic studies revealed the structure of SCAB•NTf2 and a mechanism for the reduction of the above functionalities is proposed. The spectroscopic studies (NMR, IR and Raman) revealed the involvement of an α-C‒H bond to boron in improper hydrogen bonding with [Tf2N]-. Hyperconjugation to the Lewis acidic boron is proposed to make the C‒H bond acidic and therefore polarized enough to act as a hydrogen bond donor.

Cette thèse est divisée en deux parties. La première porte sur l’utilité de la fonctionnalisation de liaisons C–H hybridées sp2 et sp3 dans la formation d’hétérocycles azotés et fluorophores bioactifs. La deuxième porte sur la première synthèse des cannflavins A, B et C ainsi que l’adaptation d’une des étapes de synthèse en chimie en flux continu. Dans la première partie, il a tout d’abord été montré que la fonctionnalisation de liaisons C(sp3)–H de cyclopropanes catalysée par un complexe de palladium peut être utilisée dans la synthèse de cyclopropanes plus complexes, et ce de façon intramoléculaire. Lorsque le motif cyclopropane n’est pas substitué, ce dernier ouvre afin de former sélectivement l’hexahydroazépinone avec une énamide cyclique. Une fois cette réaction optimisée, elle a été utilisée pour former de nouvelles molécules comportant cet hétérocycle azoté. Cette réaction peut aussi être transposée en flux continu afin de fournir le produit d’ouverture cyclique de façon ininterrompue et ce pendant plusieurs heures. Dans les travaux futurs, nous suggérons de trouver une façon de fonctionnaliser cet hétérocycle dans une réaction de type «one-pot». Ensuite, nous avons montré la force de la fonctionnalisation de liaisons C(sp2)–H via une réaction d’arylation catalysée par un complexe de palladium pour la synthèse de benzo[a]imidazo[2,1,5‑c,d]indolizines, un fluorophore bioactif. Une fois la synthèse complétée, ceux-ci ont été testés dans la bioconjugaison avec un enzyme de type glutamine trans-amidase. Les travaux de biologies sont présentement en cours dans le groupe de la Pre Joelle Pelletier. Dans la seconde partie, nous nous sommes intéressés à la synthèse des cannflavins A, B et C. Ces molécules sont caractérisées comme étant des flavonoïdes qui sont propres à la plante de Cannabis Sativa. En effet, comme une majorité des produits naturels de cette plante, tels que le Δ9-THC et le CBD, ces flavonoïdes sont des molécules bioactives qui ont des propriétés anti-inflammatoires, neuro-protectrices, anti-cancers, anti-parasitiques, et bien d’autres. Nous avons donc effectué la synthèse des cannflavins A, B et C afin d’avoir des quantités adéquates de matériel pour des études biologiques. Dans la synthèse de première génération, nous avons produit la cannflavin A et C en douze étapes avec des rendements globaux de 8,4% et 12%, respectivement. Le développement d’une deuxième stratégie de synthèse a mené à une amélioration concrète de la synthèse de la cannflavin C en diminuant le nombre d’étapes de synthèse de moitié et doublant le rendement, soit en six étapes avec 23%. Ce raccourci synthétique a été mis en place grâce à l’implication d’un complexe de type BF2 comme groupement protecteur et directeur pour fournir un intermédiaire avancé de la synthèse précédente. Les travaux actuels consistent à l’élaboration d’une stratégie similaire pour la synthèse de cannflavin A. Enfin, nous avons optimisé la synthèse de l’acétyl phloroglucinol en flux continu, qui est notamment le matériel de départ pour la synthèse des Cannflavins. En effet, cette réaction d’acylation de Friedel-Crafts a été optimisée en flux continu pour donner l’acétyl phloroglucinol avec 98% de rendement en utilisant le BF3•OEt2 comme acide de Lewis et AcCl comme agent acylant dans l’EtOAc comme solvant vert. La mise en échelle de cette réaction montre qu’il est possible de produire le composé désiré avec une productivité élevée de 99 g/h. Les travaux futurs de ce projet sont d’utiliser le complexe BF2 généré dans cette réaction pour produire un intermédiaire avancé de la cannflavin A. / This thesis is divided into two parts. This first one discusses the use of C–H functionalization of sp2 and sp3 center in the formation of nitrogen-containing heterocycles. The second one describes the first total synthesis of cannflavins A, B and C as well as the continuous flow production of the starting material of this total synthesis. In the first part, we have shown that the use of palladium-catalyzed C(sp3 )–H functionalization of cyclopropanes can be used to synthesize more complex molecules in an intramolecular fashion. When the cyclopropyl motif bears no substitutions, ring opening of the cyclopropane occurs to selectively yield the hexahydroazepinone heterocyclic core as the enamide isomer. We have taken advantage of this opportunity to prepare a variety of hexahydroazepinones using this novel strategy. This reaction can be converted to flow chemistry, thus shortening the reaction time and providing the desired product continuously over several hours. In future work, we will use the enamide motif to further functionalize the azepinone nucleus in a one-pot manner. Furthermore, we have demonstrated the power of the C–H functionalization strategy in the synthesis of benzo[a]imidazo[2,1,5-c,d]indolizines, a fluorescent heterocycle, via palladiumcatalyzed arylation of C(sp 2 )–H bonds. After synthesis, this fluorophore was bioconjugated with a glutamine transamidase enzyme. Biological tests of these compounds are currently being carried out by the group of Pr Joelle Pelletier. In the second part, we are interested in the synthesis of cannflavins A, B and C. These compounds belong to the class of flavonoids and are unique to the Cannabis sativa plant. Like the majority of natural products found in this plant, such as Δ9 -THC and CBD, these flavonoids are indeed bioactive and show various medicinal properties such as being potent anti-inflammatory, neuro-protective, anti-cancer, anti-parasitic and many more. For these reasons, we carried out the total synthesis of cannflavin A, B and C. In the first generation strategy, we achieved the first total synthesis of cannflavin A and C in twelve linear steps with 8.4% and 12% global yield, respectively. The development of a second-generation strategy led to an improvement for the synthesis of cannflavin C in terms of halving the number of steps required and doubling the overall yield, giving 23% yield in six steps. This synthetic shortcut was achieved using a BF2 complex as a traceless directing and protecting group to provide a highly functionalized intermediate in the synthesis of cannflavin C. Current work focuses on the elaboration of a similar strategy for a shorter total synthesis of cannflavin A. We also optimized the synthesis of acetylphloroglucinol in continuous flow chemistry, this phenol being the starting material of Cannflavins. In fact, this Friedel-Crafts acylation using BF3•OEt2 as the Lewis acid and AcCl as the acylating agent in EtOAc as the green solvent has been optimized to achieve 98% yield with a productivity of 99 g/h in the scale-up setup. From now on, we are trying to use this continuously produced BF2 complex to synthesize a late intermediate in the synthesis of cannflavin A.