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Natural products are essential tools for basic cellular studies leading to the identification of medically relevant protein targets and the discovery of potential therapeutic agents. We have developed a set of second generation diazo reagents with small steric footprints, namely an alpha-trifluoroethyl (HTFB) diazo reagent, for simultaneous arming and SAR studies of bioactive natural products. The Rh(II)-catalyzed O-H insertions of several alcohol-containing natural products, including the potent translation inhibitor lactimidomycin, are investigated and useful reactivity and both chemo- and site- (chemosite) selectivities are observed. The alpha-trifluoroethyl diazo reagents (HTFB) shows clear differences in the IL-2 reporter assay with FK506 derivatives and provides greater retention of biological activity in a hMetAP2 proliferation assay of fumagillol derivatives compared to the first generation pbromophenyl diazo reagent (HBPA). The synthetic utilities of the new alpha-trifluoroethyl diazo reagent (HTFB) provide a great new tool for basic cellular studies facilitating the discovery of new drug candidates for human disease. Furthermore, we are interested in methodologies for beta-lactone synthesis and transformations. In this study, we demonstrated synthetic versatilities of beta-lactones for the synthesis of beta-lactam congeners of orlistat as fatty acid synthase inhibitors via SnCl4- promoted tandem Mukaiyama aldol-lactonization (TMAL) reaction and a one-pot, mild conversion of beta-lactones to beta-lactams. The inhibitory activities of the derived beta-lactam derivatives are determined in a biochemical fluorogenic assay using recombinant FASTE, and the micro-molar range FAS-TE inhibitory activities were observed. Additionally, we pursued synthetic studies toward the total synthesis of spongiolactone, which is a unique beta-lactone-containing marine diterpenoid, isolated from the marine sponge Spongionella gracilis. This natural product bears a unique tricyclic beta-lactone core possessing four contiguous stereogenic centers and an additional stereogenic quaternary carbon on a cyclohexyl appendage. We completed the total synthesis of 6,15-bis-epi-spongiolactone by employing an intramolecular nucleophilecatalyzed aldol-lactonization (NCAL) process as the key step to construct the fused tricyclic beta-lactone core. Importantly, we developed a double diastereoselective and, for the first time, a kinetic resolution via the NCAL process that enables an enantioselective strategy to the tricyclic beta-lactone core of (+)-spongiolactone.

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Cette thèse décrit l’exploration de techniques de catalyse et de flux continu pour faciliter la fermeture de molécules cycliques tendues. En premier lieu, un catalyseur de palladium permet de fermer un hétérocycle aromatique tendu, la structure benzo[a]imidazo[2,1,5-c,d]indolizine.16 La tension de cycle contribue à donner au système  hautement délocalisé de ces molécules des propriétés photophysiques intéressantes, différentes de celles de leurs analogues non tendus.21,33 Il a été démontré que leur longueur d’onde d’émission maximale peut être modulée de manière prévisible en modifiant les groupes fonctionnels conjugués au système aromatique. Le potentiel d’application en biochimie de ces fluorophores à déplacement de Stokes élevé a été exploré en étiquetant deux protéines en milieu biocompatible. En second lieu, une version catalytique de la cycloaddition de Simmons-Smith a été optimisée. Dans cette transformation, une quantité catalytique d’un sel de zinc permet de former un carbénoïde hautement réactif à partir d’un composé aryldiazométhane. Ce carbénoïde peut réagir avec une grande variété d’alcènes pour former les arylcyclopropanes correspondants. Un catalyseur modifié permet même à la réaction d’avoir lieu en présence d’alcools primaires. Enfin, la manipulation des composés aryldiazométhanes utilisés dans la cyclopropanation décrite ci-haut peut s’avérer risquée vu la toxicité et l’instabilité de ces composés. Pour minimiser ces risques, une méthode pour générer et purifier ces réactifs en flux continu a été développée. De cette manière, le composé dangereux est consommé à mesure qu’il est généré, dans un système fermé. Un large éventail d’aryldiazométhanes peut être produit en solution dans un solvant non-coordinant. La compatibilité de ces solutions avec des systèmes catalytiques requérant des réactifs propres et secs a été démontrée. / This thesis describes the exploration of catalysis and continuous flow techniques towards the formation of strained cyclic molecules. First, a palladium catalyst enables the ring closure of a strained aromatic heterocycle, the benzo[a]imidazo[2,1,5-c,d]indolizine.16 Ring strain gives these molecule’s highly delocalized  system interesting photophysical properties that differ from those of unstrained analogs.21,33 Their emissive properties can be predictably modulated by modifying functional groups conjugated to the aromatic core. These high Stokes-shift fluorophores’ application potential in biochemistry was explored by the biocatalyzed labelling of two proteins in biocompatible media. Second, a catalytic version of the Simmons-Smith cycloaddition was optimized. In this transformation, a catalytic amount of zinc salt allows the formation of a highly reactive carbenoid from an aryldiazomethane precursor. This intermediate can then react with a variety of alkenes, forming the corresponding arylcyclopropanes. A modified catalyst even enables the reaction to proceed in the presence of a primary alcohol group. Finally, the handling of the aryldiazomethane precursors used in the above reaction can be hazardous due to these compound’s instability and toxicity. To minimise these risks, a method to synthesise and purify these reagents in continuous flow was developed. This way, the dangerous chemical is consumed as it is generated, in a closed system. A large array of aryldiazomethane solutions in a non-coordinating solvent can be produced. These solutions’ compatibility with sensitive catalytic systems requiring clean and dry reagents was demonstrated.

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Le développement ainsi que l’amélioration des différentes techniques de purification sont des défis importants pour la chimie d’aujourd’hui. Certaines des méthodes actuelles, tel que le greffage d’un réactif sur un support solide permettant d’accéder à un produit pur par simple filtration du milieu, comportent toutefois certains inconvénients. En effet, les propriétés de solubilité de ces polymères rendent la mise en œuvre des réactions plus difficiles. C’est dans ce contexte que le groupe du Pr. Charette a rapporté l’utilisation de réactifs liés à un sel de tétraarylphosphonium (TAP). Ces sels peuvent être solubilisés dans un solvant tel que le dichlorométhane et aisément retirés du milieu réactionnel par précipitation à l’aide d’éther diéthylique (Chapitre 1). L’un des objectifs de cette thèse a donc été lié à la découverte de deux méthodes complémentaires qui, jusqu’à présent, sont considérées comme des méthodes de choix pour la synthèse des sels de TAP fonctionnalisés (Chapitre 2). L’une d’entre elles est utilisée par Soluphase inc., une entreprise qui commercialise ces sels de TAP. L’efficacité des sels en tant que support dans la synthèse de petites molécules a été démontrée lors de la synthèse d’un produit naturel, la (–)-coniine (Chapitre 3). L’isolement des intermédiaires synthétiques instables par simple précipitation à l’aide d’un support de TAP a permis de rendre cette synthèse plus efficace que celle déjà connue. Dans le deuxième volet de cette thèse, plusieurs problèmes reliés à la synthèse de dérivés cyclopropaniques 1,1-disubstitués ont été étudiés. Ces derniers font partie intégrale de plusieurs produits naturels et de médicaments. Cependant, leur formation par une réaction de cyclopropanation d’alcènes utilisant des réactifs diazoïques possédant deux groupements de type accepteur n’est pas tâche facile (Chapitre 4). En effet, cette réaction souffre d’un faible contrôle diastéréosélectif. Par le fait même, très peu de méthodologies de synthèse ont rapporté l’utilisation de ce type de réactifs diazoïques dans des réactions de cyclopropanation stéréosélectives. L’étude du mécanisme de la réaction de cyclopropanation catalysée au Rh(II) a proposé des indices favorisant un modèle ayant des précédents dans la littérature (Chapitre 5). Ces études nous ont mené à la découverte de la «capacité trans-directrice» du groupement amide lors des réactions de cyclopropanation d’oléfines. Nous avons donc utilisé cette propriété afin de résoudre plusieurs problèmes rencontrés dans la littérature. Nous avons montré qu’elle permet l’accès à des dérivés cyclopropaniques possédant deux groupements carboxyliques géminaux avec des sélectivités élevées (Chapitre 6). Ces produits étaient accessibles que par des séquences synthétiques nécessitant plusieurs étapes. De plus, nous avons démontrés que ces nouveaux dérivés cyclopropaniques sont des outils synthétiques fort utiles dans la synthèse de produits naturels d’intérêt biologique. Cette formidable «capacité trans-directrice» du groupement amide nous a permi de résoudre le problème de la synthèse asymétrique de dérivés carboxyliques α-cyano cyclopropaniques (Chapitre 7). De plus, ce projet nous a menées à la découverte de l’effet de divers additif achiraux permettant d’augmenter la sélectivité dans certaines réactions. Cette réaction possède une vaste étendue et l’utilité de ces nouveaux dérivés cyclopropaniques a été démontrée par plusieurs transformations de groupements fonctionnels. / The development of new purification techniques is an important challenge for today’s academic and industrial chemists. Present methods in which a given reagent is linked to a solid support to facilitate recovery still have some issues. Indeed, the solubility properties of these supports, mainly polymers, are not always reliable. In this context, the group of Pr. Charette has recently reported the use of a tetraarylphosphonium salt (TAP) as a solubility control group. TAPs are soluble in solvents such dichloromethane and can be quantitatively precipitated by the addition of diethyl ether (Chapter 1). However, the preparation of these TAPs still remains a synthetic challenge. One of the goal of this thesis lead to the discovery of two complementary methods that are considered among the most versatile ways to access functionalized TAPs (Chapter 2). One of these methods is utilized by Soluphase Inc., which markets these salts. The efficiency of the TAP moiety as a solubility control group in the synthesis of small molecules has been demonstrated by the synthesis of (–)-coniine (Chapter 3). All of the synthetic intermediates were isolated by a simple precipitation/filtration sequence. The TAP-supported synthesis has proven to be more efficient than the unsupported one. The second part of this thesis has focused on the synthesis of different 1,1-disubstituted cyclopropanes. Such cyclopropanes are a common motif in many natural products and synthetic drugs. However, the cyclopropanation reaction between an alkene and a metal carbene bearing two acceptor groups still remains a synthetic challenge (Chapter 4). Indeed, this reaction suffers from a low level of diastereocontrol. Therefore, little data have been reported to date on the stereoselective cyclopropanation with such carbenes. Studying the Rh(II)-catalyzed cyclopropanation of alkenes, we have brought strong evidence in favor of a postulated model of this reaction (Chapter 5). This study has also led to the discovery of the «trans-directing ability» of the amide group in Rh(II)-catalyzed cyclopropanation. We have thus utilized this «trans-directing ability» of the amide group in the Rh(II)-catalyzed cyclopropanation to solve different problems observed in the literature. We first showed that it could enable the synthesis of 1,1-dicarboxy cyclopropanes (Chapter 6). Multi-step syntheses were previously necessary to access such products. We have also demonstrated that these new cyclopropanes are useful synthetic tools for the rapid synthesis of a variety of natural products and biologically active molecules. We have also used this «trans-directing ability» of the amide group in Rh(II)-catalyzed cyclopropanation to enable the synthesis of 1-cyano-1-carboxy cyclopropanes (Chapter 7). Achiral additives were found to increase the selectivity of different metal catalyzed cyclopropanation reactions. The wide scope and synthetic utility of these new cyclopropanes has been further demonstrated by several functional group transformations.

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Le développement ainsi que l’amélioration des différentes techniques de purification sont des défis importants pour la chimie d’aujourd’hui. Certaines des méthodes actuelles, tel que le greffage d’un réactif sur un support solide permettant d’accéder à un produit pur par simple filtration du milieu, comportent toutefois certains inconvénients. En effet, les propriétés de solubilité de ces polymères rendent la mise en œuvre des réactions plus difficiles. C’est dans ce contexte que le groupe du Pr. Charette a rapporté l’utilisation de réactifs liés à un sel de tétraarylphosphonium (TAP). Ces sels peuvent être solubilisés dans un solvant tel que le dichlorométhane et aisément retirés du milieu réactionnel par précipitation à l’aide d’éther diéthylique (Chapitre 1). L’un des objectifs de cette thèse a donc été lié à la découverte de deux méthodes complémentaires qui, jusqu’à présent, sont considérées comme des méthodes de choix pour la synthèse des sels de TAP fonctionnalisés (Chapitre 2). L’une d’entre elles est utilisée par Soluphase inc., une entreprise qui commercialise ces sels de TAP. L’efficacité des sels en tant que support dans la synthèse de petites molécules a été démontrée lors de la synthèse d’un produit naturel, la (–)-coniine (Chapitre 3). L’isolement des intermédiaires synthétiques instables par simple précipitation à l’aide d’un support de TAP a permis de rendre cette synthèse plus efficace que celle déjà connue. Dans le deuxième volet de cette thèse, plusieurs problèmes reliés à la synthèse de dérivés cyclopropaniques 1,1-disubstitués ont été étudiés. Ces derniers font partie intégrale de plusieurs produits naturels et de médicaments. Cependant, leur formation par une réaction de cyclopropanation d’alcènes utilisant des réactifs diazoïques possédant deux groupements de type accepteur n’est pas tâche facile (Chapitre 4). En effet, cette réaction souffre d’un faible contrôle diastéréosélectif. Par le fait même, très peu de méthodologies de synthèse ont rapporté l’utilisation de ce type de réactifs diazoïques dans des réactions de cyclopropanation stéréosélectives. L’étude du mécanisme de la réaction de cyclopropanation catalysée au Rh(II) a proposé des indices favorisant un modèle ayant des précédents dans la littérature (Chapitre 5). Ces études nous ont mené à la découverte de la «capacité trans-directrice» du groupement amide lors des réactions de cyclopropanation d’oléfines. Nous avons donc utilisé cette propriété afin de résoudre plusieurs problèmes rencontrés dans la littérature. Nous avons montré qu’elle permet l’accès à des dérivés cyclopropaniques possédant deux groupements carboxyliques géminaux avec des sélectivités élevées (Chapitre 6). Ces produits étaient accessibles que par des séquences synthétiques nécessitant plusieurs étapes. De plus, nous avons démontrés que ces nouveaux dérivés cyclopropaniques sont des outils synthétiques fort utiles dans la synthèse de produits naturels d’intérêt biologique. Cette formidable «capacité trans-directrice» du groupement amide nous a permi de résoudre le problème de la synthèse asymétrique de dérivés carboxyliques α-cyano cyclopropaniques (Chapitre 7). De plus, ce projet nous a menées à la découverte de l’effet de divers additif achiraux permettant d’augmenter la sélectivité dans certaines réactions. Cette réaction possède une vaste étendue et l’utilité de ces nouveaux dérivés cyclopropaniques a été démontrée par plusieurs transformations de groupements fonctionnels. / The development of new purification techniques is an important challenge for today’s academic and industrial chemists. Present methods in which a given reagent is linked to a solid support to facilitate recovery still have some issues. Indeed, the solubility properties of these supports, mainly polymers, are not always reliable. In this context, the group of Pr. Charette has recently reported the use of a tetraarylphosphonium salt (TAP) as a solubility control group. TAPs are soluble in solvents such dichloromethane and can be quantitatively precipitated by the addition of diethyl ether (Chapter 1). However, the preparation of these TAPs still remains a synthetic challenge. One of the goal of this thesis lead to the discovery of two complementary methods that are considered among the most versatile ways to access functionalized TAPs (Chapter 2). One of these methods is utilized by Soluphase Inc., which markets these salts. The efficiency of the TAP moiety as a solubility control group in the synthesis of small molecules has been demonstrated by the synthesis of (–)-coniine (Chapter 3). All of the synthetic intermediates were isolated by a simple precipitation/filtration sequence. The TAP-supported synthesis has proven to be more efficient than the unsupported one. The second part of this thesis has focused on the synthesis of different 1,1-disubstituted cyclopropanes. Such cyclopropanes are a common motif in many natural products and synthetic drugs. However, the cyclopropanation reaction between an alkene and a metal carbene bearing two acceptor groups still remains a synthetic challenge (Chapter 4). Indeed, this reaction suffers from a low level of diastereocontrol. Therefore, little data have been reported to date on the stereoselective cyclopropanation with such carbenes. Studying the Rh(II)-catalyzed cyclopropanation of alkenes, we have brought strong evidence in favor of a postulated model of this reaction (Chapter 5). This study has also led to the discovery of the «trans-directing ability» of the amide group in Rh(II)-catalyzed cyclopropanation. We have thus utilized this «trans-directing ability» of the amide group in the Rh(II)-catalyzed cyclopropanation to solve different problems observed in the literature. We first showed that it could enable the synthesis of 1,1-dicarboxy cyclopropanes (Chapter 6). Multi-step syntheses were previously necessary to access such products. We have also demonstrated that these new cyclopropanes are useful synthetic tools for the rapid synthesis of a variety of natural products and biologically active molecules. We have also used this «trans-directing ability» of the amide group in Rh(II)-catalyzed cyclopropanation to enable the synthesis of 1-cyano-1-carboxy cyclopropanes (Chapter 7). Achiral additives were found to increase the selectivity of different metal catalyzed cyclopropanation reactions. The wide scope and synthetic utility of these new cyclopropanes has been further demonstrated by several functional group transformations.

Nucleophilic additions are an important class of reactions in the preparation of several organic compounds. Metals facilitate nucleophilic additions in many cases. The present work Mechanistic Investigation of Metal Promoted Nucleophilic additions is an attempt to understand the mechanism of nucleophilic additions to imines and carbonyl compounds mediated by the transition metal complexes. Understanding the mechanism of metal promoted nucleophilic additions can facilitate the design and synthesis of more efficient catalysts. Chapter 1 provides a brief introduction to nucleophilic addition. A few named reactions that involve nucleophilic addition are described. An overview of the metal promoted nucleophilic addition reactions and their mechanisms are presented. A short note on the importance of understanding the mechanism of metal promoted nucleophilic addition is included. This section ends with the scope of the present work. Chapter 2 “Mechanistic Investigation of Titanium Mediated Reactions of Imines” deals with two reactions. The first reaction is the formation of reduced amines on reduction of imines. Amines and diamines are synthesized often from imines. A convenient route to such nitrogen containing compounds is through reduction of imines and through reductive coupling of imines respectively. Since both reactions occur in a parallel fashion, during the synthesis of diamines, amines are obtained as side products and vice versa. This problem is acute in the case of titanium based reducing agents. These reducing agents are called low valent titanium reagents because low valent titanium species are generated in situ either from titanium(IV) or titanium(III) reagents. There is no clear understanding of the nature of the low valent titanium involved in the reaction. To rectify this, a mechanistic understanding of this reaction is essential. An attempt was made to probe the mechanism of formation of amines using low valent titanium formed by using two different reducing agents namely phenylsilane and zinc. With the help of isotopic labelling studies, it was found that the mechanism of formation of an amine with phenylsilane involves a direct hydrogen transfer from phenylsilane to an imine. This was verified using deuterium labelled phenylsilane. With zinc, it follows a traditional titanacycle pathway which was verified by quenching with the deuterium oxide. A second reaction that has been probed is the alkylation of imines by Grignard reagents using chiral titanium complexes. Alkylation of imines is one of the suitable routes to prepare chiral amines. Alkylation of imines employing a Grignard reagent with Ti(OiPr)4 can proceed through two different pathways depending on the amount of the Grignard reagent used. Alkylation reaction with one equivalent of Grignard reagent can proceed through a Ti(IV) species and the alkylation reaction with two equivalents of the Grignard reagent can proceed through a Ti(II) species. The reaction proceeding through Ti(IV) is less wasteful as it only requires one equivalent of the Grignard reagent. The two pathways differ from each other in the nature of the transition state where the C-C bond is formed. To verify the favourable pathway, chiral titanium complexes were prepared and alkylation carried out. The alkylation results suggest that one equivalent of Grignard is sufficient to give good yields of the alkylated product and the reaction may proceed through a Ti(IV) promoted path. It was reported in the literature that at least three equivalents of Grignard reagent are required to get good yields of the alkylated product with zirconium complexes. This work suggests a greener alternate to alkylation of imines. Chapter 3 “Asymmetric Transfer Hydrogenation Reaction of Ketones in Water” deals with the synthesis of chiral ruthenium half-sandwich complexes employing a proline diamine ligand which has phenyl, ethyl, benzyl, or hydrogen as a substituent. These complexes were characterized by X-ray diffraction. In addition, all these complexes were obtained as single diastereoisomers. These complexes were used as catalysts for the reduction of a variety of ketones to chiral alcohols in water using sodium formate as a hydride source. Stoichiometric reaction between sodium formate and the catalysts showed the formation of hydride complexes as the active species. Based on the electronic effects observed, the key step is found to be a nucleophilic attack of hydride on the carbonyl carbon of ketones. In the transfer hydrogenation reaction with DCOONa, more of 1-phenylethanol- 1-2H1 was observed with all the ruthenium catalysts suggesting that the hydrogen from sodium formate is transformed into a metal hydride which is subsequently transferred to the ketones to form chiral alcohols. The catalysts were optimized with acetophenone as a model substrate. Only in the case of a catalyst which has a phenyl substituent, silver nitrate was found to enhance the formation of aqua complex which in turn resulted in good yields of the chiral alcohols. Among all the complexes studied, the catalyst bearing a phenyl group induces greatest enantioselectivity. It can also be recycled. Chapter 4 “On the Formation of a Ruthenium-PPh2H Complex Using 1- Phenylethane-1,2-diol” deals with the mechanism of formation of PPh2H from PPh2Cl. This unique transformation involves a ruthenium-cymene dimer, PPh2Cl and 1-phenylethane-1,2- diol. In the attempted synthesis of a ruthenium bisphosphinite complex, using the ruthenium-cymene dimer, chlorodiphenylphosphine and 1-phenylethane-1,2-diol, the formation of [Ru(η6-cymene)Cl2PPh2H] was observed in good yield. Formation of the expected ruthenium bisphosphinite complex was not observed. The reaction was carried out in the absence of 1-phenylethane-1,2-diol resulted in the formation of [Ru(η6- cymene)Cl2PPh2Cl] suggests that the diol acts as a reducing agent. To verify the source of hydrogen in the 1-phenylethane-1,2-diol, deuterated diols were prepared. The reactions with the deuterated diols revealed several interesting aspects of the formation of the Ru-PPh2H complex. Chapter 5 “Mechanistic Studies on the Diazo Transfer Reaction” deals with the synthesis of labelled azides and the labelled azidating reagent to probe the mechanism of the diazo transfer reaction. Azides are important precursors used for a variety of chemical transformations including the celebrated Cu(I) catalyzed click reaction. Azides are also used as protecting groups for amines as they can be conveniently reduced to amines. Azidation of amines usually yield azides, with retention of stereochemistry. There is a possibility that the azide formation can occur through the SNi mechanism with retention of configuration where nitrogen in the starting material will not be retained after forming an azide. The reaction was carried out with 13C and 15N labelled L-valine and L-isoleucine to probe this possibility. The resultant labelled azide has 15N retained in its position. This excluded the SNi pathway. To show where the nucleophilic amine group is attacking the azide, labelled imidazole-1¬sulfonyl azide was synthesized from NaN215N. Reactions were carried out with L-valine (labelled and unlabelled) in the presence of a metal catalyst and with unlabelled L-valine in the absence of catalyst. These results confirm the postulated pathways described in the literature.