Palladium-catalysed coupling reactions have been embraced by synthetic chemists as one of the preferred means for smooth formation of new carbon-carbon bonds: a truly ubiquitous methodology of synthesizing complex molecules. This thesis describes the study of a series of palladium(0)-catalysed C2-arylations of a 1-cyclopentenyl ether, equipped with a chiral (S)-N-methyl-pyrrolidine auxiliary. The investigated olefin was demonstrated to undergo Si-face insertion, providing (R)-configuration of the arylated C2-carbon. In addition, the mild and novel palladium(II)-catalysed dominoHeck/Suzuki β,α-diarylation-reduction of a dimethylaminoethyl-substituted chelating vinyl ether was developed using arylboronic acids as arylating agents in combination with 1,4-benzoquinone (BQ). Further, highly regioselective palladium(II)-catalysed α-and β-monoarylation of the chelating vinyl ether was achieved using either a bidentate ligand or by employing ligand-less conditions. These studies demonstrate that the choice of ligands has a profound effect on the reaction outcome, as productive β,α-diarylation could only be obtained by suppressing the competing β-hydride elimination using BQ as the stabilising ligand and terminal reoxidant. The pivotal role of BQ in the reaction was studied using computer-aided density functional theory calculations. The calculations highlight the crucial role of BQ as a Pd(II)-ligand. In addition of serving as an oxidant of palladium, the calculations support the view that the coordination of BQ to the Pd(II)-centre in the key σ-alkyl complex leads to a low-energy pathway, aided by a strong η2 Pd-BQ donation-back-donation interaction. Furthermore, an investigation of the scope and limitations of novel stereoselective and BQ-mediated palladium(II)-catalysed domino Heck/Suzuki β,α-diarylation reactions, involving metal coordinating cyclic methylamino vinyl ethers and a number of electronically diverse arylboronic acids, conducted. In addition, a set of 4-quinolone-3-carboxylic acids, structurally related to elvitegravir and bearing different substituents on the condensed benzene ring, was designed and synthesized as potential HIV-1 integrase inhibitors. Finally, in an effort to identify a new class of HIV-1 protease inhibitors, four different stereopure β-hydroxy γ-lactam-containing inhibitors were synthesized, biologically evaluated, and co-crystallized with the enzyme. / The time 12:05 for the public defense mentioned in the thesis is incorrect. It will take place at 09:15, 2012-06-08.

A summary of research conducted since September 2007 at the University of Toronto in the laboratory of Professor Robert A. Batey is presented in this thesis, which is divided into four chapters. The first chapter contains a two-part introduction, where aryl- and aliphatic-Claisen rearrangements are discussed in part 1, and the nucleophilic addition of organoboron reagents to unsaturated C–N functionalities is described in part 2. Chapter 2 contains research involving synthetic and theoretical studies of aryl-Claisen rearrangements and other sigmatropic reactions. The work towards developing the lanthanide-catalyzed domino aryl-Claisen rearrangement for the synthesis of contiguous aryl–C(sp³) moieties is presented first. This is followed by computational studies involving E/Z-selectivity differences for the aryl-Claisen rearrangement, which was an issue noted for the domino aryl-Claisen reaction of a linear substrate. The mechanistic origins of E/Z-selectivity differences for the mono aryl-Claisen rearrangement, which was experimentally ambiguous for over 40 years, is resolved through computational methods. A theoretical analysis of selectivity differences for the allylic azide rearrangement is also described. The third section contains a discussion of Eu(fod)3-catalyzed aryl-Claisen rearrangements on vinyl bromide systems and preliminary studies involving application of the substrates in cross-coupling reactions, and other attempted mono- and domino sigmatropic rearrangements are presented in the fourth section. In chapter 3, the search for computational methods that can accurately predict experimental free energy of activation barriers for the aliphatic-Claisen rearrangement through benchmarking studies with a priori kinetic barrier and kinetic isotope effect data is described. Methods were found to predict new valid transition states and predict ΔG‡ values with a mean unsigned error of 0.3 kcal/mol relative to experimental values. In chapter 4, the development of new allylboration reaction is outlined, involving the double allylboration of nitriles and anhydrides, and initial studies towards the first aminoallylboration reactions of N-aluminoaldimines to form 1,2-diamines.

Au cours de ces travaux nous nous sommes intéressés au développement de nouvelles transformations énantiosélectives combinant les outils modernes de la synthèse organique que sont les « Multiples Bond-Forming Transformations » et l'organocatalyse afin de synthétiser des molécules d'intérêt structural et biologique. Dans ce contexte, nous avons d'abord mis au point deux nouvelles réactions domino initiées par une addition de Michael. La première, une cascade addition de Michael-acylation, permet la synthèse de spiroglutarimides optiquement actifs à partir de β-cétoamides et de nouveaux bis-électrophiles, les cyanures d'acyle α,β-insaturés. La deuxième, une réaction domino addition de Michaelhémiacétalisation- hémiaminalisation, permet la synthèse de d'hétérocycles azotés à sept chaînons à partir d'α-cétoamides comme nouveaux bis-nucléophiles. / This work focused on the development of novel enantioselective transformations combining Multiples Bond-Forming Transformations and organocatalysis which are modern tools of organic synthesis in order to synthetize molecules of structural and biological interests. In this context, we developed two new Michael addition initiated domino reactions. The first one, a domino Michael addition-acylation, allows the synthesis of optically active spiroglutarimides starting from β-ketoamides and α,β-unsaturated acyles cyanides as new biselectrophiles.The second one, a domino Michael addition-hemiaminalizationhemiacetalization, allows the synthesis of seven-membered aza-cycles using α-ketoamides as new bis-nucleophiles.

Fluoreszenzfarbstoffe wurden über neuartige Palladium-katalysierte Domino-Reaktionen synthetisiert, die aus einer Sonogshira-Reaktion, zwei Carbopalladierungen und einer C-H-Aktivierung bestanden.

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Le système spirocyclique [6.4] est un motif récurrent dans un certain nombre de produits naturels tels que les Lancifodilactones, les Micrandilactones ou les Rubriflordilactones. Ces structures polycycliques représentent un défi synthétique pour les chimistes organiciens puisqu’elles présentent au moins neuf centres stéréogènes dont plusieurs sont quaternaires. L’objectif principal de ce travail était de développer de nouvelles réactions métallo-catalysées, et de les utiliser comme étape clé afin d’obtenir rapidement et efficacement le squelette polycyclique de ces composés. La première partie de ces travaux a été consacrée au développement d’une nouvelle réaction domino pallado-catalysée donnant accès, selon les conditions employées, à différents cœurs polycycliques de nortriterpénoïdes issus d’une même famille, de manière totalement diastéréosélective. Cette séquence domino de trois réactions en un seul pot permet donc la synthèse unifiée de différents squelettes de produits naturels isolés du genre Schisandra, en une seule étape. Une approche au squelette tétracyclique ABCD de la Lancifodilactone F appliquant cette méthodologie pour la construction du motif spirolactone a été envisagée. Un cycle D hautement fonctionnalisé a ainsi été synthétisé de manière diastéréosélective via un réarrangement d’Ireland-Claisen et une réaction de métathèse cyclisante. Une réaction de cyclopropanation intramoléculaire et la réaction domino devraient permettre d’obtenir, par la suite, le squelette complet de la Lancifodilactone F. Dans une deuxième partie, deux approches aux coeurs CDEF et ACDE de la Rubriflordilactone A ont été développées autour d’une même réaction clé, c’est-à-dire une cycloaddition [2+2+2] d’un composé triynique permettant d’accéder en une seul étape au squelette tricyclique CDE. Le motif tétracyclique ACDE devrait être rapidement accessible après quelques aménagements de la voie de synthèse initiale. / The spiro [6.4] ring system is a recurring structural motif in numerous natural products such as Lancifodilactones, Micrandilactones and Rubriflordilactones. These polycyclic structures represent a synthetic challenge for organic chemists. Indeed, these molecules present at least nine stereogenic centers including several quaternary ones. The main goal of this work was to develop new metal-catalyzed reactions as key steps to obtain quickly and efficiently the polycyclic core of those natural products. The first part of these studies was dedicated to the development of a new palladium-catalyzed domino reaction leading to, depending on the conditions used, different polycyclic cores of nortriterpenoids coming from the same family, in a totally diastereoselective manner. This domino sequence of three reactions allowed the collective synthesis of various skeletons of natural products isolated from the Schisandra genus, in one pot. An approach to the tetracyclic core of Lancifodilactone F applying this methodology for the construction of the spirolactone moiety was then envisaged. A highly functionalized cycle D was synthetized in a diastereoselctive way via an Ireland-Claisen rearrangement and a ring closing metathesis reaction. Afterwards, an intramolecular cyclopropanation followed by the domino reaction should allow an access to the ABCD skeleton of Lancifodilactone F. In the last part, two approaches to the CDEF and ACDE cores of Rubriflordilactone A were developed around the same key reaction: a [2+2+2] cycloaddition of an acyclic triynic compound. The tricyclic skeleton CDE was reached at once in a single step. The ACDE tetracyclic moiety should be quickly accessible after few modifications of the initial strategy.

Pour développer de nouveaux outils synthétiques, nous avons élaboré des variantes de la réaction de Petasis. L’utilisation des α-amino aldéhydes dans la réaction de Petasis a permis de synthétiser des diamines chirales avec une diastéréosélectivité totale. La réaction a donnée de bons résultats avec différents groupements protecteurs de l’amine (sulfonamide, carbamate, amide). Cependant au cours de la réaction, les amino aldéhydes s’épimérisent et l’excès énantiomérique des diamines préparées est donc faible (30%). La réaction de Petasis a été associée à la réaction de Diels-Alder dans un procédé domino pour aboutir à l’obtention de composés de type hexahydroisoindole. La réaction domino est complètement diastéréosélective et les molécules sont obtenues de manière énantiopure. Un second procédé domino, utilisant une réaction de métathèse croisée suivie d’une addition 1,4 intramoléculaire, a permis d’obtenir des composés possédant un motif morpholine de manière diastéréosélective. Une version intramoléculaire de la réaction de Petasis a été mise au point dans le but d’obtenir des carbocycles à six chainons. Cette réaction a permis de préparer la (+)-conduramine C-4 en peu d’étapes. La cyclisation a montré une diastéréosélectivité surprenante puisque la configuration entre l’amine nouvellement formée et l’alcool est trans. Cette configuration est opposée à celle obtenue dans la version intermoléculaire. / To develop new synthetic tools, we developed variants of the Petasis reaction. The use of α-amino aldehydes in the Petasis reaction allowed to synthesize chiral diamines with a total diastereoselectivity. The reaction gave good results with different protective groups of the amine (sulfonamide, carbamate, amide). However, during the reaction, the amino aldehydes are epimerized and the enantiomeric excess of the prepared diamines is low (30%). The Petasis reaction was associated with the Diels-Alder reaction in a domino process to achieve the preparation of hexahydroisoindole type compounds. The domino reaction is completely diastereoselective and the molecules are obtained as enantiopure. A second domino process, using a cross-metathesis reaction followed by an intramolecular 1,4-addition, yielded compounds with a morpholine moiety in a diastereoselective manner. Intramolecular version of the Petasis reaction was developed in order to obtain carbon-six-membered rings. This reaction led to the preparation of (+)-conduramine C-4 in few steps. The cyclization has shown a surprising diastereoselectivity since the configuration between the newly formed amine and alcohol is trans. This configuration is opposite to the one obtained in the intermolecular versions.

De précédentes études dans notre groupe ont montré que l'α-1-C-nonyl-1,5-didésoxy-1,5-imino-D-xylitol était un inhibiteur puissant de la β-glucocérébrosidase, enzyme impliquée dans la maladie de Gaucher. Il a été supposé que la conformation chaise inversée de ce composé pouvait expliquer en partie sa forte affinité avec la glycosidase cible. L'objectif ce travail de thèse était la synthèse d'une nouvelle classe d’iminosucres, basée sur un squelette 1-azaspiro[3.3]heptane, possédant deux cycles à 4 membres, analogue conformationnellement contraint de notre "lead" en série iminoxylitol. La première stratégie de synthèse envisagée a permis de mettre en avant une nouvelle réaction tandem d'ouverture d'azétidines conduisant à des spirocyclopropyl γ-lactames. La seconde stratégie testée a conduit dans un premier temps à la formation hautement stéréosélective d'un cyclobutane tétrasubstitué par une réaction radicalaire induite par le SmI2 − permettant ainsi la synthèse des premiers exemples de carbasucres à 4 membres − puis à la formation du carbone azaspiranique de notre cible par une réaction de C-H amination catalysée par des complexes de rhodium. / Previous studies in our group has shown that α-1-C-nonyl-1,5-dideoxy-1,5-imino-D-xylitol was a strong inhibitor of β-glucocerebrosidase, the enzyme involved in Gaucher disease. It was supposed that the inverted chair conformation of this compound could partially explain its high affinity with the target glycosydase.The goal of this PhD work was the synthesis of a new class of iminosugars based on 1-azaspiro[3.3]heptane structures, as conformationally strained analogues of our lead in the iminoxylitol series. During the course of our synthetic study, new azetidine ring-opening tandem reaction leading to spirocyclopropyl γ-lactames has been discovered. The most promising strategy evaluated led to the highly stereoselective formation of a tetrasubstituted cyclobutane via a SmI2-mediated radical reaction − leading to the synthesis of the first exemples of 4-membered carbasugars − then to the formation of the azaspiranic carbon of our target by way of rhodium-catalyzed C-H amination reaction.