Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Herstellung sowie Reaktionen von geminalen Dihydroperoxiden erforscht. Dabei kamen die dargestellten Dihydroperoxide sowohl als Sauerstofftransferreagenz, insbesondere zur enantioselektiven Epoxidation, als auch als Baustein zur Synthese von 1,2,4,5-Tetroxanen zum Einsatz. Es wurde eine in unserem Arbeitskreis gefundene Methode zur Darstellung gem - Dihydroperoxide zunächst hinsichtlich der Reaktionsbedingungen optimiert, um dann eine Vielzahl an Dihydroperoxiden vornehmlich mit dieser Methode zu synthetisieren. Insbesondere gelang es hier erstmals, primäre Dihydroperoxide aus aliphatischen Aldehyden darzustellen. Desweiteren wurde erstmals eine größere Anzahl an enantiomerenreinen DHPs dargestellt. Weitere DHPs konnten durch Ozonolyse von olefinischen Terpenen mit etherischer Wasserstoffperoxidlösung dargestellt werden. Die enantiomerenreinen DHPs wurden verwendet, um enantioselektiv sowohl 2-substituierte Naphthochinone wie auch Allylalkohole, insbesondere tertiäre Allylalkohole, zu epoxidieren. Die Epoxide der letzteren sind nach der normalerweise verwendeten Methode nach Sharpless nicht zugänglich. Außerdem konnten durch Sulfidoxidation Sulfoxide enantiomerenangereichert dargestellt werden. Dies stellt die erste Nutzung von geminalen Dihydroperoxiden zur enantioselektiven Sauerstoffübertragung dar. Die primären aliphatischen gem-DHPs wurden desweiteren zur Darstellung bisher unbekannter 1,2,4,5-Tetroxane genutzt. Insbesondere wurde gefunden, daß durch Kondensation mit Orthoestern verläßlich alkoxysubstituierte Tetroxane erzeugt werden können. Diese wurden in der Literatur bisher nur an sehr wenigen Beispielen beschrieben. / In the course of this dissertation thesis the preparation and reactions of geminal dihydroperoxides were researched. The hereby synthesized dihydroperoxides were used as an oxygen transfer reagent, especially for enantioselective epoxidation, as well as a building block for the synthesis of 1,2,4,5-tetroxanes. A method for synthesis of gem-dihydroperoxides that was found in our workgroup was first optimized concerning reaction conditions, and later utilized to synthesize a large number of dihydroperoxides. It was notably possible to synthesize primary DHPs from aliphatic aldehydes for the first time. Also for the first time, a large number of enantiomerically pure gem-DHP was prepared by this method. Additional enantiomerically pure DHPs were made by ozonolysis of olefinic terpenes using ethereal hydrogen peroxide solution. The enenantiomerically pure DHPs were utilized to both epoxidize 2-substituted naphthoquinones as well as allylic alcohols, especially tertiary allylic alcohols. The latter kind does not react via the normally used Sharpless epoxidation. Additionally, enantioenriched sulfoxides could be prepared from sulfides. This is the first time that geminal dihydroperoxides were used for enantioselective oxygen transfer. Primary aliphatic DHPs were further utilized to prepare previously unknown 1,2,4,5-tetroxanes. Notably it was found that condensation with orthoesters reliably yielded alkoxy-substiuted tetroxanes. These were only described in a very few cases in literature before.

This thesis describes the synthesis, characterisation and application of artificial metalloenzymes as catalysts. The focus was on two mutants of SCP-2L (SCP-2L A100C and SCP-2L V83C) both of which possess a hydrophobic tunnel in which apolar substrates can accumulate. The crystal structure of SCP-2L A100C was determined and discussed with a special emphasis on its hydrophobic tunnel. The SCP-2L mutants were covalently modified at their unique cysteine with two different N-ligands (phenanthroline or dipicolylamine based) or three different phosphine ligands (all based on triphenylphosphine) in order to increase their binding capabilities towards metals. The metal binding capabilities of these artificial proteins towards different transition metals was determined. Phenanthroline modified SCP-2L was found to be a promising scaffold for Pd(II)-, Cu(II)-, Ni(II)- and Co(II)-enzymes while dipicolylamine-modified SCP-2L was found to be a promising scaffold for Pd(II)-enzymes. The rhodium binding capacity of two additional phosphine modified protein scaffolds was also investigated. Promising scaffolds for Rh(I)- and Ir(I)-enzymes were identified. Rh-enzymes of the phosphine modified proteins were tested in the aqueous-organic biphasic hydroformylation of linear long chain 1-alkenes and compared to the Rh/TPPTS reference system. Some Rh-enzymes were found to be several orders of magnitude more active than the model system while yielding comparable selectivities. The reason for this remarkable reactivity increase could not be fully elucidated but several potential modes of action could be excluded. Cu-, Co-, and Ni-enzymes of N-ligand modified SCP-2L A100C were tested in the asymmetric Diels-Alder reaction between cyclopentadiene and trans-azachalcone. A promising 29% ee for the exo-product was found for the phenanthroline modified protein in the presence of nickel. Further improvement of these catalyst systems by chemical means (e.g. optimisation of ligand structure) and bio-molecular tools (e.g. optimisation of protein environment) can lead to even more active and (enantio)selective catalysts in the future.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Dans cette thèse les résultats dans le domaine de la synthèse des dérivée des TADDOL et leur capacité d’induction chirale sont présentés. Une librairie des TADDOLs a été synthétisée et une analyse conformationnelle par VCD a été faite. Ces composés enantiopurs ont été testés dans la réaction de cyanosilylation enantioselective en donnant des résultats moyens. En partant de TADDOL nous avons synthétisé des dérivée phosphorés, des amines et des (thio)urées. Les dérivés de P(III) ont été utilisés comme ligands pour le palladium dans l’alkylation allylique asymétrique et les amines dans le réarrangement des époxydes meso. Les (thio)urées ont été testées pour leur capacité de complexation des anions carboxylates. / In this thesis are presented the results in the field of synthesis of TADDOL derivatives and their chiral induction capacity. A family of TADDOLs was synthesized and a conformational analysis was performed by VCD. These enantipure compounds were tested in enantioselective cyanosilylation reactions obtaining moderate results. Starting from TADDOL we obtained phosphorus derivatives, amines and (thio)ureas. The P(III) derivatives were tested as ligands for palladium in asymmetric allylic alkylation and the amines in the rearrangement of meso-epoxides. The (thio)ureas were screened for complexation capacity for carboxylate anions.

Ce mémoire de thèse se concentre sur le développement de réactions multicatalysées impliquant une activation iminium et un transfert d’hydrogène réversible rédox-neutre pour la synthèse de briques moléculaires complexes énantioenrichies à partir de composés 1,3-dicarbonylés et d’alcools allyliques.Une cascade réactionnelle combinant un complexe de fer et une pyrrolidine chirale a été développée pour la préparation d’alcools g-fonctionnalisés énantioenrichis par une approche impliquant économie d’étapes et d’atomes. L’efficacité de cette méthode impliquant une catalyse duale ainsi qu’une étape de rétro-Claisen a été démontré dans la synthèse de fragments clés de produits naturels. Cette méthodologie a ensuite été complétée par une étude mécanistique expérimentale aboutissant à une meilleure compréhension du mécanisme de cette transformation et conduisant également au développement d’une catalyse triple impliquant deux complexes métalliques et un organocatalyseur. Par la suite, une nouvelle approche pour la synthèse de lactones énantioenrichies de taille de cycles moyens a été mise au point. Cette stratégie de synthèse est basée sur une addition-1,4- organocatalysée énantiosélective de Michael, suivie d’une réduction chimiosélective qui engendre une fragmentation de Claisen.Enfin, grâce aux méthodologies développées au cours de cette thèse, la synthèse totale d’un produit naturel, la floribundane B, a été étudiée. / This manuscript is focus on the development of multicatalyzed reactions involving iminium activation and reversible neutral hydrogen transfer reaction for the synthesis of complexe enantioenriched building blocks from allyl alcohols and 1,3-dicarbonyls.An unprecedented cascade catalysis combining an iron catalyst and a pyrrolidine-base catalyst is developed for the preparation of g-fonctionalized enantioenriched alcohols in a formal redox-, atom- and step-economical approach. The efficiency of this method involving a dual catalysis and a retro-Claisen xas further demonstrated in the short synthesis of several key fragments of biologically active natural products or odorant molecule. This methodolgy was then incremented by a experimental mechanistic study allowing a better understanding of the mechanism of this transformation and leading to a new catalytic systeminvolving three different catalysts (iron complex, copper and organocatalyst). Then, we focused on the development of a new synthetic approach to enantioenriched medium-sized lactones. This methodology is based on a 1,4-Michael addition of cycloalkane-1,3-diones to a,b-insaturated aldehydes. Then, a key chemoselective reductively triggered Claisen fragmentation occurred to generate desired lactones in a rapid manner.Finally, thanks to our methodology developed during this thesis, the total synthesis of floribundane B was studied.

Les carbapénèmes occupent actuellement une place centrale dans la lutte contre les bactéries résistantes aux antibiotiques classiques de type pénicilline. Notre thèse a pour objectif de développer une synthèse de leurs intermédiaires dans l'optique d'une application à l'échelle industrielle. Nous avons exploité, comme stratégie de fermeture de l'hétérocycle, la formation du lien C-3/C-4 par attaque nucléophile intramoléculaire sur un époxyde. Celui-ci est obtenu à partir de la L thréonine qui fournit deux stéréocentres et permet d'induire le troisième carbone asymétrique. Nous avons utilisé le groupe benzhydryle comme groupe protecteur, nouveau dans cette chimie, pour remplacer le groupe para-anisyle habituel qui pose des problèmes industriels. Ce nouveau groupe change fortement la réactivité de l'époxyamide impliquant une optimisation délicate des conditions et un choix judicieux des substituants. De plus, une nouvelle méthode de déprotection par bromation photochimique a été mise au point, complètement compatible avec la fragilité du cycle beta-lactame. Enfin, pour générer le groupe partant en C-4, nous avons utilisé une oxydation de Baeyer-Villiger. La régiosélectivité de cette étape dépend fortement des substituants et apparaît contradictoire avec les exigences de la fermeture de cycle. L'étude de l'influence des substituants sur ces deux étapes nous a permis de sélectionner le substituant optimal. Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'introduction du 4e centre asymétrique caractéristique des carbapénèmes. Nous avons étudié la possibilité de l'effectuer avec des dérivés de l'acide de Meldrum pour substituer la position C-4 de l'intermédiaire-clef, suivi d'une décarboxylation asymétrique. Nous clôturons ce travail par une évaluation économique de notre synthèse d'un précurseur équivalent à l'acétoxyazétidinone. /Carbapenems occupy a central role in the fight against bacteria that are resistant to classical antibiotics such as penicillins. Our thesis has the aim to develop a synthesis of their principal intermediates with the objective to apply it at the industrial scale. We have explored, as strategy of the heterocycle closing, the formation of the C-3/C-4 bond by a nucleophilic attack on an epoxide. This one was obtained from L-threonine which brings two stereocenters and allows the induction for the creation of the third asymmetric carbon. We used the benzhydryl group as protecting group, new in this chemistry, to replace the usual para-anisyl group which causes industrial problems. This new group strongly affects the reactivity of the epoxyamide imposing a fine optimization of the conditions and an adequat choice of substituents. Furthermore, a new deprotection method by photochemical bromination was developed, entirely compatible with the fragility of the beta-lactam ring. Finally, to create the leaving group in C-4, we used a Baeyer-Villiger oxidation. Regiochemistry of this step strongly depends on substituents and appears contradictory with the requirements of the ring closing. The study of the influence of the substituents on these two steps permits us to choose the optimal substituent. In a second part of the work, we were interested in the introduction of the fourth asymmetric center of carbapenems. We studied the feasibility to perform it with Meldrum's acid derivatives by substituting the C-4 position of the key-intermediate, followed by an asymmetric decarboxylation. We ended this work by an economic evaluation of the synthesis of our precursor similar to acetoxyazetidinone.

This thesis deals with the development of transition metal-catalyzed silaborations of 1,3-dienes and 1,6-enynes. The first part of the thesis describes the development of the enantioselective 1,4-silaboration of 1,3-cyclohexadiene. A number of chiral metal-ligand complexes were evaluated. Up to 82% enantiomeric excess was obtained using a catalyst system derived from Pt(acac)2 and a phosphoramidite ligand. The product formed was employed in allylborations of aldehydes, giving homo-allylic alcohols in good yields with good to moderate diastereoselectivity. In attempts to widen the scope of silaborations to include acyclic, terminally substituted 1,3-dienes, products from H-B exchange with, and H-Si addition to, the dienes were obtained. The second part describes the development of silaborative carbocyclization of 1,6-enynes. A Pd N-heterocylic carbene complex was found to be effective for the silaborative carbocyclization of unsubstituted enynes, giving the products in good to excellent yields. Employing terminally substituted enynes resulted in low or no yields. The last part describes investigations into the reaction mechanisms of the processes developed in the first part. It was found that the silylborane undergoes oxidative addition to a Pt(0) complex generated from Pt(acac)2 and DIBALH. After insertion of 1,3-cyclohexadiene into the Pt-B bond a π-allyl complex was observed experimentally. In the addition of silylborane to acyclic, terminally substituted, 1,3-dienes it was shown by deuterium labeling experiments that one diene loses a hydride via H-B exchange and that this hydride is then added to another diene via H-Si addition. A reaction mechanism was proposed for this process. / QC 20100924

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La formation de polymères de coordination poreux et chiraux ainsi que leur utilisation pour des processus énantiosélectifs est actuellement un des domaines de grand intérêt en chimie. La formation de ces matériaux est rendue possible par le biais des concepts développés dans le domaine de la tectonique moléculaire. Les travaux présentés dans cette thèse s’inscriventdirectement dans cette thématique. Les synthèses de tectons organiques chiraux sont présentées. Leur combinaison avec divers centres métalliques, via différentes méthodes de cristallisation, a permis l’obtention de monocristaux qui ont été étudiés par diffraction des rayons X sur monocristal. Dans un premier temps, des polymères de coordination homochiraux, obtenus par l’utilisation de tectons dotés de sites coordinants neutres sont présentés. Des réseaux de type cuboïde présentant des canaux monodimensionnels au sein de leur architecture sont notamment décrits. Par la suite, des édifices mono- et bi-dimensionnels de géométries diverses sont discutés. Pour certains de ces cristaux, des interactions de plus faible énergie que la liaison de coordination permettent la formation de réseaux moléculaires de plus haute dimensionnalité. Enfin, dans une dernière partie, l’utilisation de tectons dotés de sites coordinants chargés est discutée. Des réseaux tridimensionnels homochiraux poreux et robustes sont décrits. Ces derniers sont des candidats de choix pour des procédés énantiosélectifs de séparation. Leur propension à encapsuler des gaz (N2 et CO2) est présentée. / The synthesis and the use of porous chiral coordination polymers for enantioselective processes are of current interest and prime importance in chemistry. These crystalline materials are mainly obtained by combinations of well-designed organic tectons and properly chosen metallic components. This thesis deals with the synthesis of organic chiral building blocks and their combinations with a variety of metallic salts leading to chiral coordination networks. In a first part, the use of tectons bearing neutral coordinating sites is described. Homochiral cuboid architectures displaying monodimensional channels are presented. In the second part, mono- and bi-dimensional networks of various geometries are described. In some cases, within crystals, interactions lower in energy than the coordination bond are observed and are responsible for the formation of molecular networks of higher dimensionality. Finally, the use of organic tectons displaying charged interaction sites is presented. Their combination with metallatectons under thermal treatments affords robust tridimensional homochiralarchitectures displaying cavities. These materials are interesting candidates for enantioselective recognition and separation. Their gas adsorption propensity (N2 and CO2) is briefly discussed.

La mise au point de méthodologies de synthèse permettant d’obtenir des substances énantiopures présentant une diversité structurale importante est une préoccupation majeure de la chimie contemporaine. L’efficacité de ces approches doit être désormais évaluée au regard de critères tel que la pureté optique et l’analyse de l’impact écologique des processus mis en jeu. Au cours de ce travail nous avons développé de nouvelles méthodologies permettant d’accéder à des γ-lactones polyfonctionnelles chirales. La 5-hydroxyfuran-2(5H)-one, petite molécule bio-sourcée, a servi d’élément clé pour la construction du cycle γ-lactone. Dans une première approche, des γ-lactones chirales possédant une grande diversité structurale ont été obtenues par une séquence réactionnelle « one pot ». Une première étape de catalyse organique a permis d’activer le transfert énantiosélectif d’acides boroniques sur la 5-hydroxyfuran-2(5H)-one ; l’adduit chiral obtenu a ensuite été engagé dans une réaction de Passerini pour construire le cycle lactone. Dans une deuxième partie, nous avons mis au point des réactions d’alkylation de γ-lactones, catalytiques et énantiosélectives, pour la formation de γ-lactones possédant un centre quaternaire. L’utilisation de complexes du palladium et de l’iridium a permis d’effectuer des réactions d’Alkylation Allylique Asymétrique avec un très bon contrôle de l’induction asymétrique. Le squelette carboné des lactones obtenues par AAA a permis d’effectuer une fonctionnalisation inédite d’hétérocycles aromatiques par des réactions sigmatropiques [3,3]. Enfin des réactions d’alkylations énantiosélectives induites par un catalyseur organique ont été évaluées. / The development of new synthetic pathway leading to enantiopure compounds with significant structural diversity is an ongoing challenge in many fields of chemistry. The efficiency of these processes has to be evaluated, not only in term of quantitative criteria, such as yields and/or optical purities of obtained compounds, but also by analyzing the environmental impact of the different processes involved. In this work, we sought to develop new methodologies for the synthesis of polyfunctional chiral γ-lactones. The 5-hydroxyfuran-2(5H)-one, a bio-based molecule, was used as a platform to the construction of the γ-lactone ring. In the first part of our work, a variety of chiral γ-lactone displaying a great structural diversity were obtained by a one-pot sequential reaction. First, a step of enantioselective organocatalysis allowed the activation for the transfer of boronic acids on the hydroxyfuran-2(5H)-one; then the chiral adduct formed was engaged in a Passerini reaction leading to the construction of the lactone ring. In a second part, our efforts focused then on the development of catalytic asymmetric alkylation reactions leading to the construction of γ-lactones bearing an all-carbon quaternary stereocenter. Asymmetric allylic reactions were carried out with a very good control of the selectivity of the reaction by the use of palladium and iridium complexes catalysts. Theses lactones bearing an [1,5]-diene scaffold were then engaged in a sigmatropic [3,3] reaction opening a path for a new approach to the functionalization of aromatic heterocycles. Finally, the use of organic enantioselective catalysis was envisioned for the creation of all-quaternary stereocenters.