Hydrogen bonding interactions have been applied to the synthesis of chiral vicinal diamines and the generation of helical chirality. A stereospecific synthesis of vicinal diamines was developed by using the diaza-Cope rearrangement reaction driven by resonance-assisted hydrogen bonds (RAHBs). This process for making a wide variety of chiral diamines requires only a single starting chiral diamine, 1,2-bis(2-hydroxyphenyl)-1,2-diaminoethane (HPEN) and aldehydes. Experimental and computational studies reveal that this process provides one of the simplest and most versatile approaches to preparing chiral vicinal diamines including not only C2 symmetric diaryl and dialkyl diamines but also unsymmetrical alkyl-aryl and aryl-aryl diamines with excellent yields and enantiopurities. Weak forces affecting kinetics and thermodynamics of the diaza-Cope rearrangement were systematically studied by combining experimental and computational approaches. These forces include hydrogen bonding effects, electronic effects, steric effects, and oxyanion effects. As an example of tuning diamine catalysts, a vicinal diamine-catalyzed synthesis of warfarin is described. Detailed mechanistic studies lead to a new mechanism involving diimine intermediates. Decreasing the NCCN dihedral angle by varying the diamine structure results in an increase of the enantioselectivity up to 92% ee. Hydrogen bonds have been used to generate helical chirality in a highly stereospecific manner with a single amino acid and 2,2′-dihydroxybenzophenone. DFT computational and experimental data including circular dichroism (CD), X-ray crystallography and 1H NMR data provide insight into the origin of the stereospecificity. A signalling dizao group can be attached to the receptor for general sensing of amino acid enantiopurity.

Hydrogen bonding interactions have been applied to the synthesis of chiral vicinal diamines and the generation of helical chirality. A stereospecific synthesis of vicinal diamines was developed by using the diaza-Cope rearrangement reaction driven by resonance-assisted hydrogen bonds (RAHBs). This process for making a wide variety of chiral diamines requires only a single starting chiral diamine, 1,2-bis(2-hydroxyphenyl)-1,2-diaminoethane (HPEN) and aldehydes. Experimental and computational studies reveal that this process provides one of the simplest and most versatile approaches to preparing chiral vicinal diamines including not only C2 symmetric diaryl and dialkyl diamines but also unsymmetrical alkyl-aryl and aryl-aryl diamines with excellent yields and enantiopurities. Weak forces affecting kinetics and thermodynamics of the diaza-Cope rearrangement were systematically studied by combining experimental and computational approaches. These forces include hydrogen bonding effects, electronic effects, steric effects, and oxyanion effects. As an example of tuning diamine catalysts, a vicinal diamine-catalyzed synthesis of warfarin is described. Detailed mechanistic studies lead to a new mechanism involving diimine intermediates. Decreasing the NCCN dihedral angle by varying the diamine structure results in an increase of the enantioselectivity up to 92% ee. Hydrogen bonds have been used to generate helical chirality in a highly stereospecific manner with a single amino acid and 2,2′-dihydroxybenzophenone. DFT computational and experimental data including circular dichroism (CD), X-ray crystallography and 1H NMR data provide insight into the origin of the stereospecificity. A signalling dizao group can be attached to the receptor for general sensing of amino acid enantiopurity.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(薬科学) / 甲第23386号 / 薬科博第143号 / 新制||薬科||16(附属図書館) / 京都大学大学院薬学研究科薬科学専攻 / (主査)教授 川端 猛夫, 教授 高須 清誠, 教授 大野 浩章 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Pharmaceutical Sciences / Kyoto University / DFAM

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Lors de ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à deux thèmes principaux dans le but de fabriquer des matériaux conducteurs chiraux : la synthèse de TTF-hélicènes présentant une chiralité hélicoïdale moléculaire, ainsi que l’obtention de molécules de symétrie 3 à base de TTF ayant la capacité à former des auto-assemblages supramoléculaires hélicoïdaux. Dans la partie TTF-hélicène, plusieurs tailles d’hélicènes ont été envisagées avec pour objectif d’obtenir des énantiomères stables et séparables. Ils ont été caractérisés par diffraction de rayons X, de même que les sels obtenus par électrocristallisation. De plus, une étude théorique de la réaction de photocyclisation des stilbènes en hélicènes a été menée pour comprendre sa régiosélectivité. Les molécules de symétrie 3 sont composées d’un coeur BTA-DABP sur lequel sont fixés des TTF avec leurs substituants chiraux. L’assemblage colonnaire des molécules est étudié par CD et les fibres formées sont observées par microscopie ce qui permet de déterminer leur hélicité. On varie le cœur ainsi que les groupements fixés dessus. / In this work, we have been interested in two different topics to make chiral conducting materials: the synthesis of TTF-helicenes, with molecular helical chirality, as well as the formation of three-fold symmetry molecules based on TTF units able to self-assemble into supramolecular helical aggregates. For the TTF-helicenes, several lengths of helicenes are considered in order to form stable and separable enantiomers. They are characterized by X-ray diffraction just as the salts that are obtained by electrocrystallization. Moreover, a theoretical study of the photocyclisation reaction of stilbenes into helicenes was performed to understand its regioselectivity. The three-fold symmetry molecules are composed of a BTA-DABP core on which TTF with chiral substituents are fixed. The assembly into columnar aggregates is followed by CD and the fibers formed are observed by microscopy in order to determine their helicity. Variation of the core and the substituents are made.

La conception de nouvelles molécules chirales est depuis plusieurs décennies un enjeu majeur. Ces travaux ont porté sur la synthèse ainsi que la caractérisation de diverses molécules à base d’hélicènes. En effet, les hélicènes sont chiraux et présentent des propriétés chiroptiques exceptionnelles. Ainsi, la combinaison de ces entités chirales associées à divers motifs permet la modulation de ces propriétés. Dans une première partie de ce manuscrit, nous nous sommes intéressés à l’association des hélicènes avec le motif tétrathiafulvalène (TTF) associant ainsi les propriétés redox du TTF à la chiralité des hélicènes. Une seconde partie concerne la préparation d’hélicènes luminescents à base de benzothiadiazole et de BODIPY avec pour objectif l’émission de lumière circulairement polarisée (CPL). Dans une troisième partie, nous avons étudié l’autoassemblage et la réactivité des motifs hélicéniques sur différentes surfaces de cuivre ou d’or. Enfin, nous avons réalisé des jonctions moléculaires à base d’hélicènes comme molécules uniques. En conclusion, nous avons développé différents motifs chiraux redox et photo-actifs ainsi que la formation de domaines auto-assemblés et des jonctions moléculaires à base d’hélicènes. / The development of new chiral molecules is a major challenge since few decades. This PhD work focuses on the synthesis and the characterisation of a variety of molecules based on helicenes. Indeed, helicenes are chiral and show exceptional chiroptical properties. Therefore, combining these chiral entities with various motifs allow the modulation of their properties. In a first part of this manuscript, we were interested in the association of helicenes with tetrathiafulvalene (TTF), thus combining the redox properties of TTF with the chirality of helicenes. The second part concerns the preparation of luminescent helicenes based on benzothiadiazole and BODIPY for circularly polarised light luminescence (CPL). In a third part we investigated the self-assembly and the reactivity of helicenes on gold and copper surfaces. Finally, we have prepared single molecule junctions based on helicenes. In Conclusion, we developed different redox and photoactive helicenes with applications towards the self-assembly on surfaces and single molecular junctions.

Les hélicènes sont des composés polyaromatiques générant un squelette hélicoïdal. Si ces structures ont trouvé de nombreuses applications en chimie des matériaux, les résultats en catalyse asymétrique sont moins nombreux, surtout en ce qui concerne les hélices phosphorées. Au cours de cette thèse, nous avons développé des nouvelles voies d'accès à des phosphines possédant une chiralité hélicoïdale, et où le phosphore est inclus dans l'hélice elle-même, à son extrémité. Les structures hélicoïdales souhaitées ont été synthétisées par deux méthodologies différentes, faisant intervenir soit une étape de photocyclisation diastéréosélective ou soit une réaction de cyclotrimérisation [2+2+2] d'alcynes. Les deux voies synthétiques développées font intervenir le même motif phosphindole. Les phophahélicènes synthétisés ont été évalués en tant que ligand en catalyse énantiosélective à l'or. Une bonne activité catalytique et des excès énantiomériques atteignant 96% ont été mesurés dans des réactions de cycloisomérisation d'énynes ou de cycloadditions [2+2] et [4+2].Les phosphahélicènes ont aussi été testés dans des réactions d'organocatalyse par les phosphines. Dans ce cas, des excès énantiomériques allant jusqu'à 97% ont été obtenus dans une réaction de cyclisation [3+2] entre une oléfine activée et un allénoate. / Helicenes are ortho-fused polyaromatic compounds in which benzene rings are angularly annulated to give helically-shaped molecules.Molecular scaffolds with helical chirality have been rarely used for building phosphorus ligands and catalysts. In this context, with the purpose of accessing unprecedented chiral auxiliaries for organo- and organometallic catalysis, we have synthesized new series of phosphahelicenes. These compounds have been prepared via two differents procedures: a diastereoselective photochemical cyclization and a [2+2+2] cyclotrimerisation of alkynes, starting from phosphindole as a key building block. These phosphahelicenes have been evaluated as chiral ligand in gold promoted cyclisation reactions. These helical gold complexes proved to be highly efficient both in terms of catalytic activity and enantioselectivity in enyne cycloisomerizations, [2+2] and [4+2] cycloaddition reactions. Phosphahelicenes have also been used in phosphine organocatalysis. Good yields and enantiomercic excesses up to 97% have been obtained in [3+2] cyclizations between olefins and allenoates.

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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21275号 / 工博第4503号 / 新制||工||1700(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻 / (主査)教授 杉野目 道紀, 教授 村上 正浩, 教授 松原 誠二郎 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM