The main aim of the work presented here is to develop new, practical, economical, and environmental friendly synthetic protocols for various organic transformations with hypervalent iodine compounds, which have attracted explosive interest among chemistry communities because of their versatility and mildness in inducing many organic transformations. Chapter 1 briefly introduces the history of hypervalent iodine compounds, nomenclature, classification, bonding and reactivity patterns. The preparation and practical applications of typical I(III) and I(V) compounds have also been briefly surveyed. Chapter 2 provides details on hypervalent iodine compounds catalyzed oxidation of benzylic C-H to the corresponding carbonyl compounds with Oxone. The catalytic efficiency is influenced by the rate of in situ generation of catalyst with Oxone and their stability. The effectiveness in situ generated 35', 50' and 51' are almost the same, leading to low to moderate yields of products, while 18 and 47' give moderate to high yields. Compound 48' was founds to be the most active catalyst in this study. A possible mechanism is also proposed. Chapter 3 covers a surprising reaction between IBX or IBA and alkyl halides promoted by quaternary ammonium halides. In the absence of quaternary ammonium halides, no reaction occurred between IBX or IBA and alkyl halides. However, in the presence of quaternary ammonium halides, IBX or IBA and alkyl halides react smoothly to form the corresponding alkyl iodobenzoates. When IBX or IBA is treated with a quaternary ammonium halide, it will decompose to 2-iodobenzoic acid. The presence of a nucleophilic halide ion is essential for such reaction to occur. Replacing halides with non-nucleophilic BF4- halts the reaction. Benzylic halides provides a better yield than aliphatic alkyl halide. Thus, it is believed that there is a fast interaction between the nucleophilic halides and electrophilic iodine in IBX or IBA. A plausible reaction mechanism is proposed. Chapter 4 details our research on the oxidative cleavage of C=C with PIFA/water. In the presence of a small amount of water in acetonitrile at 65-70 oC, [bis(trifluoroacetoxy)iodo]benzene (PIFA, 26) converts styrenes into benzaldehydes in good to high yields. Contrary to literature description that electron-rich styrenes primarily produces phenylacetaldehydes as major products through a 1, 2-phenyl migration, we have found that these styrenes can be converted to benzaldehydes in high yields. It was found that three equiv of 26 and one equiv of water were necessary to achieve high yields. Two pathways were believed responsible for the high yield of benzaldehydes: (1) cleavage of the glycol intermediates; (2) further oxidative cleavage of the 1, 2-phenyl migration product - phenylacetaldehydes. Chapter 5 describes a preliminary investigation on perfluoroalkylation reaction of styrene with [bis(trifluoroacetoxy)iodo]butane (32). p-t-Butylstyrene reacts with 32 in the presence of water produced moderate yields of hydroxyperfluorinated product, 1-(4-tert-butyl-phenyl)-3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluoro-hexan-1-ol (73), along with 1-(4-tert-butyl- phenyl)-2-iodo-ethanol (72) and 1-(4-tert-butyl-phenyl)-ethane-1,2-diol (74). Electrophilic addition of 32 on the C=C bond, hydration of the intermediate, and reductive elimination were believed to have been involved. Chapter 6 summarizes all of the work carried out in the previous chapters and provides some insight into future studies.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont été effectués dans le but de développer de nouveaux catalyseurs chiraux base d'iode afin de les utiliser dans différentes méthodes de synthèse catalytiques énantiosélectives. Pour ce faire, l'optimisation d'une réaction étalon, soit l' alpha-tosyloxylation de la propiophénone, a principalement été étudiée afin d'évaluer l'efficacité des catalyseurs. Le premier chapitre abordera la synthèse d'une première génération d'iodooxazolines et de bisiodooxazolines chirales. L'efficacité de cette nouvelle gamme de catalyseurs sera discutée au niveau de l'activité et de la sélectivité. Suite aux résultats obtenus avec cette première génération d'iodooxazolines chirales, une étude plus approfondie de l'activité et de la sélectivité a été effectuée à l'aide de composés modèles plus accessibles. Le second chapitre présentera l'étude de l'activité de différents composés iodoamides et iodoéthers sur le système catalytique. Cette étude plus approfondie permettra d'évaluer l'effet stérique et électronique du noyau aromatique sur le système catalytique. Finalement, au dernier chapitre sera étudiée plus en détail l'induction asymétrique du système à l'aide de différentes iodooxazolines chirales de deuxième génération. Celles-ci étant synthétisées suite aux résultats obtenus au chapitre précédent possèdent un noyau aromatique permettant une bonne activité. Une optimisation des paramètres de la réaction sera effectuée afin d'obtenir une meilleure activité et sélectivité lors de la catalyse.

This thesis concerns method development of new synthetic routes by applying electrophilic hypervalent iodine reagents, such as trifluoromethyl-benziodoxole (Togni reagent) and fluoro-benziodoxole. The first project involved the addition of an oxygen moiety and trifluoromethyl group across double and triple bonds (both groups derived from the hypervalent iodine reagent). We observed that electron donating substituents on the aromatic ring of the substrate accelerated the oxytrifluoromethylation reaction. This transformation was further expanded to halo-trifluoromethylation reaction of a vinyl silane substrate. We also developed a copper mediated cyanotrifluoromethylation reaction, which was accelerated by PCy3 additive. This transformation allowed for the creation of two new C-C bonds in a single addition reaction. The direct C-H trifluoromethylation reaction of quinones was achived using the Togni-reagent in the presence of B2pin2 additive. The intriguing additive effects of both B2pin2 and PCy3 inspired us to examine the mechanism of these transformations. Fluoro-benziodoxole is the fluoroiodane analogue of the trifluoromethylating Togni reagent. We developed a AgBF4 mediated geminal difluorination of styrenes using this fluoroiodine reagent. In this process one fluorine atom came from the fluoroiodane, while the other fluorine was derived from the tetrafluoroborate ion. A similar approach was applied for the 1,3-oxyfluorination and difluorination of cyclopropanes. Similarly, this fluorinative ring opening of unactivated cyclopropanes involved the introduction of an electrophilic fluorine atom from the fluoroiodane reagent and a nucleophilic one from the tetrafluoroborate ion. This reaction was extended to synthesis of 1,3-oxyfluorinated products. When alkenes reacted with the fluoro-benziodoxole reagent in the presence of palladium catalyst the iodofluorination reaction occurred.  Both the iodine and fluorine atoms were derived from the fluoroiodane reagent. The iodofluorination reaction with disubstituted and cyclic alkenes proceeded with high regio- and stereoselectivity.

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The development of new strategies to access pyridinium salts are highly sought out due to their advantageous structures, which have diverse applications across materials science, biological processes, and organic synthesis. As synthetic intermediates, these scaffolds can be used as precursors to valuable piperidine derivatives and have recently emerged as important cross coupling handles for metal-catalyzed processes. Unfortunately, current methods to access pyridinium salts are limited; they require harsh conditions, rely on the presence of an amine functional handle, and are not amenable to diverse structural variation. In Chapter 1, a summary of various syntheses and the reactivity of pyridinium salts is provided. This dissertation provides new strategies to access pyridinium salts. The first method is via aminolactonization of alkenoic acids, resulting in 1° pyridinium salts (Chapter 2). The second method is a regioselective synthesis of 3-aminopiperidine salts via diamination of olefins (Chapter 3). Both methods are promoted by nitrogen-ligated hypervalent iodine reagents (N-HVIs). These novel class of reagents serve as “heterocyclic group transfer reagents,” incorporating diverse pyridinium salts under mild conditions and in excellent yields. Heterocyclic Group Transfer reactions have resulted in new classes of pyridinium salts that can be further functionalized via simple known methods to access diverse piperidine motifs, providing an innovative approach to substitution patterns that were previously challenging to synthesize. These strategies have also enabled pyridinium salts to be viewed as a synthetic platform for diversity-oriented amine synthesis. Chapter 4 will elaborate on the synthesis of different classes of 3-aminopiperidine motifs using hypervalent iodine reagents; these motifs have been previously synthesized using transition metal catalysis. / Chemistry

Les travaux réalisés dans cette thèse concernent les efforts réalisés pour la synthèse de dérivés chiraux à base d'iode hypervalent analogues de l'acide iodoxybenzoïque, appelé IBX. Ces travaux ont permis de réaliser la synthèses de nouveaux dérivés iodés hypervalents qui ont été utilisés lors de réactions de désaromatisation de phénols énantiosélectives. Outre, les nouveaux dérivés hypervalents iodés synthétisés cette thèse a permis de mettre en avant le caractère problématique de la réaction d'oxydation de l'iode. Une alternative à ce problème a été la mise au point de méthode de génération in situ de dérivés iodés hypervalent permettant de réaliser des réactions de désaromatisation de phénols énantiosélectives. / The work presented in this thesis are about the synthesis of new chiral hypervalent iodine compounds analogues of the iodoxybenzoic acid, called IBX. This work shows an access to new chiral hypervalent iodine compounds which were used in enantioselective dearomatisation of phenols. In addition to the new compounds synthesized, this thesis gives a view of the complexity of the oxidation of iodine compounds. An alternative to this problematic synthetic step is given by the development of in situ generation methodology of hypervalent iodine compounds in order to perform an enantioselectiv variant of the dearomatization reaction.

Les réactions asymétriques catalysées constituent une approche élégante au problème de l'introduction de centres stéréogène pour la synthèse de molécules complexes. Dans ce contexte, les oxydations sont notables de par la possibilité de créer en une seule étape à la fois le centre asymétrique ainsi que les fonctions dont les réactivités sont à la base des méthodologies de synthèse. La sélectivité d'un catalyseur est le plus souvent contrôlée par sa structure même. Notre groupe étudie les oxydations aérobies asymétriques par activation C-H par des analogues chiraux du N-hydroxyphtalimide (NHPI). Nous avons développé une nouvelle structure de catalyseur comportant un cœur BINOL-maléimide afin de dépasser les limitations intrinsèque des précédentes générations de catalyseurs. La première série n'a pas montré d'énantiosélectivité, cela nous a conduit a synthétiser une deuxième série dont les caractéristiques permettraient d'améliorer l'efficacité de ces catalyseurs d'oxydation aérobie asymétrique. Le développement d'un analogue portant deux iodes nous a conduit à étudier cette structure en tant que cœur de catalyseurs à base d'iode hypervalent. Nous avons analysé trois séries de ces catalyseurs pour l'oxytosylation de cétones prochirales et montré que notre structure est comparable avec celles présentées dans la littérature. / Catalysed asymmetric reactions are an elegant approach towards the synthesis of complex molecules for the controlled introduction of stereocenters. Within this field, oxidations are noteworthy since they allow to create in one step both the stereogenic elements and the moieties whose reactivities are the cornerstone of the methodologies of synthesis. The selectivity of a catalyst is most often controlled by its own structure. Our group has investigated catalysed asymmetric aerobic oxidations by C-H activation through the use of chiral analogues of N-hydroxyphtalimide (NHPI). We have developed a new structure of catalyst based upon a BINOL-fused maleimide core to circumvent the inherent limitations of previous catalysts generations. The first series showed no enantioselectivity and led us to synthesize a second series whose features are expected to improve the overall efficiency of those catalysts for asymmetric aerobic oxidations. The development of an analogue bearing two iodine moieties prompted us to study this structure as a core for chiral hypervalent organo-iodine(lll) catalysts. We have investigated three series of such catalysts for the asymmetric α-oxytosylation of prochiral ketones and showed that our structure is comparable with the ones found in the literature.

Lors de ce travail de thèse qui visait à développer une méthode générale d’introduction d’halogénures et de pseudo-halogénures en se basant sur l’utilisation de réactifs d’iode hypervalent en tant que promoteurs d’umpolung, diverses avancées ont pu être accomplies. Tout d’abord, une réaction d'alkoxybromation régiosélective mettant en jeu des sels de bromure et du PIDA a été mise au point. Un des intérêts de cette réaction réside dans l'utilisation de LiBr peu coûteux comme source d'halogène électrophile (par inversion de polarité : umpolung). En outre, l'introduction de deux groupements de manière chimio- et régiosélective est possible sans recourir à l'utilisation d’un catalyseur métallique. Une large gamme d'énamides a été testée et les rendements sont généralement excellents (au dessus de 75 %) et les réactions rapides (moins d’une heure). En outre, la diastéréosélectivité oscille entre modérée et excellente. Ces produits éthoxybromés se sont aussi montrés très polyvalents et permettent l’accès à de nombreux motifs structuraux. Une version asymétrique de cette réaction en faisant intervenir des dérivés d’iode hypervalent chiraux n’a pas été couronnée de succès tout comme l’introduction de copules chirales. Le but initial était de mettre au point une méthode générale de difonctionnalisation d’énamides avec l’insertion d’halogénures. C’est pourquoi, notre stratégie a ensuite été étendue au chlore et une réaction d’éthoxychloration a été développée avec des rendements moyens à très bons (de 36% à 86%) un temps de réaction rapide (généralement autour de 30 minutes) et une diastéréosélectivité moyenne à très bonne (de 55/45 à 92/8). Les deux réactions d’éthoxybromation et d’éthoxychloration ont fait l’objet d’une investigation mécanistique (notamment par spectrométrie de masse) et il semblerait que le mécanisme soit ionique. Nous avons alors voulu appliquer cette méthodologie au fluor, élément dont l’introduction sélective sur un substrat est rarement triviale. En accord avec la littérature, nous avons conclu que le fluor ne pouvait être transféré directement en tant qu’électrophile. Enfin, une version d’éthoxyiodation a été validée et est en cours d’optimisation au laboratoire. Concernant les pseudo-halogénures, nous nous sommes uniquement intéressés aux azotures. Ayant réalisé qu’une réaction d’éthoxyazidation ne serait pas possible, une étude poussée des différents paramètres réactionnels adossée à la compréhension des mécanismes mis en jeu a été entreprise. Deux méthodologies ont alors pu être mises au point : une réaction de diazidation dont les rendements sont modérés ( entre 20% et 52%), les temps de réaction courts (environ 1 h) et des diastéréosélectivités moyennes à bonnes (entre 75/25 et 90/10) ainsi qu’une réaction d’oxyamination qui se montre bien plus efficace avec des rendements moyens à très bons (de 31% à 95%), des temps de réaction assez rapides (autour de 2 h), des diastéréosélectivités souvent excellentes (supérieures à 67/33) et un champ d’application bien plus large (Schéma 245). Ces deux méthodes réunies représentent un outil utile pour l’obtention de composés à la fois azotés et azidés. Dans ce cas, les intermédiaires réactionnels semblent être radicalaires même si des études complémentaires restent à effectuer.L’intérêt synthétique de ces deux types de composés a aussi fait l’objet de diverses études. Si la réduction du groupement azido en amine n’a pas pu être systématiquement accomplie, des réactions de cyclisation d’Huisgen sur les produits diazidés ont cependant fonctionné (les produits oxyaminés semblant trop encombrés stériquement). Quant au groupement TEMPO il a notamment pu être oxydé en cétone. Ainsi, des outils méthodologiques ont été développés lors de cette thèse, pour la difonctionnalisation oxydante d’énamides par des dérivés d’iode (III) hypervalent et en particulier, l’introduction d’halogénures et d’azotures. / Hypervalent iodine compounds such as (diacetoxyiodo)benzene (PIDA) are non-toxic and mild reagents that can behave in similar fashion to transition-metal complexes. Indeed, around the central iodine atom, ligands can be exchanged and then transferred through a formal reductive elimination. Following this strategy, halides can be used as ‘ligands’, in which case an umpolung of the salt can occur to give birth to electrophilic halogen species. Using LiBr, ethanol and PIDA, a variety of enamides underwent a regioselective ethoxybromination with high yields, short reaction time and good to excellent diastereoselectivity. One of the main interests of this reaction lies in the use of a cheap and widely available bromide salt (LiBr) to generate electrophilic halogen species by umpolung. Moreover, despite the oxidative nature of the reaction conditions, a wide scope of functional groups (olefins, esters, alcohols…) is tolerated. This reaction provides α-bromo-hemiaminals which are highly versatile synthons. For instance, various nucleophiles can be incorporated on the hemiaminal moeity and then engaged in further transformations. The development of an asymmetric variant of this transformation using chiral pool or chiral hypervalent iodine was unsucceful. This methodoly has been extended to the umpolung of other salts as chlorine with moderate to good yields (from 36% to 86%) and a moderate to very good diastereoselectivity (from 55/45 to 92/8) with a short reaction time (30 minutes). Mechanistic investigation for both reactions has been performed and an ionic parthway has been priviledge. The introduction of fluorine as an electrophile was not possible according to the litterature.Finally, the last halide, iodine can be tansfered and an ethoxyiodation reaction is under optimisation. Concerning the pseudo-halides, we devot a special attention to azides. Two methodologies has been set up : a diazidation reaction which yields are moderate (betwwen 20% and 52%), short reaction times (around 1 h) and moderate to good diastereoselectivity ratios (between 75/25 and 90/10) and an oxyamination reaction whiwh shows to be much more efficient with moderate to very high yields (from 31% to 95%), short reaction times (around 2 h), excellent diastereoselectivity ratio (superior to67/33). These two gathered reactions represent a useful tool for the introduction of a nitrogen. For the diazidation reaction, the intermediatories seem to be radicals whereas for the oxyamination reaction probably ionic species. . Thus, synthetic tools have been developped during this thesis for the difunctionnalisation of enamides by hypervalent iodine and particulary introduction of halides and azides

L'epicocconone est un produit naturel tricyclique, de la famille des azaphilones, isolé en 2003 d'un champignon Epicoccum nigrum. Ce composé se lie de façon covalente aux amines, conduisant à la formation d'une énamine fluorescente. Cette réaction, réversible en fonction du pH, fait de ce composé un excellent marqueur de protéines pour la détection sur gels d'électrophorèse compatible avec une analyse de spectrométrie de masse. La synthèse de ce produit naturel a été débutée au sein de notre laboratoire en s'appuyant sur les travaux réalisés précédemment et mettant en jeu une étape clé de désaromatisation oxydante à l'aide d'iode hypervalent. Une étude méthodologique de réaction clé a permis de comparer l'efficacité et la diastéréosélectivité de l'oxydation effectuée par l'iode (III) ou l'iode (V). / Epicocconone is a tricyclic natural product of the azaphilone family, isolated from the fungus Epicoccum nigrum. This compound covalently binds to primary amines, leading to a protein conjugate which is highly fluorescent. This reaction, reversible according to the pH, make this compound an excellent protein stain compatible with mass spectrometry analysis. The synthesis of this natural product has been started in our laboratory based on the previous work in involves a key oxidative dearomatization using hypervalent iodine. Methodological studies of this key reaction allowed us to compare the efficiency and diastereoselectivity of iodine (III) and iodine (V) mediated oxidations.

Les tétrahydropyrazines et les morpholines sont des hétérocycles à six chaînons comportant deux hétéroatomes en position 1,4. Les objectifs de cette thèse ont été la mise au point de nouvelles méthodes pour leur synthèse. Des tétrahydropyrazines orthogonalement protégée ont ainsi été synthétisées à partir des diamines correspondantes, grâce à l’utilisation de triméthylsilyl-benziodoxolone (TMS-EBX) comme donneur d’alcyne. Ce dérivé d’iode hypervalent s’est par ailleurs révélé être un agent alcynylant chimiosélectif des sulfonamides par rapport aux carbamates. Une approche synthétique différente a été utilisée pour le synthèse des morpholines. En s’appuyant sur les précédents résultats obtenus au laboratoire, une hétérocyclisation catalysée au Fe(III) a été mise au point. En présence d’une quantité catalytique de FeCl3.6H2O, des morpholines 2,6- et 3,5-disubstituées ont été obtenues avec de bons rendements et des diastéréosélectivités toujours en faveur des composés cis. Afin d’améliorer cette méthode pour la rendre encore plus éco-compatible, une méthode monotope a été ensuite développée, menant, à l’aide d’une catalyse séquentielle Pd(0)/Fe(III), à une diversité de morpholines à partir de vinyloxiranes et d’amino-alcools facilement synthétisables. Le changement des substrats de départ permet de faire varier la substitution des morpholines finales sans avoir à modifier les conditions réactionnelles. L’obtention majoritaire des composés de configuration relative cis a été rationalisés à partir des stabilités supposées des différents diastéréoisomères et un mécanisme hypothétique est présenté. / Tetrahydropyrazines and morpholines are six-membered heterocycles including two heteroatoms in positions 1 and 4. The objectives of this thesis were to develop new methods for their synthesis. Orthogonnaly protected tetrahydropyrazines were thus synthesized from the corresponding diamines, thank to the use of trimethylsilyl-benziodoxolone (TMS-EBX) as an alkyne donnor. This hypervalent iodine derivative was also found to be an efficient and chemoselective alkynylating agent of sulfonamides versus carbamates. A different synthetic approach was used for the synthesis of morpholines. Relying on previous results obtained in the laboratory, an iron(III)-catalyzed heterocylization was developped. In the presence of a catalytic amount of FeCl3.6H2O, 2,6- and 3,5-disubstituted morpholines were obtained with good yields and diastereoselectivities in favor of the cis compounds. To improve this method and make it more environnementally friendly, a one-pot method was next designed, leading, with a sequential Pd(0)/Fe(III)-catalyzed process, to a diversity of morpholines from readily available vinyloxiranes and amino-alcohols. A simple switch in the starting materials gives diverse morpholines without any change in the reaction conditions. The cis-compound predominance was rationnalized from the putative stabilities of different diastereoisomeres and a hypothetical mechanism is proposed.