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M.Sc. / Six pyrazole and pyrazolyl compounds, 3,5-dimethylpyrazole (L1), 3,5-diphenylpyrazole (L2), 3,5-di-tert-butylpyrazole (L3), bis(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)methane (L4), bis(3,5-diphenylpyrazol-1-yl)methane (L5) and bis(1,2-bis{(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)methyl}benzene (L6), were reacted with Zn(II) and Cu(II) benzoates to form pyrazole and pyrazolyl metal benzoates. The complexes are [Zn(C6H5COO)2(L1)2] (1), [Zn(3,5-NO2-C6H3COO)2(L1)2] (2), [Zn(4-OH-C6H4COO)2(L1)2] (3), [Zn(2-Cl-C6H4COO)2(L1)2] (4), [Zn(C6H5COO)2(L2)2] (5), [Zn(3,5-NO2-C6H3COO)2(L2)2] (6), [Zn(4-OH-C6H4COO)2(L2)2] (7), [Zn(2-Cl-C6H4COO)2(L2)2] (8), [Zn(3,5-NO2-C6H3COO)2L4] (9), [Zn(4-OH-C6H4COO)2L6] (10), [Zn2(C6H5COO)4L6]n (11), [Zn(3,5-NO2-C6H3COO)2L6] (12), [Zn(2-Cl-C6H4COO)2L6] (13), [Cu(C6H5COO)2(L1)2] (14), [Cu(3,5-NO2-C6H3COO)2(L1)2] (15), [Cu(4-OH-C6H4COO)2(L1)2] (16), [Cu(2-Cl-C6H4COO)2(L1)2] (17), [Cu(C6H5COO)2(C6H5COOH)]2 (18), [Cu(2-Cl-C6H4COO)2(L3)2] (19), [Cu(C6H5COO)2L4] (20), [Cu(2-Cl-C6H4COO)2L4] (21), [Cu(C6H5COO)2DMSO]2 (22), [Cu(C6H5COO)2L6]2 (23), [Cu(2-Cl-C6H4COO)2L6]2n (24), [Cu(4-OH-C6H4COO)2L6]2(25) and [Cu(3,5-NO2-C6H3COO)2L6]n (26). The molecular structures of the Zn(II) and Cu(II) complexes 6, 9, 11, 14, 17-19, 22-26 were determined by X-ray diffraction studies that revealed four types of geometries adopted by these complexes: (i) 4-coordinate tetrahedral (6, 9, 14), (ii) 6-coordinate octahedral (17), (iii) paddle wheel (18, 19, 22, 23, 25) and (iv) polymeric structures (11, 24, 26). Catalysis studies performed with selected complexes (1-4, 9-17, 23-26) revealed that they initiate the ring opening polymerization (ROP) of ε-caprolactone (ε-CL) and D,L-lactide at elevated temperatures, and under solvent-free conditions and in toluene respectively. Polycaprolactone (PCL) and poly(D,L-lactide) (PLA) produced were of moderate molecular weights (858-4 757 Da for PCL and 602-3 185 Da for PLA) and polydispersity indices (1.36-2.16 for PCL and 1.42-2.35 for PLA). End group of the iv polymers, determined by MALDI-TOF MS, were benzoates, hydroxyl, methoxy groups and cyclic. From the 13C{1H} NMR spectra of polymers synthesized, the stereochemistry of PLA was predominantly isotactic.

This diploma thesis deals with use of lactic acid esters for preparation of lactides and PLA. In the theoretical part, it has been processed literature review focus on manufacturing technologies and properties of lactic acid and its esters (especially ethyl ester and lactides). In the experimental part, it has been designed and realized functional laboratory apparatus for preparation of cyclic dimer of lactic acid – lactides. On this apparatus, there were carried out principal laboratory experiments leading to optimization of lactides yields using various catalysts.

Résumé: Dans le but de préparer des complexes de Zr pour la catalyse homogène de la polymérisation des lactides et de l’hydroamination des olefines, l’elaboration et l’optimisation d’une méthode systématique et efficace de synthèse des ligands dikétimines ayant différents substituants alkyles (R) à la position N,N’ a été realisée. Des dikétimines (nacnacRH) symétriques ont été obtenus avec une pureté de plus de 95 % et un rendement de 65 % lorsque R = Me et des rendements allant de 80 à 95 % lorsque le groupe R = n-Pr, i-Pr, i-Bu, Bu, Cy et (+)-CH(Me)Ph. La synthèse des dikétimines ayant des substituants N-alkyls différents, dite asymétriques, donne toujours un mélange statistique de trois ligands: nacnacR,R’H, nacnacR,RH et nacnacR’,R’H qui n’ont pu être separés. Seuls les dikétimines asymétriques avec un substituant N-alkyl et un autre N-aryl (nacnacR,ArH) ont été obtenus avec des rendements plus élevés que celui du mélange statistique. Par la suite, la complexation de ces ligands bidentés au Zr, la caractérisation de ces complexes et l’investigation de la réactivité ont été étudiés. Les complexes de Zr de type (nacnacR)2ZrCl2 ont été obtenus par deux voies de synthèse principales: la première consiste à traiter le sel de lithium du ligand avec le ZrCl4. La seconde est la réaction du ligand avec les complexes neutres d’alkyl-zirconium(IV) par protonation de l'alkyle coordonné. En solution, les complexes obtenus de (nacnacR)2ZrX2 possèdent un comportement dynamique via un « Bailar-twist » et les paramètres d'activation de cette isomérisation ont été calculés. Le complexe octaèdrique (nacnacBn)2ZrCl2 n'est pas réactif dans la carbozirconation et son alkylation n'était pas possible par l’échange des chlorures avec les alkyles. L’analogue diméthylé (nacnacBn)2ZrMe2 peut être préparé par alkylation du ZrCl4 avant la complexation du ligand. On a également observé que ce dernier n’est pas réactif dans la carbozirconation. L‘analogue diéthoxyde (nacnacBn)2Zr(OEt)2 est obtenu par échange des diméthyles avec les éthoxydes. La polymérisation du lactide avec celui-ci en tant que précurseur est relativement lente et ne peut être effectuée que dans le monomère fondu. Par conséquent, pour résoudre les problèmes rencontrés avec les complexes de zirconium (dikétiminates non-pontés), un ligand dikétimines pontés par le diaminocyclohexane, (±)-C6H10(nacnacXylH)2, LH2, (Xyl = 2,6-diméthylphényle) a été préparé. La complexation de ce ligand tetradenté au metal a été réalisée par deux voies de synthèse; la première est la réaction du sel de lithium de ce ligand avec le ZrCl4(THF)2. La deuxième est la déprotonation du ligand neutre avec le Zr(NMe2)4 et l’élimination du diméthylamine. Des complexes du type: (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrX2 avec X = Cl, NMe2 ont été obtenus. Les ligands de chlorure sont dans ce cas facilement remplaçables par des éthoxydes ou des méthyles. On a observé l’activité la plus élevée jamais observée pour un complexe d’un métal du groupe 4 avec le complexe de (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OEt)2 dans la polymérisation de lactide. L'étude cinétique a montré que la loi de vitesse est du premier ordre en catalyseur et en monomère et la constante de vitesse est k = 14 (1) L mol-1 s-1. L'analyse des polymères a montré l’obtention de masses moléculaires faibles et l’abscence de stéréocontrôle. La réaction de (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrCl2 avec le triflate d’argent donne le (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OTf)2. Le complexe bis-triflate obtenu possède une activité catalytique elevée pour les additions du type aza-Michael. L’utilisation du R,R-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OTf)2 énantiopur comme catalyseur, dans les additions du type aza-Michael asymétriques donne le produit desiré avec un excès énantiomérique de 19%. / Abstract: In order to prepare the complexes of Zr targeted for homogeneous catalysis in polymerization of lactides and hydroamination of activated olefins, we focused on the elaboration and the optimization of a systematic and efficient method for the synthesis of diketimines ligands with a variety of substituted alkyl (R) on their position N,N'. Symmetrical diketimines (nacnacRH) were obtained with a greater than 95% purity and a yield of 65% when R = Me and yields ranging from 80 to 95% when R = nPr, iPr, iBu, Bn, and Cy (+)-CH (Me) Ph. The Synthesis of diketimines with different N-alkyl substituents, called asymmetric, always gives a statistical mixture of three ligands: nacnacR,R'H nacnacR,RH and nacnacR',R'H that made their isolation problematic. Yields greater than statistical mixtures were obtained only with asymmetric diketimines bearing N-alky and N-aryl substituents (nacnacR,ArH). Subsequently, we studied the complexation of these bidentate ligands with Zr, the characterization of these complexes and investigation of their reactivity. Zr complexes of type (nacnacRH)2ZrCl2 were obtained via two main synthetic routes: the first consists in treatment of the lithium salt of the ligand with ZrCl4. The second is the reaction of the ligand with neutral complexes of alkyl-zirconium (IV) by protonation of the alkyl coordinated. In solution, the obtained complexes (nacnacR)2ZrX2 showed dynamic behavior via a "Bailar-twist" isomerization and the activation parameters of the isomerization were calculated. Octahedral complex (nacnacBn)2ZrCl2, showed no reactivity in alkylation and carbozirconation was not possible by the exchange of alkyl with chlorides. The dimethyl analogue (nacnacBn)2ZrMe2, can be prepared by alkylation of ZrCl4 before ligand complexing. The diethoxide analogue (nacnacBn)2Zr(OEt)2 is obtained by exchange of dimethyls with ethoxides. The latter had slow reactivity in lactide polymerization under melt conditions. Consequently, to address the problems encountered with unbridged (diketiminate) zirconium complexes, a cyclohexanediyl-bridged diketiminate ligand, (±)-C6H10(nacnacXylH)2, LH2, (Xyl = 2,6-dimethylphenyl) is prepared. Complexation of the tetradentate ligand is realized via two synthetic routes; The first is reaction of the lithium salt of the ligand with ZrCl4(THF)2. The second is deprotonation of the neutral ligand with Zr(NMe2)4 and elimination of dimethylamine. Complexes of the type: (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrX2 with X = Cl, NMe2 are obtained. The chloride ligands are in this case readily replaceable with ethoxides or methyls. The (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OEt)2 complex showed the highest activity ever observed for any group 4 metal complex in lactide polymerization. The kinetic study showed that the rate law is first order in catalyst and monomer and the rate constant is k = 14(1) L mol−1 s−1. Analysis of the obtained polymer showed low molecular weight with no-stereocontrol. Reaction of the (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrCl2 with silver triflates yielded the (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OTf)2. The obtained bis-triflate complex showed to be a highly active catalyst for aza-Michael additions. The use of the enatiopure R,R-C6H10(nacnacXyl)2Zr(OTf)2 as catalyst for asymmetric aza-Michael additions of activated olefines gave the desired product with an enantiomeric excess of 19%.

Résumé: Dans le but de préparer des complexes de Zr pour la catalyse homogène de la polymérisation des lactides et de l’hydroamination des olefines, l’elaboration et l’optimisation d’une méthode systématique et efficace de synthèse des ligands dikétimines ayant différents substituants alkyles (R) à la position N,N’ a été realisée. Des dikétimines (nacnacRH) symétriques ont été obtenus avec une pureté de plus de 95 % et un rendement de 65 % lorsque R = Me et des rendements allant de 80 à 95 % lorsque le groupe R = n-Pr, i-Pr, i-Bu, Bu, Cy et (+)-CH(Me)Ph. La synthèse des dikétimines ayant des substituants N-alkyls différents, dite asymétriques, donne toujours un mélange statistique de trois ligands: nacnacR,R’H, nacnacR,RH et nacnacR’,R’H qui n’ont pu être separés. Seuls les dikétimines asymétriques avec un substituant N-alkyl et un autre N-aryl (nacnacR,ArH) ont été obtenus avec des rendements plus élevés que celui du mélange statistique. Par la suite, la complexation de ces ligands bidentés au Zr, la caractérisation de ces complexes et l’investigation de la réactivité ont été étudiés. Les complexes de Zr de type (nacnacR)2ZrCl2 ont été obtenus par deux voies de synthèse principales: la première consiste à traiter le sel de lithium du ligand avec le ZrCl4. La seconde est la réaction du ligand avec les complexes neutres d’alkyl-zirconium(IV) par protonation de l'alkyle coordonné. En solution, les complexes obtenus de (nacnacR)2ZrX2 possèdent un comportement dynamique via un « Bailar-twist » et les paramètres d'activation de cette isomérisation ont été calculés. Le complexe octaèdrique (nacnacBn)2ZrCl2 n'est pas réactif dans la carbozirconation et son alkylation n'était pas possible par l’échange des chlorures avec les alkyles. L’analogue diméthylé (nacnacBn)2ZrMe2 peut être préparé par alkylation du ZrCl4 avant la complexation du ligand. On a également observé que ce dernier n’est pas réactif dans la carbozirconation. L‘analogue diéthoxyde (nacnacBn)2Zr(OEt)2 est obtenu par échange des diméthyles avec les éthoxydes. La polymérisation du lactide avec celui-ci en tant que précurseur est relativement lente et ne peut être effectuée que dans le monomère fondu. Par conséquent, pour résoudre les problèmes rencontrés avec les complexes de zirconium (dikétiminates non-pontés), un ligand dikétimines pontés par le diaminocyclohexane, (±)-C6H10(nacnacXylH)2, LH2, (Xyl = 2,6-diméthylphényle) a été préparé. La complexation de ce ligand tetradenté au metal a été réalisée par deux voies de synthèse; la première est la réaction du sel de lithium de ce ligand avec le ZrCl4(THF)2. La deuxième est la déprotonation du ligand neutre avec le Zr(NMe2)4 et l’élimination du diméthylamine. Des complexes du type: (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrX2 avec X = Cl, NMe2 ont été obtenus. Les ligands de chlorure sont dans ce cas facilement remplaçables par des éthoxydes ou des méthyles. On a observé l’activité la plus élevée jamais observée pour un complexe d’un métal du groupe 4 avec le complexe de (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OEt)2 dans la polymérisation de lactide. L'étude cinétique a montré que la loi de vitesse est du premier ordre en catalyseur et en monomère et la constante de vitesse est k = 14 (1) L mol-1 s-1. L'analyse des polymères a montré l’obtention de masses moléculaires faibles et l’abscence de stéréocontrôle. La réaction de (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrCl2 avec le triflate d’argent donne le (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OTf)2. Le complexe bis-triflate obtenu possède une activité catalytique elevée pour les additions du type aza-Michael. L’utilisation du R,R-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OTf)2 énantiopur comme catalyseur, dans les additions du type aza-Michael asymétriques donne le produit desiré avec un excès énantiomérique de 19%. / Abstract: In order to prepare the complexes of Zr targeted for homogeneous catalysis in polymerization of lactides and hydroamination of activated olefins, we focused on the elaboration and the optimization of a systematic and efficient method for the synthesis of diketimines ligands with a variety of substituted alkyl (R) on their position N,N'. Symmetrical diketimines (nacnacRH) were obtained with a greater than 95% purity and a yield of 65% when R = Me and yields ranging from 80 to 95% when R = nPr, iPr, iBu, Bn, and Cy (+)-CH (Me) Ph. The Synthesis of diketimines with different N-alkyl substituents, called asymmetric, always gives a statistical mixture of three ligands: nacnacR,R'H nacnacR,RH and nacnacR',R'H that made their isolation problematic. Yields greater than statistical mixtures were obtained only with asymmetric diketimines bearing N-alky and N-aryl substituents (nacnacR,ArH). Subsequently, we studied the complexation of these bidentate ligands with Zr, the characterization of these complexes and investigation of their reactivity. Zr complexes of type (nacnacRH)2ZrCl2 were obtained via two main synthetic routes: the first consists in treatment of the lithium salt of the ligand with ZrCl4. The second is the reaction of the ligand with neutral complexes of alkyl-zirconium (IV) by protonation of the alkyl coordinated. In solution, the obtained complexes (nacnacR)2ZrX2 showed dynamic behavior via a "Bailar-twist" isomerization and the activation parameters of the isomerization were calculated. Octahedral complex (nacnacBn)2ZrCl2, showed no reactivity in alkylation and carbozirconation was not possible by the exchange of alkyl with chlorides. The dimethyl analogue (nacnacBn)2ZrMe2, can be prepared by alkylation of ZrCl4 before ligand complexing. The diethoxide analogue (nacnacBn)2Zr(OEt)2 is obtained by exchange of dimethyls with ethoxides. The latter had slow reactivity in lactide polymerization under melt conditions. Consequently, to address the problems encountered with unbridged (diketiminate) zirconium complexes, a cyclohexanediyl-bridged diketiminate ligand, (±)-C6H10(nacnacXylH)2, LH2, (Xyl = 2,6-dimethylphenyl) is prepared. Complexation of the tetradentate ligand is realized via two synthetic routes; The first is reaction of the lithium salt of the ligand with ZrCl4(THF)2. The second is deprotonation of the neutral ligand with Zr(NMe2)4 and elimination of dimethylamine. Complexes of the type: (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrX2 with X = Cl, NMe2 are obtained. The chloride ligands are in this case readily replaceable with ethoxides or methyls. The (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OEt)2 complex showed the highest activity ever observed for any group 4 metal complex in lactide polymerization. The kinetic study showed that the rate law is first order in catalyst and monomer and the rate constant is k = 14(1) L mol−1 s−1. Analysis of the obtained polymer showed low molecular weight with no-stereocontrol. Reaction of the (±)-C6H10(nacnacXylH)2ZrCl2 with silver triflates yielded the (±)-C6H10(nacnacXylH)2Zr(OTf)2. The obtained bis-triflate complex showed to be a highly active catalyst for aza-Michael additions. The use of the enatiopure R,R-C6H10(nacnacXyl)2Zr(OTf)2 as catalyst for asymmetric aza-Michael additions of activated olefines gave the desired product with an enantiomeric excess of 19%.

L’étude de la structure de complexes non-covalents présente un intérêt fondamental dans la recherche en chimie des protéines. Le premier objectif est de caractériser les interactions physico-chimiques sur lesquelles repose l’adoption d’une structure tridimensionnelle fonctionnelle par un édifice multimoléculaire. Le second objectif est de mettre en évidence les changements structuraux induits par le phénomène de complexation, et leur influence sur la fonction du système. Le couplage entre la spectrométrie de masse et la mobilité ionique (IM/MS) est une technique d’étude structurale en phase gazeuse, dont le principe repose sur la séparation d’ions selon leur forme et leur rapport masse sur charge, et qui permet en outre de mesurer leurs sections efficaces de diffusion. Grâce à cette technique, nous avons réalisé l’étude structurale de trois complexes non-covalents : l’agrégation de molécules de tanin sur la protéine salivaire humaine IB5, la fixation du ligand Ac2KAA sur la vancomycine, et la complexation de cations métalliques sur des polymères poly-lactide. L’évolution des sections efficaces en fonction de la taille du système ou de l’état de complexation met en évidence la présence de transitions structurales. De plus, utilisé avec de la modélisation moléculaire ou de la spectroscopie laser, le couplage IM/MS s’avère pertinent pour caractériser les interactions responsables de la stabilisation de tels complexes. Ces travaux de thèse montrent que cette technique , au-delà du simple aspect analytique (séparation d’isomères), peut également être utilisée au sein d’études plus globales, mettant en jeu plusieurs techniques afin de résoudre la structure de systèmes complexes / Knowing the structure of non-covalent complexes is essential to understand many biological processes. The first step is the characterization of the interactions leading to the adoption of a functional tridimensional structure by a multimeric assembly. The second step consists of underlining the structural modifications induced by the complexation, and their influence on the system’s function. The Ion Mobility/Mass Spectrometry (IM/MS) is a gas-phase method that is used to separate ions according to their geometry and their masse-to-charge ratio. IM/MS also provides insights on their intrinsic properties, by measuring their collision cross sections. Using this method, we have studied the structure of three different non-covalent complexes: the aggregation of tannins on the human salivary protein IB-5, the fixation of a small ligand (Ac2KAA) on vancomycin, and the complexation between metallic cations and poly-lactid polymers. The evolution of the collision cross-sections as a function of the size of the system or the complexation state clearly shows structural transitions. Moreover, combined with molecular modeling or laser spectroscopy, the IM/MS technique reveals to be a powerful tool to characterize the relevant interactions in such systems. This work proves that IM/MS, besides a powerful analytical aspect, can also be used in global studies that involve several structural methods to resolve the structure of large multimeric assemblies

La synthèse asymétrique organo-catalysée est un domaine de recherche en pleine expansion visant une chimie plus verte. Nous nous sommes intéressés au développement d’une réaction de Michael asymétrique organocatalysée en mettant à profit la catalyse par liaison hydrogène et l’activation énamine afin de contrôler en une seule étape la formation d’adduits portant un centre carboné quaternaire à partir de cétones non activées. Ainsi, nous avons développé des organocatalyseurs bifonctionnels de type squaramide qui ont permis d’obtenir les adduits de Michael attendu à partir de cycloalcanones alpha-substituées avec une bonne énantiosélectivité et une grande régiosélectivité dans un processus sous micro-ondes et sans solvant. Nous avons développé de nouveaux systèmes catalytiques sur la base du motif squaramide qui sont simples, efficaces et opérationnels. Nous avons étudié également l'utilité de nos systèmes organocatalytiques dans d'autres transformations comme la polymérisation verte. Afin de réduire l'utilisation de métaux toxiques pour produire des polymères bien définis sans trace de métaux et d'importance environnementale ou médicale, nous avons également étudié comment nos organo-catalyseurs de type squaramide pourraient contrôler la polymérisation verte par ouverture de cycle. Les systèmes organocatalytiques basés sur des squaramides étaient également applicables à la polymerisation par ouverture de cycle afin de donner des polylactides de dispersité étroite et de masses moléculaires contrôlées. / Organocatalyzed asymmetric synthesis is a growing and rapidly expanding research field for a greener chemistry. In this respect, we were interested in developing an organocatalyzed asymmetric Michael reaction taking advantage of H-bond catalysis and enamine activation allowing control of quaternary carbon center from unactivated ketones. Hence compared with well-known H-bond donor urea and thiourea organocatalysts, we first propose bifunctional squaramide organocatalysts for the one-pot transformation of unsymmetrical ketones to produce Michael adducts exhibiting a stereocontrolled quaternary carbon center in a neat microwave process. We also developped new catalytic systems based on the squaramide motive that are efficient and operationnaly simple, and produce Michael adducts in a good regioselectivity with an excellent enantio-selectivity. We also studied the usefulness of our systems in other transformations like green polymerization. In order to reduce the use of toxic metals to produce metal-free and well-defined polymers of environmental and medical significance, we also studied how our squaramide organocatalysts could control the green ring opening polymerization (ROP.The squaramide organocatalyst-based systems were also applicable to ROP to give polylactides of narrow dispersity and controlled molecular masses.