In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung der Lewis-Säure vermittelten Cycloadditionen von Allylsilanen an alpha,beta-ungesättigte Carbonylverbindungen beschrieben. Das Sesquiterpen Isocomen wurde unter Anwendung der [3+2]-Cycloaddition an Enone synthetisch hergestellt. Die [2+2]-Cycloaddition an Acrylsäurederivate wurde angewandt für einen Einstieg zur Totalsynthese des Oleander Scale Pheromons. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Synthese hormonell aktiver Cholesterinderivate dargestellt. Ausgehend von kommerziell erhältlichen Substanzen wurden verschiedene Substituenten in das Steroidgerüst eingeführt.

While Li-ion batteries (LIBs) are the prevailing electrochemical energy storage technology, development of batteries using earth abundant alkali metals (e.g., Na and K) is necessary to alleviate LIB supply chain concerns. K-ion batteries (KIBs) offer a compelling advantage over Na via their compatibility with commercialized graphite anodes, and therefore may be more readily adopted within existing battery production lines. K-ions present some inherent advantages as well, such as rapid diffusion and low energy barriers to desolvation in the battery electrolyte that may enable fast charging. Presently, research on KIBs is in early stages and it is unclear if the same battery design principles produced by decades of study on LIBs apply to KIBs. Here, I examine structure-performance relationships in KIB anodes and electrolytes to propose broad design rules. In the first chapter, I summarize the motivations and prominent advancements in materials used for KIBs, providing commentary on the direction of the field. I begin by summarizing present concerns over materials criticality facing LIBs and how KIBs address these concerns but do not necessarily achieve lower costs. I continue with a summary of popular materials choices for KIB anodes, cathodes, and electrolytes. I place particular emphasis on the discovery and development of graphite anodes and the advantages of using a weak Lewis acid such as K-ions in batteries. Finally, I discuss the challenges presented by using highly reactive K metal anodes in research. In the second chapter, I examine the mechanisms of potassiation/depotassiation of two high-capacity tin phosphide anodes, Sn₄P₃ and SnP₃, and discuss possible failure modes. Ex situ 31P and 119Sn solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) analyses reveal that both Sn₄P₃ and SnP₃ exhibit phase separation of elemental P and the formation of KSnP-type environments (which are predicted to be stable based on DFT calculations) during potassiation, while only Sn₄P₃ produces metallic Sn as a byproduct. In both anode materials, K reacts with elemental P to form K-rich compounds containing isolated P sites that resemble K₃P, but K does not alloy with Sn during potassiation of Sn₄P₃. During charge, K is only fully removed from the K3P-type structures, suggesting that the formation of ternary regions in the anode and phase separation contribute to capacity loss upon reaction of K with tin phosphides. The third chapter addresses the use of fluorinated electrolyte additives in KIBs. Fluoroethylene carbonate (FEC) is a well-known additive used in Li-ion electrolytes, because the products of its sacrificial decomposition aid in forming a stable solid electrolyte interphase (SEI) on the anode surface. Here, we show that FEC addition to KIBs containing hard carbon anodes results in a dramatic decrease in capacity and cell failure. Using a combination of 19F solid-state NMR spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS), we show that FEC decomposes during galvanostatic cycling to form insoluble KF and K₂CO₃ on the anode surface, which correlates with increased interfacial resistance in the cell. Our results strongly suggest KIB performance is sensitive to accumulation of an inorganic SEI, likely due to poor K transport in these compounds. The fourth chapter presents a nonflammable electrolyte mixture for use in KIBs. In this report, we show that a low-concentration (1 M) KPF6 electrolyte combining ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and triethyl phosphate (TEP) is nonflammable, retains high ionic conductivity, and is compatible with graphite. Notably, we then show that this electrolyte is only usable in KIBs; the analogous Li electrolyte fails immediately due to the incompatibility of Li, PC, and graphite. We continue the study by characterizing the impact of TEP on the graphite interphase using a combination of EIS, XPS, and 1D and 2D NMR spectroscopy. We show that, compared to using EC/PC alone, the addition of TEP reduces resistance of the SEI layer, lessens reductive decomposition of carbonates to soluble organic species, and produces inorganic phosphate salts (that we posit contribute to passivation in lieu of fluorination in the SEI). The fifth chapter concludes by summarizing the design strategies learned in each of the preceding three chapters and makes recommendations for future studies. The proposed research emphasizes the need for fundamental studies on materials properties in KIBs, contradicting the current push towards optimizing capacity and longevity of KIBs to prove their relevance. Doing so will not only inform how to design high-performance batteries, but potentially uncover distinct advantages of KIBs that complement existing LIB technologies.

Oxygenierungs- und Oxidationsreaktionen sind in unserem Alltag allgegenwärtig und von großer Bedeutung. Sie finden Anwendung von der Natur bis hin zur Industrie. Der Einsatz von O2 als Sauerstoffquelle bzw. Oxidationsmittel ist besonders erstrebenswert. Die Erforschung der Aktivierung von O2 an Übergangsmetallkomplexen und Untersuchung der Reaktivität der resultierenden Verbindung ist von großer Bedeutung für das Verständnis dieser Reaktionen und Mechanismen. In dieser Arbeit wurde zunächst der Komplex trans-[Ir(4-C5F4N)(CNtBu)(PiPr3)2] synthetisiert, welcher mit dem 4-C5F4N- und dem CNtBu-Liganden stabilisierende Komponenten und wertvolle analytische Sonden enthält. Ausgehend von dieser Iridium(I)-Verbindung konnte auf verschiedenen Wegen der Peroxidokomplex trans-[Ir(4-C5F4N)(O2)(CNtBu)(PiPr3)2] erhalten und umfangreich charakterisiert werden. In Gegenwart von [Fe(C5H5)2][PF6] konnten Hinweise auf einen redoxkatalysierten Mechanismus gewonnen werden. Im nächsten Abschnitt konnte gezeigt werden, dass sich der Peroxidokomplex durch Bronstedsäuren aktivieren lässt. So wurde z.B. unter der Verwendung von Säuren wie HCl, CF3COOH oder HF die Bildung von H2O2 erzielt. Dabei entstehen die entsprechenden Iridium(III)-Komplexe mit den koordinierten Säureanionen. In Gegenwart von HCOOH werden ein Carbonatokomplex und H2 als Hauptprodukte gebildet und es konnten Hinweise zum Mechanismus dieser komplexen Reaktion gewonnen werden. Des Weiteren sind Lewissäuren und Elektrophile in der Lage, die metallgebundene Disauerstoffeinheit des Peroxidokomplexes zu aktivieren. Dazu wurden unter Anderem Silane und Borane eingesetzt. Im Fall von ClSiMe3 und BClCy2 konnten während der Reaktion Intermediate detektiert und analysiert werden. Tragen die Lewissäuren Chloratome wird die entsprechende Dichloridoiridium(III)-Verbindung gebildet. Durch Einsatz von BPh3 konnte eine veränderte Reaktivität erreicht werden und der Ausgangskomplex trans-[Ir(4-C5F4N)(CNtBu)(PiPr3)2] zurückerhalten werden. / Oxygenation- and oxidation reactions are ubiquitous and of great importance to our daily life. They find application from nature to industry. The use of O2 as an oxygen source or oxidation reagent, respectively, is particularly desirable. The research on the activation of O2 at transition metal complexes and the investigations of the reactivity of the resulting compounds is of great significance for the understanding of these reactions and mechanisms. Herein, this work describes the synthesis of the complex trans-[Ir(4-C5F4N)(CNtBu)(PiPr3)2], which incorporates stabilizing and valuable analytical elements provided by the 4-C5F4N and CNtBu ligands. Starting from this iridium(I) compound, the peroxido complex trans-[Ir(4-C5F4N)(O2)(CNtBu)(PiPr3)2] could be synthesized using different methods. In the presence of [Fe(C5H5)2][PF6], indications for a redox catalyzed mechanism could be provided. The next chapter shows that Bronsted acids are capable of activating the peroxido complex. With the help of acids like HCl, CF3COOH or HF, for example, the formation of H2O2 was achieved. Thereby, the corresponding iridium(III) complexes with the coordinating anions are formed. In the presence of HCOOH, a carbonato complex and H2 are formed as main products and ideas for the mechanism of this complex reaction were indicated. Furthermore, Lewis acids and electrophiles have the ability to activate the metal bound dioxygen moiety of the peroxido complex. Silanes and boranes were used for this purpose amongst others. In case of ClSiMe3 and BClCy2, intermediates of the reactions could be detected and analysed. If the Lewis acids carry chloride atoms, the corresponding dichlorido iridium(III) compounds were formed. BPh3 enabled a different reactivity and allowed the isolation of the starting material trans-[Ir(4C5F4N)(CNtBu)(PiPr3)2].

<p>Diss. (sammanfattning) Umeå : Umeå universitet, 1990, härtill 5 uppsatser.</p> / digitalisering@umu.se

Grâce à l’utilisation de catalyseurs sacrifiables issus, la plupart du temps, du groupe principal ou de la première période des éléments de transition, des nouvelles méthodologies de synthèse pour accéder à des molécules complexes ont été développées au cours de cette thèse. i) Des bicyclolactones ont été synthétisées par addition intramoléculaire de β-cétoesters sur des diènes-1,3 catalysée par un système coopératif de Bi(OTf)₃ et d’HOTf. ii) le motif 7-alcynylcycloheptatriène a été étudié et a permis d’accéder sélectivement à différents produits issus soit d’une cycloisomérisation d’énynes-1,6 ou d’une hydroarylation d’allènes, en fonction du caractère dur ou mou de l’acide de Lewis utilisé. iii) Ce motif a ensuite été utilisé comme plateforme pour accéder à des molécules polycycliques en présence d’acides de Lewis ou à des bromophénylallènes en présence d’un agent de bromation. Les bromoallènes ainsi formés ont pu être engagé dans des réactions de couplages C-C et C-N ou dans une réaction de CH-propargylation. iv) La N-éthylation réductrice d’imines en présence d’éthanol et d’un complexe de fer facilement accessible a été étudiée et a conduit à la formation d’amines tertiaires portant trois substituants différents. / Due to the use of sacrificial catalysts, most of the time derived from main group elements or 1st row transition metal, new methodologies were developed in this thesis to access complex molecules. i) Bicyclolactones were synthesized by an intramolecular addition of β-ketoesters into 1,3-dienes catalyzed by a cooperative Bi(OTf)₃ / HOTf catalytic system. ii) The 7-alkynylcyclohepatriene moiety was studied and afforded different products provided by a cycloisomerization of 1,6-enynes or an hydroarylation of allenes. The selectivity of this reaction is dependent of the soft or hard character of the Lewis acids engaged. iii) Afterward, the 7-alkynylcycloheptatriene moeity was used as a plateform to access various polycyclic molecules in presence of Lewis acids or bromophenylallenes in presence of a bromation agent. Thus the bromoallene formed can be engaged in C-C and C-N cross coupling reactions or in a CH propargylation reaction. iv) The reductive ethylation of imines using ethanol and a simple iron complex was developed and led to the formation of tertiary amines with three different substituents.

L’objectif principal de cette thèse était de comprendre par une approche conjointe théorie/expérience des réactions de polymérisation de monomères polaires, plus particulièrement de dérivés (méth)acryliques, réactions organocatalysées par des carbènes N-Hétérocycliques (NHC) utilisés seuls ou associés à une molécule organique (alcool) ou à un acide de Lewis. Pour cela un travail de rationalisation des effets électroniques et stériques apportés par le carbène a été réalisé à la fois sur les premières étapes du mécanisme de polymérisation par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) mais également sur les mécanismes potentiellement concurrents (cyclo-dimérisation) par deux méthodes théoriques: la DFT et la dynamique moléculaire (MD). L’ajout d’une molécule tierce comme un alcool ou un acide de Lewis (borane ou silane) a également été étudié théoriquement en détail afin de mieux comprendre l’effet de cette association sur la nature du mécanisme privilégié et sur l’efficacité de la polymérisation. / The main objective of this thesis was to understand, by a joint theoretical/experimental approach, polymerization reactions of polar monomers, especially (meth)acrylic derivatives, organocacatalyzed polymerizations by N-Heterocyclic carbenes (NHC) used alone or in combination with an organic molecule (alcohol) or a Lewis acid. Rationalization of both electronic and steric effects of the carbene was performed on the first steps of the polymerization mechanism by the functional density theory (DFT) and also on potentially competitive mechanisms (cyclodimerization) by two theoretical methods: DFT and molecular dynamics (MD). The addition of a third molecule such as an alcohol or a Lewis acid (borane or silane) has also been theoretically studied in detail in order to better understand the effect of this association on the nature of the privileged pathway and the effectiveness of the polymerization.

Les tétrazoles ont une place importante dans la chimie médicinale contemporaine par leurs caractéristiques spatiales et électroniques uniques. Leur haute teneur en azote leur confère également des qualités requises dans le développement de substances explosives et de haute énergie. Le développement de nouveaux outils synthétiques pour les créer prend donc ici tout son sens. Dans cet ouvrage, il est tout d’abord question d’une nouvelle méthode de synthèse qui génère des tétrazoles bicycliques en conditions douces par l’entremise d’azidonitriles aliphatiques séparés par trois ou quatre atomes de carbone (effet de proximité) et d’acides de Lewis. De plus, cette méthode de synthèse présente une réaction tandem qui génère des tétrazoles oxabicycliques 1,5-dialkylés via une cycloaddition 1,3-dipolaire diastéréosélective à partir d’azidoacétals ou d’azidocétals arborant un azoture proximal. La réaction s’effectue dans le nitrométhane de 0 °C à la température ambiante avec du TMSCN et est promue par une variété d’acides de Lewis dont le BF3OEt2. Les aspects mécanistiques de la réaction (l’ouverture des acétals, l’équilibre entre les éthers de cyanhydrine, la cycloaddition 1,3-dipolaire diastéréosélective et le réarrangement de Boyer-Schmidt-Aubé) ainsi que les paramètres réactionnels (solvants, acides de Lewis, stœchiométrie, sources de cyanure, etc.) seront en outre abordés. Ensuite, le motif de tétrazole oxabicyclique a été l’objet de diversifications, de fonctionnalisations et de transformations afin d’en valoriser l’utilité. Des réactions d’alkylations, d’azoturations radicalaires, de bêta-éliminations et de diversifications de la chaîne latérale ont été étudiées. De ces mêmes motifs de tétrazoles, la synthèse de tétrazoles azabicycliques et celle de morpholines 2,6-polysubstituées ont aussi été investiguées. La synthèse d’un sel de tétrazolium et l’alkylation de 5-tétrazolyllithiums ont aussi fait l’objet d’études préliminaires. Enfin, une étude théorique en DFT a été effectuée pour mieux comprendre l’équilibre tétrazole-azidoazométhine sur des motifs de types benzo- et pyrido- diazidodiazines parents à la 6-azidotétrazolo[5,1-a]phthalazine, un métabolite toxique du Gymnodinium breve (Ptychodiscus brevis, aussi actuellement connu sous le nom de Karenia brevis). Les aspects thermodynamiques, les états de transition, les orbitales HOMO, les cartes de potentiels d’ionisation locaux, les cartes de densité de la LUMO, les effets de solvant et certains paramètres permettant d’évaluer l’aromaticité (indices de Bird, ordres de liaison minimaux de Jug, indices HOMA et NICS) ont été considérés dans l’étude. Le constat a été que certaines des analyses théoriques peuvent constituer de bons outils prédictifs, particulièrement avec des considérations thermodynamiques, mais que cette approche a aussi ses limites qui sont principalement dues aux incertitudes inhérentes aux calculs théoriques. / Tetrazoles have an important place in contemporary medicinal chemistry due to their unique spatial and electronic characteristics. Their high nitrogen content also gives them the qualities required for the development of explosive and high energy substances. The development of new synthetic tools to create them takes here all its meaning. Therefore, in this work, a new synthesis method that generates bicyclic tetrazoles under mild conditions using aliphatic azidonitriles separated by three or four carbon atoms (proximity effect) and Lewis acids will first be discussed. In addition, a tandem reaction which generates 1,5-dialkylated oxabicyclic tetrazoles via a diastereoselective 1,3-dipolar cycloaddition from azidoacetals or azidoketals bearing a proximal azide will also be disclosed. The reaction is carried out in nitromethane at 0 °C to room temperature with TMSCN and is promoted by a variety of Lewis acids including BF3OEt2. The mechanistic aspects of the reaction (acetal opening, equilibrium between cyanohydrin ethers, diastereoselective 1,3-dipolar cycloaddition and Boyer-Schmidt-Aubé rearrangement) as well as the reaction parameters (solvents, Lewis acids, stoichiometry, cyanide sources, etc.) will be discussed. Furthermore, the oxabicyclic tetrazole unit was involved in diversifications, functionalizations and transformations to enhance its utility. Reactions of alkylations, radical azidations, beta-eliminations and diversifications of the side chain were applied. From these same tetrazole units, the synthesis of azabicyclic tetrazoles and that of 2,6-polysubstituted morpholines was also investigated. The synthesis of a tetrazolium salt and the alkylation of 5 tetrazolyllithiums were also the subject of preliminary studies. Finally, a theoretical DFT study was carried out to have a better understanding of the tetrazole-azidoazomethine equilibrium on benzo- and pyrido- diazidodiazines similar to 6 azidotetrazolo [5,1-a] phthalazine, a toxic metabolite from Gymnodinium breve (Ptychodiscus brevis, actually known as Karenia brevis). Thermodynamic aspects, transition states, HOMO orbitals, local ionization potential maps, LUMO density maps, solvent effects, and some parameters to evaluate the aromaticity (Bird index, Jug minimum bond order, HOMA index and NICS) were considered in the study. It has been noted that some of the theoretical analysis can be good predictive tools, particularly with thermodynamic considerations, but they also have their limits, which are mainly due to the uncertainties inherent in the theoretical calculations.