Les propriétés uniques apportées par l’introduction d’un atome de fluor dans un composé bioactif ont favorisé son utilisation en chimie médicinale. Le nombre et la diversité des groupements fluorés maintenant présents en témoignent. Parmi ceux-ci, le monofluoroalcène présente des caractéristiques intéressantes, dont celle d’être un isostère non hydrolysable de la liaison peptidique. Cette thèse portera sur le motif monofluoroalcène et sera divisée en trois axes principaux, soit sa synthèse, sa caractérisation et son utilisation potentielle comme sonde fluorée. Tout d’abord, l’alkylation allylique catalysée au palladium de 3,3-difluoropropènes a été développée, en utilisant le diméthylmalonate et ses dérivés comme nucléophiles. Une large gamme de monofluoroalcènes a été obtenue dans de bons rendements. Une variante asymétrique de la réaction a également été examinée. Cependant, elle présente des limites importantes, et uniquement les substrats cycliques réagissent de manière énantiosélective. Les produits obtenus peuvent ensuite subir différentes transformations, comme une monodécarboxylation en deux étapes donnant le mime de la liaison peptidique lié à un acide β-aminé. Afin d’obtenir des dérivés d’acides α-aminés, la synthèse du motif par une réaction de substitution nucléophile bimoléculaire avec réarrangement allylique à partir d’acides aminés a aussi été brièvement explorée. L’influence sur l’hydrophobie de l’incorporation du monofluoroalcène dans de courts peptides a ensuite été évaluée. L’indice d’hydrophobie, un paramètre déterminé en utilisant la chromatographie liquide haute performance en phase inverse, a été calculé pour différents peptides fluorés et naturels. Il a été possible de conclure que la présence du motif dans le squelette d’un peptide augmentait sa lipophilie et de quantifier cette valeur. Finalement, l’incorporation du monofluoroalcène comme isostère de la liaison peptidique dans de larges peptides a été effectuée, afin d’obtenir une étiquette-19F située dans le squelette pour l’étude d’événements biologiques par résonance magnétique nucléaire. Le motif a été incorporé dans deux peptides, la PGLa et (KIGAKI)3, qui ont été analysés par des techniques biophysiques. / The unique properties associated with the incorporation of fluorine into bioactive compounds have led to its important use in medicinal chemistry. Nowadays, various fluorinated functional groups are employed. Among them, the monofluoroalkene shows interesting properties. This thesis will present the study of the monofluoroalkene as a peptide bond isostere and will focus on its synthesis, characterization and use as a fluorinated probe. The palladium catalyzed allylic alkylation of 3,3-difluoropropenes using dimethylmalonate and its derivatives was developed. Various monofluoroalkenes were obtained in good yields. An asymmetric variant of the transformation was then investigated, but the transformation was limited to six-membered cycles. Some derivatization of the monofluoroalkenes obtained could be performed, such as a two steps monodecarboxylation procedure to access a peptide bond mimic followed by a β-amino acid. To access α-amino acid derivatives, a bimolecular nucleophilic substitution with allylic rearrangement starting from natural amino acids was briefly investigated. The influence on the hydrophobicity of the incorporation of a monofluoroalkene into the backbone of short peptides was then evaluated. The hydrophobicity index, a parameter that can be determined by using reverse-phase high performance liquid chromatography, was used to quantify the lipophilicity of fluorinated and natural peptides. In every case, the presence of the monofluoroalkene enhanced the hydrophobicity of the compounds. Finally, the monofluoroalkene was incorporated into the backbone of larger peptides to access a new 19F-label for the study of biological events by nuclear magnetic resonance. The motif was integrated into the sequence of two peptides, PGLa and (KIGAKI)3, and the fluorinated mutants were studied using biophysical techniques.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / L’activation de liens C–F a été un sujet de recherche prolifique des dix dernières années, considérant l’utilité de telles études pour mieux comprendre et utiliser le comportement des composés fluorés. Toutes les méthodes qui existent pour réaliser la substitution nucléophile de fluorures aliphatiques tirent profit d’interactions faibles en conditions acides ou basiques, ou de métaux de transition. Cependant, une interaction comme la liaison hydrogène avec un lien C–F, certainement faible en énergie, n’a toujours pas été utilisée pour réaliser l’activation en conditions neutres. Après une introduction sur l’activation C–F et leur capacité d’accepteur de liaisons hydrogène, divers systèmes utilisant cette faible interaction pour la substitution nucléophile de fluorures aliphatiques, qui ont été développés dans cette thèse, seront présentés. Plusieurs types de donneurs de liaisons hydrogène (DLH) ont été utilisés au courant de la thèse, notamment l’eau, les alcools polyfluorés, ainsi qu’une large gamme d’alcools, diols, triols et autres groupements donneurs. En présence de nucléophiles variés, il a été démontré que les liaisons hydrogène sont suffisamment puissantes pour permettre la transformation de composés organofluorés par l’activation et la substitution de leur lien C–F. L’analyse des mécanismes réactionnels a aussi démontré qu’en plus de nécessiter des activateurs pour pouvoir le substituer, le lien C–F conserve un certain caractère spécial dans nos conditions avec les DLHs. Pour nos systèmes de substitution nucléophile, un mécanisme SN2 semble correct, tandis que dans les réactions de Friedel-Crafts, des paires d’ions fortement retenues par les liaisons hydrogène semblent expliquer la réactivité observée mieux qu’un mécanisme ionisant SN1 classique ne pourrait le faire. / C–F activation has been a subject of intensive research over the last decade, considering the usefulness of such studies to understand, predict and profit from the unusual behaviour of fluorinated organic compounds. All methods that are known to enable the nucleophilic substitution of aliphatic fluorines use weak interactions in acidic or basic conditions, or require transition metals. However, hydrogen bonds with fluorine, energetically-weak interactions, have not yet been harnessed to activate C–F bonds in neutral conditions. After an introduction on C–F activation and on the possibility of these bonds to accept hydrogen bonds, various systems that exploit this weak interaction for the nucleophilic substitution of aliphatic fluorines and that were developed during the thesis, will be presented. Multiple types of hydrogen-bond donors (HBD) were used to affect this transformation, notably water, polyfluorinated alcohols and a wide variety of alcohols, diols, triols, and other donating groups. In the presence of varied nucleophiles, it will be shown that hydrogen bonds are strong enough to permit the transformation of organofluorine compounds through activation and substitution of their C–F bond. Thorough analysis of the reaction mechanisms demonstrated that, in addition to needing activating agents to be able to substitute it, the C–F bond keeps its unusual behaviour in our conditions with HBDs. In our systems of nucleophilic substitution, a SN2 mechanism seems to operate, while for the Friedel-Crafts reactions, ion pairs strongly kept together by hydrogen bonds are a better explanation for the observed reactivity than the traditional SN1 mechanism involving free carbocations.

« Thèse en cotutelle, Université Laval et Université de Bordeaux » / D'une part, la fonctionnalisation des composés organofluorés via la transformation d'une liaison carbone-fluor (C−F) représente une approche attrayante dans la synthèse de molécules partiellement ou totalement défluorées. L'intérêt d'une telle méthode réside dans le défi fondamental que présente la rupture d'une liaison carbone-fluor, reconnue comme étant forte et relativement inerte. D'autre part, les composés organoboranes possèdent une chimie riche qui permet entre autres leur transformation en une large gamme de composés organiques. Une réaction de défluoroborylation combine ces deux domaines, consistant à introduire une fonction boryle post-fonctionnalisable sur un composé fluoré en rompant une liaison C−F. Bien qu'une grande partie des recherches ait été portée sur l'utilisation de métaux de transition pour réaliser ces réactions de défluoroborylation, le développement de nouvelles méthodes ne nécessitant pas l'utilisation de métaux représente un double défi formidable : l'activation C−F et la formation d'un bore nucléophile sans métal. Les travaux de cette recherche se concentrent sur le développement d'une stratégie de borylation par activation de la liaison C−F des composés organofluorés sans le recours à un métal de transition ou à un montage photo/électrochimique. Dans un premier projet, nous nous sommes intéressés à la substitution d'un fluorure benzylique, dont la liaison C−F peut être activée en présence d'un acide de Lewis ou de Brønsted. Les échecs des essais obtenus lors de ce premier projet nous ont conduits à nous intéresser aux fluorures allyliques. Ce manuscrit se concentre sur le cheminement ayant conduit au succès de la défluoroborylation sans métal de *gem*-difluoropropènes. Une partie de ce manuscrit se penche sur les problèmes de reproductibilité qui ont été surmontés et qui sont étroitement liés à la nature de la base de Lewis la plus efficace ayant été identifiée. / On one hand, the functionalization of organofluorine compounds through the transformation of a carbon-fluorine bond (C−F) represents an attractive approach in the synthesis of partially or fully defluorinated molecules. The interest in such a method lies in the fundamental challenge posed by the cleavage of a carbon-fluorine bond, known to be strong and relatively inert. On the other hand, organoborane compounds possess a rich chemistry that allows, among other things, their transformation into a wide range of organic compounds. A defluoroborylation reaction combines these two areas, involving the introduction of a post-functionalizable boryl function on a fluorinated compound by breaking a C−F bond. While much attention has been focused on the use of transition metals to carry out these defluoroborylation reactions, the development of new methods that do not require the use of metals poses a double challenge: C−F activation and the formation of a metal-free nucleophilic boron species. This research focuses on the development of a borylation strategy through the activation of the C−F bond in organofluorine compounds without the use of a transition metal or a photo/electrochemical assembly. In an initial project, we were interested in the substitution of a benzyl fluoride, which C−F bond can be activated in presence of a Lewis or Brønsted. The unsuccessful results of the experiments obtained during this initial project led us to investigate allylic fluorides. This manuscript focuses on the pathway that led to the successful metal-free defluoroborylation of *gem*-difluoropropylenes. Part of this manuscript addresses the reproducibility issues that have been overcome and that are closely related to the nature of the most effective Lewis base that has been identified.

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l'amélioration de la description, par des méthodes théoriques de type DFT, des systèmes de type M2Ln (avec M = Ti, Co, Pd et L = CO, N2, O2) où les états de bas spin sont de caractère multiréférence et doivent être décrits de façon approchée mais satisfaisante. Ceci n'a été possible qu'avec une utilisation intensive et systématisée (quoique difficilement automatisable !) de la méthode " Unrestricted DFT Broken Symmetry " et en s'appuyant sur les informations fournies par les études expérimentales menées en parallèle au sein du laboratoire, concernant les structures et les propriétés spectroscopiques. On peut dire que la description de la structure moléculaire de ces systèmes complexes se trouve proche de la limite actuelle des capacités de la chimie quantique, mais représente un défi motivant. En effet, si nous avons souvent été confrontés à des cas de surfaces de potentiel complexes, présentant des minima multiples, séparés par des barrières énergétiques faibles, au point d'être qualifiables de protéiformes, ces systèmes possèdent une photophysique et/ou une photochimie intéressante car parfois très sélectives sous les " effets de matrices " qui peuvent laisser prévoir des réactivités spécifiques en fonction de la nature du support

Thèse de doctorat : Chimie : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 253-257.

Thèse de doctorat : Physico-Chimie de la Matière Condensée : Bordeaux 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

La recoverine et la GCAP-1 sont des protéines de la famille des neuroprotéines sensibles au calcium (NCS). Ces protéines sont N-myristoylées et possèdent des motifs EF-hand permettant la liaison du calcium. Elles participent à la phase de recouvrement de la phototransduction visuelle qui a lieu dans les segments externes des photorécepteurs. La liaison membranaire de la recoverine et de la GCAP-1 a été principalement étudiée à l'aide de films monomoléculaires de phospholipides. Nous proposons une méthode d'analyse qui permet d'identifier l'affinité des protéines aux monocouches de phospholipides. Cette méthode pourrait permettre d'identifier rapidement la liaison périphérique des protéines aux monocouches lipidiques. Nous encourageons son utilisation afin de déterminer si elle peut constituer les bases d'un modèle d'analyse plus général. La recoverine est une protéine extrinsèque amphitropique. En absence de calcium, le groupement acyle de la recoverine est enfoui dans une poche hydrophobe. Par contre, en présence de calcium, des réarrangements structuraux permettent l'extrusion de ce groupement myristoyle et induisent la liaison membranaire de la recoverine. Nous avons déterminé que la recoverine possède une forte affinité pour les monocouches de phospholipides anioniques. Cette affinité semble induite par la présence d'un cluster de charges positives situé à proximité du groupement myristoyle. De plus, la N-myristoylation semble être responsable d'une augmentation de la distribution latérale de la liaison membranaire de cette protéine. Ces travaux amènent maintenant à s'intéresser à l'influence de la teneur des membranes discales des photorécepteurs en phospholipides polyinsaturés sur la liaison membranaire de la recoverine. Sur la base d'une structure à haute résolution, il a été déterminé que la GCAP-1 ne possède pas un mécanisme de calcium-myristoyl switch fonctionnel. Toutefois, nous présentons une analyse des structures des protéines de la famille des NCS qui suggère que l'extrusion du groupement myristoyle de la GCAP-1 serait possible en présence de membranes. Nous avons montré qu'une fraction de ces groupements acyles s'insère dans les membranes. La GCAP-1 possède par ailleurs une forte affinité pour les phospholipides anioniques. Nous proposons un mécanisme d'activité pour cette protéine. Des études structurales seront nécessaires afin d'infirmer ou de confirmer ce mécanisme.

Le domaine de recherche principal du groupe Fontaine porte sur le développement de catalyseurs sans métaux de type paire de Lewis frustrée (FLP). La formation de dimères entraine une perte de réactivité en raison du coût énergétique du bris du dimère. L’ajout de groupements alkyles à l’acide de Lewis de FLPs du type 1-BH2-2-NR2-C6H4 permet d’augmenter l’encombrement stérique de la molécule ambiphile, et ainsi déstabiliser la formation de dimères. Ces molécules ambiphiles (1-BH2-2-NR2-C6H4) sont cependant instables et nécessitent d’être stabilisées par l’ajout d’une base de Lewis. La réactivité de ces adduits a pu être évalué pour la borylation catalytique du N-méthylpyrrole. La forme dimérique des molécules ambiphiles semble prévenir leur dégradation. La sensibilité des aminoboranes aux réactifs protiques est connue. L’étude de la réactivité entre les thiols et l’aminoborane [1-BH2-2-NMe2-C6H4]2 a mené à la découverte d’un catalyseur efficace pour la borylation des thiols. Les liaisons bore-soufre sont des réactifs utiles et sous-utilisés en synthèse organique. Leur utilité dans des réactions d’addition de Michael et de thioestérification est discutée. Il s’agit d’un bon exemple où l’utilisation d’un catalyseur sans métal permet de synthétiser un produit à valeur ajoutée. / The main interest of the Fontaine research group is in the development of metal-free catalysis with frustrated Lewis pairs (FLP). Dimer formation is known to cause loss of reactivity due to the energetic cost of dimer dissociation. By adding alkyl groups to the Lewis acid moiety of the 1-BH2-2-NR2-C6H4 type FLP can enhance the bulk of the abiphilic molecule, and thus disfavor the formation of the dimer. Those ambiphilic molecules (1-BH2-2-NR2-C6H4) are unstable and require the addition of a Lewis base in order to be isolated. The reactivity of these adducts towards catalytic borylation of N-methylpyrrole has been evaluated. The stability of the dimer seems to prevent degradation of such molecules. The sensitivity of aminoboranes towards protic reagents is known. The investigation of the reactivity of [1-BH2-2-NMe2-C6H4]2 with thiols lead to the discovery of a novel metal-free catalyst for the borylation of thiols. Boron-sulfur bonds are useful yet underutilised reagents. Their ability to undergo Michael addition with enones and thioestérification with esters is discussed. It is a good example of the synthesis of a value-added product made possible by the use of a metal-free catalyst.

La liaison C-F est la plus forte liaison simple que peut faire le carbone, elle est aussi particulièrement plus forte que toutes les autres liaisons carbone-halogène (enthalpie de dissociation à 298 K: CH3-F 480,7 kJ/mol; CH3-Cl 349,9 kJ/mol, etc.). Malgré la force de cette liaison, de nombreuses méthodes sont apparues dans les dernières années pour l’activer dans les composés aromatiques, vinyliques et aliphatiques. Typiquement, ces méthodes nécessitent des conditions fortement acides ou l'utilisation de métaux de transition. Nous avons développé une méthode d’activation de liaisons C-F par l’eau pour réaliser des réactions de substitution nucléophile de type SN2. La réactivité accrue du lien carbone-fluor est due aux liaisons hydrogène entre l'eau et l'atome de fluor, qui agit comme accepteur. Suite à ces travaux, nous avons étudié la réactivité des fluorures benzyliques en présence de donneurs de liaisons hydrogène plus forts que l’eau, tel que le 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-ol (HFIP). Les résultats obtenus démontrent une réactivité inédite de type Friedel-Crafts (SN1). Une optimisation de la réaction a été effectuée. L'étendue de la transformation a été étudiée et les résultats obtenus nous ont permis de comprendre la réactivité du système en fonction des propriétés électroniques des fluorures de benzyle et des nucléophiles. Tous ces travaux ainsi que des études mécanistiques préliminaires seront présentés. / The carbon-fluorine bond is the strongest single bond that a carbon can have, it is also particularly stronger than any other carbon-halogen bonds (dissociation enthalpy at 298 K: CH3-F 480,7 kJ/mol; CH3-Cl 349,9 kJ/mol.). Despite the strength of this connection, numerous methods have emerged in recent years to turn it into aromatic and aliphatic vinyl compounds. Typically, these methods require strongly acidic conditions or the use of transition metals. We developed a C-F activation method with water to produce nucleophilic substitution reactions type SN2. The reactivity of carbon-fluorine bond is due to the hydrogen bonds between water and the fluorine atom, which acts as an acceptor. Following this work, we investigated the reactivity of benzyl fluoride in the presence of stronger hydrogen bond donor than water, such as 1,1,1,3,3,3- hexafluoro-2-propanol ( HFIP) The results show a Friedel-Crafts type unprecedented reactivity (SN1). An optimization of the reaction was carried out. The extent of the transformation has been studied and the results obtained have allowed us to understand the reactivity of the system based on electronic properties of benzyl fluorides and nucleophilic. All this work and preliminary mechanistic studies will be presented.

Cette thèse décrit la découverte de transformations synthétiques énantiosélectives et non énantiosélectives dans lesquelles des catalyseurs chiraux et environnementalement bénins à base de cuivre, de fer et de zinc sont utilisés pour des réactions d’insertion de diazos dans les liaisons Si–H et S–H et pour des réactions d’hydrosilylation de cétones. Des réactions énantiosélectives et non énantiosélectives d’insertion de métal-carbènes d’α-diazoesters catalysées par le cuivre et le fer dans les liaisons Si–H et S–H sont décrites. Nous avons réussi à développer un protocole efficace pour la réaction d’insertion de métal-carbènes d’α-diazoesters catalysée par le cuivre et le fer dans les liaisons Si–H et S–H. Avec l’utilisation de [(MeCN)4Cu]PF6 et de Fe(OTf)2, une grande variété d’α-silylesters ont été synthétisés avec des bons et des excellents rendements (jusqu’à 98%). Ces catalyseurs peuvent aussi être utilisés efficacement pour l’insertion de métal-carbène dans la liaison S– H avec des bons rendements (jusqu’à 90%). Des résultats prometteurs ont été obtenus pour les réactions d’insertion de métal-carbènes d’α-diazoesters catalysées par le fer dans la liaison Si–H avec l’utilisation du DMC comme solvant vert en remplacement de CH2Cl2. Plusieurs ligands diamines chiraux ont été testés pour développer une réaction d’insertion de métal-carbène hautement énantiosélective dans la liaison Si–H avec l’utilisation du sel de cuivre peu coûteux [(MeCN)4Cu]PF6 comme catalyseur. Un excellent rendement ainsi qu’une excellente énantiosélectivité (rendement de 85%, 99:1 er) ont été obtenus lorsque les ligands contenant un coeur (R, R)-diaminocyclohexane et des groupements mésityles ont été utilisés. Il s’agit d’un très bon exemple de réaction hautement énantiosélective d’insertion dans la liaison Si–H avec l’utilisation d’aryldiazoacétates, de sources de silane peu coûteuses en comparaison avec d’autres et de ligands diamines chiraux facilement synthétisables ayant été utilisés pour la première fois dans la réaction d’insertion énantiosélective de métal-carbène dans la liaison Si–H. Nous avons découvert que les diamines chirales, facilement disponibles, sont aussi des ligands efficaces pour la réduction d’aryle-cétones avec le catalyseur Zn(OAc)2. Les alcools recherchés ont été obtenus avec des hauts rendements et de très bons rapports énantiomériques (rendements jusqu’à 99%, er jusqu’à 99:1). Nous avons aussi obtenu de bons résultats pour l’hydrosilylation de la pphényltrifluoroacetophénone avec l’utilisation d’un système bipybox-iPr/Fe(OAc)2... / This thesis describes the development of non-enantioselective and enantioselective synthetic transformations using copper, iron, and zinc salts as environmentally benign catalysts for diazo insertion reactions into the Si–H and S–H bonds and hydrosilylation reactions of ketones. Non-enantioselective and enantioselective copper and iron-catalyzed metal carbene insertion reactions of α-diazoesters into Si–H and S–H bonds are described. We successfully developed an efficient copper and iron-catalyzed protocol for the metal carbene insertion reaction of α-diazoesters into Si–H and S–H bonds. By using [(MeCN)4Cu]PF6 and Fe(OTf)2, a wide range of α-silylesters were synthesized in good to excellent yields (up to 98%). These catalysts have been shown to be efficient for metal carbene insertion into S–H bond in high yields (up to 90%) as well. Excellet results have been obtained for iron-catalyzed carbene insertion reactions of α-diazoesters into Si–H bond using DMC as a green solvent instead of CH2Cl2. Several chiral diamine ligands were tested to develop a highly enantioselective metal carbene insertion reaction into the Si–H bond using the inexpensive copper salt [(MeCN)4Cu]PF6 as catalyst. Excellent yield and enantioselectivity (85% yield, 99:1 er) were obtained when the ligands containing a (R, R)- diaminocyclohexane core and mesityl groups were used. This is the very good example of highly enantioselective Si–H bond insertion reactions using aryldiazoacetates and inexpensive silane sources compare to others and easy-to-synthesize chiral diamine ligands that have been used for the first time for enantioselective Si–H bond insertion reaction. We have found that the readily available chiral diamines are also efficient ligands for the reduction of aryl ketones using Zn(OAc)2 as catalyst. The desired alcohols were obtained in high yields and very good enantiomeric ratios (up to 99% yields, up to 99:1 er). We also obtained good results for the hydrosilylation of p-phenyltrifluoroacetophenone using a bipybox-iPr/Fe(OAc)2 system (85% yield, 80:20 er). Based on the information in the literature, there are just a few examples on asymmetric hydrosilylation of pphenyltrifluoroacetophenone using ZnEt2 with very low enantioselectivities.