Compte tenu du développement continu de nouveaux complexes organométalliques, il est impératif de trouver des alternatives aux méthodes de synthèses classiques qui utilisent des solvants toxiques, des températures de réaction élevées et qui ne conduisent pas toujours aux complexes souhaités avec de bons rendements. L’utilisation de broyeurs billes pour la synthèse de complexes NHC-métal (argent et cuivre tout particulièrement) et de leurs précurseurs a permis le développement de méthodes efficaces, générales, rapides et présentant un impact environnemental plus faible que les méthodes classiques en solution. Ces méthodes permettent aussi de donner accès à des molécules d’intérêts, difficilement synthétisables par voie classique. De nombreux complexes jusqu’alors jamais reportés dans la littérature ont ainsi pu être formés. Ces complexes ont démontré leur efficacité en tant que catalyseur dans la réaction de A3 pour la formation d’amines propargyliques. / Due to the constant increase of publications reporting new organometallic complexes, it becomes urgent to develop alternative synthetic methods to the classical ones that use toxic solvents, high reaction temperatures and that do not always lead to the desired complexes in good yields. The use of ball-mills for the synthesis of NHC-metal complexes (silver and copper in particular) and their precursors has enabled the development of efficient, general, quick and more sustainable methods. These methods give an access to interesting compounds, difficult to synthesize using another pathway. Numerous complexes never reported in the literature were also formed. These complexes have demonstrated their efficiency as catalysts in the A3 reaction to form the propargylamines.

L'un des objectifs des industries chimique et pharmaceutique est de développer des procédés verts évitant ou réduisant l'utilisation de solvants. Mais ne pas utiliser de solvant nécessite souvent des catalyseurs métalliques ou autre, ce qui rend les purifications délicates, comme dans le cas des synthèses de chimie fine permettant l'obtention de principes actifs pharmaceutiques. C'est ainsi que la mécanochimie a émergé en tant que voie durable pour la synthèse chimique, y compris dans le cas des transformations moléculaires organiques sous contrainte mécanique. Malgré les progrès récents de cette méthodologie, certains aspects de l'action mécanique ne sont pas totalement élucidés, en particulier ce qui concerne les mécanismes. Dans cette thèse, trois axes principaux de la mécanochimie ont été explorés. Dans une première partie, le mécanisme moléculaire de la synthèse de deux types de 1,4-diazines, la dibenzo[a,c]phenazine (DBPZ) et la 2,3-diphenylquinoxaline (DPQ), a été investigué. La RMN 13C CP-MAS a permis de mettre en évidence des intermédiaires de cette synthèse, et des mesures calorimétriques ont révélé que deux réactions se poursuivaient après broyage. La possibilité d'une réaction concertée a également été prise en compte dans le cas de la dibenzo[a,c]phenazine. La seconde partie concerne la formation de la 2,3-diphenylquinoxaline. Les paramètres du procédé ont été étudiés, dans le cas d'un broyeur à bille vibrant. L'influence des matériaux de broyage, de la taille et de la masse des billes, la granulométrie des matières premières, ainsi que la température des media de broyage ont été étudiés, permettant de déterminer une énergie d'activation apparente (Ea). Le tracé des courbes selon Arrhenius et Eyring-Polanyi a montré des changement de Ea caractéristiques de modifications au niveau du mécanisme, attribuées à l'apparition d'un possible eutectique fondant au dessus de 30°C, induit mécaniquement. Après cette étude qui a permis la compréhension de certains points fondamentaux, et d'approfondir les procédés de ces réactions modèles, une troisième partie traite de l'application de la mécanochimie à la synthèse en phase solide d'hydrazones d'intérêt pharmaceutique, et à celle catalysée de dérivés de l'isoniazide obtenus par réaction d'aldéhydes et d'hydrazines. D'une manière générale, les durées de réaction sont plus faibles, et les rendements meilleurs, qu'avec les méthodes classiques. L'influence des réactivités électronique et des hydrazines à l'état solide a été discutée. Les essais biologiques ont démontré une activité avérée des dérivés de l'isoniazide dans l'inhibition de Mycobacterium tuberculosis. Les résultats présentés dans cette thèse englobent plusieurs aspects très complémentaires de la mécanochimie. L'approche fondamentale du mécanisme est d'un accès difficile, en raison de la complexité du système, mais des avancées ont été réalisées comme la mise en évidence d'intermédiaires à longue durée de vie. Les paramètres du procédé apportent une contribution à la compréhension du mécanisme mais aussi en vue du scaling-up. Enfin, la mécanosynthèse s'est révélée être une méthode de chimie verte particulièrement adaptée à la synthèse d'hydrazones d'intérêt pharmaceutique, pour le screening de nouvelles entités ou la synthèse durable de produits de grande pureté. / One of the goals of pharmaceutical and chemical industries is the development of green processes that eliminates or reduces the use of solvents. However, avoiding solvents often requires the use of metal catalysts or others, that accelerates chemical reactions, but make the purifications difficult, especially in the case of fine chemical products, such as active pharmaceutical ingredients. The mechanochemistry has emerged as a sustainable way that enables chemical synthesis, including organic molecular transformations, using the mechanical energy. In spite of the recent advances of the methodology, some aspects of the mechanical action still remain to be fully elucidated, mainly concerning the mechanisms. In this thesis, three main axes of mechanochemistry were explored. First, the molecular mechanism of 1,4-diazine mechanosynthesis, mentioning dibenzo[a,c]phenazine (DBPZ) and 2,3-diphenylquinoxaline (DPQ), is investigated by using 13C CP-MAS NMR that reveals intermediate species for DBPZ, and by calorimetric measurements that show continuation of the reaction after grinding for both reactions. The possibility of a concerted mechanism is considered for dibenzo[a,c]phenazine case. The second focus is on 2,3-diphenylquinoxaline product formation. The process parameters for a vibratory ball mill were studied. Grinding material, size and mass of the balls, granulometry of the starting material were assessed, as well as the temperature of the milling media, providing apparent activation energy (Ea). Arrhenius and Eyring-Polanyi plots presented changes in Ea indicating changes in mechanism, which was attributed to a possible mechanically induced eutectic melting after 30°C. Finally, after understanding some fundamentals and processes for those model reactions, the mechanochemical route was successfully applied to solid-state synthesis of pharmaceutically attractive phenolic hydrazones and catalyzed isoniazid derivatives synthesis, by reacting solid aldehydes and hydrazines. In general, the products were obtained in shorter times and in higher yields compared to classical thermal route. The roles of electronic and solid-state reactivity of the hydrazines were discussed. Biological assays demonstrated the great activity of isoniazid derivatives in inhibiting Mycobacterium tuberculosis. The results presented here cover the mechanochemistry at different levels. The fundamental comprehension is still difficult to access due to the complexity of the system, but some advances could be made such as the detection of intermediate species with significant lifetime. The process parameters are equally important to deduce some mechanism, but also for scale up purposes. At last, the mechanosynthesis of hydrazones showed to be a greener route to produce pharmaceuticals, for high screening of new ones, as well as for the synthesis of others, with great purity and waste reduction.

Le couplage covalent sur surface métallique en UHV (Ultra High Vacuum) est une technique émergente permettant de synthétiser des structures moléculaires impossibles à obtenir par la chimie en solution (nanorubans de graphène, polymères 2D par exemple). Aujourd'hui, le plus grand défi reste le développement de ces réactions sur des surfaces isolantes pour différentes applications comme, par exemple, l'électronique moléculaire. En particulier, le couplage de dérivés d'acides benzoïques, greffés sur les surfaces de carbonate de calcium en UHV par des groupes carboxyliques, a été démontré récemment pour la première fois. Lors de ces travaux, nous avons dans un premier temps synthétisé des molécules précurseurs de réactions de couplage (homo-couplage d'éthyne, photopolymérisation, polycondensation et réaction d'Ullmann) sur des surfaces de carbonate de calcium en UHV. Par la suite, nous avons mené cette étude à l'échelle macroscopique (semi-préparatoire), par greffage de molécules sur des microparticules de carbonate de calcium, puis activation de la réaction, et enfin dissolution du substrat afin d'extraire le produit final. Les microparticules ont été obtenues par broyage de produit commercial ainsi que par spray pyrolyse et complètement caractérisées par FTIR, ATG/DTG, DRX, MEB et BET. Les réactions de couplage ont été activées par deux méthodes sans solvant: par broyage dans une broyeuse planétaire ou par traitement thermique sous vide. Alors qu'en UHV le couplage de l'acide 4-iodobenzoïque donne l'acide biphenyldicarboxylique, en mécanochimie nous avons obtenu l'acide benzoïque et par activation thermique l'éther dibenzoïque. / Covalent coupling on metallic surfaces in UHV (Ultra High Vacuum) conditions is a new method for preparing molecular structures otherwise impossible to achieve in solution (graphene nanoribbons, 2D polymers for instance). The major challenge is now to extend these reactions from metallic to insulating surfaces, for future applications as, for instance, in molecular electronics. In particular, the coupling reaction of benzoic acid derivatives, grafted on calcite via carboxylic groups, has been demonstrated for the first time in UHV conditions. In the first part of this work, we synthesized precursor molecules for specific reactions (homocoupling of ethynes, photopolymerization, polycondensation and Ullmann reaction) on calcium carbonate in UHV conditions. In the second part of this work we extended this investigation up to the macroscale level (semi-preparative) by grafting molecules on calcium carbonate microparticles, followed by reaction activation and finally by dissolution of the substrate in order to recover the coupling products. The calcium carbonate microparticles were prepared by grinding commercial product or by spray pyrolysis and were fully characterized by FTIR, TG/DTG, XRD, SEM and BET techniques. Then, after grafting of organic reactant, the reactions were activated with two different solvent-free methods: by grinding in a planetary milling machine or by heating the samples in a furnace under vacuum. Whereas in UHV conditions, 4-iodobenzoic acid affords biphenyldicarboxylic acid, mechanochemical condition gives benzoic acid and thermal activation the dibenzoic acid ether.