The covalent bond formed between a N-heterocyclic carbene and an aryl-isothiocyanate was discovered to be thermally-reversible. This bond was incorporated into the backbone of an aromatic polymer which, when subjected to heat and excess monomer, would depolymerize to smaller oligomers. In addition these small molecules contain active chain ends and could be repolymerized to reform the original polymer. The high molecular weight material was made into freestanding sheets with desirable mechanical properties and could be made conductive by treatment with iodine. A new poly(triazene) was formed from the reaction of a facially opposed, annulated, bis-N-heterocyclic carbene (NHC) and an organic bis-azide. The NHC as well as the azide were varied and combined to produce a series of polymers which were characterized by GPC, TGA, and NMR. These thermally robust polymers were also coated onto glass slides and rendered electrically conductive by exposure to iodine vapor. A new reagent for Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer Polymerization (RAFT) is described. This imidazolium based reagent shows unusually fast kinetics which allows it to control polymerizations at significantly reduced loadings compared to the more traditional neutral dithiocarbamates or dithioesters. The fast kinetics is explained by the rapid rotation of the dithioester about the plane of the cationic N-heterocycle. Sulfonated poly(ether ether ketone) (sPEEK) membranes were blended with imidazoles with varying pKas. The proton conductivity of the membranes was evaluated as a function of pKa and temperature. Interestingly, the conductivity of the dry membranes showed a non-monotonous profile over a temperature range of 25 – 150 C. We use a theoretical model to better understand the mechanistic origins of the observed temperature–conductivity profiles. This model is based on the reaction equilibria between sPEEK’s sulfonic acid groups and the basic sites of the added heterocycles. Using the copper-catalyzed 1,3-dipolar “click” cycloaddition reaction, poly(sulfone)s containing pendant azide moieties were functionalized with various amounts of sodium 3-(prop-2-ynyloxy)propane-1-sulfonate and crosslinked with 1,7-octadiyne. The degree of sulfonation as well as the degree of cross-linking was systematically varied by changing the ratios of the aforementioned reagents. The polymers were cast into membranes, acidified, and then tested for proton conductivity, methanol permeability, and membrane-electrode assembly (MEA) performance. / text

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Poröse Materialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen bzw. hohe spezifische Porenvolumina aus. Dies macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Gasspeicherung, Stofftrennung und die heterogene Katalyse, die Hauptanwendungsgebiete poröser Materialien. Um poröse Materialien hinsichtlich der eben genannten Anwendungsfelder zu optimieren ist es von entscheidender Bedeutung, sie hinsichtlich ihrer jeweiligen Anwendung maßzuschneidern. Eine Klasse hochporöser Materialien, bei der das Maßschneidern der Poren möglich ist, ist die der metallorganischen Gerüstverbindungen [engl. Metal-Organic Frameworks (MOFs)]. MOFs zeichnen sich durch einen modularen Aufbau aus, der ein systematisches Design der Poren erlaubt. Auch poröse Polymere können durch Funktionalisierung der entsprechenden Monomere hinsichtlich verschiedener Anwendungsgebiete gezielt synthetisiert werden. Ein Ziel dieser Arbeit war die Integration des Metalls Rhodium als knotenbildendes Element in ein MOF. Dazu wurde Rhodium(II)-acetat, welches bereits das Schaufelradmotiv enthält, mit den trifunktionellen Carbonsäuren Trimesinsäure und 4,4´,4´´ Benzen-1,3,5-triyl-tribenzoesäure zu den MOFs DUT 82 und DUT 83 umgesetzt. Das Schaufelradmotiv als sekundäre Baueinheit in DUT-82 konnte durch röntgenabsorptionspektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden. Nach überkritischem Trocknen gefolgt von thermischer Aktivierung zeigten DUT-82 und DUT-83 eine permanente Porosität mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1150 m2g-1. Weiterhin konnte für DUT-82 eine sehr hohe Affinität zu Kohlenmonoxid, die selten für MOFs beobachtet wird, nachgewiesen werden. Berechnungen der Adsorptionsenthalpie ergaben bei niedrigen Beladungen einen Wert von ungefähr 50 kJmol-1, was für eine Chemisorption von Kohlenmonoxid an DUT-82 bei niedrigen Drücken spricht. Weiterhin zeigten katalytische Untersuchungen, dass sich DUT-82 als heterogener Hydrierkatalysator eignet. In einer Modellreaktion konnte Styrol erfolgreich zu Ethylbenzen umgesetzt werden. In einem weiteren Teil der Arbeit sollte ein MOF synthetisiert werden, das Stabilität und eine hohe Kapazität für Schwefelwasserstoff miteinander vereint. Eine Klasse bereits bekannter MOFs mit hoher Stabilität basiert auf dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster. Durch Kombination des [Zr6O4(OH)4]12+-Clusters mit Bipyridindicarboxylat konnte das MOF UiO-67(bipy) hergestellt werden, welches isostrukturell zu UiO 67 ist. Untersuchungen an UiO 67(bipy) zeigten, dass das unbeladene Netzwerk keinen Schwefelwasserstoff adsorbiert. Die Bipyridinfunktionalität wurde anschließend für die permanente Integration weiterer Metallzentren (Metall = Cu, Ni, Co) genutzt. Dazu wurde UiO-67(bipy) zu wässrigen oder ethanolischen Metallsalzlösungen gegeben und es kam zur Adsorption der Metallsalze aus der Flüssigphase. Durch die postsynthetische Integration der Metallsalze konnte die Adsorptionskapazität der resultierenden Metallsalz@UiO-67(bipy)-Materialien für Schwefelwasserstoff bis auf 8 Gew.% gesteigert werden. Neben Adsorption und Katalyse ist die Sensorik ein weiteres Anwendungsfeld von MOFs. Eine organische Einheit, die sich als sensitive Komponente für eine Integration in ein MOF anbietet, ist Dihydro-1,2,4,5-tetrazin, das zu 1,2,4,5-Tetrazin oxidiert werden kann. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Reaktion ist der radikale Farbwechsel von Gelb nach Pink. Nach erfolgreicher Synthese der Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarbonsäure sollte sie durch Kombination mit dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster zu einem UiO-66 analogen Netzwerk in ein stabiles Netzwerk integriert werden. Da die direkte Syntheseroute eines UiO-66 analogen Netzwerks nicht zum Erfolg führte, wurde die mildere Variante des Linkeraustauschs gewählt. Über diese Route konnte das Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarboxylat erfolgreich partiell in das UiO-66 Netzwerk integriert werden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass die in das Netzwerk eingebaute Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-Einheit sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase erfolgreich oxidiert werden kann, was durch UV/vis-Messungen belegt werden konnte. Eine weitere Klasse poröser Materialien, die hervorragende chemische Stabilität aufweist, ist die der konjugierten Triazin-Netzwerke. Sie entstehen durch Cyclotrimerisierung multifunktioneller Nitrile. Durch geschickte Wahl der Monomere ist eine Funktionalisierung der Triazin-Netzwerke möglich. Um ein chirales Triazin-Netzwerk zu synthetisieren, wurde Spirobiindan erfolgreich mit Nitrilgruppen funktionalisiert. Die Umsetzung des Monomers in einer Zinkchlorid-Schmelze führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1180 m2g 1. Dabei konnte die Porengrößenverteilung des Triazin-Netzwerkes durch Variation des Verhältnisses von Zinkchlorid zu Monomer gezielt eingestellt werden. Die Polymersynthese erfolgte mit einer racemischen Mischung des Monomers und führte somit zu einem achiralen Polymer. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Trennung des racemisch vorliegenden Monomers mittels Hochleistungsflüssigchromatographie möglich ist. Die Imidazoliumgruppe ist eine weitere Baueinheit, die in Triazin-Polymere integriert werden sollte, da sie leicht in ein N-Heterocyclisches Carben überführt werden kann. N-Neterocyclische Carbene können direkt als Katalysator bzw. als Ligand für eine Vielzahl von Metallen zur Generierung eines Katalysators genutzt werden. Über mehrstufige Synthesen konnten zwei nitrilfunktionalisierte Imidazoliumsalze hergestellt werden. Die anschließende Cyclotrimerisierung führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 680 m2g-1. Erste katalytische Untersuchungen zum Einsatz dieser Triazin-Netzwerke in Umpolungsreaktionen von Zimtaldehyd mit 2,2,2 Trifluoracetophenon zeigten jedoch lediglich einen geringen Umsatz zum gewünschten Produkt.

Chemical biology encompasses the study and manipulation of biological system using chemistry, often by virtue of small molecules or unnatural amino acids. Much insight has been gained into the mechanisms of biological processes with regards to protein structure and function, metabolic processes and changes between healthy and diseased states. As an ever expanding field, developing new tools to interact with and impact biological systems is an extremely valuable goal. Herein, work is described towards the synthesis of a small library of heterocyclic-containing small molecules and the mechanistic details regarding the interesting and unexpected chemical compounds that arose; an alternative set of non-toxic copper catalyzed azide-alkyne click conditions for in vivo metabolic labelling; and the synthesis of an unnatural amino acid for further chemical modification via [3+2] cycloadditions with nitrones upon incorporation into a peptide of interest. Altogether, these projects strive to supplement pre-existing methodology for the synthesis of small molecule libraries and tools for metabolic labelling, and thus provide further small molecules for understanding biological systems.

Late transition metal complexes of silver(I), rhodium(I), ruthenium(II), palladium(II) and platinum(II) containing a nitrile-functionalized N-heterocyclic carbene ligand (C-CN) were prepared. The nitrile group on the C–CN ligand was shown to undergo hydrolysis under basic conditions, leading to a silver(I) carbene complex with a primary-amido functional group, and a trimetallic complex of palladium(II) with a partially hydrolyzed C–N–N–C donor ligand. The reduction of a nitrile-functionalized imidazolium salt in the presence of nickel(II) chloride under mild conditions yielded an axially chiral square-planar nickel(II) complex containing a unique primary-amino functionalized N-heterocyclic carbene ligand (C-NH2). A transmetalation reaction moved this chelating C–NH2 ligand from nickel(II) to ruthenium(II), osmium(II), and iridium(III), yielding important catalysts for the hydrogenation of polar double bonds. The ruthenium(II) complex, [Ru(p-cymene)(C–NH2)Cl]PF6 catalyzed the transfer and H2-hydrogenation of ketones. The bifunctional hydride complex, [Ru(p-cymene)(C–NH2)H]PF6, which contains a Ru–H/N–H couple showed no activity under catalytic conditions unless when activated by a base. The outer-sphere mechanism involving bifunctional catalysis of ketone reduction is disfavored according to experimental and theoretical studies and an inner-sphere mechanism is proposed involving the decoordination of the amine donor from the C–NH2 ligand. The ruthenium(II) complex [RuCp*(C–NH2)py]PF6 showed higher activity than the iridium(III) complex [IrCp*(C–NH2)Cl]PF6 in the hydrogenation of ketones. This ruthenium(II) complex also catalyzes the hydrogenation of an aromatic ester, a ketimine, and the hydrogenolysis of styrene oxide. We proposed an alcohol-assisted outer sphere bifunctional mechanism for both systems based on experimental findings and theoretical calculations. The cationic iridium(III) hydride complex, [IrCp*(C–NH2)H]PF6 , was prepared and this failed to react with a ketone in the absence of base. The crucial role of the alkoxide base was demonstrated in the activation of this hydride complex in catalysis. Calculations support the proposal that the base deprotonates the amine group of this hydride complex and triggers the migration of the hydride to the η5-Cp* ring producing a neutral iridium(I) amido complex. This system contains an active Ir–H/N–H couple required for the outer sphere hydrogenation of ketones in the bifunctional mechanism.

Late transition metal complexes of silver(I), rhodium(I), ruthenium(II), palladium(II) and platinum(II) containing a nitrile-functionalized N-heterocyclic carbene ligand (C-CN) were prepared. The nitrile group on the C–CN ligand was shown to undergo hydrolysis under basic conditions, leading to a silver(I) carbene complex with a primary-amido functional group, and a trimetallic complex of palladium(II) with a partially hydrolyzed C–N–N–C donor ligand. The reduction of a nitrile-functionalized imidazolium salt in the presence of nickel(II) chloride under mild conditions yielded an axially chiral square-planar nickel(II) complex containing a unique primary-amino functionalized N-heterocyclic carbene ligand (C-NH2). A transmetalation reaction moved this chelating C–NH2 ligand from nickel(II) to ruthenium(II), osmium(II), and iridium(III), yielding important catalysts for the hydrogenation of polar double bonds. The ruthenium(II) complex, [Ru(p-cymene)(C–NH2)Cl]PF6 catalyzed the transfer and H2-hydrogenation of ketones. The bifunctional hydride complex, [Ru(p-cymene)(C–NH2)H]PF6, which contains a Ru–H/N–H couple showed no activity under catalytic conditions unless when activated by a base. The outer-sphere mechanism involving bifunctional catalysis of ketone reduction is disfavored according to experimental and theoretical studies and an inner-sphere mechanism is proposed involving the decoordination of the amine donor from the C–NH2 ligand. The ruthenium(II) complex [RuCp*(C–NH2)py]PF6 showed higher activity than the iridium(III) complex [IrCp*(C–NH2)Cl]PF6 in the hydrogenation of ketones. This ruthenium(II) complex also catalyzes the hydrogenation of an aromatic ester, a ketimine, and the hydrogenolysis of styrene oxide. We proposed an alcohol-assisted outer sphere bifunctional mechanism for both systems based on experimental findings and theoretical calculations. The cationic iridium(III) hydride complex, [IrCp*(C–NH2)H]PF6 , was prepared and this failed to react with a ketone in the absence of base. The crucial role of the alkoxide base was demonstrated in the activation of this hydride complex in catalysis. Calculations support the proposal that the base deprotonates the amine group of this hydride complex and triggers the migration of the hydride to the η5-Cp* ring producing a neutral iridium(I) amido complex. This system contains an active Ir–H/N–H couple required for the outer sphere hydrogenation of ketones in the bifunctional mechanism.

This thesis is comprised of two parts. The first part describes the synthesis of cyclopentadienyltungsten complexes containing a pendant alkyne group (I), and the subsequent photo-induced intramolecular coordination of the alkyne, forming complexes such as II. Compounds containing intramolecularly coordinated alkynes are rare, and this is the first example using cyclopentadiene as the core ligand. The second part describes the synthesis and structural characterisation of a number of novel metal complexes containing N-heterocyclic carbene ligands, some containing particular functionality for taylored applications. New methods were used to form complexes of rhodium, iridium, silver and gold (eg. III, IV). Structural and spectroscopic properties of the complexes were correlated with electronic characteristics of the ancillary ligands. A number of rhodium and iridium complexes (eg. IV) derived from imidazolium-linked cyclophanes were synthesised and structurally characterised. Complexes of N-heterocyclic carbenes with pendant ionic groups were synthesised, and a preliminary examination of their catalytic activity in water was performed. N-Heterocyclic carbenes complexes containing an electron withdrawing nitro group were synthesised and the effect of the nitro group on metal-ligand bonding was examined.

L’objectif de cette thèse était la synthèse de nouveaux pro-ligands NHC et de leurs complexes métalliques correspondants, en particulier de l’iridium. La tentative de trouver de nouvelles voies de synthèse de complexes NHC à partir des imidazole-2-thiones correspondants n’a pas donné les résultats attendus.Cependant, il a été possible de préparer des composés de coordination intéressants de ces imidazole-2-thiones : ainsi, un complexe de Bi a été préparé et a pu servir d’agent de transmétallation vers le Pd. De nouveaux proligands NHC de type « pince » et plusieurs de leurs complexes d’iridium ont été préparés. Plusieurs complexes de mercure portant ces ligands ont été synthétisés. De plus, une série de sels d’imidazolium portant des fonctionnalités potentiellement hémilables a été préparée et leur réactivité vis-à-vis de l’iridium étudiée. / The purpose of this thesis was the synthesis of novel pro-ligands to NHCs and their corresponding metal complexes, notably of iridium. While the attempt to find a new pathway to obtain NHC complexes starting from the corresponding imidazole-2-thiones did not yield the expected result, it was possible to obtain interesting coordination compounds from those imidazole-2-thiones themselves:A dinuclear Bi complex was prepared that served as an effective transmetallation agent toward Pd. Novel pincer-type NHC pro-ligands were obtained, and several iridium complexes of their corresponding NHC ligands were prepared. Furthermore, several mercury complexes of these ligands were synthesized. Finally, a series of imidazolium salts bearing potentially hemilabile functionalities were prepared and their reactivity toward Ir was studied.

Au cours des dernières années, l'utilisation des carbènes N-hétérocycliques (NHCs) en tant qu'organocatalyseurs a connu un succès impressionnant. Dans ce manuscrit, nous présentons le design et la synthèse de nouveaux organocatalyseurs NHC bifonctionnels, et leurs applications pour la chimie énantiosélective des homoénolates. En parallèle de ces études, une approche conceptuellement nouvelle aux carbènes de pyridine est proposée et exploitée dans une réaction à trois composants originale. Globalement, ce travail contribue au progrès de la connaissance sur l'utilisation des carbènes comme organocatalyseurs et intermédiaires réactionnels. / N-heterocyclic carbenes (NHCs) have become extremely popular organocatalysts in last decade. In this manuscript, we present our work in the design and the synthesis of a new class of bifunctional NHC organocatalysts, and their applications in enantioselective reactions with homoenolate equivalents. Additionally, a conceptually new synthetic approach to pyrid-2-ylidene carbenes is proposed and used in an original three-component reaction. In a broad sense, this work contributes to the progress of knowledge on the use of NHCs as organocatalysts and reaction intermediates.

Des ligands hydrides potentiellement bidentes (possédant un donneur N-hétérocyclique (NHC) associé à un groupement donneur éther ou amine) ainsi que des ligands tritopiques de type pinceur (possédant un groupement (NHC) flanqué de deux types de donneurs azotés différents Nimine et Namine) ont été préparés et utilisés pour la coordination de métaux de transition tels que le Ni, Cr, Cu et Ir. L’influence de la longueur de la chaine alkylée -(CH2)2- ou -(CH2)3- reliant le groupe éther ou amine au groupe hétérocyclique (NHC) a été examinée. Dans le but d’accéder aux complexes des métaux de transition différentes méthodologies ont été adoptées : a) déprotonation préalable du sel d’imidazolium suivie de l’addition des précurseurs métalliques correspondants ; b) transmétallation à partir des complexes (NHC) de l’argent correspondants ; c) réaction d’addition oxydante des sels d’imidazolium ou de leurs sels protonés avec du Ni(0). Une série de complexes du Ni(II) et du Cr(III) a été testée dans la réaction catalytique d’oligomérisation de l’éthylène. / Potentially bidentate hybrid ligands (containing a NHC donor associated with an ether or an amine) and tridentate NCN pincer-type ligands (containing a central NHC donor flancked by two chemically-different nitrogen donors (Nimine and Namine)) have been prepared and used for coordination to transition metals, such as Ni, Cr, Cu, Ir. The influence of the length of the alkyl chain, -(CH2)2- or -(CH2)3- connecting the ether or the amine group to the heterocycle NHC was examined. In order to have access to the transition metal complexes, several methodologies were adopted: a) deprotonation of the corresponding imidazolium salts followed by addition of transition metal precursors; b) transmetalation from NHC silver complexes; c) oxidative-addition reaction of Ni(0) with imidazolium salts or the corresponding protonated salts. A series of Ni(II), Cr(III) complexes were tested in the catalytic ethylene oligomerization reaction.