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.

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

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.

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Une étude détaillée a été effectuée sur des composés organométalliques de carbènes N-hétérocycliques (NHC) de nickel(II), et plus particulièrement sur des complexes demi-sandwich nickel(II)−NHC. Ces complexes ont montré des activités sans précédent en catalyse homogène, notamment en α-arylation de cétones acycliques, où des charges en pré-catalyseur de seulement 1 mol% ont pu être utilisées. L' étude mécanistique de cette réaction tend à montrer l'implication d'intermédiaires radicalaires. De plus, ces complexes demi-sandwich se sont révélés être des pré-catalyseurs performants en hydrosilylation de dérivés carbonylés et d'imines. Les méthodologies qui en découlent fournissent de façon efficace et sélective les produits de réduction correspondants, dans des conditions réactionnelles douces. Un intermédiaire réactionnel demi-sandwich de type nickel−hydrure, agissant probablement comme le véritable précurseur catalytique, a en outre pu être isolé. D'autre part, la synthèse de nouveaux complexes Ni−NHC a remarquablement mené à une nouvelle méthodologie de substitution du ligand cyclopentadienyl dans des dérivés demi-sandwich alkyl,NHC−Ni. Enfin, l'utilisation de NHCs moins classiques, comme les NHCs possédant un squelette malonate, ou encore les carbènes (alkyl)(amine) cycliques, a mené à l'isolement de nouveaux complexes carbéniques de nickel(II), dont les premiers résultats catalytiques sont encourageants. / A detailed study has been conducted on organometallic compounds of N-heterocyclic carbenes (NHC) of nickel(II), in particular on half-sandwich nickel(II)−NHC complexes. These complexes showed unprecedented catalytic activity in homogeneous catalysis, especially in the α-arylation of acyclic ketones, where catalyst loadings as low as 1 mol% could be used. Mechanistic experiments suggest that radicals are implied. Furthermore, these half-sandwich complexes proved to be efficient pre-catalysts in the hydrosilylation of carbonyl compounds and imines, allowing the reduction processes to proceed under mild reaction conditions. During the course of these studies, a half-sandwich nickel−hydride intermediate that probably acts as the true pre-catalyst was isolated. Remarkably, the synthesis of new Ni−NHC complexes led to a methodology for cyclopentadienyl ligand substitution in stable 18-electron alkyl,NHC−Ni derivatives. Finally, the use of less common NHC ligands, such as NHCs possessing a malonate backbone, or else, the use of cyclic (alkyl)(amino) carbenes, led to the isolation of new nickel−carbene complexes, which gave encouraging preliminary catalytic results.

Ces travaux de thèse portent sur le développement de catalyseurs à base de ligands carbène N-hétérocycliques dérivés de fer et de nickel, deux métaux de transition abondants, pour les réactions de hydrosilylation et de borylation. Le premier chapitre porte sur les travaux réalisés à l’aide de complexes de fer du type [Cp(NHC)Fe(CO)₂][X] (X = I, PF₆) possédant des ligands de type benzimidazole ou imidazole et leur évaluation en hydrosilylation de dérivés carbonylés. Le deuxième chapitre traite de l’utilisation de complexes demi-sandwichs de nickel du type CpNi(NHC) en hydrosilylation d’aldéhydes, de cétones, d’aldimines et de cétimines. Enfin le troisième chapitre est consacré à la réaction de borylation catalysée par des complexes de nickel demi-sandwich CpNi(triazole)X et des complexes de nickel possédant deux ligands chélatants anioniques de type carbene N-hétérocyclique fonctionnalisé par un bras amido. / The research work described in this manuscript has for main objective the development of new homogeneous catalytic systems based on N-heterocyclic carbene (NHC) iron and nickel complexes for hydrosilyation and borylation reactions. The first chapter describes the use of [Cp(NHC)Fe(CO)₂][X] (X = I, PF₆) complexes bearing benzimidazole or imidazole NHC type ligands for hydrosilylation of benzaldehyde and acetophenone. In a second chapter, we have shown that half-sandwich NHC-nickel complexes in the presence of a catalytic amount of NaHBEt3 can be efficient catalysts for the reduction of aldehydes, ketones, aldimines and ketimines in the presence of diphenylsilane. In the last chapter, two new series of non-classical NHC-nickel triazole complexes had been developed: (i) one series with half sandwich NHC-nickel triazole complexes and (ii) another one based on chelating anionic amido-functionalized N-heterocyclic carbene nickel complexes. The two series of complexes were then evaluated in catalytic borylation cross coupling reaction.