Chapter one is an introduction, outlining the structure and bonding of N-heterocyclic carbenes (NHCs). It then goes on to give examples of f -metal NHC complexes and describes any reactivity or catalytic activity. Chapter two describes the synthesis of the transition metal NHC complexes [Fe (LMes)2] 3 and [Co(LMes)2] 4 (LMes = OCMe2 CH2(1-C{NCH2CH2NMes})). The heterobimetallic complexes [(LMes)Fe(μ-LMes)U(μ-{N(SiMe3)Si(Me)2CH2})(N(Si Me3)2)2] 5 and [(LMes)Co(μ-LMes)U(μ-{N(SiMe3)Si(Me)2CH2})(N(SiMe3)2)2] 6 were prepared from the reaction between [({Me3Si}2N)2U(NSiMe3SiMe2CH2)] and 3 or 4, respectively. Complex 5 was also synthesised by the reaction between 3 and [U(N{SiMe3}2)2]. The diamagnetic analogue [(LMes)Zn(μ-LMes)Th(μ-{N(SiMe3)Si (Me)2CH2})(N(SiMe3)2)2] 9 was prepared from the reaction between [Zn(LMes)2] and [({SiMe3}2N)2Th(NSiMe3SiMe2CH2)]. The reactivity of 5 is discussed. When 5 was reacted with 2,6-dimethylphenyl isocyanide, [({SiMe3}2N)2U{N(SiMe3)Si(Me2)C(CH2)N(2,6−Me−C6H3)}] 8 was isolated. The reaction with CO resulted in the formation of [({Me3Si}2N)2U{N(SiMe3) Si(Me2)C(CH2)CO}]. 5 showed no reactivity with azides, boranes or m-chloroperbenzoic acid and decomposed when exposed to H2, CO2 or KC8. The reaction between 6 and 2,6-di-tert-butylphenol formed the previously reported monometallic complex [({SiMe3}2N)2U(OC6H3tBu2)]. The serendipitous synthesis of the iron ate complex [Na(Fe{LMes}2)2]+ [Fe(ArO)3]– 10 (Ar = 2,6-tBu-C6H3) is also described. Chapter three describes the synthesis of the aryloxide complexes [HC(3-tBu-5-Me- C6H2OH)(3-tBu-5-Me-C6H2O)μ-(3-tBu-5-Me-C6H2O)Co(THF)]2 11 and [HC(3- tBu-5-Me-C6H2OH)(3-tBu-5-Me-C6H2O)μ-(3-tBu-5-Me-C6H2O)Zn(THF)n] 13. Treatment of 11 with pyridine N-oxide resulted in the formation of the pyridine-Noxide adduct [HC(3-tBu-5-Me-C6H2OH)(3-tBu-5-Me-C6H2O)μ-(3-tBu-5-Me-C6H2 O)Co(C5H5NO)]2 12. When 11 was treated with [({Me3Si}2N)2U(NSiMe3SiMe2C H2)], no reaction occured at room temperature but at 80◦C decomposition occured. When 11 was treated with [(NH4)2Ce(NO3)6] the protonated proligand HC(3-tBu- 5-Me-C6H2OH)3 reformed. The reactivity of 11 with [({Me3Si}2N)Ce(LiPr)2] is also discussed. Chapter three also discusses the preparation of the heterobimetallic complex [HC(3- tBu-5-Me-C6H2O)2-μ-(3-tBu-5-Me-C6H2O)KCo]2 14 and the salt-elimination chemistry of the complex. The preparation of [HC(3-tBu-5-Me-C6H2O)2-μ-(3-tBu-5- Me-C6H2O)KZn]2 15 is also outlined. Chapter four discusses the reactivity of [Ce(LiPr)3] (Li Pr =OCMe2CH2(1-C{NCHC HNiPr})) in C-H and N-H activation and as a catalyst for organic reactions. [Ce(LiPr)3] displayed no C-H activation chemistry with RC−−−CH (R = SiMe3, Ph, tBu), diphenyl acetone, indene or fluorene. [Ce(LiPr)3] also showed no N-H activation chemistry with pyrrole or indole, nor did it react with the lignin model compound PhOCH2Ph. When treated with an excess of benzyl chloride, [Ce(LiPr)3] underwent ligand decomposition to form the acylazolium chloride [(C6H5C(O))OCMe2CH2(1-C(C6H5C (O)){NCHCHNiPr})]Cl 18 and CeCl3. When [Ce(LiPr)3] was added to a mixture of benzaldehyde and benzyl chloride, as a coupling catalyst, the complex decomposed. [Ce(LiPr)4] was tested as a catalyst from the benzoin condensation and for the coupling of benzalehyde and benzyl chloride, however, it resulted in the decomposition of [Ce(LiPr)4]. Chapter four also outlines the catalytic activity of 3. The complex showed no reactivity as a hydrogenation catalyst towards alkenes, aldehydes or ketones but did display reactivity as a hydroboration catalyst for alkenes, aldehydes or ketones. Chapter five presents the conclusions for chapters two to four. The final chapter contains the experimental details from the previous chapters.

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N-Heterocyclic carbenes (NHCs) have attracted growing interest not only as successful ancillary ligands in a wide variety of transition-metal-catalyzed reactions but have also shown to offer photophysical and electrochemical properties. The metalation/transmetalation strategy using [Zr(NMe2)4] as initial metalating reagent offers an efficient approach to the preparation of CCC-NHC pincer complexes of the late transition metals such as Rh and Ir. In the process of investigating an intermediate and the mechanism of the metalation/transmetalation to Rh sequence, a mixed valent bimetallic CCC-NHC pincer Rh complex with two chloro ligands bridged between a [(CCC-NHC)Rh(III)] and a [Rh(I)(COD)] fragment was isolated and fully characterized for the first time. The investigation of the Rh(III)/Rh(I) bimetallic intermediate in the CCC-NHC pincer metalation/transmetalation methodology led to an improved stoichiometric synthesis of series of CCC-NHC pincer Rh complexes. The CCC-NHC pincer Rh complexes were characterized with 1H and 13C NMR spectroscopy, ESI-TOF MS and single crystal X-ray diffraction. The catalytic activity of the series of CCC-NHC pincer Rh complexes were evaluated. All the CCC-NHC pincer Rh precatalysts were found to promote the dehydrogenative silylation of vinylarenes with Et3SiH to form the corresponding (E)-vinylsilanes as the major silylation product under solvent-free conditions. The catalytic system displays wide substrate scope. Electron rich and electron deficient vinylarenes were well tolerated affording the corresponding vinyl silanes in good yields (65-86%). Mechanistic investigations indicated that Rh(III) center was responsible for the catalytic performance. The CCC-NHC pincer ligand architecture plays a role in achieving good regio- and stereoselectivities. Also, the complexes were evaluated as precatalysts towards hydrosilylation of aryl- and alkyl alkenes. The precatalysts, [(BuCiCiCBu)RhCl(µ-Cl)2Rh(COD)] and [(BuCiCiCBu)RhCl(µ-Cl)]2, were found to promote highly regioselective anti-Markovnikov hydrosilylation of aryl- and alkyl alkenes with excellent selectivity (>99%) using Et3SiH or PhMe2SiH as silane source and acetonitrile as solvent. Straight chain alkyl alkenes were tolerated without undergoing isomerization as it is the case with most known hydrosilylation catalyst systems. We extended the improved stoichiometric metalation/transmetalation methodology towards the synthesis of 1,3-di(1H-1,2,4-triazol-1-yl)benzene-based pincer Rh complexes. A series of 1,1'-(1,3-phenylene)bis(4-hexyl-1H-1,2,4-triazol-4-ium) salts were synthesized. Metalation/transmetalation of 1,1'-(1,3-phenylene)bis(4-hexyl-1H-1,2,4-triazol-4-ium) diiodide salt was successfully demonstrated to synthesize novel triazole-based CCC-NHC pincer Rh complexes.

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L’intérêt pour les hélicènes s’est accru au fur et à mesure que de nouvelles applications pour ce genre de molécules ont été découvertes. Par contre, la recherche dans ce domaine a été limitée par le petit nombre de voies de synthèse de ces molécules, la plupart nécessitant une étape de résolution ou de séparation des énantiomères par HPLC à la fin de la synthèse. Le présent projet de recherche propose d’utiliser la réaction de fermeture de cycle asymétrique par métathèse d’oléfines (asymmetric ring closing metathesis, ARCM) pour effectuer une synthèse d’hélicène à la fois catalytique et énantiosélective. La synthèse énantiosélective du [7]hélicène a été effectuée à l’aide d’une résolution cinétique du précurseur racémique. Au cours de cette synthèse, nous avons été en mesure de démontrer l’efficacité de différents catalyseurs de métathèse chiraux en plus de démontrer l’effet de l’ajout de simples oléfines comme additifs à la réaction. De plus, nous avons formulé une hypothèse expliquant cet effet à l’aide du mécanisme de la réaction. Finalement, nous avons aussi montré l’effet du changement de solvant sur la sélectivité de la réaction. Au cours de ces travaux, nous avons également développé une nouvelle méthode de synthèse de binaphtols à l’aide d’une réaction de couplage oxydatif impliquant un catalyseur de cuivre. À l’aide d’études de réactivité, nous avons été en mesure de démontrer que le métal portait deux ligands N-hétérocycliques (NHC). Nous avons aussi observé que le catalyseur favorisait la formation de binaphtol non symétrique avec un groupement naphtol avec une densité électronique élevée et un autre groupement naphtol avec une faible densité électronique. / The interest in helicenes has increased as new potential applications have been proposed for these twisted conjugated aromatics. However, further research is limited by the lack of methods for the enantioselective synthesis of helicenes. The current traditional syntheses often conclude with a resolution, most often via separation on a chiral stationary phase. This thesis describes the development of new catalytic method for the synthesis of helicenes using ring closing metathesis (RCM) employing highly reactive Ru-based catalysts or commercially available catalysts and microwave heating. Furthermore, an enantioselective variant of the asymmetric ring closing metathesis (ARCM) reactions was developed for the synthesis of enantioenriched [7]helicene via a kinetic resolution protocol. The development of the kinetic resolution involved the preparation and screening of a number of novel chiral Ru-based olefin metathesis catalysts. During these studies, the beneficial effect of simple olefins additives on the selectivity of the reaction was observed and a hypothesis to explain these effects has been proposed. In addition, intriguing solvent effects were also observed. Lastly, this thesis describes the investigation of a new method for the preparation of binaphthol via an oxidative coupling with a novel copper catalyst bearing two N-heterocyclic carbene (NHC) ligands. It was demonstrated that the cationic catalyst allowed for the formation of mixed oxidative couplings between electron rich and electron poor 2-naphthols to form C1-symmetric binaphthol derivatives.

Les ligands de carbènes N-hétérocycliques (NHC) qui possèdent une symétrie C1 attirent beaucoup l’attention dans la littérature. Le présent projet de recherche propose de synthétiser une nouvelle série de ligands NHC C1-symétriques avec deux groupements N-alkyles qui exploitent un relais chiral. Un protocole modulaire et efficace pour la synthèse des sels d’imidazolium chiraux qui servent comme préligands pour les NHC a été développé. Quelques-uns de ces nouveaux ligands ont été installés sur le cuivre et de l’or, créant de nouveaux complexes chiraux. Les nouveaux complexes à base de cuivre ont été évalués comme catalyseurs pour le couplage oxydatif de 2-naphthols. Les ligands C1-symmétriques ont fourni des meilleurs rendements que les ligands C2-symmétriques. Au cours de l’optimisation, des additifs ont été évalués; les additifs à base de pyridine ont fourni des énantiosélectivités modérées tandis que les additifs à base de malonate ont donné des meilleurs rendements de la réaction de couplage oxydatif. Ultérieurement, les additifs à base de malonate ont été appliqués envers l’hétérocouplage de 2-naphthols. Le partenaire de couplage qui est riche en électrons est normalement en grand excès à cause de sa tendance à dégrader. Avec le bénéfice de l’additif, les deux partenaires de couplage peuvent être utilisés dans des quantités équivalentes. La découverte de l’effet des additifs a permis le développement d’un protocole général pour l’hétérocouplage de 2-naphthols. / A new class of C1-symmetric N-heterocyclic carbene (NHC) ligands has been developed. The new ligands exploit a biaryl methyne as a chiral relay, and an N-methyl group as a reactivity controlling element. The precursors for the new ligands were synthesized via a modular scheme that allows for facile diversification. Several of the new ligands were installed onto both copper and gold, generating mono N-heterocyclic carbene transition metal complexes. The new C1-symmetric copper complexes were tested as catalysts for the synthesis of binaphthols via the oxidative coupling of electron poor 2-naphthols. The new C1-symmetric ligands afforded higher yields than their C2-symmetric counterparts. During the course of the optimization, small molecule additives were found to modulate the reactivity of the copper catalyst. Pyridine additives, such as 2-picoline, were found to induce low to moderate enantioselectivity in the oxidative coupling reaction, while diethylmalonate was found to improve the reaction yield without affecting the selectivity. The malonate additive was employed in the catalytic oxidative heterocoupling of electronically dissimilar 2-naphthols. The electron-rich coupling partner is normally added in a large excess due to its tendency to degrade. When the malonate additive is used, the coupling partners can be used in equimolar quantities. The discovery resulted in the development of a general protocol for the additive assisted aerobic oxidative heterocoupling of electronically dissimilar 2-naphthols.

La conception et l’élaboration de nouveaux ligands en chimie organométallique évoluent vers le design de ligands multifonctionnels afin d’augmenter l'affinité ligand/métal/substrat et de mimer les catalyseurs de la nature comme les enzymes, en activant de manière synergique les différents partenaires de la réaction. Il existe dans la littérature très peu d’exemples de complexes organométalliques présentant une fonctionnalité acide de Lewis. Dans notre étude, nous avons opté pour l’utilisation d’un atome de bore trivalent pendant. Malgré la forte utilisation des dérivés du bore en catalyse acide de Lewis pour l’activation de divers électrophiles, la conception de tels ligands ambiphiles, pour des complexes organométalliques, a été peu décrite et la réactivité peu étudiée. Ce travail a donc pour but d’explorer et de valider la viabilité de leurs préparations et de leurs utilisations.La première partie de ces travaux a été consacrée au développement de nouveaux complexes bifonctionnels métal/NHC/ester boronique pendant de Pd(II), Rh(I), Ru(II), Au(I) et Cu(I) et leurs applications en catalyse, afin d’accéder à de nouveaux modes d’activation de petites molécules.Dans la deuxième partie, un nouveau mode d’activation efficace de la liaison B-H des carbènes boranes incorporant un bras allylique ou homoallylique par des complexes de rhodium pour accéder à une famille de NHC-boranes cycliques énantioenrichis a été développé.Enfin, la troisième partie constitue la synthèse des travaux sur deux nouvelles familles de cations boronium macrocycliques et leurs applications dans la reconnaissance des anions. / Conception and elaboration of new ligands in organometallic chemistry evolved towards the design of multi-functional shape to increase the affinity ligand/metal/substrate to mimic nature’s catalysts, and to promote, in most cases, an increasing reactivity and selectivity in the catalytic process. Despite the significant development of N-heterocyclic carbene (NHC) ligands in organometallic chemistry since the last decade, complexes bearing pendant trivalent boron derivatives were so far overlooked.In this context, bifunctional ligands containing NHC and boron moieties have been developed and the corresponding Ag(I), Pd(II), Rh(I), Cu(I) and Ru(II) complexes were designed and prepared for a synergistic activation of both reaction partners by the metal center and the pendant Lewis acidic boron atom.During this work, B−H bond activation of NHC-boranes by a diphosphane-ligated cationic Rh complex was applied in an unprecedented intramolecular enantioselective hydroboration of simple olefins. This study led to a library of enantioenriched cyclic boranes in high yields (up to 94%) with high regio- (up to 100%) and enantioselectivities (er up to 99.2:0.8).As part of this work, new boronium macrocycles were synthesized in high yields and their anion binding ability was evaluated by fluorimetric and 1H NMR titration. These new macrocycles display high binding affinity for halides and oxoanions in the solid state, in solution and in the gas phase.

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent essentiellement sur la préparation, le criblage et l’utilisation des catalyseurs hétérogènes à base de polysaccharides. L’objectif principal du projet de thèse a plus particulièrement consisté à évaluer deux polysaccharides : les alginates et le chitosane en tant que supports renouvelables pour la catalyse hétérogène. Ces deux types de polysaccharides ont des structures et des propriétés physico-chimiques très différentes : les alginates sont connus pour être de bons complexants de métaux di ou trivalents de par la présence des fonctions carboxylates dans leur matrice, le chitosane résulte quant à lui de l’assemblage d’unités N-glucosamine pouvant être facilement modifiées chimiquement.Dans un premier temps, nos travaux ont essentiellement portés sur des catalyseurs bimétalliques Mn+ Pd supportés sur alginate dont nous avons évalué l’activité catalytique dans les réactions de couplage C—C de Mizoroki-Heck, Sonogashira et Suzuki-Miyaura. D’une manière générale, seuls les catalyseurs à base de nanoparticules de palladium ont montré une réactivité intéressante pour la catalyse de la réaction de Suzuki-Miyaura. Par la suite, nous avons également étudié les réactions d’oxydations d’alcools catalysées par du palladium (II) complexé à l’alginate. Cette étude nous a permis d’identifier deux catalyseurs actifs vis-à-vis de l’oxydation d’alcools allyliques et benzyliques.Dans un deuxième temps, nous avons développé de nouveaux ligands de type NHC en vue de les greffer sur la matrice chitosane : un ligand NHC pour les réactions de métathèse d’oléfines, et plusieurs ligands NHC de type pincer CNC pour les réactions de couplage C—C dans l’eau. Bien que les performances catalytiques des systèmes hétérogènes correspondant soient limitées, ces travaux ont conduit à l’élaboration de nouveaux ligands amphiphiles construits autour d’un noyau pyrazine porteurs de quatre ligands carbéniques. Après complexation de métaux tels que le palladium ou l’or, ces systèmes conduisent à des nanocatalyseurs ayant des performances catalytiques intéressantes. Enfin, dans un troisième temps, nous avons développé une nouvelle réaction de cyanation décarboxylante pallado-catalysée permettant de transformer en une étape des acides carboxyliques aromatiques en benzonitriles correspondants. Outre son intérêt synthétique, cette réaction présente un grand intérêt pour le marquage isotopique. / This work describes the preparation, screening and use of heterogeneous catalysts based on polysaccharides. The main goal of our project was to evaluate two polysaccharides: alginates and chitosan as renewable supports for heterogeneous catalysis.Alginates are known to form gels with most di- and multivalent cations due to the presence of the carboxylate functions of their matrix. And chitosan is an attractive polysaccharide for application in catalysis owing to the presence of readily functionalizable amino group and its insolubility in organic solvents.First, our work focused on evaluating the catalytic activity of bimetallic Mn+-Pd catalysts supported on alginate in C—C coupling reactions. Among them, one system demonstrated remarkable catalytic properties for the Suzuki-Miyaura coupling. Then, the oxidation of alcohols catalyzed by Alginate-Mn+-Pd2+ catalyst was investigated. Two catalysts demonstrated good activity for oxidation of benzylic and allylic alcohol.In a second time, we developed new NHC ligands in order to anchor them on chitosan: two new NHC ligands for olefin metathesis and several NHC pincer CNC ligands for C—C coupling reactions in water. A palladium complex obtained with one our new ligand bearing long alkyl chains showed good activity in the Suzuki-Miyaura coupling in pure water.Finally, a new palladium (II) catalyzed decarboxylative cyanation reaction was investigated. This methodology is the first example of direct conversion of aryl carboxylic acid into the corresponding aryl nitrile. This reaction is well adapted to labeled compound synthesis.

Les carbènes N-hétérocycliques (NHC) sont très utilisés pour complexer les métaux de transition. Ils quittent rarement ce rôle de ligand ancillaire et trouvent, depuis une vingtaine d’années, des applications en catalyse ou, plus récemment, en chimie médicinale. Dans ce travail, nous discuterons d’une méthode de synthèse douce conduisant à la formation de complexes AgI – NHC via une source d’argent soluble. Cette méthode nous a permis d’obtenir des complexes bien connus mais également d’accéder à une nouvelle série de complexes NHC-Ag-phosphine. Nous présenterons également une nouvelle réaction où des NHC portant une fonction azoture à proximité du carbone du carbène quittent leur rôle de ligand ancillaire et conduisent à la formation d’hétérocycles azotés par cyclisation carbène-nitrène. Cette réaction sera présentée en détail, ainsi que la caractérisation spectroscopique concernant une sous-série de composés fluorescents obtenus par cette méthode. Enfin, nous présenterons une stratégie de post-fonctionnalisation de complexes développée dans notre équipe. Des complexes argent(I)-NHC portant un azoture proches du centre carbénique catalysent leur propre fonctionnalisation. De plus, des complexes de cuivre(I) portant des azotures en position éloignée du centre métallique seront greffés sur des nanoparticules magnétiques pour servir de catalyseur recyclables. / N-heterocyclic carbenes (NHC) are widely used to complex transition metals. They rarely leave their role as ancillary ligand and find, since 20 years, applications in catalysis or, more recently, in medicinal chemistry. In this work, we will discuss a mild synthetic method leading to the formation of AgI – NHC complexes via a soluble silver species. This method allowed us to obtain well known complexes but also to access a new series of NHC-Ag-phosphine complexes. We will also present a new reaction where NHC ligands bearing an azide function close to the carbenic center leave their role as ancillary ligand and lead to the formation of nitrogen rich heterocycles by a carbene-nitrene cyclization. This reaction will be presented in detail, along with the spectroscopic characterization regarding a sub-series of fluorescent compounds obtained by this method. Finally, we will present a post-functionalization strategy of complexes developed in our team. Silver(I)-NHC complexes tagged by an azide close to the carbenic center catalysed their own functionalization. Moreover, copper(I) complexes tagged by an azide function in a distant position from the metallic centre will be grafted on magnetic nanoparticles to act as recyclable catalysts.

L’intérêt pour les hélicènes s’est accru au fur et à mesure que de nouvelles applications pour ce genre de molécules ont été découvertes. Par contre, la recherche dans ce domaine a été limitée par le petit nombre de voies de synthèse de ces molécules, la plupart nécessitant une étape de résolution ou de séparation des énantiomères par HPLC à la fin de la synthèse. Le présent projet de recherche propose d’utiliser la réaction de fermeture de cycle asymétrique par métathèse d’oléfines (asymmetric ring closing metathesis, ARCM) pour effectuer une synthèse d’hélicène à la fois catalytique et énantiosélective. La synthèse énantiosélective du [7]hélicène a été effectuée à l’aide d’une résolution cinétique du précurseur racémique. Au cours de cette synthèse, nous avons été en mesure de démontrer l’efficacité de différents catalyseurs de métathèse chiraux en plus de démontrer l’effet de l’ajout de simples oléfines comme additifs à la réaction. De plus, nous avons formulé une hypothèse expliquant cet effet à l’aide du mécanisme de la réaction. Finalement, nous avons aussi montré l’effet du changement de solvant sur la sélectivité de la réaction. Au cours de ces travaux, nous avons également développé une nouvelle méthode de synthèse de binaphtols à l’aide d’une réaction de couplage oxydatif impliquant un catalyseur de cuivre. À l’aide d’études de réactivité, nous avons été en mesure de démontrer que le métal portait deux ligands N-hétérocycliques (NHC). Nous avons aussi observé que le catalyseur favorisait la formation de binaphtol non symétrique avec un groupement naphtol avec une densité électronique élevée et un autre groupement naphtol avec une faible densité électronique. / The interest in helicenes has increased as new potential applications have been proposed for these twisted conjugated aromatics. However, further research is limited by the lack of methods for the enantioselective synthesis of helicenes. The current traditional syntheses often conclude with a resolution, most often via separation on a chiral stationary phase. This thesis describes the development of new catalytic method for the synthesis of helicenes using ring closing metathesis (RCM) employing highly reactive Ru-based catalysts or commercially available catalysts and microwave heating. Furthermore, an enantioselective variant of the asymmetric ring closing metathesis (ARCM) reactions was developed for the synthesis of enantioenriched [7]helicene via a kinetic resolution protocol. The development of the kinetic resolution involved the preparation and screening of a number of novel chiral Ru-based olefin metathesis catalysts. During these studies, the beneficial effect of simple olefins additives on the selectivity of the reaction was observed and a hypothesis to explain these effects has been proposed. In addition, intriguing solvent effects were also observed. Lastly, this thesis describes the investigation of a new method for the preparation of binaphthol via an oxidative coupling with a novel copper catalyst bearing two N-heterocyclic carbene (NHC) ligands. It was demonstrated that the cationic catalyst allowed for the formation of mixed oxidative couplings between electron rich and electron poor 2-naphthols to form C1-symmetric binaphthol derivatives.