La plupart des composés organiques ont un atome de carbone tétravalent, où tous les électrons de valence sont utilisés pour former des liaisons covalentes. En parallèle, la chimie des composés divalents ayant un carbone(II) s’est développée après l’isolement de carbènes stables par Bertrand en 1985. Auparavant, en 1961, Ramirez a rapporté l’isolement de l’hexaphénylcarbodiphosphorane, que l’on peut considérer comme un composé présentant un carbone(0) avec ses deux doublets libres, lui permettant de coordiner jusqu’à deux acides de Lewis. A partir de 2006, les propriétés électroniques de ces ligands ont été étudiées au travers d’études théoriques par Frenking ; ce qui a permis à Bertrand et Fürstner d’isoler et d’ajouter des nouveaux membres à cette famille. Cette classe de ligand est aujourd’hui connue sous le nom de “carbônes”, avec comme formule générale CL2 (L = PR3 ou carbène).Cette famille n’a jamais été utilisée dans le domaine de la catalyse. C’est pourquoi nous avons, décidé d’etudier les propriétés électroniques de ce ces composés au travers de la catalyse à l’or, afin de les comparer aux NHC, phosphines, et phosphites. Récemment, nous avons utilisé ces composés pour générer des complexes donneur accepteur avec du GaCl3, et de corréler leurs différentes caractéristiques géometriques à leurs propriétés électroniques en utilisant les règles de Gutmann sur des adduits acide/base de Lewis. De plus, nous avons isolé des “dimères” ioniques dont la formation peut être expliquée par les propriétés intrinsèques des ligands. Nous avons ainsi démontré par ces deux approches que les “carbônes” sont de meilleurs donneurs que les NHC. / Most organic compounds which are stable in the condensed phase contain tetravalent carbon atoms, where all four valence electrons are being engaged in chemical bonds. On the other hand, the chemistry of divalent carbon(II) was only recognized after the isolation of a stable persistent carbene by Bertrand and co-workers in 1985. Such products display one s-type lone pair orbital and are thus good ligands. Earlier on, concern was also paid to a new family of compounds, first reported in 1961 by Ramirez and co-workers. They can be considered as divalent carbon(0) derivatives with two lone pairs at the central carbon, with a possibility of double coordination of two Lewis acids to this carbon. This feature was proposed by Kaska in 1973, and verified later by the isolation of di-metalated adducts. From 2006, these compounds were the centre of extensive theoretical investigations by Frenking, which led to the isolation of new members of this family by Fürstner and Bertrand. This family is now referred to as “carbones”, of general formula CL2 (L =PR3 or carbene).“Carbones” are still virtually unused in catalysis. Thus, we have decided to study these derivatives, especially in the field of gold catalysis, and to compare them with well-known ligands such as NHCs, phosphines and phosphites. Recently, we were able to synthesize their corresponding GaCl3 complexes and to rationalize their electronic properties through Gutmann’s rules for Lewis acid/Lewis base adducts. In addition, we obtained some ionic “dimers” and we explained their formation on the basis of ligand’s electronic properties. We have shown through these two approaches that carbones are far better donors than NHCs.

La catalyse organométallique est l’un des outils les plus puissants de la synthèse chimique, car elle permet de réaliser des transformations sélectives et spécifiques selon le catalyseur employé. Dans ce contexte, les sels et complexes d’or ont émergé il y a une quinzaine d’années et se sont révélés très utiles et attractifs pour la synthèse organique, faisant preuve de propriétés particulières de type acide de Lewis à la fois π (alcyno- alcènophilie) et σ (oxo- azaphile). L’objectif initial de cette thèse a été d'approfondir l’étude de la réactivité de l’or au travers la mise au point de nouvelles réactions catalysées par l’or(I/III). Si la majorité des réactions développées en catalyse à l’or concerne des processus de type π, nous avons dans un premier temps, souhaité évaluer son potentiel dans une réaction qui repose sur une activation purement σ, la cyclisation de Nazarov. Cette réaction a ensuite été étendue à un processus de type cascade, combinant activations π et σ. De plus, la formation d’un sous-produit inattendu au cours de cette étude a orienté nos recherches vers un nouveau processus catalytique, le réarrangement de γ–acyloxy alcynylcétones en furanes. Par la suite, nous nous sommes aussi intéressés au potentiel de l’or dans les réactions asymétriques, ce qui a conduit au développement d’un nouveau type de complexes d’or chiraux basés sur des ligands de type NHC-oxazoline. Enfin, nous nous sommes proposés d’utiliser la spectroscopie RMN J-résolue hétéronucléaire (une méthode simple mais peu exploitée), pour répondre à des problèmes d’attribution structurale. / Organometallic catalysis is one of the most powerful tools in chemical synthesis, because, depending on the catalyst, it allows for selective and specific transformations. Thus, the reactivity of gold salts and complexes was revamped around fifteen years ago. Nowadays, they are considered as powerful and very attractive for organic synthesis, showing both π (alcyno- alcènophilie) and σ (oxo- azaphile) Lewis acid properties.The first objective of this thesis was to study the reactivity of gold catalysts by the development of new reactions catalyzed by gold(I/III). If most of the developed reactions in gold catalysis is related to π activation, we proved its potential in a reaction dealing with σ activation, the Nazarov cyclization. This reaction was then extended to a cascade process, combining both π and σ Lewis acidities. Moreover, the obtainment of an unexpected by-product during the study directed our research towards a new gold catalytic reaction, the formation of furans from γ-acyloxyalkynyl ketones. Subsequently, we were also interested in the potential of gold in asymmetric reactions, which led to the development of new chiral gold complexs, based on NHC-oxazoline type ligands. Finally, we proposed to use the heteronuclear J-resolved NMR spectroscopy (a simple but scarce method), to answer some structural assignment problems.

Le motif imidazole, un hétérocycle à 5 atomes contenant 2 atomes d’azote et trois atomes de carbone, présente des propriétés physico-chimiques intéressantes qui en font un composé de choix pour plusieurs applications. Parmi ces propriétés, la fonctionnalisation simple des deux atomes d’azote pour former un sel d’imidazolium est très intéressante. Ces sels sont d’excellents précurseurs de carbènes N-hétérocycliques (NHC) et sont couramment utilisés pour synthétiser des ligands en vue d’une utilisation en catalyse organométallique. D’autre part, cette famille de composés possède des propriétés anionophores permettant une utilisation en transport anionique. Le présent travail contient les résultats de travaux concernant ces deux domaines, soit la catalyse et le transport anionique. Dans un premier temps, les propriétés de dérivés de l’imidazole sont exploitées pour former un catalyseur de type palladium-NHC qui est utilisé pour catalyser la réaction de Suzuki-Miyaura en milieu aqueux. L’efficacité de ce catalyseur a été démontrée en utilisant aussi peu que 0,001 mol% pour un rendement quantitatif. Il s’agit de la première occurrence d’un processus hétérogène et recyclable dans l’eau, utilisant un catalyseur de type Pd-NHC et qui ne nécessite aucun additif ou co-solvant. Le recyclage a été prouvé jusqu’à 10 cycles sans diminution apparente de l’activité du catalyseur. Dans un second temps, plusieurs sels d’imidazolium ont été testés en tant que transporteurs transmembranaires d’anions chlorures. Les propriétés intrinsèques des sels utilisés qui en font des transporteurs efficaces ont été élucidées. Ainsi, les paramètres qui semblent affecter le plus le transport anionique sont le changement du contre-anion du sel d’imidazolium de même que la propension de ce dernier à s’auto-assembler via une succession d’empilements-π. De plus, les propriétés du transport ont été élucidées, montrant la formation de canaux transmembranaires qui permettent non-seulement la diffusion d’ions Cl-, mais aussi le transport de protons et d’ions Ca2+. L’intérêt de cette recherche repose d’abord dans le traitement de diverses pathologies voyant leur origine dans le dysfonctionnement du transport anionique. Cependant, les propriétés bactéricides des sels d’imidazolium utilisés ont été identifiées lors des dernières expériences. / The imidazole moiety is a 5-membered heterocyclic ring, containing 2 nitrogen atoms and 3 carbon atoms. It possesses interesting physico-chemical properties that make it an interesting choice for various uses. One of its most interesting properties is structural versatility, accessible by the simple alkylation of the two nitrogen atoms leading to the formation of an imidazolium salt. These salts are excellent N-heterocyclic carbene (NHC) precursors and are frequently used to synthesize ligands used in organometallic catalysis. In addition, imidazolium salts possess anionophoric properties, allowing their use in anion transmembrane transport. The current work contains the results of research in these two fields: catalysis and anion transport. First, the properties of imidazole derivatives were used to synthesize a palladium-NHC catalyst that was used for the Suzuki-Miyaura coupling in neat water. The efficiency of this catalyst was demonstrated by using loading as low as 0,001 mol% to get quantitative yields. It is the first occurrence of a heterogeneous and recyclable process in neat water using a NHC-Pd catalyst without the need to use either a co-solvent or an additive. The recycling was demonstrated by performing 10 consecutive runs of the reaction, without observing any diminishing of the catalyst’s activity. Second, many imidazolium salts were tested as transmembrane chloride anion carriers. The intrinsic properties of these salts that make them potent anion transporters were elucidated. Specifically, small modifications to the structure of these salts turned out to allow better self-association by π-stacking interactions and to increase their activity. Similarly, changing the counter-anion of these salts affected their transport effectiveness. Moreover, the transport properties were studied and showed the formation of transmembrane channels that allow the diffusion of chloride anions, but also of protons and calcium ions. The interest of this research lies in the possible treatment of various pathologies that originate from faulty anion transport. In addition, the bactericidal properties of imidazolium salts were also identified and may prove useful in the future work.

This work describes the application of a variety of Lewis bases, encompassing predominantly N-heterocyclic carbenes (NHCs), but also the use of imidazoles, aminopyridines, amidines and isothioureas, as effective catalysts in the dearomatisation of heterocyclic carbonates, predominantly the rearrangement of oxazolyl carbonates to their C-carboxyazlactone isomers by means of the Steglich rearrangement. This rearrangement reaction has been investigated extensively, with the development of simplified reaction procedures and the invention of domino cascade protocols incorporating this transformation. In an attempt to understand the mechanism of this O- to C-carboxylation process, a number of interesting observations have been made. Firstly, the class of NHC has an important factor in promoting the rearrangement, with triazolinylidenes being the most effective. Secondly, an interesting chemoselectivity has been delineated using triazolium-derived NHCs, prepared using weak bases (typically Et₃N) or strong metallated bases; both alkyl and aryl oxazolyl carbonates undergo smooth rearrangement with triazolinylidenes derived from strong metallated bases such as KHMDS, while only aryl oxazolyl carbonates undergo rearrangement using Et₃N. Extensive effort has focused towards the development of asymmetric variants of these protocols, primarily towards the design, synthesis and evaluation of chiral NHC precatalysts. To this end, a number of chiral azolium salts have been prepared, encompassing a number of different NHC classes, including C₁- and C₂-imidazolinium salts, C₂-imidazolium salts and a range of triazolium salts. Efforts towards the asymmetric catalysis of the Steglich rearrangement of oxazolyl carbonate substrates have given an optimal 66% ee. Similar rearrangements have been demonstrated with the related furanyl heterocyclic substrate class, producing a mixture of α- and γ-carboxybutenolides. In contrast to the analogous oxazolyl carbonates, the regioselectivity of this rearrangement is dependent upon the nature of the Lewis base employed. Amidines and aminopyridines give a mixture of the α- and γ- regioisomers with generally the α-regioisomer being preferred, while a triazolium-derived NHC gives rise to predominantly the thermodynamically more stable γ-carboxybutenolide. Using amidines or aminopyridines, this rearrangement has been shown to proceed via an irreversible C-C bond-forming process, but in contrast, the rearrangement using the NHC proceeds via an equilibrium process with an optimised regioselectivity of >98:2 for the γ-carboxybutenolide regioisomer over the α-regioisomer. Whilst the asymmetric variant using chiral NHCs has proven unfruitful, rearrangements using a chiral isothiourea have given high levels of regioselectivity towards the α- regioisomer and with excellent levels of enantiodiscrimination (77–95% ee).

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Deux nouvelles familles de complexes de cuivre(I) cationiques, de formules [Cu(NHC)(N^N)][X] et [Cu(P^P)(N^N)][PF6], ont été synthétisées avec des ligands 2,2’ bis pyridyl pontés, chélates à six chaînons, facilement modulables. Ces complexes présentent des émissions à l’état solide centrées entre 455 et 520 nm (bleu à vert), avec de larges décalages de Stokes et des rendements quantiques pouvant atteindre 0,86. De plus, l’émission via un phénomène de fluorescence retardée activée thermiquement (TADF) a été prouvée pour les complexes [Cu(NHC)(N^N)][X]. Les premiers scintillateurs plastiques dopés avec des complexes de cuivre(I) détectant les radiations nucléaires de type gammas ont été obtenus avec des complexes de formule générale [Cu(P^P)(N^N)][PF6]. Les complexes de formule [Cu(NHC)(N^N)][X] ont permis l’obtention des premières Cellules Electrochimiques Luminescentes (LECs) émettant dans le bleu et incorporant des complexes de cuivre(I). Enfin, les complexes de formule [Cu(NHC)(N^N)][X] à ligand 2,2’ dipyridylamine présentent une activité cytotoxique envers différentes lignées de cellules cancéreuses et apportent la possibilité d’une action ciblée sur les cellules tumorales via l’ajout d’un vecteur. La polyvalence de ces complexes de cuivre(I) repose sur les ligands 2,2’-bis-pyridyl pontés, chélates à six chaînons, dont la synthèse est facile d’accès et les propriétés électroniques et structurales sont modulables. / New cationic copper(I) complexes of general formula [Cu(NHC)(N^N)][X] and [Cu(P^P)(N^N)][PF6] were developed with 6-membered-ring 2,2’-bis-pyridyl derivatives as ligand. These complexes exhibited blue (420 nm) to green (520 nm) emissions in solid state, with large Stokes shifts and photoluminescence quantum yields up to 0.86. Furthermore, the emission of the [Cu(NHC)(N^N)][X] complexes via a thermally activated delayed fluorescence (TADF) was demonstrated. The first plastic scintillators incorporating copper(I) complexes and detecting gamma radiations were obtained with [Cu(P^P)(N^N)][PF6] complexes. Application of the [Cu(NHC)(N^N)][X] complexes to the LEC technology led to the first copper(I)-based blue emitting device. In the last chapter, we also demonstrated that copper(I) complexes [Cu(NHC)(N^N)][X] bearing a 2,2’-dipyridylamine as N^N ligand exhibited high cytotoxycity against different cancer cells lines. These complexes paved the way for the design of a new type of copper(I) anti-cancer agents with the opportunity to increase the selectivity against cancer cells via a vectorization of the N^N ligand. The versatility of these copper(I) complexes demonstrated in this work relied on the easy to handle and highly modular 2,2’-bis-pyridyl ligands.

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