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Ce travail de thèse a permis de développer un nouveau type de cycloaddition [3+2] des cétènes impliquant des aziridines. Les aziridines sont de bons précurseurs de dipôles 1,3-azotés zwittérioniques, via la coupure sélective de leur liaison C-N par activation avec un acide de Lewis. Nous avons montré qu'en présence d'un cétène et d'iodure de lithium, l'aziridine s'ouvre, et le dipôle 1,3 formé réagit avec le cétène pour offrir des gamma-lactames de manière très efficace. Cette nouvelle cycloaddition [3+2] s'étend à la transformation monotope d'une imine en gamma-lactame, stratégie compatible avec une large gamme d'imines aromatiques et de cétènes stables. Enfin, une synthèse monotope, catalytique et asymétrique de gamma-lactames énantioenrichis a été développée à partir d'oléfines par aziridination asymétrique avec des nitrènes. / This thesis work focuses on a new type of [3+2] cycloaddition of ketenes with aziridines. Aziridines are good precursors of zwitterionic 1,3-aza-dipoles, by selective C-N bond cleavage catalyzed by Lewis acid. We have found that ketenes react with the 1,3-dipole generated by addition of lithium iodide to the aziridine, efficiently providing the gamma-lactams. This new cycloaddition could be extended to a one-pot simple transformation of imines to gamma-lactams. The synthesis is compatible with a wide range of aromatic imines and stable ketenes. Finally, a one-pot catalytic asymmetric synthesis of enantioenrichied gamma-lactams have been developed starting from olefins, involving an asymmetric nitrene aziridination.

Cette thèse décrit le développement de nouvelles réactions de difonctionnalisation catalytique d’oléfines impliquant des transferts de nitrène médiés par des complexes de dirhodium(II).La première partie de ce manuscrit s’articule autour de la réactivité d’alcènes riches en électrons, c’est-à-dire substitués par un hétéroatome. L’application des conditions de transfert de nitrène catalytiques a permis la fonctionnalisation oxydante des positions C2 et C3 de l’indole. En utilisant cette stratégie, il est donc possible d’effectuer formellement des réactions d’oxyamination intermoléculaire et de diamination intramoléculaire. Dans ce dernier cas, le motif indoline formé étant présent dans certains produits naturels, la synthèse totale de la Pestalazine B a pu être initiée. Le champ d’application de ces réactions a été étendu aux énamides en collaboration avec le groupe du Professeur Isabelle Gillaizeau.La seconde partie de ce travail concerne le développement de la réaction d’oxyamination d’oléfines aromatiques et aliphatiques. Le champ d’application de cette réaction a été étudié en détail tandis que des expériences témoins et des analyses RMN ont permis de proposer un mécanisme original.Enfin, dans un dernier temps, nous avons démontré que par extension du concept, l’application des transferts de nitrène catalytiques permet de réaliser des réactions de diamination intermoléculaire d’oléfines. / This manuscript describes the development of new reactions for the difunctionalization of alkenes that involve dirhodium(II)-catalyzed nitrene transfers.The first part of the studies focuses on the reactivity of electron-rich alkenes, i.e. substituted by a heteroatom. The application of catalytic nitrene transfers has led to the development of oxidative conditions for the difunctionalization of the 2,3-π-bond of indolic derivatives. The strategy, thus, has allowed to perform formal reactions of intermolecular oxyamination and intramolecular diamination. The latter gives access to indoline skeleton found in the structure of several natural products such as Pestalazine B, the total synthesis of which has been initiated. The scope of intermolecular oxyamination has then been extended successfully to enamides in collaboration with the group of Professor Isabelle Gillaizeau.The second part of the experimental work has been aimed at applying the catalytic oxyamination to aromatic and aliphatic alkenes. The scope of the reaction has been extensively studied while test experiments and NMR analysis have allowed to propose an unexpected mechanism based on the Lewis acid character of the metallanitrene.Finally, the scope of catalytic nitrene transfers has been extended to the intermolecular diamination of alkenes with the development of bis(arenesulfonyl)imide-type reagents.

Les transferts de nitrène représentent un outil synthétique très intéressant pour former simplement une liaison C-N à partir d’une liaison C-H. Notre laboratoire a développé des précurseurs de nitrène chiraux : les sulfonimidamides. Leur utilisation a abouti, en présence de catalyseurs de rhodium, à des réactions d’amination C-H hautement diastéréosélectives. Ce projet de thèse s’inscrit dans la continuité de ces travaux. Dans un premier temps, la synthèse totale de la Dibromophakellstatine a été envisagée, impliquant comme étape clé, une étape d’amination C-H en position pseudo benzylique. Le projet n’ayant pas abouti, une séquence réactionnelle de quelques étapes a été développée à partir de l’amination C-H d’éthers d’énols et de benzocyclobutènes. Ainsi, plusieurs motifs perhydroindoles ont pu être préparés avec de bons rendements et d’excellentes diastéréosélectivités dans la plupart des cas. Dans le cadre d’une chimie plus éco-compatible, il a ensuite été envisagé de limiter l’introduction d’iode hypervalent dans les conditions de l’amination C-H. Pour cela, une première approche a consisté à utiliser les haloamines comme précurseurs de nitrène, cependant sans résultat satisfaisant. Une autre alternative a été d’introduire un oxydant, respectueux de l’environnement, permettant la réoxydation de l’iodobenzène formé en cours de réaction en une espèce de nouveau réactive (I(III)). De même, ces derniers résultats plutôt décevants ne permettent pas de s’affranchir de l’introduction de dérivé iodé en quantité stoechiométrique. / Catalytic nitrene transfers are useful tools in organic synthesis for the efficient conversion of a C-H bond into a C-N bond. In this context, our group has recently reported the use of sulfonimidamides as efficient chiral nitrene precursors in the rhodium-catalyzed stereoselective C-H amination of hydrocarbons. These PhD studies follow on from this work; it aims, on one hand, at applying the catalytic C-H amination in total synthesis, and, on the other hand, at searching for more sustainable reactions conditions. The first part of the manuscript reports our initial investigations devoted to the synthesis of Dibromophakellstatine. The strategy was based on a key step of C-H amination of a pseudo benzylic position but did not prove successful. A second application deals with the synthesis of polycyclic nitrogen compounds that relies on the catalytic C-H amination of enol ethers and benzocyclobutenes. A 3- to 4-step scheme, thus, allows the efficient access to perhydroindole scaffolds that are isolated in good yields and excellent diastereoselectivity. The second part deals with the search for sustainable reaction conditions that will avoid the use of stoichiometric amounts of hypervalent iodine reagents. These are indeed responsible for the production of excess iodobenzene. A first approach involves the use of haloamines as nitrene precursors but it did not lead to satisfying results. Attention has thus been paid to the use of benign oxidants allowing the in situ generation of an iodine(III) species from PhI. An extensive screening of reagents and reaction parameters has led to uncover a first significant result in the case of indan that, however, does not prove reproducible.

Cette thèse a pour but de développer de nouveaux procédés catalytiques en combinant de réactifs de l’iode hypervalent avec des complexes de rhodium(II).Le premier chapitre concerne l’observation de l’époxyde comme produit secondaire inatendu dans les conditions de transfert de nitrène catalytique, et le développement d’une nouvelle méthode de préparation d’époxydes qui combine un réactif de l’iode hypervalent(III) et un complexe de dirhodium(II). Le second chapitre vise le développement d’une méthode d’amination C(sp³)–H benzylique intermoléculaire énantiosélective,en utilisant un nouveau complexe de rhodium chiral et un nouveau sulfamate benzylique et l’application de cette méthode à grande échelle et sur des produits complexes.Le dernier chapitre du manuscrit décrit une réaction d’amination régiosélective de liaisons C(sp³)–H non activées d’alcanes par catalyse au rhodium (II), en utilisant une quantité stoechiométrique d’alcanes comme substrats. / This thesis describes the development of new catalytic processes by combining hypervalent iodine reagents with rhodium (II) complexes.The first chapter concerns the observation of the epoxide as a unexpected product under catalytic nitrene transfer conditions, and the development of a new method to promote the epoxidation of alkenes by combining a reagent of hypervalent iodine (III) and a complex of dirhodium (II).The second chapter is centered on the development of a general method forasymmetric intermolecular benzylic C(sp³)–H amination by combining a chiral rhodium (II) catalyst and a benzyl sulfamate, and the application of this method on large scale.The third part of this work show the development of a regioselective C(sp³)–H amination of unactivated alkane by rhodium (II) catalysis, using a stoichiometric amount of alkane as the substrate.

La fonctionnalisation de liaisons C-H non-activées est un défi pour la chimie organique. Dans cette thèse, l'amination intramoléculaire, via l'insertion catalytique de nitrènes sur ces positions réputées inertes, a été effectuée sur des glycomimétiques de type C-glycoside. A l'inverse de leurs analogues 1- carbamoyloxyméthyle, cette réaction s'est montrée fortement stéréo-dépendante de la configuration du carbone pseudo-anomérique dans le cas des dérivés 1-sulfamoyloxyméthyle. L'insertion régiosélective en position pseudo-anomérique conduit à des composés spiraniques dont la fonction N,O-acétal peut être fonctionnalisée pour aboutir à des glycomimétiques originaux. Une étude sur des dérivés pipéridinique a permis d'évaluer l'influence de l'hétéroatome endocyclique sur la réaction d'insertion. L'amination intramoléculaire de ces dérivés nous a permis d'observer une régiosélectivité complètement différente de celle observée précédemment avec la formation inédite d'un cycle à sept membres. La combinaison d'effets stéréoélectroniques et conformationnels décisifs nous a permis de rationaliser ce résultat inattendu. Nous avons exploité ce résultat par la mise au point d'une stratégie de synthèse générale de 4-amino-imino-Cglycosides. En nous appuyant sur l'utilisation séquentielle du groupe 1-sulfamoyloxymethyle comme "bras moléculaire activateur", nous sommes parvenus à fonctionnaliser toutes les positions d'une pipéridine monosubstituée. La synthèse totale de divers iminosucres originaux a permis d'illustrer l'intérêt de cette stratégie et ouvre ainsi l'accès à la découverte de nouveaux composés d'intérêt thérapeutique.

La réaction d’aziridination catalysée par les sels de cuivre permet de former des aziridines à partir d’oléfines en employant une source de nitrènes générée à partir de aryliminoiodanes.Le développement au laboratoire d’une version « one-pot » impliquant l’iodosylbenzène et un sulfonamide ainsi que l’emploi de l’iminoiodane N-Ses a rendu cette réaction plus attractive en synthèse.La première partie de ce travail a été consacrée à l’étude de la réactivité particulière des esters ω-insaturés dans les conditions d’aziridination. En effet, dans ces conditions, l’aziridine subit une ouverture intramoléculaire par le carbonyle de l’ester pour fournir une γ-lactone 5,5-disubstituée. Cette nouvelle réaction, baptisée réaction d’aminolactonisation, a été exemplifiée sur une série de dérivés styréniques 1-propanoates ou butanoates pour donner les γ-lactones correspondantes avec de très bons rendements. Cependant, sans doute pour des raisons stériques, les composés o-bromés et o-chlorés ont donné majoritairement le produit d’aziridination sans évoluer vers la forme lactonique. Par la suite, ces aziridines placées en milieu acide, ont conduit à la formation de γ-lactones ortho halogénées avec de bons rendements. Enfin, le champ d’application de cette méthodologie a été étendu à la formation d’hétérocycles gem-disubstitués, au départ d’alcools oléfiniques et de carbamates insaturés.La seconde partie de ce travail a été consacrée à l’élaboration d’hétérocycles fonctionnalisés à partir des produits issus de la réaction d’aminolactonisation. Ainsi, en exploitant la réactivité de la partie aromatique, il nous a été possible, notamment via des réactions de couplage croisé, d’obtenir différents motifs tels que des spiroindolines, des indolines gem-3,3-disubstituées ou encore des indolinobutyrolactones avec de très bons rendements. Par ailleurs, en usant de la réactivité de certaines γ-lactones, il nous a été possible d’élaborer deux autres motifs relativement intéressants tels qu’une benzospirolactone ou encore un spirohexahydropyrroloindole. Ce dernier composé a fait l’objet d’une étude approfondie dans le cadre de la synthèse d’un analogue spirolactone de la physostigmine, molécule utilisée notamment dans le traitement de la maladie d’Alzheimer.Enfin, dans le cadre d’une approche à la synthèse de la Fiscaline A, possédant un motif indoline 3,3-disubstituée au sein de sa structure, nos efforts se sont concentrés sur la fonctionnalisation de la position C-2 du noyau indoline. L’ensemble des stratégies élaborées a fait l’objet de la troisième partie de ce travail de thèse. / The reaction of an olefin with a nitrene generated from a phenyliminoiodane in the presence of a copper catalyst allows the direct formation of an aziridine.The versatility of this reaction was improved by a one-pot procedure developed in our laboratory mediated by iodosylbenzene and a sulfonamide and by the use of Ses iminoiodane. The first part of this thesis was devoted to the study of the unexpected reaction observed with ω-unsaturated esters under aziridination conditions in which an intramolecular ring-opening of the aziridine by the carbonyl oxygen of the ester function is observed providing a 5,5-disubstituted butyrolactone. This new reaction named aminolactonization reaction has been used on various styrene-derived 1-propanoates or butanoates for the synthesis of 5,5-disubstituted butyrolactones in high yields. Probably due to hindrance effects, o-bromo and o-chloro compounds selectively gave the aziridination product. The reactivity of these compounds, under acidic conditions, has been investigated and various ortho halogenated γ-lactones have been obtained in good yields. Finally, the field of application of this methodology has been extended to the formation of gem-disubstituted heterocycles starting from, for example, an olefinic alcohol and an unsaturated carbamate. The second part of this work was dedicated to the elaboration of functionalized heterocycles starting from aminolactonization products. To this end, the reactivity of the aromatic ring has been studied to give access to new scaffolds such as spiroindolines, gem-3,3-disubstituted indolines and indolinobutyrolactones in good yields. Furthermore, the reactivity of such γ-lactones allowed us to synthesize new interesting scaffolds such as benzospirolactone or spirohexahydropyrroloindole. The latter has been used as an intermediate for the synthesis of a spirolactone analogue of physostigmine used for the treatment of Alzheimer’s disease.Finally, this methodology was further exploited for an approach to the total synthesis of Fiscalin A, focusing on the C-2 functionalization of the indoline ring. The results are discussed in the third part of this work.

Les transferts de nitrène représentent un outil synthétique très intéressant pour former simplement une liaison C-N à partir d’une liaison C-H. Notre laboratoire a développé des précurseurs de nitrène chiraux : les sulfonimidamides. Leur utilisation a abouti, en présence de catalyseurs de cuivre et de rhodium, à des réactions d’aziridination d’oléfine et d’amination C-H hautement diastéréosélectives. Ce projet de thèse s’inscrit dans la continuité de ces travaux. Les sulfonimidamides ont pu être combinés avec des complexes scorpionate de cuivre et d’argent, au cours d’une collaboration COST avec le groupe de Pedro Pérez à Huelva, avec de bons résultats pour l’aziridination d’oléfines et l’amination C-H. De même, des nouveaux complexes de cuivre développés dans l’équipe de Didier Bourissou à Toulouse, ont pu être testés avec succès pour l’aziridination de différentes oléfines, dans le cadre d’une collaboration ANR. D’autre part, le champ d’application de la réaction d’amination C-H catalysée par le rhodium a été étendu avec d’excellents résultats à des substrats complexes comme les terpènes et différents éthers d’énol, ainsi qu’à des substrats peu réactifs comme les alcanes. Enfin, des études mécanistiques ont été menées pour tenter d’élucider la nature du transfert de nitrène. Les résultats obtenus sont en faveur d’un mécanisme concerté asynchrone, mais ils ne permettent pas d’exclure définitivement un transfert radicalaire. L’isolement d’un complexe métal-carbène étant supposé plus aisé qu’un complexe métal-nitrène, nous nous sommes tournés vers le développement de carbènes de sulfoximines, analogues carbonés des sulfonimidamides, sans résultat satisfaisant pour le moment. / Catalytic nitrene transfers are useful tools in organic synthesis, to perform the transformation of a C-H bond into a C-N bond. Our group has previously demonstrated that sulfonimidamieds are efficient chiral nitrène precursors. Combined with copper or rhodium complexes, they have allowed to uncover olefin aziridination and C-H amination that occur with high level of stereoselectivity. These PhD studies stand within the framework of this topic. Sulfonimidamides have first been combined with scorpionate copper and silver complexes developed by Pedro Perez in Huelva, to afford either aziridines or C-H amination products in very good yields. In the same way, new copper catalysts developed in the group of Didier Bourissou in Toulouse were evaluated with good results in olefin aziridination. On the other hand, rhodium catalyzed C-H amination has been applied to more complex substrates such as terpenes and enol ethers, as well as to less reactives substrates like alkanes, with excellent results in terms of regio-, chemo-, and stereoselectivity. Mechanistic studies have also been conducted. These point to an asynchronous concerted nitrene transfer, but the involvement of radicals cannot be ruled out. We have finally turned our attention to the formation of carbenes from sulfoximines, which are the carbo-analogs of sulfonimidamides, but without success so far.

En raison de leur capacité à intervenir dans les processus rédox, les ligands non-innocents ont depuis longtemps suscité un intérêt chez les spectroscopistes, mais leur potentiel en catalyse n'a été que récemment considéré. Le comportement non-innocent des ligands iminosemiquinonate et de leurs dérivés est bien établi et maîtrisé, et, associés à différents métaux, ces ligands ont démontré leur efficacité dans diverses applications synthétiques, telles que les oxydations et les réactions de couplage. Ce travail de thèse a pour objectif de développer des réactivités induites par des complexes de cuivre et nickel coordinés par des ligands de type iminosemiquinonate. Tout d'abord, la capacité de ces complexes à générer des radicaux CF3 par réduction d'une source électrophile de trifluorométhylation a été démontrée, et les espèces organométalliques résultant de l'oxydation monoélectronique centrée sur le ligand ont été identifiées par spectroscopie UV-visible. Un système catalytique a également été mis au point pour la trifluorométhylation radicalaire d'éthers d'énol silylés, d'hétéroarènes et l'hydrotrifluorométhylation d'alcynes. Les propriétés rédox des ligands iminosemiquinonates ont permis l'accès au premier complexe CuII–CF3 coordiné par des ligands oxydés iminobenzoquinones. L'étude de sa réactivité a mis en évidence le rôle essentiel des ligands oxydés, qui stabilisent le degré d'oxydation +II du cuivre, sans empêcher un comportement de CuIII haute valence. Ces observations ont été attestées par un ensemble de données spectroscopiques et théoriques. Enfin, l'étude de l'influence des ligands iminosemiquinonate sur la structure et la réactivité d'espèces cuivre–nitrène, impliquées dans les réactions de transfert de nitrène catalytique, est au centre d'un projet en cours. / Because of their ability to get involved in redox events, non-innocents ligands have long sparked the interest of spectroscopists, and their potential in catalysis has only later been considered. Iminosemiquinonate radical ligands and their derivatives are well-established non-innocent ligands and have been previously used with several metals, showing their efficiency in specific synthetic applications, such as oxidations and cross-couplings. This thesis work deals with the development of reactivities using iminosemiquinonate copper and nickel complexes. First, the ability of these complexes to induce the controlled generation of CF3 radicals by reduction of a CF3+ source was demonstrated, and key organometallic species resulting from a ligand-centered single electron transfer were identified using UV-vis spectroscopy. Catalytic conditions were developed and applied to the trifluoromethylation of silyl enol ethers, heteroarenes and hydrotrifluoromethylation of alkynes. Then, the synthesis of the first well-defined CuII–CF3 complex bearing fully oxidized iminobenzoquinone ligands was achieved. The study of its reactivity revealed the prominent role of the redox ligands, which stabilize a (+II) oxidation state without preventing its ability to behave as a high-valent CuIII complex. These observations were substantiated by a combination of advanced EPR spectroscopy techniques with DFT calculations. Finally, the influence of iminosemiquinonate ligands on the structure and the reactivity of copper–nitrene species, in catalytic nitrene transfer reactions, is the focus of a last project, which is still in progress.

Les amines sont des composés essentiels en biologie, pharmacie et agriculture. La synthèse directe de tels composés constitue un enjeu majeur dans le domaine de la chimie. Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l’étude et le développement de synthèses intégrant le transfert de nitrène par des catalyseurs de fer pour l’obtention de composés aminés. Dans une première partie, nous avons étudié la réaction d’aziridination par plusieurs catalyseurs à base de fer sur différentes oléfines. Nous rapportons ici, comment des études mécanistiques couplées à des investigations des structures électroniques et des profils réactionnels, par des méthodes quantiques de type DFT, peuvent conduire à une complète compréhension du mécanisme, ainsi qu’au développement rationnel de nouveaux catalyseurs de fer pour la réaction d’aziridination. Nous avons pu établir que l’affinité électronique joue un rôle majeur dans ce type de transformation. Dans une seconde partie, nous avons étudié la possibilité d’intégrer la catalyse de transfert de nitrène de fer dans des processus multi-séquentiels. Nous avons pu obtenir des amidines et imidazolidines dans des réactions multicomposants via la réaction entre un substrat, un donneur de nitrène et un nitrile, le tout catalysé par le fer. Les calculs DFT ont pu confirmer le mécanisme proposer expérimentalement. Une seconde étude a pu mettre en lumière les réactions monotopes à travers la synthèse de 2-iminothiazolidines via l’ouverture de cycle d’une aziridine suivie de l’insertion d’un isothiocyanate avec de bons rendements. Ces deux types de réactions ont démontré le fort potentiel du transfert de nitrène dans des réactions multi-séquentielles et ouvrent la porte au développement de nouvelles voies de synthèses efficaces dans une chimie durable. / Amines are essential compounds in biology, pharmacy and agriculture. Therefore, their direct synthesis is a major issue in chemistry. The work presented in this manuscript focuses on the study and development of syntheses integrating nitrene transfer by iron catalysts in order to obtain amines. In a first part, we studied the aziridination reaction with several iron catalysts on different olefins. We report here, how mechanistic studies coupled with investigations of electronic structures and reactivity profiles, by quantum methods of DFT type, can lead to a complete understanding of the mechanism, as well as to the rational development of new iron catalysts for the aziridination reaction. We have been able to establish that electron affinity plays a major role in this type of transformation. In a second part, we studied the possibility to integrate iron-catalyzed nitrene transfer in multi-sequential processes. We have been able to obtain amidines and imidazolidines in multicomponent reactions via the reaction between a substrate, a nitrene donor, a nitrile and an iron catalyst. The DFT calculations were able to confirm the mechanism proposed experimentally. A second study was to highlight telescoping reactions through the synthesis of 2-iminothiazolidines via the ring opening of an aziridine followed by the insertion of an isothiocyanate with good yields. These two types of reactions have shown the strong potential of nitrene transfer in multi-sequential reactions and open the way to the development of new efficient synthesis routes in the context of green chemistry.