L'élaboration de méthodes de synthèse, basées sur l’utilisation d’espèces métalliques a été un sujet de tous les instances en chimie organique. Malgré l’efficacité des métaux utilisés en catalyse homogènes, leurs procédures de recyclage restent limitées. Ce pourquoi, une contrainte supplémentaire a été placée dans la conception de catalyseurs, pouvant offrir à la fois l'efficacité de la catalyse homogène et le recyclage de l’hétérogène. Dans ce contexte, les nanoparticules métalliques sont apparues comme objet phare, en raison de leurs propriétés physico-chimiques inégalées. On a découvert que les nanoparticules de métaux nobles présentaient des propriétés catalytiques similaires dans certains cas, aux complexes monoatomiques. De plus, les Au NPs ont montré une activité catalytique remarquable dans l'oxydation d’alcools activés sous O2. Nous avons donc envisagé des procédures multicatalytiques, basées sur les NPs d’Au. Notre choix d'utiliser des catalyseurs solides était pertinent, puisque les nano-catalyseurs, pour lesquels la fraction de sites actifs se trouve en surface, limitent les risques de cross-quenching. Ici, nous présentons trois nouveaux procédés bicatalytiques permettant l’accès, à des chromenes/quinoléines (53-93%) via une oxydation / Michael Addition/ aldolisation, combinant nanocatalyse et catalyse basique, l’accès à des ortho-THC (50-81%) via oxydation / arylation / cyclisation, combinant nanocatalyse et catalyse supportée, ainsi qu’une une oxydation / hydrolyse en cascade, pour accéder à l’HMLA (86%, sel 93%), un grand panel de produits d'activité biologique reconnue, utilisé en parfumerie ou visant une pré-industrialisation via la chimie en flux continu. / Elaboration of synthetic methods based on metal-catalyzed reactions has been a hot topic in organic chemistry. Despite good efficiency, catalysis proceeding homogeneously, are limited in the operation of recovering/recycling of the catalysts. An important stress was placed to design catalysis, offering both the efficiency of homogeneous catalysts and the recyclability of heterogeneous catalysts. In this context, metal nanoparticles merged as a key tool, due to their unique physical and chemical properties. Notably, Au NPs have shown remarkable catalytic activity in the oxidation of activated alcohols under O2 atmosphere. Since now, the access to more complex molecules is the next step forward for this field, we envisioned multicatalytic roads, based on the oxidation of activated alcohols via supported Au NPs. Our choice of using solid catalysts was relevant, since nanostructured catalysts for which the fraction of active sites are located on the surface, limit the risk of cross-quenching. The latter carbonyl formed, could be further converted in situ, via tandem protocol. Herein, we developed novel, atom- and step-economical bicatalytic one-pot processes, to access substituted chromenes/quinolines (53-93%) by tandem oxidation/hetero-Michael addition/aldolisation combining nanocatalysis and base catalysis, ortho-THCs (50-81%) via tandem oxidation/arylation/cyclisation combining nanocatalysis and supported catalysts and a tandem cascade oxidation/hydrolysis to access HMLA (86%, sel 93%). A large panel of products of biological activity relevance, pertaining to the fragrance chemistry or aiming in some cases, pre-industrial scalability via continuous flow applications.

This thesis describes the development of transition metal catalyzed transformations towards the synthesis of stereochemically rich motifs and heterocycles. The main themes present throughout this thesis are rhodium-catalysis in reactions of boronic acids with alkenes and alkynes, the use of alkynes as a key motif in the synthesis of heterocycles, and the use of domino and one-pot processes to effect high efficiency in multistep transformations. In Chapter 1, a rhodium-catalyzed desymmetrization of diazabicyclic alkenes with boronic acids is discussed. In this work a chemodivergent and enantioselective process for the synthesis of substituted cyclopentenes and cyclopentanes is developed. Both the chemo- and the enantioselectivity of the reaction are shown to be highly dependent on the phosphine ligand structure. The observed reactivity of rhodium is further applied to a domino reaction to synthesize highly substituted benzofuranones. In Chapter 2, the reactivity of boronic acids and alkynes under rhodium catalysis is exploited as a key step to access polycyclic motifs. In the first part of this chapter the development of a domino process using both rhodium and palladium catalysis is described. Detailed mechanistic investigations allow some insight into the interactions between two catalysts. In the last part of this chapter, preliminary experiments in the application of multimetallic catalysis in the synthesis of azadibenzoxepines are discussed. Chapter 3 summarizes work on the arylation of propargylic alcohols with boronic acids under rhodium catalysis. This reaction is shown to proceed with high regioselectivity and can be conducted under mild conditions. The resulting allylic alcohols are shown to be versatile motifs and are applied in a synthesis of indenes and quinolines. In the final chapter of this thesis, iodotriazoles are explored as key intermediates in the synthesis of fused triazole-containing heterocycles. Palladium-catalyzed cyclization, either through C-H functionalization or through Heck coupling, is achieved. Furthermore, it is shown that the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition and palladium-catalyzed C-H arylation can be combined into a one-pot process.

Alkenes are remarkably versatile motifs as they can be further functionalized by a vast array of addition, reduction, and oxidation reactions. Thus their efficient synthesis is highly desired. Over the past 35 years, the Suzuki-Miyaura cross-coupling reaction has emerged as a powerful synthetic tool for the formation of carbon-carbon bonds. Herein is described the development of a one-pot two-step protocol for the synthesis of (E)-alkenes comprising palladium-catalyzed Suzuki-Miyaura cross-coupling of aryl or heteroaryl halides, including chlorides, with alkenyl pinacolboronates, prepared in situ via solvent-free zirconium-catalyzed hydroboration of terminal alkynes. Avoiding isolation of intermediates saves time and reduces waste. The regio- and stereochemistry of the alkene is set by initial hydrozirconation of the alkyne. Addition of water to the second step deactivates the zirconocene catalyst, which is otherwise deleterious to cross-coupling. Thus this sequence exploits the water tolerance of the Suzuki-Miyaura reaction.

Alkenes are remarkably versatile motifs as they can be further functionalized by a vast array of addition, reduction, and oxidation reactions. Thus their efficient synthesis is highly desired. Over the past 35 years, the Suzuki-Miyaura cross-coupling reaction has emerged as a powerful synthetic tool for the formation of carbon-carbon bonds. Herein is described the development of a one-pot two-step protocol for the synthesis of (E)-alkenes comprising palladium-catalyzed Suzuki-Miyaura cross-coupling of aryl or heteroaryl halides, including chlorides, with alkenyl pinacolboronates, prepared in situ via solvent-free zirconium-catalyzed hydroboration of terminal alkynes. Avoiding isolation of intermediates saves time and reduces waste. The regio- and stereochemistry of the alkene is set by initial hydrozirconation of the alkyne. Addition of water to the second step deactivates the zirconocene catalyst, which is otherwise deleterious to cross-coupling. Thus this sequence exploits the water tolerance of the Suzuki-Miyaura reaction.

This thesis describes the development of transition metal catalyzed transformations towards the synthesis of stereochemically rich motifs and heterocycles. The main themes present throughout this thesis are rhodium-catalysis in reactions of boronic acids with alkenes and alkynes, the use of alkynes as a key motif in the synthesis of heterocycles, and the use of domino and one-pot processes to effect high efficiency in multistep transformations. In Chapter 1, a rhodium-catalyzed desymmetrization of diazabicyclic alkenes with boronic acids is discussed. In this work a chemodivergent and enantioselective process for the synthesis of substituted cyclopentenes and cyclopentanes is developed. Both the chemo- and the enantioselectivity of the reaction are shown to be highly dependent on the phosphine ligand structure. The observed reactivity of rhodium is further applied to a domino reaction to synthesize highly substituted benzofuranones. In Chapter 2, the reactivity of boronic acids and alkynes under rhodium catalysis is exploited as a key step to access polycyclic motifs. In the first part of this chapter the development of a domino process using both rhodium and palladium catalysis is described. Detailed mechanistic investigations allow some insight into the interactions between two catalysts. In the last part of this chapter, preliminary experiments in the application of multimetallic catalysis in the synthesis of azadibenzoxepines are discussed. Chapter 3 summarizes work on the arylation of propargylic alcohols with boronic acids under rhodium catalysis. This reaction is shown to proceed with high regioselectivity and can be conducted under mild conditions. The resulting allylic alcohols are shown to be versatile motifs and are applied in a synthesis of indenes and quinolines. In the final chapter of this thesis, iodotriazoles are explored as key intermediates in the synthesis of fused triazole-containing heterocycles. Palladium-catalyzed cyclization, either through C-H functionalization or through Heck coupling, is achieved. Furthermore, it is shown that the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition and palladium-catalyzed C-H arylation can be combined into a one-pot process.

Les tétrahydropyrazines et les morpholines sont des hétérocycles à six chaînons comportant deux hétéroatomes en position 1,4. Les objectifs de cette thèse ont été la mise au point de nouvelles méthodes pour leur synthèse. Des tétrahydropyrazines orthogonalement protégée ont ainsi été synthétisées à partir des diamines correspondantes, grâce à l’utilisation de triméthylsilyl-benziodoxolone (TMS-EBX) comme donneur d’alcyne. Ce dérivé d’iode hypervalent s’est par ailleurs révélé être un agent alcynylant chimiosélectif des sulfonamides par rapport aux carbamates. Une approche synthétique différente a été utilisée pour le synthèse des morpholines. En s’appuyant sur les précédents résultats obtenus au laboratoire, une hétérocyclisation catalysée au Fe(III) a été mise au point. En présence d’une quantité catalytique de FeCl3.6H2O, des morpholines 2,6- et 3,5-disubstituées ont été obtenues avec de bons rendements et des diastéréosélectivités toujours en faveur des composés cis. Afin d’améliorer cette méthode pour la rendre encore plus éco-compatible, une méthode monotope a été ensuite développée, menant, à l’aide d’une catalyse séquentielle Pd(0)/Fe(III), à une diversité de morpholines à partir de vinyloxiranes et d’amino-alcools facilement synthétisables. Le changement des substrats de départ permet de faire varier la substitution des morpholines finales sans avoir à modifier les conditions réactionnelles. L’obtention majoritaire des composés de configuration relative cis a été rationalisés à partir des stabilités supposées des différents diastéréoisomères et un mécanisme hypothétique est présenté. / Tetrahydropyrazines and morpholines are six-membered heterocycles including two heteroatoms in positions 1 and 4. The objectives of this thesis were to develop new methods for their synthesis. Orthogonnaly protected tetrahydropyrazines were thus synthesized from the corresponding diamines, thank to the use of trimethylsilyl-benziodoxolone (TMS-EBX) as an alkyne donnor. This hypervalent iodine derivative was also found to be an efficient and chemoselective alkynylating agent of sulfonamides versus carbamates. A different synthetic approach was used for the synthesis of morpholines. Relying on previous results obtained in the laboratory, an iron(III)-catalyzed heterocylization was developped. In the presence of a catalytic amount of FeCl3.6H2O, 2,6- and 3,5-disubstituted morpholines were obtained with good yields and diastereoselectivities in favor of the cis compounds. To improve this method and make it more environnementally friendly, a one-pot method was next designed, leading, with a sequential Pd(0)/Fe(III)-catalyzed process, to a diversity of morpholines from readily available vinyloxiranes and amino-alcohols. A simple switch in the starting materials gives diverse morpholines without any change in the reaction conditions. The cis-compound predominance was rationnalized from the putative stabilities of different diastereoisomeres and a hypothetical mechanism is proposed.

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La presente tesis doctoral describe el desarrollo de procesos químicos medioambientalmente sostenibles, incidiendo en la búsqueda de nuevas estrategias de síntesis y recuperación de catalizadores homogéneos con objeto de extender su vida media. Desde otra vertiente, se hace hincapié en el diseño de catalizadores multifuncionales para ser aplicados en reacciones dominó. En ambos casos se ha estudiado la aplicabilidad de diferentes catalizadores de oro basados tanto en nanopartículas metálicas como en sales de Au(I) y Au(III), para generar productos de interés en la industria química y farmacéutica. En los diferentes capítulos se abordan los siguientes contenidos: - La síntesis de complejos de oro (I) coordinados con ligandos fosfina y su aplicación en la hidroalcoxilación intermolecular de alquinos para formar éteres de enol y acetales. - La transformación de alquinos en acetales y tioacetales cíclicos catalizada por el sistema catalítico AuPPh3Cl/AgBF4. Este tipo de reacciones nos permite sintetizar una molécula con aroma a esencia de naranja. - La formación de acetales de alto valor añadido a partir de aldehídos y glicerol puro o mezclas glicerol-agua empleando ácidos de Brønsted sólidos (zeolitas y resinas) y ácidos de Lewis basados en Au. Además en algún caso se hace posible recuperar y reutilizar este catalizador. - El estudio de diferentes rutas "one-pot" para la síntesis de derivados bencimidazólicos en presencia de un catalizador sólido bifuncional. La deposición de un metal (nanopartículas de oro o paladio) sobre un soporte básico permite la síntesis de un bencimidazol con actividad antiviral (anti-VIH-1) mediante una transformación secuencial de cuatro pasos. Además, se llevó a cabo la síntesis del derivado dibencimidazólico Ho33342 con propiedades anticancerígenas mediante una ruta sintética basada en el empleo de los mismos catalizadores sólidos metálicos. / Rodriguez Ruiz, V. (2010). Catalizadores de oro en reacciones de hidroalcoxilación, acetalización y reacciones integradas en procesos "one-pot": una aproximación eficiente a la química sostenible [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8539

Cette thèse a pour objectif l’élaboration de nanoparticules hybrides à base de silice par microémulsion inverse. Les nanoparticules de silice constituent une matrice de base permettant de confiner et de protéger des molécules organiques et/ou des nanoparticules métalliques. L’incorporation combinée de différentes entités dans la silice ouvre ainsi de larges perspectives de par l'introduction de nouvelles propriétés liées à la structure hybride. Afin d’élaborer de tels objets, nous avons utilisé des micelles inverses à base d'eau, de Triton X-100, d'hexanol et de cyclohexane comme milieu réactionnel. L’influence des conditions opératoires sur le contrôle de la taille des micelles inverses a d'abord été étudiée. Ces micelles inverses ont ensuite été mises à profit comme nanoréacteurs pour la synthèse de nanoparticules de silice par procédé sol-gel en utilisant les précurseurs alkoxysilanes adéquats. Nous avons regardé dans quelle mesure il était possible de contrôler la taille des nanoparticules de silice en fonction du pourcentage d’eau par rapport au tensioactif. Il a ainsi été possible d’accéder de façon reproductible à des nanoparticules avec de tailles variables, de 30 nm à 200 nm. Nous avons ensuite regardé qu'il était possible d'encapsuler au sein de cette matrice nanométrique des fluorophores et des nanoparticules d’or et d’argent de façon contrôlée. En vue d’assurer une bonne stabilisation colloïdale en solution, ces nanoparticules hybrides ont été fonctionnalisées d'une part par ajout d'un silane fonctionnel et d'autre part par click chemistry. Nous avons ainsi pu montrer qu’il est possible d’effectuer dans un même milieu micellaire l’ensemble des processus de fabrication de la nanoparticule hybride, de la matrice de silice à sa fonctionnalisation en passant par l’incorporation d’entités fonctionnelles. Cette méthode de synthèse séquentielle nous a ainsi permis de supprimer les étapes de purification et de redispersion qui peuvent s’avérer problématiques dans les procédés classiques. L’ensemble de ce travail a été mis à profit pour la conception d’un agent antibactérien à base de nanoparticules argent/silice capables d’empêcher la prolifération bactérienne grâce au relargage progressif des ions argent. Les tests effectués en solution comme sur le coton et le polyéthylène téréphtalate imprégnés montrent effectivement un caractère antibactérien certain de ces systèmes. / This thesis aims at developing hybrid nanoparticles based on silica by reverse microemulsion. The silica nanoparticles are the basic matrix containing and protecting organic molecules and/or metallic nanoparticles. The combined incorporation of different entities within the silica opens wide prospects for the introduction of new properties related to the hybrid structure. To develop such objects, we used reverse micelles based on water, Triton X-100, hexanol and cyclohexan as reaction medium. The influence of operating conditions on the control of the size of reverse micelles was first studied. These micelles were then set to be used as nanoreactors for the synthesis of silica nanoparticles by sol-gel using suitable alkoxysilanes precursors. We monitored how it was possible to control the size of silica nanoparticles based on the water to surfactant ratio. It was thus possible to prepare in a reproducible way nanoparticles with sizes varying from 30 nm to 200 nm. We then investigated the possibility to encapsulate, in this nanoscaled matrix, fluorophores and nanoparticles of gold and silver in a controlled manner. To ensure a good colloidal stability in solution, these hybrid nanoparticles were, on the one hand, modified by adding a functional silane and, on the other hand, by click chemistry. We have thus shown that it is possible to perform, in a same micellar media, all of manufacturing process of the hybrid nanoparticle, from the silica matrix to its functionalization passing by the incorporation of functional entities. This method of sequential synthesis allowed us to bypass the purification and redispersion steps that can be problematic in the conventional methods. All this work has been extended to the design of an antibacterial agent based of silver/silica nanoparticles, capable of preventing bacterial growth through the gradual release of silver ions. Tests conducted in solution on the impregnated cotton and polyethylene terephtalate indeed show an interesting antibacterial character of these systems.