L’organocatalyse permet l’activation de réactions chimiques diverses et représente une méthode complémentaire à la catalyse métallique ou à la catalyse par les enzymes. Cette stratégie peut être moins toxique et relativement plus accessible, en plus d’être fréquemment économique et écologique. En induisant une intramolécularité temporaire, il est possible de surmonter les pénalités entropiques inhérentes aux réactions intermoléculaires. Les travaux effectués par le groupe de recherche du Pr. Beauchemin ont jusqu’à date permis d’actualiser et d’améliorer des réactions d’hydroamination, d’hydratation d’amino nitriles et d’hydrolyse d’amides organophosphoniques grâce à l’organocatalyse aux aldéhydes simples. Dans cette optique, cette thèse étudie l’application de cette méthodologie dans des réactions d’hydrolyse. Dans un premier temps, les paramètres réactionnels favorisant l’hydrolyse d’α-amino esters furent investigués. Les problèmes de labilité de divers substrats en milieu aqueux furent abordés, de même que les difficultés à effectuer un « turnover » catalytique efficace. Dans un deuxième temps, la mono-hydrolyse de 1-amino diester phosphonique fut étudiée. Les esters d’acide 1-amino phosphoniques suscitent un intérêt en raison de leurs bioactivités diverses, notamment comme analogues d’acides aminés capables d’interactions biologiques avantageuses. Il fut possible d’optimiser plusieurs conditions réactionnelles, de même que d’étendre la portée de cette méthode à la synthèse de dérivés portant des groupements alkyles. Sur un autre ordre d’idées, les hétérocycles azotés font preuve de bioactivités importantes et variées. Conséquemment, leur emploi dans les domaines pharmaceutique et agrochimique est incontournable. Les cycles de type pyrazolone sont particulièrement présents dans des composés pharmaceutiques et dans des insecticides et des herbicides, tandis que les triazolium-olates présentes des activités biologiques intéressantes. Il devient ainsi essentiel de développer des voies polyvalentes, efficaces, peu dispendieuses et plus vertes pour leur synthèse. Des travaux antérieurs du groupe Beauchemin ont élaboré la génération in situ d’isocyanates et d’isothiocyanates N-substitués, des intermédiaires rares dans la littérature. Ils furent utilisés dans des réactions de cycloaddition avec des alcènes et des imines, pour former des azométhine imines. La deuxième partie de cette thèse s’intéresse à la dérivation de ces azométhine imines en dérivés de pyrazolone et en triazolium-olates grâce à une réaction d’isomérisation. Cette approche permet une déconnexion novatrice pour synthétiser directement des hétérocycles riches en azote complexes. L’optimisation de cette réaction fut mise au point et sa portée fut étudiée. Cette méthode s’avère peu dispendieuse, n’emploie aucun catalyseur métallique, ne requière pas de préfonctionnalisation et ne génère pas de sous-produits. Finalement, l’application de cette isomérisation à la résolution cinétique des azométhines imines fut tentée.

L'objectif de ce projet a été d'explorer les limites et les possibilités d'une réaction tandem photochimique, composée d'une cycloaddition [2+2] entre des cyclopentenones et des alcènes, suivie d'une Norrish I/transfert du γ-hydrogen si l'adduit bicyclique se forme.En utilisant des procédures de la littérature, une petite bibliothèque de cyclopentenones fut préparée. Le developpement de méthodes permettant l'accès à des cyclopentenones substituées, par des réactions d'aldolisation organocatalysées, fut explorée sans succès.Des études photochimiques menées sur une selection de cyclopentenones et d'alcènes ont montré qu'ils pouvaient réagir ensemble pour fournir des cyclobutène aldehydes avec des moyens à bons rendements. Les conditions réactionnelles furent optimisées pour la formation de ce composé et quelques unes des limites en termes de susbtrat furent déterminées. Dans certains cas, un problème de régiosélectivité de la réaction de Norrish I furent constatés. Durant le cette étude, il fut découvert que certains de ces cyclobutène aldéhydes pouvaient eux-mêmes réagir photochimiquement par une réaction de Paternò-Büchi intramoléculaire pour mener à des oxétanes tricycliques totalement inédits. Ceci représente une séquence one-pot de trois réactions photochimiques entre la cyclopentenone de départ et l'alcène. Les conditions opératoires furent optimisées pour cette transformation et plusieurs exemples furent préparés. La structure centrale tricyclique fut étudiée en détail, en solution et dans l'état solide, montrant que la formation de ces oxétanes était hautement diastéréoselective dans certains exemples. Certaines limitations, découlant de gène stérique et/ou l'utilisation d'alcènes électroniquement riches, constituent une limite à la portée de cette réaction.

The main topic of thesis is the use of organocatalysis to synthesize cyclobutanones derivatives. Cyclobutanone derivatives are useful molecular building blocks for the construction of complex molecular structures. Surprisingly, however, the use of organocatalysts to functionalize cyclobutanones is rare, especially when the substrate bears substituents. In this thesis, we present the enantioselective transformations and functionalizations of substituted cyclobutanones which employ readily-available amino acids (or derivatives) and thiourea derivatives as organocatalysts. - The first transformation involves the enantioselective aldol reaction between 2-hydroxy-cyclobutanone with a selection of aromatic aldehyde. The results show that the 2-hydroxycyclobutanone is particularly amenable to solvent-free L-threonine-catalyzed direct aldol reactions with reasonable stereocontrol. - After, we synthesized 2,3-disubstituted cyclobutanones through direct aldol reactions involving 3-substituted cyclobutanones and aryl aldehydes catalyzed by N-phenylsulfonyl (S)-proline and via asymmetric nitro-Michael reaction of 3-substituted cyclobutanones and several nitrostyrenes catalyzed by thiourea derivatives. In the first case the relative aldol products were obtained with an unprecedented control of all three contiguous stereocenters in the latter the relatives γ-nitro cyclobutanones were obtained in good yield but in modest enantioselectivity. - The last case concerns the conversion of 3-substituted cyclobutanones into 4-substituted-5-hydroxy-γ-lactam using as electrophile nitrosobenzene and L-proline as catalysts. This reaction involves a ring-expanding O-nitroso-aldol-cyclization domino sequence. The synthetic protocol provides access to the five-membered ring system in good yield, and the formation of two new stereogenic centers is achieved with complete stereochemical control. Thus, the main topic of the first chapter is the organocatalysis, applications of the most common organocatalysts are discussed. The vast majority of organocatalytic reactions use chiral amine as catalysis (asymmetric aminocatalysis). Different types of organocatalysis involve the use of Br¿nsted acids and bases, Lewis acids, hydrogen bond-mediated catalysis, phase transfer and N-heterocyclic carbene catalysis. The second chapter deals with the reactivity of cyclobutanones. High electrophilicity and ring strain make the cyclobutanone and its derivatives a good substrate for ring transformation reactions. Characteristic reactions of functionalized cyclobutanones involve the ring opening, ring contraction and ring expansion reactions. In the third chapter, the synthesis of 2,2-disubstituted cyclobutanones via direct aldol reaction of 2-hydroxycyclobutanone with several aldehydes catalyzed by primary amines is presented. The results show that the 2-hydroxycyclobutanone is particularly amenable to solvent-free L-threonine-catalyzed direct aldol reactions with reasonable stereocontrol. In the fourth chapter we describe the synthesis of 2,3-disubstituted cyclobutanones through direct aldol reactions of 3-substituted cyclobutanones and aryl aldehydes, catalyzed by N-phenylsulfonyl (S)-proline and through asymmetric nitro-Michael reaction of 3-substituted cyclobutanones and several nitrostyrenes, catalyzed by derivatives of thiourea. In this last chapter an organocatalyzed enantioselective desymmetrization reaction of 3-substituted cyclobutanones is presented using nitrosobenzene as an electrophile and proline derivatives as catalysts. This reaction give an original 5-hydroxy-γ-lactam in good yield and with the generation of two new stereogenic centers.

Le travail qui est décrit dans ce manuscrit de thèse traite de la chimie des superbases de type proazaphosphatranes, systèmes phosphorés bicycliques très utilisés en catalyse. L'objectif des investigations qui ont été menées à été d'ouvrir de nouvelles voies d'applications de ces catalyseurs. Afin de satisfaire cet objectif, plusieurs stratégies ont été envisagées. D'une part par la mise en confinement de la structure proazaphosphatrane et l'étude de l'influence de ce confinement sur la réactivité intrinsèque du proazaphosphatrane, et d'autre part par la catalyse en conditions bi-phasiques, que ce soit à l'interface entre une phase liquide et un solide ou entre deux phases liquides non-miscibles. Les recherches se sont orientées dans un premier temps sur la synthèse et la caractérisation complète d'un proazaphosphatrane supramoléculaire, obtenu par la fonctionnalisation par un proazaphosphatrane de la cavité supramoléculaire d'un récepteur macrobicyclique. Les séparations semi-préparatives des deux énantiomères d'un intermédiaire et de la molécule phosphorée finale ont également été réalisées, séparations qui ont permis de réaliser l'attribution des configurations absolues des deux structures macrobicycliques. La synthèse d'une famille de catalyseurs de type proazaphosphatrane supportés sur silice mésoporeuse a ensuite été réalisée, suivie de sa caractérisation texturale et structurale par les procédés physico-chimiques habituels, et enfin de sa mise en application dans des réactions d'intérêts de la synthèse organique. En dernier lieu, l'exploitation de la forme acide conjuguée des proazaphosphatranes, dite forme azaphosphatrane, dans des réactions de catalyse par transfert de phase a été entreprise. Il a ainsi put être démontré leur activité en tant qu'agent de transfert dans le cadre de quatre réactions significatives de la catalyse par transfert de phase en version racémique. Ce travail de thèse s'est finalement terminé par une ouverture vers la catalyse par transfert de phase en version asymétrique, par le biais de l'utilisation d'azaphosphatranes chiraux énantiopurs.

Ce manuscrit traite de la synthèse d'aldols mono- et difluorés à partir de précurseurs stables d'éthers d'énol silylés. En premier lieu, la synthèse et la réactivité de synthons de type RCF2Li sont abordées. Cette étude a notamment permis d'obtenir des alpha-trialkylsilylcarbinols stables par addition sur des acylsilanes. Ces composés nous sont apparus comme des précurseurs stables de fluoroénolates, capables de générer in situ ces nucléophiles après réarrangement de Brook et élimination d'un fluorure sous l'action d'une base. La deuxième partie de ce manuscrit traitera ainsi de deux méthodologies monotopes permettant d'aboutir à des aldols monofluorés comportant un centre tétrasubstitué fluoré directement à partir de ces précurseurs: soit en utilisant un équivalent de t-BuOK, soit avec une quantité catalytique de p-MeOPhONBu4 en présence d'une base relais. Dans un troisième temps, en se basant sur une séquence similaire, une synthèse monotope racémique d'aldols difluorés à partir du réactif de Ruppert-Prakash, d'acylsilanes et d'aldéhydes a été mise au point. Cette réaction étant catalysée par le TBAT, une version asymétrique organocatalysée a ensuite été explorée grâce à l'utilisation de paires d'ions chiraux coopératifs. / This manuscript deals with the synthesis of mono- and difluorinated aldols starting from stables precursors of silylated enol ethers. First, the synthesis and the reactivity of RCF2Li synthons has been investigated. A preparation of alpha-trialkylsilylcarbinols, which can be seen as fluoroenoxysilane precursors, has been developed. A sequence involving a Brook rearrangement followed by a fluoride elimination from these stable precursors has then been exploited in a second part to set up a one-pot preparation of monofluorinated aldols featuring a fluorinated tetrasubstituted center. Two methodologies were developped : one relying on the addition of a stoichiometric amount of t-BuOK and the second involving a catalytic amount of p-MeOPhONBu4 and a stoichiometric amount of a pro-base. Finally, a one-pot synthesis of difluorinated aldols starting from Ruppert-Prakash reagent, acylsilanes and aldehydes is described in a third part. This sequence, similar to the previous one, is catalyzed by TBAT and an asymmetric version relying on the use of chiral cooperative ion pairs has also been explored.

Les dérivés ambiphiles, possèdant un site acide de Lewis (B ou Al) et un site base de Lewis (P), sont connues pour activer les petites molécules, stabiliser des espèces hautement réactives, mais aussi pour se comporter comme des catalyseurs non-métalliques. Dans la mesure où ils présentent différents modes de coordination, ils possèdent des comportements variables en tant que ligands des métaux de transition. Cette thèse porte sur deux aspects des composés ambiphiles. Le premier concerne l'interaction avec les petites molécules et l'organocatalyse, et le second la coordination et la réactivité des complexes métalliques avec des ligands ambiphiles. Le premier chapitre aborde la synthèse et la réactivité de phosphines-boranes possédant un espaceur de type ortho-phénylène. Dans une première partie, des composés possédant des sites base et acide de Lewis de nature différente ont été synthétisés. Dans une seconde partie, les propriétés catalytiques de ces dérivés ont été évaluées lors de la réduction du dioxyde de carbone en présence de boranes. Ces dérivés ambiphiles se sont révélés être des organocatalyseurs efficaces pour cette réaction. Dans une troisième partie, une étude mécanistique a été réalisée. Lors de cette étude, un intermédiaire réactionnel a pu être isolé et caractérisé. Cette espèce, possédant une molécule de formaldéhyde pontante entre les atomes de phosphore et de bore, s'est montrée plus efficace en catalyse que les catalyseurs précédents. En effet, aucune période d'induction n'est observée lors de la réduction du dioxyde de carbone avec ce dernier. Le second chapitre aborde la réactivité d'un complexe de Pt possédant un ligand ambiphile de type phosphine-alane (PAl). Ce complexe comportant une interaction Pt-->Al, avait déjà montré une réactivité intéressante vis-à-vis de l'hydrogène. Dans ce chapitre, sa réactivité vis-à-vis d'autres substrats a été étudiée. Dans une première partie, la capacité du complexe PAl-Pt à activer une liaison N-H polaire a, en particulier, été évaluée. Un complexe issu de l'addition oxydante de PhC(O)NH2 sur le platine a pu être isolé et entièrement caractérisé. Dans une seconde partie, le complexe PAl-Pt a été mis en présence de petites molécules de type CE2 (E = O, S) et différents modes de coordination ont pu être mis en évidence aussi bien en solution et qu'à l'état solide. En particulier, un complexe n1 de CO2 a été isolé. Au cours de ce travail, l'accent a été mis sur la coopérativité d'action métal/acide de Lewis. / Ambiphilic derivatives, which possess a Lewis acid (B or Al) and a Lewis base (P), are known for activating small molecules, stabilizing highly reactive species, but also to be used as metal-free catalyst. Because of their different coordination modes, they show different behaviour as ligand for transition metals. This thesis addresses two aspects of ambiphilic derivatives. The first one is about the interaction with small molecules and the organocatalysis, and the second one the coordination and the reactivity of metallic complexes with ambiphilic ligands. The first chapter deals with the synthesis and the reactivity of phosphine-borane which possess an ortho-phenylene backbone. In the first part, compounds with different kind of Lewis base and acid have been synthesized. In a second part, catalytic properties of these derivatives have been evaluated for the reduction of carbon dioxide in presence of borane. These ambiphilic derivatives have revealed themselves as effective organocatalyst for this reaction. In a third part, a mechanistic study have been realised. During this study, a reaction intermediate has been isolated and characterized. This species, which possess a molecule of formaldehyde bridging between the atoms of phosphorus and boron, revealed itself more effective in catalysis that the previous catalyst. Indeed, no induction period has been observed during the reduction of carbon dioxide with this compound. The second chapter relates the reactivity of a Pt complex which possess a phosphine-alane (PAl) type ambiphilic ligand. This complex involving a Pt-->Al interaction, has already shown an interesting reactivity toward dihydrogene. In this chapter, his reactity toward other kind of substrate has been studied. In a first part, the capacity of the PAl-Pt complex to activate a polar N-H bond has been evaluated. A complex coming from the oxidative addition of PhC(O)NH2 over the platinum has been isolated and fully characterized. In a second part, the PAl-Pt complex has been set to react with CE2 (E = O or S) type small molecules, and different coordination modes have been highlighted both in solution and in solid state. In particular a n1 CO2 coordinated complex has been isolated. During this work, the cooperativity of action metal/Lewis acid has been emphases.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes tournés vers l'utilisation de l'acide de Meldrum en tant que plateforme pour la synthèse d'hétérocycles chiraux par organocatalyse. De nouvelles voies d'accès, diastéréo- et/ou énantiosélectives, à des pyrazolidinones, pyrimidinones et isoxazolidinones ont été mises au point, via une réaction domino de type Knoevenagel/aza Michael/Cyclocondensation. La problématique du contrôle de la stéréochimie au sein de ces molécules a été d'autant plus étudiée que ce type de structures peut être retrouvé dans des composés d'intérêt biologique. Un intérêt tout particulier a été porté à l'étude des mécanismes réactionnels. Notamment dans le cadre d'une collaboration entre notre groupe et l'équipe « Analyse et Modélisation » du laboratoire COBRA pour l'étude de la réaction d'annélation [3+2] entre l'acide de Meldrum et des nitrones, par spectrométrie de masse / In the course of this thesis, we focused our efforts on developing the use of Meldrum's acid as a platform for the organocatalyzed synthesis of chiral heterocycles. In the end, we managed to access various pyrazolidinone, pyrimidinone and isoxazolidinone moieties in a diastero- and/or enantioselective fashion. We found these reactions to proceed via a navel domino Knoevenagel/aza Michael/Cyclocondensation reaction. The stereocontrol issue was particularly studied, as our final compounds can be found as part of biologically relevant structures. We also put much effort in probing reaction mechanisms. In the latter, we worked in collaboration with the "Analyse et Modélisation" team of laboratoire COBRA to get insights on the [3+2] annulation reaction between Meldrum's and nitrones, using mass spectrometry

Développement de méthodes d'α,β-fonctionnalisation d'amines et formation d'hétérocycles optiquement actifs via l'utilisation de l'organocatalyse et de la catalyse photoredox. / Development of methods α,β-functionalization of amines andformation of optically active heterocycles via the use of the organocatalysis and thephotoredox catalysis.

Sur la base des travaux antérieurs du laboratoire, nous avons développé une nouvelle approche synthétique énantiosélective, en deux étapes, pour l’accès à des glutarimides fonctionnalisés à partir de cyclobutanones facilement accessibles, selon deux directions: une stratégie impliquant une extension de cycle à deux atomes et une stratégie basée sur une contraction de cycle à deux atomes. En parallèle, nous avons démontré que les arynes porteurs de la chiralité axiale en position ortho de la triple liaison réactive peuvent être générés à partir des précurseurs iodo/triflate de type Suzuki et réagissent in situ avec divers substrats. Leur stabilité configurationnelle et leur grande réactivité nous ont permis de proposer une nouvelle méthode de synthèse pour introduire un fragment biaryle à chiralité axiale au sein de pratiquement toutes molécules organiques réactives vis-à-vis des arynes / Based on the previous work in our laboratory, we have developed a new enantioselective two-step synthetic approach to access functionalized glutarimide derivatives using readily available cyclobutanones following two directions: a two-atom ring expansion strategy and a two-atom ring contraction strategy. Meanwhile, we have demonstrated that arynes bearing axial chirality ortho to their reactive triple bond can be generated from the corresponding iodo/triflate Suzuki-type precursors and trapped in situ by various substrates. Their configurational stability and high reactivity allow us to propose a new synthetic method for the facile introduction of an axially chiral biaryl unit onto virtually any organic molecule reacting with arynes

Le contrôle de la chiralité est un critère déterminant dans la synthèse de molécules chirales biologiquement actives. De nombreuses tétrahydroquinoléines chirales ont démontré des activités biologiques tout à fait remarquables, en particulier dans le traitement du cancer. L’un des systèmes de réduction asymétrique permettant d’accéder à ces composés d’intérêt thérapeutique combine une source d’hydrure organique et un catalyseur acide de Brønsted chiral. Ce système est basé sur une approche biomimétique des cofacteurs NADH et NADPH impliqués dans de très nombreux métabolismes redox. En suivant cette méthodologie en accord avec le développement durable, diverses molécules hétérocycliques azotées énantiopures potentiellement anticancéreuses ont été ainsi préparées. La première synthèse énantiosélective de dérivés de 4-azapodophyllotoxines avec ce procédé de réduction a été mise au point. Une méthodologie innovante, basée sur la possibilité de générer in situ la source d’hydrure a également été développée. De plus, de nouveaux organocatalyseurs dérivés de l’acide phospholanique et du ferrocènes ont également été synthétisés et évalués au sein de transformations chimiques. / The control of chirality is crucial in the synthesis of chiral active biologically molecules. Numerous chiral tetrahydroquinolines have revealed outstanding biological activities, particularly in the treatment of cancer. One of the asymmetric reduction systems to access these compounds of medicinal interest combines an organic hydride source and a chiral Brønsted acid catalyst. This system is based on a biomimetic approach of NADH and NADPH cofactors involved in many redox metabolisms. Following this methodology in agreement with the sustainable development, various enantiopure nitrogen-based heterocycles have been prepared as potential anticancer drugs. The first enantioselective synthesis of 4-azapodophyllotoxine derivatives using this reduction process has been set up. An innovative methodology, based on the possibility to generate in situ the hydride source has also been developed. Moreover, news organocatalysts derived from phospholanic acid and ferrocene have also been synthesized and evaluated within chemical transformations.