Zinc dialkyldithiophosphates (ZDTPs) are widely incorporated in lubricant formulations as anti-oxidant and anti-wear additives. Recent years have seen the emergence of considerable research aimed at defining the mode of action of these compounds. Despite this, the mechanistic action of ZDTPs in their capacity as both anti-wear and anti-oxidant agents remains ill defined. Previous investigations have used a wide variety of techniques, however, electrochemical methods have been poorly exploited. This thesis describes application of electrochemical techniques to the study of zinc ndibutyldithiophosphate (Buⁿ-ZDTP) in an investigation of the value of such methods as a tool for ZDTP analysis. A comprehensive study of Bun-ZDTP redox activity under standard electrochemical conditions has been implemented. Using cyclic voltammetry, Buⁿ-ZDTP has been shown to be oxidised in an irreversible 2 electron transfer process. The diffusion coefficient of this species in DMF has been calculated via rotating disc electrode (RDE) voltammetry. Buⁿ-ZDTP reduction proceeds via nucleation of zinc at the electrode surface. The limiting current of the 2 electron reduction process is lower than previously observed for Buⁿ- ZDTP oxidation. This occurs since zinc deposition is confined to growth centres which effectively limit the electroactive area of the electrode. A more thorough investigation of zinc nucleation at the electrode surface was undertaken using chronoamperometry. Transients plotted in dimensionless form were compared to theoretical models of nuclear growth. The potential of atomic force microscopy as a promising technique for the imaging of ZDTP filming action has been demonstrated. Ex-situ atomic force microscopy was conducted of electrode surfaces following reduction in Buⁿ-ZDTP solution under cyclic and RDE voltammetric conditions. Development of a variable elevated temperature apparatus for the study of Buⁿ-ZDTP under conditions more typical of an engine environment has been described. Application of the system to a wide range of electrochemical problems was demonstrated as an illustration of the advantages of this novel experimental approach. Studies of N, N, N/, N/-tetramethyl-p-phenylenediamine and tris(4-bromophenyl)amine oxidation yielded diffusion co-efficients (D) at elevated temperatures from which activation parameters for diffusion were obtained. Variation of D with temperature was compared to predicted theory according to the Stokes-Einstein and Wilke-Chang relationships. Studies of ortho-bromonitrobenzene and 9-chloroanthracene reduction demonstrated the elevated temperature apparatus to be a viable method for the interrogation of rapid kinetic processes. Both compounds are reduced according to an ECE mechanistic scheme where halide bond cleavage constitutes the chemical step. Since the use of microelectrodes permits "outrunning" of bond cleavage kinetics to give an n_eff of less than two, rate constants at varying temperatures were evaluated. Arrhenius plots were used to deduce activation parameters of halide bond cleavage in both compounds. Preliminary studies of Buⁿ-ZDTP redox activity under conditions more typical of an engine environment are discussed. Application of the novel microelectrode apparatus to an elevated temperature study of Buⁿ-ZDTP is described. Voltammetric investigations in toluene, a resistive solvent which serves as a convenient model for oil, are discussed.

Les réactions de couplage croisé catalysées par des métaux de transition permettant la formation de liaisons C-C et C-hétéroatome sont à la base de la synthèse d’intermédiaires clefs pour la chimie pharmaceutique, la chimie supramoléculaire et la chimie des matériaux. Cependant, certains catalyseurs métalliques utilisés sont reconnus comme étant assez coûteux ou toxiques. Le développement de catalyseurs alternatifs peu coûteux et écologiques, tels que les catalyseurs à base de cobalt qui ont déjà montré leur efficacité pour la formation de liaisons C-C, fait donc l’objet d’études. Nous avons décidé d’utiliser des organozinciques aromatiques fonctionnalisés, obtenus facilement à l’aide d'une réaction catalysée par CoBr2, dans des réactions de couplage catalysées par CoBr2 avec des chloro-diazines et -triazines aboutissant à la synthèse d’aryldiazines et -triazines. Des organozinciques benzyliques ont également pu être utilisés dans ces réactions permettant la synthèse de benzyltriazines. Nous avons également envisagé l’utilisation d’autres types de substrats. Des réactions de couplage catalysées par CoBr2 entre des organozinciques aromatiques et des méthylthiopyrimidines ou le 2- méthylthiobenzo[b]thiazole ont ainsi été réalisées, conduisant à la synthèse de 2,4- diarylpyrimidines ou de 2-arylbenzo[b]thiazoles. Nous avons également étudié la réactivité des dérivés du benzonitrile dans les couplages directs catalysés par CoBr2 avec des halogénures aromatiques basés sur l’activation de la liaison C-CN pour former des biaryles. Enfin, des réactions de couplage croisé C-N entre des halogénures aromatiques et l’aniline conduisant à la synthèse de diarylamines ont été étudiées / Transition metal-catalyzed cross-coupling reactions allowing the formation of C-C or C-Heteroatom bonds underlie the synthesis of key intermediates for pharmaceutical, supramolecular chemistry and material sciences. Thereby, the development of these methodologies is prominent and an increasing number of studies are devoted to these processes. However, some metallic catalysts are known to be rather expensive or toxic. Consequently, the development of alternative sustainable catalysts such as cobalt or ironbased catalysts has been studied over the past few years. Cobalt-catalysts have been little-used although they have shown to be effective for various C-C bond forming reactions. Functionalized arylzinc reagents can be readily obtained from the corresponding arylhalides using a CoBr2-catalyzed reaction. First we envisioned using these arylzinc reagents in CoBr2-catalyzed cross-coupling reactions with chlorodiazines and chlorotriazines leading to aryldiazines and aryltriazines. Benzylzinc reagents had also been used in these reactions and we synthesized various benzyltriazines in this manner. We also studied whether we can use other kind of substrates in these reactions. Thus, we performed CoBr2-catalyzed cross-coupling reactions between arylzinc reagents and methylthiopyrimidines or methylthiobenzo[b]thiazole derivatives leading to 2,4-diarylpyrimidines and 2- arylbenzo[b]thiazole. Then, we studied the reactivity of benzonitrile derivatives in direct cross-coupling reactions with arylhalide based on C-CN bond activation using CoBr2 as catalyst. Finally, we also carried out the study of CoBr2-catalyzed C-N cross-coupling reactions for the synthesis of diarylamines

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19726号 / 工博第4181号 / 新制||工||1645(附属図書館) / 32762 / 京都大学大学院工学研究科材料化学専攻 / (主査)教授 松原 誠二郎, 教授 吉田 潤一, 教授 中尾 佳亮 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Ce travail de thèse présente le développement de nouvelles réactions de formation de liaisons carbone-carbone. Le premier chapitre décrit la cyanation d’arylzinciques par catalyse au cobalt à partir d’une source non toxique et bénigne, le N-cyano-N-phenyl-p-methylbenzenesulfonamide (NCTS), et conduit à de bons rendements en benzonitriles correspondants. Dans cette réaction, le cobalt sert de catalyseur non seulement pour la formation des arylzinciques mais aussi pour la formation de liaisons C-CN. Les groupements fonctionnels, cétone et nitrile, sont permis lorsque le complexe de cobalt associé au ligand bipyridine est utilisé. Le deuxième chapitre porte sur l’homocouplage Csp3-Csp3. Un simple halogénure de cobalt permet de catalyser la dimérisation des halogénures d’alkyles et des acétates d’allyles avec de bons à d’excellents rendements. L’ajout d’iodure de sodium permet d’étendre cette réaction aux chlorures et tosylates d’alkyles. Le couplage croisé entre 2 halogénures d’alkyle différents a également été testé mais les conditions doivent être optimisées. Dans le troisième chapitre, le couplage croisé catalysé au cobalt entre des bromures vinyliques et des chlorures benzyliques est présenté. Des halogénures de vinyles et de benzyles porteurs de groupements electrodonneurs ou electroattrateurs peuvent ainsi être couplés efficacement avec rétention de la configuration de la double liaison. Un mécanisme radicalaire semble être impliqué. Enfin, le dernier chapitre décrit l’arylation d’une 2-phenylpyridine avec un arylzincique par catalyse au cobalt par activation d’une liaison C-H et conduit à de premiers résultats encourageants. / This thesis presents the development of cobalt-catalyzed carbon-carbon bonds formation. The first chapter describes a novel cobalt-catalyzed electrophilic cyanation of arylzinc species, employing benign and non-toxic N-cyano-N-phenyl-p-methylbenzenesulfonamide (NCTS) as the cyano source. In this reaction, cobalt catalyzes both the formation of arylzinc species and the cyanation reaction. Various benzonitriles are synthesized affording good to excellent yields. Using cobalt-bipyridine complexes instead of CoBr2, ketone and nitrile groups can be tolerated. The second chapter reports cobalt-catalyzed Csp3-Csp3 homocoupling reaction. A simple catalytic system could deliver dimers of a number of alkyl halides/pseudohalides and allylic acetates. Sodium iodide is crucial for the homocoupling of unactivated alkyl chlorides and tosylates. This method is extended to alkyl-alkyl cross-coupling; however, the conditions still need to be optimized. The third chapter describes a cobalt-catalyzed vinyl-benzyl cross-coupling. A variety of functionalized vinyl bromides and benzyl chlorides are efficiently coupled under mild conditions in good to excellent yields, with retention of Z/E configuration. A few mechanistic experiments indicate a single electron transfer involved. The last chapter discusses the progress on the cobalt-catalyzed arylation of 2-phenylpyridine with an arylzinc species by C-H activation and promising results are obtained.

<p dir="ltr">Vinylidenes are highly reactive intermediates that undergo a variety of chemical reactions. Our group has pioneered the in-situ generation of vinylidenes from bench stable 1,1-dichloroalkenes using transition metal catalysts and an exogenous reductant.</p><p dir="ltr">Herein, we demonstrate the intramolecular insertion of vinylidenes into Si–H bonds for the synthesis of unsaturated silacycles of different ring sizes. It is well known that the replacement of carbon for silicon are of significant interest to medicinal chemists as a strategy for improving the potency or pharmacokinetic properties of biologically active compounds. This method provides convenient access to trisubstituted vinyl silanes which are synthesized intermolecularly, including those that can be used as nucleophilic partners in Hiyama cross-coupling reactions. Finally, deuterium isotope labelling experiments reveal interesting mechanistic features of the reaction.</p><p dir="ltr">The second chapter of the thesis further highlights the reactivity of vinylidenes through utilizing a cobalt catalyst. Vinylidene complexes can be added into an alkyne intramolecularly followed by a cobalt to zinc transmetalation step. The resulting organozinc intermediate can be trapped with various electrophiles. Further, by altering the reaction condition, the cobaltacycle intermediate can be accessed using π systems to form different cycloadducts.</p>

Transition metal catalysis is a powerful tool for the construction of biologically active and pharmaceutically relevant architectures. With the challenge of continually depleting resources that this generation of scientists faces, it is becoming increasingly important to develop sustainable technologies for organic synthesis that utilize abundant and renewable feedstocks while minimizing byproduct formation and shortening the length of synthetic sequences by removing unnecessary protecting group manipulations and functionalizations. To this end, we have developed four new methods that transform inexpensive starting materials to valuable products. This dissertation covers the following key areas: 1) activation of CO2 for a mild and functional group tolerant synthesis of carboxylic acids, 2) oxidative twofold C–H bond activations as a strategy toward biaryls, 3) migratory O- to N-rearrangements in pyridines and related heterocycles for the preparation of N-alkylated heterocycles, and 4) asymmetric hydrogenations of cyclic imines and enamines en route to chiral 1,2- and 1,3-diamines and macrocyclic peptides.

Transition metal catalysis is a powerful tool for the construction of biologically active and pharmaceutically relevant architectures. With the challenge of continually depleting resources that this generation of scientists faces, it is becoming increasingly important to develop sustainable technologies for organic synthesis that utilize abundant and renewable feedstocks while minimizing byproduct formation and shortening the length of synthetic sequences by removing unnecessary protecting group manipulations and functionalizations. To this end, we have developed four new methods that transform inexpensive starting materials to valuable products. This dissertation covers the following key areas: 1) activation of CO2 for a mild and functional group tolerant synthesis of carboxylic acids, 2) oxidative twofold C–H bond activations as a strategy toward biaryls, 3) migratory O- to N-rearrangements in pyridines and related heterocycles for the preparation of N-alkylated heterocycles, and 4) asymmetric hydrogenations of cyclic imines and enamines en route to chiral 1,2- and 1,3-diamines and macrocyclic peptides.

Les réactions multicomposants sont des réactions faisant intervenir au minimum trois composés pour la préparation d'un produit contenant la majeure partie des atomes de départ. Elles constituent l'un des procédés les plus performants en synthèse organique. En diminuant les coûts et les rejets par rapport aux réactions classiques de chimie organique, elles sont également plus économes et plus respectueuses de l'environnement. De plus, en permettant la formation rapide et efficace d'une large librairie de molécules complexes à partir de substrats simples, elles représentent un outil à forte valeur ajoutée dans le domaine pharmaceutique pour l'élaboration de chimiothèques. Face à ces enjeux, le laboratoire a développé en 2006 une réaction multicomposants de type Mannich entre des organozinciques, des amines et des aldéhydes. Cette réaction permet la synthèse efficace d'une variété importante de diarylméthylamines, dont la structure amine α,α-disubstituée est rencontrée dans de nombreux composés d'intérêt pharmacologique.A partir de ces travaux, il a été envisagé d'étendre la réaction multicomposants à la préparation de β-amino esters N-protégés. La réaction a été mise au point à partir d'un acrylate, d'une imine préformée et d'un organozincique aromatique formé in situ dans des conditions de type Barbier. Ces conditions opératoires présentent l'avantage d'éviter l'étape préliminaire de formation de l'organométallique.Par la suite, lors d'essais portant sur le développement d'une réaction à quatre composants entre un aldéhyde, un sulfonamide, un acrylate et un halogénure aromatique, nous avons observé, lorsque le manganèse est utilisé comme réducteur du bromure de cobalt, la formation majoritaire d'un diarylméthylsulfonamide résultant d'une nouvelle réaction à trois composants entre l'aldéhyde, l'amine primaire et le dérivé halogéné. Les conditions opératoires ont donc été optimisées afin de synthétiser de nombreuses diarylméthylsulfonamides.Enfin, en se basant sur la différence de réactivité des deux atomes de brome d'un composé dibromé, il a été envisagé la synthèse en deux étapes d'indolines en partant de bromure de benzyle ortho-bromé, par l'intermédiaire d'une réaction de Mannich benzylique puis une seconde étape d'amination aromatique intramoléculaire, catalysée au palladium. / Multicomponent reactions are processes in which at least three starting materials react together to form a product containing most of the starting atoms. They constitute one of the most efficient processes in synthetic organic chemistry. They are also more economical and environmentally friendly than classic organic reactions. Moreover, since they allow a straightforward access to large libraries of compounds containing the same core unit, they represent a valuable tool for pharmaceutical industries, especially for high-throughput screening. In 2006, the laboratory developed a Mannich-type multicomponent reaction between aromatic organozinc compounds, aldehydes and secondary amines allowing the efficient preparation of diarylmethylamines. These structures, and more generally the α,α-disubstituted amine core unit, are found in a large range of compounds displaying diverse pharmacological properties. On the basis of this work, it was planned to extend the reaction to other families of compounds, N-protected β-amino esters and diarylmethylsulfonamides. In the first part of this work, a range of β-amino esters have been prepared starting from in situ-generated aromatic organometal compounds (Barbier-like conditions), acrylates and preformed sulfonylimines. These conditions present the advantage to avoid the pre-formation of the organometallic compound. Thereafter, during tests pertaining to the development of a four component reaction between an aldehyde, a sulfonamide, an acrylate and an aromatic halide, it was observed the major formation of diarylmethylsulfonamide resulting from the three-component reaction between the aldehyde, the primary amine and the halide, when manganese is used as the reducer of cobalt bromide. The experimental conditions were thus optimized in order to synthesize many diarylmethylsulfonamides.Lastly, based on the difference of reactivity between benzylic and aromatic C-Br bonds, it was described the two-step synthesis of various 1,2-substituted indolines starting from ortho-brominated benzyl bromide by means of a benzylic Mannich-like reaction followed by palladium-catalyzed intramolecular amination of the aromatic ring

Les cyclopropanes sont des motifs structuraux importants en chimie médicinale. Parmi les synthèses existantes du fragment aminocyclopropane, les réactions dérivées de la réaction de Kulinkovich, appliquées aux amides et aux nitriles, sont des méthodes simples d'accès. Cependant, il n'existe pas de version asymétrique efficace. Dans une première partie, l'étude de l'utilisation de complexes de titane optiquement actifs pour la préparation de spirolactames chiraux à partir de cyanoesters a été réalisée. Ce travail a permis de mettre au point une méthode d'évaluation rapide de ligands chiraux dont leur criblage a montré que les composés de la famille du Taddol fournissent les meilleurs excès énantiomériques. L'énantiosélectivité demeure cependant actuellement trop faible pour présenter un intérêt en synthèse. Dans une seconde partie, la synthèses de carbinamines tertiaires, un autre motif important, a été étudié à partir d'acylcyanhydrines et d'organométalliques. En particulier, la synthèse d'une bibliothèque d'acides aminés quaternaires a été entreprise à partir d'hydroxyamides. L'incorporation de deux organométalliques différents sur des acylcyanhydrines a été également effectuée conduisant à l'obtention d'hydroxyamides chiraux sous forme racémique. Enfin, l'emploi de réactifs organozinciques allyliques nous a permis d'accéder à de très bons rendements en produits de double addition. Ces hydroxyamides ont été ensuite valorisés comme précurseurs de plateformes multifonctionnelles pour la ligation chimique. / Cyclopropylamines are important scaffolds in medicinal chemistry. Among the syntheses of the aminocyclopropane moiety, the Kulinkovich-related reactions applied to amides and nitriles furnish straightforward access. However, no efficient asymmetric version has been published to date. In a first part, the study of optically active titanium complexes for the preparation of chiral spirolactams from cyanoesters has been undertaken. This work allowed us to setup a quick evaluation method for chiral ligands whose screening revealed that Taddol and its derivatives lead to the best enantiomeric excesses. However, the enantioselectivity remains too low for synthetic purposes. In a second part, the synthesis of tertiary carbinamines, another important scaffold, has been studied from acylcyanohydrins and organometallics. Notably, the synthesis of a quaternary aminoacids library was achieved. The incorporation of two different organometallics on acylcyanohydrins was also undertaken, leading to the preparation of chiral hydroxyamides in a racemic fashion. Lastly, very good yields in double addition products were obtained by using allylic organozinc reagents. The obtained hydroxyamides were used as precursors of polyfunctional linkers for the chemical ligation.

Les réactions multicomposant sont des réactions faisant intervenir au minimum trois composés pour la préparation d'un produit contenant la majeure partie des atomes de départ. Elles constituent l'un des procédés les plus performants en synthèse organique. En diminuant les coûts et les rejets par rapports aux réactions classiques de chimie organique, elles sont également plus économes et plus respectueuses de l'environnement. De plus, en permettant la formation rapide et efficace d'une large librairie de molécules complexes à partir de substrats simples, elles représentent un outil à forte valeur ajoutée dans le domaine pharmaceutique pour l'élaboration de chimiothèques. Face à ces enjeux, le laboratoire a développé en 2006 une réaction multicomposant de type Mannich entre des organozinciques aromatiques, des amines secondaires et des aldéhydes. Cette réaction permet la synthèse en une étape d'une variété de diarylméthylamines, dont la structure amine α,α-disubstituée est rencontrée dans de nombreux composés d'intérêt pharmacologique. A partir de ces travaux, le premier objectif du projet de thèse a été d'étendre la réaction multicomposant à d'autres types d'amines α,α-disubstituées. Tout d'abord, la préparation de nombreuses β-aryléthylamines, et notamment d'α-aminoesters, a été mise au point de manière rapide et efficace à l'aide d'organozinciques benzyliques formés in situ dans des conditions de type Barbier. Ces conditions opératoires présentent l'avantage d'éviter l'étape préliminaire de formation de l'organozincique. En raison de l'intérêt de ces composés, la synthèse d'α-aminoesters à partir d'organozinciques aromatiques a ensuite été réalisée, en préformant l'organométallique à partir du dérivé bromé correspondant par une catalyse au cobalt. Au delà de l'extension de cette réaction, le deuxième objectif du projet de thèse a été de développer des versions diastéréosélectives de la réaction multicomposant à partir d'amines chirales. Des résultats corrects en termes de diastéréosélectivité ont été obtenus, notamment à l'aide de (R)-phényléthylamine. Dans un dernier temps, le mécanisme réactionnel a été étudié par suivi de la réaction par infrarouge à l'aide d'un appareillage ReactIR. Les données receuillies sur les intermédiaires réactionnels potentiels serviront de base pour l'élaboration de stratégies énantiosélectives / Multicomponent reactions are processes in which at least three starting materials react together to form a final compound containing most of the starting atoms. They constitute one of the most efficient processes in synthetic organic chemistry. They are also more economical and environmentally friendly than classic organic reactions. Moreover, since they allow a straightforward access to large libraries of compounds containing the same core units, they represent a valuable tool for pharmaceutical industries, especially for high-throughput screening. In 2006, the laboratory developed a Mannich-type multicomponent reaction between aromatic organozinc compounds, aldehydes and secondary amines allowing the efficient preparation of diarylmethylamines. These structures, and more generally the α,α-disubstituted amine core unit, are found in a large range of compounds displaying diverse pharmacological properties. The main purpose of this PhD project was to extend the multicomponent process to other types of α,α-disubstituted amines. In the first part of this work, a range of β-arylethylamines, and in particular those bearing a carboxyethyl group at the position α to the nitrogen, have been prepared starting from in situ-generated benzylic organozinc compounds (Barbier-like conditions), carbonyl compounds and primary or secondary amines. These conditions present the advantage to avoid the pre-formation of the organometallic compound. Due to their broad potential applications, the synthesis of α-aminoesters has also been undertaken starting from functionalized aromatic organozinc species. It could be noticed that in this case, due to possible side-reactions, the formation of the organometallic reagent had to be undergone prior to the three-component coupling. In a second part of this work, diastereoselective versions of the reaction have been developed starting from chiral amines. Interesting results, regarding both chemical yields and diastereoselectivity, have been obtained, especially with (R)-phenylethylamine. Concomitantly, the mechanism was evaluated via the monitoring of the reaction by in-situ infrared spectroscopy (ReactIR apparatus). Data obtained should help to develop strategies for the further development of enantioselective versions of the reaction