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Seven naturally occurring pyranocarbazole alkaloids (pyrayafoline A–E, O-methylmurrayamine A and O-methylmahanine) have been obtained by total synthesis using a palladium(II)-catalysed oxidative cyclisation of a diarylamine to an orthogonally diprotected 2,7-dihydroxycarbazole as key step.

Dissertation (Ph.D.)--Auburn University, 2007. / Abstract. Vita. Includes bibliographic references (p.238-254).

L’objectif a été de développer de nouvelles stratégies d’accès à des hétérocycles soufrés originaux, impliquant des processus domino métallo-induits. Une première étude a consisté en la synthèse de nouveaux hétérocycles soufrés pas des réactions domino pallado-catalysées impliquant une réaction de cyclocarbopalladation 5 ou 6-exo-dig suivie d’un couplage croisé C-C. A partir de substrats soufrés pré-organisés comportant une triple liaison CC, nous avons synthétisé des molécules comportant un hétérocycle soufré fusionné à un cycle benzénique, présentant une double liaison exocyclique tétrasubstituée stéréodéfinie. Ensuite, nous avons développé une méthode de synthèse d’aryle thiocyanates à partir de thiols ou dedisulfures, en utilisant pour la première fois le CuCN comme agent de S-cyanation. Cette transformation a été intégrée dans une réaction domino tricomposante. A partir d’un 2-aminobenzènedisulfure, du CuCN et d’un électrophile, des 2-aminobenzothiazoles ont été synthétisés. / The objective was to develop new accesses to original sulfur heterocycles involving metal-mediated processes.The first study allowed the development of new palladium-mediated syntheses of original sulfur heterocycles involving a 5 or 6-exo-dif cyclocarbopalladation reaction followed by a C-C crosscoupling. Starting from pre-organized sulfur substrates containing a C-C triple bond, we have synthesized original benzene-fused sulfur rings bearing an exocyclic, stereodefined, all-substituted double bond. In a second study, we have developed a new synthesis of aryl thiocyanates starting from thiols or disulfides using for the first time CuCn as S-cyanation agent. Then, this method taking place through a copper-mediated oxidative coupling, under mild conditions, was integrated in a three-component domino reaction involving a 2-aminobenzene disulfide, copper cyanide and an electrophile allowing the synthesis of polyfunctionalized 2-aminobenzothiazoles in good yields.

Les phosphines alkyl primaires ont la réputation d’être des composés très sensibles à l’air, parfois même pyrophoriques. Pour cette raison, leur application en tant que ligands est assez restreinte. L'introduction de substituants encombrants qui peuvent stabiliser les phosphines primaires est une méthode pour diminuer leur sensibilité à l'oxygène. Les hydrocarbures ayant une structure cage, comme les diamantoïdes, peuvent donc être des substituants idéaux pour stabiliser les phosphines primaires. Le travail décrit dans cette thèse porte sur la synthèse et les applications de phosphines primaires diamantoïdes. Premièrement, leur utilisation en tant que blocs de construction pour l’élaboration des matériaux organo-hybrides via des dépôts en phase vapeur sera illustrée. D'autre part, leur utilisation en tant que ligands dans des réactions d'arylation de N-hétérocycles (typiquement l’indole) catalysées par des métaux sera présentée.Une avancée importante dans la chimie des diamantoïdes est représentée par leur découverte et leur isolement en grande quantités à partir de sources naturelles telle que le pétrole. La fonctionnalisation des diamantoïdes composés d'un plus grand nombre de cages que l'adamantane a été explorée pour la première fois au milieu des années 60. Diverses fonctions chimiques ont été introduites sur le squelette type cage de ces hydrocarbures, résultant en de nouveaux dérivés aux propriétés exceptionnelles. Afin d'explorer pleinement le potentiel de ces molécules, la dissymétrisation des cages a été étudiée en tant que moyen d'obtention des blocs structurels bien définis avec deux fonctionnalités différentes. Auparavant, l’obtention de deux fonctions chimiques différentes sur le squelette de ces hydrocarbures a été rendue possible par des séquences de protection / déprotection.Notre premier objectif était de développer une nouvelle approche synthétique gouvernée par la réaction contrôlée de manière cinétique dans des milieux acides forts donnant accès direct à des diamantoïdes difonctionnalisés. Cette stratégie a été développée avec succès pour les diamantoïdes phosphorylés qui, après réduction, ont donné une nouvelle classe de phosphines alkyle primaires qui se sont révélées relativement stables à l'air. La post-fonctionnalisation de ces phosphines a également été réalisée et sera discutée dans la section des résultats non-publiés.Des progrès révolutionnaires ont été accomplis au cours de la dernière décennie dans le domaine des nanomatériaux à base de carbone sp2, tels que les fullerènes, les nanotubes de carbone et les graphènes. En comparaison, les matériaux basés sur du carbone sp3, tels que ceux incorporant des diamantoïdes, composés qui combinent à la fois quelques caractéristiques uniques du diamant et des nanostructures de carbone, restent mal connus à ce jour. Dans ce chapitre, la synthèse d'un nouveau matériau organohybride ayant une structure constituée d’un coeur organique (diamantoïde) et d’une surface métallique (typiquement, palladium ou platine) sera discutée.L'indole est un hétérocycle azoté largement intégré en chimie médicinale comme sous-unité structurale de médicaments pour le traitement du diabète de type 2, du cancer et du VIH. Ce motif est également présent dans une variété de produits naturels, constituant ainsi une cible en synthèse organique. Trois stratégies de synthèse sont possibles pour obtenir des indoles fonctionnalisés et seront décrites dans la section d'introduction.Dans ce chapitre, l'activation C–H en position C2 du (N–H) indole sera décrite. Cette réaction a été conduite en milieux aqueux, sous air, et à l’aide des phosphines primaires diamantoïdes décrites dans le Chapitre 1 utilisées ici comme ligands du palladium en milieu biphasique. Les iodures d'aryle ont été testés en tant que partenaires de couplage, et la réaction s’est révélée sélective pour la position C2 avec des très bons rendements. / Widespread application of primary alkyl phosphines is limited due to their high sensitivity towards oxidation, often resulting in pyrophoricity. Introduction of bulky substituents that can kinetically stabilize primary phosphines is one method for decreasing their oxygen sensitivity. Bulky cage hydrocarbons like diamondoids, which are naturally occurring molecules, can therefore be ideal substituents for stabilizing primary phosphines. The work described herein deals with the synthesis and applications of primary diamondoid phosphines. Firstly, they are used as building blocks for the construction of organo-hybrid materials by mild vapor deposition, and secondly, as ligands in metal catalyzed arylation reactions of N-heterocycles.An important advance in the chemistry of diamondoids was made possible after their discovery and isolation in large quantities from natural sources like petroleum. Functionalization of diamondoids composed of higher number of cages than adamantane was first explored in the mid-1960s. Various functionalities have been introduced onto diamondoids resulting in new derivatives with outstanding properties. In order to fully explore the potential of these molecules, desymmetrization of the cages was investigated as a means for obtaining well-defined structural building blocks with two different functionalities suitable for thin film growth. This process had been achieved previously only by protection/deprotection sequences.Our first aim was to develop a new synthetic approach governed by the kinetically controlled reaction in strong acidic media, which enables direct access to unequally functionalized diamondoids. This type of reaction was successful for phosphorylated diamondoids which upon reduction gave diamondoid primary phosphines, a new class of pure alkyl primary phosphines that were found to be relatively air stable. Further post-functionalization of these molecules was also achieved and will be discussed in the unpublished results section.Revolutionary progress was made during the last decade in the area of novel carbon nanomaterials, such as sp2-C based fullerenes, nanotubes, and graphenes. In comparison, sp3-C materials based on a diamondoid scaffold that combines the unique features of both diamond and carbon nanostructures are unknown to date.Unlike metal nanocomposites based on sp2-carbon skeletons, which benefit from a rich surface chemistry due to many functional groups, metal/sp3-carbon based nanostructures are much less developed and many challenging functionalization issues remain. In this chapter, the synthesis of novel organohybrid material with core-shell like structure will be discussed. The core of the hybrid is made of organic molecules, namely diamondoids, and the shell is made of a thin transition metal layer, such as palladium or platinum.Indole is a nitrogen-containing heterocycle widely used in medicinal chemistry as a structural subunit of drug candidates for the treatment of type 2 diabetes, cancer and HIV. This scaffold is also present in a variety of natural products, therefore constituting a target in organic synthetic chemistry. Three synthetic strategies are possible to obtain functionalized indoles and will be described in the introduction.In this chapter, the C–H activation of unprotected indole moiety in position 2 of the heterocycle will be described. The reaction was done in aqueous media under aerobic conditions and diamondoid primary phosphines were used as ligands in this biphasic synthesis. Aryl iodides were tested as coupling partners and the reaction was selective for the C2 position affording excellent yields of the desired arylated indoles. With aryl bromides, a loss in selectivity was observed; yet the reaction proceeded with a surprising P/Pd ratio of 0.5/1.

Ces travaux de thèse nous ont permis de mettre au point différentes voies de synthèse de systèmes polycycliques complexes tels que des fenestradiènes et des cyclooctatriènes, par réactions en cascades palladocatalysées. Celles-ci débutent par une réaction de cyclocarbopalladation 4-exo-dig et est suivie par un couplage de Sonogashira. Dans des conditions adéquates, une réaction d'addition d'alcyne sur une triple liaison a ensuite lieu et [permet] d'accéder à un intermédiaire de type tétraène, dont les quatre doubles liaisons conjuguées permettent au système de subir spontanément une électrocyclisation à huit électrons. Sous contrôle des conditions d'irradiation, une réaction supplémentaire d'élecrocyclisation à six électrons re s'effectue alors. Plusieurs exemples de [4.6.4.6] fenestradiènes, ainsi que des cyclooctatriènes 6-4-8 et 7-4-8 comportant des différents substituants ont ainsi été synthétisés, en partant du même substrat de départ de structure relativement simple et en utilisant des réactifs et catalyseurs courants. Notre étude souligne notamment la remarquable régiosélectivité de la réaction d'addition d'alcyne qui se déroule lors de cette cascade réactionnelle catalysée au palladium. / This PhD thesis focuses on the study of methodologies employing cascade reactions and allowed access to a large variety of highly tense and functionalized polycyclic structures as fenestradienes and cyclooctatrienes. Those cascades reactions are initiated by a 4-exo-dig cyclocarbopalladation followed by a Sonogashira cross-coupling. Under appropriate conditions, an alkyne addition reaction on a triple bond allow to access a tetraene intermediate, Those four conjugated double bonds realize a conrotatory Sn electrocyclization. Under microwave irradiation conditions control, a supplementary 6n lectrocyclization can be performed. Several examples of [4.6.4.6] fenestradienes, 6-4-8 and 7-4-8 cyclooctatrienes have been synthesized, employing the same starting material and widely used catalysts and reactants. A particular attention is paid to alkyne addition reaction, which is carried out in the studied palladocatalyzed cascade reaction.

Ph.D. / This thesis deals with the synthesis of nitrogen-donor compounds and their reaction with metal ions. The first type of nitrogen-donor compounds are the unconjugated diimines (N,N´-bis(diphenylmethylene)ethylenediamine (L1) and (N,N´-bis(diphenylmethylene)propylenediamine (L2). Compounds L1 and L2 were reacted with [NiBr2(DME)] or [NiCl2·6H2O] to form complexes (2.1a), (2.2a), (2.3a) and (2.4a). These nickel complexes were characterized by IR spectroscopy, elemental analysis and mass spectrometry. When the complexes were left in chloroform for prolonged periods, hydrolysis of the diimine ligand took place, leading to the formation of nickel complexes 2.1b, 2.2b, 2.3b and 2.4b. The identity of the hydrolysed nickel complexes 2.1b and 2.2b was confirmed by single crystal X-ray crystallography. Complex 2.1b crystallised in the P21/n space group, whilst 2.2b crystallised in the P-1 space group. Compounds L1 and L2 were also reacted with [PdClMe(MeCN)2] to form the palladium complexes (3.1) and (3.2). The palladium complexes were characterized by NMR spectroscopy, elemental analysis and single crystal X-ray crystallography. Attempts to recrystallize 3.1 from a dichloromethane solution led to the formation of 3.1a. Both complexes 3.1a and 3.2 crystallised in the P21/n space group. Complexes 3.1 and 3.2 were tested as catalysts for the Heck coupling reaction of iodobenzene with methyl acrylate or butyl acrylate at 80 C. The products from the coupling reactions were characterized by GC and NMR spectroscopy. These complexes were found to be highly active with 100% conversions observed in some instances. The second type of ligands that were prepared are the benzoylpyrazolyl compounds, (3,5-dimethylpyrazol-1-yl)phenylmethanone (C1), (3,5-ditertiarybutylpyrazol-1-yl)phenylmethanone (C2), (3,5-dimethylpyrazol-1-yl)-o-toluoylmethanone (C3), (3,5-ditertiarybutylpyrazol-1-yl)-o-toluoylmethanone (C4), (2-chlorophenyl)-(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)methanone (C5), (2-chlorophenyl)-(3,5-ditertiarybutylpyrazol-1-yl)methanone (C6), (2-flourophenyl)-(3,5-dimethylpyrazol-1-yl)methanone (C7), (2-flourophenyl)-(3,5-ditertiarybutylpyrazol-1-yl)methanone (C8). These compounds were fully characterized using NMR spectroscopy, IR spectroscopy and elemental analysis. Compounds C1, C3, C5 and C7 were reacted with [NiBr2(DME)] to form nickel complexes (4.31-4.34). These nickel complexes were found to be insoluble in all common organic solvents and hence were characterized only by IR spectroscopy and elemental analysis. Compounds C1-C8 were also reacted with [PdCl2(MeCN)2] to form palladium complexes (4.35-4.42). Complexes 4.35-4.42 were characterized using NMR spectroscopy, IR spectroscopy, elemental analysis and in selected cases single crystal X-ray crystallography. Complex 4.39 crystallised in the C2/n space group and complex 4.42 crystallised in the P21/n space group. Attempts to recrystallize 4.37a led to the formation of 4.37b, which contains both 3,5-dimethylpyrazol-1-yl)-o-toluoylmethanone and 3,5-dimethylpyrazole as ligands. Complex 4.37b was confirmed by NMR spectroscopy and single crystal X-ray crystallography. Complex 4.37b crystallised in the Pbca space group. The formation of 4.37b is attributed to hydrolysis of 3,5-dimethylpyrazol-1-yl)-o-toluoylmethanone ligand in 4.37a due to the presence of adventitious water in the solvent. The palladium complexes (4.35-4.42) were tested as catalysts for the Heck coupling reaction of iodobenzene with butyl acrylate and also for the Suzuki coupling reaction of iodobenzene with phenylboronic acid or 4-chlorophenylboronic acid. In these reactions, complexes 4.35-4.42 were found to be highly active at 120 C. The pyrazolyl nickel and palladium complexes were further tested as catalysts in ethylene oligomerization reactions using EtAlCl2 as the co-catalyst. The nickel complexes were found to be the most active reaching TONs of 10.8105 g mol-1 h-1. The palladium analogues only gave TONs of up to 3.9105 g mol-1 h-1. The oligomers were characterized by GC and NMR spectroscopy and were found to be in the C10-C16 range, with C16 the most abundant olefin.

Le recyclage des métaux de valeur apparait aujourd'hui comme une stratégie envisageable d'approvisionnement durable en certains métaux. Le palladium (Pd), ainsi que les autres platinoïdes (Platinum Group Metal, PGM) et les éléments de la famille des terres rares (Rare Earth Elements, REEs), représente l'un des problèmes cruciaux dans le processus de récupération. Les malonamides sont des molécules amphiphiles neutres qui ont prouvé leur efficacité pour l'extraction des lanthanides. Ces extractants ont été très étudiés en milieu nitrique dans le domaine de la séparation actinides-lanthanides lors du retraitement du combustible nucléaire. Dans ce cadre, notre but a été d'étudier le recyclage du palladium par extraction liquide / liquide (L/L) en milieu nitrique par un malonamide: le DMDOHEMA. Différents paramètres expérimentaux, tels que la cinétique, le pH, la concentration en extractant et en nitrate ont été étudiés en détail. Dans certaines conditions expérimentales, une troisième phase solide riche en palladium apparaît à l'interface. Ces troisièmes phases ont été analysées par RMN, IR et XPS. Les mécanismes d'extraction impliqués ont été étudiés par l'analyse complète des phases organiques, y compris la spéciation chimique au niveau moléculaire (chimie de coordination par RMN, IR, DRX) et l'organisation supramoléculaire (études SAXS et RMN). Les complexes de palladium ont été identifiés et caractérisés. Les similarités et les différences de comportement en extraction par le DMDOHEMA entre le palladium et les lanthanides ont été mises en évidence. Ces éléments peuvent être à la fois co-extraits ou séparés selon les conditions expérimentales. / Recycling of valuable metals appears as a solution of growing interest for a sustainable supply strategy nowadays. Palladium (Pd), along with other platinum group metals (PGM) and rare earth elements (REEs), represents one of the crucial issues in recovery processes. Malonamides are neutral amphiphilic molecules which have proved their potency for the extraction of lanthanides. These extractants in nitric media were thoroughly studied in frame of nuclear fuel treatment towards lanthanide-actinide separation. Within this framework, our purpose was to study liquid/liquid (L/L) extraction towards palladium recovery from nitric media by a malonamide: the DMDOHEMA. Various parameters such as as equilibration time, pH, extractant and nitrate concentrations were investigated in detail. In some experimental conditions, a palladium-rich solid third phase appears at the interface. These third phases were deeply analyzed with NMR, IR and XPS. Mechanistic studies involved complete analysis of the organic phases, including chemical speciation at the molecular level (coordination chemistry with NMR, IR, XRD), and supramolecular ordering characterization (with SAXS and NMR). Palladium complexes were identified and characterized. Similarities and differences between palladium and lanthanides behavior during extraction were evidenced and both can be efficiently co-extracted or separated according to different experimental conditions.

Les réactions d’addition de nucléophiles sur des oléfines catalysées au palladium (II) suscitent depuis plusieurs années un intérêt considérable. Les mécanismes entrant en jeu lors de ce type de réactions ne sont toutefois pas si évidents, nucléopalladation et activation de liaisons C-H allylique étant deux types de réactivités ayant lieu avec les mêmes substrats et conditions réactionnelles. Nous avons alors réalisé une étude permettant de définir les mécanismes entrant en jeu lors de cyclisations oxydantes de nucléophiles azotés et oxygénés insaturés catalysées au Pd(II). Les résultats de cette étude suggèrent l’existence d’un équilibre rapide entre le substrat et l’Intermédiaire NucléoPalladé (INuP) correspondant. Ce dernier peut alors subir une β-H élimination lorsqu’un hydrogène en position distocyclique est disponible. Dans ce cas, l’INuP est considéré comme une espèce éveillée. En revanche, lorsque seul un hydrogène en position proxicyclique est disponible, la déshydropalladation est partiellement ou totalement interdite, l’INuP est alors considéré comme une espèce dormante. La formation de ce dernier étant réversible, l’activation de la liaison C-H aura alors lieu, permettant l’obtention d’hétérocycles vinyliques. Nous sommes ensuite parvenus à réaliser cette β-H élimination proxicyclique jusqu’alors jugée impossible, et ce en utilisant des conditions aérobies bien spécifiques. Des études mécanistiques ont révélé l’importance de la présence d’un contre-ion chlorure, ainsi que de l’utilisation d’une monophosphine. Nous avons également pu démontrer que l’étape d’aminopalladation procède via une stéréochimie trans. Cette réaction a permis l’obtention de nouvelles méthylidene-pyrrolidinones fonctionnalisées. / Although the Pd(II)-catalyzed addition of nucleophiles to olefins has been much described in literature, the in-depth mechanism of such type of process is far from being a simple matter. Indeed, nucleopalladation and allylic C-H activation are two competing reactivities sharing the same type of substrates and reaction conditions. Accordingly, we have undertaken a study aimed at understanding the detailed mechanism of oxidative Pd(II)-catalyzed cyclizations of unsaturated nitrogen based- and oxygen based- nucleophiles. The results of this study strongly suggest the existence of a rapid equilibrium between the substrate and the corresponding cyclic NucleoPalladated Intermediate (NuPI), which can further evolve via easy β-H elimination when a distocyclic H position is involved. In this case, the NuPI is qualified as an evolving species. Contrarily, when only a proxicyclic H position is available, β-H elimination is totally or partially forbidden. In this case, the NuPI is qualified as a dormant species. Then, the formation of the NuPI being reversible, C-H activation will take place affording the corresponding vinylic heterocycle. In a second part, we managed to achieve the otherwise forbidden proxicyclic β-H elimination by using specific aerobic conditions. Mechanistic studies revealed the importance of the presence of chloride conter-ion as well as the use of monophosphine. At the same time, we also demonstrated that the aminopalladation step took place according to a trans stereochemistry. This reaction led to the formation of new functionalized methylidene-pyrrolidinones.

Durant toute ma période de doctorat, passé en co-tutelle entre l'Università degli Studi dell'Insubria et l'UPMC de Paris, j'ai dirigé mes efforts vers l'étude de la formation des liaisons C-O et C-N par de nouvelles réactions catalysées par des métaux de transition.En poursuivant notre projet en cours sur les réactions d'amination et d'alcoxylation catalysées par des métaux de transition intra- et intermoléculaires impliquant la fonctionnalisation C-H, nous avons essayé de réaliser deux procédures d'alcoxylation intramoléculaire de liaisons multiples carbone-carbone pour obtenir des hétérocycles oxygénés et une amination allylique oxydante intermoléculaire pour réaliser des scaffolds azotés.Effectuées au niveau intramoléculaire, les réactions catalysées par des métaux de transition offrent une stratégie polyvalente pour obtenir des molécules cycliques, difficilement obtenues par des méthodes de synthèse conventionnelles et à partir de matériaux de départ facilement disponibles, et représentent l'une des méthodologies clés pour le progrès de la chimie verte et durable.En ce qui concerne les protocoles d'alcoxylation, deux lignées de recherche différentes basées sur la catalyse des métaux de transition appliqués aux réactions de domino ont été étudiées.Les processus domino sont des outils efficaces pour augmenter rapidement la complexité moléculaire par la formation de plus d'une liaison en une seule étape, en respectant la règle de l'économie. Bien que l'approche domino impliquant des alcènes et des allènes soit bien étudiée, des exemples impliquant des alcynes sont quelque peu limités dans la littérature. / During the whole period of my PhD, spent in co-tutorship between Università degli Studi dell’Insubria and UPMC in Paris, I have directed my efforts towards the study of C-O and C-N bonds formation by new transition metal-catalyzed reactions.Pursuing our ongoing project on intra- and intermolecular transition metal-catalyzed amination and alkoxylation reactions involving C-H functionalization, we tried to perform two intramolecular alkoxylation procedures of carbon-carbon multiple bonds to obtain oxygenated heterocycles and one intermolecular oxidative allylic amination to accomplish nitrogen-based scaffolds.Performed at intramolecular level, transition metal-catalyzed reactions offer a versatile strategy to obtain cyclic molecules, not easily obtainable by conventional synthetic methods and starting from readily available starting materials, and represent one of the key methodologies for the progress of green and sustainable chemistry. Dealing with alkoxylation protocols, two different research lines based on transition metal catalysis applied to domino reactions were investigated. Domino processes are efficient tools to rapidly increase the molecular complexity through the formation of more than one bond in a single step, respecting the rule of step economy. While the domino approach involving alkenes and allenes is well investigated, examples involving alkynes are somewhat limited in the literature.