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Depuis de nombreuses années, les phosphines chirales multifonctionnelles se sont révélées être des outils synthétiques puissants en organocatalyse asymétrique. Ces catalyseurs qui contiennent un site de base de Lewis et un site d'acide de Bronsted, ont reçu une attention particulière en raison de leur efficacité pour créer des liaisons C-C avec de très bonnes énantiosélectivités. A notre connaissance, la synthèse d'organocatalyseurs de type thiourée-phosphine dérivés de la (L)-proline n'a jamais été décrite dans la littérature. Ce sujet de thèse concerne la synthèse d'une nouvelle famille d'organocatalyseur chiral de type thiourée-phosphine dérivée de (L)-proline, un produit naturel, disponible et peu coûteux. Nous avons mis au point plusieurs méthodes de synthèse efficaces qui nous ont permis de préparer trois familles de phosphines-thiourées à partir de la (L)- proline. Ainsi, sept nouveaux composés énantiopurs ont été préparés au cours de ce travail. Ces composés ont été utilisés comme catalyseurs dans des réactions asymétriques catalysées par des phosphines. Ces réactions incluent la cyclisation [3+2], la réaction de Baylis-Hillman, la réaction de Friedel-Crafts, la réaction de substitution nucléophile. / For many years, multifunctional chiral phosphines have proven to be powerful synthetic tools in asymmetric organocatalysis. These catalysts, containing Lewis basic and Brnsted acidic sites, have received considerable attention owing to their highly efficiency to create C-C bond by asymmetric organocatalysis. To our knowledge, the synthesis of organocatalysts type thiourea-phosphine derivatives (L) -proline have never been described in the literature. In this work, we wish to report the synthesis of new family of bifunctional chiral thiourea-phosphine organocatalyst derived from L-proline, a natural available product. We developed efficient methods to prepare three families of phosphine thiourea derived from L-proline. Thus, Seven new enantiopure compounds were synthesized in this study. They were used as catalyst asymmetric reaction catalyzed by phosphines: [3+2] cyclisation, Baylis-Hillman reaction, Friedel-Crafts reaction and nucleophilic substitution.

La thèse consiste en l'étude de la racémisation d'hydrogéno-phénylphosphinates d'alkyle, des molécules centrées sur un phosphore stéréogénique. Pour cela, nous avons synthétisé les composés d'intérêt puis étudié leur cinétique de racémisation en utilisant l'HPLC chirale et la RMN du phosphore. La première étude théorique (SMD//M06-2X/6-31++G**) sur l’énantiomérisation d’un phosphinate d’alkyle après une SN2 par un alcool a montré comme mécanisme le plus favorable une syn-addition de l’alcool sur la double liaison P=O du phosphinate à l’opposé du groupement alkoxy. Les études cinétiques d’inversion du phosphinate d’éthyle dans l’éthanol à reflux ont montré une barrière de 135 kJ.mol-1 en moyenne, en excellent accord avec ce modèle (136 kJ.mol-1). L’ajout de base lors de l’étude cinétique ont montré une accélération de l’inversion avec une barrière maximum mesurée à 121,5 kJ.mol-1 montrant un effet de catalyse basique. Les modèles cinétiques et théoriques réalisés à ce jour ont suggéré que la base activerait l’alcool pour faciliter son addition. Les premiers résultats sur l’influence du groupement alkyle ont montré une dépendance globale de l’inversion à la taille du groupement, mais certains modèles DFT, notamment avec l’adamantyle, n’étaient pas en accord avec cette hypothèse. / This thesis is about the racemization of alkyl hydrogeno-phenylphosphinate, a molecule centered on a stereogenic phosphorus atom. We have synthetized compounds of interest, and studied their kinetic of racemization with chiral HPLC and phosphorus NMR. The first theoretical study (SMD//M06-2X/6-31++G**) about the enantiomerization of alkyl phosphinate after an SN2 with an alcohol have shown that the most favored mechanism was a syn-addition of the alcohol onto the double bond P=O on the opposite side of the alkoxy group. Kinetic studies with ethyl phosphinate in ethanol under reflux have shown an inversion barrier around 135 kJ.mol-1, in excellent agreement with this model (136 kJ.mol-1). The addition of a basic compound during kinetic measurements has shown a decreasing of the barrier to 121.5 kJ.mol-1, showing a catalytic effect. Kinetic and theoretical models have suggested that the mechanism would go through an activation of the alcohol by the basic compound which would facilitate its addition. The first tests about the nature of the alkyl group of phosphinate and alcohol have shown a general dependency of the barrier with the hindrance, but some DFT models, especially with adamantyl, have been in disagreement with this hypothesis.

Tris(hydroxymethyl)phosphine (THP) was prepared by the addition of a stoichiometric amount of base to tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride (THPC). Freshly prepared THP was successfully immobilised onto wool through a Mannich-type condensation reaction between a hydroxymethyl group and an amine on the wool surface, forming stable gt;P-CH2-Nlt; coupling links. The immobilisation of THP to wool stabilised the THP, which resulted in the decreased oxidation of THP to tris(hydroxymethyl)phosphine oxide (THPO). The presence of immobilised phosphine groups was determined colorimetrically by reaction with Ni2+ ions, which produced a bright orange nickel-phosphine complex, as well as quantitatively, by measuring nickel uptake using ICP-MS. Immobilised THP-wool showed proportional binding for varying concentrations of metal solution. Decreasing or increasing the concentration of the metal solution resulted in a corresponding proportional response of metal binding. Following immobilisation onto wool, oxidation of the system by 6% H2O2 resulted in a reduced binding of 24% for Cu, 25% for Co, 27% for Ni, and 93% for Cd relative to unoxidised THP immobilised onto wool. Additional modification of the THP-wool systems via reaction with amino acids and other related compounds overall did not appear to enhance the metal binding capacity relative to the unmodified THP-wool system. The only modified THP-wool system that showed either retention or an increase in metal binding capacity for all metals analysed was that of 2-aminopyridine, followed by oxidation with H₂O₂.

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.

The major topics discussed are all relevant to the bright phosphorescent emissions of coinage metal complexes (Cu(I), Ag(I) and Au(I)) with an explanation of the theoretical background, computational results and ongoing work on the application in materials and optoelectronic devices. Density functional computations have been performed on the majority of the discussed complexes and determined that the most significant distortion that occurs in Au(I)-phosphine complexes is a near and beyond a T-shape within the P-Au-P angle when the complexes are photoexcited to the lowest phosphorescent excited state. The large distortion is experimentally qualified with the large Stokes' shift that occurs between the excitation and emission spectra and can be as large as 18 000 cm-1 for the neutral Au(I) complexes. The excited state distortion has been thoroughly investigated and it is determined that not only is it pertinent to the efficient luminescence but also for the tunability in the emission. The factors that affect tunability have been determined to be electronics, sterics, rigidity of solution and temperature. The luminescent shifts determined from varying these parameters have been described systematically and have revealed emission colors that span the entire visible spectrum. These astounding features that have been discovered within studies of coinage metal phosphorescent complexes are an asset to applications ranging from materials development to electronics.

Les phosphines jouent un rôle central dans la chimie organique moderne. Dans le domaine de la catalyse, les composés organophosphorés peuvent être appliqués soit en tant qu’organocatalyseurs dans de nombreuses transformations, soit en tant que ligands en catalyse organométallique. Au cours de cette thèse, nous avons utilisé les phosphines dans ces deux applications : en organocatalyse et en catalyse asymétrique à l’or(I). Dans la première partie, nous avons développé une réaction d’addition de Michael/réaction de Wittig intramoléculaire. Nous avons judicieusement choisi la phosphine utilisée ainsi que l’agent réducteur afin de permettre la réduction in situ de l’oxyde de phosphine correspondant. De nombreux dérivés 1,2-dihydroquinolines diversement fonctionnalisés ont pu être isolés avec de bons rendements. Parallèlement à cela, une nouvelle réaction d’oléfination a pu être découverte, donnant accès à des dérivés succinates. Un mécanisme réactionnel a pu être proposé, en se basant notamment sur des expériences de deutération. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au développement de réactions énantiosélectives catalysées par des complexes chiraux d’or(I), et utilisant des substrats énynes. Une première réaction de cyclisation d’énynes-1,5, suivie d’une addition nucléophile a été développée en utilisant des complexes d’or de structure TADDOL-phosphoramidite-AuCl. Ce catalyseur a permis l’obtention de vingt dérivés cyclopentènes avec de bons rendements et des excès énantiomériques atteignant 94% ee. Finalement, des substrats énynes-1,6 correctement substitués ont été utilisés dans une réaction de cyclisation, suivie d’un piégeage intramoléculaire, afin de donner accès à des composés tétracycliques et pentacycliques complexes. Les composés racémiques ont été isolés avec de bons rendements et la version asymétrique a également été développée, par l’utilisation de complexes chiraux d’or(I). / Phosphines play a major role in modern organic chemistry. In the field of catalysis, organophosphorus derivatives can be applied as catalysts in numerous transformations by itself, as organocatalysts, or as ligands in organometallic catalysis. This thesis focused on the application of phosphines both in phosphine organocatalysis and in asymmetric gold(I) catalysis. In the organophosphorus catalysis part, we have developed a phosphine-catalyzed Michael addition/Wittig reaction by using a well-chosen cyclic phosphine catalyst. In this process, silane was used as reducing agent to selectively reduce in situ the phosphine oxide. A series of highly functionalized 1,2-dihydroquinolines were prepared. Besides, a new olefination process was discovered for the synthesis of succinate derivatives. Detailed mechanism research was carried out with H/D exchange experiments. In the asymmetric gold(I) catalysis part, we have developed two new methodologies based on cyclization reactions of 1,n-enyne substrates. A 1,5-enyne cyclization/nucleophilic addition reaction was first developed with an acyclic TADDOL-derived phosphoramidite-Au(I) complex. Twenty examples were carried out with good to excellent yields and up to 94% enantiomeric excess. For the 1,6-enyne cyclization/intramolecular nucleophilic addition sequence, we have synthesized a range of racemic tetracyclic and pentacyclic compounds in high yields. The enantioselective version of this transformation was carried out successfully with both high reactivity and enantioselectivity.

L'organocatalyse, et plus particulièrement l'organocatalyse par les phosphines, est devenu au cours de ces dernières décennies un domaine incontournable en chimie organique. De nombreux groupes ont montré le potentiel des phosphines dans diverses transformations chimiques. Par exemple, on peut noter le développement des réactions de Rauhut-Currier, Morita-Baylis-Hillman, d'additions de Michael ou encore de cyclisations. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réactions de cyclisations organocatalysées par les phosphines, pour la synthèse de molécules contenant le squelette spirooxindole. En effet, ce motif est présent dans de nombreux composés bioactifs et naturels. Une réaction de cyclisation [3+2] entre une oléfine activée et un allénoate a ainsi été mise au point, permettant l'accès à une nouvelle famille de spirooxindoles hautement fonctionalisés. Ces composés étant des analogues d'inhibiteurs de l'interaction MDM2-p53, leurs propriétés anticancéreuses ont ensuite été évaluées. Un composé possédant une constante d'inhibition (IC50) de 13 nM, similaire aux inhibiteurs précédemment décrits, a pu être mis en évidence.Lors de l'extension de cette réaction de cylisation [3+2], une nouvelle réactivité a pu être découverte. En effet, l'utilisation d'un allénoate substitué en position gamma par un groupement benzylique a permis de réaliser des cylisations [4+2] et ainsi former une nouvelle famille de spirocyclohexane-oxindoles.Au cours de cette thèse, nous avons également developpé l'utilisation d'une phosphine chirale, portant une chiralité hélicoïdale. Ces phosphahélicènes ont permis de réaliser des réactions de cyclisations [3+2] entre une oléfine et un alléne activé, avec des excès énantiomériques atteignant 97%. Ces cyclisations constituent les premiers exemples en organocatalyse utilisant une phosphine hélicoïdale et illustrent le potentiel des phosphahélicènes en organocatalyse énantiosélective. / This last decades, phosphine organocatalysis became an important field in organic chemistry. Various groups showed the potential of phosphines to promote a lot of reactions. For example, Rauhut-Currier reaction, Morita-Baylis-Hillman reaction, Michael addition or cyclizations can be promoted by phosphines. During this thesis, we were particularly interested by cyclization reactions. Moreover, spirooxindole scaffold being present in many bioactive and natural compounds, we focused our attention on this scaffold. A [3+2] cyclisation methodology between electron poor olefins and allenoates has been developed to have access to a new family of highly functionalized spirooxindoles. These compounds being analogs of well know MDM2-p53 interaction inhibitors, we then evaluated them as anticancer agents. One of these compounds showed an inhibition constant (IC50) of 13 nm, which is similar to inhibitors previously describe. During the scope of the [3+2] cyclization methodology, a new reactivity of allenoate has been discovered. Indeed, allenoates bearing benzyl group on gamma position are able to induce [4+2] cylizations. With this new reactivity in hand, a family of highly susbtituted spirocyclohexane-oxindoles have been synthesized. This manuscript also reports the use of new family of chiral phosphines bearing a helical chirality and named phosphahelicenes. These helical catalysts were able to promote [3+2] cyclizations between electron poor olefins and activated allenes with enantiomeric excesses up to 97%. These cyclizations are the first examples of the use of helical phosphines in organocatalysis with high level of enantioselectivity.

Les hélicènes sont des composés polyaromatiques générant un squelette hélicoïdal. Si ces structures ont trouvé de nombreuses applications en chimie des matériaux, les résultats en catalyse asymétrique sont moins nombreux, surtout en ce qui concerne les hélices phosphorées. Au cours de cette thèse, nous avons développé des nouvelles voies d'accès à des phosphines possédant une chiralité hélicoïdale, et où le phosphore est inclus dans l'hélice elle-même, à son extrémité. Les structures hélicoïdales souhaitées ont été synthétisées par deux méthodologies différentes, faisant intervenir soit une étape de photocyclisation diastéréosélective ou soit une réaction de cyclotrimérisation [2+2+2] d'alcynes. Les deux voies synthétiques développées font intervenir le même motif phosphindole. Les phophahélicènes synthétisés ont été évalués en tant que ligand en catalyse énantiosélective à l'or. Une bonne activité catalytique et des excès énantiomériques atteignant 96% ont été mesurés dans des réactions de cycloisomérisation d'énynes ou de cycloadditions [2+2] et [4+2].Les phosphahélicènes ont aussi été testés dans des réactions d'organocatalyse par les phosphines. Dans ce cas, des excès énantiomériques allant jusqu'à 97% ont été obtenus dans une réaction de cyclisation [3+2] entre une oléfine activée et un allénoate. / Helicenes are ortho-fused polyaromatic compounds in which benzene rings are angularly annulated to give helically-shaped molecules.Molecular scaffolds with helical chirality have been rarely used for building phosphorus ligands and catalysts. In this context, with the purpose of accessing unprecedented chiral auxiliaries for organo- and organometallic catalysis, we have synthesized new series of phosphahelicenes. These compounds have been prepared via two differents procedures: a diastereoselective photochemical cyclization and a [2+2+2] cyclotrimerisation of alkynes, starting from phosphindole as a key building block. These phosphahelicenes have been evaluated as chiral ligand in gold promoted cyclisation reactions. These helical gold complexes proved to be highly efficient both in terms of catalytic activity and enantioselectivity in enyne cycloisomerizations, [2+2] and [4+2] cycloaddition reactions. Phosphahelicenes have also been used in phosphine organocatalysis. Good yields and enantiomercic excesses up to 97% have been obtained in [3+2] cyclizations between olefins and allenoates.

The rac- and meso- forms of “all carbon” 1,2-diphosphonium dications with the naphthalene -1,8-diyl backbone were synthesised in good yields and purity by double alkylation of the parent diphosphine (1,2-diphenyl-1,2-diphosphaacenaphthene) using strong alkylating agents. Pure rac- and meso- forms of 1,2-diphosphoniums were obtained diastereospecifically by using methyl triflate and trimethyloxonium tetrafluoroborate respectively. It was found that the equilibrium between the rac- and meso- forms at room temperature in acetonitrile solutions effectively depends on the anion present. A reaction mechanism which proceeds via a P-pentacoordinated intermediate was proposed for the epimerisation observed between the rac- and meso- forms in the presence of F⁻ donors in the solution. Reactivity of the new 1,2-dications towards a range of compounds (nucleophiles, bases) was examined and a series of new compounds including phosphine-phosphoniums and phosphonium-phosphine oxides were obtained. Cyclic and acyclic compounds belonging to a novel group of phosphine-arsine mixed peri-substituted acenaphthenes were synthesised by introducing arsenic and phosphorus to the acenaphthene ring, using stepwise lithiation and carbon-group 15 element coupling. All new compounds were fully characterised including single crystal X-ray diffraction. The effect of the peri-substitution by phosphorus moieties and mixed arsine-phosphine peri-substitution on the naphthalene ring was studied using the detailed structural data obtained for these systems.