The topic of this thesis is the design and synthesis of biaryl-based self adaptableligands for asymmetric metal catalysis. The results discussed in papers I-III are covered, together with some unpublished results concerning substrate-adaptable catalysts. A general survey of self-adaptable catalysts is presented first. The second chapter of this thesis starts with a survey of inversion barriers in biphenyl-based ligands and catalysts. Thereafter, the determination of barriers to conformational adaptation in dibenzoazepines and dibenzophosphepines is described. Palladium complexes with a diphosphine ligand or a diamine ligand, as well as the free diamine ligand, were studied. Entropies and enthalpies of activation were determined with variable temperature NMR spectroscopy. The mechanism of conformational change in the metal complexes was elucidated. The third chapter describes the synthesis of semiflexible and rigid phosphinite ligands, as well as their application in rhodium-catalysed asymmetric hydrogenation. Modest enantioselectivities (up to 63% ee) were obtained. The semiflexible ligand was found to behave like the most active rigid diastereomer. The fourth chapter describes the behaviour of amine and phosphoramidite ligands in model complexes relevant to the palladium-catalysed asymmetricallylic alkylation of benchmark substrates. Diphosphoramidite and aminephosphoramiditeligands were designed and synthesised. Pd(olefin) complexesof diamine and diphosphoramidite ligands were studied, and their symmetry determined. It was found that both types of ligands are able to adapt their conformation to the substrate. / QC20100630

Cette thèse porte sur la synthèse de ligands P-stéréogéniques dérivés du calix[4]arène et leur utilisation en catalyse asymétrique dans des complexes de métaux de transition. Des mono et diphosphines ont été préparées sur la cavité supérieure du macrocycle par réaction du mono ou dianion du calix[4]arène avec des chlorophosphines borane ou le complexe d'oxazaphospholidine borane préparés à partir d'éphédrine. La meilleure sélectivité est observée par réaction du dianion avec le complexe d'oxazaphospholidine borane qui conduit à une bisaminophosphine borane. Après acidolyse par HCl pour donner la bischlorophosphine correspondante puis réaction avec organolithien, les diphosphines diborane sont obtenus avec 40 à 60 % de rendement. Les structures cristallographiques des ligands préparés confirment la stéréospécificité de la méthode éphédrine. La préparation de diphosphines P-stéréogéniques surélevées au dessus de la cavité supérieure du calix[4]arène a été effectuée par réaction de phosphures borane avec le dérivé bisiodométhyl correspondant. Des ligands de type aminophosphinephosphinite (AMP*P) ont également été préparés à partir du produit d'ouverture du complexe d'oxazaphospholidine borane par l'anion du calixarène. Les différents ligands ont été synthétisés en série complexée au borane. La décomplexation est ensuite réalisée par réaction avec le DABCO et les phosphanes libres obtenus quantitativement ont été utilisés pour la préparation de catalyseurs chiraux de métaux de transition. Les AMP*P porteurs d'un substituant calix[4]arène sur le fragment aminophosphine ont permis d'obtenir de très bonnes inductions asymétriques en catalyse d'hydrogénation de l'α-acétamidocinnamate de méthyle par des complexes de rhodium (98% e.e.). L'étude comparée avec des ligands homologues d'un point de vue stérique et/ou électronique montre clairement l'influence bénéfique du substituant calix[4]arène. Les mono et diphosphines P-stéréogéniques fonctionnalisées sur la partie supérieure du calix[4]arène ont été utilisés en substitution allylique catalysée par des complexes de palladium. La réaction donne d'excellents rendements et stéréosélectivités avec des nucléophiles carbonés et azotés. Les meilleures inductions ont été obtenues avec une diphosphine porteuse de substituants méthyl et phényl au niveau des atomes de phosphore, qui entraîne des excès énantiomériques de 82% et 79 % en alkylation et en amination, respectivement.

Ce projet de recherche porte sur la formation de nouvelles liaisons C-C et la production de produits chimiques valorisables grâce à l'utilisation de complexes de nickel chélatés. La première partie de cette thèse est dédiée à des complexes bis-phosphines de nickel employés comme catalyseurs pour le couplage croisé de Negishi. Le précatalyseur [(dcpp)Ni(n2-toluene)] (dcpp = 1,3 bis(dicyclohexylphosphino)propane) permet de coupler efficacement des chloro-arènes avec des organozinciques en utilisant de faibles charges catalytiques (0,2 mol% - 0,1 mol%) et des conditions douces (THF, 60 °C). Une étude mécanistique fondée sur des réactions stœchiométriques et des calculs DFT prouve la présence d'intermédiaires Ni(0)/Ni(II) au cours de la catalyse et exclut tout passage par un mécanisme de type Ni(I)/Ni(III). La seconde partie de ce travail porte sur le couplage oxydant entre l'éthylène et le CO2 sur des complexes de nickel chélatés par des bis-phosphines ou des bis-NHC. Une étude cinétique de l'équilibre entre [(dcpp)Ni(C2H4)] et [(dcpp)nickelalactone] a été réalisée. Le complexe [(dcpp)nickelalactone] peut ensuite être réduit et fonctionnalisé en dérivé du propanol en présence de pinacolborane. Des études mécanistiques et catalytiques préliminaires ont eté menées. De plus, de nouvelles méthodologies de synthèses ont été développées afin d'obtenir les premiers complexes [(bis-NHC)Ni(C2H4)] et [(bis-NHC)nickelalactone]. / The aim of this research project is to promote the formation of new C-C bonds and the production of valuable chemicals by using chelated nickel complexes. The first part of this thesis is dedicated to [nickel(bis-phosphine)] complexes employed as catalysts for Negishi cross coupling reactions. Designed Ni(0) precatalyst [(dcpp)Ni(n2-toluene)] (dcpp = 1,3-bis(dicyclohexylphosphino)propane) promotes efficiently the Negishi cross coupling between aryl chlorides and phenylzinc chloride derivatives at low catalyst loadings (down to 0.2 mol% - 1 mol%) under mild conditions (THF, 60°C). Mechanistic investigations relying on stoichiometric reactions and DFT calculations prove the involvement of Ni(0)/Ni(II) intermediates rather than Ni(I)/Ni(III) species during the catalysis. The second part of this work deals with the oxidative coupling between ethylene and CO2 at bis-phosphine and bis-NHC chelated nickel complexes for the production of value-added chemicals. The equilibrium between [(dcpp)Ni(C2H4)] and [(dcpp)nickelalactone] has been investigated by kinetic studies. The subsequent cleavage of [(dcpp) nickelalactone] by pinacolborane leads to its reductive functionalization into a propanol derivative. Preliminary mechanistic and catalytic investigations have been undertaken. Moreover, new methodologies are provided for the synthesis of the first [(bis-NHC)Ni(C2H4)] and [(bis-NHC)nickelalactone] complexes.

Catalysis is a key area of chemistry. Through catalysis it is possible to achieve better synthetic routes, exploit molecules normally considered to be inactive and also attain novel chemical transformations. The development of new catalysts is crucial to furthering chemistry as a field. Computational chemistry, arising from applying the equations of quantum and classical mechanics to solving chemical problems, offers an essential route to investigating the underlying atomistic detail of catalysis. In this thesis calculations have been applied towards studying a number of different catalytic processes. The processing of renewable chemical sources via homogeneous reactions, specifically cardanol from cashew nuts, is discussed. All routes examined for monoreduction of a diene model by [Ru(H)(iPrOH)(Cl)(C₆H₆)] and [Ru(H)(iPrOH)(C₆H₆)]⁺ are energetically costly and would allow for total reduction of the diene if they were operating. While this accounts for the need of high temperatures, further work is required to elucidate the true mechanism of this small but surprisingly complex system. Gold-mediated protodecarboxylation was examined in tandem with experiment to find the subtle steric and electronic effects that dictate CO₂ extrusion from gold N-heterocyclic carbene activated benzene-derived carboxylic acids. The origin of a switch in the rate limiting step from decarboxylation to protodeauration with less activated substrates was also clearly demonstrated. Studies of gold systems are closed with examinations of 1,2-difluorobenzene C–H activation and CO₂ insertion by [Au(IPr)(OH)]. Calculations highlight that the proposed mechanism for oxazole-derived substrates cannot be extended to 1,2-difluorobenzene and instead a digold complex offers more congruent predicted kinetics. The lens of quantum chemistry was turned upon palladium-mediated methoxycarbonylation reactions. An extensive study was undertaken to attempt to understand the bidentate diphosphine ligand dependency on forming either methylpropanoate (MePro) or copolymers. Mechanisms currently suggested in literature are shown to be incongruous with the formation of MePro by Pd(OAc)₂ and bulky diphosphines. A possible alternative route is proposed in this thesis. Four mechanisms for methoxycarbonylation with Pd(2-PyPPh₂)ₙ are detailed. The most accessible route is found to be congruent with experimental reports of selectivity, acid dependency and slight steric modifications. A modification of 2-PyPPh₂ to 2-(4-NMe₂-6-Me)PyPPh₂ is shown to improve both selectivity and turnover, the latter by four orders of magnitude (highest transition state from 22.9 kcal/mol to 16.7 kcal/mol ∆G), and this new second generation in silico designed ligand is studied for its applicability to wider substrate scope and different solvents. The final chapter of this thesis is a mixed quantum mechanics and molecular mechanics (QM/MM) examination of an enzymatic reaction, discussing the need for certain conditions and the role of particular amino acid residues in an S[sub]N2 hydrolysis reaction.

Nous effectué des réactions de cyclisations [3 +2] énantiosélectives entre des allénoates et des énones, catalyseées par des phosphines, donnant accès à des hétérocycles soufrés présentant des motifs moléculaires spirocycliques porteurs de nombreux centres asymétriques. De bons rendements chimiques et des bon excès énantiomériques ont été obtenus en utilisant le (S,S)-FerroPHANE comme le catalyseur chiral.D’autre part, nous avons développé de nouvelles réactions catalysées par les phosphines donnant accès à des hétérocycles azotés. En tenant de la réactivité des phosphines connue dans la Littérature, nous avons envisagé des substrats permettant la combinaison de différents processus catalytique.Des réactions de cyclisation [3+2], catalysées par les phosphines, entre des imines et des diènes conjugués, doublement activés à leurs extrémités, permet d’accéder en une seule étape à des 3-pyrrolines tri-substituées de manière diastéréosélective. Nous avons alors évalué les possibilités et limitation de cette nouvelle voie d’accès aux pyrrolines en mettant en jeu de toute une gamme de diènes et d’imines diversement fonctionnalisés.Nous avons ensuite étudié ce nouveau mode de cyclisation en utilisant des diènes où l’une des deux insaturations est inscrite dans un cycle. Dans le cas de ces substrats cycliques, des composés portant le motif hexahydroisoindol-4-one ont été obtenus de manière très efficace.Enfin, il a été montré que des diènes portant le motif coumarine réagissaient avec des imines en présence de quantités stœchiométriques de phosphine et d'eau pour donner lieu à un processus domino sans précédent: une réaction de aza-Morita-Baylis Hillman suivi d’une réaction de réduction. Ce processus s'est avéré très chimiosélectif et procède avec un excellent contrôle des configurations relatives des deux centres asymétriques contigus nouvellement formés.L’ensemble de ces études ont permis de mettre en valeur l’efficacité de la catalyse par les phosphines nucléophiles pour la formation d’hétérocycles soufrés et azotés, structurellement diversifiés et hautement fonctionnalisés, à partir de matières premières facilement accessibles. / We have applied the enantioselective [3+2] cyclisations between allenoates and enones, under phosphine catalysis, to the asymmetric synthesis of sulfides and sulfoxides displaying unprecedented spirocyclic molecular scaffolds and multiple stereocentres. Notably, good yields and e.e’s were obtained by using (S,S)-FerroPHANE as the chiral catalyst. Then, we established a highly diastereoselective oxidation procedure which converts the enantiomerically enriched spirocyclic sulfides into the corresponding sulfoxides. On the other hand, we have developed new phosphine promoted reactions for the synthesis of nitrogen heterocycles. From the known modes of action of phosphine nucleophiles, we have designed new combinations of properly functionalized substrates that have been processed in the presence of phosphorus catalysts. The [3+2] annulation reaction between imines and acyclic conjugated dienes, properly activated by electron withdrawing groups on both ends, affords a new efficient and diastereoselective approach to functionalized 3-pyrrolines, under phosphine catalysis. We have studied the scope and limitations of this strategy by considering a whole range of differently substituted dienes and imines. As an extension, we have also considered analogous cyclizations between imines and cyclic conjugated dienes in which one of the double bonds is embedded in a cyclic moiety which afforded the functionalized hexahydroisoindol-4-one derivatives. Coumarin derived dienes reacted however with stoichiometric amounts of phosphine and water to give an unprecedented domino process, i.e. a formal aza-Baylis Hillman-reduction sequence. The process proved to be highly chemoselective and allowed an excellent stereochemical control of the relative configurations of two, newly created, contiguous carbon centres.These studies have demonstrated that the phosphine catalysis affords simple and efficient methodologies for the synthesis of structurally diverse and highly functionalized heterocycles, starting from easily available starting materials