La silylmétallation d'alcynes représente une méthode très répandue pour la préparation de vinylsilanes, et offre de façon plus générale la possibilité d'accéder à des alcènes substitués de façon stéréosélective. Diverses méthodologies de silylmétallation permettant d'obtenir un excellent contrôle de la régiosélectivité ont été décrites. En revanche, il est difficile de jouer sur la stéréosélectivité dans la mesure où la plupart des processus rapportés opèrent selon une addition syn, et conduisent donc à des alcènes silylmétallés de configuration cis. Ainsi, le travail décrit dans ce manuscrit de thèse rapporte une nouvelle approche complémentaire permettant d'effectuer des silylzincations anti sur des alcynes, ayant lieu selon un processus radicalaire de transfert d'atome de zinc. Pour ce faire, deux méthodes ont été développées.Dans un premier temps, une méthode impliquant la combinaison du silane (Me3Si)3SiH et de Et2Zn a été mise au point et a permis d'effectuer des silylzincations sur des ynamides de façon parfaitement régio- et stéréosélective. Dans un deuxième temps, une autre méthode impliquant le complexe [(Me3Si)3Si]2Zn comme source de radicaux silylés a été développée. Cette méthode a permis d'effectuer des silylzincations sur des ynamides, et de façon plus générale sur des alcynes hétéro-substitués, ainsi que sur des arylacétylènes. / Silylmetalation of alkynes is a widespread method for the preparation of vinylic silanes, and more generally offers the possibility to access stereoselectively substituted alkenes. Existing methods for silylmetalation offer a range of options to control the sense of regiochemistry. By contrast, tuning of stereochemistry is rarely feasible, because these are usually syn-addition processes and, hence, provide access to cis-silylmetalated alkenes. As a complementary anti-selective approach, the work described in this thesis is devoted to a new possible entry to silylzincation based on a radical zinc-atom transfer process. In this context, two different methods have been considered.In a first step, a method using a combination of (Me3Si)3SiH and Et2Zn has been developed and allowed to achieve the complete regio- and stereoselective silylzincation of ynamides. In a second step, a method using the reagent [(Me3Si)3Si]2Zn as organosilyl radical source has been developed. This method allows to achieve the silylzincation of ynamides, and more generally of hetero-substituted alkynes, as well as aryl- and heteroaryl-substituted alkynes.

Plus d'une centaine de réactions entre des molécules stables et des radicaux se sont révélées être rapides à très basse température. Les réactions entre deux espèces radicalaires ont quant à elles reçu beaucoup moins d'attention de la part des scientifiques. Les complexités de production et de mesure de concentrations de ces radicaux en sont les principales raisons. Nous avons réalisé pour la première fois des mesures de constantes de vitesse sur les réactions radical-radical N + OH, N + CN et N + CH à basse température dans un réacteur à écoulement supersonique uniforme (tuyère de Laval). Nous avons utilisé une technique de décharge micro-onde pour produire l'azote atomique et une méthode de mesure relative pour déterminer les cinétiques des réactions. Les résultats donnent un aperçu des mécanismes de formation en phase gazeuse de l'azote moléculaire dans les nuages denses du milieu interstellaire. / More than a hundred reactions between stable molecules and free radicals have been shown to remain rapid at low temperatures. In contrast, reactions between two unstable radicals have received much less attention due to the added complexity of producing and measuring excess radical concentrations. We performed kinetic experiments on the barrierless N + OH, N + CN and N + CH reactions in a supersonic flow (Laval nozzle) reactor. We used a microwave-discharge method to generate atomic nitrogen and a relative-rate method to follow the reaction kinetics. The measured rates agreed well with the results of exact and approximate quantum mechanical calculations. These results also provide insight into the gas-phase formation mechanisms of molecular nitrogen in interstellar clouds.

L’objectif principal des travaux de recherche décrits dans ce manuscrit de thèse, est de concevoir de nouvelles méthodes de synthèse en chimie radicalaire et organométallique, de les associer dans une catalyse duale afin qu’elles puissent être appliquées à l’élaboration de briques moléculaires élaborées. Nous avons développé dans une première étude une alternative photocatalytique à la réaction de désoxygénation classique de Barton-McCombie d’alcools secondaires et tertiaires par l’hydrure de tributylétain. Celle-ci repose sur l’utilisation d’un précurseur O-thiocarbamate dérivé d’alcools pouvant être réduit par catalyse photorédox. Une étude mécanistique, basée sur des expériences de fluorescence et de voltammétrie cyclique, est aussi présentée. Dans une seconde étude, une élégante méthode de génération de radicaux alkyles non stabilisés, par photooxydation de « ate-complexes » de bore ou d’espèces hypervalentes à base de silicium est présentée. Ces radicaux sont piégés en présence d’accepteurs radicalaires ou engagés dans une catalyse duale avec des complexes de Nickel. / Visible-light photoredox catalysis has emerged as a very powerful strategy to generate radical species replacing more and more tin-mediated or stoichiometric redox methodologies. The main objective of the research described in this Ph. D. thesis is to develop new synthetic methodologies in radical and organometallic chemistry, and merge them in a dual catalysis process for the preparation of elaborated molecular building blocks. In a first study, we report a photocatalytic alternative of Barton-McCombie deoxygenation based on a visible-light photoreduction of O-thiocarbamates derived from secondary and tertiary alcohols. A mechanistic investigation is presented based on fluorescence quenching and cyclic voltammetry experiments. In a second study, a challenging method of generation of unstabilized alkyl radicals by photooxidation of borate salts or hypervalent silicon species is reported. These radicals are trapped by free radical scavengers or engaged in a photoredox/nickel dual catalysis.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

À ce jour, les seul dosimètres purement tridimensionnels (3D) sont basés sur la détection d’une propriété physique résultant d’une série de réactions chimiques radio-induites dans un volume de gel ou de plastique. Les études initiales ont généré beaucoup d’enthousiasme mais ces dosimètres 3D ne sont pas parvenus à une utilisation répandue dans les départements de radio-oncologie pour l’assurance-qualité 3D et la vérification de traitements complexes de radiothérapie moderne. Le temps et la complexité de la préparation de ces dosimètres 3D ne sont pas les raisons principales qui empêchent leur déploiement clinique. Ce sont plutôt leurs performances et la reproductibilité des mesures qui doivent être améliorées. Les plus étudiés et les plus utilisés parmi les différents types de dosimètres 3D sont les dosimètres à gels de polymère. De nombreuses compositions chimiques ont été proposées et testées pour la dosimétrie à gels de polymère. L’utilisation d’un antioxydant s’est révélée une découverte majeure dans le domaine puisque l’oxygène interfère avec le mécanisme de réponse des gels. Pourtant, un nombre croissant d’erreurs inexpliquées ont été rapportées dans les écrits et ont soulevé un doute sur la reproductibilité et la justesse des doses déterminées avec ces gels. Cette thèse a été entreprise pour étudier les sources radiochimiques d’erreurs dans les dosimètres à gels de polymère. Il était admis dans les écrits que l’utilisation d’un antioxydant permettait de contoumer tous les effets non-désirés de l’oxygène. Cette thèse démontre que cela était faux. Une méthodologie a été développée pour isoler l’effet de l’oxygène dans un gel de polymère contenant ou non un antioxydant. Les résultats ont révélé que la présence conjointe d’oxygène et d’antioxydant modifie la réponse du dosimètre. Indépendamment de la composition du dosimètre et de l’antioxydant, cet effet peut induire des erreurs dosimétriques significatives dans des mesures simples et dont les origines étaient difficilement appréciables en ignorant l’effet de l'oxygène et de l’antioxydant. Nos résultats nous permettent de postuler les réactions dominantes des antioxydants étudiés et leur devenir chimique au sein d’un gel de polymère sous irradiation. Puisque l’effet de l’oxygène et de l’antioxydant était négligé, plusieurs autres facteurs physico-chimiques faisaient l’objet d’hypothèse pour expliquer les erreurs observées. Ces facteurs incluent la compression des gels et des variations de propagation et de terminaison de la polymérisation reliées à la chaleur générée pendant la polymérisation. Des études détaillées de ces effets nous permettent de refuter ces hypothèses. Nos résultats nous permettent d’analyser, de catégoriser et de proposer des explications sur l’origine des erreurs dosimétriques recensées dans les écrits. Finalement, l’effet d’un antioxydant en particulier, le chlorure de tetrakis-(hydroxyméthyle) phosphonium (THPC), a été étudié en relation avec la structure du polymère formé dans un gel de polymère basé sur l’acrylamide. Le THPC est l’antioxydant le plus utilisé dans les différents dosimètres à gels de polymère. La spectroscopie FT-Raman et la microscopie électronique ont révélé que le THPC réagit avec les monomères pendant la polymérisation. Notre interprétation suggère un rôle important du THPC dans les variations de réponse à la dose dans les gels de polymère. La conclusion générale de cette thèse est que l’élimination chimique de l'oxygène par un antioxydant facilite grandement la préparation des dosimètres mais leur performance en est grandement altérée en comparaison avec des préparations dites anoxiques. L’oxygène demeure une source majeure d’erreur dans les dosimètres à gels de polymère.

La première synthèse d'un carbène N-hétérocylique borane (NHC-borane) stable a été réalisée en 1993. Pourtant la découverte de leur vaste potentiel en chimie n'a réellement débuté qu'à partir de 2007. Les domaines d'application de ces composés du bore, stables et facile d'accès, s'étendent de la synthèse d'organique (réduction d'imine, hydroboration de liaisons multiples, médiateurs radicalaires) à la chimie organométallique (couplage de Suzuki-Miyaura) en passant par la chimie des polymères (amorceurs ou co-amorceurs de photopolymérisation). L'objectif de ce projet aura été d'étendre l'application des NHC-boranes dans deux différents systèmes de photopolymérisation. Le premier système étudié a permis l'obtention de matériaux acrylates contenant des nanoparticules métalliques à partir d'un seul composé dans un processus monotope. Le second système visait l'amorçage de réactions de polymérisation en émulsion sous irradiation visible. Nous avons utilisé le pouvoir réducteur des NHC-boranes pour former des nanoparticules d'or ou d'argent directement dans des monomères acrylates. Puis, la formation par le NHC-borane de la matrice polymère contenant les nanoparticules est déclenchée par une irradiation UV. L'analyse par HRTEM a mis en évidence des petites nanoparticules (ca. 10 nm) emprisonnées dans la matrice. Cette méthode présente une approche encore plus directe pour obtenir ce type de matériau plutôt que les procédés multi-étapes déjà existants. Le second système étudié utilise pour la première fois un NHC-borane comme co-amorceur de la polymérisation du styrène ou du méthacrylate de méthyle en émulsion sous irradiation visible. Il en résulte des latex stables, composés de particules de tailles moyennes contrôlées formés à partir de quantités de tensioactifs inférieures à celles utilisées dans des systèmes photoamorcés déjà décrits. Ces systèmes amorcés par une irradiation visibles pourraient être intéressants pour réduire les coûts énergétiques des synthèses et éviter la dégradation de composés thermo- ou UV- fragiles / Despite the first synthesis of stable N-heterocyclic carbene (NHC)-boranes occurring as early as 1993, the widespread exploration of their potential in chemistry truly began only in 2007. The versatility of these stable and easily accessible boron compounds has led to their application in organic reactions (imine reduction, multiple bond hydroboration, radical reductions), organometallic reactions (Suzuki- Miyaura cross coupling) and polymerization (initiation or co-initiation of polymerization). The aim of my project was to extend the applicability of NHC-boranes to two different photopolymerization systems. The first aimed to synthesize polymer matrices containing metal nanoparticles in a one pot, one reactant process. The second aimed to perform emulsion polymerizations initiated by visible light. In the first system, the reductive capacity of NHC-boranes was used to generate gold or silver nanoparticles directly in acrylate monomers. Then, the initiating ability of NHC-boranes was triggered by UV light to form the polymer matrix containing embedded nanoparticles. Characterization by HRTEM showed small nanoparticles (ca. 10 nm) successfully contained within the matrix. This method represents a more straightforward approach than obtaining such materials through the multistep processes already reported in literature. In the second system, NHC-boranes were employed for the first time as co-initiators in visible light initiated emulsion polymerization styrene and methyl methacrylate. Stable latexes were generated with controllable particle sizes at lower surfactant concentrations than those used in related light-initiated systems. Such visible light-triggered initiation systems are interesting for reducing energy consumption and avoiding degradation of heat- or UV-sensitive materials

Au cours de ce travail, nous avons étudié les cinétiques et mécanismes de plusieurs réactions de radicaux bromés et chlorés d'intérêt pour la chimie atmosphérique : d'une part, des réactions des radicaux halogénés BrOx (Br, BrO) et ClOx (Cl, ClO) avec les radicaux hydroxy-oxygénés (OH, HO2), afin d'évaluer leur impact sur la répartition des composés halogénés dans la stratosphère globale entre espèces actives et réservoirs de ces espèces, en lien avec la diminution de l'ozone stratosphérique ; d'autre part, des réactions entre ces mêmes radicaux halogénés et le diméthylsulfoxyde (DMSO), intermédiaire d'oxydation du sulfure de diméthyle (DMS) émis par les océans, afin d'évaluer la contribution possible de ces réactions à l'oxydation du DMSO. Les réactions ont été étudiées par la technique du réacteur à écoulement couplé à la spectrométrie de masse, à une pression de 1 torr d'hélium.<br /><br />Pour les réactions entre les radicaux halogénés et hydro-oxygénés, les résultats obtenus montrent que les réactions étudiées constituent des sources supplémentaires de l'espèce réservoir HX (X = Br, Cl) dans la stratosphère globale. Toutefois, les valeurs des constantes de vitesse obtenues semblent insuffisantes pour expliquer totalement l'écart entre observations et modélisations des concentrations de HX dans la stratosphère, et donc le partage des composés halogénés entre espèces actives et réservoirs.<br /><br />Concernant le DMSO, ce travail confirme que les réactions avec les radicaux chlorés et bromés ne contribuent pas de manière significative à son oxydation, celle-ci étant amorcée principalement en phase gazeuse par le radical OH.

Synthèse et étude de nouveaux NHC-Boranes pour leurs propriétés énergétiques et leurs rôles en tant que photo co-amorceurs pour la photopolymérisation en émulsion.Depuis la première synthèse de complexes N-Hétérocycliques Boranes (NHC-Borane) stables en 1993, une étude plus générale de propriétés et réactivité n’a débuté que dans le milieu des années 2000. Les domaines d’applications de ces composés qui sont des paires de Lewis vont de la synthèse organique (agent réducteur, hydroboration de liaisons multiples) en passant par la chimie radicalaire (remplacement de l’hydrure de tributylétain, hydroboration) ou même en tant qu’amorceur ou co-amorceur de polymérisations.L’objet de cette thèse était d’étendre l’application des NHC-Boranes dans deux domaines précis. Un premier axe porte sur les propriétés hypergoliques amenées par leurs structures inédites. Un second est consacré à l’amorçage de réactions de polymérisations en émulsion et l’obtention de particules hybrides sous irradiation visible.Nous avons choisi et synthétisé de nouvelles cibles polyazotées qui ont montré des propriétés énergétiques potentiellement intéressantes pour l’usage de NHC-Boranes en propulsion solide. L’étude mis en évidence des différentes de réactivités en fonction du squelette du carbène utilisé. De plus, un nouveau type de carbène borane pouvant être utilisé dans différents domaines a été synthétisé.Nous avons aussi amélioré la compréhension du système de photoamorçage déjà proposé en polymérisation en émulsion dans le visible. Des points clés, sur la conception du système et du réacteur ont été améliorés. Nous avons aussi pu remplacer le tensioactif utilisé pour proposer la première photopolymérisation en émulsion Pickering. Il en résulte des latex stables, composés de particules hybrides pouvant former des films potentiellement anti-UV. L’excitation dans le visible, pourrait être utilisée dans le but de réduire les coûts énergétiques et même former d’autres particules inédites en évitant la dégradation de composés thermo ou UV-sensibles / Study and synthesis of new NHC-Boranes usable as hypergolic fuels and as photo co-initiators for radical emulsion photopolymerizationsThe first N-Heterocyclic Carbene Borane complex (NHC-Borane) was synthetized in 1993, but we had to wait until the mid-2000s before chemists investigated their properties and reactivity. The applications of NHC-Boranes range from organic chemistry (where they are used as reducing agents or for the hydroboration of multiple bonds) to radical chemistry (as replacement of te tributyltin hydride) and radical polymerizations (initiators and co-initiators). We designed and synthetized new Nitrogen-rich NHC-Boranes. The latter are hypergolic and might serve as fuels for solid propulsion. We managed to synthetize several new classed of NHC-Borane which was or could be used in different fields. We also deepened our understanding of the visible light-induced emulsion polymerization, where the NHC-Boranes serve as co-initiators. We could optimize the process and then replaced the surfactant by an inorganic sol to propose the first Pickering emulsion photopolymerization. Stable latexes of hybrid particles have been generated which might be used as sunscreen films, to reduce the energetic footprint of the reactions and/or to access particles made of heat- or UV-sensitive materials

L’objectif de ce travail a consisté en le développement de nouveaux processus multi-composant radicalaires et leur application en synthèse organique. Des carbo-alcénylation d'oléfines ont ainsi été réalisées avec de nouveaux précurseurs de radicaux, des oléfines diverses, en présence de Z-diphénylsulfonyléthylène comme accepteur terminal. Les conditions de la réaction ont été optimisées, en introduisant notamment la diphénylsulfonylhydrazine comme amorceur de radicaux sous irradiation UV, et substitut au couteux DTBHN. Des conditions sans étain ont également été étudiées avec l’objectif de remplacer le réactif (Bu3Sn)2 par des radicaux silylés. Le tris (triméthylsilyl)silylthiopropene a ainsi été testé avec succès en tant qu'agent de propagation des chaînes radicalaires. A l’issue de ce travail méthodologique, nous avons développé une stratégie de synthèse de l'Eucophylline, un alcaloïde isolé de Leuconotis griffithii, dont le squelette tétracyclique a été élaboré sur la base d’une réaction de carbo-oximation radicalaire d’oléfine. Ce processus multicomposant, suivi d’une réduction de la fonction oxime et d’une lactamisation offre une voie d’accès rapide au motif bicyclo[3.3.1]lactame, intermédiaire-clé de la synthèse. Une réaction de type Friedländer entre ce lactame et un ortho-aminobenzonitrile a permis d’accéder au squelette tetrahydrobenzo[1,8]naphthyridine de l'Eucophylline. La synthèse du composé modèle a enfin été complétée par l’introduction du substituant vinylique par un couplage de Heck. / The aim of this work was to develop new radical multi-component processes and their application in organic synthesis. Carbo-alkenylation processes were thus performed with new radical precursors, different olefins, in the presence of Z-diphenylsulfonylethylene as a terminal acceptor. Reaction conditions have also been optimized, including the diphenylsulfonylhydrazine as a radical initiator under U.V. irradiation, and substitute to the costly DTBHN. Tin-free conditions were also screened with the goal of replacing (Bu3Sn)2 with silyl radicals. Tris(trimethylsilyl)silylthiopropene was tested with success as a radical chain carrier. After this methodology studies, we developed a strategy toward the synthesis of Eucophylline, an alcaloid isolated from Leuconotis griffithii, which tetracyclic skeleton was elaborated based on a carbo-oximation of olefin. This multicomponent process, followed by a reduction of the oxime function and a lactamization offered a fast access to the bicyclo[3.3.1]lactam, a key-intermediate in the synthesis. A Friedländer-type reaction between this lactam and an ortho-aminobenzonitrile allowed an access to the Eucophylline tetrahydrobenzo[1,8]naphthyridine skeleton. The synthesis of the model compound was finally completed with the introduction of the vinylic substituent through a Heck coupling.

Le squelette indolo[2,3-b]quinoléique est une cible synthétique attrayante car il est présent notamment dans la néocryptolépine, alcaloïde aux propriétés cytotoxiques et antipaludéennes. Nous proposons ici une approche originale pour accéder à ce tétracycle, qui combine dans une réaction radicalaire en cascade une cyclisation à un réarrangement de Smiles. La mise au point des conditions expérimentales et l'étude mécanistique de cette voie ont constitué le premier objectif de ce travail. Outre les produits attendus, les études structurales approfondies ont mis en évidence la formation de composés inédits résultant d'étapes radicalaires supplémentaires. En parallèle, l'application de la méthode à un substrat judicieusement fonctionnalisé a conduit au 3-(2'-aryl-N-alkylacétamido)oxindole, un intermédiaire clé vers le système indolo[2,3-b]quinoléique 6 et 11 disubstitué ciblé. / The indolo[2,3-b]quinoline ring system is an attractive synthetic target present in neocryptolepine, an antiplasmodial and cytotoxic alkaloid. We proposed an original pathway toward this squeleton, combining as key step a 5-exo-trig cyclisation to a Smiles rearrangement in a domino radical process. We first focused on scope and limitations studies and mechanistic investigations. Apart from the cyclised-rearranged products we isolated new original structures resulting from supplementary radical reactions. The application of the developed method to a conveniently functionalised substrate led to 3-(2'-aryl-N-alkylacetamido)indolinone, a key intermediate which was further converted to the aimed 6,11-disubstituted indolo[2,3-b]quinoline tetracycle.