Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

De nos jours, parmi toutes les transformations chimiques dont disposent les chimistes organiciens, le réarrangement sigmatropique [3,3] constitue un outil puissant afin de créer une liaison C-C ou encore C-hétéroatome. Le réarrangement d’allyl cyanate en allyl isocyanate, jusqu’ici peu utilisé, est en train d’émerger, comme une nouvelle méthode efficace de préparation d’allylamines substituées. C’est dans ce contexte que s’inscrit mon travail de thèse qui a pour objectif d’étudier et d’utiliser le réarrangement sigmatropique [3,3] d’allyl cyanates diversement substitués pour la synthèse de molécules d’intérêt biologique. Dans une première partie, l’emploi d’allyl cyanates borylés nous a permis de synthétiser, de façon stéréocontrôlée, des ènecarbamates et des ènehydroxyurées cycliques à 7 chainons ainsi que des γ-butyrolactones. Cette méthodologie a été appliquée à la première synthèse totale de la (-)-Galbacin. Les ènecarbamates cycliques ont fait l’objet, en seconde partie, d’une étude structure-activité en tant qu’inhibiteur du protéasome humain. Dans une troisième partie, nous avons étudié le réarrangement d’allyl cyanates silylés ce qui nous a permis d’accéder à des α-amino allylsilanes énantioenrichis. En dernière partie, nous avons mis en évidence un oxo-réarrangement à partir d’allyl carbamates substitués par un groupement aryle. / Nowadays, among all chemical transformations in the organic chemist’s toolbox, [3,3] sigmatropic rearrangements represent a powerful method to create carbon-carbon or even carbon-heteroatom bonds. The allyl cyanate to allyl isocyanate rearrangement, underused so far, is becoming an attractive method to prepare substituted allylamines. In this context, I studied and applied in my thesis this [3,3] rearrangement on diversely substituted allyl cyanates for the synthesis of molecules of biological interest. First, we used borylated allyl cyanates to prepare, stereoselectively, cyclic seven membered enecarbamates and enehydroxyureas as well as γ-butyrolactones. This methodology was applied to the first total synthesis of (-)-Galbacin. Then, a library of cyclic enecarbamates was performed to study the structure-activity relationship on the human proteasome. Next, the study of silylated allyl cyanates allowed us to prepare some new enantioenriched α-amino allylsilanes. Finally, we brought to light an unexpected oxo-rearrangement from aryl substituted allyl carbamates.

Au cours de ces trente dernières années, les allylboranes, une classe particulière de composés organoborés, ont pris une place particulièrement importante en synthèse organique, principalement dans la synthèse stéréocontrôlée d'alcools homoallyliques par addition sur un aldéhyde. C'est dans ce contexte que s'inscrit mon travail de thèse qui a pour objectif la mise au point de voies d'accès originales à deux familles d'allylboronates alpha-hétérosubstitués et à l'étude de leur réactivité. Pour cela, nous nous sommes intéressés dans un premier temps au comportement de gamma-borylallylsilanes vis à vis de diverses espèces électrophiles, ce qui a permis d'accéder notamment à des alpha-fluoroallylboronates, précurseurs de (Z)-1-fluoro-1-alcènes et à des fluorures allyliques. D'autres électrophiles, hétéroatomiques ou carbonés, peuvent être utilisés pour conduire après refonctionnalisation par addition sur des aldéhydes à des alcools insaturés de structures variées. Dans une seconde partie, nous avons synthétisé des alpha-isocyanatoallylboronates par réarrangement sigmatropique [3,3] d'allylcyanates borylés. Ces intermédiaires réactionnels, particulièrement intéressants pour accéder en série optiquement active à des ènecarbamates cycliques à sept chaînons, sont également précurseurs de pyrrolidines tétrasubstituées selon un réarrangement jusqu'alors non décrit dans la littérature. / Over the last thirty years, allylboranes, a particular class of organoboron compounds, have found many valuable applications in organic synthesis, mainly in the stereoselective synthesis of homoallylic alcohols via addition to aldehydes. In this context, we have developed two novel families of alpha-heterosubstituted allylboronates. We first studied the behavior of gamma-borylallylsilanes towards various electrophilic species in order to access to alpha-fluoroallylboronates which are versatile precursors of various fluorinated molecules. Other heteroatom or carbon electrophiles could also be used to afford after refunctionalization with aldehydes structurally diverse unsaturated alcohols. In the second part of this thesis, we studied the reactivity of alpha-isocyanatoallylboronates prepared by [3,3] sigmatropic rearrangement of borylated allylcyanates. These intermediates have proven to be particularly useful to synthesize optically active cyclic seven membered enecarbamates and tetrasubstituted pyrrolidines.

Pour la recherche de candidats d’intérêt thérapeutique, l’accès à des systèmes carbonés toujours plus complexes peut se heurter à divers problèmes synthétiques. Afin d’enrichir la diversité structurales, il est nécessaire de pallier aux difficultés synthétiques par le développement de nouveaux outils de synthèse. Dans ce contexte, ce travail s’est principalement orienté sur l’accès de cycles carbonés par des réactions d’expansion de cycle via l’utilisation de composés polarisés. Une première partie est réalisée avec l’utilisation de l’α-chlorodiazoacétate d’éthyle dans la réaction d’expansion de cycle de Tiffeneau-Demjanov pour la synthèse de céto-esters cycliques avec l’incorporation d’un centre tétrasubstitué présentant un atome de chlore. Dans un second temps, le développement d’une réaction de cycloaddition (5+3) à partir de deux entités cyclopropaniques polarisées a été mené au laboratoire. Cette méthodologie a conduit à décrire une nouvelle réactivité des composés cyclopropanes donneurs-accepteurs pour former des lactones α,β,γ-trisubstituées via une activation avec un acide de BrØnsted. Une étude approfondie par des calculs théoriques ont permis d’appréhender le mécanisme réactionnel et la sélectivité de cette transformation. La dernière partie a examinée la réactivité d’une nouvelle classe de molécule : les vinylbiscyclopropanes. Ces composés peuvent conduire à la famille des benzocyclobutènes et aux composés cycliques à 8 chainons par des réactions de réarrangement ou de transposition sigmatropique [3.3] formelle. Ce dernier motif est toujours à l’étude et devrait permettre un accès rapide à de multiples structures carbonées. / In the quest for new therapeutic candidates, the description of novel synthetic approaches to access to increasingly complex carbon systems remains a daunting challenge. In order to increase the structural of such scaffolds, it is necessary to overcome the encountered difficulties by developing new straightforward an efficient tools. In this context, this work has mainly focused on the access of structurally defined carbon cycles by ring expansion reactions via the use of polarized compounds. The first part of this study has been devoted to the Tiffeneau-Demjanov ring expansion reaction using ethyl α-chlorodiazoacetate. This approach allowed us to access highly versatile cyclic keto esters displaying a tetrasubstitued carbon center bearing a chlorine atom. The next topic of this study has been focused on the development of a (5 + 3) cycloaddition reaction between two polarized cyclopropane entities. This methodology led to the description of a novel reactivity of donor-acceptor cyclopropanes compounds to form α,β,γ-trisubstituted lactones under a BrØnsted acid activation. In order to gain mechanistic insights, a theoretical study has also been conducted which led us to rationalize the mechanism and the selectivity of this transformation. The last part described the reactivity of a underexplored class of molecule, the vinylbiscyclopropanes. These compound, can lead to the benzocyclobutene family and to the 8 membered-ring compounds through rearrangement or formal [3.3] sigmatropic rearrangement reaction. This last class of compound is still under study and should allow rapid access to diverse cyclic structures.

Les benzofuroindolines forment une famille de composés qui se retrouvent sous deux formes : les benzofuro[2,3-b]indolines ou les benzofuro[3,2-b]indolines. Ce motif se retrouve dans de nombreuses molécules naturelles comme la bipleiophylline, la voacalgine A, le diazonamide A et la phalarine ce qui a mené à de nombreuses recherches pour leur synthèse. La biogénèse postulée est le couplage oxydant d'un indole et d'un phénol. Nous avons développé plusieurs voies d'accès à ces motifs en utilisant le noyau indolique. La première étude a consisté en un couplage oxydant direct entre un N-acétylindole et un phénol en présence de FeCl₃ et de DDQ. La méthodologie a montré sa généralité sur des dérivés d'indoles N-acétylés pour former en une seule étape des benzofuro[3,2-b]indolines. Dans certains cas, la benzofuro[2,3-b]indoline est obtenue si les groupements fonctionnels en position 2 et 3 sur l'indole sont identiques. Dans un but de synthétiser la phalarine, unique molécule naturelle contenant un motif benzofuro[3,2-b]indoline, nous avons réalisé une étape de C2-arylation d'un indole par un phénol à l'aide d'un couplage pallado-catalysé. La cyclisation à l'aide de NIS permet d'obtenir la benzofuro[3,2-b]indoline. L'ajout du carbone manquant de l'un des cycles est en cours d'étude par ajout d'un nucléophile monocarboné possédant un groupement partant. Par ailleurs, une dernière voie d'accès aux benzofuro[3,2-b]indolines a pu été mise au point par une réaction de Fischer interrompue. La réaction entre des benzofuran-3-ones et des arylhydrazines dans des conditions acides conduit aux benzofuroindolines souhaitées sous forme d'hémiacétals. La méthode a montré sa généralité et sa robustesse. Finalement, réaliser l'Umpolung de l'indole est un défi intéressant pour additionner des nucléophiles en position 3 de l'indole. Pour cela, des N-hydroxyindoles ont été synthétisés et l'utilisation de sels de biaryliodonium triflate a permis de réaliser une O-arylation. Le produit formé étant instable, il subit un réarrangement sigmatropique [3,3] pour conduire aux benzofuro[2,3-b]indolines désirées. / Benzofuroindolines are a family of compounds which can be found in two regioisomeric forms: benzofuro[2,3-b]indolines or benzofuro[3,2-b]indolines. This core is present in several natural products such as bipleiophylline, voacalgine A, diazonamide A or phalarine which have been the subject of intensive efforts towards their syntheses. The postulated biogenesis is the oxidative coupling of an indole and a phenol. We developed four pathways to access these structures using the indole nucleus.The first part consisted in a direct oxidative coupling between a N-acetylindole and a phenol in presence of FeCl₃ and DDQ. This strategy showed its generality on N-acetylindoles derivatives to form in only one step the benzofuro[3,2-b]indoline core. In some cases, the benzofuro[2,3-b]indoline is obtained if the substitution in the C-2 and C-3 position is the same. In order to synthesize the phalarine, the unique natural product to possess a benzofuro[3,2-b]indoline core, we designed a C-2 arylation of an indole with a phenol using a palladium-catalyzed coupling. The cyclization steps using NIS led to the benzofuro[3,2-b]indoline core. The insertion of the missing carbon of one of the rings is under study by adding a nucleophile which contains only one carbon and a leaving group. The last strategy to access to benzofuro[3,2-b]indolines has been focused on an interrupted Fischer indolization. The reaction between benzofuran-3-ones and arylhydrazines in acidic conditions led to the desired benzofuro[3,2-b]indolines. This methodology is general and robust. Another part of the project was to achieve the Umpolung of the indole to add nucleophiles in C-3 position of the indole nucleus. N-hydroxyindoles were synthesized and the use of biaryliodonium triflate salts allowed an O-arylation reaction. The product being unstable, a [3,3] sigmatropic rearrangement can take place to afford the desired benzofuro[2,3-b]indolines.

In this work, the [3,3] sigmatropic rearrangement of different substituted propargyl thiocyanates and double [3,3] sigmatropic rearrangement of enynyl isothiocyanates either by flash vacuum pyrolysis or by thermolysis in solution are studied. Additionally, the intramolecular reactions of the resulting allenyl isothiocyanates are studied, and the reaction mechanisms for the generation of the final products, such as [1,5] sigmatropic migrations or electrocyclic ring closures, are explained. These highly reactive allenyl isothiocyanates are used as appropriate electrophilic precursors for the preparation of novel examples of thiazoles substituted at C-2 position using different types of nucleophiles. For the formation of these substituted thiazoles, the necessary nucleophilicity as well as the regioselectivity, the stereoselectivity, and the reaction mechanisms are investigated. / In der vorliegenden Arbeit sind die [3,3]-sigmatrope Umlagerung von verschiedenen Propargylthiocyanaten und die doppelte [3,3]-sigmatrope Umlagerung von Eninylisothiocyanaten entweder durch Blitzvakuumthermolyse oder Thermolyse in Lösung untersucht worden. Zusätzlich wurden die intramolekularen Reaktionen der resultierten Allenylisothiocyanate studiert. Außerdem sind die Reaktionsmechanismen zur Bildung der Thermolyseprodukte wie z.B. die [1,5]-sigmatropen Umlagerungen und die elektrocyclischen Ringschlüsse erklärt. Die hochreaktiven Allenylisothiocyanate sind als geeignet elektrophile Vorläufer zur Synthese von neuen Thiazolen verwendbar, die an der C-2 Position substituiert sind. Dabei kommen verschiedene Nucleophile zum Ansatz. Für die Bildung dieser substituierten Thiazole sind die Regioselektivität, Stereoselektivität, Reaktionsmechanismen und der Bereich der einsetzbaren Nucleophile untersucht worden.

Gas-phase thermolysis is a long-known and well established method for the preparation of reactive species. It is, however, limited to relatively volatile substances, which are easily vaporised. In the present work, the solution-spray technique for preparative scale was developed. With this technique, it is possible to subject low-volatile substances, which hardly vaporise even under high-vacuum conditions, to gas-phase thermolysis. By utilising oil nozzles used in heating and burner systems, it was possible to integrate a stable solution-spray into the existing flash-vacuum-pyrolysis system. The influence of several variables, such as flow-rate, pressure, temperature and solvent was determined. The solution-spray technique was applied in [3,3]-sigmatropic rearrangements of certain propargyl thiocyanates to the corresponding allenyl isothiocyanates. Furthermore, the parent compound propa-1,2-dienyl isothiocyanate was reacted with various sterically demanding primary and secondary amines to form 2-amino-1,3-thiazoles in moderate to excellent yields. Based on this, a catalyst-free four-center three-component reaction was developed. 2-Amino-1,3-thiazoles with complex substituents in 5-position at the heterocyclic ring are formed. Reaction mechanisms are discussed to explain the occurance of a highly substituted 1,3-thiazine structure. The influence of reaction temperature, concentrations and solvent were determined and are also discussed. It was shown that 2-amino-5-methyl-1,3-thiazoles are the apparently first aromatic substance class, that readily undergoes Prins-type 1,3-dioxane ring-formation. / Die Gasphasenthermolyse ist eine lang bekannte und etablierte Methodik zur Synthese reaktiver Spezies. Sie ist allerdings auf flüchtige Substanzen mit einer guten Verdampfbarkeit beschränkt. Für schwerflüchtige Verbindungen, welche sich selbst im Hochvakuum nur mäßig oder gar nicht in die Gasphase bringen lassen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Solution-Spray-Technik für die Anwendung im präparativen Maßstab entwickelt. Unter Verwendung von Ölzerstäuberdüsen, wie sie in der Heizungs- und Brennertechnik Anwendung finden, wurde die Erzeugung eines stabilen Lösungs-Sprays in die vorhandene Blitzvakuumpyrolyse-Technik integriert. Der Einfluss verschiedener Variablen, wie Flussrate, Druck, Temperatur und Lösungsmittel wurde untersucht. Die Solution-Spray-Technik wurde für die [3,3]-sigmatrope Umlagerung bestimmter Propargylthiocyanate zu Allenyl-isothiocyanaten angewendet. Des Weiteren wurde Propa-1,2-dienylisothiocyanat – das einfachste Allenylisothiocyanat – mit diversen sterisch anspruchsvollen primären und sekundären Aminen in mäßigen bis exzellenten Ausbeuten zu 2-Amino-1,3-thiazolen umgesetzt. Darauf aufbauend konnte eine Vier-Zentren-drei-Komponenten-Reaktion entwickelt werden. Es entstehen in hohen Ausbeuten 2-Amino-1,3-thiazole mit komplexen Substituenten an der 5-Position des Heterocyclus. Reaktionsmechanismen werden diskutiert um die alternative Bildung einer hochsubstituierten 1,3-Thiazinstruktur zu erklären. Der Einfluss von Reaktionstemperatur, Konzentration und Lösungsmittel auf das Produktverhältnis wurde ebenfalls untersucht und wird diskutiert. Es konnte gezeigt werden, dass 2-Amino-5-methyl-1,3-thiazole als offenbar erste aromatische Substanzklasse sehr gute Substrate für die Bildung von 1,3-Dioxanen nach Prins darstellen.

Gas-phase thermolysis is a long-known and well established method for the preparation of reactive species. It is, however, limited to relatively volatile substances, which are easily vaporised. In the present work, the solution-spray technique for preparative scale was developed. With this technique, it is possible to subject low-volatile substances, which hardly vaporise even under high-vacuum conditions, to gas-phase thermolysis. By utilising oil nozzles used in heating and burner systems, it was possible to integrate a stable solution-spray into the existing flash-vacuum-pyrolysis system. The influence of several variables, such as flow-rate, pressure, temperature and solvent was determined. The solution-spray technique was applied in [3,3]-sigmatropic rearrangements of certain propargyl thiocyanates to the corresponding allenyl isothiocyanates. Furthermore, the parent compound propa-1,2-dienyl isothiocyanate was reacted with various sterically demanding primary and secondary amines to form 2-amino-1,3-thiazoles in moderate to excellent yields. Based on this, a catalyst-free four-center three-component reaction was developed. 2-Amino-1,3-thiazoles with complex substituents in 5-position at the heterocyclic ring are formed. Reaction mechanisms are discussed to explain the occurance of a highly substituted 1,3-thiazine structure. The influence of reaction temperature, concentrations and solvent were determined and are also discussed. It was shown that 2-amino-5-methyl-1,3-thiazoles are the apparently first aromatic substance class, that readily undergoes Prins-type 1,3-dioxane ring-formation. / Die Gasphasenthermolyse ist eine lang bekannte und etablierte Methodik zur Synthese reaktiver Spezies. Sie ist allerdings auf flüchtige Substanzen mit einer guten Verdampfbarkeit beschränkt. Für schwerflüchtige Verbindungen, welche sich selbst im Hochvakuum nur mäßig oder gar nicht in die Gasphase bringen lassen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Solution-Spray-Technik für die Anwendung im präparativen Maßstab entwickelt. Unter Verwendung von Ölzerstäuberdüsen, wie sie in der Heizungs- und Brennertechnik Anwendung finden, wurde die Erzeugung eines stabilen Lösungs-Sprays in die vorhandene Blitzvakuumpyrolyse-Technik integriert. Der Einfluss verschiedener Variablen, wie Flussrate, Druck, Temperatur und Lösungsmittel wurde untersucht. Die Solution-Spray-Technik wurde für die [3,3]-sigmatrope Umlagerung bestimmter Propargylthiocyanate zu Allenyl-isothiocyanaten angewendet. Des Weiteren wurde Propa-1,2-dienylisothiocyanat – das einfachste Allenylisothiocyanat – mit diversen sterisch anspruchsvollen primären und sekundären Aminen in mäßigen bis exzellenten Ausbeuten zu 2-Amino-1,3-thiazolen umgesetzt. Darauf aufbauend konnte eine Vier-Zentren-drei-Komponenten-Reaktion entwickelt werden. Es entstehen in hohen Ausbeuten 2-Amino-1,3-thiazole mit komplexen Substituenten an der 5-Position des Heterocyclus. Reaktionsmechanismen werden diskutiert um die alternative Bildung einer hochsubstituierten 1,3-Thiazinstruktur zu erklären. Der Einfluss von Reaktionstemperatur, Konzentration und Lösungsmittel auf das Produktverhältnis wurde ebenfalls untersucht und wird diskutiert. Es konnte gezeigt werden, dass 2-Amino-5-methyl-1,3-thiazole als offenbar erste aromatische Substanzklasse sehr gute Substrate für die Bildung von 1,3-Dioxanen nach Prins darstellen.