The efficient construction of complex organic molecules mandates that an assortment of methods for forming C-C bonds be available to the practicing synthetic chemist. The addition of carbon based nucleophiles to carbonyl compounds represents a broad class of reactions used to achieve this goal. Traditional methodology requires the use of stoichiometrically preformed organometallic reagents as nucleophiles in this type of reaction. However, due to the moisture sensitivity, excessive preactivation and inevitable generation of stoichiometric waste required for the use of these reagents, alternative methods have become a focus of the synthetic organic community. The research presented in this dissertation describes a new class of C-C bond forming reactions enabled through catalytic transfer hydrogenation. Here, the development and implementation of efficient green methods for carbonyl addition employing π-unsaturates as surrogates to preformed organometallic reagents is described. Additionally, this research describes the first systematic studies toward using alcohols as electrophiles in carbonyl allylation, propargylation and vinylation reactions. / text

This thesis describes the work carried out on the lithiation and rearrangement of N-aryl- and N-vinyl allylic thiocarbamates, with the aim of preparing a wide range of versatile tertiary thiols. The synthesis of the racemic allylic starting materials has been achieved through in situ [3,3]-sigmatropic rearrangement of O-allylthiocarbamates to their S-counterparts (II.A). The enantioselective version relies either on asymmetric metal catalysis (achiral substrates) or stereospecificity (enantiopure substrates) in the [3,3]-sigmatropic rearrangement. Lithiation followed by N to C aryl migration proceeds in generally good to excellent yields, with both electron-poor and electron-rich rings. The scope and the influence of various substituents at Cα or on the allylic double bond are presented in Section II.B.1. Section II.B.2 proposes a mechanistic pathway and details NMR studies carried out to get structural data in the α-thioallyllithium intermediates. Investigations of the stereospecificity of the rearrangement show that most rings migrate without loss of enantioenrichment in substrates bearing an unsubstituted allylic double bond (II.B.3.a). Complete enantiospecificity with all rings has been achieved in thiocarbamates bearing a cyclohexyl-substituted double bond (II.B.3.b). Section II.C reports the results obtained in the N to C transfer of non-aromatic groups. Excellent enantiospecificities have been achieved in the migration of a vinyl substituent, although yields remain moderate. Higher yields can be obtained but they come along with lower enantiomeric ratios. Section II.D details the transformations undertaken in the rearranged tertiary allylic thiocarbamates. A wide range of tertiary thiols has been obtained with good to excellent yields. Functionalisation of the allylic double bond in these hindered substrates was not straightforward. Eventually, ring-closing metathesis in S-allyl sulfides allows the preparation of biologically interesting 2,5-dihydrothiophenes bearing a highly enantioenriched quaternary centre. Finally, evidence for retentive aryl migration in allylic thiocarbamates is outlined in Section II.E. Circular dichroism experiments were carried out in the derivatised 2,5-dihydrothiophenes and compared with predictions obtained via DFT calculations for both enantiomers of a model compound. The absolute configuration of the 2,5-dihydrothiophenes and their tertiary thiocarbamate precursors has been unambiguously established, confirming a retentive pathway in both aryl and vinyl migrations.

This thesis describes research carried out on the synthesis of tertiary alcohols or derivatives by N to C aryl/vinyl migration in lithiated carbamates. Section II.1 describes the first enantioselective synthesis of the antihistamine agent clemastine, as its (S,S)-stereoisomer as an illustration of the methodology. It has been achieved by ether formation between a proline-derived chloroethylpyrrolidine and an enantiomerically enriched tertiary alcohol. The tertiary alcohol was formed from the carbamate derivative of alpha-methyl-p-chlorobenzyl alcohol by invertive aryl migration on lithiation. The (S,S)-stereochemistry of the product confirms the invertive nature of the rearrangement in contrast with related ureas. Modelling work to establish the origin of this stereodivergent behaviour is reported in Section II.2. This also reports in-situ IR experiments providing evidence of the mechanistic pathway of the rearrangement of an O-benzyl-N-aryl carbamate. The scope of the N to C aryl migration in other stabilised organolithiums is shown in section II.3. The rearrangement is now addressed in more systematic manner, thus allowing the alpha-arylation of O-allyl and O-propargylcarbamates (by alpha-deprotonation) and O-vinylcarbamates (by alpha-deprotonation) to be achieved in good yields but with poor stereoselectivity. Section II.4 goes on to show that enol carbamates derived from aromatic or alpha,beta-unsaturated compounds and bearing an N-aryl substituent undergo carbolithiation by nucleophilic attack at the alpha position of the enol double bond. The resulting carbamate-stabilised allylic, propargylic or benzylic organolithium rearranges with N to C migration of the N-aryl substitutent, creating a quaternary carbon alpha to O. The products may be easily hydrolysed to generate multiply branched tertiary alcohols in good to moderate yields in a one-pot tandem reaction. Finally, Section II.5 proves that the rearrangement in lithiated carbamates can be extended to N to C vinyl transfer.

La thèse porte sur de nouvelles préparations et utilisations en synthèse du 4,4,6-trimethyl- 1,3,2-dioxaborinane (MPBH) comme agent d'hydroboration d'alcynes et de borylation d'halogénures d'aryle. La préparation de MPBH à partir de diverses sources de borane a été mise au point et la stabilité du réactif confirmée. L'hydroboration d'alcyne terminaux par MPBH, catalysée par le réactif de Schwartz, donne accès à des esters vinylboroniques hautement fonctionnalisés dans des conditions douces. Les produits obtenus sont stables, isolables, stockables. Ces esters vinylboroniques, par transmétallation avec le diméthylzinc et piégeage par une nitrone, conduisent efficacement à des E-allyl-hydroxylamines. Les conditions sont compatibles avec de nombreux groupes fonctionnels. Deux réactions de borylation d'halogénures d'aryle par MPBH ont été ensuite développées. Elles conduisent à d'excellents rendements en esters arylboroniques, stables et faciles à purifier, à partir d'iodures et de bromures. L'efficacité de ces esters boroniques dans des couplages de Suzuki-Miyaura a été vérifiée. Donc, l'utilisation de MPBH donne accès à des esters vinyl- et aryl-boroniques stables, faciles à purifier et à stocker ; ces esters sont des intermédiaires de synthèse très efficaces.

Environmental concerns have birthed an awareness of how we conduct ourselves as citizens of this planet. To reduce environmental impact, we have learned that we must be responsible stewards in all ranges of life: from buying locally grown food to how scientific research and industrial processes are executed. In the realm of chemical research, "green chemistry" has initiated the development of new, sustainable methods that make use of atom economy, step economy, and utilize renewable materials to minimize waste and production of toxic by-products. The formation of carbon-carbon bonds lies at the very heart of organic synthesis, and traditional methods for forming such bonds generally require the use of at least one stoichiometrically preformed organometallic reagent. This corresponds to at least one equivalent of metallic waste byproduct. The in situ formation of alkyl metal nucleophiles for carbonyl additions via hydrogenation of [pi]-unsaturates represents an alternative to use of preformed organometallic reagents. Comprising nearly 90% of the atoms in the universe, hydrogen is vastly abundant and very cheap. The Krische group seeks to contribute new technologies which make use of catalytic hydrogenation and transfer hydrogenation in the reductive coupling of basic chemical feedstocks. / text

L’objectif de ces travaux de thèse a consisté en le développement de nouveaux accepteurs radicalaires de type vinylsulfoxydes et vinylsulfoximines pour la mise en œuvre de processus multicomposants radicalaires. Ces réactions de carbo-alcénylation d’oléfines permettent l’accès à des substrats comportant plusieurs fonctionnalités utiles en synthèse organique et la formation de plusieurs liaisons carbone-carbone en un seul pot. L’absence de contrôle de la stéréochimie du centre asymétrique créé lors de la dernière étape élémentaire du processus multi-composants constitue l’un des derniers problèmes à résoudre dans cette méthodologie. Nous avons, étudié le développement de réactions multicomposants radicalaires impliquant des précurseurs vinylsulfoxydes et sulfoximines. Lors de ces processus, les produits de carboalcénylations d’oléfines ont été obtenus avec des rendements moyens à bons. Nous avons développé en parallèle une méthode efficace pour l’alcénylation directe photocatalysée d’hétérocycles oxygénés par activation de liaisons Csp3 -H à l’aide d’une quantité catalytique de diarylcétone sous irradiation UV. Ce processus permet notamment un accès aisé aux dioxanes substitués par un groupement alcényle, avec un rendement élevé. Une approche énantiosélective de ce processus a également été réalisée. Dans une derniére partie, nous avons développé une stratégie sans étain qui utilise le diphenyliodonium hexafluorophosphate pour réaliser la vinylation des halogénures d'alkyle dans des conditions radicalaires. Le diphenyliodonium hexafluorophosphate est donc considéré comme un substitut efficace de l'étain dans ce processus de radical libre. / The aim of this thesis was to develop new radical acceptors including vinylsulfoxides and vinylsulfoximines for the implementation of radical multicomponent processes. These carbo- alkenylation reactions of olefins allow access to substrates having several functionalities, which are useful in organic synthesis and the formation of several carbon-carbon bonds in a single pot. The lack of control of the stereochemistry of the stereogenic center, created during the last elementary stage of the multi-component process, is one of the key problems to be solved in this methodology. We have studied the development of radical multicomponent reactions involving vinylsulfoxide and sulfoximine precursors. In these processes, the olefin carbo-alkenylation products were obtained in moderate to good yields. We have developed in parallel an efficient method for the direct photocatalyzed alkenylation of oxygenated heterocycles through the activation of a Csp3 –H bond, using a catalytic amount of a diarylketone under UV irradiation. This process provides an easy access to alkenyl-substituted dioxanes in high yield. An enantioselective version of this process was also studied. In the final part, we developed a tin-free strategy that uses diphenyliodonium hexafluorophosphate tovinylate alkyl halides under free radical conditions. Diphenyliodonium hexafluorophosphate is thereforeconsidered as an efficient tin surrogate in this free-radical process.

Les imidazolones sont des molécules étudiées de longue date, soit en tant que molécules bioactives, soit pour leurs propriétés de fluorescence, l'exemple le plus connu étant la GFP. De nombreuses synthèses étaient déjà décrites, en particulier la condensation d'une amine avec une oxazolone (méthode d'Erlenmeyer). Au cours de ce travail, nous avons non seulement amélioré le protocole d'Erlenmeyer, mais surtout développé une synthèse originale consistant à utiliser l'arylation C-H de 2-H imidazolones. Dans cet objectif, il a fallu tout d'abord mettre au point un protocole de synthèse des 2-H imidazolones, jusqu'alors très peu décrites, puis mettre au point les conditions d'arylation et de vinylation directe de ces molécules. Deux séries d'imidazolones ont été étudiées et publiées séparément : en premier lieu, les 4,4'-dialkyl-imidazolones, fréquemment employées pour leurs propriétés biologiques, puis, au cours du travail qui a suivi, l'arylation et la vinylation des 4- arylidène-2-H imidazolones. / Imidazolones have been studied for a long time, either as bioactive molecules or for their fluorescence properties, the best known example being the Green Fluorescent Protein or GFP. Numerous syntheses are already described, in particular the condensation of an amine with an oxazolone (Erlenmeyer method). In this work, we not only improved the condensation protocol but also developed an original synthesis consisting in using 2-H imidazolones CH arylation. To this end, it was first necessary to develop a protocol for the synthesis of 2-H imidazolones, hitherto very little described, and then to develop the conditions for arylation and direct vinylation of these molecules. Two sets of imidazolones have been studied and published separately: first, the 4,4'- dialkylimidazolones, frequently used for their biological properties, followed by arylation and vinylation of 4-arylidene-2-H imidazolones.

Lyconadin A is a pentacyclic Lycopodium alkaloid isolated from the club moss Lycopodium companatum with anticancer activity. Our approach sought to incorporate a 7-exo–6-exo acyl radical cyclization cascade to access the bicyclo[5.4.0]undecane framework of lyconadin A. Our studies created methodology for the synthesis of 5-alkyl and 3,5-dialkyl-6-carbomethoxy-2-pyridones and sterically demanding epoxide substrates. These epoxide substrates underwent an unanticipated Payne rearrangement.Cranomycin is a potent antibiotic with antiprotozoal activity. Structurally it is a cyclopentane ring system with substitution at each carbon in the ring. Another interesting structural aspect is the existence of three contiguous quaternary stereocenters including two tertiary alcohols and a tert-alkylamine. Our strategy led to the development of a highly diastereoselective synthesis of vicinal tertiary diol systems. We have successfully synthesized the cyclopentenone system shown above, from which we hope to assemble cranomycin.

L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés. / The application of transition metals towards direct functionalization processes has exposed an opportunistic new class of carbon-carbon bond forming reactions. Given the undeniable ubiquity of C–H bonds, the possibility of introducing functionality through direct means with minimal preactivation is an irresistible strategy in synthesis. As such one can envision rapidly and efficiently building up complex scaffolds towards complex molecules of interest in a plethora of chemical fields. The focus of this thesis is on the direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes, focusing on arylation technologies. First, the topic of direct arylation will be introduced, with special emphasis being on pyridines (Chapter 1). These molecules comprise the backbone of a myriad of biologically active compounds, and are also relevant in material sciences, agrochemicals, and natural products synthesis. This will be followed by a discussion of work on the palladium-catalyzed direct arylation of N-iminopyridinium ylides with accent on the derivatization of the pyridinium following the sp2 phenylation (Chapter 2). The exploration of this process led to the discovery of direct benzylic arylation when 2-alkyl N¬-iminopyridinium ylides are employed as reacting partners, in addition to palladium-catalyzed Tsuji-Trost allylations, and metal-free direct alkylation via phase transfer catalysis. All of these findings will be discussed in detail. There remains a significant challenge in developing direct processes utilizing inexpensive transition metals. Furthermore, the synthesis of pharmacologically relevant 2-alkenyl pyridines through direct transformations had not yet been reported. We focused on these challenges and developed a copper-catalyzed direct alkenylation of N-iminopyridinium ylides. A novel method to prepare the vinyl iodide coupling partners will also be discussed. The scopes of these reactions are quite large and remarkably chemoselective (Chapter 3). Through the optimization of this direct process we uncovered an unique means of synthesizing 2-substituted pyrazolo[1,5-a]pyridines (Chapter 4). The global process involved a tandem direct functionalization/cyclization sequence, and may be the first account of a direct process used in a cascade. This work also solves an important problem, as the synthesis of these substrates through alternate means is not straightforward. The last two chapters will detail direct arylation technologies that do not involve heterocyclic coupling partners. Chapter 5 will highlight our uncovering of a palladium-catalyzed, directed, umpolung arylation of benzene and other arene derivatives. This was the first account of a direct functionalization whereby the directing group is situated on the pseudo electrophile. Also, it adds to the few examples of direct benzene arylation exisiting in the literature. Finally, a discussion of an atom economical, inexpensive, sustainable iron-catalyzed direct arylation process will be presented with special emphasis on substrate scope and mechanistic investigations (Chapter 6).

L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés. / The application of transition metals towards direct functionalization processes has exposed an opportunistic new class of carbon-carbon bond forming reactions. Given the undeniable ubiquity of C–H bonds, the possibility of introducing functionality through direct means with minimal preactivation is an irresistible strategy in synthesis. As such one can envision rapidly and efficiently building up complex scaffolds towards complex molecules of interest in a plethora of chemical fields. The focus of this thesis is on the direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes, focusing on arylation technologies. First, the topic of direct arylation will be introduced, with special emphasis being on pyridines (Chapter 1). These molecules comprise the backbone of a myriad of biologically active compounds, and are also relevant in material sciences, agrochemicals, and natural products synthesis. This will be followed by a discussion of work on the palladium-catalyzed direct arylation of N-iminopyridinium ylides with accent on the derivatization of the pyridinium following the sp2 phenylation (Chapter 2). The exploration of this process led to the discovery of direct benzylic arylation when 2-alkyl N¬-iminopyridinium ylides are employed as reacting partners, in addition to palladium-catalyzed Tsuji-Trost allylations, and metal-free direct alkylation via phase transfer catalysis. All of these findings will be discussed in detail. There remains a significant challenge in developing direct processes utilizing inexpensive transition metals. Furthermore, the synthesis of pharmacologically relevant 2-alkenyl pyridines through direct transformations had not yet been reported. We focused on these challenges and developed a copper-catalyzed direct alkenylation of N-iminopyridinium ylides. A novel method to prepare the vinyl iodide coupling partners will also be discussed. The scopes of these reactions are quite large and remarkably chemoselective (Chapter 3). Through the optimization of this direct process we uncovered an unique means of synthesizing 2-substituted pyrazolo[1,5-a]pyridines (Chapter 4). The global process involved a tandem direct functionalization/cyclization sequence, and may be the first account of a direct process used in a cascade. This work also solves an important problem, as the synthesis of these substrates through alternate means is not straightforward. The last two chapters will detail direct arylation technologies that do not involve heterocyclic coupling partners. Chapter 5 will highlight our uncovering of a palladium-catalyzed, directed, umpolung arylation of benzene and other arene derivatives. This was the first account of a direct functionalization whereby the directing group is situated on the pseudo electrophile. Also, it adds to the few examples of direct benzene arylation exisiting in the literature. Finally, a discussion of an atom economical, inexpensive, sustainable iron-catalyzed direct arylation process will be presented with special emphasis on substrate scope and mechanistic investigations (Chapter 6).