Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés à la synthèse d'hétérocycles azotés dérivés de benzazépinones et de composés pyridiniques et pyrimidiniques. Ces travaux ont été menés sous la direction du Pr. Samir Z. Zard au Laboratoire de Synthèse Organique à l'Ecole Polytechnique. Ce manuscrit est composé de cinq chapitres. Dans un premier temps, nous presentons brièvement les grands principes de la chimie radicalaire (Chapitre I), et puis plus particulièrement la chimie radicalaire des xanthates qui a été développée au laboratoire (Chapitre II), afin de familiariser le lecteur à la chimie radicalaire par transfert de xanthate. Le Chapitre III concerne une nouvelle synthèse de benzazépin-2-ones et 5-arylpipéridin-2-ones (ce motif est un précurseur de pipéridines, qui sont au centre de nombreuses molécules bioactives) par voie radicalaire à partir de matières premières simples, via une cyclisation radicalaire sur noyau aromatique de type 7-endo-trig. L'optimisation de l'étape de cyclisation a permis d'obtenir des rendements modérés à excellents. De plus, grâce à la présence de substituents halogènes sur le noyau aromatique, il est possible de combiner ce processus radicalaire avec d'autres réactions importantes, ce qui pourrait avoir des applications intéressantes. Le Chapitre IV traite de la préparation de nouveaux 3,4-disubstitués-5,6-difluoro-7-azaindoles et 7-azaindolines avec de bons rendements par voie radicalaire à partir de la pentafluoropyridine. La formation de ces deux composés comprend la rupture homolytique d'une très forte liaison C-F, ce qui est très rare dans de telles conditions douces. L'efficacité de cette cyclisation radicalaire se trouve être très sensible à la propriété électronique de la substitution en C-4. Sur la base de ce travail, une mini-librairie de composés divers de 7-azaindoles et 7- azaindolines pourrait être créée. Enfin, le dernier chapitre a été réalisé en collaboration avec M. Ling QIN, que j'ai été amené à encadrer au cours de ma thèse. Dans cette partie, nous nous sommes interessés à de nouvelles cyclisations radicalaires de xanthates sur des noyaux hétéroaromatiques bis-azotés. L'un des développements de ce travail est la possibilité d'utiliser des substrats où l'azote non aromatique n'est pas protégé. La méthode pourrait être partiellement étendue à des pyridines. En outre, la première cyclisation radicalaire à l'azote hétéro-aromatique de type 6-endo-trig a également été réalisé. Les développements de ces voies de synthèse a permis de mieux comprendre certains mécanismes réactionnels ainsi que d'en découvrir de nouveaux.

Les nanogels sont des macromolécules ramifiées solubles possédant une structure en réseau et de dimensions inférieures à 100 nm. La méthodologie récente de la copolymérisation radicalaire réticulante contrôlée permet d'accéder à de telles architectures polymères tout en contrôlant finement leur structure interne. Nous présentons dans ce travail: (i) l'étude préalable de systèmes modèles, permettant de dégager les conditions nécessaires à la synthèse de nanogels; (ii) l'application à la synthèse de nanogels hydrophiles valorisables de poly(alcool vinylique) et de poly(N-vinylpyrrolidone); (iii) une modélisation cinétique permettant de rendre compte des tendances observées expérimentalement et de prévoir les grandeurs caractéristiques de produits synthétisés par cette méthodologie. / Abstract

L'objectif de cette thèse était de démontrer tout le potentiel de la chimie radicalaire des xanthates dans la fonctionnalisation et la synthèse de système cycliques et polycliques variés. Il a été ainsi possible de combiner de manière intéressante chimie radicalaire et chimie ionique, pour créer rapidement et simplement des molécules de structures complexes, et hautement fonctionnalisées. La première partie de cette thèse concerne la fonctionnalisation de cycles à quatre chaînons. Cette étude, commençant par la découverte d'un nouveau mécanisme propre aux cyclobutanones, se termine finalement par la mise au point d'une nouvelle méthodologie d'agrandissement de cycle stéréosélectif. La seconde partie de ces travaux de recherche s'intéresse à la formation de structures polycycliques, par cyclisation radicalaire, grâce à la chimie des xanthates. De nombreux squelettes complexes de terpènes ont ainsi pu être approchés. Une voie est également ouverte pour la fonctionnalisation stéréosélective de systèmes cycliques grâce à la méthodologie développée dans cette thèse.

Cette thèse met en évidence, à travers deux exemples, les potentialités de la chimie radicalaire des xanthates pour la réalisation de réactions radicalaires réputées difficiles. Après une brève introduction sur la chimie radicalaire par propagation de chaîne puis plus particulièrement sur la chimie radicalaire des xanthates, une nouvelle méthodologie de synthèse de composés spirocycliques, et notamment de gamma-spirolactones, est présentée. Elle s'appuie sur une réaction de spirocyclisation déaromatisante sur un noyau furanique et peut être étendue à la synthèse de spirolactames en remplaçant le furane par un pyrrole. Dans un second temps, une nouvelle approche de synthèse d'analogues de la Colchicine, molécule issue du colchique Colchicum autumnale connue pour ses propriétés antitumorales, est proposée. Elle repose sur la formation du cycle B à 7 chaînons de cette molécule par voie radicalaire en 2 ou 3 étapes et permet l'accès rapide à des analogues variés.

Les travaux de cette thèse ont permis de développer de nouvelles réactions de post-condensations associées à la réaction de Ugi dans le domaine de la chimie radicalaire. Dans la littérature, ces post-condensations concernent essentiellement la chimie ionique ou organométallique. Divers types de chimie radicalaire ont été utilisés sans employer de métaux lourds toxiques tels que les dérivés stannylés. Dans un premier temps, nous avons réussi à associer des réactions de cyclisations radicalaires à la réaction de Ugi à partir de xanthates. Nous avons également mis au point un processus de cyclisation radicalaire de xanthates sur des alcynes. Ensuite, nous avons développé une méthodologie d'addition radicalaire-cyclisation sur des hydrazones à partir de substrats de Ugi. Enfin, nous avons réalisé des réactions de cascades radicalaires, additions et cyclisations, à partir d'acétate de Manganèse. Cela a conduit à la formation de molécules complexes via des mécanismes originaux (composés spirocycliques, cyclopropanes migration d'aryle, cyclisations en position ipso, etc.) en une seule étape après la réaction de Ugi.

Cette thèse décrit le développement de nouvelles réactions dans le cadre de la chimie radicalaire par transfert de xanthate développée au laboratoire. Nous nous sommes tout particulièrement intéressés à apporter des solutions à l’alkylation formelle de cétones par voie radicalaire. Dans ce cadre, une alkylation bidirectionnelle de cétones non symétriques a été développée à partir de dixanthates. Reposant sur les différences de stabilité des radicaux présents dans le milieu, cette réaction a permis la synthèse de nombreuses cétones formellement dialkylées à partir d’oléfines non activées. La puissance de cette technologie a également été éprouvée dans le cadre de l’alkylation formelle des gem˗α˗dichlorocétones, composés très sensibles aux conditions basiques. Les conditions douces et neutres de réaction ont permis de préparer de nombreux dérivés et d’étudier plus en détails leur réactivité vis-à-vis du réarrangement de Favorskii. Dans un troisième temps, une réaction de vinylation radicalaire a été appliquée à la synthèse de cétones trifluorométhylées. Enfin, le développement de nouvelles réactions à partir des adduits radicalaires est envisagé. / This manuscript is dedicated to the development of new reactions based on xanthate radical transfer reaction, which has been developed in our laboratory. In particular, we were particularly interested in its application to the formal alkylation of ketones. Within this project, we studied a bidirectional alkylation of non-symmetrical ketones from dixanthates derivatives. Based on the difference of stability of the radicals involved in the reaction, this strategy allowed the preparation of various formally dialkylated ketones from unactivated alkenes. This powerful strategy was also applied to the formal alkylation of the highly base˗sensitive gem˗α˗dichloroketones. The mild and neutral conditions employed for the radical addition allowed the preparation of various derivatives. Their reactivities towards a Favorskii rearrangement were as well studied. The scope of a radical vinylation reaction was also extended to the synthesis of various trifluoromethylated ketones and enones. Finally, the development of new reactions from the radical adduct was envisaged.

Sulfide minerals are a major source of metals; however, certain sulfide minerals, such as pyrite and pyrrhotite, are less desirable. Froth flotation is a commonly used separation technique, which requires the use of several reagents to float and depress different sulfide minerals. Xanthate, a thiol collector, has gained immense usage in sulfide minerals flotation. However, some sulfides are naturally hydrophobic and may float without a collector. Iron sulfides, such as pyrite and pyrrhotite, are few of the most abundant minerals, yet economically insignificant. Their existence with other sulfide minerals leads to an inefficient separation process as well as environmental problems, such as acid mine drainage during mining and processing and SO2 emissions during smelting process. A part of the present study is focused on understanding their behavior, which leads to undesired flotation and difficulties in separation. The major reasons for the undesired flotation are attributed to the collectorless hydrophobicity and the activation with heavy metal ions. To better understand the collectorless hydrophobicity of pyrite, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) of freshly fractured pyrite electrodes was used to study the oxidation and reduction of the mineral. The EIS results showed that the rate of reaction increases with oxidation and reduction. At moderate oxidizing potentials, the rate of reaction is too slow to replenish hydrophilic iron species leaving hydrophobic sulfur species on the surface. However, at higher potentials, iron species are replaced fast enough to depress its flotation. Effects of pH and polishing were also explored using EIS. Besides collectorless hydrophobicity, the activation of pyrrhotite with nickel ions and interaction with xanthate ions makes the separation more difficult. DETA and SO2 are commonly used as pyrrhotite depressants; however, the mechanism is not very well understood. Contact angle measurements, cyclic voltammetry and Tafel studies have been used to elucidate the depressing action of DETA and SO2. It was observed that DETA and SO2 complement each other in maintaining lower pulp potentials and removing polysulfides. DETA also helps in deactivating pyrrhotite. Therefore, the combined use of DETA and SO2 leads to the inhibition of both the collectorless flotation and the adsorption of xanthate. The adsorption of xanthate on sulfide minerals is a mixed-potential mechanism, i.e., the anodic oxidation of xanthate requires a cathodic counterpart. Normally, the cathodic reaction is provided by the reduction of oxygen. However, oxygen can be replaced by other oxidants. Ferric ions are normally present in the flotation pulp. Their source could be either iron from the grinding circuit or the ore itself. The galvanic studies were carried out to test the possibility of using ferric ions as oxidants and positive results were obtained. Tafel studies were carried out to measure the activation energies for the adsorption of ethylxanthate on several sulfide minerals. Pyrite, pyrrhotite (pure and nickel activated), chalcocite and covellite were studied in 10-4 M ethylxanthate solution at pH 6.8 at temperatures in the range of 22 – 30 0C. The Tafel studies showed that xanthate adsorbs as dixanthogen (X2) on pyrite and pyrrhotite, nickel dixanthate (NiX2) on nickel-activated pyrrhotite and cuprous xanthate (CuX) on both chalcocite and covellite. However, the mechanism for xanthate adsorption on each mineral is different. The free energy of reaction estimated from the activation energies are in good agreement with thermodynamically calculated ones. / Ph. D.

Hydrophobic interaction plays an important role in biology, daily lives, and a variety of industrial processes such as flotation. While the mechanisms of hydrophobic interactions at molecular scale, as in self-assembly and micellization, is relatively well understood, the mechanisms of macroscopic hydrophobic interactions have been controversial. It is, therefore, the objective of the present work to study the mechanisms of interactions between macroscopic hydrophobic surfaces in H-bonding liquids, including water, ethanol, and water-ethanol mixtures. The first part of the present study involves the measurement of the hydrophobic forces in the thin liquid films (TLFs) confined between two identical hydrophobic surfaces of contact angle 95.3o using an atomic force microscope (AFM). The measurements are conducted in pure water, pure ethanol, and ethanol-water mixtures of varying mole fractions. The results show that strong attractive forces, not considered in the classical DLVO theory, are present in the colloid films formed with all of the H-bonding liquids tested. When an H-bonding liquid is confined between two hydrophobic surfaces, the vicinal liquid molecules form clusters in the TLFs and give rise to an attractive force. The cluster formation is a way to minimize free energy for the molecules denied of H-bonding with the substrates. Thus, solvophobic forces are the result of the antipathy between the CH2- and CH3-coated surface and H-bonding liquid confined in the film. A thermodynamic analysis of the solvophobic forces measured at different temperatures support this mechanism, in which solvophobic interactions entail decreases in the excess film enthalpy and entropy. The former represents the energy gained by building clusters, while the latter represents loss of entropy due to structure building. Thus, hydrophobic interaction may be a subset of solvophobic interaction. The solvophobic forces are strongest in pure water and pure ethanol, and decrease when one is added to the other. Adding a very small amount of ethanol to water sharply reduced the solvophobic force due to the adsorption of the former with an inverse orientation. An exposure of the OH-group toward the aqueous phase decreases the antipathy between the surface and H-bonding liquid and hence causes the hydrophobic (or solvophobic) forces to decrease. The second part of the study involves the measurement of the hydrophobic forces in the wetting films of water using the force apparatus for deformable surfaces (FADS). This new instrument recently developed at Virginia Tech is designed to monitor the deformation of bubbles to determine the surface forces in wetting films. In effect, an air bubble is used a force sensor. The measurements have been conducted with gold, chalcopyrite, and galena as substrates. The results obtained with all three minerals show that hydrophobic force increases with increasing water contact angle, suggesting that hydrophobic forces are inherent properties of hydrophobic surfaces rather than created from artifacts such as preexisting nanobubbles and/or cavitation. A utility of the intrinsic relationship between hydrophobic force and contact angle is to predict flotation kinetics from the hydrophobicity of the minerals of interest. / Ph. D.

Ces travaux de thèse ont consisté à développer de nouvelles réactions radicalaires dans le domaine de la glycochimie. Deux cascades radicalaires, n’utilisant aucun dérivé stannylé et impliquant un transfert d’hydrogène intramoléculaire, ont été étudiées. La première permet de synthétiser des motifs spirocétaliques [6.5] nonanomériques et la deuxième consiste à débenzyler régiosélectivement un éther de benzyle par proximité. Les spirocétals [6.5] nonanomériques sont des motifs présents dans de nombreuses structures de produits naturels. Pour obtenir ce squelette, dont la synthèse est généralement difficile, nous avons développé une cascade radicalaire en chaîne impliquant des précurseurs homopropargyliques et des dérivés phosphorés non toxiques. Plusieurs étapes se succèdent dont l’addition du radical phosphoré sur la triple liaison, un transfert 1,5 d’hydrogène permettant de générer un radical anomère de O-glycoside, à l’origine de la diastéréosélectivité du centre spiranique, et une cyclisation 5-exo-trig. Cette stratégie s’est révélée particulièrement efficace puisque de bons rendements et une excellente diastéréosélectivité ont été obtenus notamment en série glucose et glucosamine. La nouvelle réaction de O-débenzylation par proximité, développée dans la deuxième partie, permet de déprotéger sélectivement un éther de benzyle en α d’un groupement hydroxyle préalablement fonctionnalisé sous forme d’éther de silyle xanthate. Cette réaction se déroule en deux étapes successives dans le même ballon. La première est une cascade radicalaire constituée, entre autres, d’un transfert 1,7 d’hydrogène et de l’addition du radical benzylique, ainsi formé, sur le peroxyde de dilauroyle. L’acétal mixte intermédiaire obtenu est alors hydrolysé lors de la deuxième étape. Cette méthodologie a été appliquée avec succès à divers mono- et disaccharides polybenzylés et s’est révélée efficace en présence de nombreuses autres fonctionnalités chimiques (acétal de benzylidène, azido..). / The aim of this thesis was the development of new tin-free radical reactions in the field of glycochemistry. For this purpose, an intramolecular hydrogen atom transfer was the key step of these methodologies. The first reaction allowed the access to nonanomeric [6.5] spiroketals and the second one is a new regioselective de-O-benzylation reaction through proximity effect. The nonanomeric [6.5] spiroketals are widely distributed in natural products and have been difficult to access. To synthesize this scaffold, we have developed a chain radical cascade involving homopropargyl precursors and non-toxic phosphorus derivatives. The phosphorus-centered radical adds to the triple bond followed by a radical translocation through intramolecular hydrogen atom transfer. This key step of the reaction provides an intermediate O-glycoside anomeric radical, which ensure the diastereoselectivity of the reaction. Finally a 5-exo-trig cyclization yields the desired spiroketal. This strategy has been proved to be highly efficient since good yields and selectivity were obtained especially in glucose and glucosamine series. The new regioselective de-O-benzylation reaction through proximity effect, developed in the second part, allowed the deprotection of a benzyl ether in α position of a hydroxyl group previously functionalized as a xanthate silyl ether. This reaction occurs in two successive steps in the same flask. The first one is a radical cascade involving an 1,7 intramolecular hydrogen atom transfer and the addition of the newly formed benzylic radical on dilauroyl peroxide. The mixed ketal intermediate thus obtained is then hydrolyzed during the second step. This methodology has been successfully applied to several polybenzylated mono- and disaccharides and tolerates the presence of various chemical functions (benzylidene ketal, azido...) showing its versatility.

L'électrosynthèse est présentée de manière détaillée en insistant particulièrement sur les espèces réactives électrogénérées et sur leurs interactions (ainsi que celles du substrat) avec les constituants du milieu (solvant, ions de l'électrolyte, matériau d'électrode). En effet, ceux-ci peuvent influer fortement sur la régiosélectivité lors du traitement de dérivés polyfonctionnels. Cette approche a été appliquée : a) à des molécules d'origine naturelle comportant différents groupements carbonylés (Ch.3), b) à des composés porteurs d'un groupe xanthate (Ch.4 à 8). - Sur les premiers substrats (a), il est confirmé que le cation de l'électrolyte joue un rôle prépondérant sur la régiosélectivité dans les réductions cathodiques. Toutefois, il n'a pas été possible de préciser les rôles respectifs du solvant et du cation. Il semble aussi que l'anion puisse influer sur la réactivité du cation. Dans le même temps, il a été réalisé et testé une gamme de réacteurs à compartiments séparés de différentes tailles (de 1 à 50 ml), bien adaptée à l'utilisation d'électrodes solides (Ch.2). - Avec les seconds substrats (b), nous présentons nos approches par voie électrochimique sur 3 types de réactions : introduction d'un groupe xanthate, son élimination, l'initiation de l'addition radicalaire. - Les essais de synthèse de xanthates par électrogénération de radicaux tertiaires en présence de bis-xanthate ont échoué, ce composé étant trop réductible et oxydable dans les conditions de Kolbe (Ch.5). - La réduction cathodique des xanthates a donné de bons rendements, mais uniquement sur les dérivés de l'acétophénone. Les oxydations anodiques n'ont pas abouti à la cyclisation en tétralone (Ch.6). - L'initiation de la réaction d'addition radicalaire sur une oléfine par transfert de groupe a échoué par réduction cathodique d'un iodure d'alkyle. Cependant, nous avons mis en évidence une nouvelle réaction en opérant sur des cathodes à forte activité électrocatalytique (Ag, Au, Pd). Elle consiste en une addition sur un xanthate du radical issu de l'iodoacétate d'éthyle suivi d'une cyclisation (Ch.7). Il a été aussi conçu et testé des systèmes à relais électriques pour inverser la polarité des électrodes afin de les décaper lorsque l'adsorption (ou le greffage) de radicaux inhibait le passage du courant. - Par contre, la réaction d'initiation a donné un résultat encourageant par oxydation anodique d'acide malonique partiellement neutralisé. Mais les rendements doivent encore être améliorés (final : 45 % ; intermédiaire corrigé : 75 %) (Ch.8).