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

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

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce mémoire de thèse est composé de deux parties distinctes ayant comme thématique commune, les réactions multicomposants (MCR). Nous nous sommes intéressés dans un premier temps au développement d'une nouvelle MCR conduisant à des dérivés de l'indole, hétérocycle rencontré dans de nombreuses substances naturelles et composés biologiquement actifs. Nous avons ainsi mis au point un nouvelle méthodologie MCR séquentielle, rapide et efficace permettant d'accéder sélectivement, à partir des trois mêmes substrats (un précurseur indolique, un alcyne vrai et un accepteur de Michael) à deux familles de composés : les cyclopent[b]indoles ou les pyrrolo[1,2-a]indoles par une simple inversion de l'ordre des réactions. Puis dans un deuxième temps, nous avons élaboré une nouvelle synthèse totale diastéréosélective de lignanes tétrahydrofuraniques trisubstitués, connus pour leur abondance dans la nature et leurs propriétés biologiques très variées. Cette synthèse courte est composée de trois étapes clés : une réaction de cyclofonctionnalisation multicomposants palladocatalysée, une déméthoxycarboxylation -élimination utilisant des conditions de Krapcho modifiées et une réaction de type Hayashi-Miyaura permettant d'introduire le deuxième groupement aryle. Cette dernière réaction d'addition conjuguée a représenté le défi de cette synthèse et a donc fait l'objet d'une étude particulière sur un substrat modèle.

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Ce travail a essentiellement porté sur la description et la rationalisation de certaines propriétés des complexes du Zinc contenant des ligands de base de Schiff par le biais d’approches mixtes théorique et expérimentale. La première partie de ce travail concerne la synthèse et la caractérisation d’un nouveau complexe dinucléaire de Zn(II) à ligand base de Schiff tétra-azoté N4. Ce complexe s’auto-assemble en hélice à double brin avec un environnement tétraédrique rarement observé pour l’ion Zn2+ avec ce type de ligand. Ce complexe s’est avéré être thermodynamiquement instable en présence de traces d’eau, subissant ainsi une démétallation rapide. De ce fait, sa réactivité vis-à-vis de l’eau a été étudiée par des mesures spectroscopiques et des calculs DFT. Puis, le mécanisme réactionnel de démétallation a été élucidé pour la première fois et pourrait facilement être généralisé à l’hydrolyse des complexes Zn-sal(ph)en apparentés. Dans la seconde partie, le caractère acide de Lewis, principal facteur de la réactivité/coordination des complexes Zn-sal(ph)en a été étudié au moyen des descripteurs de la DFT-conceptuelle. Une analyse préliminaire a été réalisée sur un prototype modèle à savoir [ZnCl4]2-, et les résultats ont été généralisés aux complexes de Zn-sal(ph)en comportant différents types d’espaceurs diamine (flexible, semi-rigide, et rigide) afin de rationaliser l’acidité de Lewis de ces complexes avec la nature du pont diamine. L’inclusion des densités des états excités par le biais du descripteur dual dit « state specific dual descriptor» a permis de décrire avec succès la réactivité appropriée du complexe choisi. Enfin, la troisième partie de ce travail, est consacré à l’effet dit de « self-interaction » survenue dans la modélisation de la réaction de cyclo-addition du CO2 sur les époxydes catalysée par un complexe Zn-N4 base de Schiff en présence de NBu4X (X=I). Cette erreur menant à des profils énergétiques irréalistes au niveau DFT, a été identifiée et une nouvelle approche théorique a été proposée et développée afin de contourner cette erreur / In this work, we focus our interest on the description and rationalization of some properties of Zinc complexes of Schiff bases schemes through theoretical and experimental approaches. The first study deals with the syntheses and characterization of a novel Zn-N4-Schiff base L= ((±) -trans-N, N’-Bis(2-aminobenzylidene)-1,2-diaminocyclohexane) showing an unexpected self-assembled double-stranded helicate structure , in which zinc atoms are in distorted tetrahedral environments, revealing an M- (R, R) left-handed helicity in its asymmetric unit. This dimer is thermodynamically unstable in presence of water traces and undergoes a rapid demetallation process that is studied by both experimental and theoretical approaches. The reaction is monitored through DOSY NMR analysis, and the theoretical mechanism of the demetallation process is elucidated for the first time using DFT method and which should be easily generalized to the demetallation of N2O2 sal(ph)en Zn complexes. In the second part of this study, the Lewis acidic behavior, the main factor of the reactivity/coordination of Zn-sal(ph)en complexes, is studied using conceptual density functional theory descriptors. This Lewis acidic character is addressed in a first stage to a prototype complex, namely [ZnCl4]2- and the results have been generalized to Zn-sal(ph)en complexes with different diamine bridges through flexible to semi-rigid then to rigid ranges, in order to characterize and rationalize this Lewis acid effect in relation with the nature of the diamine bridge. The inclusion of the electronic excited state densities by the so-called state specific dual descriptor allows us to recover successfully the appropriate reactivity of these chosen complexes. Finally, in the third part, we consider the effect of the « self-interaction » occurring when modeling the cycloaddition of CO2 to epoxide reactions catalyzed via the binary system Zn-N4 Schiff base /NBu4X (X=I). This error leading to unrealistic energy profiles at the DFT level has been identified and a new theoretical approach is proposed and developed to correct this error

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Cette thèse traite de dédoublement cinétique, de fonctionnalisation et d’utilisation de composés chiraux dérivés de polyoxométalates lacunaires de structure Dawson [α1-P2W17O61]10¬-. La première partie traite de l’utilisation de complexes organosolubles TBA5K[α1-Hf-P2W17O61] pour catalyser l’addition de nucléophiles comme des ethers d’énol ou des acétals de cétènes silylés mais également des pronucléophiles sur des hémiaminals. La seconde partie détaille l’étude sur la préparation et l’utilisation de trichlorostannanes énantiopures en vue du dédoublement cinétique des composés chiraux lacunaires [α1-P2W17O61]10-¬. La fonctionalisation diastéréosélective de derive chiraux organosoluble TBA7[α2-RSnP2W17O61] est également présentée. Le dernier chapitre décrit des hybrides chiraux POM-imidazolidinones dont la chiralité est uniquement apportée par le polyanion. Utilisé avec succès pour catalyser de manière énantiosélective des réactions de Diels Alder, ces composés sont les premiers POM de structure chirale a transféré la chiralité de manière aussi efficace vers des composés organiques. / This manuscript deals with the kinetic resolution, the functionalization and the use of chiral lacunary Dawson α1-POM [α1-P2W17O61]10-¬. The first part deals with the racemic organo-soluble TBA5K[α1-Hf-P2W17O61] complex used to catalyze the nucleophilic addition of silyl enol ethers, ketene-acetals and activated methylene C-nucleophiles onto hemiaminals. The second part describes the synthesis of enantiopure trichlorostannane complexes as resolving agents for the kinetic resolution of chiral [α1-P2W17O61]10-¬. The diastereoselective functionalization of organosoluble chiral TBA7[α2-RSnP2W17O61] is also reported. The final chapter describes chiral POM imidazolidinones hybrids based on the known chiral α1-Dawson POM. Successfully applied as asymmetric catalysts in Diels-Alder reactions, these compounds are the first intrinsically chiral POM to efficiently transfer chirality to organic products.

Cette thèse est consacrée à l’étude de mécanismes de réactions catalysées par des métaux ainsi qu’au développement de nouveaux outils pour la rationalisation et la prévision du comportement catalytique. L’étape de transmétallation entre le bore et le nickel a été étudiée en détail à l’aide de méthodes expérimentales variées (electrochimie, RMN, cinétiques) et par DFT, permettant d’expliquer certaines limitations rencontrées par les experimentateurs. La seconde partie de cette thèse est dédiée à la rationalisation du comportement d’une famille d’acides de Lewis : les sels de triflate et de triflimidate. Leur comportement a été étudié sur des réactions modèles d’amination et d’oxidation et une nouvelle échelle théorique d’acidité de Lewis basée sur l’estimation du transfert de charge vers l’acide à permis de reproduire et prévoir l’activité catalytique. / In this thesis mechanistic studies of metal-catalyzed reactions as well as development of new tools to predict and rationalize the catalytic properties are presented. The boron-tonickel transmetalation step was thoroughly studied by experimental technics (electrochemistry, NMR, kinetics) and DFT calculations, allowing us to solve some of the limitation encountered by the synthetic chemists. In the second part of this thesis the behavior of a family of Lewis acids (triflates and triflimides) is rationalize. Two model reactions (SN and redox) were studied and a new theoretical scale of Lewis acidity was developed based on the charge transferred to the acid allowing us to reproduce and predict the catalytic activity of these salts.

Plusieurs analogues de nucléosides thérapeutiques (Ara-C, Clofarabine), utilisés pour le traitement de leucémies, présentent un arrangement 1’,2’-cis entre la nucléobase reliée au centre anomère et le substituant (électroattracteur) en C-2’. Récemment, notre laboratoire a développé une approche synthétique pour former sélectivement des analogues de nucléosides et de thionucléosides 1’,2’-trans et 1’,2’-cis à partir de précurseurs acycliques. Ce mémoire présente une nouvelle méthodologie pour accéder efficacement aux analogues de nucléosides 1’,2’-cis à partir de furanosides. Différents groupements en position anomérique ont été examinés, sous conditions cinétiques en utilisant le bromure de diméthylbore pour générer sélectivement des produits acycliques ou cycliques. Les intermédiaires cinétiques de différents furanosides de méthyle formés en présence de Me2BBr ont été piégés in situ par un thiol pour générer des thioacétals acycliques avec de bonnes voire d’excellentes diastéréosélectivités. Les produits générés sont en accord avec une rétention globale de l’information stéréochimique du centre acétal et deux déplacements SN2 consécutifs ont été suggérés pour rationaliser ces résultats. Toutefois, l’objectif de synthétiser des analogues de nucléosides à partir de furanosides de méthyle a échoué. Tel que démontré par le Dr Michel Prévost, l’activation par Me2BBr des lactols des quatres différents furanosides suivie d’une addition in situ d’une base silylée a permis de former diastéréosélectivement les analogues de nucléosides 1’,2’-cis correspondants avec d’excellents rendements. Nous avons démontré que d’autres substrats peuvent être employés et que l’induction stéréochimique est sous contrôle du substituant électroattracteur en C-2. D’autres acides de Lewis, tel que TMSBr, peuvent également être utilisés. Cette méthodologie a également été étendue à d’autres nucléophiles tels que des Grignards ou des éthers d’énols silylés, conduisant à de bonnes sélectivités. / Many therapeutically relevant nucleoside analogs (Ara-C, Clofarabine) for the treatment of leukemia have a 1’,2’-cis arrangement between the nucleobase attached at the anomeric center and the non-hydrogen substituent at C-2’. Recently, our laboratory has developed a versatile approach to the synthesis of 1’,2’-trans and 1’,2’-cis nucleoside and thionucleoside analogues from acyclic scaffolds. This work will present a new methodology to access efficiently 1’,2’-cis nucleoside analogues from cyclic furanoside. Activation of various anomeric groups by Me2BBr was investigated, and under kinetic control acyclic substrates or cyclic ones could be generated selectively. Trapping the kinetic product of methyl furanoside formed in presence of Me2BBr by thiol in the presence of base led to the formation of acyclic thioacetal in good to excellent diastereoselectivity. The results obtained are in accordance with total retention of the stereochemical information of the acetal moiety and thus suggested that the mechanism of these two reactions is two successive SN2 displacements. The objective of synthesizing nucleoside analogs from methyl furanoside was unsuccessful. As shown recently by Dr Michel Prévost, activation of all four furanoside lactol scaffolds by Me2BBr with an in situ addition of silylated nucleobase afforded 1’,2’-cis pyrimidine nucleoside analogues in very good yields and with diastereoselectivities greater or equal to 20:1. Expending this methodology to other scaffolds provided evidence of stereoelectronic control of the C-2 electron-withdrawing substituent. Other Lewis acids such as TMSBr can be used. This methodology was also applied to other nucleophiles such as allyl Grignard and silylated enols ethers, which were successfully alkylated in good yield and 1,2-cis diastereoselectivity.