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xiv, 326 p. : ill. (some col.) / Tetra-ortho -substituted aryl naphthalenes (TOANs) are a motif of great importance, being present in biologically active natural products, chiral ligands, and building blocks relevant to materials science. The synthesis of sterically demanding and enantioenriched TOANs continues to be a challenge for current synthetic methods. Herein, we describe the highly effective synthesis of a variety of sterically demanding and enantioenriched TOANs through a rearrangement-based method. Our method utilizes a cyclopropyl carbinol moiety as the key rearrangement precursor. We have demonstrated that carbon-carbon coupling through a simple nucleophilic attack on a cyclopropyl indanone allows for very large aryl substrates to be added and rearranged. We discuss in detail the following: 1) the initial substrate-scope and proof-of-concept studies, 2) our progress in building the most sterically demanding TOANs to date, and 3) the asymmetric synthesis of TOANs through chiral transfer. This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material. / Committee in charge: Michael M. Haley, Chairperson; Shih-Yuan Liu, Advisor; Darren W. Johnson, Member; Victoria J. DeRose, Member; Paul J. Wallace, Outside Member

Les biaryles à chiralité axiale sont des structures privilégiées qui ont un rôle important en chimie. On les trouve dans de nombreux produits naturels biologiquement actifs, en tant que ligands chiraux en catalyse asymétrique ou encore en science des matériaux. Le but est de développer une méthode permettant de contrôler la chiralité axiale de biaryles en l’absence de métaux de transition en utilisant le couplage ARYNE. Une première approche consiste en un dédoublement atropo-diastéréosélectif dans lequel l’agent de dédoublement chiral est un sulfoxyde qui est introduit en position ortho d’un précurseur biarylique issu d’un couplage ARYNE. Basée sur la déracémisation et sur la fonctionnalisation ultérieure régio- et chimiosélective des deux parties aromatiques du biaryle énantiopur obtenu, elle permet d’accéder à une large famille de biaryles. Une seconde approche consiste à effectuer un couplage ARYNE atropo-diastéréosélectif en introduisant un auxiliaire de chiralité (sulfoxydes, oxazolines, diéthers) sur l’un des partenaires de couplage. Les biaryles ainsi obtenus peuvent être fonctionnalisés afin de synthétiser des ligands chiraux. / Biaryls are privileged structures which have an important role in chemistry. We can find them in several biologically active natural products, in asymmetric catalysis as ligands or in material sciences. The aim is to develop a methodology allowing the control of the axial chirality without transition metal using the ARYNE coupling. The first approach consists in an atropo-diastereoselective resolution in which the chiral solving agent is a sulfoxide introduced in ortho position of the biarylic precursor arising from the ARYNE coupling. Based on the deracemization and on the subsequent regio- and chemioselective functionalization of the two aromatic parts of the enantiopur biaryl obtained, it allows to access to a large family of biarylic compounds. A second approach consists in making an atropo-diastereoselective ARYNE coupling introducing a chiral auxiliary (sulfoxides, oxazolines, diethers) on one of the coupling partners. The biaryl compounds obtained could be functionalized in order to synthesize chiral ligands.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第19513号 / 理博第4173号 / 新制||理||1599(附属図書館) / 32549 / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 丸岡 啓二, 教授 大須賀 篤弘, 教授 依光 英樹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'activation de liaisons sp² et sp³ C-H catalysée par le palladium pour la préparation d'(hétéro)aryl-aryles et de biaryles. Cette méthode est considérée comme attractive pour l'environnement par rapport aux méthodes classiques, tels que Suzuki, Heck, ou Negishi. Tout d'abord, nous avons décrit que la C2-arylation directe de benzothiophènes peut être effectuée par un catalyseur du palladium en l'absence de ligand phosphine avec une grande sélectivité. Nous avons également démontré qu'il est possible d'activer les positions C2 et C5 de pyrroles pour accéder en une seule étape a des 2,5-diarylpyrroles. Des 2,5-diarylpyrroles non-symétriques ont été formés par arylation séquentielle en C2 suivie par une arylation en C5. Nous avons également étudié la réactivité de polychlorobenzenes pour l'activation de liaisons C-H catalysé au palladium. Nous avons finalement étudié l'activation sp² et sp³ sélective catalysé au palladium de liaisons C-H du guaiazulene. La sélectivité de la réaction dépend du solvant et de la base : C2-arylation (KOAc en éthylbenzène), C3-arylation (KOAc dans le DMAc) et C4-Me arylation (CsOAc/K₂CO₃ dans le DMAc). Grâce à cette méthode, une liaison sp³ C-H peu réactive a été activée. / During this thesis, we were interested in the sp² and sp³ C-H bond activation catalyzed by palladium catalysts for the preparation of (hetero)aryl-aryls and biaryls. This method is considered as cost effective and environmentally attractive compared to the classical couplings such as Suzuki, Heck, or Negishi. First we described the palladium-catalyzed direct C2-arylation of benzothiophene in the absence of phosphine ligand with high selectivity. We also demonstrated that it is possible to active both C2 and C5 C-H bonds for access to 2,5-diarylated compounds in one step, and also to non-symmetrically substituted 2,5-diarylpyrroles via sequential C2 arylation followed by C5 arylation. We also studied the reactivity of polychlorobenzenes via palladium-catalyzed C-H activation. We finally examined the palladium-catalysed selective sp² and sp³ C-H bond activation of guaiazulene. The selectivity depends on the solvent and base: sp² C2-arylation (KOAc in ethylbenzene), sp² C3-arylation (KOAc in DMAc) and sp³ C4-Me arylation (CsOAc/K₂CO₃ in DMAc). Through this method, a challenging sp³ C-H bond was activated.

Le N-acétylcolchinol est un composé hémi-synthétique connu pour inhiber la polymérisation de la tubuline en microtubules. Il a montré une activité prometteuse en tant qu’agent ciblant la vascularisation tumorale, cependant, sa cardiotoxicité a conduit à l’arrêt des essais cliniques en phase I. Cette thèse porte sur la synthèse et l'évaluation biologique de nouveaux allocolchicinoïdes, composés analogues du N-acétylcolchinol. Dans un premier temps, une nouvelle voie de synthèse permettant l’accès, de façon racémique, au squelette dibenzoxépine de ces molécules a été mise au point. Elle comprend notamment trois étapes clés, un couplage de Suzuki-Miyaura, une addition de Grignard et une cyclodéshydratation effectuée en présence d’un acide de Brønsted. Par la suite, trois séries d’allocolchicinoïdes de structures variées, que ce soit au niveau du cycle médian oxépine ou des substituants présents sur les noyaux benzéniques, ont été synthétisées. L’activité sur tubuline de la plupart de ces molécules a été évaluée, ce qui a conduit à une rationalisation des relations structure-activité. / N-acetylcolchinol is a semi-synthetic inhibitor of the polymerization of tubulin into microtubules, that showed promising activity as vascular-disrupting agent. However, its toxicity evidenced in phase I clinical trials precluded its further development. This thesis describes the synthesis and biological evaluation of new allocolchicinoids, analogues of N-acetylcolchinol.A racemic synthesis of the dibenzoxepine framework of these compounds was first established. A Suzuki-Miyaura coupling, a Grignard addition and a Brønsted acid-mediated cyclodehydration constituted the key steps of the strategy. Then, three different series of dibenzoxepines have been synthesized, which differ by the nature of the substituent on the oxepine medium ring and on phenyl rings. These new dibenzoxepines were tested against the inhibition of microtubule assembly, leading to a structure-activity relationship study.

Transition metal catalysis is a powerful tool for the construction of biologically active and pharmaceutically relevant architectures. With the challenge of continually depleting resources that this generation of scientists faces, it is becoming increasingly important to develop sustainable technologies for organic synthesis that utilize abundant and renewable feedstocks while minimizing byproduct formation and shortening the length of synthetic sequences by removing unnecessary protecting group manipulations and functionalizations. To this end, we have developed four new methods that transform inexpensive starting materials to valuable products. This dissertation covers the following key areas: 1) activation of CO2 for a mild and functional group tolerant synthesis of carboxylic acids, 2) oxidative twofold C–H bond activations as a strategy toward biaryls, 3) migratory O- to N-rearrangements in pyridines and related heterocycles for the preparation of N-alkylated heterocycles, and 4) asymmetric hydrogenations of cyclic imines and enamines en route to chiral 1,2- and 1,3-diamines and macrocyclic peptides.

Transition metal catalysis is a powerful tool for the construction of biologically active and pharmaceutically relevant architectures. With the challenge of continually depleting resources that this generation of scientists faces, it is becoming increasingly important to develop sustainable technologies for organic synthesis that utilize abundant and renewable feedstocks while minimizing byproduct formation and shortening the length of synthetic sequences by removing unnecessary protecting group manipulations and functionalizations. To this end, we have developed four new methods that transform inexpensive starting materials to valuable products. This dissertation covers the following key areas: 1) activation of CO2 for a mild and functional group tolerant synthesis of carboxylic acids, 2) oxidative twofold C–H bond activations as a strategy toward biaryls, 3) migratory O- to N-rearrangements in pyridines and related heterocycles for the preparation of N-alkylated heterocycles, and 4) asymmetric hydrogenations of cyclic imines and enamines en route to chiral 1,2- and 1,3-diamines and macrocyclic peptides.

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire. / This thesis describes the development of two methodologies involved in the biaryls synthesis. The first part is directed towards the use of a directing group or stabilizing group for the palladium catalyzed direct arylation. In all the examples found in the literature, the moiety bearing the directing group has the proton subject to abstraction in the ortho-position leaving the halide to the other coupling partner. We thought that by designing a compound having both a directing group and a halide, at the ortho position, the direct arylation of unactivated molecule species would be possible. This reaction is performed under air and without the use of any phosphine ligand providing a low cost and practical access to the pharmaceutically useful biaryl moieties containing a versatile ester functionality for further transformations. Owing to the ubiquity of C-H bonds in organic compounds, the possibility of directly introducing a new C-C bond (or other functionalities) via a direct C-H bond transformation is a highly attractive strategy in synthesis. Several rhodium, palladium, and ruthenium catalysts have proven to be highly effective in such direct coupling processes. Herein the first general and efficient iron-catalyzed direct arylation of iodo-aryls and iodo-hetereoaryl derivatives using a cost effective and environmentally benign catalyst is described. The reaction is performed under neat conditions and can even proceed at room temperature providing 22 examples of biaryls and heteroaryls construction with moderate to excellent yield. Mechanistic studies showed that the transformation was going through an aryl radical transfer pathway.

Dans ce travail, il est montré que les alkyl/vinyl/aryl lithiens et magnésiens réagissentavec les acides C-1(F/OMe) naphtoïques en l'absence de catalyseur métallique. Cette nouvelleréaction de substitution nucléophile aromatique permet potentiellement de préparer n’importequel biaryle tout en s'affranchissant des étapes de protection et de déprotection de la fonctionacide (CO2H). Les alkyllithiens linéaires et ramifiés réagissent avec la même efficacité que lesalkylmagnésiens même à basse température (–78 °C). Le déplacement d'un fluor ou d'unméthoxy s'effectue avec la même facilité. L'absence d'ortho-lithiation est confirmée par lepiégeage du milieu réactionnel en fin de réaction par l'iodométhane (après addition de n-BuLi,s-BuLi et t-BuLi). Le bromure de vinylmagnésium requiert un chauffage au reflux du THF.La méthode étudiée permet de préparer extrêmement facilement des 1- et 2-phénylnaphtalènes, 1,1’-binaphtalènes et 2,2’-binaphtalènes. Dans les exemples où lesaryllithiens donnent des rendements moyens-faibles en produits de couplage, les réactifs deGrignard sont beaucoup plus efficaces. Le o-tolyllithium, le bromure de o-tolylmagnésium, lebromure de (4-méthoxyphényl)magnésium, le bromure de (2,5-diméthylphényl)magnésium etle bromure de benzo[d][1,3]dioxol-5-ylmagnésium déplacent facilement le groupefluoro/méthoxy en ortho du groupe CO2M pour donner les produits de substitutioncorrespondants alors que la réaction du bromure de (2,6-diméthoxyphényl)magnésium estmoins efficace sans doute en raison de l'encombrement stérique causé par les deux groupesortho-méthoxy. L'acide 1-(2-méthoxyphényl)-2-naphtoïque est un produit particulièrementintéressant. La déprotection du groupe méthoxy suivie d'une cyclisation est réalisée par BBr3pour donner la 6H-naphtho[2,1-c]chromén-6-one qui est isolée avec un rendement de 97 %.Cette lactone est utile pour la préparation de composés atropoisomères optiquement actifsaprès ouverture énantiosélective du cycle lactone selon la technique mise au point parBringmann. / Alkyl as well as aryl substitution can be readily accomplished in generally excellentyields via a nucleophilic mode by displacement of an ortho-fluoro or methoxy group inunprotected naphthoic acids with lithium and Grignard reagents in the absence of a metalcatalyst.Alkyllithium reagents typically gave good-to-excellent yields, whether primary,secondary, or tertiary at –78 °C. Displacement of a fluoro or a methoxy group occurs withequal efficacy. The absence of ortho-lithiation was confirmed by quenching the reactionproduct with MeI after addition of n-BuLi, s-BuLi and t-BuLi. Alkyl Grignard reagentsEtMgBr and n-BuMgBr proved to be very reactive at –78 °C while vinyl magnesium bromiderequired refluxing in THF.The method provides excellent latitude with respect to the synthesis of 1- and 2-phenylnaphthalenes, 1,1’-binaphthalenes, and 2,2’-binaphthalenes. In those instances wherethe aryllithium reagents gave poor yields of coupling products, the corresponding Grignardreagents proved to be much more effective. o-Tolyllithium, o-tolylmagnesium bromide, (4-methoxyphenyl)magnesium bromide, (2,5-dimethylphenyl)magnesium bromide andbenzo[d][1,3]dioxol-5-ylmagnesium bromide smoothly displaced the fluoro/methoxy grouportho to the CO2M group to give the corresponding substitution products while reaction of(2,6-dimethoxyphenyl)magnesium bromide proceeded with less efficiency presumably due tosteric effects imparted by the two ortho-methoxy groups. Particularly useful is 1-(2-methoxyphenyl)-2-naphthoic acid which allows for further elaboration after the coupling isperformed. Deprotection of the methoxy group followed by cyclization was realized withBBr3 to afford 6H-naphtho[2,1-c]chromen-6-one which was isolated in 97% yield. Thislactone is the starting building block for the preparation of optically active atropisomers byenantioselective ring opening.