In this work, the nonaqueous synthesis of binary and ternary metal oxide nanoparticles is investigated for a number of technologically important materials. A strong focus was put on studying the reaction mechanisms leading to particle formation upon solvothermal treatment of the precursors, as an understanding of the formation processes is expected to be crucial for a better control of the systems, offering the potential to tailor particle size and morphology.<br><br> The synthesis of BaTiO3 was achieved by solvothermal reaction of metallic barium and titanium isopropoxide in organic solvents. Phase-pure, highly crystalline particles about 6 nm in size resulted in benzyl alcohol, whereas larger particles could be obtained in ketones such as acetone or acetophenone. In benzyl alcohol, a novel mechanism was found to lead to BaTiO3, involving a C–C coupling step between the isopropoxide ligand and the benzylic carbon of the solvent. The resulting coupling product, 4-phenyl-2-butanol, is found in almost stoichiometric yield. The particle formation in ketones proceeds via a Ti-mediated aldol condensation of the solvent, involving formal elimination of water which induces formation of the oxide. These processes also occurred when reacting solely the titanium alkoxide with ketones or aldehydes, leading to highly crystalline anatase nanoparticles for all tested solvents. In ketones, also the synthesis of nanopowders of lead zirconate titanate (PZT) was achieved, which were initially amorphous but could be crystallized by calcination at moderate temperatures. Additionally, PZT films were prepared by simply casting a suspension of the powder onto Si substrates followed by calcination.<br><br>Solvothermal synthesis however is not restricted to alkoxides as precursors but is also achieved from metal acetylacetonates. The use of benzylamine as solvent proved particularly versatile, making possible the synthesis of nanocrystalline In2O3, Ga2O3, ZnO and iron oxide from the respective acetylacetonates. During the synthesis, the acetylacetonate ligand undergoes a solvolysis under C–C cleavage, resulting in metal-bound enolate ligands which, in analogy to the synthesis in ketones, induce ketimine and aldol condensation reactions.<br><br> In the last section of this work, surface functionalization of anatase nanoparticles is explored. The particles were first capped with various organic ligands via a facile in situ route, which resulted in altered properties such as enhanced dispersibility in various solvents. In a second step, short functional oligopeptide segments were attached to the particles by means of a catechol linker to achieve advanced self-assembly properties. / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der nichtwässrigen Synthese binärer und ternärer Metalloxid-Nanopartikel durch solvothermale Behandlung von Metalloxid-Vorstufen in organischen Lösungsmitteln. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Reaktionsmechanismen gelegt, da eine genaue Kenntnis des Bildungsmechanismus eine bessere Kontrolle über das Partikelwachstum erwarten lässt, woraus sich die Möglichkeit der genauen Steuerung von Partikelgröße und –form ableitet.<br><br> Bariumtitanat (BaTiO3) konnte durch solvothermale Reaktion von metallischem Barium und Titanisopropoxid in organischen Lösungsmitteln hergestellt werden. Hochkristalline, phasenreine Partikel von etwa 6 nm Durchmesser wurden in Benzylalkohol erhalten, während in Ketonen wie Aceton oder Acetophenon größere Partikel entstanden. In Benzylalkohol läuft ein neuartiger Reaktionsmechanismus ab, der eine C–C-Kupplungsreaktion zwischen dem Isopropoxid und dem benzylischen Kohlenstoffatom des Lösungsmittels umfasst. Das Kupplungsprodukt 4-Phenyl-2-butanol wird in praktisch stöchiometrischer Ausbeute erhalten. In Ketonen verläuft die Partikelbildung über eine titankatalysierte Aldolkondensation des Lösungsmittels, die formell die Eliminierung von Wasser einschließt, was zur Bildung des Oxids führt. Diese Prozesse liefen auch bei Umsetzung von reinem Titanisopropoxid in Ketonen oder Aldehyden ab, wobei hier hochkristalline Anatas-Nanopartikel entstanden. Auch die Synthese von Bleizirkonat-titanat-Nanopulvern war in Ketonen möglich; die zunächst amorphen Pulver konnten durch Kalzinierung bei relativ geringen Temperaturen in kristalline Nanopartikel überführt werden. Zusätzlich wurden Filme durch Auftragen einer Suspension der Pulver auf Siliziumwafer und anschließende Kalzinierung hergestellt.<br><br>Die solvothermale Synthese kann allerdings auch ausgehend von Metallacetylacetonaten durchgeführt werden. Benzylamin erwies sich hier als ein sehr vielseitiges Lösungsmittel und ermöglichte die Synthese von nanokristallinem In2O3, Ga2O3, ZnO und Eisenoxid ausgehend von den jeweiligen Acetylacetonaten. Im Verlauf der Synthese wird der Acetylacetonatligand unter C–C-Bindungsspaltung solvolysiert. Die entstehenden Enolatliganden reagieren dann unter Ketimin- und Aldolkondensation analog der Solvothermalsynthese in Ketonen weiter.<br><br> Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Funktionalisierung der Partikel. Zunächst wurden TiO2-Partikel durch verschiedene organische Liganden „in situ“ funktionalisiert, wodurch Eigenschaften wie etwa die Dispergierbarkeit in unterschiedlichen Lösungsmitteln beeinflusst werden konnten. In einem zweiten Schritt wurden kurze Oligopeptidketten über eine Katecholbrücke an die Partikel geknüpft, um anspruchsvolle Selbstanordnungseigenschaften zu erzielen.

Investigation of the catalytic formation, reactivity and synthetic scope of sp³-gem-organodimetallic palladio(II)/main group metal (main group metal = tributylstannyl, dialkylalumino) alkane species has been carried out. Insight was expanded regarding the inter- and intramolecular reactivity of vinylmetallic reagents in presence of transition metal catalysts. New Pd-catalysed methodologies for carbon-carbon bond formation were developed, such as cyclopropanation of strained olefins, as well as tandem vinylalane arylation/1,2-methyl transfer and 1,2-diarylation. On the one hand, geminal π-allylpalladio(II)/tributylstannylalkane intermediates are produced by oxidative addition of Pd(0) catalysts to α-tributylstannylpropenyl acetate derivatives. They adopt ambiphilic behaviour depending on the transition metal pre-catalyst, presence or absence of phosphine ligands, and reaction temperature. In presence of tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0) with additional bidentate ligand, the carbenoid reactivity of these gem-organobismetallic species is exposed by reaction with dimethyl malonate. Deuterium-labeling studies demonstrated sequential functionalisation of the C-Sn and C-Pd bonds. Conversely, phosphine-free catalyst bis(dibenzylideneacetone)palladium(0) uncovers metal-carbene reactivity, and dimerisation and strained alkene cyclopropanation reactions are observed. The nature of the palladium catalyst controls the reactivity of the carbenoid species. Finally, bis(cyclooctadienerhodium(I) chloride) catalytically activates the alkenylstannane moiety, leaving the allylic acetate leaving group available for further transformations. On the other hand, gem-disubstituted trifluoromethanesulfonyloxy- and iodopalladio(II)/ dialkylaluminoneopentane species are generated by intramolecular migratory insertion of 2,2-disubstituted-1-butenyldialkylalanes with σ-arylpalladium(II) triflate and iodide intermediates. Using excess Lewis-basic 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane, electron-rich tris(para-methoxyphenyl)phosphine ligand and acetonitrile as solvent, tandem arylation/1,2-alkyl migration from aluminum to carbon affords 7-substituted-1-ethyl-1-methylindanes containing an all-carbon quaternary stereogenic centre in good yields. This reaction is tolerant of 6-aryl methyl ethers, thioethers and trimethylsilanes. Deuterium labeling established that protiodealumination of the key neopentyl(methyl)aluminum triflate intermediate is caused by the acetonitrile solvent. The organodimetallic species in that study were shown to be configurationally stable, hence the stereospecificity of the process that proceeds via carbopalladation, transmetalation and reductive elimination of an alkylpalladium(II) intermediate. When applied to 1-naphthyl triflate-tethered vinylalanes, the same reaction conditions mediate stereospecific 1,2-diarylation, leading to 2,3,3a,4-tetrahydro-1H-cyclopenta[def]phenanthrenes in excellent yields. The influence of DABCO, tether length and solvent polarity was studied. Selective tandem arylation/1,2-methyl migration could also be achieved in non-polar solvent in absence of Lewis base. While steric properties took precedence over electronic considerations when inducing product selection, preagostic C-H···Pd interactions were postulated to facilitate 1,3-metal migration in the production of 1H-cyclopenta[def]phenanthrene derivatives.

Investigation of the catalytic formation, reactivity and synthetic scope of sp³-gem-organodimetallic palladio(II)/main group metal (main group metal = tributylstannyl, dialkylalumino) alkane species has been carried out. Insight was expanded regarding the inter- and intramolecular reactivity of vinylmetallic reagents in presence of transition metal catalysts. New Pd-catalysed methodologies for carbon-carbon bond formation were developed, such as cyclopropanation of strained olefins, as well as tandem vinylalane arylation/1,2-methyl transfer and 1,2-diarylation. On the one hand, geminal π-allylpalladio(II)/tributylstannylalkane intermediates are produced by oxidative addition of Pd(0) catalysts to α-tributylstannylpropenyl acetate derivatives. They adopt ambiphilic behaviour depending on the transition metal pre-catalyst, presence or absence of phosphine ligands, and reaction temperature. In presence of tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0) with additional bidentate ligand, the carbenoid reactivity of these gem-organobismetallic species is exposed by reaction with dimethyl malonate. Deuterium-labeling studies demonstrated sequential functionalisation of the C-Sn and C-Pd bonds. Conversely, phosphine-free catalyst bis(dibenzylideneacetone)palladium(0) uncovers metal-carbene reactivity, and dimerisation and strained alkene cyclopropanation reactions are observed. The nature of the palladium catalyst controls the reactivity of the carbenoid species. Finally, bis(cyclooctadienerhodium(I) chloride) catalytically activates the alkenylstannane moiety, leaving the allylic acetate leaving group available for further transformations. On the other hand, gem-disubstituted trifluoromethanesulfonyloxy- and iodopalladio(II)/ dialkylaluminoneopentane species are generated by intramolecular migratory insertion of 2,2-disubstituted-1-butenyldialkylalanes with σ-arylpalladium(II) triflate and iodide intermediates. Using excess Lewis-basic 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane, electron-rich tris(para-methoxyphenyl)phosphine ligand and acetonitrile as solvent, tandem arylation/1,2-alkyl migration from aluminum to carbon affords 7-substituted-1-ethyl-1-methylindanes containing an all-carbon quaternary stereogenic centre in good yields. This reaction is tolerant of 6-aryl methyl ethers, thioethers and trimethylsilanes. Deuterium labeling established that protiodealumination of the key neopentyl(methyl)aluminum triflate intermediate is caused by the acetonitrile solvent. The organodimetallic species in that study were shown to be configurationally stable, hence the stereospecificity of the process that proceeds via carbopalladation, transmetalation and reductive elimination of an alkylpalladium(II) intermediate. When applied to 1-naphthyl triflate-tethered vinylalanes, the same reaction conditions mediate stereospecific 1,2-diarylation, leading to 2,3,3a,4-tetrahydro-1H-cyclopenta[def]phenanthrenes in excellent yields. The influence of DABCO, tether length and solvent polarity was studied. Selective tandem arylation/1,2-methyl migration could also be achieved in non-polar solvent in absence of Lewis base. While steric properties took precedence over electronic considerations when inducing product selection, preagostic C-H···Pd interactions were postulated to facilitate 1,3-metal migration in the production of 1H-cyclopenta[def]phenanthrene derivatives.

Les nanoparticules métalliques (MNPs) ont un grand succès dans les dernières décennies dû à la variété d'applications dans différents domaines (microélectronique, matériaux, catalyse). Mis à part les solvants organiques, les liquides ioniques, l'eau, le CO2 supercritique et les polyols, en particulier le glycérol, ont démontré leur capacité à stabiliser et immobiliser les nanoparticules métalliques. Ces milieux évitent l'agglomération des MNPs et facilitent leur recyclage. Des nanoparticules de Pd(0) et Ni(0) dans le glycérol, sphériques, petites en taille et bien dispersées, ont été synthétisées avec succès à partir d'une méthodologie simple sous pression d'hydrogène, en présence de différents stabilisants (alkaloïdes, phosphine, polymer). La caractérisation complète de ces matériaux en solution et à l'état solide, ainsi que la possibilité de faire des synthèses à grande échelle et de stocker les solutions catalytiques longtemps, montrent la grande stabilité de ces solutions colloïdales. Les nanoparticules dans le glycérol ont été impliquées dans une large variété de transformations : hydrogénations, hydrodéhalogénations, couplages de Hiyama, additions conjuguées et hydrosilylations. De plus, nous avons étudié l'effet du stabilisant sur la réactivité catalytique, nous permettant de contrôler l'état de surface des nanoparticules et moduler ainsi leur réactivité. Nous avons montré, de même, la capacité du glycérol pour immobiliser les catalyseurs, ce qui s'est traduit par la possibilité de recycler la phase catalytique entre 4 et 10 fois sans perte de metal. En parallèle, nous avons évalué le comportement du Ni(OAc)2 libre de ligands dans le glycérol, en tant que catalyseur alternatif pour des couplages C-C et C-hétéroélément. Nous présentons aussi une étude en flux continu, en collaboration avec la Maison Européenne des Procédés Innovants (MEPI), pour l'hydrogénation de différents groupes fonctionnels, en utilisant les PdNPs dans le glycérol synthétisées préalablement. / Metal nanoparticles (MNPs) have been largely studied in the last decades due to their interesting properties which found applications in several fields (microelectronics, materials and catalysis, among others). In contrast to common organic solvents, ionic liquids, water, supercritical CO2, polyols such as glycerol, represent innovative solvents for the immobilization of MNPs, avoiding their agglomeration and facilitating their recycling. Small, spherical, and well-dispersed Pd(0) and Ni(0) nanoparticles were synthesized under hydrogen pressure in glycerol, in the presence of different kinds of stabilizers (cinchona-based alkaloids, phosphine, polymer). The high stability of these colloidal solutions permitted the full characterization both in solution and at solid state, large-scale synthesis, and stocking the solutions for months. These colloidal catalysts were applied in a large variety of transformations including hydrogenations, hydrodehalogenations, Hiyama C-C couplings, hydrosilylation reactions, and Michael conjugate additions. Furthermore, we conducted a comparative study exhibiting the differences in catalytic reactivity by effect of the stabilizer, allowing us tuning the surface-state of the nanoparticles. Moreover, we showed the ability of glycerol to immobilize metal nanoparticles permitting the recycle of the catalytic phase between 4 and 10 times, without metal leaching. Additionally, we studied the behavior of ligand-free Ni(OAc)2 in glycerol as an alternative catalyst for C-C and C-heteroatom couplings. Also, we developped a continuous flow study, in collaboration with the Maison Européenne des Procédés Innovants (MEPI), for the hydrogenation of different functional groups, using PdNPs in glycerol

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This PhD thesis describes our results on the application of indium(I) bromide in carbon-carbon bond forming reactions. Indium enolates, generated in situ from the reaction between indium(I) bromide and α,α-dichloroketones, react with carbonyl compounds and electron-deficient alkenes. Reactions of indium enolate with α,α-dichloroketones, in presence of extra InBr, leads to the formation of 1,4-diketones. The coupling with aldehydes leads alternatively, according as the stoichiometry, to the diastereoselective synthesis of (syn+anti)-2-chloro-3-hydroxy-propan-1-ones (which can be converted to the respective trans-epoxyketones), (E)-α,β-unsaturated ketones and cyclopropanes, upon a sequenced reaction mechanism. We also have developed a methodology for the preparation of cyclopropanes through the reaction of the indium enolate and other organoindium(III) compounds, derived from the reactions between InBr and α,α-dihalo carbonyl compounds and halo-acetonitriles, with electron-deficient alkenes. / Este trabalho descreve os resultados dos estudos realizados sobre aplicações de brometo de índio(I) em reações para formação de ligações carbono-carbono. A reação entre brometo de índio(I) e α,α-diclorocetonas produz, in situ, enolatos de índio que reagem com compostos carbonílicos e alcenos deficientes em elétrons. As reações do enolato de índio com outras moléculas de α,α-diclorocetonas, na presença de InBr em excesso, leva à formação de 1,4-dicetonas. O acoplamento com aldeídos leva alternativamente, conforme a estequiometria, à formação diastereosseletiva de (syn+anti)-α-cloro-β-hidróxi-cetonas (que podem ser convertidas às respectivas trans-epóxi-cetonas), cetonas (E)-α,β-insaturadas e ciclopropanos, segundo um mecanismo de reações sequenciais. Ainda foi desenvolvida uma metodologia para preparação de ciclopropanos através da reação do enolato de índio e de outros compostos organoíndio(III), derivados da reação entre InBr e vários compostos carbonílicos α,α-di-halogenados e halogeno-acetonitrilas, com alcenos deficientes em elétrons.

À la lumière du changement climatique et de l'épuisement des réserves de combustibles fossiles, l'innovation dans les technologies énergétiques vertes et durables devient un défi crucial. La fabrication de produits chimiques consomme de grandes quantités d'énergie et est responsable d'une part importante des émissions mondiales de carbone. Dans ce contexte, l'électrosynthèse, alimentée par de l'électricité renouvelable, peut remplacer de nombreux procédés thermochimiques industriels pour générer des carburants, des produits chimiques et des engrais. Plutôt que de nous concentrer sur des domaines qui ont reçu beaucoup d'attention ces dernières années (par exemple, l'électrolyse de l'eau et la réduction du CO2), nous avons exploré les domaines émergents de l'électrosynthèse hétérogène pour lesquels il existe un besoin substantiel. Dans le chapitre 3, nous soulignons l'importance de concevoir des électrocatalyseurs avec des sites actifs bien définis. Nous rapportons l'utilisation de la chimie réticulaire pour concevoir un système de modèle électrocatalytique à base d'organo-métallique conducteur avec des sites actifs moléculaires M-O4 pour l'oxydation électrochimique du 5-hydroxyméthylfurfural (HMFOR). L'activité des MOF portant des sites actifs Ni-O4 (Ni-CAT) et Co-O4 (Co-CAT) a été analysée avec des techniques spectroscopiques électrochimiques et operando pour élucider le mécanisme de réaction se produisant à la surface. Les expériences électrochimiques révèlent que le Co-CAT a un potentiel d'apparition plus précoce pour activer le HMFOR, par rapport à la plupart des catalyseurs établis, tandis que le Ni-CAT présente une cinétique plus rapide pour la conversion du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) en acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA) . Nous avons déterminé que Ni-CAT atteignait des rendements de FDCA (notre molécule cible) de 98,7 %. L'efficacité faradique peut atteindre 86,8% d'efficacité faradique. La spectroscopie infrarouge indique le HMF avec un groupe aldéhyde lié à la surface comme intermédiaire clé dans le cycle catalytique, qui se forme une fois que l'oxydation M (II \ III) se produit. Ce travail illustre l'avantage d'utiliser des sites actifs moléculairement définis couplés à la spectroscopie operando pour fournir des informations fondamentales sur une variété de réactions électrosynthétiques et ouvrir la voie à la conception future de catalyseurs. Suite à ce projet, nous nous sommes tournés vers l'utilisation d'un réacteur à membrane sélective pour l'hydrogène afin d'explorer de nouveaux concepts de réaction et de catalyseurs. La clé ici était d'utiliser une feuille de Pd comme matériau qui réduisait les protons en *H dans un compartiment aqueux et transférait l'hydrogène dans un compartiment organique où il hydrogénait le réactif de choix. À l'aide d'un réacteur à membrane, nous avons pu séparer physiquement la réduction électrochimique de l'hydrogène et la chimie de l'hydrogénation d'une manière qui contournait l'utilisation du gaz H2 qui serait autrement nécessaire. Nous choisissons comme point de départ un produit chimique produit industriellement en excès, l'acétonitrile. Le réacteur à membrane Pd est appliqué pour hydrogéner complètement la liaison C≡N de l'acétonitrile. Avec succès, nous avons obtenu de l'ammoniac et de l'acétaldéhyde comme produits de réaction à un potentiel de début record de 0,4 V vs Ag/AgCl. Enfin, en concevant soigneusement une cellule spectroélectrochimique unique, nous avons pu effectuer des mesures spectroscopiques infrarouges pour visualiser le processus de réaction dans la membrane Pd et par conséquent proposé un mécanisme unique de réaction d'hydrolyse de l'imine (Chapitre 4). Dans le chapitre 5, nous choisissons d'innover dans un domaine émergent : la formation de liaisons électrochimiques C-N à partir de réactifs de petites molécules (par exemple CO2, NH3). Le mécanisme conventionnel de formation de liaisons électrochimiques C-N est basé sur le CO2RR électrochimique. Dans ce chapitre, nous proposons une stratégie orthogonale pour activer simultanément le CO2 et les N-réactifs en appliquant respectivement des impulsions de potentiel négatives et positives. Les nanoparticules de Cu sont utilisées comme catalyseur modèle, le CO2 agit comme réactif C et le NH3 agit comme réactif N pour le couplage C-N. Dans des conditions optimisées dans lesquelles la couverture *NH2 est maintenue à l'état stable tandis que Cu reste métallique, l'électrolyse pulsée augmente à la fois le taux de formation et la sélectivité des produits C-N urée, formamide et acétamide de 3 à 20 fois. En étendant le champ d'application à des réactifs C et N supplémentaires, ainsi qu'au couplage C-S, cette nouvelle approche démontre davantage sa valeur générale en électrosynthèse. / In light of climate change and depleting fossil fuel reserves, innovating green and sustainable energy technologies becomes a critical challenge. Chemical manufacturing consumes large amounts of energy and is responsible for a substantial portion of global carbon emissions. Against this backdrop, electrosynthesis, powered by renewable electricity, can replace many industrial thermochemical processes to generate fuels, chemicals, and fertilizers. Rather than focusing on areas that have received much attention in recent years (e.g. water electrolysis and CO2 reduction), we explored emerging areas within heterogeneous electrosynthesis for which there is a substantial need. In chapter 3, we highlight the importance of designing electrocatalysts with well defined active sites. We report the use of reticular chemistry to design a conductive metal organic framework-based electrocatalytic model system with molecular M-O4 active sites for electrochemical oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMFOR). The activity of MOFs bearing Ni-O4 (Ni-CAT) and Co-O4 (Co-CAT) active sites were analyzed with electrochemical and operando spectroscopic techniques to elucidate the reaction mechanism occurring on the surface. Electrochemical experiments reveal that Co-CAT has an earlier onset potential for enabling HMFOR, relative to most established catalysts, while the Ni-CAT shows faster kinetics for the conversion of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA). We determined that Ni-CAT achieved FDCA (our target molecule) yields of 98.7% yield. The faradic efficiency can reach out to 86.8% faradic efficiency. Infrared spectroscopy points to HMF with a surface-bound aldehyde group as the key intermediate in the catalytic cycle, which forms once the M(II\III) oxidation occurs. This work illustrates the advantage of utilizing molecularly defined active sites coupled with operando spectroscopy to provide fundamental insights into a variety of electrosynthetic reactions and pave the way for future catalyst design. Following this project, we turned to the use of a hydrogen-selective membrane reactor to explore more new reaction and catalysts concepts. The key here was using a Pd foil as a material that reduced protons to *H at an aqueous compartment and transferred the hydrogen through to an organic compartment where it hydrogenated the reactant of choice. Using a membrane reactor, we could physically separate electrochemical hydrogen reduction and hydrogenation chemistry in a manner that circumvented the use of H2 gas as would otherwise be necessary. We choose a chemical that is industrially produced in excess, acetonitrile, as a starting point. The Pd membrane reactor is applied to fully hydrogenate the C≡N bond of acetonitrile. Successfully, we obtained ammonia and acetaldehyde as reaction products at a record onset potential of 0.4 V vs Ag/AgCl. Finally, by carefully designing a unique spectroelectrochemical cell, we were able to carry out infrared spectroscopic measurements to visualize the reaction process in Pd-membrane and consequently proposed a unique imine-hydrolysis reaction mechanism (Chapter 4). In Chapter 5, we choose to innovate in an emerging area: electrochemical C-N bond formation from small molecule reactants (e.g. CO2, NH3). The conventional electrochemical C-N bond formation mechanism is based on electrochemical CO2RR. In this chapter, we propose an orthogonal strategy to simultaneously activate CO2 and N-reactants by applying negative and positive potential pulses, respectively. Cu nanoparticles are used as a model catalyst, CO2 acts as the C-reactant, and NH3 acts as the N-reactant for C-N coupling. Under optimized conditions in which *NH2 coverage is maintained at steady state while Cu remains metallic, pulsed electrolysis increases both the rate of formation and the selectivity of the C-N products urea, formamide and acetamide by 3-20 times. By extending the scope to additional C- and N-reactants, as well as C-S coupling, this new approach further demonstrates its general value in electrosynthesis.

La fonctionnalisation de liaisons C-H réputées peu réactives ouvre de nouvelles perspectives en synthèse organique. Une stratégie efficace consiste en l’utilisation d’un métal de transition. Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans ce contexte. Dans un premier temps, la réaction étudiée, catalysée par le palladium, vise à étendre une méthodologie mise au point au laboratoire, permettant la synthèse de benzocyclobutènes par activation intramoléculaire de liaisons C(sp3)-H de groupements méthyles benzyliques, à des composés non aromatiques. Plusieurs substrats ont été synthétisés pour être ensuite placés dans les conditions de la réaction d’activation C(sp3)-H, dans le but d’induire la formation du cyclobutène ou du cyclobutane désiré. Le processus n’est pas sélectif et de nombreux produits secondaires sont obtenus par des réactions péricyliques ou par des réarrangements suite à l’ouverture du palladacycle intermédiaire. Dans un deuxième temps, nos travaux ont permis de mettre à jour une nouvelle réaction de fonctionnalisation C(sp3)-H, catalysée par le palladium permettant l’arylation d’esters en position β par un mécanisme original. Les investigations portent sur l’optimisation complète de cette réaction, la compréhension du mécanisme et le développement d’une version énantiosélective prometteuse. Le mécanisme de cette réaction, confirmé par des calculs DFT réalisés en collaboration avec C. Kefalidis et E. Clot, se rapproche formellement de celui observé en α-arylation, puisqu’il repose sur la formation d’un énolate de palladium. La stratégie mise au point permet le couplage, dans des conditions douces, d’esters simples et commerciaux avec des halogénures d’aryles contenant un groupement électronégatif en position ortho, donnant ainsi accès à des intermédiaires de synthèse intéressants tels qu’un analogue de la phénylalanine ou des composés fluorés. / The direct functionalization of C-H bonds represents an atom- and step-economical alternative to more traditional synthetic methods based on functional group transformation, which often require multi-step sequences. In particular, transition-metal catalysis has recently emerged as a powerful tool to functionalize otherwise unreactive C-H bonds. In this context, we first investigated the extension of a methodology that has been developed in our laboratory for the synthesis of benzocyclobutenes via C(sp3)-H activation, to non aromatic compounds. Substrates have been synthesized in order to be evaluated in the reaction to form cyclobutenes or cyclobutanes. The process was not selective and several by-products were formed via pericylic reactions or rearrangements of the intermediate palladacycle. Our research has also focused on a conceptually new palladium catalyzed β-C-H arylation of carboxylic esters method. The investigations consisted of a complete optimization of the reaction conditions, an evaluation of the scope and elucidation of the mechanism. It was found that this type of [bêta]-arylation is mechanistically related to α-arylation because it involves the formation of a palladium-enolate. Computational studies (DFT calculations, C. Kefalidis et E. Clot) confirmed the proposed mechanism. Our strategy allowed a mild and efficient intermolecular arylation reaction from aryl halides bearing an ortho electronegative group, giving rise to a range of synthetically useful functionalized carboxylic esters such as phenylalanine analogues and new fluorinated building blocks.

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.