The functionalisation of C-H bonds has been widely studied in organic synthesis. This work presents the results of investigation into two areas of current research, copper-catalysed aromatic C-H functionalisation and rhodium-catalysed hydroacylation. Chapter 1 presents the development of palladium- and copper-catalysed aromatic C-H functionalisation with particular attention paid to regiocontrol. Chapter 2 describes the development of copper-catalysed cross-coupling of perfluorinated arenes and alkenyl halides along with efforts to expand this methodology to a more general reaction. In Chapter 3 the development of chelation-controlled rhodium-catalysed hydroacylation is discussed. Chapter 4 outlines the utilisation of amino acid derived N-methylthiomethyl aldehydes in rhodium-catalysed hydroacylation methodology.

Ground state destabilization is a hypothesis to explain enzyme catalysis. The most popular interpretation of it is the entropic effect, which states that enzymes accelerate biochemical reactions by bringing the reactants to a favorable position and orientation and the entropy cost of this is compensated by enthalpy of binding. Once the enzyme-substrate complex is formed, the reaction could proceed with negligible entropy cost. Deamination of cytidine catalyzed by E.coli cytidine deaminase appears to agree with this hypothesis. In this reaction, the chemical transformation occurs with a negligible entropy cost and the initial binding occurs with a large entropy penalty that is comparable to the entropic cost of the uncatalyzed reaction. Our calculations revealed that this reaction occurs with different mechanisms in the cytidine deaminase and water. The uncatalyzed reaction involves a concerted mechanism and the entropy cost of this reaction appears to be dominated by the reacting fragments and first solvation shell. The catalyzed reaction occurs via a stepwise mechanism in which a hydroxide ion acts as the nucleophile. In the active site, the entropy cost of hydroxide ion formation is eliminated due to pre-organization of the active site. Hence, the entropic effect in this reaction is due to a pre-organized active site rather than ground state destabilization. In the second part of this thesis, we investigated peptide bond formation and peptidyl-tRNA hydrolysis at the peptidyl transferase center of the ribosome. Peptidyl-tRNA hydrolysis occurs by nucleophilic attack of a water molecule on the ester carbon of peptidyl-tRNA. Our calculations showed that this reaction proceeds via a base catalyzed mechanism where the A76 O2’ is the general base and activates the nucleophilic water. Peptide bond formation occurs by nucleophilic attack of the α-amino group of aminoacyl-tRNA on the ester carbon of peptidyl-tRNA. For this reaction we investigated two mechanisms: i) the previously proposed proton shuttle mechanism which involves a zwitterionic tetrahedral intermediate, and ii) a general base mechanism that proceeds via a negatively charged tetrahedral intermediate. Although both mechanisms resulted in reasonable activation energies, only the proton shuttle mechanism found to be consistent with the pH dependence of peptide bond formation.

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The Dong research group is interested in harnessing the power of transition metal catalysis to transform simple molecules and reagents (such as carbon monoxide, hydrogen gas, olefins, and C–H and C–O bonds) into valuable products (such as functionalized heterocycles, chiral carbonyl compounds and natural products). This thesis will describe our continual effort to achieve this goal. Part I describes the Pd-catalyzed functionalization of sp2 and sp3 C–H bonds. Carbon monoxide is used as a stoichiometric reductant in the cyclization of diarylnitroalkenes to afford biologically relevant 3-arylindoles and other N-containing heterocycles with carbon dioxide as the only stoichiometric byproduct. Also, an aryl sulfoxide moiety is shown to direct the arylation of sp3 C–H bonds to afford beta-functionalized amides. Part II describes the Ru-catalyzed sp3 C–O bond activation of alkoxypyridines and related heterocycles. In this transformation, an O- to N-alkyl migratory rearrangement occurs to afford N-alkylated pyridones which are structures found in many natural products and pharmaceutical agents. Part III describes our pursuit of metal-catalyzed asymmetric synthesis. Readily available benzylic bromides are carbonylated with carbon monoxide in alcoholic solvent mixtures. The resulting medicinally relevant 2-arylpropionic esters are obtained with moderate to good enantioselectivities. Preliminary results for the asymmetric hydrogenation of gem-diarylethylenes and novel ligand development are also disclosed. Part IV describes our efforts towards the total synthesis of 6-deoxyerythronolide B. Our retrosynthetic analysis of the macrolide antibiotic involves disconnections at the lactone linkage and between C7 and C8. The two equally complex fragments were prepared via reliable aldol, hydroboration, crotylation and redox chemistry. Rather than the typical macrolactonization method to form the 14-membered ring, we propose an alternative strategy where we plan to cyclize with a metal-catalyzed ring-closing metathesis event. Currently, this step is under investigation by other members in the group.

The Dong research group is interested in harnessing the power of transition metal catalysis to transform simple molecules and reagents (such as carbon monoxide, hydrogen gas, olefins, and C–H and C–O bonds) into valuable products (such as functionalized heterocycles, chiral carbonyl compounds and natural products). This thesis will describe our continual effort to achieve this goal. Part I describes the Pd-catalyzed functionalization of sp2 and sp3 C–H bonds. Carbon monoxide is used as a stoichiometric reductant in the cyclization of diarylnitroalkenes to afford biologically relevant 3-arylindoles and other N-containing heterocycles with carbon dioxide as the only stoichiometric byproduct. Also, an aryl sulfoxide moiety is shown to direct the arylation of sp3 C–H bonds to afford beta-functionalized amides. Part II describes the Ru-catalyzed sp3 C–O bond activation of alkoxypyridines and related heterocycles. In this transformation, an O- to N-alkyl migratory rearrangement occurs to afford N-alkylated pyridones which are structures found in many natural products and pharmaceutical agents. Part III describes our pursuit of metal-catalyzed asymmetric synthesis. Readily available benzylic bromides are carbonylated with carbon monoxide in alcoholic solvent mixtures. The resulting medicinally relevant 2-arylpropionic esters are obtained with moderate to good enantioselectivities. Preliminary results for the asymmetric hydrogenation of gem-diarylethylenes and novel ligand development are also disclosed. Part IV describes our efforts towards the total synthesis of 6-deoxyerythronolide B. Our retrosynthetic analysis of the macrolide antibiotic involves disconnections at the lactone linkage and between C7 and C8. The two equally complex fragments were prepared via reliable aldol, hydroboration, crotylation and redox chemistry. Rather than the typical macrolactonization method to form the 14-membered ring, we propose an alternative strategy where we plan to cyclize with a metal-catalyzed ring-closing metathesis event. Currently, this step is under investigation by other members in the group.

Durant ma thèse, j'ai recherché les conditions pour l'activation / fonctionnalisation de liaisons C-H pour la construction de bi(hétéro)aryles tolérant des groupement fonctionnels réactifs tels que des silyles, des alcènes, des esters ou encore des amides. Par rapport aux protocoles de couplage classiques tels que les réactions de Suzuki, Stille ou Negishi, la fonctionalisation de liaisons C-H fournit des procédures moins coûteuses et plus écologiques si elle tolère des groupements utiles en synthèse. D'abord, nous avons observé que les thiophènes substitués par des silyles en C2 peuvent être arylés avec des bromures d'aryle sans désilylation en présence du précatalyseur Pd(OAc)2/dppb. Les produits de couplage sont obtenus avec de bons rendements et avec inhibition de la réaction de désilylation. Ensuite, nous avons démontré que le système Pd(OAc)2/KOAc sans ligand phosphine, favorise l'arylation directe des hétéroaromatiques et inhibe la réaction de type Heck avec des thiophenes substitués par des alcènes substituées sur les carbones 2 ou 3. Ensuite, nous avons démontré que les fonctions esters sur les hétéroaromatiques peuvent être avantageusement utilisées comme groupements protecteurs, permettant l'arylation directe d'hétéroaromatiques sur le carbone C5. Enfin, l'heteroarylation directe de 2- ou 4-bromobenzamides avec des hétéroarènes catalysée au palladium a été étudiée. En présence de KOAc comme base, aucune formation de liaisons C-C ou C-N par couplage de deux bromobenzamides n'a été observée. / During my thesis, I focused on condition for the activation / functionalisation of C-H bonds for the construction of biaryl derivatives tolerant to the reactive functional groups such as silyl, alkenes, esters or amides. Compared to classic cross-coupling protocols (Suzuki, Stille or Negishi), C-H bond functionalisation provides a costly effective and environmentally attractive procedures. At first, we observed that the silyl-substituted thiophenes can be directly arylated with aryl bromides without desilylation, using the simple Pd(OAc)2/dppb precatalyst for both conversion and desilylation inhibition. Then, we have demonstrated that the Pd(OAc)2/KOAc catalyst system without phosphine ligand, even using as few as 0.1 mol% of Pd catalyst, promotes the direct arylation of heteroaromatics and inhibits the Heck type reaction with 1,2-disubstituted alkenes. In addition, we demonstrated that easily accessible esters on heteroaromatics can be advantageously employed as blocking groups in the course of the direct arylation of several heteroaromatic derivatives. Finally, the palladium-catalyzed direct heteroarylation of 2- or 4-bromobenzamide with heteroarenes was studied. In the presence of KOAc as the base, no formation of C-N or C-C bonds by coupling of two bromobenzamide was observed.

Durant ma thèse, j’ai recherché des conditions pour l'activation / fonctionnalisation de liaisons C-H pour l’arylation d’hétérocycles viables pour l’industrie. Par rapport aux protocoles de couplage classiques tels que les réactions de Suzuki, Stille ou Negishi, la fonctionalisation de liaisons C-H fournit des procédures moins coûteuses et plus écologiques si elle tolère des groupements utiles en synthèse et si elle utilise des solvants peu ou non toxiques. Nous avons observé que le thiophène peut être arylé en C2 avec de nombreux bromures d'aryle en présence de seulement 0.2 mol% de Pd(OAc)2. Ensuite, nous avons démontré que des solvants de type alcool tels que le pentan-1-ol permet le couplage de thiazoles ou d’imidazoles avec des bromures d’aryle. Ce type de solvant est certainement plus viable pour l’industrie que les solvants usuellement utilisés pour ces couplages tels que le DMF ou le DMAc. Nous avons ensuite montré que certains de ces couplages peuvent même être effectués sans aucun solvant. Finalement, nous avons démontré que de nombreuses fonctions sur des bromopyridines sont tolérées lors de ces couplages, permettant l’accès à des pyridines arylées fonctionnelles utiles pour l’industrie pharmaceutique en une étape. / During my PhD, I searched for industrially viable conditions for activation / functionalization of CH bonds for the arylation of heterocycles. Compared to conventional coupling protocols such as Suzuki, Stille or Negishi reactions, the functionalization of CH bonds provides less costly and more environmentally friendly procedures if it tolerates synthetically useful functional groups and if it uses solvents with little or no toxicity. We observed that thiophene can be arylated at C2 with a wide scope of aryl bromides in the presence of only 0.2 mol% of Pd(OAc)2. Then, we demonstrated that alcoholic solvents such as pentan-1-ol allow the coupling of thiazoles or imidazoles with aryl bromides. This type of solvent is certainly more viable for the industry as the solvents commonly used for these couplings such as DMF or DMAc. We then showed that some of these couplings can even be performed without any solvent. Finally, we have shown that many functions on bromopyridines are tolerated in these couplings, enabling access to arylated functionalized pyridines useful for the pharmaceutical industry in one step.

Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent essentiellement sur la préparation, le criblage et l’utilisation des catalyseurs hétérogènes à base de polysaccharides. L’objectif principal du projet de thèse a plus particulièrement consisté à évaluer deux polysaccharides : les alginates et le chitosane en tant que supports renouvelables pour la catalyse hétérogène. Ces deux types de polysaccharides ont des structures et des propriétés physico-chimiques très différentes : les alginates sont connus pour être de bons complexants de métaux di ou trivalents de par la présence des fonctions carboxylates dans leur matrice, le chitosane résulte quant à lui de l’assemblage d’unités N-glucosamine pouvant être facilement modifiées chimiquement.Dans un premier temps, nos travaux ont essentiellement portés sur des catalyseurs bimétalliques Mn+ Pd supportés sur alginate dont nous avons évalué l’activité catalytique dans les réactions de couplage C—C de Mizoroki-Heck, Sonogashira et Suzuki-Miyaura. D’une manière générale, seuls les catalyseurs à base de nanoparticules de palladium ont montré une réactivité intéressante pour la catalyse de la réaction de Suzuki-Miyaura. Par la suite, nous avons également étudié les réactions d’oxydations d’alcools catalysées par du palladium (II) complexé à l’alginate. Cette étude nous a permis d’identifier deux catalyseurs actifs vis-à-vis de l’oxydation d’alcools allyliques et benzyliques.Dans un deuxième temps, nous avons développé de nouveaux ligands de type NHC en vue de les greffer sur la matrice chitosane : un ligand NHC pour les réactions de métathèse d’oléfines, et plusieurs ligands NHC de type pincer CNC pour les réactions de couplage C—C dans l’eau. Bien que les performances catalytiques des systèmes hétérogènes correspondant soient limitées, ces travaux ont conduit à l’élaboration de nouveaux ligands amphiphiles construits autour d’un noyau pyrazine porteurs de quatre ligands carbéniques. Après complexation de métaux tels que le palladium ou l’or, ces systèmes conduisent à des nanocatalyseurs ayant des performances catalytiques intéressantes. Enfin, dans un troisième temps, nous avons développé une nouvelle réaction de cyanation décarboxylante pallado-catalysée permettant de transformer en une étape des acides carboxyliques aromatiques en benzonitriles correspondants. Outre son intérêt synthétique, cette réaction présente un grand intérêt pour le marquage isotopique. / This work describes the preparation, screening and use of heterogeneous catalysts based on polysaccharides. The main goal of our project was to evaluate two polysaccharides: alginates and chitosan as renewable supports for heterogeneous catalysis.Alginates are known to form gels with most di- and multivalent cations due to the presence of the carboxylate functions of their matrix. And chitosan is an attractive polysaccharide for application in catalysis owing to the presence of readily functionalizable amino group and its insolubility in organic solvents.First, our work focused on evaluating the catalytic activity of bimetallic Mn+-Pd catalysts supported on alginate in C—C coupling reactions. Among them, one system demonstrated remarkable catalytic properties for the Suzuki-Miyaura coupling. Then, the oxidation of alcohols catalyzed by Alginate-Mn+-Pd2+ catalyst was investigated. Two catalysts demonstrated good activity for oxidation of benzylic and allylic alcohol.In a second time, we developed new NHC ligands in order to anchor them on chitosan: two new NHC ligands for olefin metathesis and several NHC pincer CNC ligands for C—C coupling reactions in water. A palladium complex obtained with one our new ligand bearing long alkyl chains showed good activity in the Suzuki-Miyaura coupling in pure water.Finally, a new palladium (II) catalyzed decarboxylative cyanation reaction was investigated. This methodology is the first example of direct conversion of aryl carboxylic acid into the corresponding aryl nitrile. This reaction is well adapted to labeled compound synthesis.

La fonctionnalisation de liaisons C-H réputées peu réactives ouvre de nouvelles perspectives en synthèse organique. La catalyse par un métal de transition comme le palladium représente une solution particulièrement efficace à ce problème. Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans ce contexte. Dans un premier temps, la réaction étudiée, catalysée par le palladium, a visé à étendre une méthodologie mise au point au laboratoire pour la synthèse de carbocycles et d’hétérocycles à cinq chaînons par activation intramoléculaire de liaisons C(sp3)-H à partir de chlorures d’aryles. Ces derniers sont en effet plus disponibles et moins onéreux que les bromures d’aryle correspondants. Des études d’optimisation ont été effectuées pour la mise au point d'une réaction diastéréosélective et régiosélective. Plusieurs substrats ont été synthétisés pour être ensuite placés dans les conditions optimales de la réaction d’activation C(sp3)-H, et ont conduit à une grande diversité de cycles à cinq chaînons fusionnés. Dans un deuxième temps, nos travaux ont consisté à étendre l’activation C(sp3)-H pallado-catalysée à des précurseurs non aromatiques cycliques ou acycliques. Pour des raisons d'accessibilité, nos études se sont alors portées sur la préparation de bromures vinyliques azotés pouvant conduire après activation C-H à des motifs hexahydroindoles ou pyrrolidines. De nouvelles conditions d’activation CH ont alors été trouvées pour cette famille de substrats, et ont conduit aux hétérocycles cibles de manière diastéréosélective et régiosélective. Après extension de la réaction à divers précurseurs, nous nous sommes intéressés à la synthèse d’un intermédiaire poly-fonctionnalisé permettant d'accéder aux aéruginosines, famille de produits naturels bioactifs. / The direct functionalization of unactivated 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 owerful 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 fused five-membered rings via palladium-catalyzed C(sp3)-H activation from aryl chlorides. Optimization studies were conducted and reaction conditions leading to a regioand diastereoselective process were found. These optimal conditions were applied to various ubstrates, giving rise to a variety of fused five-membered carbocycles and heterocycles. Next, our work was devoted to the extension of the palladium-catalyzed C(sp3)-H activation to cyclic and acyclic non aromatic precursors. Our studies focused on the preparation of the more accessible nitrogen-containing bromoalkene substrates, leading to interesting hexahydroindole or pyrrolidine motifs by C-H activation. New C-H activation conditions were adapted to this family of substrates and led to the synthesis of the target heterocycles in a regio- and diastereoselective manner. As a more complex application of this method, we investigated the synthesis of a polyfunctionalized intermediate allowing the access to the aeruginosin family of bioactive natural products.

La fonctionnalisation C(sp3)-H catalysée par des métaux de transitions, ouvre de nombreuses perspectives en synthèse organique, permettant des voies d'accès plus économes en atomes, et en étapes à des molécules à forte valeur ajoutée. Dans cette optique, une méthode efficace permettant l'arylation des liaisons C(sp3)-H en position α d'un groupement attracteur, plus communément appelée α -arylation a récemment fait l'objet d'une attention toute particulière de la part de la communauté scientifique. Le travail détaillé dans ce manuscrit décrit les dernières avancées de cette méthodologie, ainsi qu'une variante «β-arylation » développée au laboratoire qui constitue une évolution significative dans le domaine de l'arylation regiosélective des liaisons C(sp3)-H non activées. Dans le cadre de ce projet de thèse nous nous sommes efforcés de développer cette nouvelle réaction que nous avons pu optimiser pour l'étendre à une famille plus étendue de substrats de type amino-esters. Dans la continuité de ce travail nous avons réalisé la première réaction d'arylation migratoire sélective d'amino-esters pouvant aller jusqu'à la position η d'une chaîne alkyle linéaire. Enfin, dans le but d'accéder à de nouvelles molécules à plus haute valeur ajoutée, nous avons pu appliquer notre méthodologie aux acetals de cétènes silylés permettant de dépasser certaines limitations du système existant. Dans ce cas précis, des conditions plus douces (sans base forte) ont permis l'arylation de substrats dits sensibles et par extension la synthèse de lactones fonctionnalisées / The transition metal catalysed functionalization of C(sp3)-H bonds unlocks numerous perspectives within organic synthesis in terms of atom economical access routes to otherwise difficult to synthesise molecules. One efficient method to exact such transformations involves the exploitation of an activated C-H bond situated adjacent to an activating electron withdrawing group, allowing facile insertion of a transition metal catalyst species and subsequent functionalization with a new species (normally an aryl group). This strategy is generally termed ‘α-functionalization’. The work detailed within this manuscript describes a diversion from the classic, and well documented α-functionalization reaction, in which rearrangement steps within the catalytic cycle give rise to β- and more remote substrate functionalization. The first new methodology to be described involves a fundamental extension to the in-house developed β-arylation reaction, in which, through careful substrate and ligand choice, this methodology could be applied to achieve the functionalization of simple ester enolates in remote γ- to η - positions. The developed strategy allowed the synthesis of a small range of interesting homophenylalanine analogues, and higher homologues. The second methodology to be described involves a necessary modified protocol for the β-arylation reaction, in which silyl ketene acetals were exploited as mild metal-enolate surrogates, allowing the coupling of base-sensitive substrates. The previously described reaction scope has been extended in terms of both the electrophile and nucleophile coupling partners through the development of mild reaction conditions, which subsequently allowed application of several products towards the synthesis of lactones