Chapter 1: Metal carbenoids in organic synthesis The chapter describes the phenomena of metal carbenoid insertion reactions in two parts: Part A, and Part B. The study of N-tosylhydrazones as diazo precursor was commenced by Jose Barluenga in 2007,1 which demonstrated an in-situ generation of diazo species and trapping of that with low valent palladium catalyst (Scheme 1). Later, this palladium-carbenoid assumption was supported by few reports. Some of these discoveries were by D. F. Taber in 1986 followed by van Vranken in 1999 & 2001.2 These studies of palladium carbenes were supplemented by several groups in subsequent years. The consequent developments with N-tosylhydrazones as diazo source were very fruitful and produced exceptional chemical transformations in recent years. Though the precursor is also vastly customary for other metals such as Cu, Ni, Rh and Co, the primary focus has been given to Pd catalysis due to its wide utility and applicability. 1) Barluenga, J.; Moriel, P.; Valdes, C.; Aznar, F. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 5587. 2) (a) Taber, D. F.; Amedio, J. C., Jr.; Sherrill, R. G. J. Org. Chem. 1986, 51, 3382. (b) Hoye, T. R.; Dinsmore, C. J.; Johnson, D. S.; Korkowski, P. F. J. Org. Chem. 1990, 55, 4518. (c) Greenman, K. L.; Carter, D. S.; Van Vranken, D. L Tetrahedron 2001, 57, 5219. 3) Palladium catalysed coupling of tosylhydrazones with aryl and heteroaryl halides in the absence of external ligands: synthesis of substituted olefins, Ojha, D. P.; Prabhu, K. R. J. Org. Chem., 2013, 78, 12136. Modes of reactivity of a metal-carbene Scheme 1 Cascade carbene migratory insertion process Part A: Ligand-free coupling of tosylhydrazones with aryl & heteroaryl halides In this part, Palladium catalysed cross-coupling reaction of hydrazones with aryl halides in absence of an external ligand is reported. The versatility of this coupling reaction has been demonstrated by showcasing the selectivity of coupling reaction in presence of hydroxyl and amine functional groups. This method allows synthesizing a variety of heterocyclic compounds, which are otherwise difficult to access from traditional methods. Application of the present methodology is validated in tandem reaction of ketones to the corresponding substituted olefins in a single pot experiment. Few examples are illustrated below in Scheme 2.3 Scheme 2: Scope of aryl halide coupling with tosylhydrazones Part B: Pd-catalysed Synthesis of Highly Branched Dienes The regioselective formation of highly branched dienes is a challenging task. Design and exploration of alternative working models to achieve such a regioselectivity to accomplish highly branched dienes is considered to be a historical advancement of Heck reaction to construct branched dienes. On the basis of the utility of carbene transfer reactions, in the reaction of hydrazones with Pd(II) under oxidative conditions, we envisioned obtaining a Pd-bis-carbene complex with α-hydrogens, which can lead to branched dienes. Herein, we report a novel Pd catalyzed selective coupling reaction of hydrazones in presence of tert-BuOLi and benzoquinone oxidant to form corresponding branched dienes (Scheme 3).4 The utility of the Pd catalyst for cross-coupling reactions for synthesizing branched conjugated dienes are rare. The reaction is very versatile and compatible with a variety of functional groups and is useful in synthesizing heterocyclic molecules. We anticipate that this Pd-catalyzed cross-coupling reaction will open new avenues for synthesizing useful compounds. 4) Pd-catalyzed cross-coupling reactions of hydrazones: regioselective synthesis of highly branched dienes, Ojha, D. P.; Prabhu, K. R. J. Org. Chem., 2012, 77, 11027. 5) Furrow, M. E.; Myers, A. G. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5436. 6) Taber, D. F.; Guo, P.; Guo, N. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11179. Scheme 3: diene synthesis via bis-carbene insertion process Chapter 2: Tosylhydrazones: Role in modern day organic synthesis In recent days, hydrazone based reactions are focused on the donor-acceptor ability of the hydrazones or the in-situ generated diazo species (Scheme 4). This commenced with the Myers’s report in 2004,5 which simplifies the Barton vinyl halide preparation with a remarkable revision on synthesis of alkyl-silyl-hydrazones and its applications. Improved methods of using tosylhydrazones were demonstrated by Aggarwal in successive years. Cycloadditions were implemented by Douglass F. Taber. 6 This study was enriched in a quite fascinating way by several groups such as Jose Barluenga, with many reductive coupling reactions and 1, 3-dipolar reactions. Thomson, in a very interesting report shows the traceless petasis reaction with hydrazones and also worked in many other prospects such as three component reactions and the acid catalysed [3+3] sigmatropic reactions of hydrazones. 7 Wang has also impressed with very attractive transformations in the past decade. 8 7) Thomson, R. J. et al. Nat. Chem. 2009, 1, 494. 8) Xiao, Q.; Zhang, Y.; Wang, J. Acc. Chem. Res. 2012, 46, 236. 9) Regioselective Synthesis of vinyl halides, vinyl sulfones, and alkynes: A tandem intermolecular nucleophilic and electrophilic vinylation of tosylhydrazones, Ojha, D. P.; Prabhu, K. R. Org. Lett. 2015, 17, 18. Scheme 4: Trapping diazo species in intermolecular fashion Part A: Synthesis of vinyl halides Trapping diazo species in an intermolecular fashion by attack of two independent ions (a cation followed by an anion) in tandem at the carbene center is unprecedented. As part of our efforts on the utility of tosylhydrazones, herein we report a novel approach of using ambiphilic diazo species to perform a tandem attack of a nucleophile followed by an electrophile in an intermolecular fashion for synthesizing various types of vinyl halides. A few representative examples are shown in Scheme 5.9 Scheme5: Synthesis if vinyl halides Part B: Synthesis of vinyl sulfones Vinyl sulfones are potential synthetic targets due to their presence in biologically and pharmaceutically important molecules ranging from small natural metabolites to proteins, and have found widespread applications in biological research as covalent protease inhibitors. Vinyl sulfones represent one of the important sulfur containing functional groups in organic chemistry, which are generally synthesized through elimination reactions, oxidation of vinyl sulfides or witting reactions using multistep sequence. Following this technique, we were able to synthesize a variety of vinyl sulfones with rich mechanistic features in a single step. A few such examples are documented in Scheme 6.9 Scheme 6: synthesis of vinyl sulfones Part C: Synthesis of alkynes The functional group conversion to achieve alkyne frameworks are generally a difficult transformation. There are very few limited and tedious processes are available in literature, mainly containing multi-step procedures. Additionally these reactions are require harsh conditions. Considering all these factors, there is a need for developing methods to synthesize alkynes from common functional groups under mild reactions conditions. In a similar way, to introduce different halogens at the same carbon, we expected the eliminations of the leaving groups in tandem formed alkynes. After extensive screening studies, it was pleasing to find that the reaction of tosylhydrazones with NCS−BTEAC, NBS−TBAB, or NIS−TBAI combination in presence of K2CO3 in dioxane as solvent at 110 °C can furnish corresponding acetylene derivatives in good yields. Few examples are shown in Scheme 7.9 Scheme 7: Trapping diazo species in intermolecular fashion Chapter 3: Pd catalysed hydroboration This chapter shows a hydroboration study of terminal alkynes in a highly regioselective manner (Scheme 8). Organoboron derivatives have become essential intermediates in organic and medicinal chemistry. Pioneering contributions are made by Brown and Akira Suzuki, who both instigated the development of new synthetic tools for the introduction of boron atoms onto organic molecules. 10 10) (a) Barbeyron, R.; Benedetti, E.; Cossy, J.; Vasseur, J.-J.; Arseniyadis, S.; Smietana, M. Tetrahedron 2014, 70, 8431. (b) Miyaura, N.; Suzuki, A. Chem. Rev. 1995, 95, 2457. 11) Pd-Catalysed regioselective borylation of alkynes: A ligand controlled synthesis of α- and β vinyl boronates (manuscript submitted). Scheme 8: possibility of site selectivity in hydroboration Part A: Pd-catalysed regioselective borylation of alkynes: A ligand controlled synthesis of α and β – vinyl boronates The metal catalyzed borylations of alkynes proceeds in a two-step process. Initially M-Bpin species undergo an addition onto the alkynes to generate organometallic species followed by quenching of the organometallic species with electrophiles. The addition M-Bpin species is regioselective governed by the steric and electronics factors of both metal complex as well as alkyne substituents. In this direction, a palladium catalysed α-selective borylation was achieved for terminal alkynes. A broad range of substrates were successfully borylated under optimized reaction conditions with very high selectivity. Interestingly, the selectivity was reversed to terminal site by using a NHC ligand. A few examples are shown in Scheme 9.11 Scheme 9: α & β-vinyl boronates Chapter 4: Pd/borane unit: Behavior towards isomerization vs reduction of alkenes This study presents a unique behaviour of palladium-boronate unit responsible for olefin chain walking and olefin reduction reactions (Scheme 10). The catalytic system stands efficient against both functionalized and unfunctionalized olefin isomerization as well as reductions. This study has been presented in two parts. Scheme 10: isomerization vs reduction Part A: Pd/ boronates or borane unit as efficient catalytic systems for olefin chain walk This study presents the behaviour of palladium-boronate unit responsible for olefin chain walking. The catalytic system is efficient for both functionalized and unfunctionalized olefin isomerizations (Scheme 11). Cycloisomerization of transient conjugated alkenes to synthesize heterocycles are prominent applications of this technique. The system describes a concept of olefin activation by coordination with Pd-borane complex, this complex assists in a facile [1,3]-hydride shift. This technique allows us to facilitate an isomerization in functionalized as well as unfunctionalized olefinic systems. Considering the substrates scope, the catalytic cycle tolerates various sensitive functional groups and shows good selectivity. In the following Scheme 11 few examples are depicted.12 12) Palladium/boron catalytic unit for olefin chain-walk (manuscript under preparation). Scheme 11: chain-walking of olefins. Part B: Palladium catalysed boronate promoted alkene reduction in water In this work, water has been employed as a source of hydrogen. The reduction of alkenes was achieved using Pd catalyst in presence of bis(pinacolato)diboron and H2O. In this aspect, the utility of water as hydrogen equivalent is the pertinent as well as beneficial with many advantages. Few representative examples are shown in Scheme 12.13 13) Pd-Catalysed homogeneous hydrogenation of olefins by using water as hydrogen source (manuscript under preparation). Scheme 12: synthesis of alkenes reduced products.

Les nanofils (NFs) semiconducteurs sont sujets d'un intérêt croissant depuis une vingtaine d'années pour de nombreuses applications potentielles liées à leurs propriétés optoélectroniques spécifiques. Ils présentent ainsi un intérêt particulier pour l'application photovoltaïque. En effet, l'association du fort coefficient d'absorption des semiconducteurs III-V et du bas coût des substrats de silicium permettrait de réaliser des cellules photovoltaïques à bas coût et à haut rendement. C'est dans ce contexte que s'est déroulée cette thèse qui visait deux objectifs : d'une part, la simulation RCWA (Rigorous CoupledWave Analysis) de l'absorption de la lumière dans un réseau ordonné de NFs de GaAs sur un substrat de silicium et d'autre part, la croissance auto-catalysée de NFs de GaAs par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) en mode Vapeur- Liquide-Solide (VLS). La simulation RCWA a permis de déterminer les paramètres optimaux en termes de diamètre et hauteur des NFs ainsi que de la période du réseau de NFs pour avoir une absorption optimale de la lumière, en prenant en compte les couches de passivation de GaAlAs et d'ITO. L'étude de la croissance auto-catalysée des NFs de GaAs a permis de déterminer les paramètres de croissance (température, flux de Ga, flux d'As, rapport V/III, ...) optimaux pour avoir une densité, un diamètre et une hauteur de NFs verticaux corrélés aux résultats de simulation. Il a aussi été mis en évidence un rapport V/III critique à ne pas dépasser pour conduire à des NFs de structure cristalline pure Zinc-Blende. Des NFs de GaAs à jonction p-n cœur-coquille ont été produits et caractérisés par EBIC et SSRM. Enfin, nous avons démontré la faisabilité de la croissance auto-catalysée de NFs de GaAlAs sur substrat Si par EJM-VLS. / Over the past few years, semiconductor nanowires (NWs) have aroused a lot of interest for their specific optoelectronic properties. The latter make them particularly interesting for photovoltaics. The combination of the high absorption coefficient of the III-V semiconductors and the low cost of the silicon substrates would indeed make it possible to produce low-cost and with high-efficiency photovoltaic cells. This context made it possible to write this thesis. On the one hand, the RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) simulation of the light absorption in an ordered GaAs NW array on a silicon substrate and on the other hand the self-catalyzed growth of GaAs NWs by Molecular Beam Epitaxy (MBE) in Vapor-Liquid-Solid (VLS) mode. The RCWA simulation was carried out to determine the optimal parameters such as the diameter and the height of the NWs, and the period of the NW array for efficient light absorption. This work took into account both GaAlAs "passivating" layer and ITO transparent contact layer in order to define the optimal parameters. The study of the self-catalyzed growth of GaAs NWs allowed us to determine the optimal growth parameters (temperature, Ga flux, As flux, V/III ratio, ...) in order to obtain a density, diameter and height of vertical NWs correlated to simulation results. A critical V/III ratio was also determined, and in order to produce pure Zinc-Blende NWs, this ratio should not exceed that value. GaAs NWs with p-n core-shell junction were produced and characterized by EBIC and SSRM. Finally, we demonstrated the feasibility of the self-catalyzed growth of GaAlAs NWs on Si substrate by VLS-MBE.

Aujourd’hui les médecins disposent de nombreuses techniques d’imagerie médicale afin d’établir des diagnostics précis et précoces. Cependant, chacune de ces techniques possède ses propres avantages et inconvénients. C’est pourquoi, l’utilisation de méthodes bi- ou multi-modales paraît intéressante. Parmi celles-ci, la combinaison TEP/IRM permet d’apporter des informations complémentaires. Il est alors nécessaire d’injecter aux patients un traceur adapté à chacune de ces modalités. Ce travail de thèse a donc consisté à synthétiser des plateformes moléculaires « universelles » utilisables pour l’imagerie IRM et TEP selon deux stratégies. La première a consisté en la synthèse d’une molécule composée d’un macrocycle de type DO3A permettant à la fois la chélation d’un atome de gadolinium pour l’IRM mais aussi d’un atome de gallium 68 pour la TEP. L’idée étant, afin d’avoir une sonde bimodale, de réaliser un mélange des deux composés. La seconde stratégie a été de synthétiser une unique molécule pouvant être marquée à la fois par du gadolinium pour l’IRM et par un atome de fluor 18 pour la TEP. Afin de pouvoir cibler un phénomène physiopathologique donné, l’idée de ces plateformes est de pouvoir introduire de manière simple et versatile une biomolécule. La chimie « click » semble être une méthode particulièrement attractive pour pouvoir réaliser cet objectif. Cependant, cette réaction, habituellement catalysée au cuivre est difficilement applicable sur ce genre de plateforme du fait de l’affinité du cuivre pour le macrocycle DO3A. Ce problème a donc été contourné par utilisation de la réaction de chimie « click » catalysée par des complexes de ruthénium afin d’avoir accès aux deux plateformes macrocycliques. / Today physicians can use a wide variety of medical imaging techniques to establish early and accurate diagnosis. Nevertheless, each modality has its own advantages and drawbacks. This is why bi- or multimodality approach seems interesting. Among them, PET/MRI combination seems very promising because it can bring complementary informations. It is therefore necessary to inject to patients tracers specific to each imaging modality. This work described the synthesis of molecular platforms for MRI and PET imaging, according to 2 different strategies. The first one consisted in the synthesis of a DO3A macrocycle allowing the chelation of both gadolinium for MRI and gallium 68 for PET. The aim here is to have a bimodal probe, with a mixture of each compound. The second strategy was the preparation of a single molecule that can be simultaneously labeled by both gadolinium for MRI and fluorine 18 for PET. The final goal is to introduce onto these platforms a biomolecule in a versatile and easy way, to be able to target a specific pathophysiological process. ‘‘Click’’ chemistry seems to be an attractive methodology to achieve this goal. However, this reaction, usually catalyzed with copper is not suitable to DO3A macrocyles due to the copper affinity with those azamacrocycles. This issue has been circumvent by the use of ruthenium catalyzed ‘‘click’’ chemistry. We were then able to access to both macrocycles platforms.

Ces travaux de thèse portent sur la conversion par catalyse hétérogène du furfural (produit biosourcé produit, par déshydratation du xylose issu de l'hydrolyse acide de l'hémicellulose) en acide 2,5-furane dicarboxylique (FDCA, substituant potentiel de l'acide téréphtalique, monomère de polyesters et polyamides, issu du pétrole). Cette transformation a été envisagée en deux étapes catalytiques: 1) l'hydroxyméthylation du furfural en 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) par le formaldéhyde aqueux ou le trioxane en présence d'un catalyseur acide. Les rendements maxima de 40% ont été obtenus en utilisant le formaldéhyde aqueux en présence de nanoparticules de ZSM-5. L'instabilité du furfural et du HMF dans ces conditions réactionnelles est la principale difficulté. 2) l'oxydation aérobie du HMF en FDCA. En milieu alcalin faible (Na2CO3), en présence d'un catalyseur Pt/C promu par le Bi (rapport molaire Bi/Pt = 0,2) à 100 °C et sous 40 bar d'air, le FDCA est obtenu avec un rendement quantitatif. La modification du Pt par le bismuth permet de limiter la lixiviation du Pt dans le milieu réactionnel et de recycler le catalyseur sans prétraitement préalable et sans perte significative de l'activité, comme démontré ensuite en réacteur continu / This thesis reports a study of heterogeneously catalyzed conversion of furfural (biobased product formed from the acid-catalyzed dehydration of xylose) into 2,5-furane dicarboxylique acid (FDCA, possible replacement monomer for terephtalic acid for the production of polyethylene terephtalate). This transformation has been considered in two catalytic steps: 1) hydroxymethylation of furfural with aqueous formaldehyde or trioxane into 5-hydroxymethylfurfural (HMF) in the presence of solid acids. The maximum yields of 40% have been obtained using aqueous formaldehyde in the presence of nanoparticles of ZSM-5. The main problem was the lack of stability of furfural and HMF in reaction conditions. 2) aerobic oxidation of HMF into FDCA. HMF was oxidized in alkaline aqueous solutions over Pt-based catalysts using dioxygen from air. Promotion of the catalyst with bismuth and the presence of a weak base (Na2CO3) yielded a catalytic system with a remarkable activity and selectivity. HMF was completely and exclusively converted to FDCA within 2,5 h. The catalyst could be recovered by simple filtration and reused several times without significant loss of activity and with no platinum or bismuth leaching

Le portentol est un polypropionate qui possède une structure spirocyclique très originale. Cette molécule, dont il n'existe encore aucune synthèse totale, a été isolée du lichen Rocella portentosa à la fin des années 1960. Dans le but d'accéder au squelette du portentol, nous avons développé une méthodologie visant à synthétiser des spirotétrahydropyranes fonctionnalisés via une cyclisation de Prins. Au cours de ce travail, un phénomène de dédoublement cinétique dynamique a aussi été mis en évidence. La stachybotrine C, isolée à partir de la bactérie Stachybotrys parvispora, possède des propriétés neurotrophiques et neuroprotectrices très intéressantes. Deux voies de synthèse ont été envisagées pour préparer ce produit naturel. La première voie repose sur une réaction d'hydroarylation d'un éther propargylique catalysée à l'or, suivie d'une oxydation régiosélective du chromène résultant. La seconde voie fait intervenir une étape clé d'époxydation/cyclisation d'un alkénylphénol obtenu suite à un réarrangement de Claisen. Ces travaux nous ont permis d'accomplir la synthèse totale de la stachybotrine C, de réviser sa structure et de déterminer sa configuration absolue. / Portentol is a polypropionate with an unusual spirocylic structure. This natural product, which has never been synthesized, has been isolated from the lichen Rocella portentosa. To access the spiranic moiety of the portentol, we have developed a methodology to synthesize spirotetrahydropyranes through a Prins cyclization. Through the study of the scope of this reaction, an usual dynamic kinetic resolution has been highlighted. Stachybotrin C, isolated from the bacteria Stachybotrys parvispora, exhibits interesting neuritogenic and neuroprotective properties. To prepare this natural product, two synthetic routes have been investigated. The first one is based on a gold-catalyzed hydroarylation of a propargyllic ether followed by a regioselective oxidation of the resulting chromene. The second pathway involves as a key step an epoxydation/cyclisation of a phenol prepared via a Claisen rearrangment. We accomplished the synthesis of stachybotrin C, revised its structure and established its absolute configuration.

Ce travail de thèse est consacré à la synthèse et l’évaluation biologique de nouveaux nitromidazoles à potentialités anti-infectieuses. Dans les trois premiers chapitres, nous avons abordé les propriétés biologiques des 5-nitroimidazoles, et la synthèse de nouveaux composés fonctionnalisés en positions 2 et 4 dans le but d'améliorer l'activité sur les souches résistantes au métronidazole, le 5-nitroimidazole de référence, tout en contrôlant au mieux la mutagénicité. Nous avons développé une méthode de couplage régiosélectif de Suzuki-Miyaura en position 4 du 2,4-dibromo-1-méthyl-5-nitro-1H-imidazole, suivi d’un deuxième couplage de Suzuki-Miyaura ou de Sonogashira par méthodologie « one-pot » séquentielle en position 2. Cette méthodologie nous a permis d’obtenir 30 nouveaux composés qui ont été testés pour leur propriétés antibactériennes et antiparasitaires. Une dizaine de composés ont été synthétisés par méthodologie TDAE sur le 4-[4-(chlorométhyl)phényl]-1,2-diméthyl-5-nitro-1H-imidazole. Dans le dernier chapitre, nous avons initié un travail de pharmacomodulation en série imidazooxazole, motif bien connu pour ses propriétés antituberculeuses et antileishmaniennes. Nous avons présenté la synthèse et l’évaluation biologique de dérivés 5-nitroimidazooxazoles et 7-nitro-2,3-dihydroimidazo[5,1-b]oxazoles. La synthèse de dérivés 6-nitroimidazooxazoles fonctionnalisés en position 5 est en cours de développement et nous avons présenté quelques essais de CH-arylation sur le 2-méthyl-6-nitro-2,3-dihydroimidazo[2,1-b]oxazole. / We have developed in this work the synthesis and the biological evaluation of novel nitromidazoles with anti-infectious potentialities. In the first three parts, we discussed the biological properties of 5-nitroimidazole scaffold, and the synthesis of new compounds functionalized at 2- and 4-position in order to improve the activity on metronidazole-resistant strains, while controlling mutagenicity. We developed a regioselective Suzuki-Miyaura cross- coupling reaction at 4-position of 2,4-dibromo-1-methyl-5-nitro-1H-imidazole, followed by a second Suzuki-Miyaura or Sonogashira cross-coupling reaction at 2-position by a "one-pot" sequential process. This methodology has enabled us to obtain 30 new products which were tested for their antibacterial and antiparasitic properties. Twelve compounds were synthesized by TDAE methodology on {4- [4- (chloromethyl) phenyl]} -1,2-dimethyl-5-nitro-1H-imidazole. In the last part, we initiated a work of pharmacomodulation in imidazooxazole series, scaffold well-known for its antituberculous and antileishmanial properties. We have described the synthesis and the biological evaluation of 6-functionalized 5-nitroimidazooxazole and 7-nitro-2,3-dihydroimidazo [5,1-b]oxazole derivatives. We have presented some CH-arylation assays on 2-methyl-6-nitro-2,3-dihydroimidazo[2,1-b]oxazole to obtain 5-functionalized 6-nitroimidazooxazole derivatives.

In peptide-based medicinal chemistry, mimicry of turn conformations is important because of the significance of such secondary structures for molecular recognition. In this context, N-aminoimidazol-2-one (Nai) residues have demonstrated ability to mimic the central residue of turn conformers. Moreover, potential to functionalize the 4- and 5-positions of the Nai heterocycle offer opportunities to add and orient side chain functionalities with constrained c-geometry. Methods have been developed to employ Nai residues for peptide mimicry. Previously, Nai dipeptide esters with substituents at the imidazol-2-one 4-position were obtained as racemic mixtures. By employing alternative C-terminal groups, epimerization has now been minimized. Functionalization of the Nai 5-position after cyclization has also been achieved by novel chemistry. For example, (4-Me, 5-aldehyde)Nai residues were obtained by 5-position formylation. The aldehyde was then reduced and oxidized to provide alcohol and acid functionality. Reductive aminations on (4-Me, 5-aldehyde)Nai residues using different primary and secondary amines and amino methylation of (4-Me)Nai residues were also used to prepare constrained diaminobutyric acid analogs. In the interest to prepare Nai analogs that can serve as constrained phenylalanine residues, palladium-catalyzed chemistry was developed to cross-couple different aryl iodides at the 5-position. In model peptides, the (4-Me, 5-aryl)Nai residues were predicted by molecular dynamic calculations to be located at the i+1 position of type II’ β-turn conformations with the aryl side chain positioned in the gauche (–). The synthesis of biologically relevant Nai peptides was next explored using methods for accessing enantioenriched residues and conditions for their 5-position arylation. Peptide derivatives of growth hormone releasing peptide-6 (GHRP-6) were targeted using the Nai residues because the corresponding semicarbazide analogs had exhibited selective and relatively high binding affinity for the cluster of differentiation receptor (CD36) receptor and potential to mediate macrophage-driven inflammation in conditions leading to age-related macular degeneration, atherosclerosis and angiogenesis. Previous studies with GHRP-6 analogs demonstrated that replacement of Trp4 with a semicarbazide possessing an aromatic side chain favored a turn conformation and selective CD36 binding affinity. Solid-phase methodology was developed to synthesize [(4-Me, 5-Aryl)Nai4]-GHRP-6 analogs and used to prepare four different Nai peptides on Rink amide resin. All four analogs were effective at mediating nitric oxide (NO) overproduction in macrophages cells treated with a Toll-like receptor 2 (TLR2) agonist. Although biological evaluation of the [(4-Me,5-Aryl)Nai4]-GHRP-6 analogs is still being performed, their ability to modulate NO overproduction strongly indicated backbone and side chain conformational requirements for biological activity. In sum, this thesis has provided effective methods for preparing novel constrained peptide analogs for mimicry of the backbone and side chain geometry in β-turns. Enantiomerically enriched Nai residues were synthesized, introduced into peptide sequences, and functionalized at the 4- and 5-positions. Employment of the 4,5-disubstituted Nai analogs in the study of peptide medicinal chemistry offers powerful potential for exploring structure-activity relationships to identify and replicate biologically active conformers. / Le développement de mimes de tours peptidiques pose un intérêt particulier en chimie médicinale, en raison de leur importance dans la reconnaissance moléculaire. Dans ce contexte, les résidus N-aminoimidazol-2-one (Nai) ont démontré une tendance à occuper la position centrale de repliements peptidiques. De plus, la présence de l’unité imidazolone offre un potentiel de fonctionnalisation en position 4 et 5 pouvant jouer le rôle de chaînes latérales rigidifiées dans l’espace χ. Des méthodes ont été développées pour rendre possible l’utilisation de résidus Nai en chimie peptidique. Par le passé, des esters de dipeptide Nai possédant un substituant à la position 4 de l’hétérocycle ont été synthétisés de manière racémique. L’utilisation de groupement C-terminaux a permis de grandement réduire l’épimérisation due à l’utilisation de base forte utilisée durant l’étape de cyclisation. La fonctionnalisation de la position 5 du cycle après la cyclisation a aussi été rendue possible par le développement de nouvelles conditions réactionnelles. Par exemple, des conditions de formylation ont donné des résidus (4-Me, 5-Aldéhyde)Nai. La fonction aldéhyde a été réduite et oxydée, donnant accès a des fonctions alcool et acide carboxylique. L’amination réductrice du squelette (4-Me, 5-Aldéhyde)Nai en utilisant des amines primaires et secondaires ainsi que l’amino-méthylation de résidus (4-Me)Nai ont donné accès à des résidus d’acide diaminobutyrique rigidifiés. Dans le but de préparer des analogues Nai pouvant servir de mimes rigidifiés de résidus phénylalanine, la catalyse au palladium a rendu possible l’installation de groupements 5-aryle par couplage croisé avec différents iodoaryles. Dans un modèle de peptide, le résidu (4-Me, 5-aryl)Nai a été soumis à une analyse par dynamique moléculaire qui a révélé le positionnement de la portion Nai à la position i+1 d’un tour β de type II’, avec la chaine latérale aryle adoptant une conformation gauche (-). Ayant en main des conditions de synthèse énantioenrichie ainsi que de diversification de la position 5, la construction de peptides Nai possédant un intérêt biologique a été entreprise. Des dérivés du peptide Growth hormone releasing peptide-6 (GHRP-6) ont été ciblés car les analogues semicarbazide correspondant ont précédemment démontré avoir à la fois de la sélectivité et une affinité relativement grande pour le Cluster of differentiation receptor (CD36). Ils ont ainsi le potentiel de moduler l’inflammation attribuable aux macrophages dans des conditions menant à la dégénérescence maculaire liée à l’âge, l’athérosclérose et l’angiogenèse. Des études précédentes ont démontré que le remplacement du résidu Trp4 du GHRP-6 par un semicarbazide possédant une chaîne latérale aromatique favorisait l’adoption d’un repliement de la chaîne peptidique et une affinité sélective envers le récepteur CD36. Une méthode de synthèse sur phase solide d’analogues [(4-Me, 5-Aryle)Nai4]-GHRP-6 a été développée et utilisée pour synthétiser quatre différents peptides Nai en utilisant la résine Rink amide. Les quatre analogues se sont montrés efficaces à réduire la surproduction d’oxide nitrique (NO) dans les cellules macrophages traitées avec un agoniste du Toll-like receptor 2 (TLR2). Malgré le fait que l’évaluation biologique des analogues [(4-Me, 5-Aryle)Nai4]-GHRP-6 soit toujours en cours, leur habilité à moduler la surproduction d’oxide nitrique montre qu’ils possèdent la bonne géométrie quant à la chaîne principale et la chaîne latérale aromatique pour interagir avec le récepteur. En somme, la présente thèse a fourni des méthodes efficaces de synthèse de nouveaux analogues de peptides rigidifiés pour mimer les chaînes principale et latérales de tours β. Les résidus Nai énantioenrichis ont été synthétisés, introduits dans des séquences peptidiques d’intérêt sur phase solide et fonctionnalisés à la 4ième et 5ième position. L’utilisation de ces analogues Nai 4,5-disubstitués en chimie médicinale et peptidique offre un potentiel considérable dans l’exploration de la relation structure-activité de peptides d’intérêt biologique pour identifier et mimer les conformères bioactifs.

Le développement de plans synthétiques de molécules de complexité variable qui utilise des réactifs aisés d’accès et qui sont économes en atomes et en étapes est constamment au cœur des préoccupations du chimiste organicien pour accroître la diversité moléculaire de façon efficace et éco-responsable. La catalyse par les métaux de transition a permis de faire des progrès considérables dans la construction et la fonctionnalisation combinées d’hétérocycles d’intérêt à valeur ajoutée dans les sciences des produits naturels et les industries pharmaceutiques et phytosanitaires. Le principe synthétique consiste en l’enchaînement de processus standards élémentaires de transformations chimiques en un seul pot au sein de la sphère catalytique métallique. Un axe de progrès contemporain repose en particulier sur l’incorporation de processus de métallation catalytique de liaisons C-CO2H et C-H. Les travaux de thèse s’inscrivent dans ce jeune domaine de recherche initié au cours de la dernière décennie par plusieurs équipes de recherche dont celle de Jieping Zhu de l’école polytechnique fédérale de Lausanne compte parmi les pionnières et les plus actives. Ils ont visé notamment à implémenter consécutivement aux processus standards de carbopalladation intramoléculaire d’ortho-halogéno allénamides de Grigg de construction d’hétérocycles azotés très variés, d’une part des réactions d’allylation directe de la liaison C-H d’hétérocycles et d’énamides et d’autre part d’allylation décarboxylante d’acides propioliques. Après avoir évalué la réactivité des complexes pi-allypalladium conjugués à un atome d’azote dans la réaction, l’allylation directe de la laison C-H d’oxadiazoles et de 1,3-diazoles à fort caractère acide ainsi que des énamides, des séquences originales de construction et d’hétéroarylation combinées pallado-catalysées d’isoquinolinones et d’indoles ont été établies. Un protocole séquencé conduit en un seul pot et basé sur la génération in situ des allénamides, qui ne sont plus isolées, suivie de la réaction de construction et d’hétéroarylation combinées pallado-catalysée a ensuite été mis au point. Il a été exploité pour la préparation d’indoles, 1(2H)-isoquinoléïnones, isoquinoléïnes mais également des hétérocycles de taille supérieure, benzo-(2H)-azépine et benzo-(2H)-azocine intégrant des oxadiazoles et oxa(thia)zoles. Une première étude d’extension du concept synthétique a finalement été ciblée sur la construction et la propargylation combinée de la large gamme d’hétérocycles azotés obtenus précédemment en utilisant les acides propioliques comme partenaire de couplage. / The design of efficient and eco-friendly atom and step-economical synthetic plans of molecules using highly available starting materials is one of major objectives of organic chemist. Transition metal catalysis has allowed a bold step to build and functionalize consecutively, through a one-pot reaction, major nitrogen-containing heterocycles which are broadly present into numerous natural products, pharmaceutics and agrochemicals. The catalysis is based upon tandem inner-sphere elemental chemical transformations and one of major current challenge is to implement catalytic metallation of C-CO2H and C-H bonds. Involved in this young field of research initiated since the past decade from sevaral groups including pioneering and high active Jieping Zhu team of the Polytechnic School of Lausanne, the present study has been directed towards the design of innovative palladium-catalyzed domino Grigg nitrogen-containing heterocycles building through ortho-halogeno allenamides intramolecular carbopalladation process followed by direct C-H allylation of heterocycles and enamides or direct decarboxylative allylation of propiolic acids. After demonstrating the reactivity of nitrogen-conjugated pi-allypalladium complex in direct C-H allylation of acidic heterocycles, first palladium-catalyzed tandem build and heteroarylation of 1(2H)-isoquinoleinone and indole from ortho-halogeno allenamides was first envisaged. Efforts were next directed to the setting up of a one-pot protocol including in situ generation of allenamide followed by palladium-catalyzed domino building and functionalization of heterocycles. It was then hugely evaluated to the preparation of indole, 1(2H)-isoquinoleinones, isoquinolins as well as high-membred ring heterocycles such as benzo-(2H)-azepine and benzo-(2H)-azocine embedding with oxadiazoles and oxa(thia)zoles. An first extended synthetic concept towards the palladium-catalyzed tandem build and propargylation of nitrogen-containing heterocycles using sevral propiolic acids as coupling partners.

Les benzofuroindolines forment une famille de composés qui se retrouvent sous deux formes : les benzofuro[2,3-b]indolines ou les benzofuro[3,2-b]indolines. Ce motif se retrouve dans de nombreuses molécules naturelles comme la bipleiophylline, la voacalgine A, le diazonamide A et la phalarine ce qui a mené à de nombreuses recherches pour leur synthèse. La biogénèse postulée est le couplage oxydant d'un indole et d'un phénol. Nous avons développé plusieurs voies d'accès à ces motifs en utilisant le noyau indolique. La première étude a consisté en un couplage oxydant direct entre un N-acétylindole et un phénol en présence de FeCl₃ et de DDQ. La méthodologie a montré sa généralité sur des dérivés d'indoles N-acétylés pour former en une seule étape des benzofuro[3,2-b]indolines. Dans certains cas, la benzofuro[2,3-b]indoline est obtenue si les groupements fonctionnels en position 2 et 3 sur l'indole sont identiques. Dans un but de synthétiser la phalarine, unique molécule naturelle contenant un motif benzofuro[3,2-b]indoline, nous avons réalisé une étape de C2-arylation d'un indole par un phénol à l'aide d'un couplage pallado-catalysé. La cyclisation à l'aide de NIS permet d'obtenir la benzofuro[3,2-b]indoline. L'ajout du carbone manquant de l'un des cycles est en cours d'étude par ajout d'un nucléophile monocarboné possédant un groupement partant. Par ailleurs, une dernière voie d'accès aux benzofuro[3,2-b]indolines a pu été mise au point par une réaction de Fischer interrompue. La réaction entre des benzofuran-3-ones et des arylhydrazines dans des conditions acides conduit aux benzofuroindolines souhaitées sous forme d'hémiacétals. La méthode a montré sa généralité et sa robustesse. Finalement, réaliser l'Umpolung de l'indole est un défi intéressant pour additionner des nucléophiles en position 3 de l'indole. Pour cela, des N-hydroxyindoles ont été synthétisés et l'utilisation de sels de biaryliodonium triflate a permis de réaliser une O-arylation. Le produit formé étant instable, il subit un réarrangement sigmatropique [3,3] pour conduire aux benzofuro[2,3-b]indolines désirées. / Benzofuroindolines are a family of compounds which can be found in two regioisomeric forms: benzofuro[2,3-b]indolines or benzofuro[3,2-b]indolines. This core is present in several natural products such as bipleiophylline, voacalgine A, diazonamide A or phalarine which have been the subject of intensive efforts towards their syntheses. The postulated biogenesis is the oxidative coupling of an indole and a phenol. We developed four pathways to access these structures using the indole nucleus.The first part consisted in a direct oxidative coupling between a N-acetylindole and a phenol in presence of FeCl₃ and DDQ. This strategy showed its generality on N-acetylindoles derivatives to form in only one step the benzofuro[3,2-b]indoline core. In some cases, the benzofuro[2,3-b]indoline is obtained if the substitution in the C-2 and C-3 position is the same. In order to synthesize the phalarine, the unique natural product to possess a benzofuro[3,2-b]indoline core, we designed a C-2 arylation of an indole with a phenol using a palladium-catalyzed coupling. The cyclization steps using NIS led to the benzofuro[3,2-b]indoline core. The insertion of the missing carbon of one of the rings is under study by adding a nucleophile which contains only one carbon and a leaving group. The last strategy to access to benzofuro[3,2-b]indolines has been focused on an interrupted Fischer indolization. The reaction between benzofuran-3-ones and arylhydrazines in acidic conditions led to the desired benzofuro[3,2-b]indolines. This methodology is general and robust. Another part of the project was to achieve the Umpolung of the indole to add nucleophiles in C-3 position of the indole nucleus. N-hydroxyindoles were synthesized and the use of biaryliodonium triflate salts allowed an O-arylation reaction. The product being unstable, a [3,3] sigmatropic rearrangement can take place to afford the desired benzofuro[2,3-b]indolines.

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