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Les travaux présentés dans cette thèse ont eu pour objectif la valorisation d’une structures bicyclique bifonctionnelle à géométrie contrainte, celle de l’acide 2-aminobicyclo[2.2.2]octane 1-carboxylique (ABOC). La contrainte conformationnelle est une caractéristique particulièrement recherchée dans la conception d’agent chiraux pour la synthèse asymétrique ainsi que dans la synthèse de macromolécules se structurant spontanément (foldamères). Un travail sur la synthèse de petits peptides incorporant le (R) ou (S)-ABOC, a dans un premier temps conduit à l’identification d’un nouvel organocatalyseur bifonctionnel de la réaction d’aldolisation. Ce tripeptide incorporant en plus de l’ABOC un résidu proline en position N-terminale et un résidu Asp-OMe en position C-terminale a permis l’obtention d’excès énantiomérique élevés (jusqu’à 87%). Les analyses structurales ainsi que des calculs théoriques ont montré l’importance du bicycle de l’ABOC induisant la formation d’un coude dans la molécule et permettant la proximité des fonctions acide carboxylique (Asp) et amine secondaire (Pro) intervenant dans la catalyse. Dans un second temps, l’optimisation de la synthèse du (R) ou (S)-1,2-diaminobicyclo[2,2,2]octane (DABO) a permis de mettre en évidence l’impact important d’une double liaison endo-cyclique dans la réactivité de l’amine en tête de pont lors du réarrangement de l’acide carboxylique de l’ABOC en amine primaire. En effet, seules les conditions d’Hofmann appliqué au substrat présentant une insaturation dans le squelette bicyclique ont permis d’obtenir la diamine chirale avec de bon rendement. Cette nouvelle diamine vicinale chirale contrainte par un bicycle carboné a d’abord permis la synthèse de composés thiourée-amine autour du bicycle pour l’organocatalyse de la réaction d’addition de Nitro-Michael asymétrique. Cependant, et malgré les nombreux efforts d’optimisation, l’utilisation de ces molécules n’a jamais permis l’obtention d’excès énantiomériques supérieurs à 39%. En revanche, la synthèse de nouveaux ligands chiraux salen, salan et diamines secondaires basés sur le DABO et l’application des complexes de cuivre correspondants dans la catalyse de la réaction de nitroaldolisation asymétrique a abouti à l’obtention de bons rendements et d’une stéréosélectivité allant jusqu’à 86% d’excès énantiomériques. Le complexe donnant les meilleurs résultats a fait l’objet d’une étude DFT approfondie permettant de proposer la structure de l’état de transition le plus stable et de rationaliser la stéréosélectivité observée. Enfin la synthèse du DABO a permis d’entreprendre la synthèse de nouvelles oligourées mixtes homochirales se structurant en hélice-12/14 stables, alors qu’aucune structuration n’avait été observée lors de l’étude d’oligourées mixtes homochirales synthétisées à partir de l’ABOC. / The work presented in this thesis was aimed at the valorisation of a bicyclic bifunctional structure with constrained geometry, the 2-aminobicyclo[2.2.2]octane 1-carboxylic acid (ABOC). Conformational restriction is a particularly sought characteristic in chiral agent designed for asymmetric synthesis as well as in the synthesis of spontaneously structuring macromolecules (foldamers). A work on the synthesis of small peptides incorporating (R) or (S)-ABOC, initially led to the identification of a novel bifunctional organocatalyst for the aldolization. This tripeptide incorporating in addition to ABOC a proline residue in the N-terminal position and an Asp-OMe residue in the C-terminal position allowed to obtain high enantiomeric excess (up to 87%). Structural analysis as well as theoretical calculations showed the importance of the ABOC bicycle, inducing the formation of a turn in the molecule and allowing the proximity of the carboxylic acid (Asp) and secondary amine (Pro) functions involved in catalysis. The optimization of the synthesis of (R) or (S)-1,2-diaminobicyclo[2,2,2]octane (DABO) allowed to demonstrate the important impact of an endo-cyclic double bond in the reactivity of the bridgehead amine during the rearrangement of the carboxylic acid of the ABOC to the primary amine. Indeed, only the Hofmann conditions applied to the substrate exhibiting unsaturation in the bicyclic skeleton allowed to obtain the chiral diamine in good yield. This novel chiral vicinal diamine conformationally restricted by a carbon bicycle first allowed the synthesis of thiourea-amine compounds around the bicycle for the organocatalysis of the asymmetric nitro-Michael addition. However, despite many optimization efforts, the use of these molecules has never led to enantiomeric excesses greater than 39%. On the other hand, the synthesis of new chiral salen, salan and secondary diamines ligands based on DABO and the application of the corresponding copper complexes for the catalysis of the asymmetric nitroaldolization reaction resulted in good yields and a stereoselectivity up to 87% enantiomeric excess. The best-performing complex was subjected to a DFT study to propose the structure of the most stable transition state and to rationalize the high stereoselectivity. Finally, the synthesis of DABO allowed to undertake the synthesis of new homochiral mixed oligoureas structuring as stable 12/14-helices, while no structure had been observed during the study of homochiral mixed oligoureas synthesized from the ABOC.

The development and application of unnatural amino alcohols,prepared via hetero-Diels-Alder reactions,in synthesis and catalysis is described.The studies are concerned with the [i]scope of the hetero-Diels-Alder reaction and preparation of important intermediates in the synthesis of antiviral agents,[ii ]application of amino alcohols in the ruthenium transfer hydrogenation of ketones,[iii ]use of similar precursors in the in situ generation of oxazaborolidines for reduction of ketones,and [iv] development and application of new chiral auxiliaries for dialkylzinc additions to activated imines, respectively. [i ]The use of chiral exo -2-azanorbornyl-3-carboxylates in the preparation of enantiopure cyclopentyl-amines is described.At the same time the scope of the hetero-Diels-Alder reaction,used in their preparation,is extended by manipulations of the dienophiles. [ii ]Application of 2-azanorbornyl-3-methanol as a very efficient ligand in the ruthenium-catalysed asymmetric transfer hydrogenation of aromatic ketones.This ligand (2 mol%)in combination with [RuCl2(p -cymene)]2 (0.25 mol%)gave rise to a very fast reaction (1.5 h)leading to the reduced products in excellent yields and enantioselectivities (up to 97%ee ). [iii ]Preparation of α-disubstituded 2-azanorbornyl-3-methanols,in situ generation of the corresponding oxazaborolidines,and use of the latter in reduction of aromatic ketones.Concentration, solvent,and temperature effects on the reaction outcome are described. [iv ]Development of two generations of chiral auxiliaries for the addition of dialkylzinc reagents to N - (diphenylphosphinoyl)imines.Studies using density functional computations allowed the rationalisation of the reaction mechanism and the development of a second generation of ligands that improved the previously reported results.Up to 98%ee could be obtained with these new ligands. Solvent effects on the outcome of the reaction and extension of the work to a larger variety of N - (diphenylphosphinoyl)imines are described.

Cette thèse porte sur la synthèse de ligands P-stéréogéniques dérivés du calix[4]arène et leur utilisation en catalyse asymétrique dans des complexes de métaux de transition. Des mono et diphosphines ont été préparées sur la cavité supérieure du macrocycle par réaction du mono ou dianion du calix[4]arène avec des chlorophosphines borane ou le complexe d’oxazaphospholidine borane préparés à partir d’éphédrine. La meilleure sélectivité est observée par réaction du dianion avec le complexe d’oxazaphospholidine borane qui conduit à une bisaminophosphine borane. Après acidolyse par HCl pour donner la bischlorophosphine correspondante puis réaction avec organolithien, les diphosphines diborane sont obtenus avec 40 à 60 % de rendement. Les structures cristallographiques des ligands préparés confirment la stéréospécificité de la méthode éphédrine. La préparation de diphosphines P-stéréogéniques surélevées au dessus de la cavité supérieure du calix[4]arène a été effectuée par réaction de phosphures borane avec le dérivé bisiodométhyl correspondant. Des ligands de type aminophosphinephosphinite (AMP*P) ont également été préparés à partir du produit d’ouverture du complexe d’oxazaphospholidine borane par l’anion du calixarène. Les différents ligands ont été synthétisés en série complexée au borane. La décomplexation est ensuite réalisée par réaction avec le DABCO et les phosphanes libres obtenus quantitativement ont été utilisés pour la préparation de catalyseurs chiraux de métaux de transition. Les AMP*P porteurs d’un substituant calix[4]arène sur le fragment aminophosphine ont permis d’obtenir de très bonnes inductions asymétriques en catalyse d’hydrogénation de l’α-acétamidocinnamate de méthyle par des complexes de rhodium (98% e.e.). L’étude comparée avec des ligands homologues d’un point de vue stérique et/ou électronique montre clairement l’influence bénéfique du substituant calix[4]arène. Les mono et diphosphines P-stéréogéniques fonctionnalisées sur la partie supérieure du calix[4]arène ont été utilisés en substitution allylique catalysée par des complexes de palladium. La réaction donne d’excellents rendements et stéréosélectivités avec des nucléophiles carbonés et azotés. Les meilleures inductions ont été obtenues avec une diphosphine porteuse de substituants méthyl et phényl au niveau des atomes de phosphore, qui entraîne des excès énantiomériques de 82% et 79 % en alkylation et en amination, respectivement. / We were interested in synthesis of P-stereogenic ligands derived from calix[4]arene and in their application in asymmetric catalysis. Mono et diphosphines were prepared on the upper rim of the macrocyle starting from the mono or dianion of the calix[4]arene and chlorophosphines borane or the oxazaphospholidine borane complex. The best selectivity was obtained by reaction of the dianion with the oxazaphospholidine borane complex leading to a bisaminophosphine borane. After acidolysis with HCl giving the corresponding bischlorophosphine and reaction with organolithium reagents, diphosphines diborane were obtained with good yields (40 à 60 %). X-ray structures of the prepared ligands confirmed the stereospecificity of the ephedrine method. Preparation of P-stereogeniques diphosphines elevated above the upper rim of the calix[4]arène was carried out by reaction of phosphides borane with the corresponding bisiodomethyl derivative. Ligands aminophosphinephosphinite (AMP*P) were also prepared from the opened product of the oxazaphospholidine borane complex by the calixarene anion. Ligands were synthetised in borane complex serie. Decomplexation with DABCO affords quantitatively the free phosphanes which were used in the preparation of transition metal catalysts. AMP*P bearing calix[4]arene on the aminophosphine moeity gave very high asymetric induction in hydrogenation catalysis of methyl α-acetamidocinnamate with rhodium complexes (98% e.e.). Compared study with isoelectronic or sterically similar ligands obviously prove the positive influence of the calix[4]arene substituent. P-stereogenic mono and diphosphines on the upper rim of the macrocycle were used in asymetric allylic subtitution catalyzed with palladium complexes. High yields and enantioselectivities were obtained with carboned and nitrogened nucleophiles. The best inductions were carried out with a diphosphine bearing methyl and phenyl on the phosphorous centers, affording enantiomeric excesses of 82 % and 79 % in alkylation and in amination, respectively.

Ce mémoire porte sur la synthèse asymétrique de ligands à pont méthano P-stéréogénique, ainsi que sur leurs applications en catalyse asymétrique, en chimie de coordination et pour la préparation de polymères de coordination avec des métaux de transition. Les diphosphines P-stéréogéniques sont synthétisées par création d'une liaison phosphore-carbone au niveau du pont méthano, à partir d'un anion formé en position α d'une méthylphosphines borane. Plusieurs stratégies ont été étudiées selon que l'électrophile est un complexe d’oxazaphospholidine borane, un phosphinite borane ou une chlorophosphine borane. L'utilisation de chlorophosphine borane dans cette synthèse s'est révélée la plus stéréosélective car les excès énantiomériques obtenus sont supérieurs à 99%. Les différentes stratégies étudiées montrent qu'il est possible d’accéder à des diphosphines diborane à pont méthano variées, dissymétriques ou de symétrie C2, porteuses de substituants alkyl ou aryl, tels que Me, OMe, Ph, o-An... Les diphosphines P-stéréogéniques obtenues ont été utilisées pour la synthèse des premiers clusters chiraux du palladium. Ceux-ci sont obtenus par réaction des ligands diphosphines, fraîchement décomplexées avec du DABCO, avec l’acétate de palladium en présence d’acide trifluoroacétique dans un mélange eau/acétone sous pression de CO. La structure cristallographique d'un des clusters de palladium préparés a pu être établie, confirmant la structure avec un cœur trimétallique de palladium. L'étude des propriétés électrochimiques et l'analyse RPE de ces clusters a permis de mettre en évidence la formation du premier radical dans un environnement chiral hautement structuré. Une étude de la réactivité de ces clusters chiraux dans une réaction de Friedel Craft a été réalisée, mais le produit est obtenu de façon non catalytique et sans activité optique significative. Par contre dans le cas de réactions asymétriques, tels que l’hydrogénation, l’hydrosilylation, l’allylation ou la réaction de Diels Alder, catalysées par des complexes du rhodium, du palladium ou d’argent, des inductions asymétriques de 30-38% sont obtenus. Il ressort que les synthèses stéréosélectives mises au point dans ce travail, permettent d'envisager maintenant les modifications structurales nécessaires à l'optimisation de ces catalyses asymétriques. Enfin dans une dernière partie, les diphosphines à pont méthano P-stéréogéniques ont été utilisées pour la préparation d'une nouvelle classe de polymères de coordination chiraux, dérivés du cuivre ou de l'argent. Les études photophysiques et le dichroïsme circulaire ont permis d’établir pour la première fois la structure 1-D de tels polymères et de mettre en évidence les propriétés optiques des macrocomplexes énantiomères. / We were interested in asymmetric synthesis of P-stereogenic methano bridged ligands and in their applications in asymmetric catalysis, coordination chemistry and in the preparation of coordination polymers of transition metals. P-stereogenic diphosphines were obtained highly stereoselectively by creation of a phosphorus-carbon bond on the methano bridge, starting from the anion formed in α position of methylphosphine borane. Several strategies were investigated, with the electrophiles varying from oxazaphospholidine borane complex, phosphinite borane, to chlorophosphine borane. The most stereoselective synthesis was obtained using chlorophosphine borane leading enantiomeric excesses up to 99%. Various methano bridge diphosphine diboranes, dissymmetric or C2-symmetric, bearing alkyl or aryl substituants (Me, OMe, Ph, o-An...), have been synthetised. The first chiral palladium clusters was prepared by reaction of the freshly decomplexed diphosphine with palladium acetate and trifluorocetic acid in water/acetone mixture under CO pressure. The palladium trimetallic center structure of the cluster was confirmed by X-ray analysis. Electrochemical properties and EPR analysis pointed out the formation of the first radical in highly structurated chiral environment. Preliminary studies of the chiral clusters in asymmetric Friedel Craft reaction were carried out, but lead to the product in a non-catalytic way and with no significant optical activity. The prepared chiral ligands were tested in asymmetric catalyzed hydrogenation, hydrosilylation, allylation and Diels Alder reaction using rhodium, palladium and silver derived catalysts and afforded low selectivities from 30 to 38% e.e. Nevertheless, the stereoselective syntheses of the diphosphine ligands elaborated in this work allow to pursue the optimisation of asymmetric catalysis by structural modifications. In the last chapter, P-stereogenic methano bridge diphosphines were used for the preparation of a new class of chiral coordination polymers derived from copper and silver. Photophysical studies and circular dichroism confirmed the 1-D structure and the optical properties of such polymers.

This thesis deals with the design and synthesis of ligands for asymmetric catalysis: palladium catalyzed allylic alkylations, and rho-dium and iridium catalyzed hydrogenations of olefins. Chirally flexible phosphepine ligands based on biphenyl were synthesized and their properties were studied. The rotation barrier for configurationally flexible phosphepines was determined by NMR spectroscopy. The ratio of the atropisomers was shown to depend on the group bound to phosphorus. Only complexes with two homochiral ligands bound to the metal center were observed upon complexation with Rh(I). It was shown that one diastereomer of the flexible ligand exhibits higher activity but lower selectivity than its diastereomer in the rhodium catalyzed hydrogenation of methyl alfa-acetamidocinnamate. These ligands were also tested in nickel catalyzed silabora-tions. Chiral P,N-ligands with pseudo-C2 and pseudo-CS symmetry based on pyrrolidines-phospholanes or azepines-phosphepines were synthesized and studied in palladium catalyzed allylic alkylations. Semi-flexible azepine-phosphepine based ligands were prepared and their ability to adopt pseudo-C2 or pseudo-CS symmetry depending on the substrate in allylic alkylations was studied. It was shown on model allyl systems with flexible N,N-ligands that the ligand prefers CS-symmetry in compexes with anti-anti as well as syn-syn allyl moieties, but that for the latter type of complexes, according to computations, the configuration of the ligand is R*,R* in the olefin complexes formed after addition of a nucleophile to the allylic group. A preliminary investigation of the possibilities to use a su-pramolecular approach for the preparation of P,N-ligands with pseudo-C2 and pseudo-S symmetry was made. An N,N-ligand with C2 symmetry was prepared and its activity in palladium catalyzed ally-lic alkylation was studied. Pyridine-based P,N-ligands were tested in iridium catalyzed hy-drogenations of unfunctionalized olefins with good activities and se-lectivities. In order to attempt to improve the selectivity, ligands with a chirally flexible phosphepine fragment were prepared and applied in catalysis with promising results. / QC 20100929

Cette thèse comporte deux parties indépendantes. La première étude présente les premiers exemples de métallation de la structure azobenzène par les réactifs organométalliques polaires. Largement utilisés en tant que colorants, les azobenzènes trouvent actuellement de nombreuses applications dans le domaine des matériaux en raison de leur facile photoisomerisation E/Z. Il est montré que les bases organométalliques polaires classiques (n-BuLi, n-BuLi/TMEDA, n-BuLi/t-BuOK, TMPMgCl.LiCl, LDA) ne métallent pas l’azobenzène parent mais réduisent plutôt la liaison N=N. Cependant la métallation est possible avec le tétraméthylpipéridure de lithium si un groupement directeur de métallation tel que le méthoxy (OMe), diéthylamide (CONEt2) ou fluoro (F) est présent sur l’azobenzène. La réaction permet un accès original et direct à de nouveaux azobenzènes substitués. L’objectif de la deuxième partie est la synthèse de dérivés biaryliques chiraux en l’absence de métaux de transition (Pd, Ni…). Les biaryles chiraux sont présents dans de nombreuses molécules biologiquement actives et peuvent être utilisés comme ligands pour la catalyse asymétrique. La substitution nucléophile aromatique des acides naphtoïques en présence de ligands chiraux a été étudiée. Une optimisation fine des conditions réactionnelles (choix du solvant, température, structure du ligand…) a permis de préparer des 1,1’-binaphtalènes, 1,2’-binaphtalènes et phénylnaphtalènes avec de bons rendements et excès énantiomériques (jusqu’à 89% ee). La substitution nucléophile aromatique atroposélective de dérivés d’acides naphtoïques de type naphtyloxazolines et naphtoates est également décrite. / This thesis is divided into two independant parts. The first part describes for the first time the chemoselective lithiation of azobenzenes. Azobenzenes derivatives are widely used as dyes and more recently have been applied to the preparation of photoresponsive molecular switches and materials by taking advantage of the N=N bond E/Z photoisomerization. Whereas standard polar organometallics (n-BuLi, n-BuLi/TMEDA, n-BuLi/t-BuOK, TMPMgCl.LiCl, LDA) reduce the N=N bond of the parent compound, aromatic HLi permutation occurs with LTMP when a suitable director of lithiation (OMe, CONEt2, F) is present in the benzene residue of the azo compound. The method allows a direct access to new substituted azobenzenes.Axially chiral biaryls, which are found in many biologically active natural products, are conventionally used as ligands for asymmetric catalysis. The purpose of the second part is to develop a new method for the preparation of axially chiral biaryls in the absence of transition metals (Pd, Ni…). To tackle that goal, nucleophilic aromatic substitution reactions on unprotected naphthoic acids were performed in the presence of chiral ligands. A careful optimization of the reaction parameters (choice of the solvent, temperature, structure of the ligand…) allowed to prepare chiral 1,1’- binaphthalenes 1,2’- binaphthalenes and phenylnaphthalenes in good yields and enantiomeric excesses (up to 89% ee). The atroposelective SNAr reaction of naphthyloxazoline and naphthoate derivatives was also reported.