Ce manuscrit présente le développement de nouvelles réactions de cycloaddition [3+2] palladocatalysées entre des vinylcyclopropanes électro-appauvris et diverses espèces dipolarophiles. La première partie de ces travaux a porté sur la désaromatisation de composés nitroaromatiques tels que les 3-nitroindoles ou les 2-nitrobenzofuranes par le biais d'un procédé de cycloaddition impliquant les vinylcyclopropanes. Une seconde méthodologie de cycloaddition [3+2] énantiosélective entre des aldéhydes ?,?-insaturés et des vinylcyclopropanes a été développée. En tirant parti du concept de catalyse synergique métallo-organique, divers cyclopentanes hautement fonctionnalisés ont été obtenus, avec notamment des énantiosélectivités très élevées. Dans une troisième partie de ces travaux, l'extension de cette méthodologie à la synthèse de composés hétérocycliques a été étudiée ; une première approche impliquant la formation in situ de dipôles-1,3 et -1,4 azotés n'ayant pas abouti à la réactivité désirée, nous avons alors développé une méthodologie de cycloaddition de vinylcyclopropanes et d'imines électro-déficientes par catalyse au palladium(0) menant à des dérivés de pyrrolidine. / This manuscript presents the development of novel palladium-catalysed [3+2] cycloaddition reactions between vinylcyclopropanes and various dipolarophiles. The first part of this work focused on the dearomatization of nitroaromatic compounds such as 3-nitroindoles and 2-nitrobenzofurans through a cycloaddition process with vinylcyclopropanes. In a second time, an enantioselective [3+2] cycloaddition of vinylcyclopropanes with α,β-unsaturated aldehydes under a synergistic metal-organocatalytic activation manifold was developed, leading to highly substituted cyclopentane scaffolds with very high enantioselectivity. In a third part of this work, the extension of this methodology towards the synthesis of heterocyclic compounds was investigated. A first approach dealing with the in situ generation of nitrogen-containing 1,3- and 1,4-dipoles did not lead to the desired reactivity, which prompted us to develop a palladium(0)-catalysed cycloaddition of vinylcyclopropanes and electron-deficient imines to synthesize pyrrolidine derivatives.

Les couplages de Passerini et de Ugi, réactions multicomposants impliquant des isonitriles, ont suscité un grand intérêt ces dernières années. En effet elles permettent d'obtenir en une étape, avec de bons rendements globaux, des produits complexes et diversifiés. Tout d'abord, une nouvelle méthode de synthèse d'indolizines a été développée à partir d'un couplage entre réaction d'Ugi et cycloaddition [3+2] de sel de pyridinium. Cette étape-clé s'insère dans une cascade Sonogashira/cycloaddition/oxydation qui permet d'accéder de manière rapide à des systèmes hétérocycliques d'une grande complexité structurale, présents dans de nombreux alcaloïdes. Récemment le couplage Ugi-Smiles, équivalent du couplage de Ugi, impliquant un phénol pauvre en électrons comme composé acide, a été développé au laboratoire. Dans ce travail, nous avons étudié la possibilité d'introduire ces composés dans un couplage de Passerini. L'o-nitrophénol ainsi que des phénols hétérocycliques ont été couplés, donnant accès à une grande diversité d'aryloxyamides. Le mécanisme implique un réarrangement de Smiles final – transfert d'aryle d'un atome d'oxygène vers un autre. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'introduction de composés soufrés dans le couplage Ugi-Smiles, permettant l'obtention en une étape de thioamides fonctionnalisés. Des produits de couplage avant réarrangement de Smiles ont pu être obtenus à différentes occasions, donnant ainsi un nouvel éclairage au mécanisme de cette réaction. En outre, des hétérocycles soufrés très divers ont été couplés avec succès donnant accès à des composés originaux.

Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire portent sur le développement de nouveaux ligands carbènes N -hétérocycliques anioniques et de leurs complexes organométalliques. Cette nouvelle famille de ligands, basée sur les ylures de N -iminoimidazolium, sont simples à synthétiser, faciles à purifier et forment des complexes stables et dotés de propriétés électroniques et dynamiques très intéressantes. Le premier chapitre porte sur la synthèse des ylures, ou proligands. Cette synthèse comprend trois grandes étapes, soit la formation des imidazoles N -substitués, suivie de l'amination de ces imidazoles pour finir avec l'addition de différents électrophiles, où il y a également la formation de l'ylure. Au total, c'est la synthèse de 16 ylures qui est présentée, regroupant des composés aux propriétés électroniques et d'encombrements stériques variés. Le second chapitre porte, quant à lui, sur la synthèse des complexes organométalliques. La synthèse des complexes d'argent, par métallation avec différentes sources d'argent, est détaillée. Par la suite, la synthèse de différents complexes de rhodium, de nickel et de cuivre, par transmétallation, est décrite. Au total, la synthèse de 16 complexes organométalliques est présentée incluant une analyse des structures de 9 complexes par diffraction de rayons X. Le dernier chapitre porte sur l'étude des propriétés des différents complexes. Dans un premier temps, l'effet a-donneur des ligands est analysé à travers les fréquences infrarouge de ligands carbonyles, à partir de complexes de rhodium. Par la suite, la labilité des ligands et la nature dynamique des complexes en solution est détaillée. Cette propriété dynamique a également été appliquée à des essais d'auto-assemblage à partir d'un diylure. Puis finalement, la réactivité des complexes d'argent a été analysée à travers leurs comportements face à un agent oxydant tel que l'iode, de même qu'à travers leur application en catalyse de cycloaddition (3+2) d'ylure d'azométhine.

Ce travail de thèse a permis de développer un nouveau type de cycloaddition [3+2] des cétènes impliquant des aziridines. Les aziridines sont de bons précurseurs de dipôles 1,3-azotés zwittérioniques, via la coupure sélective de leur liaison C-N par activation avec un acide de Lewis. Nous avons montré qu'en présence d'un cétène et d'iodure de lithium, l'aziridine s'ouvre, et le dipôle 1,3 formé réagit avec le cétène pour offrir des gamma-lactames de manière très efficace. Cette nouvelle cycloaddition [3+2] s'étend à la transformation monotope d'une imine en gamma-lactame, stratégie compatible avec une large gamme d'imines aromatiques et de cétènes stables. Enfin, une synthèse monotope, catalytique et asymétrique de gamma-lactames énantioenrichis a été développée à partir d'oléfines par aziridination asymétrique avec des nitrènes. / This thesis work focuses on a new type of [3+2] cycloaddition of ketenes with aziridines. Aziridines are good precursors of zwitterionic 1,3-aza-dipoles, by selective C-N bond cleavage catalyzed by Lewis acid. We have found that ketenes react with the 1,3-dipole generated by addition of lithium iodide to the aziridine, efficiently providing the gamma-lactams. This new cycloaddition could be extended to a one-pot simple transformation of imines to gamma-lactams. The synthesis is compatible with a wide range of aromatic imines and stable ketenes. Finally, a one-pot catalytic asymmetric synthesis of enantioenrichied gamma-lactams have been developed starting from olefins, involving an asymmetric nitrene aziridination.

La première partie de ce travail a été consacrée à la synthèse asymétrique formelle de la (+)-anatoxine-a, un alcaloïde neurotoxique isolé d'Anabaena flos aquae. L'approche développée est basée sur une cycloaddition [2+2] hautement diastéreosélective du dichlorocétène avec un éther d'énol chiral. Le squelette azabicyclique du produit naturel a été construit par une réaction de cyclisation intramoléculaire d'un intermédiaire N-acyl iminium.<br /><br />Dans la déuxième partie, nous avons développé une nouvelle synthèse de la camptothécine, sous sa forme racémique. Cet alcaloïde pentacyclique isolé du Camptotheca acuminata, s'est avéré être un puissant anticancéreux agissant comme inhibiteur de la topoisomérase I. Les étapes-clé de notre approche font intervenir une cycloaddition [3+2] dipolaire, un couplage de Suzuki et d'une cyanosilylation suivie d'une réaction de Pinner intramoléculaire.

Le système spirocyclique (7,5) est un motif récurrent dans un certain nombre de produits naturels tels que les Micrandilactones ou les Rubriflordilactones. Ces structures polycycliques représentent un réel défi synthétique pour les chimistes organiciens puisqu'elles présentent au moins neuf centres stéréogènes dont plusieurs sont quaternaires. L'objectif principal de ce travail était de développer de nouvelles réactions de cycloaddition [3+2] et de les utiliser comme étape clé afin d'obtenir rapidement et efficacement le squelette polycylique de ces composés. La première partie de ces travaux a été consacrée au développement d'une réaction de cycloaddition [3+2] intra- et intermoléculaire mettant un jeu un nouveau partenaire dipolarophile, les γ-alkylidènes-buténolides. Cette étape clé conduit à la formation de cycloadduits hautement fonctionnalisés de façon rapide et efficace avec d'excellents rendements et de façon hautement chimio-, régio- et diastéréosélective. De plus, des calculs théoriques ont permis d'appréhender le mécanisme réactionnel entre un 2-diazo-1,3-cétoester et la protoanémonine catalysé par un sel de rhodium mis en jeu dans ce type de processus et ainsi d'expliquer les résultats obtenus.Dans une deuxième partie, deux approches aux cœurs ABC et CD de la micrandilactone C ont été développées mettant respectivement en jeu une cycloaddition [3+2] formellement intermoléculaire utilisant un lien de type acétal de silicium et suivie par une réaction de Diels Alder. Ainsi, le motif tétracyclique devrait être rapidement accessible après quelques aménagements de la voie de synthèse initiale. / The spiro (7, 5) ring system is a recurring structural moiety in numerous natural products such as Micrandilactones and Rubriflordilactones. In term of complexity, these polycyclic structures represent a synthetic challenge for organic chemist. Indeed, these molecules present at least nine stereogenic centres including several quaternary ones. The main goal of this work was to use unprecedented partners in the [3+2] cycloaddition reaction to obtain quickly and efficiently the polycyclic core of those natural products. The first part of these studies was dedicated to the development of an intra- and intermolecular [3+2] cycloaddition using for the first time a γ-alkylidene-butenolide dipolarophile. This approach provides rapid and facile access to highly functionalised polycyclic molecules along with excellent regio-, chemo- and stereoselectivities. In addition, thanks to computational studies an overall picture of the mechanism of the intermolecular rhodium catalysed [3+2] cycloaddition between 2-diazo-1,3-ketoester and protoanemonin was apprehended, and experimental results have been rationalised.Finally, two approaches to the ABC and CD cores of Micrandilactone C were developed using respectively a formal intermolecular [3+2] cycloaddition reaction in presence of a silicon acetal linker followed by a Diels Alder reaction. The ACDE tetracyclic moiety should be quickly accessible after few modifications of the initial strategy.

In der vorliegenden Arbeit wird über 1,3-dipolare Cycloadditionen mit Lachgas (N2O) unter milden Reaktionstemperaturen (≈ RT) berichtet. N2O ist ein sehr unreaktives 1,3-dipolares Reagenz. Bisher in der Literatur durchgeführte 1,3-dipolare Cycloadditionen mit N2O benötigten immer sehr drastische und gefährliche Reaktionsbedingungen (bis zu 300°C und 500 atm.). Dabei entstanden nach einer (postulierten) einleitenden 1,3-dipolaren Cycloaddition von N2O an Olefine oder Alkine immer nur stickstofffreie Reaktionsprodukte. Durch den Einsatz von hochreaktiven Cycloalkinen als 1,3-Dipolarophile konnten erstmals 1,3-dipolare Cycloadditionen mit N2O bei deutlich milderen Bedingungen (–25°C bis +60°C) als den bisher bekannten durchgeführt werden. Dabei war es mit Cyclooctin und Cycloocten-5-in erstmals möglich, stabile und vollständig charakterisierbare Reaktionsprodukte zu erhalten, die alle drei Atome des addierten N2O-Moleküls enthalten. Mit 4,5-Didehydro-2,3,6,7-tetrahydro-3,3,6,6-tetramethylthiepin konnte sogar erstmals ein alpha-Diazoketon durch 1,3-dipolare Cycloaddition von N2O erhalten und dieses bei –25°C NMR-spektroskopisch untersucht werden. Diese alpha-Diazoketone entstehen aus der elektrocyclischen Ringöffnung der entsprechenden 1,2,3-Oxadiazole welche aus der Cycloaddition von N2O und dem eingesetzten Cycloalkin stammen. Mit alpha-substituierten Cyclooctinen konnten auch 1,3-dipolare Cycloadditionen mit N2O bei milden Temperaturen durchgeführt werden, um stickstofffreie Reaktionsprodukte zu erhalten.