La tesis se centra en el estudio del mecanismo de las reacciones de cicloisomerización de 1,6-eninos catalizada por complejos de oro(I). Evidencia experimental de la existencia de los intermedios propuestos se ha obtenido mediante la reacción de atrapamiento intermolecular de dichos intermedios, con alquenos, mediante la reacción de bisciclopropanación, y también por adición externa de nucleófilos. Por otra parte, la reacción de cicloadición [4 + 2] de aril eninos sustituidos fue estudiada. Esta reacción se ha utilizado como metodología clave para la síntesis de productos naturales como la familia de las picnanthuquinonas, También se ha estudiado el mecanismo de trasposición por rututa de enlace simple o doble y la formación de ciclobutenos en la reacción de 1,6-eninos aril substituidos. / This Thesis is focused on the mechanism of the cycloisomerization reaction of 1,6-enyes catalyzed by gold(I) complexes. We obtained experimental evidence for the existence of the proposed intermediates by intermolecular trapping with alkenes, through a biscyclopropanation reaction and by reaction with external nucleophiles. On the other hand, the [4 + 2] cycloaddition reaction of substituted aryl enynes was studied. This reaction was used in an approach for the total synthesis of natural products such as the pycnanthuquinones. We have also studied the mechanism of the simple/double cleavage rearrangement and the formation of cyclobutenes in the reaction of aryl substituted 1,6-enynes. Moreover, new silver and copper complexes were prepared and structurally characterized. The new complexes were assayed in the cycloisomerization and cyclopropanation reactions. Metal-arene interactions were also studied.

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In this dissertation, gold catalyst was employed to catalyze intermolecular reactions. Intramolecular reactions were far more advanced than intermolecular reaction in gold catalysis. With finding suitable ligands for gold catalysts, we were able to develop several transformations to synthesize interesting building blocks in organic chemistry including: allenes, furans, spiros, oxepines, propargyl ethers and ketones. These functionalities were synthesized by the use of triazole-gold(I) catalyst. Triazole, as a ligand bond to gold, showed enhanced stability of the catalyst, which resulted in better yields. Gold(I)/(III) redox chemistry also used for cyclopropanol ring openings which resulted in synthesizing substituted ketones.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20387号 / 工博第4324号 / 新制||工||1670(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料化学専攻 / (主査)教授 松原 誠二郎, 教授 大江 浩一, 教授 中尾 佳亮 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Afin de développer des méthodes alternatives à l'activation de systèmes Pi en catalyse homogène par des métaux nobles coûteux et toxiques, nous nous sommes focalisés sur des complexes métalliques et plus particulièrement ceux de la colonne du group XIII. Cette thèse approche une contribution à ce champ d'études, et nous nous sommes particulièrement concentrés sur la chimie de gallium.Trois principaux aspects ont été étudiés dans ce manuscrit: la réactivité des halogénures de gallium(III), des complexes bien définis de gallium (III) portant carbènes N- hétérocycliques (NHCs), et leur activation de systèmes en catalyse.La thèse est divisée en trois chapitres. Le premier chapitre donne un aperçu des travaux effectués dans le domaine de la synthèse organique faisant intervenir des composés de gallium (III) , en se concentrant sur ​​leur utilisation en tant qu’ acides de Lewis et .Dans le deuxième chapitre, nous avons tenté d'exploiter le potentiel catalytique de GaCl3 dans une nouvelle réaction de cycloisomérisation/Friedel-Crafts en tandem. Une section dédiée à l'étude sur l’hydratation d’alcyne catalysée par GaCl3 est également fournie.Le troisième chapitre commence par une description de la synthèse d'une série de complexes de gallium (III) portant diverses NHCs comme ligands pour surmonter les limites des halogénures de gallium(III) en catalyse. Ensuite, des études de méthodologie sur le processus de tandem impliquant arenynes-1,6 avec les gallium(III) complexes neutres et cationiques ont été décrits. Une évaluation cinétique pour des catalyseurs, des divers substrats et l'influence de contreanions sont discutés. En outre, les efforts dans la version asymétrique de cette tandem transformation et des autres cyclisations sont également présentés.Le dernier chapitre reprend les résultats les plus importants obtenus dans la thèse. Et les orientations futures de la recherche sur l'utilisation des complexes NHC- gallium (III) sont discutées. / Recently, in order to develop alternative activation methods for Pi-systems in homogeneous catalysis instead of employing expensive and toxic noble metal catalysts, first row transition metals and main group metal complexes have attracted great attention. This thesis is a contribution to it, and we focus on gallium chemistry. There are three main aspects dominating this thesis: gallium(III) halides, well-defined gallium(III) complexes bearing N-heterocyclic carbenes (NHCs), and -systems activation in catalysis.The thesis is divided into three chapters. Chapter I provides an overview of the field of organic synthesis involving gallium(III) compounds, focusing on their use as - or -Lewis acids.In Chapter II, we expose our attempts to exploit the catalytic potential of gallium(III) chloride in a novel tandem cycloisomerization/Friedel-Crafts reaction. A section dedicated to the study on GaCl3-catalyzed alkyne hydration is also provided.Chapter III begins with a description of the synthesis of a series of gallium(III) complexes bearing various NHCs as ligands in order to overcome the limitations of gallium(III) halides in catalysis. Next, methodology studies on the tandem process involving 1,6-arenynes with the neutral and cationic gallium(III) complexes are described. The evaluation of scission kinetics for catalysts, substrates variation and influence of counteranions are discussed. In addition, efforts towards the asymmetric version of this tandem transformation and some other cyclizations are also presented.The concluding chapter reiterates the most important results obtained in the body chapters of the thesis. To conclude, the future directions for the research on the use of the NHC-gallium(III) complexes are discussed.

La catalyse, les solvants alternatifs et l'économie d'atome font partie des clés pour le développement de nouvelles stratégies durables de synthèse. Des hétérocycles comme les quinoléines substituées, par réaction de cycloisomérisation catalysée par le cuivre en utilisant les liquides ioniques, et les isoquinoléines carbonylées par réaction de carbonylation oxydante catalysée par le palladium dans le méthanol ont été synthétisées. La formation sélective de 1,3-dihydroisobenzofuranes et/ou 1H-isochromènes a été tentée par réaction de cycloisomérisation catalysée par différent métaux de transition. La synthèse d'hétérocycles à cinq chaînons, par exemple furanes, pyrroles et pyrrolin-4-ones à été mise au point par nouvelle réaction de cycloisomérisation catalysée par de sels de platine ou d'or en utilisant des diols, des amino alcools ou des α-amino-ynones dans le PEG sous activation micro-ondes. Les produits sont récupérés pur après une simple étape de précipitation-filtration. Les α-amino-ynones chiral sont synthétisée à partir de N-protégé carboxyanhydrides des aminoacides (UNCAs). Une réaction de iodocyclisation a été aussi développée pour obtenir de nouvelles structures hétérocycliques. / Catalysis, alternative solvents and atom economy represent key areas for the sustainable development of versatile strategies in organic chemistry. Fused heterocycles, such as substituted quinolines by a cycloisomerization reaction using a recyclable catalytic system copper/ionic liquids and isoquinoline-4-carboxylic esters based on PdI2-catalyzed oxidative carbonylation were prepared. A selective 5-exo-dig or 6-endo-dig cyclization route to obtain 1,3-dihydroisobenzofurans and/or 1H-isochromenes was tested by metal transition cycloisomerization reaction of alkynylbenzyl alcohols in PEG. Five membered ring heterocycles such as furans, pyrroles and pyrrolin-4-ones were successfully obtained by a novel platinum or gold-catalyzed cycloisomerization reaction of diols, aminoalcohols or α-amino-ynones in poly(ethylene glycol) (PEG) under microwave irradiation. The heterocyclic systems were recovered pure after a simple precipitation-filtration work-up. The catalytic systems were studied by using the TEM and XPS techniques. The chiral α-amino-ynone substrates were prepared by an original method starting from N-protected carboxyanhydrides of amino acids (UNCAs). Also unprecedented results are reported in the area of iodocyclization to obtain chiral iodopyrrolin-ones.

Les réactions de cycloisomérisation d’énynes catalysées par les métaux de transition sont de puissants outils en synthèse organique: elles donnent accès, en une seule étape économe en atomes, à une variété de structures intéressantes mono- ou bicycliques, comportant des motifs 1,4-diène, 1,3-diène, cyclobutène ou cyclopropane. Afin d’accéder à de nouvelles molécules dérivées de monoterpènes, des 1,6- et 1,7-énynes à pont oxygène ont été préparés à partir de l’alcool péryllique, du nérol et de l’isopulégol, et leur réactivité dans les réactions de cycloisomérisation catalysées par des sels ou des complexes des métaux de transition a été étudiée. De nouvelles molécules bi- et tricycliques contenant des motifs cyclopropane, 1,3- ou 1,4-diènes ont ainsi été synthétisées. Toutes ces molécules ont été purifiées et caractérisées par RMN techniques. Différents systèmes catalytiques décrits dans la littérature ont été comparés : PtCl2, AuCl3, [AuCl(PPh3)/AgPF6] et Rh2Cl2(CO)4. Nous avons ainsi pu montrer que la nature du produit de la réaction dépendait surtout de la structure de l’ényne initial mais aussi du catalyseur mis en jeu. De plus nous avons mis en évidence que la cinétique et la sélectivité pouvaient être modifiées lorsque les réactions étaient faites sous une atmosphère de CO. Dans un second temps, une version asymétrique de la réaction a été explorée dans le cas de l’1,6- ényne dérivé de l’alcool péryllique, en préparant des complexes du platine ou de l’or portant des ligands phosphorés chiraux. L’excès diastéréoisomérique observé sur les deux cyclopropanes obtenus a ainsi pu être augmenté dans le cas des complexes de l’or (I), mais les valeurs restent encore modestes. Enfin, nous avons entrepris une étude préliminaire de la réaction de cycloisomérisation en milieu liquide ionique dans le but de concevoir un système efficace de recyclage du catalyseur. Différents liquides ioniques et différents solvants d’extraction ont été testés pour la réaction avec l’1,6-ényne dérivé de l’alcool péryllique. L’activité et la sélectivité des différents catalyseurs se sont avérées modifiées par rapport à la réaction dans le solvant toluène et des problèmes de reproductibilité sont apparus. Cette étude devra être poursuivie afin d’optimiser les conditions de réaction et de recyclage. / The transition metals catalyzed cycloisomerization reactions of enynes are a powerful tool in organic synthesis: they give access, in only one atom-economic step, to a variety of interesting mono- or bicyclic structures, comprising 1,4-diene, 1,3-diene, cyclobutene or cyclopropane moieties. In order to reach new molecules derived from monoterpenes, O-tethered 1,6- and 1,7- enynes were prepared starting from perillyl alcohol, nerol and isopulegol, and their reactivity in cycloisomerization reactions catalyzed by transition metals salts or complexes was studied. New bi- and tricyclic molecules containing cyclopropane, 1,3- or 1,4-dienes moieties were thus synthesized. All these molecules were purified and characterized by NMR techniques. Various catalytic systems described in the literature were compared: PtCl2, AuCl3, [AuCl(PPh3)/AgPF6] and Rh2Cl2(CO)4. We thus could show that the nature of the final product depended especially on the starting enyne structure but also on concerned catalyst. Moreover we highlighted that kinetics and selectivity could be modified under CO atmosphere. Analogously, an asymmetrical version of the reaction was explored in the case of the 1,6-enyne derived from perillyl alcohol by preparing platinum or gold complexes with chiral phosphorated ligands. The observed diastereoisomeric excess on two obtained cyclopropanes thus could be increased in the case of gold (I) complexes, but the values remain still modest. Finally, we undertook a preliminary study of the cycloisomerization reaction in ionic liquid with an aim of conceiving an effective system for catalyst recycling. Various ionic liquids and different extraction solvents were tested for 1,6-enyne derived from perillyl alcohol. The activity and the selectivity of various catalysts proved, resulted modified compared to the reaction in toluene and reproducibility problems appeared. This study will have to be continued in order to optimize the conditions of reaction and the catalysts recycling.

Dans ce manuscrit, nous avons décrit l'accès aux dérivés bicyclo[2.1.0]pentanes via deux réactions métalo-Catalysées, à savoir une cycloisomérisation d’énynes-1,6 catalysée par le platine et la cyclopropanation de cyclobutènes catalysée par le ruthénium à l’aide carboxylates propargyliques tertiaires. Tout d'abord, nous avons développé la formation, catalysée par Pt(II), de cyclobutènes à partir d’énynes-1,6 reliés par un hétéroatome (azote ou oxygène) pour former les aza- et oxa-Bicyclo[3.2.0]hept-6-Ènes respectivement. Il est montré que la présence de substituant(s) alkyle(s) en position propargylique et l'utilisation de solvants faiblement coordonnés, tels que le DMA sont les caractéristiques principales favorisant la formation de cyclobutènes. Ensuite, la disponibilité de cyclobutènes issus de la cycloisomérisation des 1,6-Énynes a permis leur utilisation pour la construction de systèmes bicyclo[2.1.0]pentanes par la mise en œuvre d’une cyclopropanation catalysée par le ruthénium utilisant les carboxylates propargyliques tertiaires. Ces composés sont obtenus sous la forme d’un diastéréomère unique avec des rendements bons à excellents. Cette réaction fournit une alternative sûre aux méthodes utilisant les dangereux composés diazo précurseurs de carbène pour générer les bicyclo[2.1.0]pentanes fonctionnalisés dans des conditions douces et avec des rendements élevés. / In this manuscript, we have described an access to bicyclo[2.1.0]pentanes via two metal-Catalyzed reactions, namely a platinum-Catalyzed cycloisomerization of heteroatom-Tethered 1,6-Enynes and the subsequent ruthenium-Catalyzed cyclopropanation of cyclobutenes with tertiary propargyl carboxylates.First, we have developed the Pt(II)-Catalyzed formation of cyclobutenes from nitrogen and oxygen-Tethered 1,6-Enynes to form aza- and oxabicyclo[3.2.0]hept-6-Enes respectively. It is shown that the presence of alkyl substituent(s) at propargyl position and the use of weakly coordinating solvents such as DMA are the key elements favoring the formation of cyclobutenes.Second, the availability of cyclobutenes from the cycloisomerization of 1,6-Enynes has allowed their utilization for the construction of strained bicyclo[2.1.0]pentane structures as single diastereomers in good to excellent yield through a ruthenium-Catalyzed cyclopropanation. It provides a safe method which avoid the use of the hazardous diazo compounds precursors of carbenes to generate functionalized bicyclo[2.1.0]pentane frameworks in high yields under mild conditions.

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The exploration of chemical space in search of molecules that perturb or mimic biological systems is essential to understanding human biology. The first part of this dissertation (Chapters 1-4) describes efforts to aid in the exploration of biologically relevant space through the invention of new π-cyclization methodologies. This strategy can be viewed as part of a “top-down” approach to investigating biology: the construction of small molecule drugs or probes which modify the behavior of the existing system. The second part of this dissertation (Chapter 5) describes preliminary efforts to expand life-like chemical space beyond the nucleic acids of DNA and RNA. This can be viewed as a “bottom-up” approach to biology: the construction of systems which mimic the features of biochemical processes. In part one, cyclizations of nitrogen tethered 1,6-diynes were developed as a means to new heterocyclic scaffolds. A GaX3 promoted halocyclization transformed the acyclic diynes into tetrahydropyridine rings with exocyclic vinyl halides. In the presence of strong acid, the tetrahydropyridine products were further cyclized to tetrahydroindenopyridine scaffolds. These scaffolds were then diversified through Pd(0)-catalyzed cross-coupling reactions of the vinyl halide, and modifications to the tethering amino nitrogen. Subsequently, a Brønsted acid-catalyzed cyclization was developed, transforming N-sufonyl tethered bis-aryl 1,6-diynes to dihydroindenopyridines. Using unsymmetric bis-aryl diynes, the regio- and chemoselectivity of this Brønsted acid-catalyzed cyclization was investigated, and compared to the GaX3 Lewis acid promoted cyclization developed previously. The regiochemical preference of the initial cyclization step was found to be reversed under the two different conditions. In part two, a means to sequence-defined synthetic polymers which emulate the information storage and self-replication abilities of nucleic acid-based biopolymers was designed. Information was encoded in two dimers as a specific sequence of aniline and benzaldehyde subunits, which were linked together by a diethynyl benzene backbone. These dimers functioned as a template for the synthesis of new dimers with a complementary sequence. Unpolymerized ethynylaniline and ethynylbenzaldehyde monomers, associated to a polymer template by reversible imine bonds, were polymerized via Sonogashira cross coupling with diiodobenzene. Under the same set of conditions, the sequence of two parent dimers was transferred to the daughters.