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The development of new methods for the reduction of carboxylic acid derivatives is described. The ability to reduce these carbonyl derivatives through radical intermediates provides an orthogonal approach as compared with hydride based reductions. Initial experiments focused on the development of the SmI2–H2O system, where we have shown that chelation effects can be utilised to facilitate reduction of cyclic esters. Furthermore, a revised mechanism for the SmI2–H2O mediated reduction of lactones is discussed, and the effective reduction potential of the system determined. Also described is the optimisation of barbituric acids using SmI2–H2O to give the corresponding hemiaminal product. Next, experiments towards the development of a more reactive SmI2-based system are presented; where we have demonstrated that the SmI2–amine–H2O system is capable of the reduction unactivated carboxylic acid derivatives. The reductions of carboxylic esters and acids are described with mechanistic discussions. In addition, the design of a new divalent lanthanide system based on thulium diiodide is described. The addition of proton sources to TmI2 increases the effective reduction potential and facilitates unprecedented reactivity with amides. An investigation into the preparation of the reagent is also described, which has been one of the key factors developing all of the chemistry presented.

Ce travail s'intéresse à l'étude théorique de la structure et de la réactivité de complexes de samarium(II) en utilisant une approche de la fonctionnelle de la densité(DFT). Le cœur de ce travail est la réactivité de SmI2, le réactif de Kagan, vis-à-vis de substrats organiques. Après une brève introduction afin de rappeler les propriétés importantes de SmI2, une rapide présentation de la méthode de calcul utilisée pour la modélisation de la réactivité organométallique est proposée. Ce manuscrit est ensuite séparé en plusieurs sous-parties, chacune étant associée à un type d'additif pour la réactivité de SmI2 : (1) une base de Lewis, le HMPA (2) une source de proton H2O. Les réactions en présence de HMPA sont les premières présentées avec un intérêt particulier pour la réaction de Barbier (iodoalcane+cétone). Dans ce cadre, un nouveau chemin réactionnel est proposé permettant ainsi de définir une nouvelle base rationnelle pour la réduction sélective des cétones en présence de SmI2-HMPA. Dans un second temps, un travail a été réalisé sur la réactivité de SmI2 en solution aqueuse. En particulier, l'influence de la présence d'eau sur l'étape de réduction (transfert monoélectronique) du métal a été étudiée dans le cas de la valérolactone et d'un ester aliphatique. L'influence du binaire SmI2/H2O puis du ternaire SmI2/H2O/Amine a été étudiée théoriquement et a permis de montrer que la réactivité doit impliquer la formation de complexes bimétalliques dans un schéma de transfert de proton couplé à un transfert électronique (BPCET). Ce dernier diffère entre le binaire et le ternaire car dans le premier cas, le transfert de proton se produit directement à partir d'une molécule d'eau liée à un centre métallique alors que dans le second cas, l'amine joue un rôle de relais à proton. / This doctoral dissertation presents a theoretical investigation of the structure and reactivity of samarium(II) complex by means of DFT calculations. In this context, we focused on the exploration of the mechanisms in Sm(II) iodide (SmI2) mediated reactions towards organic substrates. A brief introduction of SmI2 reagent has been included at the beginning to address general aspects of this important reducing reagent. After the presentation of theoretical chemistry used for modeling of organometallic reactivity, this dissertation is mainly arranged by the class of additives utilized to study the reactivity of SmI2: (1) Lewis base-HMPA; (2) Proton source-H2O. Mechanistic study of SmI2-HMPA mediated reactions is first presented and special emphasis is placed on samarium Barbier reaction (iodo-alkane + ketone). In light of previous evidence, a new mechanism that provides insights for the selective reduction of alkyl halide over carbonyls by SmI2-HMPA is suggested. Then, the reactivity of SmI2-H2O mediated reduction of important functional groups is investigated. The role of H2O is uncovered in the electron transfer process. This study is then extended to the full reduction of valerolactone and aliphatic ester with SmI2-H2O and SmI2/H2O/Amine. The results show that the reduction proceeds through a bimetallic proton coupled electron transfer (BPCET) process. In particular, the activation of H2O in the first coordination shell by Sm center or the amine acting as a proton relay promotes the BPCET cascade.

Reductive electron transfer has been successfully utilized to facilitate the first enantioselective desymmetrisation of malonate derivatives. Selective monoreduction of cyclic 1,3-diesters through the combined use of SmI2-Et3N and chiral non-racemic diols has granted rapid access to enantioenriched β-hydroxy acids containing challenging quaternary centres – an abundant motif in many drug molecules. Unique radical anions generated from the single electron reduction of cyclic 1,3-diesters have been exploited in cyclisation cascades. Capture of acyl-type radical anions by both alkene and alkyne acceptors have permitted the construction of complex bicyclic architectures in a single synthetic operation. The reductive cyclisation cascade of lactones has also been demonstrated, using SmI2-H2O to achieve a challenging domino 5-exo-trig/6-exo-trig cyclisation event. This process generates highly decorated carbo[5.4.0]bicyclic scaffolds with complete diastereocontrol.

Depuis la découverte par le Pr. Kagan en 1977 de conditions douces de synthèse du diiodure de samarium (SmI2), ce réactif est rapidement devenu un des meilleurs réducteurs chimiques utilisé en synthèse organique. Cependant, en tant que réducteur mono-électronique, il est souvent employé en quantité sur-stœchiométrique ce qui impose l’utilisation de quantité importante de réactif qui possède par ailleurs une faible solubilité dans le THF (solvant de choix pour ce réactif) ce qui impose également de trop importantes quantités de solvant. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l’utilisation de l’électrochimie comme alternative de synthèse de SmI2 pour apporter un certain nombre de solutions aux limitations manifestes de l’utilisation de ce réactif.Dans un premier temps nous avons mis en œuvre une méthode de synthèse du SmI2 grâce à l’utilisation originale d’une anode "sacrificielle" de samarium. Le SmI2 électrogénéré, dosé et parfaitement caractérisé nous a permis de réaliser différentes réactions de formation de liaisons carbone-carbone médiées par ce réactif. Le SmI2 est produit et consommé en continu ce qui réduit considérablement les quantités de solvant habituellement exigées. Cette approche a également permis de préparer et de caractériser d’autres dérivés divalents de samarium souvent plus difficiles à synthétiser. Nous avons ensuite exploré la possibilité d’exploiter cette approche électrochimique pour la mise en place d’une nouvelle procédure catalytique en SmI2. Après avoir mis en évidence l’efficacité de la réduction électrochimique de sels trivalents de samarium en dérivés divalents grâce à l’emploi d’une cathode de samarium, nous avons établi les conditions opératoires d’une nouvelle procédure catalytique en SmI2 assistée par électrochimie évitant ainsi tout additif métallique. Cette approche catalytique a été appliqué avec succès dans différentes réactions de couplage. / Since the seminal reports of Kagan, dedicated to the preparation of samarium diiodides and its usefulness in organic synthesis, SmI2 became one of the most important reducing agents available to the synthetic organic chemist, promoting a multitude of radical and anionic reactions. However, the major limitations according to its preparation remains the concentration of SmI2 in THF (around 0.1M) and the inert atmosphere needed during its manipulation. Therefore, the majority of organic reactions mediated by SmI2 as reductive reagent require a stoichiometric amount or even a large excess.We report herein a new electrochemical method to prepare solutions of samarium diiodide in THF. The simple electrolysis of a samarium rod provides a rapid and straightforward in situ synthesis of SmI2. The electrogenerated complex catalyzes various C-C bond formations. The reagent is produced continuously and leads to efficient organic electrosynthesis with significantly smaller amounts of solvent than usually required. Moreover, samarium metal has been then used for the first time as electrode material to perform an efficient and versatile SmI2 catalytic system assisted by electrochemistry. The established electrocatalytic procedure that excludes any metal additives was successfully applied in various transformations mediated by this useful reagent.

Le couplage croisé entre les esters allyliques et les composés carbonylés promu par le diiodure de samarium est une méthode efficace pour la formation de liaisons carbone-carbone. Une approche « umpolung » de réaction entre un composé carbonylé électrophile et un allylsamarien nucléophile, obtenu sans la réduction préalable d’espèces de type π-allylmétal de transition intermédiaires, fournirait une nouvelle voie plus simple pour la construction de cette liaison dans des conditions douces.Les esters allyliques de type dihydropyranyle se sont montrés d’excellents substrats dans les réactions d'allylation, d’aldéhydes ou de cétones, induites par le diiodure de samarium évitant ainsi l'utilisation de catalyseurs au palladium ou d’un autre additif. En série glycal, la nature et la configuration du substituant en position C-4 jouent un rôle très important à la fois sur le rendement et sur la structure des produits modifiés. Les couplages réducteurs directs ont lieu régiosélectivement en C-3 avec une stéréochimie relative 3,4-trans. La même stratégie appliquée aux dérivés Neu5Ac2en de l’acide sialique a permis d’obtenir par réactions à basse température, les produits de couplage en C-2 avec des rendements quantitatifs et une parfaite régio- et stéréosélectivité. Cette transformation donne un nouvel accès facile, rapide et très efficace aux α-C-sialosides. / The cross-coupling of allylic esters and carbonyl compounds promoted by samarium diiodide is an efficient method for the formation of carbon-carbon bonds. An umpolung approach, reaction between a carbonyl electrophile and an allyl samarium nucleophile, without the prior reduction of the intermediate π-allyl transition metal complexes, would provide a simple route for this bond construction under mild conditions.Dihydropyranyl allylic esters have been found to be excellent substrates for carbonyl allylation reactions mediated by samarium diiodide – without the use of palladium catalysts or any other additive. In glycal series, the nature and the configuration of the substituent at the C-4 position play crucial roles both on yields and structures of the modified products. The direct reductive couplings take place regioselectively at C-3 with a 3,4-trans relationship. Applied to Neu5Ac2en derivatives of sialic acid, the same strategy furnished the coupling products at the anomeric position in quantitative yields and with a perfect regio- and stereoselectivity. This transformation provides an easy, rapid and efficent access to α-C-sialosides.

Les acides ulosoniques constituent une famille de monosaccharides complexes dont les glycoconjugués présentent des propriétés biologiques importantes. L’acide sialique ou acide N-acétylneuraminique (Neu5Ac), membre le plus couramment rencontré de cette famille joue notamment un rôle dans l’infection par le virus Influenza. La liaison α-O-glycosylée des résidus naturels de Neu5Ac est cependant sensible à l’hydrolyse chimique et enzymatique. La synthèse d’analogues C-glycosylés qui présentent l’avantage d’être non-hydroysables, constituent alors un axe de recherche de grand intérêt. Les dérivés C-sialylés peuvent être préparés de manière rapide et efficace selon une méthode de couplage de type Reformatsky promue par le diiodure de samarium. Le travail réalisé au cours de cette thèse propose de nouvelles méthodes impliquant l’utilisation de ce métal divalent et permettant un accès rapide à des structures C-sialylées originales. Les réactions de samariation réductice réalisées sur des substrats sialylés fonctionnalisés par un groupement amide ont sélectivement conduit, après réduction d’un acétate anomère à l’obtention d’α-C-sialosides. Ces réactions sont réalisées dans les conditions de Barbier et d’excellents rendements ont été obtenus lorsque des cétones cycliques sont utilisées comme partenaire électrophile. Nous avons également montré qu’il était possible d’appliquer la samariation réductrice à la formation d’α-C-sialylspirolactones. La cyclisation est assurée par réaction de l’intermédiaire réactionnel sur un piège anionique de type cétone introduit sur le sucre grâce à la fonction acide carboxylique en position 2. Cette réaction peut être effectuée au départ de précurseurs porteurs de groupements réductibles acétate ou 2-thiopyridyle. Finalement, un travail méthodologique nous a permis de développer pour la première fois une synthèse sélective de β-C-sialosides. Sous l’action du samarium divalent en présence d’électrophile, la structure figée ⁵C₂ du dérivé lactonique bicylique de l’acide sialique identifié par Ogura en 1988, conduit sélectivement à des produits de couplage de configuration β. Les résultats obtenus par réduction d’un groupement anomère de type tosylate sont les plus encourageants. / Ulosonic acids are a complex monosaccharide family whose glycoconjugates present important biological properties. Sialic acid or N-acetylneuraminic acid (Neu5Ac), the most widespread member of this family, plays a crucial role in the infection with the virus Influenza. As the α-O-glycosidic bond of Neu5Ac conjugates is sensitive towards chemical and enzymatic hydrolysis, the synthesis of carbonated analogs that are not hydrolysable represents an important subject of research. The aim of our project was to develop new synthetic methods using samarium diiodide in order to obtain original C-sialylated structures. These derivatives can be easily prepared using Reformatsky coupling reactions promoted by this very efficient reductive reagent. Reductive samariation conditions applied to sialylated substrates functionalized by an amide group, selectively led to α-C-sialosides, via the reduction of the anomeric acetate group. These reactions were performed at room temperature under Barbier conditions and excellent yields of coupling products were obtained using ketones as electrophilic partner. We have also demonstrated that reductive samariation could be applied to the synthesis of α-C-sialylspirolactones. The Sm(II) mediated cyclizations were enable by reactions of the anomeric organometallic intermediates with keto anionic traps linked to the sugar via esterification of the carboxylic acid function of sialic acid derivatives. These reactions were conducted starting from sugar derivatives either with acetate or 2-thiopyridyle reductible groups in anomeric position. Finally, we have developed a new and selective synthesis of β-C-sialosides. Submitted to samarium diiodide in presence of electrophile, the conformationaly restricted ⁵C₂ bicyclic lactonic silalyl derivative described by Ogura in 1988, selectively led to β-coupling products. Our last results obtained from reductions of the anomeric tosylale group were the most promising.

A highly regio- and diastereoselective approach towards complex 6-membered lactones was developed using allyl/propargyl benzyl ethers and delta keto esters. Crucially, the classical ET reagent SmI2 gave unsatisfactory results and it was necessary to develop and screen new Sm(II) cyclopentadienyl complexes to deliver high selectivity in the transformation. The methodology was extended to a one-pot approach to complex cycloheptanols using SmI2-H2O in a second stage of the process. Samarium(II) folding cascades were developed where simple, linear starting materials are converted to complex polycyclic architectures bearing multiple stereocentres. It was found that, depending on the sidechain in the starting material, it was possible to achieve four different pathways from the common radical intermediate. Crucially, transannular 1,5-HAT from tertiary and benzylic positions was observed to give diverse products. A proposed 1,5-HAT facilitated SmI2-mediated 6-membered lactone radical cyclisations for the first time without an activating proton donor additive. Enantioselective samarium(II) mediated cyclisation cascades were achieved, where simple beta keto esters are converted to complex polycyclic architectures bearing up to five contiguous stereocentres with high diastereo- and enantiocontrol. In the process, a simple and easy to prepare chiral aminodiol was employed which could be recycled after the reaction. Unprecedented, enantioselective transannular radical cascades allowed access to unique 3- dimensional scaffolds inaccessible by other synthetic methods.

Les nitrones peuvent être réduites par le diiodure de samarium et réagir selon une additionconjuguée avec des acrylates-silylés, silylés ou ,disilylés. Ce couplage réducteur,développé avec des aldonitrones simples, a conduit à des dérivés silylés de g-Nhydroxyaminoacides.Ces derniers ont pu être réduits puis cyclisés en g-lactames substituéspar un groupement silylé, dont la position et la configuration dépendent de l’acrylate dedépart. L’oxydation de Tamao-Fleming a ensuite permis la conversion des composés silylésen leurs correspondants hydroxylés avec rétention de configuration. Cet enchaînementréactionnel a alors été appliquée à une nitrone cyclique polyalkoxylée dérivée du L-xylose, cequi a permis les synthèses de la 7-desoxy Uniflorine A et de la (+)-Australine, deuxpyrrolizidines polyhydroxylées inhibiteurs de glucosidases. / Nitrones are reduced by samarium diiodide and react through a conjugated addition with silylacrylates. This cross coupling, developed with simple aldonitrones, allowed the preparation ofsilyl g-N-hydroxyaminoacids derivatives. The latter were reduced and cyclised in g-lactams inwhich the position and the configuration of the silyl group depend of the starting acrylate.Tamao-Fleming oxidation was used for the conversion of silyl group to hydroxyl group withretention of configuration. Then, the reaction was applied to a cyclic polyalkoxy nitronederived from L-xylose and it allowed the synthesis of 7-deoxy Uniflorine A and (+)-Australine, polyhydroxylated pyrrolizidines exhibiting glucosidases inhibition.