Les essais préliminaires pour préparer des alcoolates de fer à partir du bichlorure ou bibromure de fer (II), en les combinant avec des ligands de type diimino pyridine, ont engendré la formation de complexes homoleptiques et hétéroleptiques, dépendant des substituants sur les branches imines du ligand. Ces complexes homoleptiques octaédriques et paramagnétiques ont été étudiés par rapport à leurs propriétés spectroscopiques et cristallographiques. De plus, la synthèse des complexes de fer hétéroleptique a engendré de bons précurseurs penta-coordonnés pour les réactions de substitution de ligands avec des alcoolates de métaux alcalins, de manière à produire les dialcoolates de fer (II) désirés. Des techniques d’analyse telles que la spectroscopie UV-vis, l’analyse élémentaire, la spectrométrie de masse à haute résolution et la cristallographie aux rayons X ont été utilisées pour caractériser ces complexes de fer. L’activité catalytique de ces complexes de fer (II) a aussi été étudiée par rapport à la polymérisation du lactide; les dialcoolates convoités ont été générés in-situ en raison de la difficulté à produire et à isoler les dérivés alcoolates des complexes diimino pyridine de fer. Une étude approfondie a aussi été faite sur les réactions de polymérisation, surtout par rapport aux valeurs de conversion à l’échelle du temps, ainsi qu’à la tacticité des chaines de polymères obtenues. Ces analyses ont été effectuées par l’entremise de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, de la chromatographie d’exclusion stérique, et de la spectrométrie de masse MALDI (désorption-ionisation laser assistée par matrice). / Initial attempts to prepare iron alkoxide complexes, from iron (II) dichloride or dibromide, in combination with various bis(imino) pyridine ligands, led to the formation of homoleptic and heteroleptic complexes depending on the N-substituents on the imino moieties. A study was made of the resulting paramagnetic octahedral homoleptic complexes, with respect to their spectroscopic properties, as well as their crystallographic parameters. Alternatively, the synthesis of penta-coordinate heteroleptic iron (II) complexes provided good precursors for the ligand substitution reactions with alkaline alkoxides, to produce the desired iron bis(alkoxide) derivatives. Methods such as UV-vis spectroscopy, elemental analysis, high resolution mass spectrometry and X-ray crystallography were used for the characterization of these iron complexes. The catalytic activity of these iron (II) complexes was investigated with respect to lactide polymerization; the desired bis(alkoxide) species were generated in-situ due to the difficulties in isolating pure alkoxide derivatives of the bis(imino) pyridine iron (II) complexes. An informative study was made of both time-scale conversion values, as well as tacticity properties of the resulting polylactic acid chains, through proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, gel permeation chromatography, as well as MALDI (matrix-assisted laser desorption/ionization) mass spectrometry measurements.

Cycloisomerisierungen sind leistungsfähige Gerüstumlagerungen, die den atomökonomischen Aufbau komplexer molekularer Architekturen erlauben. Wir präsentieren hier eine ungewöhnliche Art der Cyclopropyl-Enin-Cycloisomerisierung, die den Prozess der Cycloisomerisierung mit der Aktivierung einer C-C Bindung in Cyclopropanen verbindet. Es wurde eine Vielzahl substituierter nicht-kanonischer tricyclischer Cyclobutane unter milden Bedingungen mit [(Ph3P)2Fe-(CO)(NO)]BF4 als Katalysator in guten bis exzellenten Ausbeuten und hoher Stereokontrolle synthetisiert.

Linear alpha olefins (LAOs) are key petrochemical precursors for the synthesis of larger polymers, detergents, plasticizers, and lubricants. Most catalytic ethylene oligomerization processes generate a wide distribution of LAO carbon chain lengths. A major ongoing industrial challenge is to develop homogeneous catalysts that result in selective and tunable ethylene oligomerization to 1-hexene and 1-octene alkenes. Quantum mechanical calculations coupled with rapidly advancing technology have enabled the ability to calculate small molecule systems with high accuracy. Employing computational models to advance from empirical to quantitative prediction of product selectivities has become an active area of exploration. In this work, we demonstrate the development and use of a density-functional theory (DFT) transition-state model that provides highly accurate quantitative prediction of phosphinoamidine (P,N) Cr catalysts for controllable selective ethylene trimerization and tetramerization. This model identified a new family of highly selective catalysts that through computational-based ligand design results in a predictable shift from 1-hexene selectivity to 1-octene. Subsequent experimental ligand synthesis and catalyst testing verified the quantitative computational predictions. DFT calculations also provide key insights to factors controlling catalytic activity and present important design criteria for the development of active Cr-based ethylene oligomerization systems. Non-selective ethylene transformations, referred to as full range processes, provide access to a range of LAOs (C4-C20) that are used to produce polyethylene, surfactants, and other commercial products. During full-range oligomerizations, undesired byproducts degrade the purity of LAOs mostly consisting of branched oligomers. Computational mechanistic investigations reveal the origin of linear versus branched selectivity in Fe-catalyzed ethylene oligomerization reactions.

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire. / This thesis describes the development of two methodologies involved in the biaryls synthesis. The first part is directed towards the use of a directing group or stabilizing group for the palladium catalyzed direct arylation. In all the examples found in the literature, the moiety bearing the directing group has the proton subject to abstraction in the ortho-position leaving the halide to the other coupling partner. We thought that by designing a compound having both a directing group and a halide, at the ortho position, the direct arylation of unactivated molecule species would be possible. This reaction is performed under air and without the use of any phosphine ligand providing a low cost and practical access to the pharmaceutically useful biaryl moieties containing a versatile ester functionality for further transformations. Owing to the ubiquity of C-H bonds in organic compounds, the possibility of directly introducing a new C-C bond (or other functionalities) via a direct C-H bond transformation is a highly attractive strategy in synthesis. Several rhodium, palladium, and ruthenium catalysts have proven to be highly effective in such direct coupling processes. Herein the first general and efficient iron-catalyzed direct arylation of iodo-aryls and iodo-hetereoaryl derivatives using a cost effective and environmentally benign catalyst is described. The reaction is performed under neat conditions and can even proceed at room temperature providing 22 examples of biaryls and heteroaryls construction with moderate to excellent yield. Mechanistic studies showed that the transformation was going through an aryl radical transfer pathway.

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Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire. / This thesis describes the development of two methodologies involved in the biaryls synthesis. The first part is directed towards the use of a directing group or stabilizing group for the palladium catalyzed direct arylation. In all the examples found in the literature, the moiety bearing the directing group has the proton subject to abstraction in the ortho-position leaving the halide to the other coupling partner. We thought that by designing a compound having both a directing group and a halide, at the ortho position, the direct arylation of unactivated molecule species would be possible. This reaction is performed under air and without the use of any phosphine ligand providing a low cost and practical access to the pharmaceutically useful biaryl moieties containing a versatile ester functionality for further transformations. Owing to the ubiquity of C-H bonds in organic compounds, the possibility of directly introducing a new C-C bond (or other functionalities) via a direct C-H bond transformation is a highly attractive strategy in synthesis. Several rhodium, palladium, and ruthenium catalysts have proven to be highly effective in such direct coupling processes. Herein the first general and efficient iron-catalyzed direct arylation of iodo-aryls and iodo-hetereoaryl derivatives using a cost effective and environmentally benign catalyst is described. The reaction is performed under neat conditions and can even proceed at room temperature providing 22 examples of biaryls and heteroaryls construction with moderate to excellent yield. Mechanistic studies showed that the transformation was going through an aryl radical transfer pathway.