Thesis (Ph.D.)--McMaster University, 2005. / Supervisor: John F. Valliant. Includes bibliographical references.

The success of homogeneous asymmetric catalysis has been attributed to the structure and stereochemistry of the coordinated ligand(s). The most effective ligands are C₂-symmetrical bisphosphines containing either a rigid chiral backbone linking two PPh₂ units or a bisphosphine, DIPAMP containing two chiral phosphine units linked by an achiral backbone. The synthesis of P-chiral ligands of this type has been severely hindered by the lack of a general synthetic route allowing the incorporation of phosphorus chirality without the need for separation of diastereomeric precursors or resolution of intermediate enantiomers. The objective of this work was to develop a general synthetic route to homochiral bulky arylphosphines with substantial flexibility in the groups at phosphorus and extend the approach to new P-chiral bisphosphines. In one approach, diastereomerically pure (2R, 4S, 5R)-2,5-diphenyl-3,4-dimethyl-1,3,2-oxazaphospholidine was prepared directly from PhPCl₂ using l-ephedrine as a chiral auxiliary. Stereospecific oxidation using Bu^tOOH gave the corresponding P-oxide which was shown to have R-stereochemistry at phosphorus by single-crystal X-ray diffraction studies. The compound reacted regiospecifically with ortho-anisylmagnesium bromide to afford the product formed by P-O bond cleavage with >96% d.e. and with retention of configuration at phosphorus as demonstrated by single-crystal X-ray diffraction studies. The l-ephedrine residue was replaced by O-methyl under acid-catalysis with inversion of configuration and with >95% e.e., the reaction was monitored by ¹H n.m.r. spectroscopy which gave t_1/2 of ca. 30 min. Attempts to incorporate para-fluorophenol using similar conditions led to the isolation of the pyrophosphinate in low yield. The OMe residue in the methyl (ortho-anisyl)phenylphosphinate was readily displaced by aliphatic Grignard reagents giving the corresponding phosphine oxides with inversion of configuration and with >95% e.e. Displacement of methoxy using aryl magnesium bromides showed similar enantioselectivity but in lower chemical yield, however the corresponding arylmagnesium chlorides were more efficient. In a second approach, diastereomerically pure (2R, 4S, 5R)-2-chloro-3,4-dimethyl-5-phenyl-1,3,2-oxazaphospholidine was prepared from PCl₃ and l-ephedrine. The compound underwent diastereoselective P-C1 cleavage with aryl Grignard and aryllithium reagents with net retention of configuration at phosphorus and with 90% d.e. Oxidation of the ortho-anisyl derivative afforded (2R, 4S, 5R)-2-(ortho-anisyl)-3,4-dimethyl-5-phenyl-1,3,2-oxazaphospholidine-2-oxide which was subsequently reacted with a range of bulky aryl Grignard reagents to afford the corresponding biarylphosphinamides with retention of configuration at phosphorus. Subsequent acid-catalysed methanolysis and displacement of the methoxy residue with PhMgCl afforded a range of bulky arylphosphine oxides with defined configuration at phosphorus with >95% e.e. as determined by ¹H n.m.r. methods. (S)-ortho-anisyl (meta-anisyl)phenylphosphine oxide underwent regiospecific ortho-lithiation on the meta-anisyl ring which on quenching with D₂O afforded the corresponding 2-deuteride in 80% yield. The 2-iodo analogue was also prepared although in low chemical purity and is a key precursor to new axially dissymmetric bisphosphines containing chiral phosphorus centres. Other approaches to P-chiral ferrocenyl ligands and biaryl ligands are also described and modifications for further development are implicated. An X-ray crystallographic study of six aryl-oxazaphospholidines is also presented and demonstrates the influence of the substituents at phosphorus in determining the conformation of the 1,3,2-oxazaphospholidine ring. A comparison with solution ¹H n.m.r. data showed, in some cases, good correlation between the P-O-C-H dihedral angle and the corresponding solid state torsion angle.

Ces dernières années, les méthodes hybrides QM/MM combinant la mécanique quantique (QM) et la mécanique moléculaire (MM) se sont revélées des méthodes de choix pour l'étude de systèmes chimiques et biochimiques contenant plus d'une centaine d'atomes. Nous avons mis en évidence les apports et difficultés liés à leur utilisation à travers des systèmes variés: modélisation de ligands phosphines, réactivité d'une protéine de type acide phosphatase pourpre, modélisation de l'interaction protéine-ligand.

Le manuscrit est divisé en six chapitres et deux parties indépendantes, la première étant consacrée à l'étude de l'effet de substituants nitro sur des ligands phosphines aromatiques (L). Une série de (N-phényl-benzimidazol-1-yl)diphénylphosphines substituées par 1 à 3 groupes nitro à différentes positions des noyaux N-phényle et benzimidazolyle, a été synthétisée, et comparée au parent non nitré et à l'homologue N-méthyl-benzimidazolium cationique. Dans les complexes trans-L2RhICl(CO) correspondants, des variations faibles mais systématiques de la fréquence d'élongation C=O IR et du déplacement chimique RMN 103Rh fournissent une quantification empirique des effets régio-spécifiques des substituants nitro sur le caractère donneur global du ligand. Les produits secondaires dinucléaires (µ-CO)(LRhCl)2 donnent des cristaux de clathrate uniques à teneur élevée (6,7:1) en solvate de dichlorométhane. La deuxième partie, regroupant cinq chapitres, concerne l'étude de nouveaux types de carbo-mères fortement p-conjugués, principalement conçus pour pallier la faible solubilité limitante du noyau carbo-benzène. La synthèse et la caractérisation des hexaaryl-carbo-benzènes de référence sont revisitées. Une voie de synthèse en 12 étapes améliorée du dérivé hexaphényle connu et de l'homologue p-bis-3,5-di-tert-butylphényle est décrite. Les deux carbo-benzènes ont été entièrement caractérisés, en particulier par analyse par diffraction des rayons X et par électrochimie. Leur utilisation dans les cellules solaires photovoltaïques organiques s'est avérée freinée par leur faible solubilité empêchant la formation de couches minces de haute qualité. Le troisième chapitre porte sur une série de p-dialkyl-tétraphényl-carbo-benzènes à deux chaînes aliphatiques R = CnH2n +1, n = 2, 4, 8, 14, 20. Leur synthèse basée sur l'addition nucléophile de RMgBr sur la [6]péricyclynedione clé conduit à la fois aux dialkyl- et mono-alkyl-carbo-benzènes réduits, le processus de réduction étant supprimé en utilisant un réactif RLi/CeCl3. Une augmentation spectaculaire de la solubilité dans les solvants chlorés a été observée pour n = 8. Un empilement p-p direct des cycles en C18, guidé par les forces de dispersions aliphatiques, a été montré pour la première fois dans la structure cristalline du dérivé bis-tétradécyle, appuyant l'existence de l'allotrope du carbone 3D ?-graphityne (carbo-mère putatif du graphite). Le quatrième chapitre décrit deux trialkoxyaryléthynyl-tétraphényl-carbo-benzènes et l'étude des propriétés mésogènes de l'un d'entre eux. Une mésophase rectangulaire colonnaire, mise en évidence à 115 °C par des analyses DSC, POM et PXRD, ouvre des perspectives pour une étude systématique des cristaux liquides apparentés. Les constantes du réseau 3D sont cohérentes avec les images STM 2D du carbo-mésogène sur HOPG. Le cinquième chapitre décrit trois carbo-mères de squelette de bis- et ter-phényles, conçus pour leur relation aux fils moléculaires OPP ou OPE. Un carbo-terphényle a montré un très faible potentiel de réduction (-0,39 V/SCE), sans précédent en série carbo-mère. Dans le dernier chapitre, de nouveaux types de carbo-mères sont illustrés: les carbo-barrélènes et les carbo-stilbènes. Leur préparation repose sur l'addition de triyne dinucléophiles sur un ou deux équivalents d'un précurseur [6]péricyclyne (di)one. Dans la série tricyclique, deux carbo-barrélènes non macro-aromatiques et un dérivé bis-butatriénique partiellement réduit, se sont révélés suffisamment stables pour permettre une caractérisation complète, y compris par cristallographie. Le rôle de cage d'un carbo-barrélène vis-à-vis de petites molécules telles que NH4+, même si elle n'a pas encore été clairement établie, a été étudiée théoriquement et expérimentalement. Les carbo-stilbènes ont été obtenus sous forme de mélanges. En l'absence d'analyse cristallographique, ils ont été attribués aux diastéréoisomères cis et trans sur la base de la spectroscopie RMN 1H et des calculs DFT. / The manuscript is divided into six chapters and two independent parts, the first part being dedicated to the investigation of the effect of nitro substituents on aromatic phosphine ligands (L). A series of (N-phenyl-benzimidazol-1-yl) diphenylphosphines substituted with 1 to 3 nitro groups at different positions of the N-phenyl and benzimidazolyl cores, were synthesized, and compared with the non-nitrated parent and cationic N-methyl-benzimidazolium counterpart. In the corresponding trans-L2RhICl(CO) complexes, prepared in two steps and fully characterized, moderate but systematic variations of the C=O IR stretching frequency and 103Rh NMR chemical shift provide an empirical quantification of regio-specific effects of the nitro-substituents on the global donating character of the P-ligand. Dinuclear (µ-CO)(LRhCl)2 side-products were shown to give unique clathrate crystals with a high content (6.7:1) of dichloromethane solvate. The second part, gathering five chapters, concerns the study of new types of highly p-conjugated carbo-mers, primarily devised to palliate the limiting poor solubility of the aromatic C18 carbo-benzene core. The synthesis and characterization of reference hexaaryl-carbo-benzenes are revisited. An improved 12-step synthetic route to the long known hexaphenyl derivative and p-bis-3,5-di-tert-butylphenyl homologue is described. Both carbo-benzenes were fully characterized, in particular by X-ray diffraction analysis and electrochemistry. Their use in organic photovoltaic solar-cells was found to be hampered by their very low solubility preventing the formation of high quality thin films. The third chapter focusses on a series of p-dialkyl-tetraphenyl-carbo-benzenes with two aliphatic chains R = CnH2n+1, n = 2, 4, 8, 14, 20. The synthetic route based on nucleophilic addition of RMgBr to a key [6]pericyclynedione ultimately led to both the dialkyl- and reduced mono-alkyl-carbo-benzenes, the reduction process being found suppressed by using a RLi/CeCl3 reactant. A dramatic enhancement of solubility in chlorinated solvents was observed for n = 8. A direct p-p stacking of C18 rings, driven by aliphatic dispersions forces, could be evidenced for the first time in the X-ray crystal structure of the bis-tetradecyl derivative, giving experimental support to the existence of the a-graphityne 3D carbon allotrope (putative carbo-mer of graphite). The fourth chapter describes two trialkoxyarylethynyl-tetraphenyl-carbo-benzenes and the study of the mesogen properties of one of them. A columnar rectangular mesophase, evidenced at 115 oC by DSC, POM and PXRD analyses, opens prospects for a systematic study of related liquid crystals. The 3D lattice constants are consistent with 2D STM images of the carbo-mesogen deposited on HOPG. The fifth chapter reports on three skeletal carbo-mers of bis- and ter-phenyls, devised for their acquaintance with OPP or OPE molecular wires. A carbo-terphenyl was found to exhibit a very low first reduction potential (-0.39 V/SCE), unprecedented in the carbo-mer series. In the last chapter, new types of carbo-mers are exemplified: carbo-barrelenes and carbo-stilbenes. Their preparation relies on the addition of triyne dinucleophiles to either one or two equivalents of a [6]pericyclyne(di)one precursor. In the tricyclic series, two non-macroaromatic carbo-barrelenes and one partially reduced bis-butatrienic derivative, both containing two sp3-C bridgeheads, were found to be sufficiently stable to allow full characterization, including by crystallography. The cage-ability of a carbo-barrelene toward small molecules such as NH4+, albeit not clearly proven yet, was investigated both theoretically and experimentally. The carbo-stilbene product was evidenced as an unseparated mixture of two isomers. In the absence of crystal of suitable quality for crystallography, they were assigned to the cis and trans diastereoisomers on the basis of 1H NMR spectroscopy and DFT calculations.