Since 2000 the organocatalytic synthesis has developed massively in a third pillar of asymmetric synthesis standing next to catalysis with metal complexes and enzymatic catalysis. Organocatalysts, due to their various activation modes which could be combined in domino reactions, offer a way for a synthesis of complex molecules from a simple starting material. This thesis deals with investigation of usage of chiral secondary amines as catalysts for asymmetric synthesis of cyclic compounds. The main part of research was devoted to development of organocatalytic method leading to synthesis of enantiomerically pure cyclopentanecarbaldehydes and nitrocyclopentanecarbaldehydes. We focused also on the organocatalytic preparation of cyclohexanecarbaldehydes. During this work we developed an asymmetric domino Michael addition/α- substitution reaction of 2-(2-bromoethyl)malonates resp. 1-bromo-3-nitropropane with various enals catalyzed by chiral secondary amine. In the first case cyclopentanecarbaldehydes were formed where two chiral centres were created. In second case nitrocyclopentanecarbaldehydes were formed where three chiral centres were created. Yields of such developed reaction protocol reach up to 74 % and the reaction proceeds with excellent diastereo- and enantioselectivity (up to 19:1 d.r. and...

This thesis deals with an enantioselective synthesis of cyclic compounds by using a combination of organocatalysis and transition metal catalysis. The thesis deals mainly with usage of aminocatalyst for activation of aldehydes and copper catalyst for activation of terminal triple bond. The first part is focused on the preparation of starting compounds for cyclizations (α-oxoesters, α- substituted nitroalkanes and α-substituted aldehydes). The second part concerns carbocyclization itself and optimization of reaction conditions to achieve highly stereoselective reaction. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Il a été montré que les organocatalyseurs donneurs ou accepteurs de liaison hydrogène permettent de promouvoir de nombreuses transformations chimiques. Dans le domaine des réactions de polymérisations organocatalysées (notamment les polymérisations par ouverture de cycle, ROP), des dérivés de thiourée, les hexafluoro-alcools, les amidines ont déjà été décrits comme catalyseurs supramoléculaires de la polymérisation des esters cycliques. Nous avons développé un nouveau système catalytique basé sur l’activation par liaison hydrogène du monomère d’une part, de l’amorceur et la chaîne en croissance d’autre part. Ce nouveau couple de catalyseurs met en jeu des dérivés du phénol ou des ammoniums (donneurs de liaisons hydrogène) associés à des amines tertiaires ou amidine (accepteurs de liaisons hydrogène). Grâce au caractère vivant de la polymérisation, les polymères créés ont une masse molaire contrôlée et une dispersité étroite. / It has been shown that hydrogen-bonding (donor or acceptor) organocatalysts can promote different chemical transformations. In organocatalysed polymerizations (including Ring opening polymerization, ROP), several H-bonding compounds such as thiourea derivatives, hexafluoro alcohols, or amidines proved to be effective in the polymerization of cyclic esters. We developed a new catalytic system based on the activation through hydrogen bond of the monomer, initiator and growing chain. These new catalysts involve phenol derivatives or ammoniums (hydrogen bond donors) associated to tertiary amines or amidine (hydrogen bond acceptors). Due to the living character of the polymerization, synthesized polyesters controlled molar masses and narrow dispersities.

Les nucléolipides sont des molécules hybrides amphiphiles de faible poids moléculaire composées de deux parties liées de façon covalente : la première est un acide nucléique, un nucléotide, un nucléoside ou une nucléobase et la seconde un lipide. En combinant les propriétés physicochimiques de deux des biomolécules parmi les plus représentées dans le vivant, les nucléolipides présentent la capacité à former des auto-assemblages supramoléculaires d’intérêt pour la conception de biomatériaux. L'étude des capacités d’auto-assemblage des GlycoNucléoLipides, qui possèdent un lien aromatique de type triazole, a démontré que la nature du lien covalent qui unit les deux parties du nucléolipide a un effet déterminant sur l’assemblage. Ce travail a porté sur l'utilisation et le développement d'une réaction de Stetter, organocatalysée par des carbènes N-hétérocycliques et bioinspirée, pour obtenir un lien de type dicétone-1,4 entre la thymidine et différents lipides. Ce motif, précurseur de cycles hétéroaromatiques, a notamment conduit à la formation de liens de type pyrrole par une réaction de type Paal-Knorr. Les propriétés gélatrices de ces nucléolipides originaux ont été comparées à celles de ceux portant un motif triazole. Parmi les nucléolipides obtenus, un composé particulièrement lipophile, porteur du lien 1,4- dicétone, a montré la capacité de former un gel dans des huiles (soit un oléogel). Une étude structurepropriétés a été effectuée pour comprendre le rôle de chaque partie de la molécule. Ce type de formulation présentant un intérêt tout particulier pour le développement de systèmes de délivrance contrôlée de substances actives lipophiles, les propriétés physicochimiques de cet oléogel ont par ailleurs été étudiées. La réaction de Stetter présentant la plupart des caractéristiques d'une réaction dite de "chimie click", des conditions de réaction plus éco-compatibles et adaptées à la fonctionnalisation d’autres biomolécules ont ensuite été développées en milieu aqueux. / Nucleolipids are hybrid amphiphilic low molecular weight molecules composed of two parts covalently linked: the first one being a nucleic acid, a nucleotide, a nucleoside or a nucleobase and the second a lipid. Combining the physico-chemical properties of two of the most widespread biomolecules, nucleolipids are capable of self-assemble as supramolecular structures of interest for application in the field of biomaterials. The study of the self-assembling properties of GlycoNucleoLipids, bearing a triazole moiety as a linker, demonstrated the crucial influence of the nature of the covalent linker bringing together the two parts of the nucleolipid onto the self-assembly. In this work, the synthesis of nucleolipids bearing a 1,4-diketone linker between thymidine and various lipids via the bioinspired and N-Heterocyclic Carbene organocatalyzed Stetter reaction is described. As an heteroaromatic cycle precursor, this moiety led to the formation of pyrrole skeletons via the classical Paal-Knorr reaction. The gelating properties of these original nucleolipids were evaluated and compared with the ones bearing a triazole link. Among these original synthetic nucleolipids, a lipophilic compound bearing a 1,4-diketone link exhibited the ability to form gels in oils (i.e. oleogels). A structure-properties study was realized to understand the role of each part of the molecule. This type of formulation being of particular interest for the development of lipophilic drug delivery systems, the physico-chemical properties of the oleogel were also extensively studied. The Stetter reaction exhibiting most of the « click chemistry » characteristics, eco-friendly reaction conditions were developed in aqueous media and applied to other biomolecules conjugation.

Cette thèse a pour but la synthèse de nouveaux polymères par polymérisation anionique et organo-catalyse de polymérisation par activation du monomère. Ce sujet s’articule autour de deux axes majeurs : 1) La synthèse de nouveaux polyamides par activation d’amines aromatiques ou de dérivés acrylamides 2) L’étude de l’ouverture de cycle d’aziridines activées catalysée par les carbènes N-heterocycliques. Le but de cette thèse est donc d’étudier les mécanismes mis en jeu lors de ces polymérisations. Les polymères obtenus seront caractérisés par les méthodes d’analyses classiques (RMN, chromatographie par exclusion stérique, analyses thermiques, spectrométrie de masse, etc.) / In this thesis, the ring-opening polymerization by a monomer activation strategy of heterocyclic monomers such as lactams and aziridines was investigated. In the first part, we described that covalently activated aziridines, i.e. N-sulfonyl aziridines, could be subjected to the N-heterocyclic carbene organocatalyzed ring-opening polymerization (NHC-OROP) in a living/controlled manner. Secondary activated amine, non-activated secondary amine as well as functional initiators were used to promote the ring-opening polymerization of N-activated aziridines. The high tolerance to various chemical functions and the high level of control of the so-called NHC-OROP have allowed the synthesis of well-defined and original aziridine-based block copolymers. On the other hand, the simultaneous combination of anionic ring-opening of ε-caprolactam and condensation reactions of aminobenzoate derivatives was shown to occur in a « one-step » bulk copolymerization allowing the preparation of aliphatic-aromatic copolyamides with enhanced thermal properties (including the glass transition temperature). Alternatively, other methodologies such as covalent activation of lactams with electron withdrawing group or the hydrogen transfer polymerization of acrylamide derivatives were investigated for the synthesis of new polyamides.

Les émissions de dioxyde de carbone n'ont de cesse d'augmenter avec l'exploitation massive des hydrocarbures pour la production d'énergie et de composés chimiques. Dans ce contexte, le développement d'une économie permettant de limiter l'impact écologique de notre mode de vie actuel se fait de plus en plus pressant et l'utilisation du CO2 comme matière première carbonée constitue une alternative attrayante aux ressources fossiles pour la production de consommables chimiques. Ces travaux de thèse ont porté sur le développement de nouvelles transformations catalytiques du CO2 selon une nouvelle approche, dite diagonale. Cette stratégie permet d'accéder à des produits à hautes valeurs énergétiques et commerciales tels que les formamides ou les hétérocycles azotés. La maîtrise énergétique dans ces réactions est assurée par l'utilisation de réducteurs doux comme les hydrosilanes et les hydroboranes. Ces nouveaux procédés sont accélérés par des catalyseurs organiques ; ils permettent ainsi de contourner les problèmes de coût, d'abondance et de toxicité habituellement rencontrés avec les catalyseurs métalliques. À travers des études théoriques et expérimentales, la compréhension des mécanismes réactionnels intervenant dans ces réactions a permis d'optimiser au mieux les conditions réactionnelles et les performances des catalyseurs employés afin de répondre aux exigences de la chimie durable. / Emissions of carbon dioxide are growing with the massive utilization of hydrocarbons for the production of energy and chemicals, resulting in a threatening global warming. The development of a more sustainable economy is urging to reduce the fingerprint of our current way of life. In this perspective, the organic chemistry industry will face important challenges in the next decades to replace hydrocarbons as a feedstock and use carbon-free energy sources. To tackle this challenge, new catalytic processes have been designed to convert CO2 to high energy and value-added chemicals (formamides, N-heterocycles and methanol), using a novel diagonal approach. The energy efficiency of the new transformations is ensured by the utilization of mild reductants such as hydrosilanes and hydroboranes. Importantly the reactions are promoted by organic catalysts, which circumvent the problems of cost, abundance and toxicity usually encountered with metal complexes. Based on theoretical and experimental studies, the understanding of the mechanisms involved in these reactions allowed the rational optimization of the catalysts as well as the reaction conditions, in order to match the requirements of sustainable chemistry.

Depuis de nombreuses années, les phosphines chirales multifonctionnelles se sont révélées être des outils synthétiques puissants en organocatalyse asymétrique. Ces catalyseurs qui contiennent un site de base de Lewis et un site d'acide de Bronsted, ont reçu une attention particulière en raison de leur efficacité pour créer des liaisons C-C avec de très bonnes énantiosélectivités. A notre connaissance, la synthèse d'organocatalyseurs de type thiourée-phosphine dérivés de la (L)-proline n'a jamais été décrite dans la littérature. Ce sujet de thèse concerne la synthèse d'une nouvelle famille d'organocatalyseur chiral de type thiourée-phosphine dérivée de (L)-proline, un produit naturel, disponible et peu coûteux. Nous avons mis au point plusieurs méthodes de synthèse efficaces qui nous ont permis de préparer trois familles de phosphines-thiourées à partir de la (L)- proline. Ainsi, sept nouveaux composés énantiopurs ont été préparés au cours de ce travail. Ces composés ont été utilisés comme catalyseurs dans des réactions asymétriques catalysées par des phosphines. Ces réactions incluent la cyclisation [3+2], la réaction de Baylis-Hillman, la réaction de Friedel-Crafts, la réaction de substitution nucléophile. / For many years, multifunctional chiral phosphines have proven to be powerful synthetic tools in asymmetric organocatalysis. These catalysts, containing Lewis basic and Brnsted acidic sites, have received considerable attention owing to their highly efficiency to create C-C bond by asymmetric organocatalysis. To our knowledge, the synthesis of organocatalysts type thiourea-phosphine derivatives (L) -proline have never been described in the literature. In this work, we wish to report the synthesis of new family of bifunctional chiral thiourea-phosphine organocatalyst derived from L-proline, a natural available product. We developed efficient methods to prepare three families of phosphine thiourea derived from L-proline. Thus, Seven new enantiopure compounds were synthesized in this study. They were used as catalyst asymmetric reaction catalyzed by phosphines: [3+2] cyclisation, Baylis-Hillman reaction, Friedel-Crafts reaction and nucleophilic substitution.

Les ressources carbonées fossiles (pétrole, charbon, gaz) couvrent 85 % des besoins énergétiques mondiaux et servent de matières premières pour 95 % des consommables chimiques organiques (plastiques, engrais, pesticides…). L’amenuisement des ressources pétrolières et l’accumulation du CO2 résultant de leur utilisation posent donc un problème écologique, énergétique et de disponibilité en matières premières pour l’industrie chimique. Dans ce contexte, il convient de proposer de nouvelles voies de synthèse de consommables chimiques, de manière à construire une industrie durable basée sur l’utilisation de ressources carbonées renouvelables. Contourner la pétrochimie et valoriser au maximum son déchet carboné, le CO2, pour construire des édifices moléculaires sans vocation énergétique (polymères, engrais, textiles synthétiques…) représente donc un enjeu scientifique de premier plan. Dans cet optique, de nouveaux procédés de synthèse de molécules azotées ont été mis au point à partir de CO2 comme source de carbone, d’amines comme source d’azote et de réducteurs doux de type hydrosilanes et hydroboranes comme source d’hydrogène. Ces procédés sont accélérés par l’utilisation de catalyseurs sans métaux et permettent de produire des formamides, des formamidines, des aminals et des méthylamines, qui constituent des molécules de bases de l’industrie chimique. / The fossil carbon resources (oil, coal, gas) cover 85% of world energy portfolio and serve as raw materials for 95% of organic chemicals consumables (plastics, fertilizers, pesticides...). The decrease of oil resources and the accumulation of CO2 arising from their use thus pose environmental, energetic and availability of raw materials problems for the chemical industry. In this context, it is appropriate to propose new methods of chemical synthesis to build a sustainable industry based on the use of renewable carbon resources. Bypassing petrochemicals and valorize its carbon waste, CO2, to build molecular structures without energy purposes (polymers, fertilizers, synthetic textiles ...) represents a leading scientific challenge. From this perspective, new nitrogen molecules synthetic processes have been developed from CO2 as a carbon source, amines as nitrogen source and mild reductant such as hydrosilanes and hydroboranes as a hydrogen source. These processes are accelerated by the use of metal-free catalysts and enable the production of formamides, formamidines, aminals and methylamines, which are basic molecules of the chemical industry.

L’objectif de ce projet a été d’explorer les limites et les possibilités d’une réaction tandem photochimique, composée d’une cycloaddition [2+2] entre des cyclopentenones et des alcènes, suivie d’une Norrish I/transfert du γ-hydrogen si l’adduit bicyclique se forme.En utilisant des procédures de la littérature, une petite bibliothèque de cyclopentenones fut préparée. Le developpement de méthodes permettant l’accès à des cyclopentenones substituées, par des réactions d’aldolisation organocatalysées, fut explorée sans succès.Des études photochimiques menées sur une selection de cyclopentenones et d’alcènes ont montré qu’ils pouvaient réagir ensemble pour fournir des cyclobutène aldehydes avec des moyens à bons rendements. Les conditions réactionnelles furent optimisées pour la formation de ce composé et quelques unes des limites en termes de susbtrat furent déterminées. Dans certains cas, un problème de régiosélectivité de la réaction de Norrish I furent constatés. Durant le cette étude, il fut découvert que certains de ces cyclobutène aldéhydes pouvaient eux-mêmes réagir photochimiquement par une réaction de Paternò–Büchi intramoléculaire pour mener à des oxétanes tricycliques totalement inédits. Ceci représente une séquence one-pot de trois réactions photochimiques entre la cyclopentenone de départ et l’alcène. Les conditions opératoires furent optimisées pour cette transformation et plusieurs exemples furent préparés. La structure centrale tricyclique fut étudiée en détail, en solution et dans l’état solide, montrant que la formation de ces oxétanes était hautement diastéréoselective dans certains exemples. Certaines limitations, découlant de gène stérique et/ou l’utilisation d’alcènes électroniquement riches, constituent une limite à la portée de cette réaction. / The aim of this project was to explore the scope and limitations of a tandem photochemical process, consisting of a [2+2] cycloaddition between cyclopentenones and alkenes followed by a Norrish I/γ-hydrogen transfer reaction if the initial bicyclic adduct is formed. Using standard synthetic procedures, a small library of cyclopentenone substrates was prepared. The development of new methods to access substituted cyclopentenones, using organocatalyzed aldolisation conditions, was considered; however, these efforts were unfruitful.The photochemical studies showed that a selection of cyclopentenones and alkenes could react together to furnish cyclobutene aldehydes with average to good yields. The reaction conditions were optimized for the formation of this specific compound type, and some of the limitations as regards substrate diversity were determined. In some cases, control of the regioselectivity of the Norrish-I process was problematic.In course of the study, it was discovered that some of these cyclobutene aldehydes could themselves react photochemically, via an intramolecular Paternò–Büchi reaction, to form hitherto unknown tricyclic oxetanes. This constitutes a one-pot triple photochemical reaction sequence between the starting cyclopenenones and alkenes. Conditions were optimized for this transformation and several examples prepared. The tricyclic core structure was studied in detail, in both solution and the solid state, revealing that the formation had been highly diastereoselective in some examples. Some limitations, arising from steric hindrance and/or use of electron rich alkenes, constituted a limitation of the scope of the process. / Questo progetto ѐ nato con l’obiettivo di sviluppare un processo tandem fotochimico, costituito da una cicloaddizione [2+2] tra olefine e substrati ciclopentenonici, seguita da una reazione di Norrish-I / trasferimento di γ-idrogeno sul prodotto biciclico ottenuto. Usando procedure standard, ѐ stata preparata una libreria di substrati ciclopentenonici da testare in questo processo. Lo studio di nuove metodologie organocatalitiche per la sintesi di tali substrati ѐ stato inoltre intrapreso, sfortunatamente senza buoni risultati.Lo studio di questo processo ha mostrato come una serie di ciclopentenoni sia effettivamente in grado di reagire con doppi legami olefinici, portando alla formazione di derivati aldeidici ciclobutenici, con discrete o buone rese. Le condizioni di reazione sono state ottimizzate per la formazione di questa classe di composti, e alcune limitazioni relative alla struttura del substrato sono emerse da questi studi. In alcuni casi, infatti, il controllo della regioselettività della reazione di Norrish-I si ѐ rivelato problematico.Durante tale studio, ѐ apparso che alcune delle aldeidi ciclobuteniche ottenute si sono rivelate in grado di reagire ulteriormente in condizioni fotochimiche, attraverso una reazione di Paternò–Büchi intramolecolare, portando alla formazione di ossetani triciclici finora sconosciuti. Ciò costituisce in ultima analisi un triplo processo fotochimico one-pot a partire da ciclopentenoni e alcheni. Anche le condizioni di reazione per questa sequenza sono state ottimizzate e alcuni esempi sono stati preparati e isolati. La struttura triciclica di questi nuovi composti e stata caratterizzata nel dettaglio, sia in soluzione che allo stato solido, rivelando un’elevata diastereoselettività in diversi casi. La presenza di gruppi stericamente ingombranti, o l’uso di olefine elettronricche, si sono dimostrati tuttavia una limitazione alla sintesi di queste interessanti strutture.

The development of enantioselective reaction methodology has been at the forefront of research in both academic and industrial research laboratories due to the importance of chiral molecules in biological systems. An emerging area of research in the development of enantioselective reaction methodology has been the development of organocatalytic reactions. Organocatalysis, the use of small, chiral organic molecules as catalysts, has the advantage over traditional Lewis acid catalysis in that the reactions in general produce less toxic by-products. One recent breakthrough in the development of enantioselective methodology has been the development of chiral phosphoric acids as organocatalysts. Chiral phosphoric acids have been shown to be excellent catalysts for a wide variety of reactions. In this thesis chiral phosphoric acid-catalyzed enantioselective reaction methodologies have been developed for the addition of sulfonamides and indoles to imines. The development of Bronsted acid-catalyzed amidation of imines allows for an expedient route for the synthesis of N,N-aminals, which have been incorporated into a wide variety of biologically active compounds. Initial studies were undertaken to determine the practicality of a Bronsted acid-catalyzed method for the addition of amides to N-Boc protected imines. Over 20 achiral Bronsted acids were screened, and it was found that phenylphosphinic acid and trifluoromethanesulfinimide were both excellent catalysts for the addition of amides to a variety of imines giving the respective products in excellent yield. The methodology was extended to the development of an enantioselective method for the addition of sulfonamides to imines. It was found that a chiral phosphoric acid derived from the VAPOL ligand was suitable for this purpose. The developed methodology is capable of tolerating a wide variety of functional groups allowing for the preparation of the N, N-aminal products in excellent yield and enantioselectivities. An enantioselective phosphoric acid-catalyzed aza-Friedel-Crafts reaction between N-benzylindoles derivatives and N-benzoyl protected imines has been developed. A catalyst derived from the BINOL backbone was found to be the optimum catalyst for the enantioselective transformation. The developed methodology was capable of tolerating a wide variety of functional groups and provides an expedient route for the synthesis of chiral 3-indolylmethanamines.