The last decade has been marked by a large increase of demand for green chemistry processes. Consequently, chemists have focused their efforts on the development of more direct routes toward different classes of targets. In that regard catalysis has played a crucial role at enabling key bond formations that were otherwise inaccessible or very energy and resources consuming. The central theme of this body of work concerns the formation of C–N bonds, either through transition metal catalysis or organocatalysis. These structural units being highly recurrent in biologically active molecules, the establishment of more efficient routes for their construction is indispensable. The first part of this thesis describes a new method for the synthesis of isoquinolines from the oxidative coupling/annulation of alkynes with N-tert-butyl benzaldimines via Rh(III) catalysis (Chapter 2). Preliminary mechanistic investigations of this system pointed to the involvement of Rh(III) in the C–H bond cleavage step as well as in the C–N bond reductive elimination that provides the desired heterocycle. Following this oxidative process, a Rh(III)-catalyzed redox-neutral approach to isoquinolones from the reaction of benzhydroxamic acids with alkynes is presented (Chapter 3). The discovery that an N–O bond contained in the substrate can act as an internal oxidant was found to be very enabling. Indeed, it allowed for milder reaction conditions, broader scope (terminal alkyne and alkene compatible) and low catalyst loadings (0.5 mol%). Mechanistic investigations on this system were also conducted to identify the nature of the C–N bond formation/N–O bond cleavage as well as the rate-determining step. The second part of this work presents mechanistic investigations performed on a recently developed intermolecular hydroamination reaction catalyzed through tethering organocatalysis (Chapter 4). This transformation operates via the reversible covalent attachment of two reactants, a hydroxylamine and an allylamine, to an aldehyde catalyst by the formation of a mixed aminal. This allows a difficult intermolecular Cope-type hydroamination to be performed intramolecularly. The main kinetic parameters associated with this reaction were determined and they allowed the generation of a more accurate catalytic cycle for this transformation. Attempts at developing new families of organocatalysts are also discussed.

Part A: Synthesis of 5- and 6-Membered Camphor-Based Hydrazides as Organocatalysts for Cycloaddition Reactions The favorable environmental and reactivity qualities of organocatalysts are contributing to the popularization of this method for the acceleration of enantioselective reactions. Research in our group has been focused on the synthesis of camphor-derived hydrazide based organocatalysts for enantioselective cycloaddition processes. Recent results suggest that the presence of an exocyclic electron withdrawing group on the hydrazide moiety, as well as the incorporation of the hydrazide moiety into a 6-membered ring, may have a beneficial effect on the kinetics of the catalysts. A variety of camphor-based cyclic hydrazides have been synthesized and tested in Diels-Alder reactions, varying both the ring size and placement of the electron withdrawing group. Part B: Synthesis of Isocampholenic Acids by the Rearrangement of Camphor Derivatives A variety of substituted isocampholenic acid derivatives have been prepared by rearrangement of the camphor skeleton of a variety of tertiary alcohols derived from ketopinic acid. The reaction is highly reliable and retains the stereochemical information from the camphor scaffold. This rearrangement represents an efficient way to prepare synthetically useful isocampholenic acids. Mechanistic experiments show that the rearrangement does not involve exogenous water and that a short-lived carbocation is implicated in the reaction. Part C: Diastereoselective Formation of Quaternary Centers from Stereodefined Trisubstituted Alkenes Previous work in our laboratory has focused on the preparation of single-isomer tri- and tetra-substituted olefins. This methodology has been used in the construction of a variety of alkenyl esters in good to excellent yields. These alkenyl esters could then be transformed into the corresponding 3,3-disubstituted allyl boronates in a stereocontrolled fashion. There are a limited number of methods available to prepare single isomer 3,3-disubstituted allyl boronates, which can be important precursors in the stereoselective preparation of all-carbon quaternary centers. Our methodology has therefore been applied to the construction of single isomer 3,3-disubstituted allyl boronates and subsequently used in the stereoselective generation of all-carbon quaternary centers by the reaction of these allyl boronates with aldehydes.

La récupération et le recyclage des systèmes catalytiques dans la formation de liaisons carbone-carbone reste un défi scientifique important pour des raisons économiques et environnementales. Leur immobilisation sur des polymères insolubles permet une séparation simple par filtration et une purification facile des composés finaux. Les organosilices sont des gels de silice modifiés par des fragments organiques. Elles ont été appliquées comme supports pour une grande variété de catalyseurs. Dans ce travail, différentes organosilices ont été préparées par le procédé sol-gel ou par des méthodes de post-fonctionnalisation. Les matériaux contenant des alkylidènes de ruthénium ont été testés pour des réactions de métathèse d'oléfines, tandis que ceux qui sont dérivés de prolinamides sont des organocatalyseurs chiraux efficaces pour les aldolisations asymétriques (recyclage possible jusqu'à 5 fois). Enfin, on a contrôlé les propriétés morphologiques et texturales des silsesquioxanes pontées en ajustant les conditions de synthèse lors de l'hydrolyse-polycondensation de sels d'imidazolium silylés contenant des fonctions urée. / The recovery and recycling of catalytic systems in carbon – carbon bond forming reactions remains a scientific challenge of economical and environmental relevance. Their immobilization onto insoluble polymers allows a simple separation of the final compounds by filtration and an easy purification. Organosilicas are silica gels modified with organic moieties, which have been applied as versatile supports for a great variety of catalysts. In the present work, several organosilicas have been prepared by sol-gel procedures and post-functionalization methods. Some materials containing ruthenium alkylidenes were successfully tested in olefin metathesis reactions, whereas silica-supported prolinamides resulted in efficient chiral organocatalysts in asymmetric aldolizations (recycling up to 5 runs possible). Finally, the control of the morphologic and textural properties of self-assembled bridged silsesquioxanes was possible by adjusting the synthetic conditions in the hydrolytic polycondensation of silylated imidazolium salts containing urea functions.

Les travaux décrits dans ce manuscrit concernent la synthèse d’oligomères de γ-amino acides hétérocycliques contraints, appelés ATCs (acides 4-Amino-(méthyl)-1,3-Thiazole-5-Carboxyliques), leur application en catalyse énamine et leur étude structurale. Les monomères d’ATC sont construits autour d’un noyau thiazole inséré entre les carbones Cα-Cβ, permettant de limiter la valeur de l’angle dièdre ζ à 0°. La présence de deux points de substitution, sur le carbone γ asymétrique et en position 2 du noyau aromatique, permet une large diversification structurale des ATCs. Ainsi, plusieurs séries d’oligomères ont été synthétisées par couplages peptidiques sur support solide. Une étude structurale de ces oligomères par RMN, IR-TF, cristallographie RX et dichroïsme circulaire a démontré qu’ils adoptaient une structure en helice C9, résultant d’un réseau de liaisons hydrogène de type COi---NHi+2 s’établissant tout au long de la séquence. L’objectif du projet présenté ici vise à étudier l’impact de la conformation des architectures développées, à la fois sur la sélectivité et sur l’induction asymétrique dans la réaction de nitro-Michael pour trois réactifs différents. Le dernier axe de ce travail a été de développer une méthode de modélisation sous contraintes RMN spécifique à la génération de modèles tridimentionel d’oligomères d’ATCs. / The work described in this manuscript is devoted to the synthesis of heterocyclic constrained γ-amino acids, named ATCs (4-Amino-(methyl)-1,3-Thiazole-5-Carboxylic acids), their application in enamine catalysis and their structural study. ATC monomers are built around a thiazole ring providing a conformational limitation around the Cα and Cβ at 0°. The presence of two diversification points both on the γ asymmetric carbon and on the position 2 of the aromatic ring, allows a large structural diversification of the ATCs. Therefore, several oligomers were synthesized using solid phase peptide synthesis. A structural study of these oligomers, employing NMR, FTIR, circular dichroism and crystallography RX, demonstrated that they adopt a C9-right-handed helix stabilized by a hydrogen bond pattern between COi---NHi+2 along the helix. The objective of the project presented in this manuscript was the design and the structural characterization of molecular edifices with predictable folding properties and the systematic study of structure-function relationships in the nitro-Michael addition reaction, for three different substrates. Eventually, the last part of this work focused on the development of a new methodology, specific to ATC-oligomers, to perform 3D-modelling studies using NMR refinement.

Les phosphines jouent un rôle central dans la chimie organique moderne. Dans le domaine de la catalyse, les composés organophosphorés peuvent être appliqués soit en tant qu’organocatalyseurs dans de nombreuses transformations, soit en tant que ligands en catalyse organométallique. Au cours de cette thèse, nous avons utilisé les phosphines dans ces deux applications : en organocatalyse et en catalyse asymétrique à l’or(I). Dans la première partie, nous avons développé une réaction d’addition de Michael/réaction de Wittig intramoléculaire. Nous avons judicieusement choisi la phosphine utilisée ainsi que l’agent réducteur afin de permettre la réduction in situ de l’oxyde de phosphine correspondant. De nombreux dérivés 1,2-dihydroquinolines diversement fonctionnalisés ont pu être isolés avec de bons rendements. Parallèlement à cela, une nouvelle réaction d’oléfination a pu être découverte, donnant accès à des dérivés succinates. Un mécanisme réactionnel a pu être proposé, en se basant notamment sur des expériences de deutération. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au développement de réactions énantiosélectives catalysées par des complexes chiraux d’or(I), et utilisant des substrats énynes. Une première réaction de cyclisation d’énynes-1,5, suivie d’une addition nucléophile a été développée en utilisant des complexes d’or de structure TADDOL-phosphoramidite-AuCl. Ce catalyseur a permis l’obtention de vingt dérivés cyclopentènes avec de bons rendements et des excès énantiomériques atteignant 94% ee. Finalement, des substrats énynes-1,6 correctement substitués ont été utilisés dans une réaction de cyclisation, suivie d’un piégeage intramoléculaire, afin de donner accès à des composés tétracycliques et pentacycliques complexes. Les composés racémiques ont été isolés avec de bons rendements et la version asymétrique a également été développée, par l’utilisation de complexes chiraux d’or(I). / Phosphines play a major role in modern organic chemistry. In the field of catalysis, organophosphorus derivatives can be applied as catalysts in numerous transformations by itself, as organocatalysts, or as ligands in organometallic catalysis. This thesis focused on the application of phosphines both in phosphine organocatalysis and in asymmetric gold(I) catalysis. In the organophosphorus catalysis part, we have developed a phosphine-catalyzed Michael addition/Wittig reaction by using a well-chosen cyclic phosphine catalyst. In this process, silane was used as reducing agent to selectively reduce in situ the phosphine oxide. A series of highly functionalized 1,2-dihydroquinolines were prepared. Besides, a new olefination process was discovered for the synthesis of succinate derivatives. Detailed mechanism research was carried out with H/D exchange experiments. In the asymmetric gold(I) catalysis part, we have developed two new methodologies based on cyclization reactions of 1,n-enyne substrates. A 1,5-enyne cyclization/nucleophilic addition reaction was first developed with an acyclic TADDOL-derived phosphoramidite-Au(I) complex. Twenty examples were carried out with good to excellent yields and up to 94% enantiomeric excess. For the 1,6-enyne cyclization/intramolecular nucleophilic addition sequence, we have synthesized a range of racemic tetracyclic and pentacyclic compounds in high yields. The enantioselective version of this transformation was carried out successfully with both high reactivity and enantioselectivity.

Jusqu’à très récemment, les catalyseurs pour la synthèse asymétrique étaient limités aux enzymes et aux complexes de coordination. Depuis les années 2000, une troisième approche a vu le jour: l’organocatalyse asymétrique. Il est assez surprenant de constater que parmi la multitude de catalyseurs organiques développés chaque année, une minorité d’entre eux seulement est basée sur de nouveaux squelettes chiraux. En effet, l’introduction d’une nouvelle entité chirale pourrait mener à la découverte de nouvelles combinaisons de substrats ainsi qu’à de nouvelles réactions catalytiques hautement stéréosélectives. C’est pourquoi, nous nous sommes proposé de préparer une série de nouveaux catalyseurs organiques bifonctionnels incluant des fonctions thiourées et basée sur le squelette chiral de la base de Tröger.<p>L’accès aux dérivés énantiopures de la base de Tröger reste un défi majeur. C’est pourquoi, nous avons décidé de mettre au point une méthode efficace et prévisible, pour la résolution des analogues de la base de Tröger. Dans la mesure où l’élaboration d’une telle méthode nécessite un grand nombre de molécules, nous avons synthétisé une série de dérivés de la base de Tröger. <p>La condensation d’anilines variablement substituées avec du paraformaldehyde dans de l’acide trifluoroacétique a été étudiée, conduisant à la synthèse d’analogues symétriques de la base de Tröger. L’utilisation de paraformaldehyde n’étant pas compatible avec tous les groupements fonctionnels, d’autres voies de synthèse ont également été explorées. Ainsi, des dérivés amino et cyano ont été préparés par l’intermédiaire de réactions organométalliques. Ensuite, une voie de synthèse menant aux analogues non-symétriques de la base de Tröger a été mise au point. Finalement, une série de dérivés présentant un pont –NCH2CH2N- a été préparée. <p>La résolution de l’ensemble des composés a été systématiquement étudiée par chromatographie sur la phase stationnaire chirale commerciale Whelk O1. Des relations structure vs. énantioséléctivité ont pu être établies permettant de prédire la séparation par notre méthode. Une corrélation entre l’ordre d’élution et la configuration absolue a également pu être mise en évidence.<p>Enfin, l’activité catalytique des dérivés thiourées de la base de Tröger a été évaluée dans la réaction d’addition de Michael de différents dérivés de l’acide malonique au trans-nitrostyrene. Compte tenu de la faible basicité de la base de Tröger, il a été démontré que l’issue de la réaction est fortement dépendante du pKa du nucléophile. De plus, aucune stéréosélectivité n’a pu être mise en évidence dans cette réaction d’addition. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'organocatalyse, et plus particulièrement l'organocatalyse par les phosphines, est devenu au cours de ces dernières décennies un domaine incontournable en chimie organique. De nombreux groupes ont montré le potentiel des phosphines dans diverses transformations chimiques. Par exemple, on peut noter le développement des réactions de Rauhut-Currier, Morita-Baylis-Hillman, d'additions de Michael ou encore de cyclisations. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réactions de cyclisations organocatalysées par les phosphines, pour la synthèse de molécules contenant le squelette spirooxindole. En effet, ce motif est présent dans de nombreux composés bioactifs et naturels. Une réaction de cyclisation [3+2] entre une oléfine activée et un allénoate a ainsi été mise au point, permettant l'accès à une nouvelle famille de spirooxindoles hautement fonctionalisés. Ces composés étant des analogues d'inhibiteurs de l'interaction MDM2-p53, leurs propriétés anticancéreuses ont ensuite été évaluées. Un composé possédant une constante d'inhibition (IC50) de 13 nM, similaire aux inhibiteurs précédemment décrits, a pu être mis en évidence.Lors de l'extension de cette réaction de cylisation [3+2], une nouvelle réactivité a pu être découverte. En effet, l'utilisation d'un allénoate substitué en position gamma par un groupement benzylique a permis de réaliser des cylisations [4+2] et ainsi former une nouvelle famille de spirocyclohexane-oxindoles.Au cours de cette thèse, nous avons également developpé l'utilisation d'une phosphine chirale, portant une chiralité hélicoïdale. Ces phosphahélicènes ont permis de réaliser des réactions de cyclisations [3+2] entre une oléfine et un alléne activé, avec des excès énantiomériques atteignant 97%. Ces cyclisations constituent les premiers exemples en organocatalyse utilisant une phosphine hélicoïdale et illustrent le potentiel des phosphahélicènes en organocatalyse énantiosélective. / This last decades, phosphine organocatalysis became an important field in organic chemistry. Various groups showed the potential of phosphines to promote a lot of reactions. For example, Rauhut-Currier reaction, Morita-Baylis-Hillman reaction, Michael addition or cyclizations can be promoted by phosphines. During this thesis, we were particularly interested by cyclization reactions. Moreover, spirooxindole scaffold being present in many bioactive and natural compounds, we focused our attention on this scaffold. A [3+2] cyclisation methodology between electron poor olefins and allenoates has been developed to have access to a new family of highly functionalized spirooxindoles. These compounds being analogs of well know MDM2-p53 interaction inhibitors, we then evaluated them as anticancer agents. One of these compounds showed an inhibition constant (IC50) of 13 nm, which is similar to inhibitors previously describe. During the scope of the [3+2] cyclization methodology, a new reactivity of allenoate has been discovered. Indeed, allenoates bearing benzyl group on gamma position are able to induce [4+2] cylizations. With this new reactivity in hand, a family of highly susbtituted spirocyclohexane-oxindoles have been synthesized. This manuscript also reports the use of new family of chiral phosphines bearing a helical chirality and named phosphahelicenes. These helical catalysts were able to promote [3+2] cyclizations between electron poor olefins and activated allenes with enantiomeric excesses up to 97%. These cyclizations are the first examples of the use of helical phosphines in organocatalysis with high level of enantioselectivity.

Synthesis of cyclodextrin derivatives for organocatalysis This doctoral thesis examines the preparation of new cyclodextrin (CD) derivatives suitable for organocatalysis. The aim of this work is to prepare monosubstituted and disubstituted CD derivatives as organocatalysts for different types of enantioselective reactions potentially performed in water. In addition, disubstituted CD derivatives require considering the potential mixture of regioisomers and pseudoenantiomers. Thus, this thesis is divided into several sections - preparation of CD precursors and derivatives for organocatalysis, preparation of pure regioisomers and pseudoenantiomers of disubstituted CDs and final application of CD derivatives in enantioselective reactions. Furthermore, this thesis also focuses on the molecular modeling of the prepared CD derivatives and on their catalytic activity in silico. The first section covers the preparation of new disubstituted CD precursors as pure regioisomers for organocatalysts, specifically to develop a new method for the preparation of heterodisubstituted AC regioisomers on the primary rim of α-CD. This section also includes the determination of the regioisomer ratios of common α-CD intermediates disubstituted on the primary rim to evaluate their potential as precursors in organocatalysis....

The thesis has been divided in two chapters: Chapter I describes the preparation of primary-amine monocarbamates from enantiopure trans-cyclohexane-1,2-diamines and their use as chiral organocatalysts in the enantioselective Michael addition reaction of aldehydes and ketones to maleimides, to synthesize enantiomerically enriched substituted succinimides. In the conjugate addition reaction of aldehydes to maleimides in conventional volatile organic solvents, it has been found that these organocatalysts are able to generate both enantiomers of the corresponding succinimide using only one enantiomeric form of the catalyst, just by changing the polarity of the solvent. Theoretical calculations justify the mechanism through which this inversion of enantioinduction occurred. In addition, these organocatalysts were used in the enantioselective Michael addition reaction of aldehydes to maleimides, using Deep Eutectic Solvents (DES) as recyclable and environmentally sustainable reaction medium, yielding the corresponding succinimides with excellent yields and high enantioselectivities (up to 94%). The succinimides can be extracted from the DES, which retains the chiral organocatalyst, allowing to reuse both solvent and catalyst. Moreover, the conjugate addition of ketones to maleimides using conventional solvents, allows obtaining the corresponding succinimides with excellent yields but with moderate enantioselectivities (up to 66%). Chapter II shows the results obtained in the enantioselective Michael addition reaction of aldehydes and ketones to nitroalkenes, using the former trans-cyclohexane-1,2-diamine-derived aminocarbamates as chiral organocatalysts, obtaining enantioenriched γ-nitrocarbonyl compounds. In the conjugate addition of isobutyraldehyde to nitroalkenes, the corresponding γ-nitroaldehydes were obtained with enantioselectivities up to 84%. In addition, the enantioselective conjugate addition reaction of ketones to nitroalkenes allowed to obtain interesting γ-nitroketones with high enantioselectivities (up to 96%). Theoretical calculations justify the mechanism involved during this enantioselective process.

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la préparation de nouveaux catalyseurs dérivés de la pyridine. En utilisant l’échelle de réactivité de Mayr, nous avons également cherché à quantifier l’effet d’un transfert de charge sur la nucléophilicité d’une pyridine. De plus, à travers un volet de trois méthodologies, nous avons étudiés leur activité en organocatalyse en tant que catalyseur sur des composés de natures très différentes (nitroalcènes, β-lactames et furan-2,3-diones). Enfin, dans un autre registre, nous avons développé la synthèse de nouvelles cages organiques chirales et fonctionnalisées parformation de liaisons imines réversibles. Nous avons également évalué leurs performances entant que cryptants. / During my PhD, we were interestedin the synthesis of new organocatalystsderivated from pyridine. Then, we tried toquantify a charge transfer effect towardpyridine nucleophilicity using a physicalorganic chemistry tool: the Mayr’s RelativityScale. Moreover, we also evaluated theircatalytic activity through three variousmethodologies involving different kind ofcompounds: nitroalkenes, β-lactams and furan-2,3-diones.To finish, we developed a straightforwardsynthesis of chiral, tunable and functionnalizedorganic cage compounds by imine reversiblebond formation. We also evaluated theirperformances as cryptands.