La grande majorité des sucres existe sous forme de glycanes. Ces polysaccharides ou glycoconjugués se composent d'unités monosaccharidiques assemblées par des liaisons covalentes qui sont formées à l'issue de la réaction de glycosylation. Bien qu'abondamment utilisée en synthèse organique, certains détails du mécanisme de cette réaction, qui trouve de nombreuses applications dans le domaine de la santé et des matériaux, restent encore à élucider.En particulier, la mise en évidence d'intermédiaires réactionnels de la glycosylation tels que le cation glycosyle ou ion glycosyl oxocarbénium, une espèce chimique théorique généralement invoquée dans le mécanisme, constitue un enjeu essentiel pour élucider ce mécanisme de cette réaction à l'échelle atomique permettant d'améliorer par la suite l'efficacité de cette réaction pour la synthèse d'oligosaccharides et/ou de glycoconjugués. Plusieurs équipes dans le monde ont tenté de mettre en évidence et d'étudier ces intermédiaires ioniques en utilisant différentes approches mais la durée de vie estimée de ces espèces de l'ordre de la picoseconde a, à ce jour, rendu leur observation expérimentale impossible.Ce travail de thèse a consisté à développer une nouvelle approche qui repose sur la combinaison de deux chimies, la glycochimie et la chimie superacide, et l'utilisation de deux techniques d'analyse, la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) in situ à basse température et les calculs théoriques afin de générer, identifier et caractériser les cations glycosyles. Après avoir synthétisé une série de donneurs de glycosyle protégés, ces derniers ont été traités en milieu superacide de type HF/SbF5. A partir du B-D-glucose et de la B-D-glucosamine, les ions dioxalénium et oxazolinium correspondants ont été obtenus, caractérisés et leur conformation élucidée. Afin d'accéder au cation glycosyle tant recherché, les dérivés 2-déoxy et 2-bromo du D-glucopyranose ont été préparés et soumis aux conditions superacides pour fournir pour la première fois l'ion oxocarbénium. La qualité des spectres RMN obtenus pour chaque espèce combinée aux calculs théoriques ont permis d'identifier et d'étudier en détail les conformations privilégiées de ces ions. Enfin le piégeage de ces ions par des nucléophiles faibles a également permis de confirmer l'impact de la structure de l'ion oxocarbénium sur l'orientation de la liaison anomérique générée. / A vast majority of biologically and therapeutically active carbohydrates exist as glycans (polysaccharides or complex glycoconjugates) in which monosaccharide units are joined via the glycosylation reaction. But surprisingly the details of the glycosidic bond formation remain relatively poorly understood.Thus, highlighting this ion is a challenging task that could be useful to rationalize the stereochemical outcome of glycosylation reactions. Furthermore, the data associated with this ion could be exploited to improve the synthesis of oligosaccharides and glycoconjugates. Several research groups mainly based in the US and Japan are involved in the quest for the oxycarbenium ion using various approaches. In addition, the exceedingly short life of non-stabilized glycosyl cations in organic solution makes their delicate direct observation.The aim of the project presented in this report is based on the use two chemistries: glycochemistry and superacid and two analytical techniques by low-temperature NMR assisted by computational study to generate, identify and fully characterize the glycosyl cations. After generating transient species in superacid media, the long-lived intermediates as the known dioxalenium and oxazolinium ions are studied by in situ NMR. From peracetylated 2-deoxy and 2-bromoglucopyranose, the glycosyl cation is generated and deeply analysed for the first time in a condensed phase. NMR aided by complementary computations predicts the privileged three-dimensional structural for each intermediate. The trapping by even poor nucleophile further confirms the impact of the structure of the glycosyl cation on the stereochemical outcome.

L’effet isotopique cinétique (KIE) est un outil puissant pour obtenir un aperçu sur le mécanisme d'une grande variété réactions. Nous avons observé différentes mesures de l’effet isotopique cinétique primaire du 13C pour la formation des α-, et β-mannopyranosides et des α- et β-glucopyranosides, en partant du sulfoxyde de glycosyle protégé par le groupement 4,6-O-benzylidène, par la spectroscopie RMN à ultrahaut champ (13C à 200 MHz et 1H à 800 MHz). Nous avons aussi calculé les KIE pour ces réactions en collaboration avec le Prof. Pratt à l'Université d'Ottawa. Les valeurs expérimentale et calculée (B3LYP / 6-31G (d, p) avec un modèle de continuum polarisable) sont en bon accord sauf pour l’α-mannopyranoside. Trois cas (-mannopyanoside,  et -glucopyranosides) parmi les quatre ont montré un caractère “SN2-like“, mais la formation de l'-mannopyranoside suggère fortement un mécanisme dissociatif (SN1). Une telle différence de mécanisme nécessite une authentification par des mesures cinétiques. Nous avons ensuite porté notre attention sur le développement d'une réaction intramoléculaire, comme horloge intramoléculaire, afin d’évaluer la cinétique relative des réactions de glycosylation. La formation des produits tricycliques fournit une grande évidence de l'existence d'un ion mannosyloxocarbénium comme un intermédiaire transitoire. Les réactions de compétition avec de l'isopropanol et du méthallyltriméthylsilane sont interprétées comme indiquant que la β-O-mannosylation passe par un mécanisme associatif (SN2-like), tandis que l’α-O-mannosylation et le β-C-mannosylation sont dissociative (SN1-like). Ceci est en plein accord avec nos résultats expérimentaux sur l’effet isotopique cinétique. Cette approche de la détermination de la cinétique relative des réactions de glycosylation est une méthode directe et est potentiellement applicable à une large variété de donneurs de glycosyle. / Kinetic isotopic effects (KIEs) are powerful tools to obtain insight into the mechanism of a great range of reactions. We demonstrated differing primary 13C kinetic isotope effect (KIE) measurements for the formation of α-, β-mannopyranosides and α-, β-glucopyranosides from the 4,6-O-benzylidene protected mannosyl and glucosyl sulfoxides by NMR (13C at 200 MHz and 1H at 800 MHz). We have also calculated the KIEs in collaboration with the Pratt group at the University of Ottawa for these reactions. Experimental and calculated (B3LYP/ 6-31G (d,p) values with a polarizable continuum model) were in good agreement, except for the -mannopyranoside. Three of (-mannpyanoside and the -, -glupyranosides) four cases showed a SN2-like character. The formation of the -mannopyranoside on the other hand suggests a strongly dissociative mechanism (SN1). Such a difference in mechanism necessarily demands authentication by kinetic measurements. We turned then our attention to the development of an intramolecular clock reaction with which to probe the relative kinetics of glycosylation reactions and to the formation of the tricyclic products that provides strong evidence for the existence of a mannosyl oxocarbenium ion as a transient intermediate. Competition reactions with isopropanol and trimethylmethallylsilane are interpreted as indicating β-O-mannosylation to proceed via an associative SN2-like mechanism, whereas α-O-mannosylation and β-C-mannosylation are dissociative and SN1-like. This is in full agreement with our experimental KIE results. This approach to the determination of relative kinetics of glycosylation reactions, is straightforward and is potentially applicable to a broad range of glycosyl donors.

La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'inhibition des glycosidases. Ces enzymes sont impliquées dans de très nombreux processus biologiques et, par voie de conséquence, dans de nombreuses maladies (diabète, cancer, maldadies lysosomales etc…). Outre l'intérêt de développer de nouveaux médicaments, les glycosides hydrolases font aussi figure de cibles de choix pour étudier les itinéraires conformationnels au cours de l'hydrolyse de la liaison glycosidique et en particulier au niveau de l'état de transition. La mise en parallèle de l'importance de l'orientation des liaisons C2-O2 et C3-O3 dans la stéréosélectivité des réactions de b-mannopyranosylation dirigées par les groupements 4,6-O-benzylidène, avec le rôle des interactions avec la liaison C3-O3 dans la catalyse enzymatique pour les b-mannosidases, nous a conduits à nous intéresser au développement de nouveaux glycoimidazoles, potentiellement inhibiteurs de ces enzymes. Nous nous sommes attachés à développer ce type de molécules car ils sont considérés, à l'heure actuelle, comme les meilleurs mimes de l'état de transition. La catalyse par les b-mannosidases passerait par un état de transition de type B2,5. Ce chemin conformationnel semble inhabituel mais serait le plus approprié au développement du caractère de double liaison entre le carbone anomérique et l'oxygène endocyclique ainsi qu'à la charge positive lorsque le système est proche de l'état de transition. De plus, il semblerait que la conformation B2,5 soit aussi privilégiée pour les a-mannosidases, ce qui renforce l'intérêt thérapeutique de synthétiser de nouveaux inhibiteurs de glycosidases. La stratégie de synthèse s'appuie sur des travaux de Vasella. Elle repose sur la construction du squelette bicyclique des tétrahydroimidazopyridines, via une réaction de cyclisation intramoléculaire d'oxoéthylamidines intermédiaires, qui permet d'obtenir de nouveaux glycoimidazoles en une quinzaine d'étapes. Dans la seconde partie, sont exposés les travaux concernant la préparation et l'utilisation en synthèse de glutaconaldéhydes oxydés en position 2 et de N-acylaminopentadiènals. Après avoir rappelé l'importance des glutaconaldéhydes et des aminopentadiènals dans les hypothèses de biogenèse des alcaloïdes marins de la famille des manzamines, nous avons vu que ces espèces pouvaient être considérés comme des intermédiaires possibles pour la synthèse d'alcaloïdes marins de la famille des pyrrole-2-aminoimidazoles (P-2-AI). La nouvelle méthode de préparation des sels de glutaconaldéhydes nous a permis de synthétiser un glutaconaldéhyde oxydé en position 2 et de commencer à étudier la réactivité des 2-alkoxy-N-acylaminopentadiènals. Le dernier chapitre de cette partie traite d'une méthode de préparation de N-acyl-5-aminopenta-2,4-diènals via l'ouverture de furfurylamines N-acylées développée en parallèle avec les travaux précédemment cités. / The first part of this manuscript is dedicated to glycosidase inhibition. Because enzyme-catalyzed carbohydrate hydrolysis is a biologically widespread process, glycosidase inhibitors have many potential applications as therapeutic agents. Glycosidase inhibitors are extremely useful probes to understand vital functions of glycosidases in living systems. They are also interesting tools to study mechanisms involved in the hydrolysis by different glycosidase families and to understand conformational pathways more particularly close to the transition state of the reaction. In parallel with the importance of the orientation of C2-O2 and C3-O3 bonds for the stereoselectivity of 4,6-O-benzylidene-directed b-mannopyranosylation, the role of interactions with C3-O3 bond during enzymatic hydrolysis for b-mannosidases prompted us to develop new glycoimidazoles, potential glycosidases inhibitors. Nowadays, glycoimidazoles are considered as the best transition state mimics; that is why we were interested in these molecules. Enzyme inhibition through mimicry of the transition state is indeed a major area for the design of new therapeutic agents. The enzymatic catalysis for b-mannosidases appears to use an unusual B2,5 conformational pathway for a better accommodation of the double bond character and the positive charge on the pyranose ring close to the transition state. There is now strong support for a similar pathway for a-mannosidases. Golgi a-mannosidases are involved in cancer metastasis and this strengthens the interest of developing new glycosidases inhibitors. Our strategy leaned on Vasella's work with the construction of a tetrahydroimidazopyridine bicyclic skeleton, via an intramolecular oxoethylamidine cyclization. It allowed us to prepare new glycoimidazoles in about fifteen steps. These compounds are modified in position 3 compared to those reported in the literature. They are expected to adopt a B2,5 conformation which would allow us to get better transition state mimics than those actually known for -mannosidases. In the second part, we discuss the preparation and use of oxidized glutaconaldehydes and N-acylaminopentadienals in organic synthesis. After reminding of the importance of glutaconaldehydes and aminopentadienals in the biosynthetic scenario of manzamine alkaloids, we will see that these species are possible intermediates in the synthesis of pyrrole-2-aminoimidazoles (P-2-AI), a marine alkaloids family. A practical method to access glutaconaldehydes allowed us to prepare these species oxidized in position 2 and to begin a study of the reactivity of 2-alkoxy-N-acylaminopentadienals. Finally, in the last chapter, a new access to N-acyl-5-aminopenta-2,4-dienals through base-induced ring-opening of N-acylated furfurylamines is reported.

Les β-lactones étant présentes dans de nombreux composés naturels biologiquement actifs, cette famille de molécules a été intensivement étudiée aussi bien d’un point de vue structural que pour leur réactivité, contrairement aux β-thiolactones. Afin d’établir un parallèle entre ces deux familles, nous avons étudié leur stabilité thermique en comparant les vitesses d’extrusion de CO2 et COS. Le suivi réactionnel a été réalisé par UV-spectrométrie de masse sur des β-lactones di-, tri- et tétrasubstituées et les β-thiolactones correspondantes, dans deux solvants (un polaire, l’autre apolaire). Utilisant la même stratégie, nous nous sommes intéressés à l’ouverture de ces hétérocycles par différents nucléophiles ainsi que la formation cinétique compétitive des β-(thio)lactones à partir d’un intermédiaire commun. Les similitudes entre les β-lactones et β-thiolactones soulignées par ces investigations, ont révélé la possible utilisation de ces dernières comme substitut des premières. La deuxième partie de ce manuscrit concerne la synthèse de mimes des O-sialosides présents dans de nombreux processus biologiques mais sensibles à l’hydrolyse enzymatique. A partir de dérivés de l’acide N-acétylneuraminique, nous avons développé des méthodes de C- et S-glycosylations électrophiles α-sélectives, et efficaces malgré la présence d’un groupement électroattracteur en C2 et du méthylène en C3 favorisant la formation du glycal. Ces techniques de synthèse, conduisant à des rendements et sélectivités excellents, pourront trouver des applications pour la synthèse de glycomimétiques. / Β-Lactones are present in many biologically active natural products; consequently, much attention has been focused on these compounds concerning structural properties as well as reactivity, unlike β-thiolactones. In order to compare these two compounds families, we have studied their thermal stability investigating the rate of CO2 and COS extrusion. Reactions were monitored by UV-mass spectrometry starting from di-, tri- and tetrasubstituted β-lactones and the corresponding β-thiolactones, in two different solvents (one polar, the other apolar). Using the same strategy, we worked on heterocycles opening by various nucleophiles. We have also studied the competitive kinetic formation of β-(thio)lactones from a common intermediate. These investigations permitted to show the similarities between these two families and revealled the possible use of β-thiolactones as β-lactone surrogates. O-Sialosides are present in many biological processes but are sensitive to enzymatic hydrolysis. We have worked on N-acetylneuraminic acid derivatives to develop a new method leading to α-selective C- and S-glycosylations, which is efficient in spite of the presence of a withdrawing group at C2 and methylene at C3 which increase glycal formation. This method leads to excellent yield and selectivity and could find applications on glycomimetic synthesis.