Les synthèses « one pot » multi-étapes efficaces et éco-compatibles ont été envisagées pour la synthèse de molécules potentiellement bioactives tels que les systèmes bis(bibenzyliques) et leurs précurseurs stilbéniques ou bibenzyliques par catalyse hétérogène au palladium. Une synthèse « one-pot » impliquant une réaction de couplage de Heck suivie d’une hydrogénation des stilbènes ainsi formés a été mise au point en présence de Pd/C. Cette stratégie c’est révélée être limitée lors de l’application à des substrats désactivés et stériquement encombrées. Couplée au manque de disponibilité commerciale d’oléfines aromatiques intéressantes pour nos objectifs, nous avons mis au point une synthèse de styrènes par catalyse hétérogène à partir d’halogénures d’aryles et du vinyltrifluoroborate de potassium impliquant un couplage de Suzuki-Miyaura. Cette vinylation hétérogène a été ensuite appliquée à la synthèse « one-pot » de stilbènes. Des études d’optimisation de ce procédé sont encore en cours. Les stilbènes ainsi obtenus ont été utilisée pour la synthèse de bis(bibenzyles) ouverts et fermés. Pour ce faire différentes stratégies « one-pot » ont été évaluées au cours de ces travaux et des bis(stilbènes) ont été obtenus avec des rendements compris entre 30% et 50%. Les bis(stilbènes) ainsi obtenus ont été l’objet d’études en hydrogénation. A ce jour aucune de nos tentatives n’a permis l’obtention de bis(bibenzyles) quelles que soient les conditions employées. Des études sont en cours pour comprendre les raisons de ces résultats et obtenir les bis(bibenzyles) cibles de nos travaux / “One-pot” strategy, powerful tools for the creation of molecular complexity, has been applied in the synthesis of possible bioactive molecules such bis(bibenzyls) systems and their precursors stilbenes and bibenzyles using heterogeneous palladium catalysts. In this work a “one-pot” synthesis concerning a Heck coupling reaction followed by in situ hydrogenation with Pd/C has been studied for the synthesis of bibenzyl derivates. We have observed limitations for deactivated and hindered substrates. Moreover due to the low commercially availability of aromatic styrenes we focused our attention on the development of new heterogeneous vinylation reaction starting from aromatic halides and potassium vinyltrifluoroborate through a Suzuki coupling reaction. This strategy was then applied to “one-pot” stilbenes synthesis. The study is still under investigation in our laboratory. The synthesized stilbenes have been used as precursors in the synthesis of cyclic or acyclic bis(bibenzyls) derivates. Many different “one-pot” strategies have been developed that allowed to reach yields of bis(stilbenes) between 30% and 50% in only one step. Bis(stilbenes) have been objects of investigation as what concerned the hydrogenation. However every effort has not yet been successful under our reaction conditions. Studies are still in progress to understand the reasons of these results and to obtain bis(bibenzyls) systems, target of our research

Depuis le début des années 1990, l'hétéroannélation de Larock est apparue comme une méthode de choix pour obtenir, en une seule étape, des indoles 2,3-disubstitués. Cependant, bien qu'efficace, certains inconvénients restaient associés à cette stratégie comme l'utilisation d'un système catalytique homogène associé à l'emploi de sels. Pour cette raison, nous avons développé une nouvelle méthodologie sans sels ou additifs par catalyse hétérogène. Différents catalyseurs commerciaux ou faciles d'accès (Pd/C ou [Pd]/NaY) ainsi que de nouveaux complexes au palladium immobilisés sur SBA-15 ont été testés. De façon surprenante, ces nouvelles conditions ont permis une activation de 2-bromoanilines et ce, sans l'emploi d'additifs. Une autre méthode d'obtention de ces hétérocycles a émergé ces dernières années et se pose comme une alternative aux couplages traditionnels : l'arylation d'indoles. Malgré de nombreuses améliorations, aucun travail ne décrivait une procédure permettant une arylation complémentaire C2 ou C3 d'indoles libres avec un système catalytique unique. Nous avons développé un tel système, basé sur une pallado-catalyse dans l'eau. Cette stratégie permet d'atteindre des sélectivités C2/C3 ou C3/C2 élevées avec de bons rendements isolés par un simple contrôle du couple (base/halogénure d’aryle).Enfin, dans le cadre de nos travaux visant la synthèse par catalyse hétérogène de produits à haute valeur ajoutée, nous avons initié des études sur l'obtention de pyrroloiminoquinones. La méthode consistant en une catalyse hétérogène monotope en seulement deux grandes étapes devrait permettre un accès rapide à de nombreux dérivés bioactifs isolés d'organismes marins. / Since the beginning of the 90's, the Larock heteroannulation became a method of choice to afford, in a single step, 2,3-disubstituted indoles. While effective, this methodology suffered of drawbacks lied to the use of salts, additives and homogeneous catalyst. Thus, we developed the first ligand and salt free heterogeneous Larock heteroannulation. Different commercially available, home made catalysts (Pd/C or [Pd]/NaY) or new palladium complexes immobilised onto mesoporous silica SBA-15 were evaluated. Surprisingly, this methodology allowed an activation of the 2-bromoanilines without using additives. Another procedure to obtain indole nucleus emerged over the past few years as an outstanding alternative to traditional cross-coupling reactions: namely the “direct arylation”. Despite major improvements, no report focuses on complementary C2 and C3-arylation procedures by means of a unique catalytic system. Herein, we describe an innovative “on water” palladium-catalyzed C–H arylation of (NH)-indoles that is site-selective through a base/halide-controlled using cheap reagents. This methodology allows the preparation of either C2- or C3-arylindoles with high isolated yields. Finally, as part of our project related to syntheses of high added value products by heterogeneous catalysis, we investigated studies in order to obtain pyrroloiminoquinones. This new methodology using only two steps will permit an access to numerous bioactive analogues.

Le but du projet est d’hydrogéner l’acide succinique en phase aqueuse à 160°C, sous 150 bar d’hydrogène pour obtenir sélectivement le 1,4-butanediol (BDO) en utilisant des catalyseurs x%Re-2%Pd/TiO2. Les catalyseurs monométalliques au palladium permettent d’obtenir sélectivement le produit intermédiaire : la γ-butyrolactone et très peu de BDO est obtenu. Leur activité catalytique est fonction de la dispersion de la phase métallique. L’addition de rhénium aux catalyseurs monométalliques au palladium permet de poursuivre la réaction jusqu’à l’obtention du BDO. Nous avons d’abord essayé deux méthodes d’addition ex situ de rhénium : réduction catalytique (RC) et imprégnation successive (IS). La meilleure sélectivité en BDO obtenue jusqu’à maintenant est de 90% en présence du solide 3,4%Re-2%Pd/TiO2 préparé par IS. Quelle que soit la méthode de dépôt (RC ou IS), le rhénium dans ces solides bimétalliques est réoxydé et lixivié dans la phase aqueuse sous l’atmosphère non réductrice. Malgré la lixiviation et le redépôt du rhénium sous hydrogène, le comportement des catalyseurs bimétalliques Re-Pd/TiO2 préparés ces deux méthodes reste différent. Le dépôt in situ de Re conduit à des catalyseurs bimétalliques prometteurs : SBDO = 73% avec 2% de rhénium déposé / The aim of our research project is the hydrogenation of the succinic acid in aqueous phase at 160°C, under 150 bar hydrogen to obtain selectively 1,4-butanediol (BDO) by using x%Re- 2%Pd/TiO2 catalyst. Palladium monometallic catalysts allow us to obtain selectively the intermediate product γ-butyrolactone and very little BDO. Their catalytic activity depends on the dispersion of the metallic phase. The reaction can be extended until obtaining BDO by adding the rhenium to palladium based monometallic catalysts. Firstly, we have tried two ex situ methods to add the rhenium: catalytic reduction (CR) and successive impregnation (SI). The best selectivity to BDO is 90% with the presence of 3,4%Re-2%Pd/TiO2 prepared by IS method. Moreover, for both deposition methods, the rhenium in the bimetallic catalysts is reoxidized with air and then leached into the aqueous phase. Despite leaching and redeposition of rhenium under hydrogen pressure, the behavior of bimetallic catalysts prepared by the two methods (CR and SI) is different. In situ deposition of the rhenium leads to promising bimetallic catalysts: SBDO = 73% with 2% of rhenium

Dans ce travail, nous avons étudié l’adsorption dissociative de l’hydrogène sur Pd(111) ainsi que la diffusion d’un atome de l’hydrogène sur ce même surface. A l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, nous avons mené une étude systématique de l’effet du recouvrement en surface sur l’énergétique de la dissociation de H2 sur une surface de Pd(111) couverte par des atomes de l’hydrogène. Un résultat surprenant que nous avons trouvé est que les atomes adsorbés ont non seulement un effet de poison mais peuvent aussi promouvoir la dissociation de H2 s’ils sont adsorbés sur des sites loin de la molécule d’hydrogène qui dissocie. En ce qui concerne la diffusion d’un atome d’ hydrogène sur Pd(111), nous avons déterminé le coefficient de diffusion par des simulations de dynamique moléculaire en utilisant la formule d’Einstein à différente température de la surface, Ts=500K, 300K and 250K. Une méthode de la dynamique moléculaire accélérée a été développée afin d’étudier la diffusion à bases températures. Dans notre approche, l’accélération se fait moyennant l’augmentation de l’énergie cinétique de l’atome qui diffuse suivant une distribution Maxwell-Boltzmann qui correspond à une température plus élevée et la correction de l’échelle de temps d’une façon consistante. Pour tester la validité de notre approche, nous avons effectué des simulations pour la diffusion d’un atome d’hydrogène sur Pd(111) à Ts=300K and Ts=100K. Les résultats obtenus par la méthode accélérée est en bon accord avec ceux de la simulation standard. Par la méthode accélérée, l’échelle de temps peut être étendu à l’ordre de micro-secondes. / In this thesis, we studied dissociative adsorption of hydrogen on Pd(111) with particular attention paid to the surface coverage effect and the diffusion of a hydrogen adatom on Pd(111). With the help of DFT calculations, we carried out a systematic investigation of the effect of H-adatoms on the dissociation energetics of H2 on H-covered Pd(111) surfaces at various coverages. A quite surprising finding is that the H-adatoms do not only have a poisoning effect but can also promote H2 dissociation when they are adsorbed on sites which are sufficiently far from the dissociating H2 molecule. The macroscopic diffusion coefficient of an H-adatom on Pd(111) is determined from molecular dynamics simulations with the help of Einstein formula for different surface temperatures, i.e., Ts=500K, 300K and 250K. An accelerated molecular dynamics method was developed in order to study the diffusion at low surface temperatures. In our approach, the acceleration is achieved by increasing the kinetic energy of the diffusing atom according to the Maxwell-Boltzmann distribution at a higher temperature and correcting the time scale in a consistent way. For testing the validity of our method, we performed simulations for the diffusion of H adatom on Pd(111) surface at T=300K and T=100K. The diffusion coefficient obtained from the accelerated MD method is in agreement with that obtained from the direct MD and TST methods. And the physical time scale can be extended to the order of microseconds.

Ce mémoire décrit des réactions pallado-catalysées de Heck déshydrogénantes d'hétéroarènes pouvant être dérivés de la biomasse avec des alcènes riches en électrons tels que les styrènes. Le premier chapitre, présente une méthodologie permettant le couplage croisé de Heck désydrogénant de furanes et thiophènes avec des styrènes dans des conditions douces et discute de l'influence de l'agent oxydant sur l'activité du catalyseur. Le second chapitre est consacré à l'étude mécanistique par SM-IES de réactions de Heck déshydrogénantes de furanes avec des acrylates en présence de benzoquinone comme agent oxydant et de DMSO comme solvant. La présentation d'une nouvelle méthodologie pour les réactions de Heck déshydrogénantes d'hétérocyles avec des styrènes dans des conditions aérobies et l'explication de l'effet négatif de co-oxydants métalliques représentent le dernier chapitre. / This thesis describes Pd-catalyzed dehydrogenative Heck reactions of heteroarenes that could be derived from the biomass with electron-rich alkenes such as styrenes. The first chapter presents a new methodology enabling cross coupling dehydrogenative Heck Reactions of furans and thiophenes with styrenes under Mild conditions and discusses the Influence of the oxidizing agent on the reaction rate. The second chapter focuses on ESI-MS studies of the dehydrogenative Heck reactions of furans with acrylates using benzoquinone as reoxidant and DMSO as solvent. The presentation of a new methodology for aerobic dehydrogenative Heck reactions of heterocycles with styrenes and the explanation about the negative effect of metallic co-oxidants represent the third chapter.

Le réchauffement climatique est dû principalement à l'émission anthropique du dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère. Une réduction électrocatalytique et sélective de cette molécule a été proposée au cours de ce projet comme une solution prometteuse pour synthétiser des produits à valeur ajoutée. Une telle réaction requiert l'utilisation de matériaux efficaces et bas coût. Pour ce faire, les travaux de cette thèse ont porté sur la préparation de catalyseurs à base de cuivre dispersés sur différents substrats carbonés tels que le Vulcan XC-72R, les carbones mésoporeux CMK-3 et FDU-15, et des tanins à base d'IS2M pour réduire le CO2 en milieu aqueux. Les matériaux d'électrode ont été préparés à l'aide de la méthode polyol assistée par micro-ondes. Leurs caractérisations physiques et l'analyse élémentaire confirment des compositions atomiques et des taux de charge métallique proches de celles théoriquement envisagées. L'acide formique et le monoxyde de carbone sont les deux produits carbonés issus de la réduction du CO2 (2 bar) réalisée par chronoampérométrie en milieu NaHCO3. La détection et l'identification des produits de réaction ont été effectuées par des méthodes chromatographiques (µ-GC et HPLC), spectrométrique (DEMS) et spectroscopique (RMN). Une sélectivité de la réaction vis-à-vis de HCOOH (62 %) a été obtenue sur une cathode de Cu50Pd50/C. Cette conversion sélective du CO2 en HCOOH s'explique par une conjugaison d'effets électroniques et géométriques dans la structure de surface du catalyseur bimétallique et aussi celui de la texture du substrat carboné. / The anthropogenic emissions of carbon dioxide (CO2) are the major cause of global warming. The selective CO2 reduction reaction (CO2RR) of has been proposed as a promising, convenient and efficient method for sustainable energy conversion systems. The reduction of CO2 to energetically valuable products requires the use of an appropriate electrode material. This study focuses on the preparation of Cu-based electrocatalysts supported on different types of carbon materials such as Vulcan XC-72R, mesoporous carbon CMK-3, mesoporous carbon FDU-15 and tannin based mesoporous carbon IS2M for the CO2RR under mild conditions. Besides, Vulcan XC-72R carbon supported bimetallic copper/palladium alloy materials were prepared for increasing the Faradaic yield. These copper-based catalysts were electrochemically characterized and preparative electrolyses set at constant potential were carried out in order to investigate the reduction products distribution and Faradaic yields as a function of the applied potential and catalyst loading. Chemicals such as HCOOH, CO and H2 issued from the CO2RR, were determined with in-situ and ex-situ complementary (electro)analytical and spectroscopic techniques. The significant difference in the product distribution is probably due to the ensemble (geometry and ligand) effects in the bimetallic CuPd materials, and textural structure of the supporting substrates. Selective CO2 to-HCOOH conversion has been successfully undertaken on Cu50Pd50/C with 62 % Faradaic efficiency.

Les travaux rapportés dans ce mémoire concernent le développement de la réactivité de N-tosylhydrazones dans la création de liaisons carbone-carbone et carbone-azote ainsi que leurs applications à la synthèse des analogues de l’isocombrétastatine A-4 (isoCA-4), aux propriétés antivasculaires.Au cours de ce travail, des molécules de type 1,1-diaryléthylène furent synthétisées par un couplage pallado-catalysé entre des N-tosylhydrazones et des aryles halogénés. Ainsi, des oléfines polysubstituées avec un motif alcoxyle, analogues de l’isoCA-4, ont présenté des activités biologiques intéressantes. De même, les N-tosylhydrazones constituent des intermédiaires pour la synthèse de 1,5-énynes aromatiques. La cyclisation de ces derniers a pu être contrôlée selon la nature du catalyseur utilisé. En effet, en présence de l’or comme catalyseur, une cyclisation 6-endo-dig majoritaire est obtenue alors qu’en présence du palladium, une cyclisation 5-exo-dig exclusive est observée. Cette méthode permettrait de synthétiser des analogues contraints de l’isoCA-4. Le couplage réducteur, catalysé au cuivre, entre des N-tosylhydrazones et des amines et conduisant à des motifs arylalkylamines fut développé. Enfin, un processus cascade entre des 2’-halogéno-biaryl- N-tosylhydrazones et des amines fournit des dérivés du fluorène par la création d’une liaison CN et d’une liaison CC sur le même atome carbénique. / This manuscript reports the development of new metal-catalyzed reactions using N-tosylhydrazones as coupling partners for the creation of carbon-carbon and carbon-nitrogen bonds. These reactions are applied in the synthesis of analogues of isocombretastatine A-4 (isoCA-4), a vascular disrupting agent.First, a palladium-catalyzed cross-coupling reaction between N-tosylhydrazones and aryl halides was developed. By this means, polysubstituted olefins with an alkoxy motif were synthesized and presented good biological activities. Then, aromatic 1,5-enynes were synthesized by a multi-step approach using N-tosylhydrazones as intermediates. The regioselectivity of the cyclisation of these enynes was controlled depending on the reaction conditions. Under gold catalysis, a major 6-endo-dig cyclisation pattern leads to naphthalene derivatives while under palladium catalysis; an exclusive 5-exo-dig cyclisation furnishes benzofulvène derivatives. Conformationnally restricted isoCA-4 analogues could be synthesized by applying this method. A copper-catalyzed reductive coupling between N-tosylhydrazones and amines leading to -branched amine derivatives was also developed. Finally, a cascade reaction between 2’-halo-biaryl-N-tosylhydrazones and amines furnished fluoren scaffold by the formation of CC and CN bonds on the same carbenic atom.

The oxidation of Pd single crystals: Pd(111), Pd(100) and Pd(110) was studied using Temperature Programmed Desorption (TPD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Auger Electron Spectroscopy (AES), Low Electron Energy Diffraction (LEED) and Scanning Tunneling Microscopy (STM) as they were subjected to O2 in the pressure range between 1 and 150 Torr at temperatures 600-900 K. The oxygen species formed during oxidation, the oxygen uptake dependence on the sample history, the Pd single crystal surface morphology transformations, and the catalytic methane combustion over Pd single crystals were investigated in detail. The Pd single crystal oxidation proceeded through a three-step mechanism. Namely, (1) oxygen dissociatively adsorbed on Pd surface, forming chemisorbed oxygen and then surface oxide; (2) atomic oxygen diffused through a thin surface oxide layer into Pd metal, forming near surface and bulk oxygen; (3) bulk PdO formed when a critical oxygen concentration was reached in the near surface region. The diffusion of oxygen through thin surface oxide layer into Pd metal decreased in the order: Pd(110)>Pd(100)>Pd(111). The oxygen diffusion coefficient was estimated to be around 10-16 cm2 s-1 at 600 K, with an activation energy of 80 kJ mol-1. Once bulk PdO was formed, the diffusion of oxygen through the bulk oxide layer was the rate-determining step for the palladium oxidation. The diffusion coefficient was equal to 10-18 cm2 s-1 at 600 K and the activation energy was approximately 120 kJ mol-1. The oxygen diffusion through thin surface oxide layer and bulk PdO followed the Mott-Cabrera parabolic diffusion law. The oxygen uptake on Pd single crystals depended on the sample history. The uptake amount increased with the population of the bulk oxygen species, which was achieved by high oxygen exposure at elevated temperatures, for example in 1 Torr O2 at above 820 K. Ar+ sputtering or annealing in vacuum at 1300 K depleted the bulk oxygen. The Pd single crystal surface morphology was determined by the oxidation conditions: O2 pressure, treatment temperature and exposure time. When bulk PdO was formed, the single crystal surface was covered with semi-spherical agglomerates 2-4 nm in size, which tended to aggregate to form a“cauliflower-like" superstructure. The single crystal surface area during oxidation, determined by integrating the STM image, experienced three major expansions in consistent with a three-step oxidation mechanism. The surface area on the oxidized single crystals increased in the order: Pd(110)

Le projet scientifique a consisté au développement de nouveaux processus domino ayant pour étape clé la fonctionnalisation d’une liaison C-H. L’introduction de cette étape de fonctionnalisation C-H a permis d’améliorer significativement l’efficacité moyenne de la réaction et a offert de nouvelles perspectives du point de vue synthétique. Ainsi, nous avons exploité des stratégies se basant sur des séquences Heck / fonctionnalisation C-H, des réactions de difonctionnalisation d’alcènes en conditions oxydantes et un processus d'aminopalladation / fonctionnalisation C-H. Ces méthodologies nous ont permis un accès rapide aux motifs spiroquinolinones, spirooxindoles, oxindoles disubstitués en position 3, oxindoles tétracycliques et pyrrolo[1,2-a]indoles. / The projet consists in developing new domino processes involving C-H functionalization as the key steps. The introduction of C-H functionalization in the domino reaction leads to the enhancing significantly the efficiency of the reaction and offers new perspectives in a synthetic point of view. In this context, we have exploited different strategies basing on Heck/C-H functionalization process, difunctinalization of alkenes reactions through oxidative addition and a sequencial intramolecular aminopalladation/C-H functionalization. These methodologies allow rapid constructions of spiroquinolines, spirooxindoles, 3,3'-disubstituted oxindoles, tetracyclic oxindoles and pyrrolo[1,2-a]indoles cores.

Ce mémoire est consacré à la synthèse et à l'étude de complexes métalliques originaux contenant des carbènes N-hétérocycliques (NHCs) fortement encombrés. Trois familles ont été élaborées : 1) des complexes Pd-PEPPSI "dissymmétriques" comportant un ligand imidazolylidène (Im) ayant comme N-substituants un groupe 9-alkyl-9-fluorényle (AF) ainsi qu'un aryle. Ces complexes se sont avérés des catalyseurs remarquables en couplage de Suzuki-Miyaura, présentant des performances comparables à celles d'analogues porteurs de deux groupes AF (dont l'excellente efficacité avait déjà été établie), démontrant ainsi le fort rôle stabilisateur du groupe AF; 2) des complexes trigonaux de cuivre(I) de formule générale [Cu(Im)(2,2'-dipyridylamine)]BF4 où le ligand carbénique est soit un carbène symétrique de type AF2-Im, soit dissymétrique de type (AF,Ar)-Im. Ici encore, la présence de substituants AF est un élément favorisant la stabilité des complexes en solution par rapport à une décomposition photo-induite. Contrairement à son anaolgue ayant un imidazolylidène porteur de deux substituants EtF, le complexe [Cu((EtF,Ph)-Im)(2,2'-dipyridylamine)]BF4 présente la particularité d'être luminescent en solution et à l'état solide; 3) des complexes Pd-PEPPSI contenant un imidazolilydène N-substitué par deux groupes identiques dont les extrémités sont des récépteurs potentiels de type calix[4]arène. Ces complexes ont la propriété de s'auto-assembler en formant une entité où les centres métalliques sont stériquement très protégés, avec pour conséquence de modifier sensiblement les propriétés catalytiques attendues du complexe. / Described herein are the stepwise syntheses and properties of three types of complexes based on sterically encumbered N-heterocyclic carbenes (NHCs): 1) Pd-PEPPSI complexes with an unsymmetrical imidalolylidene ligand having its N atoms substituted by a bulky 9-alkyl-9-fluorenyl (AF) group and an aryl group. These turned out to be very active Suzuki-Miyaura cross coupling catalysts with an activity comparable to previously reported, highly performing "symmetrical" analogues which bear two identical AF substituents. These findings illustrate the high stabilising effect of each individual AF group; 2) Trigonal copper(I) complexes with the general formula [Cu(Im)(2,2'-dipyridylamine)]BF4 in which the NHC ligands are symmetrical or not. Here again the AF substituents ensure complex stability with respect to air when compared to analogues displaying sterically non-bulky substituents. One of the complexes, namely [Cu((EtF,Ph)-Im)(2,2'-dipyridylamine)]BF4, was found to be strongly luminescent in solution and in the solid state; 3) Pd-PEPPSI complexes in which calix[4]arene-substituted phenyl moieties have been grafted on both N atoms, these behaving as potential receptor units. Owing to the presence of the calixarene termini, complexes of this type were found to self-assemble, thereby resulting in dimers with sterically highly protected metal centres. The formation of such species was correlated to the catalytic performance of these complexes.