Ce manuscrit présente le développement de réactions de cyclisation de diènes ou d'énynes 1,6 catalysées par des complexes de métaux de transition en milieu organoaqueux et leur application à la synthèse de lignanes. L'utilisation d'une monophosphine trisulfonée (TPPTS) a permis l'étude de deux réactions illustrant le principe d'économie d'atomes. La réaction de métallo-ène a été réalisée en présence de Ni(cod)2/TPPTS pour conduire efficacement à des diènes cycliques. Des réactions d'hydroxy- et de méthoxycyclisation ont été réalisées avec deux systèmes catalytiques complémentaires: PdCl2/TPPTS et PtCl2/TPPTS. Des études mécanistiques basées sur des expériences de deutération ont été conduites. Un nouveau système catalytique a été mis au point: l'utilisation du platine en association avec une monophosphine atropoisomère (Ph-BINEPINE) et des sels d'argent a permis le développement d'une version énantiosélective des réactions d'hydroxy- et de méthoxycyclisation. Les excès énantiomériques obtenus peuvent atteindre 85%. En outre, la réaction d'hydroxycyclisation en présence de palladium a été utilisée avec succès pour conduire au squelette aryltétraline, précurseur de la podophyllotoxine.

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.

Les nanotubes de carbone possèdent d'excellentes propriétés mécaniques, thermiques, électriques..., ce qui en fait un candidat de choix pour le développement de nouveaux matériaux pour de nombreuses applications. Cependant, leur mauvaise dispersion dans les solvants et les matrices reste encore aujourd'hui le principal problème pour l'obtention de matériaux composites homogènes. Cette thèse présente une nouvelle voie de fonctionnalisation des nanotubes de carbone réalisée en milieux fluides supercritiques. La fonctionnalisation organique proposée via une oxydation de surface des NTC présente de nombreux avantages par rapport aux techniques conventionnelles. La fonctionnalisation inorganique des NTC par les nanoparticules de palladium et d'argent a servi de modèle pour mieux appréhender le dépôt de nanoparticules de cuivre et déboucher ainsi à la réalisation de matériaux composites cuivre/NTC.

Aucun !

Comprendre les mécanismes réactionnels à l'œuvre dans une réaction chimique permet souvent son optimisation (rendement, sélectivité, charge catalytique). Les mécanismes réactionnels peuvent être étudiés par voie expérimentale, notamment en cherchant à isoler des espèces-clés. Les méthodes théoriques donnent, elles, accès à des informations sur les bilans cinétiques et thermodynamiques des réactions étudiées. Nous montrons dans cette thèse que la synergie de ces deux approches permet d'obtenir des informations précises sur les mécanismes réactionnels mis en jeu. Nous nous sommes appuyés sur cette alliance théorie / expérience pour déterminer dans un premier temps le mécanisme de diverses réactions d'allylation. Il s'agit en particulier de l'allylation « nucléophile » d'amines par l'alcool allylique catalysée par des complexes de palladium ou de platine ainsi que de l'allylation « électrophile » d'aldéhydes par l'allyltributylétain catalysée par des complexes du palladium. Ces études ont permis de déterminer les mécanismes de ces transformations, lesquels contredisent dans certains cas ceux présentés dans la littérature. Nous nous intéressons ensuite à la réaction de trimérisation des arylisocyanates catalysée par des complexes du palladium. Cette étude conduit à la proposition d'un mécanisme raisonnable pour cette transformation. Finalement,! la troisième partie de cette thèse correspond à l'étude mécanistique de trois réactions non catalytiques. Deux de ces études portent sur la synthèse et la réactivité de phosphinines, la troisième porte sur la réactivité de complexes de phospharuthénocènes vis-à-vis de réactions d'acylation.

<p>Catalysis has a profound impact on all living species on the earth. Nature’s catalysts, the enzymes, have the ability to selectively promote a specific bio-chemical transformation, given the required substrate. As well as being highly selective, enzymes enhance the speed of these reactions, helping them to run at temperatures much lower than normally required, i.e. at body temperature. In comparison, reactions used in the production of new materials such as polymers, medicines, fragrances, petrochemicals, etc. are often catalyzed by transition metals. This thesis describes how the selectivity and activity of these catalysts can be influenced via two conceptually different methods: chelation control and microwave heating. The thesis primarily focuses on regio- and stereochemical aspects of the palladium-catalyzed arylation of olefins, i.e. the Heck reaction. Reaction rate enhancement of both palladium and enzyme (polymerase chain reaction [PCR]) catalysis by microwave heating is also discussed. </p><p>Novel chelation-controlled palladium-catalyzed multi- and asymmetric arylations of vinyl ethers were performed, resulting in tetra-substituted olefins as well as chiral quaternary carbon centers with excellent optical purity. In addition, a new synthetic route to diarylated ethanals, relying on a double chelation-controlled regioselective arylation followed by hydrolysis, has been discovered. High temperature conditions, using microwave heating, substantially reduce the reaction time for ligand-controlled asymmetric Heck arylations, while retaining levels of enantioselectivity in most cases. In addition, a potentially useful fast synthetic protocol for the employment of aryl boronic acids in oxidative Heck arylation was developed. Finally, microwave-assisted PCR was described for the first time; this method allows reductions in the run time of 50%.</p>

<p>In this thesis, the improved synthesis and investigations into the properties of some 3,7-diazabicyclo[3.3.1]nonane (bispidine) derivatives are described. These compounds are structurally related to the naturally occurring lupanine alkaloids, they are of interest because of their cardiac antiarrhythmic function as well as their use as bases or ligands in organic chemical reactions. Their chemical properties are related to the presence of a rigid molecular scaffold with two nitrogen atoms that can be utilized for binding interactions with a variety of Lewis acids.</p><p>An improved synthesis has been developed, providing access to bispidines <i>via</i> bispidinones while avoiding the use of highly toxic hydrazine, which is required as reducing agent in alternative methods.</p><p>A series of bispidine derivatives with a variety of substituents were characterized regarding their basicity, which spans thirteen orders of magnitude. Correlations between structure and basicity are discussed and computational methods have been used to propose further derivatives with even higher basicity.</p><p>The structures of several bispidine derivatives and their protonated forms have been characterized in the solid state by X-ray crystallography and in solution using NMR spectroscopy. Structure and solution dynamics in a sterically congested (π-allyl)palladium complex with a bispidine ligand have been investigated, revealing mechanistic insight into the dynamic process. Using a bulky bispidine as a temporary ligand for a (η³-propenyl) palladium complex, the novel adamantanoid [{(η³-propenyl)Pd}₆(μ₃-OH)₄] cluster was prepared.</p>

De nos jours, réussir à contrôler la microstructure de la phase active des catalyseurs hétérogènes reste encore un défi d’envergure. Le présent travail s’inscrit dans cette mouvance en proposant de valoriser l’utilisation de clusters moléculaires comme précurseurs métalliques. Ces entités organométalliques comprenant au moins trois atomes métalliques (identiques ou non) en leur cœur apparaissent comme des candidats de choix pour contrôler la taille et la composition chimique des particules métalliques supportées à l’échelle nanoscopique. L’objectif de la présente thèse est de déterminer si l’utilisation de clusters moléculaires en présence d’un support carboné approprié permet d’obtenir ce contrôle. Tout d’abord, des clusters carbonylés de palladium de la littérature ont été synthétisés et une nouvelle voie de synthèse en une étape de ces entités a été découverte. Ensuite, le support carboné de départ a été dérivatisé afin d’y introduire des sites d’ancrage pour les clusters (phosphines chélatantes). Dans la troisième partie du travail, les clusters synthétisés ont été incorporés sur le support fonctionnalisé et sur celui de départ. L’obtention de nanoparticules supportées bien dispersées a démontré l’intérêt d’utiliser des clusters moléculaires comme précurseurs en présence d’un support fonctionnalisé. Les mécanismes d’ancrage ont également été étudiés et il a été prouvé que les clusters se fixent au support de manière covalent par échange de ligands. Enfin, les clusters supportés ont été activés et les catalyseurs Pd/C formés ont été testés dans l’hydrogénation du nitrobenzène en aniline. Les catalyseurs se trouvent être actifs dans cette réaction mais aucune corrélation « structure-activité » n’a pu être mise en évidence.

Palladium-catalyzed reactions have found widespread use in contemporary organic chemistry due to their impressive range of functional group tolerance and high chemo- and regioselectivity. The pioneering contributions to the development of the Pd-catalyzed C-C bond forming cross-coupling reaction were rewarded with the Nobel Prize in Chemistry in 2010. Today, this is a rapidly growing field, and the development of novel methods, as well as the theoretical understanding of the various processes involved are of immense importance for continued progress in this field. The aim of the work presented in this thesis was to develop novel palladium(0)- and palladium(II)-catalyzed reactions. The work involved in achieving this aim led to the development of a Mo(CO)6-mediated carbonylative Stille cross coupling reaction for the preparation of various deoxybenzoins. The protocol utilized convenient gas-free conditions to facilitate the carbonylative coupling of benzyl bromides and chlorides with aryl and heteroaryl stannanes. Mo(CO)6-assisted conditions were then used in the development of a general protocol suitable for the aminocarbonylation of aryl triflates. Both electron-poor and electron-rich triflates were coupled with primary, secondary and aryl amines. In addition, DMAP was found to be a beneficial additive when using sterically hindered or poorly nucleophilic amines. An efficient and convenient method for the synthesis of styrenes from arylboranes was developed, employing the relatively inexpensive vinyl acetate as the ethene source under Pd(II)-catalyzed conditions. The reaction mechanism was studied using ESI-MS, and a plausible catalytic cycle was proposed. A method for the oxidative Heck reaction employing aryltrifluoroborates and aryl MIDA boronates was also developed. Electron-rich and electron-poor olefins were regioselectively arylated under microwave-assisted conditions. Various arylboron species were identified in an ongoing reaction using ESI-MS.    Further investigations led to the development of a direct method for the synthesis of arylamidines from aryltrifluoroborates and cyanamides. Under Pd(II)-catalyzed conditions it was possible to insert the aryl into primary, secondary and tertiary cyanamides. Finally, a desulfitative method for the synthesis of aryl ketones was developed. A variety of aryl sulfinates were effectively inserted into alkyl- and aryl nitriles. The mechanism was further investigated using ESI-MS and a plausible catalytic cycle was proposed.

The main focus of this thesis has been directed towards preparation and oxidative carbocyclization of en-, dien- and aza-enallenes. In the first part of this thesis, a stereoselective oxidative carbocyclization of dienallenes was realized. By employing cheap and readily available palladium trifluoroacetate we were able to efficiently cyclize a variety of dienallenes into hydroxylated carbocycles in high yield and high selectivity. This oxidative process was compatible with two different reoxidation protocols: one relying on p-benzoquinone (BQ) as the oxidant and the other employing molecular oxygen as the oxidant. In the second part of the thesis the carbocyclization methodology was extended to include carbocyclization of aza-enallenes. This was achieved in two distinct steps. First, a copper-catalyzed coupling of allylic sulfonamides with bromoallenes was developed, giving access to the corresponding aza-enallenes. Subjecting these substrates to catalytic amounts of palladium acetate, along with BQ as the oxidant, rendered N-heterocycles in good yield. The reactivity of these N-heterocycles towards activated dienophiles was later exploited in a tandem (aerobic) oxidative carbocyclization/Diels-Alder reaction. The third topic involves efficient oxidative arylative/borylative carbocyclization of enallenes. These reactions, catalyzed by palladium acetate, relies on transmetallation of a (σ-alkyl)palladium(II) intermediate with diboranes or arylboronic acids. With this novel methodology we were able to obtain an array of arylated or borylated carbocycles, as single diastereomers, in high yield. Finally, we developed a palladium(II)-catalyzed cyclization of allylic carbamates. This mild, operationally simple, and scalable catalytic reaction opens up access to an array of oxazolidinones in high yield and excellent diastereoselectivity. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 6: Manuscript.</p>