Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les complexes luminescents de lanthanides font l'objet d'une recherche importante dans le domaine de l'opto-électronique du fait de couleur pure et de rendements quantiques importants. Le développement de nouveaux chelates spécifiquement adaptés pour des applications opto-électroniques reste cependant un domaine moins développé par rapport à d'autres applications.<br /><br />Le but de ce travail est d'accéder à de nouvelles possibilités de synthèse dans le domaine des émetteurs moléculaires à base de lanthanides pour l'opto-electronique ; ceci, en concevant de nouveaux ligands adaptés à la complexation de ces métaux et l'étude des propriétés optiques des complexes formés.<br /><br />A cette fin nous avons synthétisés et étudiés une série de ligands basés sur des motifs terpyridine-, bipyridine- et pyridine-tetrazole. Divers substituants ont été ajoutés afin de moduler les propriétés électroniques de ces molécules avec, pour résultats, l'obtention de fortes efficacités lumineuses pour certains de ces complexes tant dans le visible que le proche infrarouge. Les effets induits par l'ajout des divers subtituants sur leurs propriétés photophysiques ont été clairement démontré. De plus, nous avons également synthétisés et testé en couche active de dispositifs OLED une nouvelle classe de complexes neutres complétées par des unités dicétonates.<br /><br />Nous avons par ailleurs explorés la sensibilisation des ions lanthanides par l'intermédiaire de complexes de métaux de transition d. Pour cela nous avons conçus une nouvelle architecture hétéro-métallique d-f où le complexe d'iridium est employé comme antenne. Finalement, nous avons étudiés les processus de transfert d'énergie par mesures de luminescence.

Diazonium salts are intermediates that are widely used in organic synthesis. They are typically obtained by in-situ generation of a nitrosonium ion from sodium nitrite and an acid, or by a nitrosyl transfer from an organic nitrite. Unlike extensively used aryl diazonium salts, alkyl diazonium intermediates are much less studied, due to their lower stability, and their general carcinogenicity. They usually decompose into the corresponding carbocation, affording the alcohol, halide and/or elimination product. Despite the large range of reactivity of these intermediates, diazonium salts are generally under-used, as they are potentially dangerous, especially on large scale. Solutions have been found to overcome this drawback, namely in situ formation of the diazonium species. Continuous flow is a powerful technology to handle hazardous compounds. Such a technology was recently used by our group to perform the continuous flow esterification of carboxylic acids via the diazotisation of alkylamines. The reaction proceeds in 20 minutes and is compatible with a large range of functional groups. The nitrite used in the reaction is propane-1,3-dinitrite. Notably, the reaction is compatible with hydroxy-substituted carboxylic acids. These substrates led us to study the synthesis of hydroxyesters from carboxylic acids and amino alcohols. The reaction was described in continuous flow in 30 to 60 min at 70 to 100 °C. In addition, a batch procedure in t-BuOH at 80 °C with reaction time varying from 6 h to overnight was developed. Alkyl diazonium intermediates were also used in the etherification of aryl alcohols. We developed a base-free etherification of electron-poor phenols. The reaction proceeded in batch with moderate to high yields within one hour. 2-, 3-, and 4-hydroxypyridines were also successfully reacted, as well as hydroxyquinoline and hydroxypyrimidine derivative, leading to the O-alkylated ether as the major product. Finally, N-alkylation of 5-substituted-1H-tetrazole was also achieved, and the 2N-alkylated tetrazole was obtained as a major product. A one-pot sequential 1,3-dipolar cycloaddition -diazotisation was optimized, enabling the synthesis of 2,5-disubstituted tetrazoles from nitriles, TMSN3, and alkylamine. Furthermore, different parameters governing the ratio of formation of the 1,5- and the 2,5- isomers were studied. / Les sels de diazonium sont des intermédiaires largement utilisés en synthèse organique. Ils sont généralement obtenus par génération in situ d'un ion nitrosonium à partir de nitrite de sodium et d'un acide, ou par transfert de nitrosyle à partir d'un nitrite organique. Contrairement aux sels de diazoniums d’aryle, largement utilisés, les intermédiaires diazoniums d’alkyle sont beaucoup moins étudiés, en raison de leur stabilité moindre et de leur caractère cancérigène. Ils se décomposent généralement pour former des produits résultant de la formation d’un carbocation en donnant l'alcool, l'halogénure et/ou le produit d'élimination. Malgré les différentes possibilités de réactivité de ces intermédiaires, les sels de diazonium sont généralement sous-utilisés, car ils sont potentiellement dangereux, surtout à grande échelle. Des solutions ont été trouvées pour surmonter cet inconvénient, à savoir la formation in situ des espèces de diazonium. Par ailleurs, la chimie en flux continu est une technologie puissante pour manipuler les composés dangereux. Cette technologie a récemment été utilisée par notre groupe pour réaliser l'estérification en flux continu d'acides carboxyliques via la diazotation d'amines aliphatiques. La réaction se déroule en 20 minutes et est compatible avec une large gamme de groupement fonctionnels. Le nitrite utilisé dans la réaction est le propane-1,3-dinitrite. Notamment, la réaction est compatible avec les acides carboxyliques substitués par des groupement alcool. Ces substrats nous ont conduit à étudier la synthèse d'hydroxyesters à partir d'acides carboxyliques et d'aminoalcools. La réaction a été décrite en flux continu en 30 à 60 min avec des températures allant de 70 à 100 °C. De plus, une procédure batch dans du t-BuOH à 80 °C avec un temps de réaction variant de 6 h à toute la nuit a été développée. Les intermédiaires diazoniums d’alkyle ont également été utilisés pour l'éthérification des alcools aromatiques. Nous avons développé une éthérification sans base de phénols pauvres en électrons. La réaction s'est déroulée en batch avec des rendements modérés à élevés en une heure. Les 2-, 3-, et 4-hydroxypyridines ont également été utilisées avec succès, ainsi que des dérivés d'hydroxyquinoléine d'hydroxypyrimidine, conduisant à l'éther O-alkylé comme produit majoritaire. Enfin, la N-alkylation du 1H-tétrazole 5-substitué a également été réalisée, et le tétrazole 2Nalkylé a été obtenu comme produit majoritaire. Une cycloaddition 1,3-dipolaire - diazotisation séquentielle à un pot a été optimisée, permettant la synthèse de tétrazoles 2,5-disubstitués à partir de nitriles, de TMSN3 et d'amine aliphatique. En outre, différents paramètres régissant le ratio de formation des isomères 1,5- et 2,5- ont été étudiés.

Les cycles azotés font partie intégrante de la vie sur Terre. Cette thématique est transcrite dans les travaux de cette thèse à travers les tétrazoles et les morpholines. Les morpholines sont des azacycles saturés possédant de nombreuses propriétés physico-chimiques et structurales intéressantes, ce qui en fait un motif de choix en chimie médicinale. L'essor des morpholines est d'autant plus important que les industries pharmaceutiques tendent à limiter l'utilisation de cycles insaturés au profit de motifs permettant des structures plus complexes et occupant les trois dimensions de l'espace. Ainsi, le développement de nouvelles voies d'accès aux morpholines est contemporain. La contribution présentée dans ce manuscrit s'appuie sur la réduction de tétrazoles oxabicycliques par des hydrures. Le mécanisme du clivage réductif du tétrazole en amine a par ailleurs été étudié et élucidé. Les cyanamides forment un groupement fonctionnel intéressant grâce à leur nature électronique ambivalente. Elles sont de plus en plus utilisées en chimie médicinale en tant qu'inhibiteurs covalents. Alors que les cyanamides ont été découvertes à l'aube de la chimie organique, leurs synthèses ont traditionnellement eu recours à des sources de cyanure, composé extrêmement toxique. La métallation en position 5 des tétrazoles 1-substitués permet d'induire la rétrocyclisation spontanée conduisant à l'expulsion d'une molécule de diazote et d'un sel de cyanamidure. Ce sel a pu être isolé ou alkylé in situ, offrant une nouvelle voie d'accès aux cyanamides sans source de cyanure. Les cyanamides ainsi obtenues ont pu être diversifiées en amidines par addition d'organolithiens. La Polygonapholine est un alcaloïde contenant une morpholine 2,6-disubstituée isolé en 1997. La structure rapportée est probablement erronée et seule une synthèse en laboratoire peut confirmer son exactitude. Ainsi, la première synthèse totale de ce produit naturel a été débutée et est présentée dans le dernier chapitre de ce manuscrit. / Nitrogen-containing rings are core entities in the living world. This theme is conveyed in the manuscript through tetrazoles and morpholines. Morpholines are saturated azacycles possessing numerous physico-chemical and structural properties, which makes them a motif of interest in medicinal chemistry. The impact of morpholines is even more important as pharmaceutical industries try to avoid overuse of unsaturated rings in favor of saturated motifs that allow for more complex structures in the three dimensions. Therefore, development of new methods to access morpholines is an ongoing activity in many laboratories. The approach presented herein relies on the hydride reduction of oxabicyclic tetrazoles to morpholines. A detailed mechanism of the reductive cleavage of the tetrazole unit is presented. Cyanamides are endowed with an ambident electronic character that adds value to this functional group. They are widely used in drug design as covalent inhibitors. Even though cyanamides were discovered in late 19th century, their synthesis has traditionally relied on the cyanation of amines using toxic cyanide reagents. 1-Substituted 5-metalotetrazoles undergo rapid cycloreversion releasing dinitrogen and forming N-metalated cyanamide salts. The salts can be isolated or alkylated in situ, providing a new method for accessing cyanamides without the use of cyanide reagents. The obtained cyanamides could be subjected to an addition reaction with organolithium reagents, thereby yielding novel amidines. The alkaloid Polygonapholine is a 2,6-disubstituted morpholine isolated in 1997. The reported structure has never been confirmed, nor has the natural product been synthesized in the laboratory. Efforts towards its total synthesis and stereochemical confirmation is presented in the last chapter of the thesis.

Les tétrazoles ont une place importante dans la chimie médicinale contemporaine par leurs caractéristiques spatiales et électroniques uniques. Leur haute teneur en azote leur confère également des qualités requises dans le développement de substances explosives et de haute énergie. Le développement de nouveaux outils synthétiques pour les créer prend donc ici tout son sens. Dans cet ouvrage, il est tout d’abord question d’une nouvelle méthode de synthèse qui génère des tétrazoles bicycliques en conditions douces par l’entremise d’azidonitriles aliphatiques séparés par trois ou quatre atomes de carbone (effet de proximité) et d’acides de Lewis. De plus, cette méthode de synthèse présente une réaction tandem qui génère des tétrazoles oxabicycliques 1,5-dialkylés via une cycloaddition 1,3-dipolaire diastéréosélective à partir d’azidoacétals ou d’azidocétals arborant un azoture proximal. La réaction s’effectue dans le nitrométhane de 0 °C à la température ambiante avec du TMSCN et est promue par une variété d’acides de Lewis dont le BF3OEt2. Les aspects mécanistiques de la réaction (l’ouverture des acétals, l’équilibre entre les éthers de cyanhydrine, la cycloaddition 1,3-dipolaire diastéréosélective et le réarrangement de Boyer-Schmidt-Aubé) ainsi que les paramètres réactionnels (solvants, acides de Lewis, stœchiométrie, sources de cyanure, etc.) seront en outre abordés. Ensuite, le motif de tétrazole oxabicyclique a été l’objet de diversifications, de fonctionnalisations et de transformations afin d’en valoriser l’utilité. Des réactions d’alkylations, d’azoturations radicalaires, de bêta-éliminations et de diversifications de la chaîne latérale ont été étudiées. De ces mêmes motifs de tétrazoles, la synthèse de tétrazoles azabicycliques et celle de morpholines 2,6-polysubstituées ont aussi été investiguées. La synthèse d’un sel de tétrazolium et l’alkylation de 5-tétrazolyllithiums ont aussi fait l’objet d’études préliminaires. Enfin, une étude théorique en DFT a été effectuée pour mieux comprendre l’équilibre tétrazole-azidoazométhine sur des motifs de types benzo- et pyrido- diazidodiazines parents à la 6-azidotétrazolo[5,1-a]phthalazine, un métabolite toxique du Gymnodinium breve (Ptychodiscus brevis, aussi actuellement connu sous le nom de Karenia brevis). Les aspects thermodynamiques, les états de transition, les orbitales HOMO, les cartes de potentiels d’ionisation locaux, les cartes de densité de la LUMO, les effets de solvant et certains paramètres permettant d’évaluer l’aromaticité (indices de Bird, ordres de liaison minimaux de Jug, indices HOMA et NICS) ont été considérés dans l’étude. Le constat a été que certaines des analyses théoriques peuvent constituer de bons outils prédictifs, particulièrement avec des considérations thermodynamiques, mais que cette approche a aussi ses limites qui sont principalement dues aux incertitudes inhérentes aux calculs théoriques. / Tetrazoles have an important place in contemporary medicinal chemistry due to their unique spatial and electronic characteristics. Their high nitrogen content also gives them the qualities required for the development of explosive and high energy substances. The development of new synthetic tools to create them takes here all its meaning. Therefore, in this work, a new synthesis method that generates bicyclic tetrazoles under mild conditions using aliphatic azidonitriles separated by three or four carbon atoms (proximity effect) and Lewis acids will first be discussed. In addition, a tandem reaction which generates 1,5-dialkylated oxabicyclic tetrazoles via a diastereoselective 1,3-dipolar cycloaddition from azidoacetals or azidoketals bearing a proximal azide will also be disclosed. The reaction is carried out in nitromethane at 0 °C to room temperature with TMSCN and is promoted by a variety of Lewis acids including BF3OEt2. The mechanistic aspects of the reaction (acetal opening, equilibrium between cyanohydrin ethers, diastereoselective 1,3-dipolar cycloaddition and Boyer-Schmidt-Aubé rearrangement) as well as the reaction parameters (solvents, Lewis acids, stoichiometry, cyanide sources, etc.) will be discussed. Furthermore, the oxabicyclic tetrazole unit was involved in diversifications, functionalizations and transformations to enhance its utility. Reactions of alkylations, radical azidations, beta-eliminations and diversifications of the side chain were applied. From these same tetrazole units, the synthesis of azabicyclic tetrazoles and that of 2,6-polysubstituted morpholines was also investigated. The synthesis of a tetrazolium salt and the alkylation of 5 tetrazolyllithiums were also the subject of preliminary studies. Finally, a theoretical DFT study was carried out to have a better understanding of the tetrazole-azidoazomethine equilibrium on benzo- and pyrido- diazidodiazines similar to 6 azidotetrazolo [5,1-a] phthalazine, a toxic metabolite from Gymnodinium breve (Ptychodiscus brevis, actually known as Karenia brevis). Thermodynamic aspects, transition states, HOMO orbitals, local ionization potential maps, LUMO density maps, solvent effects, and some parameters to evaluate the aromaticity (Bird index, Jug minimum bond order, HOMA index and NICS) were considered in the study. It has been noted that some of the theoretical analysis can be good predictive tools, particularly with thermodynamic considerations, but they also have their limits, which are mainly due to the uncertainties inherent in the theoretical calculations.