Intramolecular Direct Functionalization of Cyclopropanes via Silver-Mediated, Palladium Catalysis

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la fonctionnalisation directe des liens C–H a connu un intérêt croissant, en raison de la demande de processus chimiques moins dispendieux, plus efficaces et plus écologiques. . Les cyclopropanes représentent un motif structural souvent retrouvé dans des agents biologiquement actifs importants et dans des intermédiaires de synthèse permettant l'accès à des architectures complexes. Malgré leur valeur intrinsèque, la fonctionnalisation directe des cyclopropanes n’a pas été largement explorée. Ce mémoire traitera de deux méthodologies liées, mais tout aussi différentes, impliquant la fonctionnalisation directe des liens C–H cyclopropaniques impliquant des réactions intramoléculaires catalysées par un complex de palladium et assistées par l’argent. Le premier chapitre présentera d’abord un bref survol de la littérature sur les fondements de la fonctionnalisation directe ainsi que les contributions majeures réalisées dans ce domaine. L’accent sera notamment mis sur la fonctionnalisation des centres sp3 et sera souligné par des exemples pertinents. Les découvertes clés concernant le mécanisme et les cycles catalytiques de ces processus seront discutées. Le second chapitre décrira comment les 2-bromoanilides peuvent être utilisés pour accéder à des motifs particuliers de type spiro 3,3’ oxindoles cyclopropyliques. L'optimisation et l’étendue de la réaction seront abordés, suivis par des études mécanistiques réfutant l’hypothèse de la formation d’un intermédiaire palladium-énolate. Ces études mécanistiques comprennent une étude cinétique de l'effet isotopique ainsi que des études sur épimérisation; celles-ci ont confirmé que la réaction se produit par arylation directe. Sur la base des résultats obtenus dans le deuxième chapitre, nous aborderons ensuite la fonctionnalisation directe des benzamides cyclopropyliques lesquels, après une ouverture de cycle, donneront de nouveaux produits benzo [c] azépine-1-ones (chapitre trois). Après avoir présenté une brève optimisation et l’étendue de la réaction, nous discuterons des études mécanistiques impliquées à déduire l'ordre des événements dans le cycle catalytique et à déterminer le rôle des réactifs. Celles-ci permetteront de conclure que la fonctionnalisation de l’unité cyclopropyle se produit avant l’ouverture de cycle et que l'acétate est responsable de la déprotonation-métalation concertée. Le dernier chapitre (chapitre quatre) traitera en rétrospective de ce qui a été appris à partir de deux méthodologies divergentes et connexes et de comment ces résultats peuvent être exploités pour explorer d’autres types de fonctionnalisations directes sur des cyclopropanes.

Développement de nouveaux sels Binol-imidazoliums : de la catalyse asymétrique aux applications biologiques

Le 1,1'-bi-2-naphtol ou Binol, présentant une chiralité axiale, est un ligand très utilisé en catalyse asymétrique. Au cours des vingt dernières années, le Binol a servi de synthon à l’élaboration de très nombreux ligands permettant la catalyse asymétrique de tous types de réactions, allant de l’hydrogénation, à l’alkylation, en passant par diverses réactions péricycliques. Le grand intérêt pour ce ligand vient de sa versatilité et des nombreuses possibilités de fonctionnalisation qu’il offre, permettant d’altérer ses propriétés catalytiques à volonté, aussi bien en modifiant son caractère électronique, qu’en introduisant des facteurs stériques autour du site catalytique. Parallèlement aux développements de la catalyse par des dérivés de Binol, le domaine des liquides ioniques a connu un intérêt croissant ces dernières années. Les liquides ioniques, sels dont le point de fusion est inférieur à 100°C, cumulent de nombreuses qualités convoitées : faible pression de vapeur, stabilité thermique et chimique et fort pouvoir de solvatation. Dû à ces propriétés, les liquides ioniques ont principalement été étudiés dans l’optique de développer une gamme de solvants recyclables. Alors que les propriétés des liquides ioniques sont facilement modulables en fonction de l’anion et du cation choisi, le concept de liquide ionique à tâche spécifique va plus loin et propose d’introduire directement, sur le cation ou l’anion, un groupement conférant une propriété particulière. En suivant cette approche, plusieurs ligands ioniques ont été rapportés, par simple couplage d’un cation organique à un ligand déjà connu. Étonnamment, le Binol a fait l’objet de très peu de travaux pour l’élaboration de ligands ioniques. Dans cette thèse, nous proposons l’étude d’une famille de composés de type Binol-imidazolium dont les unités Binol et imidazolium sont séparées par un espaceur méthylène. Différents homologues ont été synthétisés en variant le nombre d’unités imidazolium et leur position sur le noyau Binol, la longueur de la chaîne alkyle portée par les unités imidazolium et la nature du contre-anion. Après une étude des propriétés thermiques de ces composés, l’utilisation des Binol-imidazoliums en tant que ligands dans une réaction asymétrique d’éthylation d’aldéhydes aromatique a été étudiée en milieu liquide ionique. La réaction a été conduite en solvant liquide ionique dans le but de recycler aussi bien le ligand Binol-imidazolium que le solvant, en fin de réaction. Cette étude nous a permis de démontrer que la sélectivité de ces ligands ioniques dépend grandement de leur structure. En effet, seuls les Binols fonctionnalisés en positions 6 et 6’ permettent une sélectivité de la réaction d’éthylation. Alors que les dérivés de Binol fonctionnalisés en positions 3 et 3’ ne permettent pas une catalyse énantiosélective, il a déjà été rapporté que ces composés avaient la capacité de complexer des anions. D’autre part, il a déjà été rapporté par notre groupe, que les composés comportant des unités imidazolium pouvaient permettre le transport d’anions à travers des bicouches lipidiques en fonction de leur amphiphilie. Ceci nous a amenés à la deuxième partie de cette thèse qui porte sur les propriétés ionophores des Binols fonctionnalisés en positions 3 et 3’ par des unités imidazoliums. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude de la relation structure-activité et au mécanisme de transport de ces composés. Le transport d’anions étant un processus clé dans la biologie cellulaire, l’activité biologique des composés présentant une activité ionophore dans des systèmes modèles (liposomes) a été étudiée par la suite. L’activité antibactérienne des nos composés a été testée sur quatre souches de bactéries. Il s’est avéré que les composés Binol-imidazolium sont actifs uniquement sur les bactéries Gram positives. Finalement, la cytotoxicité des composés présentant une activité antibactérienne a été étudiée sur des cellules humaines.

Sels d’imidazolium avec des anions catalytiques : vers le développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides actifs en milieu liquide ionique

Les liquides ioniques connaissent depuis quelques décennies un essor particulier en raison de leurs nombreuses propriétés physico-chimiques intéressantes, telles qu’une faible pression de vapeur saturante, une viscosité limitée, une faible miscibilité avec la plupart des solvants communs, ou encore des propriétés d’agencement supramoléculaire, qui en font des outils puissants dans de nombreux domaines de la chimie. Les sels d’imidazolium représentent la plus grande famille de liquides ioniques à ce jour. Leur modulabilité leur permet d’être dérivés pour de nombreuses applications spécifiques, notamment en synthèse organique, où ils sont utilisés majoritairement comme solvants, et plus récemment comme catalyseurs. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur leur utilisation en synthèse organique, à la fois comme solvants et principalement comme catalyseurs chiraux, catalyseurs pour lesquels l’anion du sel est l’espèce catalytique, permettant d’ajouter de la flexibilité et de la mobilité au système. En tirant parti de la tolérance des liquides ioniques envers la majorité des macromolécules naturelles, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est le développement d’un nouveau type de catalyseur bio-hybride reposant sur l’encapsulation d’un sel d’imidazolium dans une protéine. Par le biais de la technologie biotine-avidine, l’inclusion supramoléculaire de sels d’imidazolium biotinylés portant des contre-anions catalytiques dans l’avidine a été réalisée et exploitée en catalyse. Dans un premier temps, le développement et l’étude de deux sels de 1-butyl-3-méthylimidazolium possédant des anions chiraux dérivés de la trans-4-hydroxy-L-proline sont rapportés, ainsi que leur comportement dans des réactions énantiosélectives d’aldol et d’addition de Michael. Ces types de composés se sont révélés actifs et performants en milieu liquide ionique. Dans un second temps, la préparation de sels d’imidazolium dont le cation est biotinylé et portant un contre-anion achiral, a été réalisée. Le comportement de l’avidine en milieu liquide ionique et son apport en termes de chiralité sur le système bio-hybride ont été étudiés. Les résultats montrent le rôle crucial des liquides ioniques sur la conformation de la protéine et l’efficacité du catalyseur pour des réactions d’aldol. Dans un dernier temps, l’influence de la structure du cation et de l’anion sur le système a été étudiée. Différents espaceurs ont été introduits successivement dans les squelettes cationiques et anioniques des sels d’imidazolium biotinylés. Dans le cas du cation, les résultats ne révèlent aucune influence majeure sur l’efficacité du catalyseur. La structure de l’anion se montre cependant beaucoup plus importante : la préparation de différents catalyseurs bio-hybrides possédant des anions aux propriétés physico-chimiques différentes a permis d’obtenir de plus amples informations sur le mode de fonctionnement du système bio-hybride et de la coopérativité entre l’avidine et l’anion du sel d’imidazolium.La nature ionique de la liaison cation-anion offrant une liberté de mouvement accrue à l’anion dans la protéine, la tolérance à différents substrats a également été abordée après optimisation du système.

Vers des assemblages de complexes métalliques oligonucléaires, servant d’antenne solaire au niveau moléculaire

Les fichiers additionnels sont les données cristallographiques en format CIF. Voir le site de la Cambridge Crystallographic Data Centre pour un visualiseur: http://www.ccdc.cam.ac.uk

Lactide polymerization with iron alkoxide complexes

Les essais préliminaires pour préparer des alcoolates de fer à partir du bichlorure ou bibromure de fer (II), en les combinant avec des ligands de type diimino pyridine, ont engendré la formation de complexes homoleptiques et hétéroleptiques, dépendant des substituants sur les branches imines du ligand. Ces complexes homoleptiques octaédriques et paramagnétiques ont été étudiés par rapport à leurs propriétés spectroscopiques et cristallographiques. De plus, la synthèse des complexes de fer hétéroleptique a engendré de bons précurseurs penta-coordonnés pour les réactions de substitution de ligands avec des alcoolates de métaux alcalins, de manière à produire les dialcoolates de fer (II) désirés. Des techniques d’analyse telles que la spectroscopie UV-vis, l’analyse élémentaire, la spectrométrie de masse à haute résolution et la cristallographie aux rayons X ont été utilisées pour caractériser ces complexes de fer. L’activité catalytique de ces complexes de fer (II) a aussi été étudiée par rapport à la polymérisation du lactide; les dialcoolates convoités ont été générés in-situ en raison de la difficulté à produire et à isoler les dérivés alcoolates des complexes diimino pyridine de fer. Une étude approfondie a aussi été faite sur les réactions de polymérisation, surtout par rapport aux valeurs de conversion à l’échelle du temps, ainsi qu’à la tacticité des chaines de polymères obtenues. Ces analyses ont été effectuées par l’entremise de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, de la chromatographie d’exclusion stérique, et de la spectrométrie de masse MALDI (désorption-ionisation laser assistée par matrice).

Development of a Phase Separation Strategy in Macrocyclization Reactions

La réaction de macrocyclisation est une transformation fondamentale en chimie organique de synthèse. Le principal défi associcé à la formation de macrocycles est la compétition inhérente avec la réaction d’oligomérisation qui mène à la formation de sousproduits indésirables. De plus, l’utilisation de conditions de dilutions élevées qui sont nécessaires afin d’obtenir une cyclisation “sélective”, sont souvent décourageantes pour les applications à l’échelle industrielle. Malgré cet intérêt pour les macrocycles, la recherche visant à développer des stratégies environnementalement bénignes, qui permettent d’utiliser des concentrations normales pour leur synthèse, sont encore rares. Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle approche générale visant à améliorer l’efficacité des réactions de macrocyclisation en utilisant le contrôle des effets de dilution. Une stratégie de “séparation de phase” qui permet de réaliser des réactions à des concentrations plus élevées a été developpée. Elle se base sur un mélange de solvant aggrégé contrôlé par les propriétés du poly(éthylène glycol) (PEG). Des études de tension de surface, spectroscopie UV et tagging chimique ont été réalisées afin d’élucider le mécanisme de “séparation de phase”. Il est proposé que celui-ci fonctionne par diffusion lente du substrat organique vers la phase ou le catalyseur est actif. La nature du polymère co-solvant joue donc un rôle crutial dans le contrôle de l’aggrégation et de la catalyse La stratégie de “séparation de phase” a initiallement été étudiée en utilisant le couplage oxidatif d’alcynes de type Glaser-Hay co-catalysé par un complexe de cuivre et de nickel puis a été transposée à la chimie en flux continu. Elle fut ensuite appliquée à la cycloaddition d’alcynes et d’azotures catalysée par un complexe de cuivre en “batch” ainsi qu’en flux continu.

Activation chimiosélective et dérivatisation d’amides et d'alcools : synthèse de plusieurs groupements fonctionnels et hétérocycles

Un objectif majeur en chimie organique est le développement de méthodes de synthèses générales, simples et peu coûteuses permettant la modification efficace des ressources naturelles en différents produits d’intérêt public. En particulier, la recherche de méthodes chimiosélectives et de méthodes dites « vertes » représente un intérêt croissant pour le secteur industriel (dont le domaine pharmaceutique). En fait, l’application en synthèse sur grande échelle de procédés catalytiques, sélectifs et utilisant des conditions douces permet de réduire le volume de déchets et la demande énergétique, minimisant ainsi les coûts de production et les effets néfastes sur l’environnement. Dans ce contexte, le groupe de recherche du Professeur André B. Charette de l’Université de Montréal s’intéresse au développement de méthodes générales et chimiosélectives permettant la transformation de fonctionnalités aisément accessibles tels que les amides et les alcools. La fonction amide, aussi appelée liaison peptidique dans les protéines, est présente dans diverses familles de molécules naturelles et est couramment employée comme intermédiaire synthétique dans la synthèse de produits d’intérêt pharmaceutique. Le groupement alcool est, quant à lui, l’une des fonctionnalités les plus abondantes dans la nature, intrinsèquement et largement utilisé en chimie de synthèse. Dans le cadre de cette thèse, des transformations simples, générales et chimiosélectives ont été réalisées sur des amides secondaires et tertiaires, ainsi que sur des alcools primaires et secondaires. La première partie de ce manuscrit se penche sur l’activation de la fonction amide par l’anhydride triflique (Tf2O), suivie de l’addition nucléophile de différents réactifs permettant ainsi la formation de plusieurs groupements fonctionnels versatiles, parfois indispensables, couramment employés en chimie organique tels que les aldimines, les aldéhydes, les amines, les cétones, les cétimines et des dérivés de la fonction amidrazone. Cette dernière fonctionnalité a également été utilisée dans des réactions successives vers la formation d’hétérocycles. De ce fait, des 1,2,4-triazoles ont été formés suite à une cyclodéshydratation initiée en conditions thermiques et faiblement acides. D’autre part, des 3-aminoindazoles ont été synthétisés par une fonctionnalisation C–H catalysée par un sel de palladium (II). La deuxième partie de la thèse est consacrée à la réaction de Mitsunobu en conditions acides, permettant ainsi la substitution nucléophile d’alcools en présence de carbamines (ou amines ne possédant pas de groupement électro-attracteurs). Ce type de nucléophile, basique lorsqu’utilisé comme base libre (avec un pKa se situant au-dessus de 13 dans le DMSO), n’est intrinsèquement pas compatible dans les conditions standards de la réaction de Mitsunobu. Contrairement aux conditions usuelles multi-étapes employant la réaction de Mitsunobu, la méthode développée au cours de cette étude permet la formation d’amines substituées en une seule étape et ne requiert pas l’emploi de groupements protecteurs.

Studies On Supported Cobalt (Ii), Nickel (Ii) and Copper (Ii) Complexes Of O-Phenylenediamine and Schiff Bases Derived from 3-Hydroxyquinoxaline-2-Carboxaldehyde

The thesis deals with the synthesis, characterization and catalytic activity studies of supported cobalt(ii), nickel(II) and copper(II) complexes of O-phenylenediamine and Schiff bases derived from 3-hydroxyquinoxaline -2-carboxaldehyde. Zeolite encapsulation and polymer anchoring was employed for supporting the complexes. The characterization techniques proved that the encapsulation as well as polymer supporting has been successfully achieved. The catalytic activity studies revealed that the activities of the simple complexes are improved upon encapsulation. Various characterization techniques are used such as, chemical analysis, EPR, magnetic measurements, FTIR studies, thermal analysis, electronic spectra, XRD, SEM, surface area, and GC.The present study indicated that the that the mechanism of oxidation of catechol and DTBC by hydrogen peroxide is not altered by the change in the coordination sphere around the metal ion due to encapsulation. This fact suggests outer sphere mechanism for the reactions. The catalytic activity by zeolite encapsulated complex was found to be slower than that by the neat complex. The slowing down of the reaction in the zeolite case is probably due to the constraint imposed by the zeolite framework. The rate of DTBC ( 3,5-di-tert-butylchatechol)oxidation was found to be greater than the rate of catechol oxidation. This is obviously due to the presence of electron donating tertiary butyl groups.

Studies on Catalysis by Vanadia Supported On Metal Oxides

Catalysis is an essential technology in manufacturing industries. The investigation based on supported vanadia catalysts and it’s sulfated analogues. Vanadia is a transition metal oxide and is used in oxidation reactions in chemical industry. It is more active and selective catalysts on suitable supports. The work deals with preparation of vanadia incorporated tin oxide and zirconia systems by wet impregnation. Physico-chemical characterization using instrumental techniques like BET etc. The surface acidic properties were determined by the ammonia TPD studies, Perylene absorption studies and Cumene conversion reaction. The catalytic activities of the prepared systems are tested by Friedel-Crafts benzylation of arenes and Bechmann rearrangement of Cyclohexanol oxime. Here the rector reactions are relatively rare. So to test the application of the catalyst systems for the selective oxidation of cyclohexanol to cyclohexanone and finally evaluate the catalytic activity of the systems for the vapour phase oxidative dehydrogenation of Ethylbenzene, which leads to the formation of Industrially important compound ‘styrene’ is another objective of this work

Sol-Gel Nanocrystalline Catalytic Titania Powders and Functional Coatings

In the present work Titania bulk powders and coatings were prepared by subjecting titanium isopropoxide solution to a controlled hydrolysis-condensation process. The powders were characterized using techniques such as FTIR for their chemical interactions, TG-DTA for the thermal decomposition features, XRD for the phase assemblage, BET specific surface area analysis for the textural features. The study discusses the preparation methods and the characterization techniques employed and a detailed discussion on the physico-chemical characterization of the prepared systems. The influence of dopants and leaching on the physico-chemical properties as well as their influence on photo activity is also included. The structural/functional coatings of different Titania compositions includes in this study. Coatings on pre-treated glass surfaces with the best compositions prepared showed 90 % transmittance in the visible region.

Studies on Some Simple and Zeolite-Y Encapsulated 3d-Transition Metal Complexes of Schiff Bases Derived From 2-Aminobenzothiazole

In this regard Schiff base complexes have attracted wide attention. Furthermore, such complexes are found to play important role in analytical chemistry, organic synthesis, metallurgy, refining of metals, electroplating and photography. Many Schiff base complexes are reported in literature. Their properties depend on the nature of the metal ion as well as on the nature of the ligand. By altering the ligands it is possible to obtain desired electronic environment around the metal ion. Thus there is a continuing interest in the synthesis of simple and zeolite encapsulated Schiff base complexes of metal ions. Zeolites have a number of striking structural similarities to the protein portion of natural enzymes. Zeolite based catalysts are known for their remarkable ability of mimicking the chemistry of biological systems. In view of the importance of catalysts in all the areas of modern chemical industries, an effort has been made to synthesize some simple Schiff base complexes, heterogenize them by encapsulating within the supercages of zeoliteY cavities and to study their applications. The thesis deals with studies on the synthesis and characterization of some simple and zeoliteY encapsulated Mn(II), Fe(III), Co(II), Ni(II) and Cu(II) complexes and on the catalytic activity of these complexes on some oxidation reactions. Simple complexes were prepared from the Schiff base ligands SBT derived from 2-aminobenzothiazole and salicylaldehyde and the ligand VBT derived from 2-aminobenzothiazole and vanillin (4-hydroxy-3- methoxybenzaldehyde). ZeoliteY encapsulated Mn(II), Fe(III), Co(II), Ni(II) and Cu(II) complexes of Schiff base ligands SBT and VBT and also of 2-aminobenzothiazole were synthesized. All the prepared complexes were characterized using the physico-chemical techniques such as chemical analysis (employing AAS and CHN analyses), magnetic moment studies, conductance measurements and electronic and FTIR spectra. EPR spectra of the Cu(II) complexes were also carried out to know the probable structures and nature of Cu(II) complexes. Thermogravimetric analyses were carried out to obtain the information regarding the thermal stability of various complexes. The successful encapsulations of the complexes within the cavities of zeoliteY were ascertained by XRD, surface area and pore volume analysis. Assignments of geometries of simple and zeoliteY encapsulated complexes are given in all the cases. Both simple and zeoliteY encapsulated complexes were screened for catalytic activity towards oxidation reactions such as decomposition of hydrogen peroxide, oxidation of benzaldehyde, benzyl alcohol, 1-propanol, 2-propanol and cyclohexanol.

Novel Reactions of TRIS(2-Thienyl)Methane and TRIS(2-Furyal)Methane

A systematic investigation of the reactivity and functionalization of two heterocyclic analogs of triphenylmethane , namely tris(2-thienyl)methane and tris(2-furyl)methane have been carried out and the results are presented in this thesis entitled "NOVEL REACTIONS OF TRIS(2-THIENYL)METHANE AND TRIS(2-FURYL)METHANE.". The history of organic free radicals dates back to Gomberg's monumental discovery of the triphenylmethyl radical in 1900. The heterocyclic analogs of triarylmethane are also interesting from the vantage point of their transformation to the corresponding radicals akin to Gomberg ' s triphenylmethyl radical and also they are prone to further transformation leading to three dimensionally elongated molecules such as dendrimers. Dendritic architectures are one of the most pervasive topologies observed in nature at the macro- and microdimensional length devices. Because of their ability to combine both organic and inorganic compounds and their propensity to either encapsulate or be engineered into unimolecular functional devices , dendrimers are versatile amongst existing nanoscale building blocks and materials.

Novel1, 3-Dipolar Cycloaddition Reactions of Acyclic Carbonyl Ylides and Related Chemistry

The thesis entitled novel 1,3-dipolar cycloaddition reactions of acyclic carbonyl ylides and related chemistry embodies the results of the investigations carried out to explore the reactivity of acyclic carbonyl ylides,generated by the reaction of dicarbomethoxy carbine and aldehydes towards dipolarophiles such as activated styrenes,1,2-and 1,4-quinones. In conclusion ,we have explored the reactivity pattern of acyclic carbonyl ylides derived from dicarbomethoxycarbene and aldehyde towards activated styrenes with a view to develop a stereoselective synthesis of highly substituted tetrahydrofuran derivatives. It was also found that the ylide could be trapped by various 1,2-and 1,4-diones to form dioxolane derivatives. It is noteworthy that the cycloaddition is highly region- and stereoselective. With isatins the ylide preferentially adds to the more electrone deficient carbonyl group making it regiospecific. Hetrocyclic compounds are of pivotal importance in organic chemistry, and enormous efforts have been devoted to develop new methodologies for their synthesis. It is noteworthy in this context that, 1,3-dipolar cycloaddition reaction,otherwise called Huisgen reaction, constitutes one of the most efficient methods for the synthesis of five membered heterocycles. Among the various dipoles, carbonyl ylides have received substiancial attention in recent years largely due to their utility in the synthesis of a wide range of oxygen hetrocycles, which are often found as structural subunits of many bioactive natural products.