A comparative study of protoheme and heme d catalases : role of the heme and the heme pocket in catalysis and ligand binding

Catalase dismutes H20 2 to O2 and H20. In successive twoelectron reactions H20 2 induces both oxidation and reduction at the heme group. In the first step the protoheme prosthetic group of beef liver catalase forms compound I, in which the heme has been oxidized from Fe3+ to Fe4+=0 and a porphyrin radical has been created. Compound II is formed by the oneelectron reduction of comp I. It retains Fe4+=0 but lacks the porphyrin radical and is catalytically inert. Molecular structures are available for Escherichia coli Hydroperoxidase II, Micrococcus Iysodeiktus, Penicillium vitale and beef liver enzymes, which contain different hemes and heme pockets. In the present work, the pockets and substrate access channels of protoheme (beef liver & Micrococcus) and heme d (HPII of E. coli and Penicillium) catalases have been analysed using Quanta™ and CharmMTM molecular modeling packages on the Silicon Graphics Iris Indigo 2 computer. Experimental studies have been carried out with two catalases, HPII (and its mutants) and beef liver. Fluoride and formate' are inhibitors of both enzymes, and their binding is modulated by the heme and by distal residues N201 & H128. Both HPII and beef liver enzymes form compound I with H202 or peracetate. The reduction of beef liver enzyme compound I to II and the decay of compound II are accelerated by fluoride. The decay of compound II is also accelerated by formate, and this reagent acts as a 2-electron donor towards compound I of both enzymes. It is concluded that heme d enzymes (Penicillium and HPII of E. coli) are formed by autocatalytic transformation of protoheme in a modified pocket which contains a characteristic serine residue as well as a partially occluded heme channel. They are less active than protoheme enzymes but also do not form the inactive compound II species. Binding of peroxide as well as fluoride and formate is prevented by mutation of H128 and modulated by mutation of N201.

Half-sandwich silane complexes of ruthenium and iron : synthesis, structure and application to catalysis

The present thesis describes syntheses, structural studies, and catalytic reactivity of new non-classical silane complexes of ruthenium and iron. The ruthenium complexes CpRu(PPri3)CI(T]2-HSiR3) (1) (SiR3 = SiCh (a), SiClzMe (b), SiCIMe2 (c), SiH2Ph (d), SiMe2Ph (e» were prepared by reactions of the new unsaturated complex CpRu(PPri3)CI with silanes. According to NMR studies and X-ray analyses, the complexes la-c exhibit unusual simultaneous Si··· H and Si··· CI-Ru interactions. The complex CpRu(PPri3)CI was also used for the preparation of the first examples of late transition metal agostic silylamido complexes CpRu(PPri3)(N(T]2-HSiMe2)R) (2) (R= Ar or But), which were characterized by NMR spectroscopy. The iron complexes CpFe(PMePri2)H2(SiR3) (3) (SiR3 = SiCh (a), SiClzMe (b), SiCIMe2 (c), SiH2Ph (d), SiMe2Ph (e» were synthesized by the reaction of the new borohydride iron complex CpFe(PMePri2)(B~) with silanes in the presence NEt3. The complexes 3 exhibit unprecedented two simultaneous and equivalent Si··· H interactions, which was confirmed by X-ray analyses and DFT calculations. A series of cationic ruthenium complexes [CpRu(PR3)(CH3CN)(112-HSiR'3)]BAF (PR3 = PPri 3 (4), PPh3 (5); SiR'3 = SiCh (a), SiClzMe (b), SiClMe2 (c), SiH2Ph (d), SiMe2Ph (e» was obtained by substitution of one of the labile acetonitrile ligands in [CpRu(PR3)(CH3CNh]BAF with sHanes. Analogous complexes [TpRu(PR3)(CH3CN)(T]2 -HSiR' 3)]BAF (5) were obtained by the reaction of TpRu(PR3)(CH3CN)CI with LiBAF in the presence of silanes. The complexes 4-5 were characterized by NMR spectroscopy, and the observed coupling constants J(Si-H) allowed us to estimate the extent of Si-H bond activation in these compounds. The catalytic activity in hydrosilylation reactions of all of the above complexes was examined. The most promising results were achieved with the cationic ruthenium precatalyst [CpRu(PPri3)(CH3CN)2t (6). Complex 6 shows good to excellent catalytic activity in the hydrosilylation of carbonyls, dehydrogenative coupling of silanes with alcohols, amines, acids, and reduction of acid chlorides. We also discovered very selective reduction of nitriles and pyridines into the corresponding N-silyl imines and l,4-dihydropyridines, respectively, at room temperature with the possibility of catalyst recycling. These chemoselective catalytic methods have no analogues in the literature. The reactions were proposed to proceed via an ionic mechanism with intermediate formation of the silane a-complexes 4.

Synthesis, Catalysis and Stoichiometric Reactivity of Mo Imido Complexes

The syntheses, catalytic reactivity and mechanistic investigations of novel Mo(IV) and Mo(VI) imido systems is presented. Attempts at preparing mixed bis(imido) Mo(IV) complexes of the type (RN)(R′N)Mo(PMe3)n (n = 2 or 3) derived from the mono(imido) complexes (RN)Mo(PMe3)3(X)2 (R = tBu (1) or Ar (2); X = Cl2 or HCl, Ar=2,6-iPr2C6H3) are also described. The addition of lithiated silylamides to 1 or 2 results in the unexpected formation of the C-H activated cyclometallated complexes (RN)Mo(PMe3)2(η2-CH2PMe2)(X) (R = Ar, X = H (3); R = tBu, X = Cl (4)). Complexes 3 and 4 were used in the activation of R′E-H bonds (E = Si, B, C, O, P; R′ = alkyl or aryl), which typically give products of addition across the M-C bond of the type (RN)Mo(PMe3)3(ER′)(X) (4). In the case of 2,6-dimethylphenol, subsequent heating of 4 (R = Ar, R′ = 2,6-Me2C6H3, E = O) to 50 °C results in C-H activation to give the cyclometallated complex (ArN)Mo(PMe3)3(κ2-O,C-OPh(Me)CH2) (5). An alternative approach was developed in synthesizing the mixed imido complex (ArN)(tBuN)Mo(PMe3)(η2-C2H4) (6) through EtMgBr reduction of (ArN)(tBuN)MoCl2(DME) in the presence of PMe3. Complex 6 reacts with various hydro- and chlorosilanes to give β-agostic silylamido complexes and in one case, when Me2SiHCl is the silane, leads to the silanimine complex (tBuN)Mo(η2-SiMe2-NAr)(Et)(η2-C2H4) (7). Mechanistic studies on the formation of the Mo(VI) tris(silyl) complex (tBuN)Mo(SiHPh)(H){(μ-NtBu)(SiHPh)}(PMe3)2 (8) were done from the addition of three equivalents of PhSiH3 to (tBuN)Mo(PMe3)(η2-C2H4), resulting in identification of β- and γ-agostic SiH…Mo intermediates. The reactivity of complex 8 towards ethylene and nitriles was studied. In both cases coupling of unsaturated substrates with the Mo-Si bond of the metalacycle was observed. In the case of nitriles, insertion into the 4-membered disilaazamolybdacycle results in complexes of the type (tBuN)Mo{(κ2-Si,C-SiHPh-NtBu-SiHPh-N=C(R)}(PMe3)2. Catalytic hydrosilylation of carbonyls mediated by the β-agostic silylamido complex (ArN)2Mo(η3-NtBu-SiMe2-H)(H) (9) was investigated. Stoichiometric reactions with organic substrates showed that catalysis with 9 does not proceed via the conventional insertion of substrate into the Mo-H bond.

A DFT Guided/Experimental Approach to Asymmetric Allylation and Phase-Transfer Catalysis

The Dudding group is interested in the application of Density Functional Theory (DFT) in developing asymmetric methodologies, and thus the focus of this dissertation will be on the integration of these approaches. Several interrelated subsets of computer aided design and implementation in catalysis have been addressed during the course of these studies. The first of the aims rested upon the advancement of methodologies for the synthesis of biological active C(1)-chiral 3-methylene-indan-1-ols, which in practice lead to the use of a sequential asymmetric Yamamoto-Sakurai-Hosomi allylation/Mizoroki Heck reaction sequence. An important aspect of this work was the utilization of ortho-substituted arylaldehyde reagents which are known to be a problematic class of substrates for existing asymmetric allylation approaches. The second phase of my research program lead to the further development of asymmetric allylation methods using o-arylaldehyde substrates for synthesis of chiral C(3)-substituted phthalides. Apart from the de novo design of these chemistries in silico, which notably utilized water-tolerant, inexpensive, and relatively environmental benign indium metal, this work represented the first computational study of a stereoselective indium-mediated process. Following from these discoveries was the advent of a related, yet catalytic, Ag(I)-catalyzed approach for preparing C(3)-substituted phthalides that from a practical standpoint was complementary in many ways. Not only did this new methodology build upon my earlier work with the integrated (experimental/computational) use of the Ag(I)-catalyzed asymmetric methods in synthesis, it provided fundamental insight arrived at through DFT calculations, regarding the Yamamoto-Sakurai-Hosomi allylation. The development of ligands for unprecedented asymmetric Lewis base catalysis, especially asymmetric allylations using silver and indium metals, followed as a natural extension from these earlier discoveries. To this end, forthcoming as well was the advancement of a family of disubstituted (N-cyclopropenium guanidine/N-imidazoliumyl substituted cyclopropenylimine) nitrogen adducts that has provided fundamental insight into chemical bonding and offered an unprecedented class of phase transfer catalysts (PTC) having far-reaching potential. Salient features of these disubstituted nitrogen species is unprecedented finding of a cyclopropenium based C-H•••πaryl interaction, as well, the presence of a highly dissociated anion projected them to serve as a catalyst promoting fluorination reactions. Attracted by the timely development of these disubstituted nitrogen adducts my last studies as a PhD scholar has addressed the utility of one of the synthesized disubstituted nitrogen adducts as a valuable catalyst for benzylation of the Schiff base N-diphenyl methylene glycine ethyl ester. Additionally, the catalyst was applied for benzylic fluorination, emerging from this exploration was successful fluorination of benzyl bromide and its derivatives in high yields. A notable feature of this protocol is column-free purification of the product and recovery of the catalyst to use in a further reaction sequence.

Half-sandwich Complexes of Ruthenium; Synthesis and Application to Catalysis

This thesis describes syntheses and catalytic reactivity of several half-sandwich complexes of ruthenium. The neutral ruthenium trihydride complex, Cp(PPri3)RuH3(1), can efficiently catalyse the H/D exchange reaction between various organic substrates and deuterium sources, such as benzene-d6. Moreover, the H/D exchange reactions of polar substrates were also observed in D2O, which is the most attractive deuterium source due to its low cost and low toxicity. Importantly, the H/D exchange under catalytic conditions was achieved not only in aromatic compounds but also in substituted liphatic compounds. Interestingly, in the case of alkanes and alkyl chains, highly selective deuterium incorporation in the terminal methyl positions was observed. It was discovered that the methylene units are engaged in exchange only if the molecule contains a donating functional group, such as O-and N-donors, C=C double bonds, arenes and CH3. The cationic half-sandwich ruthenium complex [Cp(PPri3)Ru(CH3CN)2]+(2) catalyses the chemoselective mono-addition of HSiMe2Ph to pyridine derivatives to selectively give the 1,4-regiospecific, N-silylated products. An ionic hydrosilylation mechanismis suggested based on the experiments. To support this mechanistic proposal, kinetic studies under catalytic conditions were performed. Also, the 1,4-regioselective mono-hydrosilylation of nitrogen containing compounds such as phenanthroline, quinoline and acridine can be achieved with the related Cp*complex [Cp*(phen)Ru(CH3CN)]+(3) (phen = 1,10-phenanthroline) and HSiMe2Ph under mild conditions. The cationic ruthenium complex 2 can also be used as an efficient catalyst for transfer hydrogenation of various organic substrates including carbonyls, imines, nitriles and esters. Secondary alcohols, amines, N-isopropylidene amines and ether compounds can be obtained in moderate to high yields. In addition, other ruthenium complexes, 1,3 and [Cp*(PPri3)Ru(CH3CN)2]+(4), can catalyse transfer hydrogenation of carbonyls although the reactions were sluggish compared to the ones of 2. The possible intermediate, Cp(PPri3)Ru(CH3CN)(H), was characterized by NMR at low temperature and the kinetic studies for the transfer hydrogenation of acetophenone were performed. Recently, chemoselective reduction of acid chlorides to aldehydes catalysed by the complex 2 was reported. To extend the catalytic reactivity of 2, reduction of iminoyl chlorides, which can be readily obtained from secondary amides, to the corresponding imines and aldehydes was investigated. Various substituted iminoyl chlorides were converted into the imines and aldehydes under mild conditions and several products were isolated with moderate yields.

Lipase-Mediated Enzymatic Catalysis For The Synthesis of New Chiral Polymers

Immobilized lipase B from Candida antarctica (N435) was investigated as a potential biocatalyst to generate silicone-based chiral polymers from monomers derived from the enzymatic dihydroxylation of bromobenzene. Several conditions and parameters have been investigated for this purpose and lipase transesterification preference to each of the free secondary alcohols in the chiral monomers was documented. The N435 was challenged with a series of substrates where the free alcohol moieties were systematically protected in order to study the substrate preference(s) for the transesterification reactions.

Contrôle de l'organisation moléculaire en 2D et 3D par l’utilisation de liaisons hydrogène, de coordination métallique et d'autres interactions

La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie.

Molecular tectonics : supramolecular 2D nanopatterning of surfaces by self-assembly

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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.

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.

Assemblage moléculaire régi par la formation de bifluorènes : vers la formation de réseaux organiques covalents retenus par des liaisons carbone-carbone

Les réseaux organiques covalents (COFs) sont des réseaux bidimensionnels et tridimensionnels assemblés seulement par des atomes légers, c’est-à-dire de la première et deuxième rangée du tableau périodique. Ceux-ci ont montré des propriétés de porosité pouvant être exploitées dans le stockage, dans la catalyse et dans la séparation moléculaire. La plupart de ces matériaux ont été obtenus par une réaction finale de condensation, ce qui nuit à leurs cristallisations, donc à l’homogénéité et à la caractérisation détaillée de ces matériaux. Les p-xylylènes de Thiele et Tschitschibabin sont des molécules qui ont suscité l’intérêt pour leurs structures et leurs propriétés magnétiques. Subséquemment, Wittig a démontré que le remplacement des fragments diphénylméthylène par des fragments fluorénylidène sur le p-xylylène de Thiele donne des molécules pouvant s’oligomériser pour former un tétramère. Dans notre étude, nous avons examiné l’assemblage de dérivés fluorénylidène dans le but d’obtenir un COF. Tout d’abord, un dérivé linéaire similaire à ce que Wittig a obtenu a été synthétisé afin de vérifier l’assemblage à partir d’un cœur spirobifluorényle. Ces molécules se sont assemblées en tétramère, comme prévu, et en hexamère. Ces deux résultats ont pu être rationalisés par une étude à l’état solide par diffraction des rayons-X. L’empilement tridimensionnel a également été étudié pour ces deux molécules. Subséquemment, des dérivés tétraédriques ont été synthétisés afin d’étudier leurs assemblages. Un premier dérivé est resté sous sa forme quinoïdale et ne s’est pas assemblé, alors qu’un second dérivé a mené à un dimère partiellement assemblé. La structure de ce dernier suggère la formation d’un polymère linéaire pour ce composé dans le cas où il aurait été possible de l’assembler complètement.

Carbon-carbon bond formation : from transition metal catalysis to base-promoted homolytic aromatic substitution

Cette thèse de doctorat porte sur la catalyse à partir de métaux de transition et sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base visant à former de nouvelles liaisons C–C, et à ainsi concevoir de nouvelles structures chimiques. Au cours des vingt dernières années, des nombreux efforts ont été réalisés afin de développer des méthodologies pour la fonctionnalisation de liens C–H, qui soient efficaces et sélectives, et ce à faible coût et en produisant le minimum de déchets. Le chapitre d'introduction donnera un aperçu de la fonctionnalisation directe de liens C–H sur des centres sp2 et sp3. Il sera également discuté dans cette partie de certains aspects de la chimie radicalaire reliés a ce sujet. Les travaux sur la fonctionnalisation d’imidazo[1,5-a]pyridines catalysée par des compleces de ruthénium seront présentés dans le chapitre 2. Malgré l'intérêt des imidazo[1,5-a]azines en chimie médicinale, ces composés n’ont reçu que peu d'attention dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C–H. L'étendue de la réaction et l'influence des effets stériques et électroniques seront détaillés. Les cyclopropanes représentent les 10ème cycles carbonés les plus rencontrés dans les petites molécules d’intérêt pharmacologique. Ce sont aussi des intermédiaires de synthèse de choix pour la création de complexité chimique. Malgré de grands progrès dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C(sp3)–H, l'étude des cyclopropanes comme substrats dans les transformations directes est relativement nouvelle. Le chapitre trois présentera l'arylation intramoléculaire directe de cyclopropanes. Cette réaction est réalisée en présence de palladium, en quantité catalytique, en combinaison avec des sels d’argent. Des études mécanistiques ont réfuté la formation d'un énolate de palladium et suggéreraient plutôt une étape de métallation - déprotonation concertée. En outre, les cycles de type benzoazepinone à sept chaînons ont été synthétisés par l'intermédiaire d'une séquence d'activation de cyclopropane/ouverture/cyclisation. Une arylation directe intermoléculaire des cyclopropanes a été réalisée en présence d'un auxiliaire de type picolinamide (Chapitre 4). Les deux derniers chapitres de ce mémoire de thèse décriront nos études sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base. Le mécanisme de la réaction de cyclisation intramoléculaire d'halogénures d'aryle, réalisée en présence de tert-butylate de potassium, a été élucidé et se produit via une voie radicalaire (Chapitre 5). La transformation, exempte de métaux de transition, ne nécessite que la présence d’une base et de pyridine comme solvant. Cette réaction radicalaire a été étendue à la cyclisation d'iodures d'alkyle non activés en présence d'un catalyseur à base de nickel et de bis(trimethylsilyl)amidure de sodium comme base (Chapitre 6). Des études de RMN DOSY ont démontré une association entre le catalyseur, la base et le matériel de départ.

Design, synthèse et application en catalyse verte d’un ligand alkyl imidazolium β-cyclodextrine

Le 21e siècle est le berceau d’une conscientisation grandissante sur les impacts environnementaux des processus utilisés pour synthétiser des molécules cibles. Parmi les avancées qui ont marqué ces dernières décennies, il est également question de réduction de déchets, de conservation de l’énergie et de durabilité des innovations. Ces aspects constituent les lignes directrices de la chimie verte. De ce fait, il est impératif de développer des stratégies de synthèse dont les impacts environnementaux sont bénins. Dans ce mémoire nous présentons la synthèse, la caractérisation et l’étude des propriétés catalytiques en milieu aqueux d’un ligand composé d’une unité -cyclodextrine native, d’une unité imidazolium et d’une chaine alkyle à 12 carbones. Ce ligand hybride s’auto-assemble dans l’eau sous forme de micelles, permettant ainsi d’effectuer en sa présence des couplages de Suzuki-Miyaura dans l’eau, avec de bons rendements. La fonctionnalisation de la face primaire de la -cyclodextrine par un noyau alkyl-imidazolium, précurseur de ligand de type carbène N-hétérocyclique, a permis le développement d’un système catalytique vert et hautement recyclable. Dans un deuxième temps, nous présentons l’utilisation du même ligand hybride dans des couplages de Heck dans l’eau, démontrant ainsi la versatilité du ligand.

Synthesis of transition metal N-heterocyclic carbene complexes and applications in catalysis

Les ligands de carbènes N-hétérocycliques (NHC) qui possèdent une symétrie C1 attirent beaucoup l’attention dans la littérature. Le présent projet de recherche propose de synthétiser une nouvelle série de ligands NHC C1-symétriques avec deux groupements N-alkyles qui exploitent un relais chiral. Un protocole modulaire et efficace pour la synthèse des sels d’imidazolium chiraux qui servent comme préligands pour les NHC a été développé. Quelques-uns de ces nouveaux ligands ont été installés sur le cuivre et de l’or, créant de nouveaux complexes chiraux. Les nouveaux complexes à base de cuivre ont été évalués comme catalyseurs pour le couplage oxydatif de 2-naphthols. Les ligands C1-symmétriques ont fourni des meilleurs rendements que les ligands C2-symmétriques. Au cours de l’optimisation, des additifs ont été évalués; les additifs à base de pyridine ont fourni des énantiosélectivités modérées tandis que les additifs à base de malonate ont donné des meilleurs rendements de la réaction de couplage oxydatif. Ultérieurement, les additifs à base de malonate ont été appliqués envers l’hétérocouplage de 2-naphthols. Le partenaire de couplage qui est riche en électrons est normalement en grand excès à cause de sa tendance à dégrader. Avec le bénéfice de l’additif, les deux partenaires de couplage peuvent être utilisés dans des quantités équivalentes. La découverte de l’effet des additifs a permis le développement d’un protocole général pour l’hétérocouplage de 2-naphthols.

Electrospinning and characterization of supramolecular poly(4-vinyl pyridine)-small molecule complexes

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces.