The versatility and utilization of phosphorus based compounds in classic carbon-carbon bond forming and esterification reactions

The phosphonium salt room temperature ionic liquid tetradecyltrihexylphosphonium chloride (THPC) has been employed as an efficient reusable media for the palladium catalyzed Suzuki cross-coupling reaction of aryl halides, including aryl chlorides, under mild conditions. The cross-coupling reactions were found to proceed in THPC containing small amounts ofwater and toluene (single phase) using potassium phosphate and 1% Pd2(dba)3'CHCI3. Variously substituted iodobenzenes, including electron rich derivatives, reacted efficiently in THPC with a variety of arylboronic acids and were all complete within 1 hour at 50°C. The corresponding aryl bromides also reacted under these conditions with the addition of a catalytic amount of triphenylphosphine that allowed for complete conversion and high isolated yields. The reactions involving aryl chlorides were considerably slower, although the addition of triphenylphosphine and heating at 70°C allowed high conversion of electron deficient derivatives. Addition of water and hexane to the reaction products results in a triphasic system, from which the catalyst was then recycled by removing the top (hexanes) and bottom (aqueous) layers and adding the reagents to the ionic liquid which was heated again at 50°C; resulting in complete turnover of iodobenzene. Repetition of this procedure gave the biphenyl product in 82-97% yield (repeated five times) for both the initial and recycled reaction sequences. IL ESTERIFICATIONREACTION A new class oftrialkylphosphorane has been prepared through reaction of a trialkylphosphine with 2-chlorodimethylmalonate in the presence oftriethylamine. These new reagents promote the condensation reaction of carboxylic acids with alcohols to provide esters along with trialkylphosphine oxide and dimethylmalonate. The condensation reaction of chiral secondary alcohols can be controlled to give either high levels of inversion or retention through a subtle interplay involving basicity of the reaction media, solvent, and tuning the electronic and steric nature of the carboxylic acid and stenc nature of the phosphorane employed. A coherent mechanism is postulated to explain these observations involving reaction via an initial acyloxyphosphonium ion.

Modifications to the Suzuki reaction and mechanistic insights on the NBS mediated cleavage of benzylidene acetals /

One of the most challenging tasks for a synthetic organic chemist today, is the development of chemo, regio, and stereoselective methodologies toward the total synthesis of macromolecules. r . The objective of my thesis was to develop methodologies towards this end. The first part of my project was to develop highly functionalized chirons from D-glucose, a cheap, chiral starting material, to be utilized in this capacity. The second part of the project dealt with modifying the carbon-carbon bond forming Suzuki reaction, which is utilized quite often as a means of combining molecular sub units in total synthesis applications. As previously stated the first area of the project was to develop high value chirons from D-glucose, but the mechanism of their formation was also investigated. The free radical initiated oxidative fragmentation of benzylidene acetals was investigated through the use of several test-case substrates in order to unravel the possible mechanistic pathways. This was performed by reacting the different acetals with N-bromosuccinimide and benzoyl peroxide in chlorobenzene at 70^C in all cases. Of the three mechanistic pathways discussed in the literature, it was determined, from the various reaction products obtained, that the fragmentation of the initial benzylic radical does not occur spontaneously but rather, oxidation proceeds to give the benzyl bromide, which then fragments via a polar pathway. It was also discovered that the regioselectivity of the fragmentation step could be altered through incorporation of an allylic system into the benzylidene acetal. This allows for the acquisition of a new set of densely functionalized. chiral, valuable synthetic intermediates in only a few steps and in high yields from a-Dglucose. The second part of the project was the utilization of the phosphonium salt room temperature ionic liquid tetradecyltrihexylphosphonium chloride (THPC) as an efficient reusable medium for the palladium catalyzed Suzuki cross-coupling reaction of aryl halides, including aryl chlorides, under mild conditions. The cross-coupling reactions were found to proceed in THPC containing small amounts of water and toluene using potassium phosphate and 1% Pd2(dba)3. Variously substituted iodobenzenes, including electron rich derivatives, reacted efficiently in THPC with a variety of arylboronic acids and afforded complete conversion within 1 hour at 50 ^C. The corresponding aryl bromides also reacted under these conditions with the addition of a catalytic amount of triphenylphosphine that allowed for complete conversion and high isolated yields. The reactions involving aryl chlorides were considerably slower, although the addition of triphenylphosphine and heating at 70 ^C allowed high conversion of electron deficient derivatives. Addition of water and hexane to the reaction products results in a triphasic system in which the top hexane phase contained the biaryl products, the palladium catalyst remained fully dissolved in the central THPC layer, while the inorganic salts were extracted into the lower aqueous phase. The catalyst was then recycled by removing the top and bottom layers and adding the reagents to the ionic liquid which was heated again at 50 ^C; resulting in complete turnover of iodobenzene. Repetition of this procedure gave the biphenyl product in 82-97% yield (repeated five times) for both the initial and recycled reaction sequences.

Orientation of Non-Native 2-Monosubstituted and 2,3-Disubstituted 1,4-Naphthoquinones in the A1 binding site of PSI and the effect on the rate of electron transfer : an electron paramagnetic resonance spectroscopy study

The proce-ss ofoxygenic photosynthesis is vital to life on Earth. the central event in photosynthesis is light induced electron transfer that converts light into energy for growth. Ofparticular significance is the membrane bound multisubunit protein known as Photosystem I (PSI). PSI is a reaction centre that is responsible for the transfer of electrons across the membrane to reduce NADP+ to NADPH. The recent publication ofa high resolution X-ray structure of PSI has shown new information about the structure, in particular the electron transfer cofactors, which allows us to study it in more detail. In PSI, the secondary acceptor is crucial for forward electron transfer. In this thesis, the effect of removing the native acceptor phylloquinone and replacing it with a series of structurally related quinones was investigated via transient electron paramagnetic resonance (EPR) experiments. The orientation of non native quinones in the binding site and their ability to function in the electron transfer process was determined. It was found that PSI will readily accept alkyl naphthoquinones and anthraquinone. Q band EPR experiments revealed that the non-native quinones are incorporated into the binding site with the same orientation of the headgroup as in the native system. X band EPR spectra and deuteration experiments indicate that monosubstituted naphthoquinones are bound to the Al site with their side group in the position occupied by the methyl group in native PSI (meta to the hydrogen bonded carbonyl oxygen). X band EPR experiments show that 2, 3- disubstituted methyl naphthoquinones are also incorporated into the Al site in the same orientation as phylloquinone, even with the presence of a halogen- or sulfur-containing side chain in the position normally occupied by the phytyl tail ofphylloquinone. The exception to this is 2-bromo-3-methyl --.- _. -. - -- - - 4 _._ _ _ - _ _ naphthoquinone which has a poorly resolved spectrum, making determination of the orientation difficuh. All of the non-native quinones studied act as efficient electron acceptors. However, forward electron transfer past the quinone could only be demonstrated for anthraquinone, which has a more negative midpoint potential than phylloquinone. In the case of anthraquinone, an increased rate of forward electron transfer compared to native PSI was found. From these results we can conclude that the rate ofelectron transfer from Al to Fx in native PSI lies in the normal region ofthe Marcus Curve.

Methoxypyrazine removal in grape juice: Development of a removal system using odorant and pheromone binding proteins coupled with bentonite fining

Multicoloured Asian Lady Beetles (MALB) and 7-spot Lady Beetles that infect vineyards can secrete alkyl-methoxypyrazines when they are processed with the grapes, resulting in wines containing a taint. The main methoxypyrazine associated with this taint is 3-isopropyl-2-methoxypyrazine (IPMP). The wines are described as having aroma and flavours of peanut butter, peanut shells, asparagus and earthy which collectively, have become known as “ladybug taint”. To date, there are no known fining agents used commercially added to juice or wine that are effective in removing this taint. The goal of this project was to use previously identified proteins with an ability to bind to methoxypyrazines at low pH, and subsequently develop a binding assay to test the ability of these proteins to bind to and remove methoxypyrazines from grape juice. The piglet odorant binding protein (plOBP) and mouse major urinary protein (mMUP) were identified, cloned and expressed in the Pichia pastoris expression system. Protein expression was induced using methanol and the proteins were subsequently purified from the induction media using anion exchange chromatography. The purified proteins were freeze-dried and rehydrated prior to use in the methoxypyrazine removal assay. The expression and purification system resulted in yields of approximately 78% of purified plOBP and 62% of purified mMUP from expression to rehydration. Purified protein values were 87 mg of purified plOPB per litre of induction media and 19 mg of purified mMUP per litre of induction medium. In order to test the ability of the protein to bind to the MPs, an MP removal assay was developed. In the assay, the purified protein is incubated with either IPMP or 3-isobutyl-2-methoxypyrazine (IBMP) for two hours in either buffer or grape juice. Bentonite is then used to capture the protein-MP complex and the bentonite-protein-MP complex is then removed from solution by filtration. Residual MP is measured in solution following the MP removal assay and compared to that in the starting solution by Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC/MS). GC/MS results indicated that the mMUP was capable of removing IBMP and IPMP from 300 ng/L in buffer pH 4.0, buffer pH 3.5 and Riesling Juice pH 3.5 down to the limit of quantification of the instrument, which is 6ng/L and 2ng/L for IBMP and IPMP, respectively. The results for the plOBP showed that although it could remove some IBMP, it was only approximately 50-70 ng/L more than bentonite treatment followed by filtration, resulting in approximately 100 ng/L of the MPs being left in solution. pIOBP was not able to remove IPMP in buffer pH 3.5 using this system above that removed by bentonite alone. As well, the pIOBP was not able to remove any additional MPs from Chardonnay juice pH 3.5 above that already removed by the bentonite and filtration alone. The mouse MUP was shown to be a better candidate protein for removal of MPs from juice using this system.

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.

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.

Étude de réactivité et de sélectivité de nouveaux catalyseurs à base de ruthénium

Ce projet de recherche consiste en l’étude de la réactivité et de la sélectivité de nouveaux catalyseurs de métathèse d’oléfines à base de ruthénium lors de réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfines (RCM). L’emphase de cette étude repose sur l’évaluation de nouveaux catalyseurs possédant un ligand NHC (carbène N-hétérocyclique) C1-symétrique développés par le laboratoire Collins pour des réactions de désymétrisations asymétriques de méso-triènes par ARCM. Le projet a été séparé en deux sections distinctes. La première section concerne la formation d’oléfines trisubstituées par ARCM de méso-triènes. La seconde section consiste en la formation d’oléfines tétrasubstituées par le biais de la RCM de diènes et de la ARCM de méso-triènes. Il est à noter qu’il n’y a aucun précédent dans la littérature concernant la formation d’oléfines tétrasubstituées suite à une désymétrisation par ARCM. Lors de l’étude concernant la formation d’oléfines trisubstituées, une étude de cinétique a été entreprise dans le but de mieux comprendre la réactivité des différents catalyseurs. Il a été possible d’observer que le groupement N-alkyle a une grande influence sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation d’une variété de méso-triènes. En ce qui a trait à la formation d’oléfines tétrasubstituées, une étude de la réactivité des différents catalyseurs a été effectuée par l’intermédiaire de malonates de diéthyldiméthallyle. Il a encore une fois a été possible d’observer que le groupement N-alkyle possède un effet important sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement iv N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation de différents mésotriènes.

Synthesis of new zirconium complexes

L'étude suivante décrit la synthèse des ligands nacnacxylH, nacnacBnH, nacnacR,RH et nacnacCyH en utilisant une méthode générale qui implique des rendements élevés et des coûts raisonnables, la complexation de ces ligands au Zr, la caractérisation de ces complexes et l’investigation de leurs réactivités. Les complexes de zirconium ont été obtenus en utilisant deux méthodes synthétiques principales : la première consiste en traitement du sel de lithium du ligand avec le ZrCl4. La seconde est la réaction du ligand neutre avec les complexes d’alkyl-zirconium(IV) par protonation de l'alkyle coordonné. Le ligand adopte deux modes de coordination avec le Zr. Une coordination 2 est observée dans les complexes octaèdriques contenant un ou deux ligands nacnac. En présence d'un autre ligand ayant une coordonnation 5, par exemple Cp ou Ind, le ligand nacnac se trouve en coordination x avec le centre métallique de zirconium. En solution, les complexes obtenus de (nacnac)2ZrX2 montrent un comportement dynamique via un « Bailar-twist » et les paramètres d'activation de cette isomérisation ont été obtenus. Le complexe octaèdrique (nacnacBn)2ZrCl2, 2c, n'a pas montré de réactivité dans la carbozirconation et son alkylation n'était pas possible par l’échange des chlorures avec les alkyles. L’analogue dimethylé (nacnacBn)2ZrMe2, 2d, peut être préparé par alkylation du ZrCl4 avant la complexation du ligand. Ce dernier a été prouvé aussi de ne pas être réactif dans la carbozirconation.

Photophysical Investigations of Thiophene Azomethine Derivatives

Une série de dimères composés de thiophène-aniline encombrée stériquement a été synthétisée. Les différents processus de désactivation de l’état singulet excité ont été étudiés par UV-visible, fluorescence, phosphorescence, photolyse par impulsion laser et calculs théoriques. Les graphiques de Stern-Volmer obtenus à partir des expériences de désactivation des états singulet et triplet ont démontré l’efficacité de l’azométhine à désactiver les fluorophores. Les calculs semi-empiriques AM1 examinant l’effet des substituants encombrés ont démontrés que les groupements tert-butyls sur l’aniline ont moins d’influence sur la barrière de rotation N-aryl que les substitutions alkyles en ont sur la rotation de thiophène-C. Les calculs Rehm-Weller basés sur les potentiels d’oxydation et de réduction ont montré que l’autodésactivation de l’état excité des azométhines se fait par transfert d’électron photoinduit menant à une éradication complète de la fluorescence. Des complexes métalliques contenant des ligands azométhines ont aussi été préparés. Le ligand est composé d’une unité hydroxyquinoline lié à un cycle thiophène. Les données photophysiques de ces complexes indiquent un déplacement bathochromique aussi bien en absorbance qu’en fluorescence. Des dispositifs de détection d’ion métallique ont été préparés et un exemple à partir d’une solution de cuivre a montré un déplacement bathochromique.

Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Découverte et application de nouveaux motifs d'association propres à l'hexaphénylbenzène et à ses dérivés

Les propriétés des matériaux moléculaires proviennent à la fois de la structure des composantes individuelles et de la façon dont elles s’associent. Ce dernier aspect reste difficile à contrôler, malgré de grandes avancées en science des matériaux. Pour mieux comprendre la relation structure-propriétés, nous avons entrepris une étude systématique de l'hexaphénylbenzène et de ses dérivés, qui offrent une charpente symétrique et rigide. En premier lieu, nous avons attaché six groupements diaminotriazinyles sur l’hexaphénylbenzène afin de produire des réseaux tridimensionnels hautement poreux maintenus par des ponts hydrogène. En modifiant systématiquement le coeur moléculaire, nous avons excisé près du tiers de la molécule-mère, générant des réseaux supramoléculaires dont la porosité s’est élevée graduellement jusqu’à 75%, équivalant ainsi le record pour ce type de matériaux. Ensuite, nous avons étudié le comportement de l’hexakis(4-nitrophényl)benzène. Dans les structures cristallines obtenues, des interactions non-covalentes entre groupements nitro démontrent leur potentiel en chimie supramoléculaire. Le coeur moléculaire ne joue qu’un rôle secondaire dans l’empilement des molécules : seules quelques interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène sont évidentes. Cette dernière observation nous a poussés à étudier le comportement à l’état cristallin de l’hexaphénylbenzène et ses dérivés. En scrutant attentivement neuf structures cristallines de ces composés, nous avons décerné la présence récurrente d’interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central. Cette association caractéristique a été exploitée pour créer des réseaux supramoléculaires maintenus par des interactions C-H•••π sélectives entre un groupement éthynyle et le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène. Finalement, nous avons joint le côté sombre de l’ingénierie cristalline en utilisant nos connaissances dans le but d’empêcher la formation d’interactions directionnelles. En protégeant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène à l’aide de groupements alkyles, les interactions C-H•••π ont été pratiquement éliminées. Ces résultats offrent la possibilité de créer de nouveaux matériaux amorphes. Dans ces études, focalisées sur le système hexaphénylbenzène, nous avons mis en relief des phénomènes qui sont obscurcis dans d'autres familles de molécules. De plus, ce système a grandement facilité l’utilisation d’une approche méthodique pour explorer la relation structure-propriétés. Nos travaux nous ont amenés à des conclusions de valeur universelle en science des matériaux moléculaires.

Synthesis and characterization of main-chain bile acid-based degradable polymers

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales.

Polymérisation du lactide par des catalyseurs β-diketiminate de zinc et de magnésium

Les images de molécules ont été dessinées avec le logiciel Chemdraw version 11.0

POCN-type Pincer Complexes of NiII and NiIII : synthesis, reactivities, catalytic activities and physical properties

Cette thèse décrit la synthèse, la caractérisation, les réactivités, et les propriétés physiques de complexes divalents et trivalents de Ni formés à partir de nouveaux ligands «pincer» de type POCN. Les ligands POCN de type amine sont préparés d’une façon simple et efficace via l’amination réductrice de 3-hydroxybenzaldéhyde avec NaBH4 et plusieurs amines, suivie par la phosphination de l’amino alcool résultant pour installer la fonction phosphinite (OPR2); le ligand POCN de type imine 1,3-(i-Pr)2PC6H4C(H)=N(CH2Ph) est préparé de façon similaire en faisant usage de PhCH2NH2 en l’absence de NaBH4. La réaction de ces ligands «pincer» de type POCN avec NiBr2(CH3CN)x en présence d’une base résulte en un bon rendement de la cyclométalation du lien C-H situé en ortho aux fonctions amine et phosphinite. Il fut découvert que la base est essentielle pour la propreté et le haut rendement de la formation des complexes «pincer» désirés. Nous avons préparé des complexes «pincer» plan- carrés de type POCN, (POCNRR΄)NiBr, possédant des fonctions amines secondaires et tertiaires qui démontrent des réactivités différentes selon les substituants R et R΄. Par exemple, les complexes possédant des fonctions amines tertiaires ArCH2NR2 (NR2= NMe2, NEt2, and morpholinyl) démontrent des propriétés rédox intéressantes et pourraient être convertis en leurs analogues trivalents (POCNR2)NiBr2 lorsque réagis avec Br2 ou N-bromosuccinimide (NBS). Les complexes trivalents paramagnétiques à 17 électrons adoptent une géométrie de type plan-carré déformée, les atomes de Br occupant les positions axiale et équatoriale. Les analyses «DSC» et «TGA» des ces composés ont démontré qu’ils sont thermiquement stables jusqu’à ~170 °C; tandis que la spectroscopie d’absorption en solution a démontré qu’ils se décomposent thermiquement à beaucoup plus basse température pour regénérer les complexes divalents ne possédant qu’un seul Br; l’encombrement stérique des substitutants amines accélère cette route de décomposition de façon significative. Les analogues NMe2 et N(morpholinyl) de ces espèces de NiIII sont actifs pour catalyser la réaction d’addition de Kharasch, de CX4 à des oléfines telles que le styrène, tandis qu’il fut découvert que l’analogue le moins thermiquement stable (POCNEt2)Ni est complètement inerte pour catalyser cette réaction. Les complexes (POCNRH)NiBr possédant des fonctions amines secondaires permettent l’accès à des fonctions amines substituées de façon non symétrique via leur réaction avec des halogénures d’alkyle. Un autre avantage important de ces complexes réside dans la possibilité de déprotonation pour préparer des complexes POCN de type amide. De telles tentatives pour déprotoner les fonctions NRH nous ont permis de préparer des espèces dimériques possédant des ligands amides pontants. La nature dimérique des ces complexes [P,C,N,N-(2,6-(i-Pr)2PC6H3CH2NR)Ni]2 (R= PhCH2 et Ph) fut établie par des études de diffraction des rayons-X qui ont démontré différentes géométries pour les cœurs Ni2N2 selon le substituant N : l’analogue (PhCH2)N possède une orientation syn des substitutants benzyles et un arrangement ressemblant à celui du cyclobutane du Ni et des atomes d’azote, tandis que l’analogue PhN adopte un arrangement de type diamant quasi-planaire des atomes du Ni et des atomes d’azote et une orientation anti des substituants phényles. Les espèces dimériques ne se dissocient pas en présence d’alcools, mais elles promouvoient l’alcoolyse catalytique de l’acrylonitrile. De façon intéressante, les rendements de ces réactions sont plus élevés avec les alcools possédant des fonctions O-H plus acides, avec un nombre de «turnover» catalytique pouvant atteindre 2000 dans le cas de m-cresol. Nous croyons que ces réactions d’alcoolyse procèdent par activation hétérolytique de l’alcool par l’espèce dimérique via des liaisons hydrogènes avec une ou deux des fonctions amides du dimère. Les espèces dimériques de Ni (II) s’oxydent facilement électrochimiquement et par reaction avec NBS ou Br2. De façon surprenante, l’oxydation chimique mène à l’isolation de nouveaux produits monomériques dans lesquels le centre métallique et le ligand sont oxydés. Le mécanisme d’oxydation fut aussi investigué par RMN, «UV-vis-NIR», «DFT» et spectroélectrochimie.

Propriétés supramoléculaires des cations diimidazolium disubstitués : des complexes d’inclusion en solution aux interactions à l’état cristallin et cristal liquide

Les sels d’imidazolium ont un rôle important dans certaines protéines et acides nucléiques et ont été utilisés à de nombreuses reprises dans des assemblages supramoléculaires en raison de leurs propriétés uniques. Les sels de diimidazolium dérivés sont toutefois moins connus. Ils ont pour l’instant uniquement été utilisés comme des précurseurs de carbènes N-hétérocycliques. Ils sont donc à la base de plusieurs catalyseurs utilisés pour des réactions de couplage croisés mais leurs propriétés sont toutefois méconnues dans le cadre de la chimie supramoléculaire. Cette classe de composés a nottament attiré notre attention en raison de la facilité de modification de leurs propriétés physico-chimiques par modification de leur structure chimique. L’objectif général des travaux présentés dans cette thèse est l’étude des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium disubstitués en solution (aqueuse ou organique), ainsi qu’en phase solide ou cristal-liquide. L’influence de l’espaceur entre les deux noyaux imidazolium ainsi que l’influence des substituants latéraux et des contre-ions a été étudiée. Dans un premier temps, les propriétés de complexation des sels de diimidazolium à des macrocycles sont étudiées. Les sels bromure sont étudiés en solution aqueuse avec plusieurs cyclodextrines et le cucurbit[7]uril, et les sels hexafluorophosphate sont étudiés en solution organique pour leur complexation avec l’éther couronne DB24C8 et un calix[4]arène. Cette nouvelle classe de composés a montré de très bonnes propriétés de complexation à ces différents macrocycles en solution et a également permis de contrôler différents assemblages supramoléculaires à l’interface air-eau. Dans un deuxième temps, l’étude des sels de phénylènediimidazolium a permis de modifier les propriétés de complexation en solution pour obtenir la formation de complexes multiples avec le cucurbit[7]util en solution aqueuse. Cette même famille de composés a également permis la formation de cristaux liquides ioniques lorsque les substituants sont des chaînes alkyles plus longues. La résolution de plusieurs structures cristallines de différents sels de diimidazolium a finalement permis de comprendre la nature des interactions intermoléculaires à l’état cristallin. La recherche présentée dans cette thèse a donc permis une étude détaillée des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium dans tous les états de la matière qui leur sont accessibles.