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Ce travail de thèse vise à réaliser la formation de liaisons C(sp³)-C(sp²) et C(sp³)-C(sp³) par couplages croisés de Suzuki-Miyaura (S-M) et de Kumada à l'aide de catalyseurs de fer, nouvellement développés, et en mettant l'accent sur l'étude du potentiel applicative de ces catalyseurs en synthèse. Ce travail se concentre aussi sur la mise au point d'une méthode efficace et sélective de 1,2-dicarbofonctionnalisation d'alcènes promue par ces catalyseurs. Le chapitre 1 présente les premières découvertes des couplages croisés médiés par le fer et le développement de catalyseurs de fer pour les couplages croisés de S-M et de Kumada. Les formations de liaisons C(sp²)-C(sp²), C(sp²)-C(sp³) et C(sp³)-C(sp³) seront couvertes. La conception de ligands adaptés et les études mécanistiques ont joués un rôle crucial dans le développement du domaine. La section suivante présente l'état de l'art de la méthode de 1,2-dicarbofonctionnalisation des oléfines catalysées par les métaux abondants, en soulignant les stratégies développées pour surmonter les réactions secondaires indésirables. Le chapitre 2 traite de la réaction de S-M, dont l'utilisation s'est largement répandue en raison de sa large applicabilité, ainsi que de la stabilité, de la disponibilité et de la faible toxicité des réactifs organoborés. Tant en recherche académique qu'en l'industrie, la plupart des couplages de S-M sont dominés par des catalyseurs à base de palladium et de nickel. Récemment, le fer a fait l'objet d'une attention particulière en raison de sa forte abondance et de sa nature respectueuse de l'environnement. Malgré le rôle crucial du fer dans l'offre d'une catalyse plus durable pour le couplage de S-M, ce dernier impliquant des partenaires hybridés sp³ reste rare et se heurte à d'importantes limitations en termes de champ d'applications. Ce chapitre présente le développement d'un catalyseur de fer(II), versatile et de structure bien définie, qui réalise avec succès les couplages alkyle-aryle et alkyle-alkyle de S-M entre des halogénures d'alkyle et des esters boroniques (hétéro)arylés ou des dérivés boranes alkylés. Ces couplages ont été réalisés dans des conditions douces et ont montré une large compatibilité avec diverses fonctionnalités, y compris des N-, O- et S-hétérocycles importants en chimie médicinale. Les halogénures d'alkyle primaires, secondaires (Br, Cl, I) et tertiaires, ainsi que les esters boroniques neutres, riches et pauvres en électrons, de même que les boranes d'alkyle 1° et 2° sont compatibles et ont donné des rendements élevés à excellents. Des solvants plus écologiques ont été utilisés lors de la synthèse d'intermédiaires pharmaceutiques clés et d'un candidat médicament avec des rendements élevés, ce qui démontre un fort potentiel applicatif pour une production industrielle à grande échelle. Le chapitre 3 présente l'application du couplage croisé de S-M dans une méthode de 1,2-alkylarylation d'oléfines à trois composants, promue par un catalyseur de fer(II). Cette méthode facilite la formation de deux liaisons carbone-carbone en une seule étape de synthèse et représente le premier exemple de couplage de S-M combiné à une fonctionnalisation d'alcènes, conduisant sélectivement au produit de fonctionnalisation-1,2 alkyle-aryle. Bien que la méthodologie actuelle soit limitée par la nécessité d'un excès d'oléfines (10 équiv.) et d'esters boroniques donneurs en électrons, l'utilisation de réactifs borés démontre un potentiel pour des applications synthétiques plus larges. Le chapitre 4 étend l'application du catalyseur de fer(II) développé dans les chapitres 2 et 3, en démontrant son efficacité remarquable dans la réaction de couplage croisé de Kumada entre des halogénures d'alkyle hybridés sp³ et des réactifs organomagnésiens hybridés sp² et même sp³ dans des conditions douces. Cela souligne la grande polyvalence de ce catalyseur qui facilite le couplage de divers centres carbonés hybridés sp² et sp³, sans le besoin de conditions drastiques
This PhD research aims to achieve challenging C(sp³)-C(sp²) and C(sp³)-C(sp³) bond formations through Suzuki-Miyaura and Kumada cross-couplings using newly-designed iron-based catalysts, with an emphasis on their potential for synthetic applications. This work also focuses on achieving efficient and selective 1,2-dicarbofunctionalization of unactivated alkenes promoted by these catalysts. Chapter 1 primarily introduces the early discoveries of iron-mediated cross-couplings and the development of iron-based catalysts in Suzuki-Miyaura and Kumada cross-couplings, covering C(sp²)-C(sp²), C(sp²)-C(sp³), and C(sp³)-C(sp³) bond formations. The design of bespoke ligand and mechanistic investigations have played a crucial role in the development of this field. The following section introduces the state-of-the-art in earth-abundant metal-catalyzed 1,2-dicarbofunctionalization of olefins, highlighting strategies developed to overcome undesired side reactions. Chapter 2 covers the Suzuki-Miyaura reaction, which has gained widespread use due to its broad applicability, along with the stability, availability, and low toxicity of organoboron reagents. Most Suzuki-Miyaura couplings (SMC), both in academia and industry, are dominated by palladium and nickel catalysts. Recently, iron has garnered significant attentions due to its earth abundance and environmentally friendly nature. Despite the crucial role of iron in offering more sustainable catalysis for Suzuki-Miyaura coupling, iron-catalyzed SMC involving sp³-hybridized systems remains rare and faces significant scope limitations. This chapter reports on the development of a versatile, well-defined iron(II) catalyst that successfully facilitated C(sp3)-C(sp2) and C(sp3)-C(sp3) SMC of alkyl halide electrophiles with (hetero)aryl boronic esters and alkyl borane nucleophiles, respectively. These couplings were carried out under mild reaction conditions, exhibited broad functional group compatibility - including various medicinally important N-, O-, and S-based heterocycles. Primary, secondary alkyl halides (Br, Cl, I), and tertiary alkyl chlorides, as well as electron-neutral, electron-rich, and electron-poor boronic esters, alongside 1° and 2° alkyl boranes all were tolerated with high to excellent yields. Greener solvents were used in the synthesis of key intermediates relevant to pharmaceuticals and potential drug candidates with high yields, demonstrating significant potential for large-scale industrial production. Chapter 3 introduces the application of Suzuki-Miyaura cross-coupling in the three-component 1,2-alkylarylation of unactivated olefins, using a well-defined iron(II) catalyst. This method facilitates the formation of two carbon-carbon bonds in a single synthetic step and represents the first example of combining Suzuki-Miyaura cross-coupling and 1,2-functionalization of unactivated alkenes, selectively yielding the desired 1,2-alkylarylation product. Although the current methodology is limited by the requirement for an excess of olefins (10 equiv.) and electron-donating boronic esters, the use of boron reagents demonstrates a potential for broader synthetic applications. Chapter 4 extends the application of the iron(II) catalyst developed in Chapters 2 and 3, demonstrating its remarkable efficacy in catalyzing the Kumada cross-coupling reaction between C(sp³)-hybridized alkyl halides and either C(sp²)- or even C(sp³)-hybridized organomagnesium reagents under mild conditions. This achievement underscores the broad versatility of this catalyst in facilitating the coupling of diverse carbon centers, including both sp² and sp³ hybridizations, without requiring harsh conditions

La réaction de couplage de Suzuki est aujourd'hui la principale méthode pour synthétiser les molécules biaromatiques non symétriques. Nous avons voulu nous intéresser à différents aspects de cette réaction. La réactivité de nouveaux nucléophiles, organiques (phénylazacarboxylate, phénylsulfinate) ou organométalliques, en remplacement des acides boroniques, a été testée dans une réaction de phénylation de la chloropyridine. Les activités de différents ligands, certains courants, d'autres nouveaux (adamantylisonitrile, aminophosphines), ont été comparées, dans deux réactions de phénylation réputées difficiles : celle des halogénoanisoles, et celle de la 2-chloropyridine. Dans ces deux cas, nous avons procédé par synthèse parallèle en solution, afin d'optimiser les différents essais. Pour y parvenir, une méthodologie ainsi qu'une méthode analytique rapide et fiable ont dû être mises au point. Parallèlement, de nouvelles conditions réactionnelles ont été étudiées, dans le but d'améliorer la réactivité des derives chlorés et la simplicité de la réaction. Les réactions dans les liquides ioniques ou sur support solide sans solvant ont ainsi été abordées et comparées. Puis pour accélérer le criblage de nos expérimentations en parallèle, nous avons envisagé deux méthodes plus rapides, par colorimétrie et par fluorescence. Un marqueur fluorescent dérivé du phénanthrène a ainsi été synthétisé et testé avec succès.

La décarboxylation d’acides carboxyliques aromatiques catalysée par des sels de cuivre a été largement améliorée grâce à l’utilisation d’amines aliphatiques comme ligands telles que la N,N,N’,N’-tétraméthyléthylènediamine (TMEDA) ou encore l’héxaméthylènetétramine (HMTA) au lieu des amines hétérocycliques (quinoléine, phénanthroline) utilisées jusqu’à présent. Le progrès est significatif puisque la réaction peut être effectuée à plus basse température (jusqu’à 50 °C de moins) et la durée de la réaction est réduite. Il faut noter que ce nouveau système catalytique a été développé grâce à une analyse approfondie du mécanisme de la réaction. L’emploi de ce système a permis de réaliser des réactions de couplage décarboxylatif catalysées par des sels de cuivre et de palladium à des températures comprises entre 120 et 140 °C au lieu de 170 °C. De nombreux biaryles et triaryléthylènes ont pu ainsi être préparés avec de bons rendements. De plus, la synthèse multi-étapes du (Z)-Tamoxifen qui est utilisé comme agent anticancéreux a pu être réalisée avec succès grâce à une réaction de couplage décarboxylatif comme étape clé. L’ensemble de ces résultats peut notamment contribuer au développement de nouveaux procédés de couplage décarboxylatif à plus basse température. Enfin, il faut noter que l’utilisation de la TMEDA est très avantageuse d’un point de vue économique et adaptée à une échelle préparative. Par ailleurs, une nouvelle réaction de déméthylation-décarboxylation a été mise au point afin d’obtenir des phénols à partir d’acides carboxyliques aromatiques substitués en ortho par un groupe méthoxy. Enfin, nous avons également mis au point une méthode simple, peu onéreuse et efficace permettant d’effectuer le couplage entre des chlorures aromatiques simples ou fonctionnalisés et des composés organomagnésiens aromatiques en présence de sels de nickel et de manganèse
The copper-catalyzed decarboxylation of aromatic carboxylic acids has been advantageously achieved by using aliphatic amines like N,N,N’,N’-tetramethylethylenediamine (TMEDA) or hexamethylenetetramine (HMTA) as ligands instead of the aromatic heterocyclic amines (quinoline, phenanthroline) used until now. The improvement is significant since the reaction can be performed at a lower temperature (ca. 50 °C less) and the reaction time is clearly shorter. This new catalytic system was developed owing to a careful analysis of the reaction mechanism. The reaction conditions described herein also allow us to perform copper/palladium-catalyzed decarboxylative cross-coupling reactions between 120 to 140 °C instead of 170 °C. Thereby, biaryls and triarylethylenes compounds were obtained in good yields. Moreover, the multi-step synthesis of the anticancer agent (Z)-Tamoxifen was completed using a decarboxylative cross-coupling reaction as the key step. The results reported above could open the way to the development of low temperature procedures. It is worthy of note that, for large-scale applications, it is very advantageous to replace 1,10- phenanthroline by TMEDA which is clearly less expensive. A new reaction of demethylation-decarboxylation of o-methoxy aromatic carboxylic acids was also described. Finally, a cheap and user-friendly nickel/manganese catalytic system was developed for the efficient cross-coupling of functionalized aromatic chlorides with aromatic grignard reagents

La reaction de couplage aryl-aryle, nouvellement developpee, permet l'acces a un nombre important de diphenyles dissymetriques fonctionnalises diversement substitues a partir de bromures d'aryles. Les conditions reactionnelles sont douces (+20 a +65\c), les rendements sont bons (>90%) et les temps de reaction sont courts (environ 2 heures). - l'utilisation d'un compose organomanganeux, en presence d'une quantite catalytique d'un complexe du palladium puis d'un co-solvant tel que le dme, a permis le bon deroulement d'une telle reaction. - de la meme facon, avec les iodures et triflates d'aryle nous obtenons de tres bons rendements en produits de couplage. - cette reaction a de plus ete etendue aux chlorures d'arylzinc avec d'excellents resultats. - au cours de ce travail nous montrons, pour la premiere fois, que l'utilisation d'un chlorure d'arylmagnesium est chimioselective. - c'est enfin en presence d'un complexe catalytique du nickel que le couplage de chlorures d'aryle diversement substitues a pu etre realise. Encore une fois, le dme permet d'ameliorer les resultats. - diverses applications, telles que les couplages vinyl-aryle, vinyl-vinyle, vinyl-r et aryl-r (r= aryle), ont ete realisees. - une autre partie concerne la cyclisation 5-exo-trig stereoselective d'alcenes, d'aldehydes et de cetones -bromees. Nous avons montre que l'utilisation du systeme catalytique mn/cu en presence d'et 2zn permet a cette reaction de cyclisation d'avoir lieu dans des conditions reactionnelles douces (+60\c). Les temps de reactions peuvent de plus etre tres courts (6 minutes a 12 heures).

Les polymères à empreintes moléculaires (MIP), également appelés "anticorps en plastique", sont des récepteurs biomimétiques synthétiques qui sont capables de reconnaître et lier une molécule cible avec une affinité et une spécificité comparables à celles des récepteurs naturels tels que des enzymes ou des anticorps. En effet, les MIP sont utilisés comme éléments de reconnaissance synthétiques dans les biocapteurs et biopuces pour la détection de petits analytes et les protéines. La technique d'impression moléculaire est basée sur la formation de cavités de reconnaissance spécifiques dans des matrices polymères par un procédé de moulage à l'échelle moléculaire. Pour la conception de capteurs et biopuces, une cinétique d'adsorption et une réponse du capteur rapide, l'intégration des polymères avec des transducteurs, et une haute sensibilité de détection sont parmi les principaux défis. Dans cette thèse, ces problèmes ont été abordés par le développement de nanocomposites MIP / d'or via le greffage du MIP sur les surfaces en utilisant des techniques de polymérisation dédiées comme l'ATRP qui est une technique de polymérisation radicalaire contrôlée (CRP). Ces techniques CRP sophistiquées sont en mesure d'améliorer considérablement les matériaux polymères. L'utilisation de l'ATRP dans le domaine de MIP a été limitée jusqu'à présent en raison de son incompatibilité inhérente avec des monomères acides comme l'acide méthacrylique (MAA), qui est de loin le monomère fonctionnel le plus largement utilisé dans les MIP. Ici, un nouveau procédé est décrit pour la synthèse de MIP par ATRP photo-initiée utilisant fac-[Ir(Ppy)3] comme catalyseur. La synthèse est possible à température ambiante et est compatible avec des monomères acides. Cette étude élargit considérablement la gamme de monomères fonctionnels et de molécules empreintes qui peuvent être utilisés lors de la synthèse de MIP par ATRP. La méthode proposée a été utilisée pour la fabrication de nanocomposites hiérarchiquement organisés sur des surfaces métalliques nanostructurés avec des nano-trous et nano-ilots, présentant des effets plasmoniques pour l'amplification du signal. La synthèse de films de MIP à l'échelle du nanomètre localisés sur la surface d'or a été démontrée. Des méthodes de transduction optiques, à savoir la résonance de plasmons de surface localisée (LSPR) et la spectroscopie Raman exaltée par effet de surface (SERS) ont été exploitées. Ces techniques se sont montrées prometteuses pour l'amélioration de la limite de détection dans la détection d'analytes biologiquement pertinents, y compris les protéines et le médicament propranolol
Molecularly imprinted polymers (MIPs), also referred to as plastic antibodies, are synthetic biomimetic receptors that are able to bind target molecules with similar affinity and specificity as natural receptors such as enzymes or antibodies. Indeed, MIPs are used as synthetic recognition elements in biosensors and biochips for the detection of small analytes and proteins. The molecular imprinting technique is based on the formation of specific recognition cavities in polymer matrices by a templating process at the molecular level. For sensor and biochip development, fast binding kinetics of the MIP for a rapid sensor response, the integration of the polymers with transducers, and a high sensitivity of detection are among the main challenges. In this thesis, the above issues are addressed by developing MIP/gold nanocomposites by grafting MIPs on surfaces, using dedicated techniques like atom transfer radical polymerization (ATRP) which is a versatile controlled radical polymerization (CRP) technique. Theses ophisticated CRP techniques, are able to greatly improve the polymeric materials. The use of ATRP in the MIP field has been limited so far due to its inherent incompatibility with acidic monomers like methacrylic acid (MAA), which is by far the most widely used functional monomer. Herein, a new method is described for the MIP synthesis through photo-initiated ATRP using fac-[Ir(ppy)3] as ATRP catalyst. The synthesis is possible at room temperature and is compatible with acidic monomers. This study considerably widens the range of functional monomers and thus molecular templates that can be used when MIPs are synthesized by ATRP. The proposed method was used for fabrication of hierarchically organised nanocomposites based on MIPs and nanostructured metal surfaces containing nanoholes or nanoislands, exhibiting plasmonic effects for signal amplification. The fabrication of nanometer scale MIP coatings localized on gold surface was demonstrated. Optical transduction methods, namely Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) were exploited and shown that they hold great promise for enhancing the limit of detection in sensing of biologically relevant analytes including proteins and the drug propranolol