Nouvelles réactions multicomposantes avec des isonitriles initiées par electro-synthèse ou catalyse photoredox

New multicomponent reactions with isonitriles initiated by electro-synthesis or photoredox catalysis

• Auteur / Autrice : Alexandre Simon
• Direction : Laurence Grimaud, Maxime Vitale
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Moléculaire
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 22/10/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie moléculaire de Paris Centre
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Biomolécules
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Biomolecules: Analysis, Molecular and Cellular Interactions
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole normale supérieure
• Jury : Président / Présidente : Géraldine Masson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Dagousset, Mariateresa Giustiniano, Amandine Guerinot, Laurence Grimaud, Sami Lakhdar
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillaume Dagousset, Mariateresa Giustiniano

Mots clés

Mots clés libres

Multicomposantes

Électrosynthèse

Isonitriles

Catalyse photoredox

Multicomponant reactions

Electrosynthesis

Isonitriles

Photoredox catalysis

Résumé

Cette thèse est dédiée au développement de nouvelles méthodologies en synthèse organique et se focalise essentiellement sur l’étude de réactions multicomposantes avec des isonitriles (IMCRs) induites via des processus d’oxydo-réduction par électrosynthèse ou catalyse photorédox. L'accent est mis sur l'exploitation des isonitriles pour piéger des électrophiles générés in-situ afin de faciliter la synthèse efficace et économique en atomes de fonctionnalités chimiques d'intérêt. Le contexte général est d’abord présenté, replaçant l'utilisation des isonitriles dans le cadre des réactions multicomposantes (MCRs). Puis, une courte présentation sur l'électrosynthèse et la catalyse photorédox appliquées à la synthèse organique oriente la discussion sur la manière dont ces modes d'activation peuvent favoriser le développement de nouvelles IMCRs déclenchées par des processus d’oxydo-réduction. Le Chapitre I offre une revue approffondie de la littérature existante sur les IMCRs photocatalysées ou induites par électrochimie. Cette revue met en lumière les progrès significatifs réalisés dans les IMCRs photocatalysées, en particulier dans les stratégies oxydantes, tout en soulignant également le potentiel des IMCRs induites par électrochimie. Le chapitre se conclut en identifiant des champs peu explorés dans la bibliographie, notamment l'utilisation encore peu explorée de certaines espèces électrophiles telles que les carbocations benzyliques et les radicaux cations aromatiques dans les IMCRs. Le Chapitre II présente le principe de MCRs électro-induites par le TEMPO et illustre cette famille de réaction par le développement de réactions de Passerini et de Kabachnik-Fields via l’électrosynthèse. Ces réactions utilisent le TEMPO comme médiateur électrochimique pour générer des aldéhydes in-situ à partir d'alcools, qui sont ensuite engagés dans des processus multicomposants. Le chapitre développe la mise en œuvre de ces méthodes électrochimiques, des essais préliminaires jusqu’à l’évaluation de la tolérance fonctionnelle. Ces méthodes catalytiques, sans métaux, ni oxydants externes en proportions stœchiométriques, fournissent des nouvelles voies synthétiques alternatives aux voies catalytiques existantes. Le Chapitre III explore la réaction de Csp²-H carbamoylation des arènes avec des isonitriles, induite par électrochimie ou par catalyse photorédox. Il introduit d’abord les limitations des méthodes traditionnelles de Csp²-H carbamoylation qui nécessitent souvent des métaux ou des promoteurs stœchiométriques. Puis, il développe une approche déshydrogénative sans métaux, ni oxydants stœchiométriques, via l’électrosynthèse. Cette méthode démontre le potentiel d'utilisation des radicaux cations aromatiques électro-générés et exploite leur réactivité électrophile avec des isonitriles. Enfin, la substitution de l’électrosynthèse par la catalyse photorédox a permis d’étendre la gamme des substrats utilisables dans la réaction en utilisant des sels d’acridinium comme photocatalyseurs. Enfin, le Chapitre IV se focalise sur le développement d’une réaction d’amidination alkylante des styrènes pseudo-4-composante par catalyse photorédox. Cette approche est le premier exemple de 1,2-dicarbofonctionnalisation d’alcènes par un mécanisme radicalaire-polaire qui utilise deux nucléophiles différents, un isonitrile et un anion phtalimidure, et permet de piéger séquentiellement un carbocation benzylique photo-généré. Le succès de ce processus repose sur l'utilisation combinée de la photocatalyse et des esters de NHPI comme sources de radicaux et de nucléophiles, assurant des réactions sélectives.

This thesis is dedicated to the advancement of green methodologies in organic synthesis, specifically focusing on isonitrile-based multicomponent reactions (IMCRs) initiated by redox processes through either electrosynthesis or photoredox catalysis. The emphasis is on harnessing isonitriles to trap in-situ generated electrophiles to facilitate the efficient and atom-economical creation of chemical functionalities of interest. The general context will first be presented, replacing the use of isonitriles in the context of multicomponent reactions (MCRs). Following this, a brief overview of the roles of electrosynthesis and photoredox catalysis in organic synthesis sets the stage for discussing how these activation modes can drive the development of novel redox-triggered IMCRs. Chapter I provides an in-depth review of existing literature on photocatalyzed and electrochemically-induced isonitrile-based MCRs. The review highlights the significant advances in photoredox-catalyzed MCRs, especially in oxidative strategies, while also acknowledging the potential of electrochemically-driven MCRs. The chapter concludes by identifying gaps in the current research, particularly the underexplored use of certain electrophilic species like benzylic carbocations, and aromatic radical cations in MCRs. Chapter II introduces TEMPO-electromediated MCRs, focusing on developing electro-oxidative Passerini and Kabachnik-Fields reactions. These reactions use TEMPO as an electromediator to generate aldehydes in situ from alcohols, which are then used in MCRs. The chapter highlights the successful implementation of these metal-free and oxidant-free methods under electrochemical conditions, providing more sustainable synthetic routes for these processes. Chapter III explores the electro-mediated and photoredox-catalyzed oxidative sp² C-H carbamoylation of arenes using isonitriles. This chapter addresses the limitations of traditional C-H carbamoylation methods, which often require metals or stoichiometric promoters, by developing a metal-free, oxidant-free dehydrogenative approach under electrochemical conditions. This work demonstrates the potential of electro-generated aromatic radical cations in C-H carbamoylation reactions. Then, a shift from electrochemistry to photoredox catalysis further expands the scope of substrates using acridinium photocatalysts. Chapter IV presents a novel pseudo-4-component photoredox-catalyzed alkylative-amidination of styrenes. This innovative approach represents the first example of a radical-polar 1,2-dicarbofunctionalization of alkenes that utilizes two different nucleophiles, an isonitrile and a phthalimide anion, to sequentially trap a photo-generated benzylic carbocation. The success of this process relies on photoredox catalysis and NHPI esters as a radical source, ensuring selective and efficient reactions. In conclusion, the thesis contributes to developing sustainable methodologies for (I)MCRs triggered by a redox event, using electrosynthesis and photoredox catalysis as activation modes. The work expands the toolbox of (I)MCRs and opens new avenues in organic chemistry for the development of new methodologies in alignment with the principles of green chemistry.