Synthesis, Optical Resolution, and Configurational Assignment of Novel Axially Chiral Quateraryls

A one-pot, general synthesis of highly functionalized quateraryls through carbanion-induced, base-catalyzed ring transformation of 5,6-diaryl-2H-pyran-2-ones and core-substituted phenylacetones is delineated. These conversions were found to give diversely functionalized benzenes bearing peripheral aryl rings, some of which possess inherent atropisomerism. Exemplarily for one of the quateraryls, the optical resolution of the respective atropo-enantiomers by HPLC on a chiral phase and the assignment of their absolute axial configurations succeeded by LC-CD coupling in combination with semiempirical CNDO/S and TDDFT CD calculations. This synthetic approach offers – in a transition metal-free environment – high flexibility in the construction of quateraryls with the desired conformational freedom along the molecular axis, which may help in exploring and developing new potential ligands for asymmetric synthesis.

The mechanism of proton pumping by cytochrome c oxidase

Cytochrome c oxidase catalyzes the reduction of oxygen to water that is accompanied by pumping of four protons across the mitochondrial or bacterial membrane. Triggered by the results of recent x-ray crystallographic analyses, published data concerning the coupling of individual electron transfer steps to proton pumping are reanalyzed: Conversion of the conventional oxoferryl intermediate F to the fully oxidized form O is connected to pumping of only one proton. Most likely one proton is already pumped during the double reduction of O, and only three protons during conversion of the “peroxy” forms P to O via the oxoferryl form F. Based on the available structural, spectroscopic, and mutagenesis data, a detailed mechanistic model, carefully considering electrostatic interactions, is presented. In this model, each of the four reductions of heme a during the catalytic cycle is coupled to the uptake of one proton via the D-pathway. These protons, but never more than two, are temporarily stored in the regions of the heme a and a3 propionates and are driven to the outside (“pumped”) by electrostatic repulsion from protons entering the active site during turnover. The first proton is pumped by uptake of one proton via the K-pathway during reduction, the second and third proton during the P → F transition when the D-pathway and the active site become directly connected, and the fourth one upon conversion of F to O. Atomic structures are assigned to each intermediate including F′ with an alternative route to O.

Nature knows best: An amazing reaction cascade is uncovered by design and discovery

The Daphniphyllum alkaloids are a group of highly complex polycyclic alkaloids. Examination of the structures if several members of this family of natural products led to a hypothesis about their mode of biosynthesis (depicted in Scheme SI). Based on this hypothetical biosynthetic pathway, a laboratory synthesis was designed that incorporated as a key transformation the novel one-pot transformation of dialdehyde 24 to pentacyclic unsaturated amine 25. This process turned out to be an exceptionally efficient way to construct the pentacyclic nucleus of the Daphniphyllum alkaloids. However, a purely fortuitous discovery, resulting from accidental use of methylamine rather than ammonia, led to a great improvement in the synthesis and suggests an even more attractive possible biosynthesis.

Photogenerated o-Azaxylylenes: Mechanistic Studies and Synthetic Applications

This research sets out to build upon excited state o-azaxylylene cycloaddition. The mechanism behind the excitation and cycloaddition process of photogenerated o-azaxylylenes was determined experimentally. Time-correlated single-photon counting, steady-state spectroscopy, triplet quenching experiments, and quantum yield studies provided evidence suggesting that excited state intramolecular proton transfer is followed by intersystem crossing and stepwise addition to the tethered unsaturated pendant. In keeping with the principles of diversity oriented synthesis, a modular approach was taken to gain access to a diverse array of N,O,S-Polyheterocycles which were modified postphotochemically via Suzuki coupling to yield fused biaryls. Cycloaddition products, outfitted with halogens in the aromatic ring of the o-azaxylylene, proved to be reactive with a variety of boronic acids resulting in a rapid growth in structural complexity. A novel procedure was developed that utilized multiple o-azaxylylene cores in a photochemical cascade transformation yielding complex scaffolds of unprecedented topology. The photoprecursors were produced in a one-pot two-step sequence from commercially available starting materials, and upon irradiation yield structures containing up to five fused hetrocyclic rings, and showed complete diastereoselectivity.

Phosphane-free Suzuki-Miyaura coupling of aryl imidazolesulfonates with arylboronic acids and potassium aryltrifluoroborates under aqueous conditions

Aryl imidazole-1-sulfonates are efficiently cross-coupled with arylboronic acids and potassium aryltrifluoroborates using only 0.5 mol % of oxime palladacycles 1 under aqueous conditions at 110 °C. Under these simple phosphane-free reaction conditions a wide array of biaryl derivatives has been prepared in high yields. This methodology allows in situ phenol sulfonation and one-pot Suzuki arylation as well as the employment of microwave irradiation conditions.

Catalyzed addition of acid chlorides to alkynes by unmodified nano-powder magnetite: synthesis of chlorovinyl ketones, furans, and related cyclopentenone derivatives

Inexpensive and commercially available nano-powder magnetite is an excellent catalyst for the addition of acid chlorides to internal and terminal alkynes, yielding the corresponding chlorovinyl ketones in good yields. The process has been applied to the synthesis of 5-chloro-4-arylcyclopent-2-enones, 3-aryl-1H-cyclopenta[a]naphthalen-1-ones, and (E)-3-alkylidene-2,3-dihydro-1H-cyclopenta[a]naphthalen-1-ones, just by changing the nature of the starting acid chloride or the alkyne. All tested processes elapse with an acceptable or excellent regio- and stereo-selectivity. Moreover, the use of the iridium impregnated on magnetite catalyst permits the integration of the chloroacylation process with a second dehydrochlorination–annulation process to yield, in one-pot, 1-aryl-2,4-dialkylfurans in good yields, independently of the nature of the starting reagents, and including the heteroaromatic ones.

Organotitanias: a versatile approach for band gap reduction in titania based materials

The reduction of the band gap of titania is critically important to fully utilize its photocatalytic properties. Two main strategies, i.e. doping and partial reduction of Ti(IV), are the main alternatives available to date. Herein, we report a new synthesis strategy based on one-pot co-condensation of in situ prepared polymetallic titanium-alkoxide complexes with titanium tetrabutoxide. Using this direct reaction, it is possible to introduce organic compounds in the anatase phase, causing site distortions in the crystalline structure of the network. By using this strategy, a yellow and a black titania have been produced, with the latter showing a remarkable photocatalytic activity under visible-light.

Mesoporous Metal Complex–Silica Aerogels for Environmentally Friendly Amination of Allylic Alcohols

Two series of mesoporous hybrid iron(III) complex–silica aerogels were prepared in one-pot synthesis by using the sol–gel coordination chemistry approach. The use of the ligands 3-(2-aminoethylamino)propyltrimethoxysilane and 2-(diphenylphosphino)ethyltriethoxysilane, both with terminal triethoxysilyl groups, were used to incorporate metal complexes in situ into the framework of silica, through their co-condensation with a silicon alkoxide during the aerogel formation. This methodology yielded optically translucent hybrid mesoporous gels with homogeneous metal incorporation and excellent textural properties. The catalytic performance of these materials was tested in the direct amination of allylic alcohols in water as a target reaction, with activities comparable or even higher than those corresponding to the homogeneous iron(III) complex. Furthermore, these catalysts were stable and maintained their catalytic activity after six reaction cycles.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

A new approach to the synthesis of nanocrystal conjugated polymer composites

A novel one pot process has been developed for the preparation of PbS nanocrystals in the conjugated polymer poly 2-methoxy,5-(2 ethyl-hexyloxy-p-phenylenevinylene) (MEH-PPV). Current techniques for making such composite materials rely upon synthesizing the nanocrystals and conducting polymer separately, and subsequently mixing them. This multi-step technique has two serious drawbacks: templating surfactant must be removed before mixing, and co-solvent incompatibility causes aggregation. In our method, we eliminate the need for an initial surfactant by using the conducting polymer to terminate and template nanocrystal growth. Additionally, the final product is soluble in a single solvent. We present materials analysis which shows PbS nanocrystals can be grown directly in a conducting polymer, the resulting composite is highly ordered and nanocrystal size can be controlled.

A cyclopropabenzenylidenethenone (Propadienone) via a new route to alkylidenecycloproparenes

Reaction of 1,1-dichloro-2,5-diphenylcyclopropabenzene 6 with Meldrum's acid 8 in the presence of pyridine leads to coupling of the cycloproparenyl cation 7 with the stabilized diketo anion 9. Subsequent, spontaneous, base-induced dehydrochlorination gives the alkylidenecyclopropabenzene 11 in a one-pot reaction. Flash vacuum thermolysis of 11 at 650 degreesC ejects acetone and carbon dioxide, giving cyclopropabenzenylldenethenone 12 that is isolated in an Ar matrix at 20 K and characterized by a strong ketene band at 2107 cm(-1) in the IR spectrum.

Direct access to functionalized cyclic enones using Mannich, Morita-Baylis-Hillman and elimination reactions

A series of highly functionalized cyclic enones were obtained from Mannich, Morita-Baylis-Hiliman and elimination reaction with cyclic enones.

Novel approach to tailoring molecular weight distribution and structure with a difunctional RAFT agent

This work has demonstrated that for the first time a single RAFT agent (i. e., difunctional) can be used in conjunction with a radical initiator to obtain a desired M-n and PDI with controlled rates of polymerization. Simulations were used not only to verify the model but also to provide us with a predictive tool to generate other MWDs. It was also shown that all the MWDs prepared in this work could be translated to higher molecular weights through chain extension experiments with little or no compromise in the control of end group functionality. The ratio of monofunctional to difunctional SdC(CH2Ph)S- end groups, XPX and XP (where X) S=C(CH2Ph) S-), can be controlled by simply changing the concentration of initiator, AIBN. Importantly, the amount of dead polymer is extremely low and fulfils the criterion as suggested by Szwarc (Nature 1956) that to meet living requirements nonfunctional polymeric species formed by side reactions in the process should be undetectable by analytical techniques. In addition, this novel methodology will allow the synthesis of AB, ABA, and statistical multiblock copolymers with predetermined ratios to be produced in a one-pot reaction.

Self-condensation of a thiazole-peptide bearing a 21-membered loop into a library of giant macrocycles with multiple orthogonal loops

Tetrapeptide analogue H-[Glu-Ser-Lys(Thz)]-OH, containing a turn-inducing thiazole constraint, was used as a template to produce a 21-membered structurally characterized loop by linking Glu and Lys side chains with a Val-Ile dipeptide. This template was oligomerized in one pot to a library (cyclo-[1](n), n = 2-10) of giant symmetrical macrocycles (up to 120-membered rings), fused to 2-10 appended loops that were carried intact through multiple oligomerization (chain extension) and cyclization (chain terminating) reactions of the template. A three-dimensional solution structure for cyclo-[1](3) shows all three appended loops projecting from the same face of the macrocycle. This is a promising approach to separating pepticle motifs over large distances.