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.

Synthèse d’un inhibiteur de la rénine, l’aliskiren et développement de méthodes catalytiques d’alkylation asymétrique

Une nouvelle approche pour la synthèse de l’aliskiren, un puissant inhibiteur de la rénine pour le traitement de l’hypertension chez l’homme, a été développée. De cette approche, des étapes clés tels qu’une allylation avec un des catalyseurs de MacMillan, une cyclisation par métathèse (RCM) pour la préparation d’une lactone à neuf membres et une séquence de réactions d’aziridination diastéréosélective/réarrangement de cycle par une catalyse acide donnant un produit aminohydroxylé ont permis de compléter la synthèse de l’aliskiren en 11 étapes. Durant l’élaboration de la séquence de réactions pour la préparation de l’aliksiren, il a été noté que la lactone à neuf membres avait une facilité à se réarranger via des intermédiaires quinonoïdaux et les produits issus de cette tendance ont été analysés. De plus, une étude sur la réaction de RCM, donnant la lactone à neuf membres, a montré une dépendance envers la nature diastéréomérique du substrat de départ. Une méthodologie d’alpha-allylation asymétrique de cétones catalysée au palladium, tirant avantage d’un ligand chiral PHOX, a été explorée et utilisée en vue de la synthèse de l’aliskiren. De cette méthode, une étude pour la synthèse de produits alpha-allylcétones acycliques a été démontrée et un effet d’additif sur la sélectivité et la vitesse de réaction a été découvert. De plus, la production d’un intermédiaire avancé d’un produit d’intérêts a été accomplie et la nature de la contribution de l’additif a été investiguée. Les produits obtenus depuis la méthodologie d’allylation catalysée au palladium et la formation d’intermédiaire cationique des certains dérivés de la synthèse de l’aliskiren ont inspirés une nouvelle approche faisant appel à des techniques d’alkylation en catalyse acide pour la formation de produits diaryliques. Il a été trouvé que le catalyseur de chlorure d’or(III) et de triflate de bismuth(III) étaient particulièrement efficaces, démontrant une différence de cinétique pour la réactivité d’un mélange diastéréoisomériques d’alcools alpha-substitués de départ.

Azabicycloalkanone synthesis by transannular cyclization

Une stratégie de synthèse efficace de différents composés de type azabicyclo[X.Y.0]alkanone fonctionnalisés a été développée. La stratégie synthétique implique la préparation de dipeptides par couplage avec des motifs vinyl-, allyl-, homoallyl- et homohomoallylglycine suivi d’une réaction de fermeture de cycle par métathèse permettant d’obtenir des lactames macrocycliques de 8, 9 et 10 membres, qui subissent une iodolactamisation transannulaire menant à l’obtention de mimes peptidiques bicycliques portant un groupement iode. Des couplages croisés catalysés par des métaux de transition ont été développés pour la synthèse d’acides aminés ω-insaturés énantiomériquement purs à partir de l’iodoanaline. L’étude du mécanisme suggère que l’iodure subit une attaque du coté le moins stériquement encombré de la lactame macrocyclique insaturée pour mener à l’obtention d’un intermédiaire iodonium. La cyclisation se produit ensuite par une route minimisant les interactions diaxiales et la tension allylique. L’iodolactamisation des différentes lactames macrocycliques insaturées a mené à l’obtention regio- et diastéréosélective d’acides aminés 5,5- et 6,6-iodobicycicliques. De plus, une imidate azabicyclo[4.3.1]alkane pontée de type anti-Bredt fut synthétisée à partir d’une lactame macrocyclique insaturé à neuf membres. Les analyses cristallographiques et spectroscopiques des macrocycles à 8, 9 et 10 membres, du composé iodobicyclique 5,5 ainsi que de l’imidate pontée, montrent bien le potentiel de ces dipeptides rigidifiés de servir en tant que mimes des résidus centraux de tours β de type I, II’, II et VI.

Modified mesoporous MCM-41 as hosts for photochromic spirobenzopyrans

The influence of the chemical composition and silylation of mesoporous MCM-41 materials on the photochromic behaviour of adsorbed spiropyran (BIPS) and 6-nitrospiropyran was studied. Upon incorporation, the spiropyrans underwent ring opening to form either zwitterionic merocyanine or its corresponding O-protonated form. In all silica MCM-41 or in the MCM-41 containing aluminium, the O-protonated merocyanine was predominantly formed. In the case of MCM-41 modified by silylation of the OH groups, a mixture of zwitterionic merocyanine and spiropyran was present. The photochromic response was studied by means of steady-state irradiation and by laser flash photolysis. Steady-state irradiation (λ > 450 nm) of the solid samples gives rise in all cases to an intensity decrease of the absorption bands corresponding to either the protonated or the unprotonated merocyanine form (reverse photochromism). In contrast, laser flash photolysis at 308 nm of spiropyrans supported on silylated MCM-41 allows observation of the photochemical ring opening of residual spiropyran to the corresponding zwitterionic form (normal photochromism).

Palladium Catalyzed Carbon-Carbon/Carbonheteroatom Bond Formation Reactions Utilizing Pentafulvene Derived Bicyclic Hydrazines

The reactions involving fulvenes and its derivatives have received a great deal of attention over the years in synthetic organic chemistry. Functionalizations of fulvenes provide versatile and powerful approaches to various polycyclic systems and natural products. They serve as versatile intermediates in the construction of various ring systems through inter- as well as intramolecular cycloadditions. Compared to the rich literature on the cycloaddition reactions of pentafulvenes, much less attention has been paid to the synthetic utilization of their cycloadducts. Tactical manipulations on the chosen adduct offer the prospects for designing a variety of useful molecular skeletons. Addition of heterodienophiles to fulvenes offers an efficient strategy towards the synthesis of azabicyclic olefins. However, there have been no serious attempts to study the synthetic utility of these substrates. In this context and with the intention of utilizing pentafulvenes towards synthetically important molecules, author decided to explore the reactivity of pentafulvene derived azabicyclic olefins. Our attention was focused on the synthetic potential associated with the ring opening of fulvene derived bicyclic hydrazines under palladium catalysis. It was envisioned that the desymmetrization of these adducts using various soft nucleophiles will provide a novel access to synthetically and biologically important alkylidene cyclopentenes. The investigations along this line form the focal theme of this thesis entitled “PALLADIUM CATALYZED CARBONCARBON/ CARBON-HETEROATOM BOND FORMATION REACTIONS UTILIZING PENTAFULVENE DERIVED BICYCLIC HYDRAZINES

Zur Synthese von alpha-Aminoaldehyden und Aminosäuren mit alpha-quartären Zentren durch Aziridinierung funktionalisierter Olefine

Ziel dieser Arbeit war, durch Aziridinierung homochiraler 5-Methyl-4H-1,3-dioxinen eine neue Methode zur Synthese von alpha-Aminoaldehyden und den ableitbaren Aminosäuren mit alpha-quartären Zentren zu entwickeln. Die chiralen 5-Methyl-4H-1,3-dioxine sind mit hohen Enantiomerenüberschüssen durch asymmetrische Doppelbindungsisomerisierung von 5-Methylen-1,3-dioxanen zugänglich. Die Metall-katalysierte Aziridinierung der 5-Methyl-4H-1,3-dioxine mit der Nitrenquelle (N-Tosylimino)phenyliodinan führte direkt zu N-Tosyl-geschützen 4-Methyl-1,3-oxazolidin-4-carbaldehyden. Vermutlich über ein Aziridin als nicht isolierbare Zwischenstufe werden über eine Ringöffnungs-/Ringverengungsreaktion die Oxazolidinderivate gebildet, vorzugsweise in Gegenwart von Cu(I)-Katalysatoren, während die Rhodium-katalysierte Reaktion ausschließlich zu Insertionsprodukten führt. In der Cu-katalysierten Aziridinierung ist das Verhältnis von Aziridinierung/Insertion abhängig von der Katalysatorkonzentration. Die Aziridinierung mit N-(p-Nitrobenzolsulfonyl)- und N-(Trimethylsilylethylsulfonyl)- substituierten Nitrenquellen führt zu Oxazolidinderivaten mit leichter abspaltbaren Schutzgruppen. Diese Nitrenquellen können in situ aus den korrespondierenden Sulfonamiden mit Iodosobenzol dargestellt werden. Bei dem Einsatz homochiraler 4H-1,3-Dioxine ist Erhalt der Stereoinformation abhängig vom Substituenten in 2-Position der Dioxine sowie von der Polarität des Lösungsmittels. Die höchsten Selektivitäten wurden in tert-Butylmethylether erzielt. In Falle des 2-tert-Butyl-4-methyl-3-(toluol-4-sulfonyl)-1,3-oxazolidin-4-carbaldehyds kristallisiert das Hauptdiastereomer in enantiomerenreiner Form. Die Absolutkonfiguration wurde durch Röntgenkristallstrukturanalyse ermittelt. Das Anwendungspotential dieser neuen Methode konnte durch Überführen der Serinale in Aminoalkohole und alpha-Methylserin-Derivate sowie in der Synthese der unnatürlichen Aminosäure alpha-Vinylalanin gezeigt werden.

Synthesis of N-amino compounds and C2 symmetric N-amino compounds and transformation into aziridines using olefins

Aziridine, Stickstoffanaloga der Epoxide, können regio- und stereoselektive Ringöffnungsreaktionen eingehen, wodurch ihnen als „building blocks“ in der Organischen Synthese eine große Bedeutung zukommt. In dieser Arbeit wurden unterschiedliche N-Aminoverbindungen synthetisiert sowie die Anwendungsmöglichkeit dieser Hydrazinderivate als Stickstoffquellen in Aziridinierungen von Olefinen untersucht. In der vorliegenden Dissertation wurde eine neue Methode zur Darstellung von N-Aminosuccinimid entwickelt und die Einsatzmöglichkeit als Stickstoffquelle in Aziridinierungsreaktionen in einer Reihe von Umsetzungen mit funktionalisierten ebenso wie mit nicht-funktionalisierten Olefinen demonstriert. Die ableitbaren Aziridine wurden hierbei in Ausbeuten von bis zu 80 % erhalten. In der Aziridinierungsreaktion von N-Aminosuccinimid mit 4,7-Dihydro-2-isopropyl-1,3-dioxepin resultieren bicyclische Aziridinierungsprodukte, die als endo/exo-Isomere in einem 1:1-Verhältnis anfallen. Es ist in dieser Arbeit gelungen, die Isomere in guten Ausbeuten zu erhalten, sie säulenchromatographisch zu trennen und ihre Konfiguration im festen Zustand mittels Kristallstrukturanalyse eindeutig zu bestimmen. Enantiomerenangereicherte Olefine, wie z. B. in 2-Position alkylsubstituierte 5-Methyl-4H-1,3-dioxine mit Enantiomerenüberschüssen von 92% ee liefern in der Aziridinierung mit N-Aminosuccinimid und Iodosylbenzol ein 4-Methyl-1,3-oxazolidin-4-carbaldehydderivat in einer zweistufigen Reaktion- der Aziridinierung und einer Umlagerung- ein 4-Methyl-1,3-oxazolidin-4-carbaldehydderivat. Für die Diastereoselektivität des Aziridinierungsschrittes wurde 65 % de bestimmt. In einer neuen Synthese über zwei Stufen ausgehend von (+)-3,4-Dimethoxysuccinanhydrid konnte ein chiraler Stickstoffüberträger - (+)-N-Amino-3,4-dimethoxysuccinimid - in Ausbeuten bis zu 86 % synthetisiert. Die Umsetzung dieser optisch aktiven Stickstoffquelle mit einer Vielzahl prochiraler Alkene führt zu diastereomeren Aziridinen in Ausbeuten bis zu 65% und Diastereoselektivitäten von bis zu 66% de. Anhand ausgewählter Verbindungen konnten die Absolutkonfigurationen der Reaktionsprodukte mittels Kristallstrukturanalyse eindeutig geklärt werden.

Stereodivergent approach to the asymmetric synthesis of bacillariolides: A formal synthesis of ent-bacillariolide II

Asymmetric synthesis of densely functionalized bicyclic frameworks for entry into bacillariolides I/III and ent-bacillariolide II is reported. The key features are ring-closing metathesis of a pair of diastereomerically related dienes obtained through a stereodivergent route from a R-(+)-glyceraldehyde derivative, transformation of a nonstereoselective cyclopentene ester enolate alkylation process to a completely stereoselective one through alkylation of a bulky ester enolate with a bulky electrophile, and a remote silyloxymethyl group directed epoxidation.

Photophysical and redox properties of dinuclear Ru and Os polypyridyl complexes with incorporated photostable spiropyran bridge

Aimed at creating a true photoswitchable energy transfer system, four dinuclear complexes containing ruthenium(II) and osmium(II) metal centers bridged by spiropyran-type linkers were designed and investigated. The bridge in its closed spiropyran form was shown to be a good insulator for energy transfer between the Ru-bpy donor and the Os-bpy acceptor (bpy = 2,2'-bipyridine). On the basis of properties of previously reported photochromic nitrospiropyrans substituted with a single polypyridine metal center, conversion of the bridge to the open merocyanine form was envisaged to result in efficient electronic energy transfer by a sequential ("hopping") mechanism. In contrast to the expectations, however, the studied closed-form dinuclear complexes remained stable independently of their photochemical or electrochemical activation. This difference in reactivity is attributed to the replacement of the nitro group by a second polypyridine metal center. We assume that these changes have fundamentally altered the excited-state and redox properties of the complexes, making the ring-opening pathways unavailable.

Ultrasonic chemical oxidative degradations of 1,3-dialkylimidazolium ionic liquids and their mechanistic elucidations

A highly efficient process for oxidative degradation of 1,3-dialkylimidazolium ionic liquids in hydrogen peroxide/acetic acid aqueous medium assisted by ultrasonic chemical irradiation is, for the first time, described. It is shown that more than 93% of the 1,3-dialkylimidazolium cation with the corresponding Cl-, Br-, BF4- and PF6- counter-anions at a concentration of 2.5 mM can be degraded at 50 degrees C within 12 h while at 72 h the conversions approach 99%. A tentative mechanism for the degradation of these ILs is for the first time proposed through a detailed kinetic analysis of several characteristic transients and/or immediate products, which are identified during the ILs degradation using GC-MS. The results clearly indicate that three hydrogen atoms in the imidazolium ring are the first sites preferably oxidized, followed by cleavage of the alkyl groups attached to the N atoms from the ring. The nature of the alkyl chain length on the imidazolium ring and the type of counter anion do not seem to affect the degradation process. Further, selective fragmentations of C-N bonds of the imidazolium or derived ring lead to ring opening, forming degraded intermediates. It is also shown that acetoxyacetic acid and biurea are the final kinetically stable degraded products from the ILs under the degradation conditions.

Neoglycolipid probes prepared via oxime ligation for microarray analysis of oligosaccharide-protein interactions

Neoglycolipid technology is the basis of a microarray platform for assigning oligosaccharide ligands for carbohydrate-binding proteins. The strategy for generating the neoglycolipid probes by reductive amination results in ring opening of the core monosaccharides. This often limits applicability to short-chain saccharides, although the majority of recognition motifs are satisfactorily presented with neoglycolipids of longer oligosaccharides. Here, we describe neoglycolipids prepared by oxime ligation. We provide evidence from NMR studies that a significant proportion of the oxime-linked core monosaccharide is in the ring-closed form, and this form selectively interacts with a carbohydrate-binding protein. By microarray analyses we demonstrate the effective presentation with oxime-linked neoglycolipids of (1) Lewis(x) trisaccharide to antibodies to Lewisx, (2) sialyllactose analogs to the sialic acid-binding receptors, siglecs, and (3) N-glycans to a plant lectin that requires an intact N-acetylglucosamine core.

Synthesis, photophysical, photochemical, and redox properties of nitrospiropyrans substituted with Ru or Os tris(bipyridine) complexes

Photochromic nitrospiropyrans substituted with 2,2'-bipyridine (bpy), [Ru(bpy)(3)](2+), and [Os(bpy)(3)](2+) groups were synthesized, and their photophysical, photochemical, and redox properties investigated. Substitution of the spiropyran with the metal complex moiety results in strongly decreased efficiency of the ring-opening process as a result of energy transfer from the excited spiropyran to the metal center. The lowest excited triplet state of the spiropyran in its open merocyanine form is lower in energy than the excited triplet MLCT level of the [Ru(bpy)(3)](2+) moiety but higher in energy than for [Os(bpy)(3)](2+), resulting in energy transfer from the excited ruthenium center to the spiropyran but inversely in the osmium case. The open merocyanine form reduces and oxidizes electrochemically more easily than the closed nitrospiropyran. Like photoexcitation, electrochemical activation also causes opening of the spiropyran ring by first reducing the closed form and subsequently reoxidizing the corresponding radical anion in two well-resolved anodic steps. Interestingly, the substitution of the spiropyran with a Ru or Os metal center does not affect the efficiency of this electrochemically induced ring-opening process, different from the photochemical path.

The molecular structure of propylene sulphide (methylthiirane) by gas-phase electron diffraction and theoretical calculations: a molecule used in MOCVD

Gas-phase electron-diffraction (GED) data together with results from ab initio molecular orbital calculations have been used to determine the structure of propylene sulphide. Values found for the main structural parameters for the molecule are consistent with those obtained from microwave studies and are compared here with those found for similar sulphur containing rings of general formula S(CH2)n (n = 2–5). A high ring strain enthalpy was calculated for propylene sulphide which is consistent with the small C–S–C angle (48.2(6)degrees) and the relatively long C–S bond lengths (ra = 1.831(2) Å). This is thought to account for the ease of ring opening in propylene sulphide observed in MOCVD reactions and the ready polymerisation of the molecule.

Tuning thermal properties and microphase separation in aliphatic polyester ABA copolymers

Four alkyl substituted β-lactones were investigated as monomers in ring opening polymerisation to produce a family of poly(3-hydroxyalkanoate)s. Homopolymers were synthesised using a robust aluminium salen catalyst, resulting in polymers with low dispersity (Đ < 1.1) and predictable molecular weights. ABA triblock copolymers were prepared using poly(L-lactic acid) as the A block and the aforementioned poly(3-hydroxyalkanoate) as the B block via a sequential addition method. Characterisation of these copolymers determined they were well controlled with low dispersities and predictable molecular weight. DSC analysis determined copolymers prepared from β-butyrolactone or β-valerolactone yielded polymers with tunable and predictable thermal properties. Copolymers prepared from β-heptanolactone yielded a microphase separated material as indicated by SAXS, with two distinct Tgs. The polymers could be readily cast into flexible films and their improved tensile properties were explored.

Dithiocarbazate complexes with the [M(PPh(3))](2+) (M=Pd or Pt) moiety Synthesis, characterization and anti-Tripanosoma cruzi activity

New neutral Pd(II) and Pt(II) complexes of the type [M(L)(PPh(3))] (M Pd or Pt) were prepared in crystalline form in high-yield synthesis with the S-benzyldithiocarbazates and S-4-nitrobenzyldithiocarbazates derivatives from 2-hydroxyacetophenone, H(2)L(1a) and H(2)L(1b), and benzoylacetone, H(2)L(2a) and H(2)L(2b). The new complexes [Pt(L(1a))(PPh(3))] (1), [Pd(L(1a))(PPh(3))] (2), [Pt(L(1b))(PPh(3))] (3), [Pd(L(1b))(PPh(3))] (4), [Pt(L(2a))(PPh(3))] (5), [Pd(L(2a))(PPh(3))] (6), [Pt(L(2b))(PPh(3))] (7) and [Pd(L(2b))(PPh(3))] (8) were characterized on the basis of elemental analysis, conductivity measurements, UV-visible, IR, electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS), NMR ((1)H and (31)P) and by X-ray diffraction studies. The studies showed that differently from what was observed for the H(2)L(1a) and H(2)L(1b) ligands, H(2)L(2a) and H(2)L(2b) assume cyclic forms as 5-hydroxypyrazolinic. Upon coordination, H2L2a and H2L2b suffer ring-opening reaction, coordinating in the same manner as H(2)L(1a) and H(2)L(1b), deprotonated and in O,N,S-tridentate mode to the (MPPh(3))(2+) moiety. All complexes show a quite similar planar fourfold environment around the M(II) center. Furthermore, these complexes exhibited biological activity on extra and intracellular forms of Trypanosoma cruzi in a time- and concentration-dependent manner with IC(50) values ranging from 7.8 to 18.7 mu M, while the ligand H(2)L(2a) presented a trypanocidal activity on trypomastigote form better than the standard drug benznidazole. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.