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.

Catalysis in the interaction of carbon with steam and with carbon dioxide ...

Cover-title.

Catalysis.

Includes bibliographies.

Synthesis and evaluation of new polymers prepared by sterospecific catalysis. Materials Central, Contract no. AF33(616)-6866, Project no. 7340.

"Prepared by the Polytechnic Institute of Brooklyn...under the supervision of Dr. C.G. Overberger."

Role of glutamic acid 216 in cytochrome P450 2D6 substrate binding and catalysis

Human cytochrome P450 (P450) 2D6 is an important enzyme involved in the metabolism of drugs, many of which are amines or contain other basic nitrogen atoms. Asp301 has generally been considered to be involved in electrostatic docking with the basic substrates, on the basis of previous modeling studies and site-directed mutagenesis. Substitution of Glu216 with a residue other than Asp strongly attenuated the binding of quinidine, bufuralol, and several other P450 2D6 ligands. Catalytic activity with the substrates bufuralol and 4-methoxyphenethylamine was strongly inhibited by neutral or basic mutations at Glu216 (>95%), to the same extent as the substitution of Asn at Asp301. Unlike the Asp301 mutants, the Gln216 mutant (E216Q) retained 40% enzyme efficiency with the substrate spirosulfonamide, devoid of basic nitrogen, suggesting that the substitutions at Glu216 affect binding of amine substrates more than other catalytic steps. Attempts to induce catalytic specificity toward new substrates by substitutions at Asp301 and Glu216 were unsuccessful. Collectively, the results provide evidence for electrostatic interaction of amine substrates with Glu216, and we propose that both of these acidic residues plus at least another residue(s) is (are) involved in binding the repertoire of P450 2D6 ligands.

Electron transfer in acetohydroxy acid synthase as a side reaction of catalysis. implications for the reactivity and partitioning of the carbanion/enamine form of (alpha-hydroxyethyl)thiamin diphosphate in a "nonredox" flavoenzyme

Acetohydroxy acid synthases (AHAS) are thiamin diphosphate- (ThDP-) and FAD-dependent enzymes that catalyze the first common step of branched-chain amino acid biosynthesis in plants, bacteria, and fungi. Although the flavin cofactor is not chemically involved in the physiological reaction of AHAS, it has been shown to be essential for the structural integrity and activity of the enzyme. Here, we report that the enzyme-bound FAD in AHAS is reduced in the course of catalysis in a side reaction. The reduction of the enzyme-bound flavin during turnover of different substrates under aerobic and anaerobic conditions was characterized by stopped-flow kinetics using the intrinsic FAD absorbance. Reduction of enzyme-bound FAD proceeds with a net rate constant of k' = 0.2 s(-1) in the presence of oxygen and approximately 1 s(-1) under anaerobic conditions. No transient flavin radicals are detectable during the reduction process while time-resolved absorbance spectra are recorded. Reconstitution of the binary enzyme-FAD complex with the chemically synthesized intermediate 2-(hydroxyethyl)-ThDP also results in a reduction of the flavin. These data provide evidence for the first time that the key catalytic intermediate 2-(hydroxyethyl)ThDP in the carbanionic/enamine form is not only subject to covalent addition of 2-keto acids and an oxygenase side reaction but also transfers electrons to the adjacent FAD in an intramolecular redox reaction yielding 2-acetyl-ThDP and reduced FAD. The detection of the electron transfer supports the idea of a common ancestor of acetohydroxy acid synthase and pyruvate oxidase, a homologous ThDP- and FAD-dependent enzyme that, in contrast to AHASs, catalyzes a reaction that relies on intercofactor electron transfer.

Direct electrochemically driven catalysis of bovine milk xanthine oxidase

The complex molybdoenzyme xanthine oxidase (XO) catalyses the oxidation of xanthine to uric acid. Here we report the first direct (unmediated) catalytic electrochemistry of the enzyme in the presence of xanthine. The only non-turnover response (without substrate present) is a sharp two-electron wave from the FAD cofactor at -242 mV vs. NHE (pH 8.0). Upon addition of xanthine to the electrochemical cell a pronounced electrocatalytic anodic current appears at ca. +300 mV vs. NHE, but the FAD peak remains. This is unusual as the onset of catalysis should occur at the potential of the FAD cofactor (the site at which oxygen or NAD+ binds to the enzyme in solution). The observed electrochemical catalysis is prevented by the addition of known XO inhibitors allopurinol or cyanide. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Thiamin nutrition and catalysis-induced instability of thiamin diphosphate

Thiamin (vitamin B1) is required in animal diets because it is the precursor of the enzyme cofactor, thiamin diphosphate. Unlike other B vitamins, the dietary thiamin requirement is proportional to non-fat energy intake but there is no obvious biochemical reason for this relationship. In the present communication we show for two enzymes that the cofactor undergoes a slow destruction during catalysis, which may explain the interdependence of thiamin and energy intakes.

Preface — nanomaterials in catalysis

No abstract

Bio-inspired carbon electro-catalysis for the oxygen reduction reaction

We report the synthesis, characterisation and catalytic performance of two nature-inspired biomass-derived electro-catalysts for the oxygen reduction reaction in fuel cells. The catalysts were prepared via pyrolysis of a real food waste (lobster shells) or by mimicking the composition of lobster shells using chitin and CaCO3 particles followed by acid washing. The simplified model of artificial lobster was prepared for better reproducibility. The calcium carbonate in both samples acts as a pore agent, creating increased surface area and pore volume, though considerably higher in artificial lobster samples due to the better homogeneity of the components. Various characterisation techniques revealed the presence of a considerable amount of hydroxyapatite left in the real lobster samples after acid washing and a low content of carbon (23%), nitrogen and sulphur (<1%), limiting the surface area to 23 m2/g, and consequently resulting in rather poor catalytic activity. However, artificial lobster samples, with a surface area of ≈200 m2/g and a nitrogen doping of 2%, showed a promising onset potential, very similar to a commercially available platinum catalyst, with better methanol tolerance, though with lower stability in long time testing over 10,000 s.

Phosphorus catalysis in the pyrolysis behaviour of biomass

Phosphorus is a key plant nutrient and as such, is incorporated into growing biomass in small amounts. This paper examines the influence of phosphorus, present in either acid (HPO) or salt ((NH)PO) form, on the pyrolysis behaviour of both Miscanthus × giganteus, and its cell wall components, cellulose, hemicellulose (xylan) and lignin (Organosolv). Pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry (PY-GC-MS) is used to examine the pyrolysis products during thermal degradation, and thermogravimetric analysis (TGA) is used to examine the distribution of char and volatiles. Phosphorus salts are seen to catalyse the pyrolysis and modify the yields of products, resulting in a large increase in char yield for all samples, but particularly for cellulose and Miscanthus. The thermal degradation processes of cellulose, xylan and Miscanthus samples occur in one step and the main pyrolysis step is shifted to lower temperature in the presence of phosphorus. A small impact of phosphorus was observed in the case of lignin char yields and the types of pyrolysis decomposition products produced. Levoglucosan is a major component produced in fast pyrolysis of cellulose. Furfural and levoglucosenone become more dominant products upon P-impregnation pointing to new rearrangement and dehydration routes. The P-catalysed xylan decomposition route leads to a much simpler mixture of products, which are dominated by furfural, 3-methyl-2-cyclopenten-1-one and one other unconfirmed product, possibly 3,4-dihydro-2-methoxy-2H-pyran or 4-hydroxy-5,6-dihydro-(2H)-pyran-2-one. Phosphorus-catalysed lignin decomposition also leads to a modified mixture of tar components and desaspidinol as well as other higher molecular weight component become more dominant relative to the methoxyphenyl phenols, dimethoxy phenols and triethoxy benzene. Comparison of the results for Miscanthus lead to the conclusion that the understanding of the fast pyrolysis of biomass can, for the most part, be gained through the study of the individual cell wall components, provided consideration is given to the presence of catalytic components such as phosphorus.