Phospha-adamantane ligands and phosphorous ionic liquids for palladium-catalyzed cross-coupling reactions /

New and robust methodologies have been designed for palladiumcatalyzed cross-coupling reactions involving a library of novel tertiary phosphine ligands incorporating a phospha-adamantane framework. The secondary phosphine, l,3,5,7-tetramethyl-2,4,8-trioxa-6-phospha-adamantane was converted into a small library of tertiary phosphine derivatives and the ability of these tertiary phosphaadamantanes to act as effective ligands in the palladium-catalyzed amination reaction and p-alkyl-Suzuki cross-coupling was examined. l,3,5,7-Tetramethyl-6- phenyl-2,4,8-trioxa-6-phosphaadamantane (PA-Ph) used in combination with Pd2(dba)3 CHCI3 facilitated the reaction of an array of aryl iodides, bromides and chlorides with a variety secondary and primary amines to give tertiary and secondary amines respectively in good to excellent yields. 8-(2,4-Dimethoxyphenyl)- l,3,5,7-tetramethyl-2,4,6-trioxa-8-phospha-tricyclo[3.3.1.1*3,7*]decane used in combination with Pd(0Ac)2 permitted the reaction of an array of alkyl iodides, and bromides with a variety aryl boronic acids and alkyl 9-BBN compounds in good to excellent yields. Subsequent to this work, the use of phosphorous based ionic liquids, specifically tetradecyltrihexylphosphonium chloride (THPC), in the Heck reaction provided good to excellent yields in the coupling of aryl iodides and bromides with a variety of olefins.

Understanding the Origin of Selectivity in the Asymmetric Lithiation Reaction of N-Heterocycles: A Theoretical Study

The natural abundance of the N-heterocycle containing compounds has pushed the synthetic community toward the invention of new synthetic methods that result in the structural diversity of N-heterocycles. Among this, is the efficient and highly selective diamine mediated asymmetric lithiation process. Amongst the diamine chiral ligands, (-)-sparterine, which is a naturally occurring alkaloid proved to be an efficient one. Many successful, good yielding and highly selective lithiation reactions have been accomplished with the mediation by this chiral diamine base. Although, there are some examples of experimental and theoretical mechanistic studies in the literature, there is a lack of detailed understanding as to how it exactly induces the chirality. In this thesis is described a systematic investigation of how (-)-sparteine influences the stereoselectivity in the course of asymmetric lithiation reaction. This led us to the establishment of the function of A-ring’s β-CH2 effect and D-ring effect. Consequently, the importance of the A-ring and D-ring portions of (-)-sparteine in the stereoselectivity is unraveled. Another part of this thesis deals with the asymmetric lithiation of BF3-activated N,N- dimethylaminoferrocene in the presence of (1R, 2R)-N1,N2-bis(3,3-dimethylbutyl)-N1,N2-dimethylcyclohexane-1,2-diamine ( a (R,R)-TMCDA surrogate) with i-PrLi. Computational findings were in full accord with the experimental observations. Subsequently, the theoretically provided insights into the mechanism of the reaction were exploited in computational design of a new ligand. Unfortunately, the outcome of this design was not experimentally robust and an updated approach towards a successful design was explained.

Mirroring Enzymes: The Role of H-Bonding In HQuin-BAM Catalyzed Asymmetric Aza-Henry Reactions: A DFT Study into the Reactivity, Mechanism, and Origins of Selectivity

The exact mechanistic understanding of various organocatalytic systems in asymmetric reactions such as Henry and aza-Henry transformations is important for developing and designing new synthetic organocatalysts. The focus of this dissertation will be on the use of density functional theory (DFT) for studying the asymmetric aza-Henry reaction. The first part of the thesis is a detailed mechanistic investigation of a poorly understood chiral bis(amidine) (BAM) Brønsted acid catalyzed aza-Henry reaction between nitromethane and N-Boc phenylaldimine. The catalyst, in addition to acting as a Brønsted base, serves to simultaneously activate both the electrophile and the nucleophile through dual H-bonding during C-C bond formation and is thus essential for both reaction rate and selectivity. Analysis of the H-bonding interactions revealed that there was a strong preference for the formation of a homonuclear positive charge-assisted H-bond, which in turn governed the relative orientation of substrate binding. Attracted by this well-defined mechanistic investigation, the other important aspect of my PhD research addressed a detailed theoretical analysis accounting for the observed selectivity in diastereoselective versions of this reaction. A detailed inspection of the stereodetermining C-C bond forming transition states for monoalkylated nitronate addition to a range of electronically different aldimines, revealed that the origins of stereoselectivity were controlled by a delicate balance of different factors such as steric, orbital interactions, and the extent of distortion in the catalyst and substrates. The structural analysis of different substituted transition states established an interesting dependency on matching the shape and size of the catalyst (host molecule) and substrates (guest molecules) upon binding, both being key factors governing selectivity, in essence, offering an analogy to positive cooperative binding effect of catalytic enzymes and substrates in Nature. In addition, both intra-molecular (intra-host) and inter-molecular (host-guest, guest-guest) stabilizing interactions play a key role to the high π-facial selectivity. The application of dispersion-corrected functionals (i.e., ωB97X-D and B3LYP-D3) was essential for accurately modeling these stabilizing interactions, indicating the importance of dispersion effects in enantioselectivity. As a brief prelude to more extensive future studies, the influence of a triflate counterion on both reactivity and selectivity in this reaction was also addressed.

Use of cellular impedance to characterize ligand functional selectivity at G protein-coupled receptors

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) représentent la plus grande famille de cibles thérapeutiques pour le traitement d’une panoplie de pathologies humaines. Bien que plusieurs décennies de recherche aient permis de façonner nos connaissances sur ces protéines membranaires, notre compréhension des déterminants moléculaires de leur activité signalétique reste encore limitée. De ces domaines de recherche, une avancée récente a mis à jour un nouveau phénomène, appelé sélectivité fonctionnelle des ligands, qui a bouleversé les paradigmes décrivant leu fonctionnement de ces récepteurs. Ce concept émane d’observations montrant que l’activité pharmacologique de certains ligands n’est pas nécessairement conservée sur tout le répertoire signalétiques connu du récepteur et peu se restreindre à l'activation sélective d’un sous-groupe de voies de signalisation.Ce nouveau modèle pharmacologique de l'activation des RCPG ouvre de nouvelles possibilités pour la découverte de médicaments plus efficace et sûr, ciblant les RCPGs. En effet, il permet la conception de molécules modulant spécifiquement les voies signalétiques d’intérêt thérapeutique, sans engager les autres voies qui pourraient mener à des effets secondaires indésirables ou de la tolérance. Cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle approche sans marquage, basée sur la mesure du changement l'impédance cellulaire. Par la mesure des changements cellulaires, comme la morphologie, l’adhésion et/ou la redistribution des macromolécules, cette approche permet de mesurer de façon simultanée l'activité de plusieurs voies de signalisation impliqués dans ces réponses. Utilisant le récepteur β2-adrénergique (β2AR) comme modèle, nous avons démontré que les variations dans l’impédance cellulaire étaient directement liées à l’activation de multiples voies de signalisation suite à la stimulation du récepteur par son ligand. L’agoniste type du β2AR, l’isoprotérénol, s’est avéré induire une réponse d’impédance dose-dépendante constituée, dans le temps, de plusieurs caractéristiques distinctes pouvant être bloquées de façon compétitive par l’antagoniste ICI118,551 Par l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs, nous avons été en mesure de déterminer la contribution de plusieurs voies signalétiques canoniques, comme les voies dépendantes de Gs et Gi, la production d’AMPc et l’activation de ERK1/2, sur ces changements. De plus, la dissection de la réponse d’impédance a permis d’identifier une nouvelle voie de mobilisation du Ca2+ contribuant à la réponse globale des changements initiés par la stimulation du β2AR. Dans une autre étude, nous avons rapporté que la réponse calcique induite par le β2AR serait attribuable à une transactivation Gs-dépendant du récepteur purinergique P2Y11, lui-même couplé à la protéine Gq. La mesure d’impédance permettant de distinguer et de décrire une pléiade d’activités signalétiques, nous avons émis l’hypothèse que des ligands arborant des profils signalétiques différents généreraient des réponses d’impédance distinctes. Le criblage d’une librairie de ligands spécifiques au β2AR a révélé une grande variété de signatures d’impédance. Grâce au développement d’une approche computationnelle innovatrice, nous avons été en mesure de regrouper ces signatures en cinq classes de composés, un regroupement qui s’est avéré hautement corrélé avec le profil signalétique des différents ligands. Nous avons ensuite combiné le criblage de composés par impédance avec l’utilisation d’inhibiteurs sélectifs de voies signalétiques afin d’augmenter la résolution du regroupement. En évaluant l’impact d’une voie signalétique donnée sur la signature d’impédance, nous avons été en mesure de révéler une plus grande variété de textures parmi les ligands. De plus, cette méthode s’est avérée efficace pour prédire le profil signalétique d’une librairie de composés non caractérisés, ciblant le β2AR. Ces travaux ont mené à l’élaboration d’une méthode permettant d’exprimer visuellement la sélectivité fonctionnelle de ligands et ont révélé de nouvelles classes de composés pour ce récepteur. Ces nouvelles classes de composés ont ensuite été testées sur des cardiomyocytes humains, confirmant que les composés regroupés dans différentes classes produisent des effets distincts sur la contractilité de ces cellules. Globalement, ces travaux démontrent la pertinence de l’utilisation de l’impédance cellulaire pour une évaluation précise des différences fonctionnelles parmi les composés ciblant les RCPGs. En fournissant une représentation pluridimensionnelle de la signalisation émanant des RCPGs à l’aide d’un seul essai ne requérant pas de marquage, les signatures d’impédance représentent une stratégie simple et innovante pour l’évaluation de la fonctionnalité sélective des ligands. Cette méthode pourrait être d’une grande utilité dans le processus de découverte de nouveaux médicaments.

Développement de nouveaux sels Binol-imidazoliums : de la catalyse asymétrique aux applications biologiques

Le 1,1'-bi-2-naphtol ou Binol, présentant une chiralité axiale, est un ligand très utilisé en catalyse asymétrique. Au cours des vingt dernières années, le Binol a servi de synthon à l’élaboration de très nombreux ligands permettant la catalyse asymétrique de tous types de réactions, allant de l’hydrogénation, à l’alkylation, en passant par diverses réactions péricycliques. Le grand intérêt pour ce ligand vient de sa versatilité et des nombreuses possibilités de fonctionnalisation qu’il offre, permettant d’altérer ses propriétés catalytiques à volonté, aussi bien en modifiant son caractère électronique, qu’en introduisant des facteurs stériques autour du site catalytique. Parallèlement aux développements de la catalyse par des dérivés de Binol, le domaine des liquides ioniques a connu un intérêt croissant ces dernières années. Les liquides ioniques, sels dont le point de fusion est inférieur à 100°C, cumulent de nombreuses qualités convoitées : faible pression de vapeur, stabilité thermique et chimique et fort pouvoir de solvatation. Dû à ces propriétés, les liquides ioniques ont principalement été étudiés dans l’optique de développer une gamme de solvants recyclables. Alors que les propriétés des liquides ioniques sont facilement modulables en fonction de l’anion et du cation choisi, le concept de liquide ionique à tâche spécifique va plus loin et propose d’introduire directement, sur le cation ou l’anion, un groupement conférant une propriété particulière. En suivant cette approche, plusieurs ligands ioniques ont été rapportés, par simple couplage d’un cation organique à un ligand déjà connu. Étonnamment, le Binol a fait l’objet de très peu de travaux pour l’élaboration de ligands ioniques. Dans cette thèse, nous proposons l’étude d’une famille de composés de type Binol-imidazolium dont les unités Binol et imidazolium sont séparées par un espaceur méthylène. Différents homologues ont été synthétisés en variant le nombre d’unités imidazolium et leur position sur le noyau Binol, la longueur de la chaîne alkyle portée par les unités imidazolium et la nature du contre-anion. Après une étude des propriétés thermiques de ces composés, l’utilisation des Binol-imidazoliums en tant que ligands dans une réaction asymétrique d’éthylation d’aldéhydes aromatique a été étudiée en milieu liquide ionique. La réaction a été conduite en solvant liquide ionique dans le but de recycler aussi bien le ligand Binol-imidazolium que le solvant, en fin de réaction. Cette étude nous a permis de démontrer que la sélectivité de ces ligands ioniques dépend grandement de leur structure. En effet, seuls les Binols fonctionnalisés en positions 6 et 6’ permettent une sélectivité de la réaction d’éthylation. Alors que les dérivés de Binol fonctionnalisés en positions 3 et 3’ ne permettent pas une catalyse énantiosélective, il a déjà été rapporté que ces composés avaient la capacité de complexer des anions. D’autre part, il a déjà été rapporté par notre groupe, que les composés comportant des unités imidazolium pouvaient permettre le transport d’anions à travers des bicouches lipidiques en fonction de leur amphiphilie. Ceci nous a amenés à la deuxième partie de cette thèse qui porte sur les propriétés ionophores des Binols fonctionnalisés en positions 3 et 3’ par des unités imidazoliums. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude de la relation structure-activité et au mécanisme de transport de ces composés. Le transport d’anions étant un processus clé dans la biologie cellulaire, l’activité biologique des composés présentant une activité ionophore dans des systèmes modèles (liposomes) a été étudiée par la suite. L’activité antibactérienne des nos composés a été testée sur quatre souches de bactéries. Il s’est avéré que les composés Binol-imidazolium sont actifs uniquement sur les bactéries Gram positives. Finalement, la cytotoxicité des composés présentant une activité antibactérienne a été étudiée sur des cellules humaines.

Synthesis of polyelectrolyte brushes on silica-based substrates through surface-initiated polymerization : brush characterization and responsiveness to variation in pH and ionic strength

Les brosses de polyélectrolytes font l’objet d’une attention particulière pour de nombreuses applications car elles présentent la capacité de changer de conformation et, par conséquent, de propriétés de surface en réponse aux conditions environnementales appliquées. Le contrôle des principaux paramètres de ces brosses telles que l'épaisseur, la composition et l'architecture macromoléculaire, est essentiel pour obtenir des polymères greffés bien définis. Ceci est possible avec la Polymérisation Radicalaire par Transfert d’Atomes - Initiée à partir de la Surface (PRTA-IS), qui permet la synthèse de brosses polymériques de manière contrôlée à partir d’une couche d'amorceurs immobilisés de manière covalente sur une surface. Le premier exemple d’une synthèse directe de brosses de poly(acide acrylique) (PAA) par polymérisation radicalaire dans l’eau a été démontré. Par greffage d’un marqueur fluorescent aux brosses de PAA et via l’utilisation de la microscopie de fluorescence par réflexion totale interne, le dégreffage du PAA en temps réel a pu être investigué. Des conditions environnementales de pH ≥ 9,5 en présence de sel, se sont avérées critiques pour la stabilité de la liaison substrat-amorceur, conduisant au dégreffage du polymère. Afin de protéger de l’hydrolyse cette liaison substrat-amorceur sensible et prévenir le dégreffage non souhaité du polymère, un espaceur hydrophobique de polystyrène (PS) a été inséré entre l'amorceur et le bloc de PAA stimuli-répondant. Les brosses de PS-PAA obtenues étaient stables pour des conditions extrêmes de pH et de force ionique. La réponse de ces brosses de copolymère bloc a été étudiée in situ par ellipsométrie, et le changement réversible de conformation collapsée à étirée, induit par les variations de pH a été démontré. De plus, des différences de conformation provenant des interactions du bloc de PAA avec des ions métalliques de valence variable ont été obtenues. Le copolymère bloc étudié semble donc prometteur pour la conception de matériaux répondant rapidement a divers stimuli. Par la suite, il a été démontré qu’un acide phosphonique pouvait être employé en tant qu’ amorceur PRTA-IS comme alternative aux organosilanes. Cet amorceur phosphonate a été greffé pour la première fois avec succès sur des substrats de silice et une PRTA-IS en milieux aqueux a permis la synthèse de brosses de PAA et de poly(sulfopropyl méthacrylate). La résistance accrue à l’hydrolyse de la liaison Sisubstrat-O- Pamorceur a été confirmée pour une large gamme de pH 7,5 à 10,5 et a permis l’étude des propriétés de friction des brosses de PAA sous différentes conditions expérimentales par mesure de forces de surface. Malgré la stabilité des brosses de PAA à haute charge appliquée, les études des propriétés de friction ne révèlent pas de changement significatif du coefficient de friction en fonction du pH et de la force ionique.

Elastic constant measurements of super ionic LiKSO4:Na single crystals

Elastic properties of sodium doped Lithium potassium sulphate, LiK0.9Na0.1SO4, crystal has been studied by ultrasonic Pulse Echo Overlap [PEO] technique and are reported for the first time. The controversy regarding the type of crystal found while growth is performed at 35 °C with equimolar fraction of Li2SO4H2O, K2SO4 and Na2SO4 has been resolved by studying the elastic properties. The importance of this crystal is that it exhibits pyroelectric, ferroelectric and electro optic properties. It is simultaneously ferroelastic and superionic. The elastic properties of LiK0.9Na0.1SO4 crystal are well studied by measuring ultrasonic velocity in the crystal in certain specified crystallographic directions and evaluating the elastic stiffness constants, compliance constants and Poisson’s ratios. The anisotropy in the elastic properties of the crystal are well explained by the pictorial representation of the surface plots of phase velocity, slowness and linear compressibility in a-b and a-c planes.

Biochemical Effects of Anionic, Cationic and Non Ionic Surfactants on a Tropical Teleost Oreochromis Mossambicus(Peters) and a Marine Cyanobacterium Synechocystis Salina Wislouch

The present work is a base line attempt to investigate and assess the toxicities of three surfactants viz. anionic sodium dodecyl sulfate (SDS), non ionic Triton X-1OO (TX-IOO) and cationic cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB). These compounds represent simple members of the often neglected group of aquatic pollutants i.e. the anionic alkyl sulfates, non ionics and the cationics. These compounds are widely used In plastic industry, pesticide/herbicide formulations, detergents, oil spill dispersants, molluscicides etc. The test organisms selected for the present study are the cyanobacterium Synechocystis salina Wislouch representing a primary producer in the marine environment and a fresh water adapted euryhaline teleost Oreochromis mossambicus (peters) at the consumer level of the ecological pyramid. The fish species, though not indigenous to our country, is now found ubiquitously in fresh water systems and estuaries. Also it is highly resistant to pollutants and has been suggested as an indicator of pollution in tropical region .

Studies on the exploratory trawl fishing and significance of selectivity in trawl fishing gear for conservation of marine fishery resources with special reference to the inshore waters off Mangalore

School of Industrial Fisheries, Cochin University of Science and Technology

2(3H)-Furanones and related substrates: Synthetic strategies and selectivity profile in their reactivity

The synthesis and reactions of simple derivatives of 2(3H)- and 3(2H)furanones have attracted considerable attention in recent years, primarily in connection with development of routes to antitumor agents that contain this ring as central structural unit. They also serve as useful synthetic building blocks for lactones and furans and are the precursors of a wide variety of biologically important heterocyclic systems. Although a number of syntheses of furanones were known they were in many cases limited to specific substitution pattems. The development of altemative strategies for the preparation of these heterocycles is therefore of considerable importance or continues to be a challenge.We propose to develop new and general approaches to the synthesis of furanone ring systems from simple and readily available starting materials since we were interested in examining their rich photochemistry. The photochemical reactivity of Beta,gama-unsaturated lactams and lactones is a subject of current interest. Some of the prominent photoreaction pathways of unsaturated lactones include decarbonylation, solvent addition to double bonds, decarboxylation, migration of aryl substituents and dimerisation. lt was reported earlier that the critical requirement for clean photochemical cleavage of the acyl-oxygen bond is the presence ofa double bond adjacent to the ether oxygen and 2(3H)-furanones possessing this structural requirement undergo facile decarbonylation. But related phenanthrofuranones are isolated as photostable end products upon irradiation. Hence we propose to synthesis a few phenanthro-2(3H)-furanones to study the effect of a radical stabilising group at 3-position of furanone ring on photolysis. To explore the tripletmediated transformations of 2(3H)-furanones in polar and nonpolar solvents a few 3,3-bis(4-chlorophenyl)-5-aryl-3H-furan-2-ones and 3,3-di(p-tolyl)-5-aryl- 3H-furan-2-ones were synthesised from the corresponding dibenzoylstyrene precursors by neat thermolysis. Our aim was to study the nature of intermediates involved in these transformations.We also explored the possibility of developing a new and general approach to the synthesis of 3(2H)-furanones from simple and readily available starting materials since such general procedures are not available. The protocol developed by us employs readily available phenanthrenequinone and various 4-substituted acetophenones as starting materials and provides easy access to the required 3(2H)-furanone targets. These furanone derivatives have immense potential for further investigations .We also aimed the synthesis of a few dibenzoylalkene-type systems such as acenaphthenone-2—ylidene ketones and phenanthrenone-9-ylidene ketones. These systems were expected to undergo thermal rearrangement to give furanones and spirofuranones. Also these systems can be categorised as quinonemethides which are valuable synthetic intermediates.

Local character of magnetic coupling in ionic solids

Magnetic interactions in ionic solids are studied using parameter-free methods designed to provide accurate energy differences associated with quantum states defining the Heisenberg constant J. For a series of ionic solids including KNiF3, K2NiF4, KCuF3, K2CuF4, and high- Tc parent compound La2CuO4, the J experimental value is quantitatively reproduced. This result has fundamental implications because J values have been calculated from a finite cluster model whereas experiments refer to infinite solids. The present study permits us to firmly establish that in these wide-gap insulators, J is determined from strongly local electronic interactions involving two magnetic centers only thus providing an ab initio support to commonly used model Hamiltonians.