Stereoselective synthesis of 5-substituted pyrrolo[1,2-c]imidazol-3-ones. Access to aldosterone synthase inhibitors and chiral precatalysts

Compounds containing the pyrrolidine moiety are key substructures of compounds with biological activity and organocatalysts. In particular, annulated chiral pyrrolidines with alpha stereogenic centers have aldostereone synthase inhibition activity. In addition, 5-substituted pyrroloimidazol(in)ium salts precursors to N-heterocyclic carbene (NHC) precatalysts are rare due to a lack of convenient synthetic routes to access them. In this thesis is described a rapid synthesis of NHC precursors and a possible route to 5-substituted pyrroloimidazole biologically active compounds. The method involves the preparation of chiral saturated and achiral unsaturated pyrrolo[I,2- c]imidazol-3-ones from N-Cbz-protected t-Butyl proline carboxamide. The resulting starting materials may be used to prepare the target chiral annulated imidazol(in)ium products by a two-step sequence involving first stereoselective lithiation-substitution, followed by POCh induced salt formation.

The Synthesis and Coordination Chemistry of Two Families of Polydentate Ligands - Exploring Their Potential for the Preparation of Molecule-Based Magnets

The synthesis and studies of two classes of poly dentate ligands are presented as two projects. In project 1, four new carboxamide ligands have been synthesised via the condensation of 2,2',6,6'-tetrachloroformyl-4,4'-bipyridine or 2,6-dichloroformyl pyridine together with heterocyclic amines containing pyridine or pyrazole substituents. The coordination chemistry of these ligands has been investigated and studies have shown that with a Cu(II) salt, two carboxamide ligands LJ and L2 afford large clusters with stoichiometries [Cu8(L1)4Cl16].CHCl3.5H2O.7CH3OH (I) and [Cu9(L2)6Cl6].CH3OH.5H2O.(C2H5)3N (II) respectively. [molecular diagram availabel in pdf]. X-ray diffraction studies of cluster (I) reveal that it has approximate S4 symmetry and is comprised of four ligands and eight copper (II) centers. Here, coordination takes place via amide 0 atoms, and pyrazole nitrogens. This complex is the first reported example of an octanuclear copper cluster with a saddle-shaped structure. The second cluster comprises nine copper ions that are arranged in a cyclic array. Each ligand coordinates three copper centers and each copper ion shares two ligands to connect six ligands with nine copper ions. The amide nitrogens are completely deprotonated and both amide Nand 0 atoms coordinate the metal centres. The cluster has three-fold symmetry. There are six chloride ions, three of which are bridging two neighbouring Cu(II) centres. Magnetic studies of (I) and (II) reveal that both clusters display weak antiferromagnetic interactions between neighbouring Cu(II) centers at low temperature. In the second project, three complexes with stoichiometries [Fe[N302](SCN)2]2 (III), R,R-[Fe[N3O2](SCN)2 (IV) and R,R-]Fe[N3O2](CN)2] (V) were prepared and characterized, where [N302] is a pentadentate macrocycle. Complex (III) was prepared via the metal templated Schiff-base condensation of 2,2',6,6'-tetraacetyl-4,4'-bipyridine together with 3,6-dioxaoctane-I,8-diamine and comprises of a dimeric macro cycle where the two Fe(II) centres are in a pentagonal-bipyramidal environment with the [N302] ligands occupying the equatorial plane and two axial NCS ligands. Complexes (IV) and (V) were prepared via the condensation of 2,6-diacetylpyridine together with a chiral diamine in the presence of FeCh. The synthetic strategy for the preparation of the chiral diamine (4R,5R)-4,5-diphenyl-3,6-dioxa-I,8-octane-diamine was elucidated. The chirality of both macrocycles (IV) and (V) was probed by circular dichroism spectroscopy. The crystal structure of (IV) at 200 K contains two independent molecules in the unit cell, both of which contain a hepta-coordinated Fe(II) and axial NCS ligands. Variable temperature magnetic susceptibility and structural studies are consistent with a high spin Fe(II) complex and show no evidence of any spin crossover behaviour. In contrast, the bis cyanide derivative (V) crystallizes with two independent molecules in the unit cell, both of which have different coordination geometries consistent with different spin states for the two Fe(II) centres. At 250 K, the molecular structure of (V) shows the presence of both 7- and a 6-coordinate Fe(II) complexes in the crystal lattice. As the temperature is lowered, the molecules undergo a structural change and at 100 K the structural data is consistent with a 6- and 5-coordinate Fe(II) complex in the unit cell. Magnetic studies confirm that this complex undergoes a gradual, thermal, spin crossover transition in the solid state. Photomagnetic measurements indicate this is the first chiral Fe (II) sea complex to exhibit a LIESST.

Ligand design for molecule-based magnetic and/or conducting materials

Work in the area of molecule-based magnetic and/or conducting materials is presented in two projects. The first project describes the use of 4,4’-bipyridine as a scaffold for the preparation of a new family of tetracarboxamide ligands. Four new ligands I-III have been prepared and characterized and the coordination chemistry of these ligands is presented. This project was then extended to exploit 4,4’-bipyridine as a covalent linker between two N3O2 macrocyles. In this respect, three dimeric macrocycles have been prepared IV-VI. Substitution of the labile axial ligands of the Co(II) complex IV by [Fe(CN)6]4- afforded the self-assembly of the 1-D polymeric chain {[Co(N3O2)H2O]2Fe(CN)6}n•3H2O that has been structurally and magnetically characterized. Magnetic studies on the Fe(II) complexes V and VI indicate that they undergo incomplete spin crossover transitions in the solid state. Strategies for the preparation of chiral spin crossover N3O2 macrocycles are discussed and the synthesis of the novel chiral Fe(II) macrocyclic complex VII is reported. Magnetic susceptibility and Mössbauer studies reveal that this complex undergoes a gradual spin crossover in the solid state with no thermal hysteresis. Variable temperature X-ray diffraction studies on single crystals of VII reveal interesting structural changes in the coordination geometry of the macrocycle accompanying its SCO transition. The second project reports the synthesis and characterization of a new family of tetrathiafulvalene derivatives VIII – XII, where a heterocyclic chelating ligand is appended to a TTF donor via an imine linker. The coordination chemistries of these ligands with M(hfac)2.H2O (M( = Co, Ni, Mn, Cu) have been explored and the structural and magnetic properties of these complexes are described.

Triarylamminium radical-cation complexes: design and magnetic properties and Base-catalyzed hydrosilylation: mechanism and substrate scope

1. Triarylamminium radical-cation complexes. The detailed study of manganese, copper and nickel metal-radical complexes with triarylamminium ligands was conducted. Stable, neutral and pseudo-octahedral coordination monometallic complexes with simple monodentate 2,2`-bipyridine ligand containing a redox-active N,N`-(4,4`-dimethoxydiphenyl-amino) substituent were synthesized and fully characterized. The one-electron oxidation process and formation of persistent radical-cation complexes was observed by cyclic voltammetry and spectroelectrochemical measurements. Evans method measurements were performed with radical-cation complexes generated by chemical one-electron oxidation with NOPF6 in acetonitrile. The experimental results indicate ferromagnetic coupling between metal and triarylamminium cation in manganese (II) complex and antiferromagnetic coupling in nickel (II) complex. This data is supported by DFT calculations which also lend weight to the  spin polarization mechanism as an operative model for magnetic exchange coupling. Neutral bimetallic complexes with a new ditopic ligand were synthesized and fully characterized, including magnetic and electrochemical studies. Chemical oxidation of these precursor complexes did not generate radical-cations, but dicationic complexes, which was confirmed by UV-vis and EPR-experiments, as well as varied temperature magnetic measurements. DFT calculations for radical-cation complexes are included. A synthetic pathway for polytopic ligand with multiple redox-active triarylamine sites was developed. The structure of the ligand is presumably suitable for -spin polarization exchange model and allows for production of polymetallic complexes having high spin ground states. 2. Base-catalyzed hydrosilylation. A simple reductive base-catalyzed hydrosilation of aldehydes and ketones was adapted to the use of the cheap, safe, and non-toxic polymethylhydrosiloxane (PMHS) instead of the common PhSiH3 and (EtO)3SiH, which present significant cost and safety concerns, respectively. The conversion of silane into pentacoordinate silicate species upon addition of a base was studied in details for the cases of phenyl silane and PMHS and is believed to be essential for the hydrosilylation process. We discovered that nucleophiles (a base or fluoride-anion) induced the rearrangement of PMHS and TMDS into light silanes: MeSiH3 and Me2SiH2, respectively. The reductive properties of PMHS under basic conditions can be attributed to the formation of methyl silane and its conversion into a silicate species. A procedure for the generation of methyl silane and its use in further efficient reductions of aldehydes and ketones has been developed. The protocol was extended to the selective reduction of esters and tertiary amides into alcohols and aldimines into amines with good isolated yields and reduction of heterocyclic compounds was attempted.

Synthesis of unnatural analogues of pancratistatin and narciclasine

Described herein is the chemoenzymatic synthesis of several different types of unnatural analogues of Amaryllidaceae constituents. Development and refinement of existing and design and execution of new approaches towards the synthesis of C-1 analogues of pancratistatin and A-ring heterocyclic analogues of narciclasine are discussed. Evaluation of the new analogues as cancer growth inhibitory agents is also described

Diastereoselective Lithiation-Substitution of N-Silyl-Protected-(S)-Tetrahydro-1H-pyrrolo[1,2-c]imidazole-3(2H)-ones and Applications of Their Derivatives

This thesis describes a method involving the preparation of an L-proline-derived imidazolone protected with an N-triethylsilyl group that undergoes diastereoselective lithiation followed by electrophile quench to give C5-substituted products with syn stereochemistry. The N-silylated derivatives may be more easily N-deprotected as compared to previous N-t-Bu analogues to give secondary ureas. These may serve as precursors to N-phenyl chiral bicyclic guanidines or as NHC precursors for synthesis of corresponding complexes.

Diastereoselective Lithiation-Substitution of N-Silyl-Protected-(S)-Tetrahydro-1H-pyrrolo[1,2-c]imidazole-3(2H)-ones and Applications of Their Derivatives

This thesis describes a method involving the preparation of an L-proline-derived imidazolone protected with an N-triethylsilyl group that undergoes diastereoselective lithiation followed by electrophile quench to give C5-substituted products with syn stereochemistry. The N-silylated derivatives may be more easily N-deprotected as compared to previous N-t-Bu analogues to give secondary ureas. These may serve as precursors to N-phenyl chiral bicyclic guanidines or as NHC precursors for synthesis of corresponding complexes.

Approach to the Synthesis of Aza-Analogues of Narciclasine through an Intramolecular Heck Reaction

This thesis describes work towards the total synthesis of a 7-aza analogue of the Amaryllidaceae alkaloid narciclasine, a potent anticancer compound which suffers from a poor solubility profile. A key strategy in the formation of the C-ring is the biotransformation of bromobenzene by E.coli JM109. The densely substituted heterocyclic A-ring is obtained by sequential directed ortho-metalation and the fragment union accomplished with an amide coupling and subsequent intramolecular Heck reaction.

Étude de réactivité et de sélectivité de nouveaux catalyseurs à base de ruthénium

Ce projet de recherche consiste en l’étude de la réactivité et de la sélectivité de nouveaux catalyseurs de métathèse d’oléfines à base de ruthénium lors de réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfines (RCM). L’emphase de cette étude repose sur l’évaluation de nouveaux catalyseurs possédant un ligand NHC (carbène N-hétérocyclique) C1-symétrique développés par le laboratoire Collins pour des réactions de désymétrisations asymétriques de méso-triènes par ARCM. Le projet a été séparé en deux sections distinctes. La première section concerne la formation d’oléfines trisubstituées par ARCM de méso-triènes. La seconde section consiste en la formation d’oléfines tétrasubstituées par le biais de la RCM de diènes et de la ARCM de méso-triènes. Il est à noter qu’il n’y a aucun précédent dans la littérature concernant la formation d’oléfines tétrasubstituées suite à une désymétrisation par ARCM. Lors de l’étude concernant la formation d’oléfines trisubstituées, une étude de cinétique a été entreprise dans le but de mieux comprendre la réactivité des différents catalyseurs. Il a été possible d’observer que le groupement N-alkyle a une grande influence sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation d’une variété de méso-triènes. En ce qui a trait à la formation d’oléfines tétrasubstituées, une étude de la réactivité des différents catalyseurs a été effectuée par l’intermédiaire de malonates de diéthyldiméthallyle. Il a encore une fois a été possible d’observer que le groupement N-alkyle possède un effet important sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement iv N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation de différents mésotriènes.

Étude des propriétés de liquides ioniques protiques en tant qu'électrolytes pour des supercapacités à base de dioxyde de ruthénium

Ce mémoire portant sur le développement de liquides ioniques protiques à l'état liquide à température ambiante en tant qu'électrolytes pour des supercapacités faradiques à base de dioxyde de ruthénium est divisé en trois études distinctes. La première permet d'évaluer quelles propriétés de ces sels fondus doivent être optimisées pour cette application en utilisant les données recueillies avec une série de nouveaux liquides ioniques protiques constitués de l'acide trifluoroacétique et différentes bases hétérocycliques azotées. La seconde discute de l'effet d'impuretés colorées sur les propriétés des liquides ioniques ainsi que sur des aspects pratiques devant être pris en considération lors des synthèses. La troisième traite d'importantes relations structure–propriétés pour une série de liquides ioniques protiques ayant des cations du type pyridinium et différents anions. Dans leur ensemble, les travaux présentés devraient permettre une recherche plus efficace de liquides ioniques avec des propriétés désirables en vue d'application comme électrolyte dans le futur.

Synthèse énantiosélective du [7]hélicène à l’aide de la réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfine asymétrique et synthèse de binaphtols via une réaction de couplage oxydatif

L’intérêt pour les hélicènes s’est accru au fur et à mesure que de nouvelles applications pour ce genre de molécules ont été découvertes. Par contre, la recherche dans ce domaine a été limitée par le petit nombre de voies de synthèse de ces molécules, la plupart nécessitant une étape de résolution ou de séparation des énantiomères par HPLC à la fin de la synthèse. Le présent projet de recherche propose d’utiliser la réaction de fermeture de cycle asymétrique par métathèse d’oléfines (asymmetric ring closing metathesis, ARCM) pour effectuer une synthèse d’hélicène à la fois catalytique et énantiosélective. La synthèse énantiosélective du [7]hélicène a été effectuée à l’aide d’une résolution cinétique du précurseur racémique. Au cours de cette synthèse, nous avons été en mesure de démontrer l’efficacité de différents catalyseurs de métathèse chiraux en plus de démontrer l’effet de l’ajout de simples oléfines comme additifs à la réaction. De plus, nous avons formulé une hypothèse expliquant cet effet à l’aide du mécanisme de la réaction. Finalement, nous avons aussi montré l’effet du changement de solvant sur la sélectivité de la réaction. Au cours de ces travaux, nous avons également développé une nouvelle méthode de synthèse de binaphtols à l’aide d’une réaction de couplage oxydatif impliquant un catalyseur de cuivre. À l’aide d’études de réactivité, nous avons été en mesure de démontrer que le métal portait deux ligands N-hétérocycliques (NHC). Nous avons aussi observé que le catalyseur favorisait la formation de binaphtol non symétrique avec un groupement naphtol avec une densité électronique élevée et un autre groupement naphtol avec une faible densité électronique.

Propriétés supramoléculaires des cations diimidazolium disubstitués : des complexes d’inclusion en solution aux interactions à l’état cristallin et cristal liquide

Les sels d’imidazolium ont un rôle important dans certaines protéines et acides nucléiques et ont été utilisés à de nombreuses reprises dans des assemblages supramoléculaires en raison de leurs propriétés uniques. Les sels de diimidazolium dérivés sont toutefois moins connus. Ils ont pour l’instant uniquement été utilisés comme des précurseurs de carbènes N-hétérocycliques. Ils sont donc à la base de plusieurs catalyseurs utilisés pour des réactions de couplage croisés mais leurs propriétés sont toutefois méconnues dans le cadre de la chimie supramoléculaire. Cette classe de composés a nottament attiré notre attention en raison de la facilité de modification de leurs propriétés physico-chimiques par modification de leur structure chimique. L’objectif général des travaux présentés dans cette thèse est l’étude des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium disubstitués en solution (aqueuse ou organique), ainsi qu’en phase solide ou cristal-liquide. L’influence de l’espaceur entre les deux noyaux imidazolium ainsi que l’influence des substituants latéraux et des contre-ions a été étudiée. Dans un premier temps, les propriétés de complexation des sels de diimidazolium à des macrocycles sont étudiées. Les sels bromure sont étudiés en solution aqueuse avec plusieurs cyclodextrines et le cucurbit[7]uril, et les sels hexafluorophosphate sont étudiés en solution organique pour leur complexation avec l’éther couronne DB24C8 et un calix[4]arène. Cette nouvelle classe de composés a montré de très bonnes propriétés de complexation à ces différents macrocycles en solution et a également permis de contrôler différents assemblages supramoléculaires à l’interface air-eau. Dans un deuxième temps, l’étude des sels de phénylènediimidazolium a permis de modifier les propriétés de complexation en solution pour obtenir la formation de complexes multiples avec le cucurbit[7]util en solution aqueuse. Cette même famille de composés a également permis la formation de cristaux liquides ioniques lorsque les substituants sont des chaînes alkyles plus longues. La résolution de plusieurs structures cristallines de différents sels de diimidazolium a finalement permis de comprendre la nature des interactions intermoléculaires à l’état cristallin. La recherche présentée dans cette thèse a donc permis une étude détaillée des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium dans tous les états de la matière qui leur sont accessibles.

Synthèse de nouveaux matériaux conducteurs comportant des unités aromatiques conjuguées et analyse de leurs propriétés physico-chimiques

Les matériaux conjugués ont fait l’objet de beaucoup de recherches durant les dernières années. Les nouveaux matériaux présentent des propriétés intéressantes que ce soit au niveau optique, électrique, mécanique ou même les trois en même temps. La synthèse reste la difficulté principale dans la fabrication de dispositifs électroniques. Les méthodes utilisées pour y parvenir sont l’électropolymérisation, le couplage de Suzuki ou de Wittig. Ces techniques comportent encore de nombreuses contraintes et s’avèrent difficilement réalisables à grande échelle. Les thiophènes, les pyrroles et les furanes ont démontré une bonne conductibilité et une bande de conduction basse due à une conjugaison accrue. L’objectif ici est de synthétiser des oligomères principalement composés de thiophènes dans le but d’en caractériser les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de conduction. La synthèse est souvent l’étape délicate de la fabrication de matériaux conjugués. Nous présentons ici une méthode de synthèse simple par modules avec des unités hétérocycliques. Les modules complémentaires sont attachés par condensation entre un aldéhyde et une amine menant à la formation d’un lien robuste, l’azomethine. Les résultats des propriétés photophysiques et électrochimiques de ces matériaux conjugués seront présentés. En ayant recours à différents groupes électrodonneurs et électroaccepteurs, en variant le degré de conjugaison ou en utilisant différents hétérocycles, les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de bande de conduction peuvent être adaptées à volonté, ce qui en fait des matériaux aux propriétés modelables. Ces nouvelles molécules seront analysées pour en déceler les propriétés recherchées dans la fabrication d’OLED. Nous explorerons les domaines de l’oxidation electrochimique réversible et de la polymérisation menant à la fabrication de quelques prototypes simples.

Contrôle de l'organisation moléculaire en 2D et 3D par l’utilisation de liaisons hydrogène, de coordination métallique et d'autres interactions

La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie.

Développement d'une méthode d'alkylation pour la préparation de ligands carbènes N-hétérocycliques C₁-symétriques et synthèse de nouveaux catalyseurs pour la métathèse d'oléfines

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal