Synthèse diastéréosélective et énantiosélective de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitués à l’aide de carbénoïdes gem-dizinciques

Les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés sont des composés intéressants dans de nombreux domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse, tout d’abord diastéréosélective puis énantiosélective de ces composés. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’utilisation de la zinciocyclopropanation pour l’obtention de ces dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés. Cette méthode consiste en l’utilisation d’un carbénoïde gem-dizincique pour effectuer une réaction de type Simmons-Smith. Cette stratégie a l’avantage d’être diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur qu’est l’oxygène allylique basique. Lors de cette réaction, l’existence d’une réaction compétitive avec un réactif monozincique diminuait l’utilité de la zinciocyclopropanation. L’issue de la réaction s’est avérée dépendre fortement de la nature du carbénoïde utilisé, de la température réactionnelle et de la présence de ZnI2 dans le milieu. L’étude par GCMS de nombreuses conditions pour la formation des différents carbénoïdes a permis d’identifier les paramètres clés conduisant à la zinciocyclopropanation. Ces découvertes ont notamment permis d’étendre la réaction de zinciocyclopropanation aux alcools allyliques portant un seul groupement directeur (ie. non dérivé du 1,4-buténediol). Dans ces conditions, la réaction s’est avérée extrêmement diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur. Afin de fonctionnaliser les zinciocyclopropanes ainsi obtenus, plusieurs réactions de fonctionnalisation in situ ont été développées. Chacune de ces méthodes a montré une conservation totale de la diastéréosélectivité obtenue lors de la réaction de zinciocyclopropanation. La versatilité de la zinciocyclopropanation a donc été démontrée. Avec une méthode diastéréosélective efficace pour la formation de zinciocyclopropanes à partir d’alcools allyliques ne portant qu’un seul groupement directeur, il est devenu possible d’envisager le développement énantiosélectif de la réaction. L’utilisation d’un dioxaborolane énantiopur a permis la zinciocyclopropanation avec de très bons excès énantiomères de divers alcools allyliques chiraux. La présence sur la même molécule d’un lien C–Zn nucléophile est d’un atome de bore électrophile a conduit à un échange bore-zinc in situ, formant un cyclopropylborinate énantioenrichi. La formation de ce composé bicyclique a permis d’obtenir une diastéréosélectivité parfaite. De nombreux alcools allyliques ont pu ainsi être convertis en cyclopropylborinates. Une réaction de Suzuki subséquente a permis la formation de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-trisubstitués avec de très bons excès énantiomères et une excellente diastéréosélectivité. Les cyclopropylborinates obtenus à l’issue de la zinciocyclopropanation énantiosélective se sont avérés être des unités très versatiles puisque de nombreuses méthodes ont pu être développés pour leur fonctionnalisation.

Monohalogénocyclopropanations stéréosélectives à l'aide de carbénoïdes de zinc, couplages croisés de cyclopropylsilanols, cyclisations d'iodures d'alkyle catalysées par le nickel

Les cyclopropanes sont des unités qui sont très importantes en raison de leur présence dans de nombreux produits naturels, dans certaines molécules synthétiques ayant une activité biologique, ainsi que dans plusieurs intermédiaires synthétiques. Les travaux décrits dans cet ouvrage portent sur l’halogénocyclopropanation stéréosélective d’alcools allyliques en présence d’un ligand chiral stœchiométrique de type dioxaborolane et de carbénoïdes de zinc substitués dérivés de composés organozinciques et d’haloformes. Nous avons ainsi développé des conditions pour l’iodo-, la chloro- et la fluorocyclopropanation stéréosélective. Une étude mécanistique portant sur la nature des carbénoïdes alpha-chlorés et alpha-bromés a révélé qu’il y a un échange des halogènes portés par ces carbénoïdes. Lors de la chlorocyclopropanation, le carbénoïde le plus réactif (alpha-chloré) réagit de façon prédominante en vertu du principe de Curtin-Hammet. Les iodocyclopropanes énantioenrichis ont pu être fonctionnalisés via une réaction d’échange lithium-iode suivie du traitement avec des électrophiles, ou via une réaction de transmétallation au zinc suivie d’un couplage de Negishi. Ainsi, toute une gamme de cyclopropanes 1,2,3-substitués énantioenrichis a pu être synthétisée. Dans l’optique de développer de nouvelles méthodologies de fonctionnalisation des cyclopropanes, nous nous sommes par la suite tournés vers le couplage croisé de type Hiyama-Denmark des cyclopropylsilanols. Dans cette voie synthétique, le groupement silanol a deux fonctions : il sert de groupement proximal basique lors de la cyclopropanation de Simmons-Smith et il subit la transmétallation au cours du couplage croisé. Dans l’étape du couplage croisé, la nature des ligands liés à l’atome de silicium s’est avérée cruciale au bon déroulement de la réaction. Ainsi, l’échange de ligands avec le diéthyl éthérate de trifluoroborane générant le cyclopropyltrifluorosilane in situ est requis pour obtenir de bons rendements. Le dernier volet de cet ouvrage porte sur la cyclisation d’iodures d’alkyle par substitution aromatique par voie homolytique catalysée par le nickel. Une série de composés de type tétrahydronaphtalène et thiochromane ont été préparés selon cette méthode. Une étude mécanistique a confirmé la nature radicalaire de cette réaction et suggère fortement l’action catalytique du nickel. De plus, des études de spectrométrie RMN DOSY ont montré une association entre le complexe de nickel et le substrat ainsi que la base employés dans cette réaction.

Synthèse totale de la pactamycine et d’une sélection d’analogues, progrès vers la synthèse totale de la daphniglaucine C et brève étude d’une transposition allylique réductrice

Il y a plus de cinquante ans, la pactamycine a été isolée en tant qu’agent antitumoral potentiel. Il a été réalisé plus tard qu’il s’agissait en fait d’un agent antibactérien capable d’inhiber la synthèse de protéines lors du procédé de traduction. Récemment, il a même été démontré que certains de ses analogues possèdent des propriétés antiprotozoaires prometteuses. La présente thèse détaille la première synthèse totale de la pactamycine, entreprise au sein du groupe Hanessian, ainsi que la préparation d’une sélection d’analogues testés pour leurs propriétés biologiques. En outre, la daphniglaucine C appartient à une vaste famille de composés naturels isolés des feuilles du daphniphyllum au cours des dix dernières années. Bien que relativement peu d’information soit connue par rapport à l’activité biologique de la daphniglaucine C, la synthèse de celle-ci représente certainement un défi intéressant pour un chimiste organicien. Au passage, nos efforts vers la synthèse totale du composé cible auront permis d’explorer l’emploi de plusieurs méthodes en vue de la formation de centres quaternaires. De plus, un réarrangement réductif atypique, catalysé au palladium à partir d’alcools allyliques non-activés, a été étudié et employé afin de générer une sélection de pyrrolidines polysubstituées.

Nous complexos de pal·ladi amb lligands macrocíclics triolefínics. Estructura i aplicacions

Aquesta Tesi Doctoral està dividida en diferents capítols tots ells basats en aplicacions de macrocicles nitrogenats triolefínics de 15 membres i dels seus complexos amb metalls de transició. En primer lloc es descriu l'aplicació d'un complex macrocíclic ferrocenílic de Pd0 com a catalitzador en reaccions de Mizoroki-Heck i Suzuki emprant sals de diazoni com a agents arilants. Aquest catalitzador va proporcionar bons rendiments de productes i va poder ser recuperat i reutilitzat, essent el primer sistema catalític reciclable descrit en la reacció de Mizoroki-Heck amb sals de diazoni. La metodologia es va estendre de forma efectiva a alcohols al·lílics, però en no ser possible recuperar el catalitzador macrocíclic, es va emprar Pd(dba)2. Posteriorment es van preparar estructures macromoleculars mitjançant la introducció de diferents unitats macrocícliques sobre un espaiador. La complexació d'aquestes estructures va permetre preparar complexos tant homo (Pd0) com heterometàl·lics (Pd0, Pt0) amb bons rendiments. Els complexos homometàl·lics van resultar ser bons catalitzadors en reaccions de Suzuki i fàcilment recuperables per simple filtració. En una última part, es van preparar nous macrocicles triolefínics contenint d'un a tres grups amino lliures en l'estructura mitjançant la utilització del grup protector (2-trimetilsilil)etansulfonil (SES). Aquesta modificació estructural va permetre ampliar la capacitat coordinant dels macrocicles a altres metalls de transició, com el PdII, possibilitant noves aplicacions. Concretament es va aplicar el lligand contenint un sol grup amino lliure al reconeixement, transport i preconcentració de PdII i PtIV continguts en dissolucions aquoses.

On the Stabilization of Gold Nanoparticles over Silica-Based Magnetic Supports Modified with Organosilanes

The immobilization of gold nanoparticles (Au NPs) on silica is made possible by the functionalization of the silica surfaces with organosilanes. Au NPs could only be stabilized and firmly attached to silica-support surfaces that were previously modified with amino groups. Au NPs could not be stabilized on bare silica surfaces and most of the NPs were then found in the solution. The metal-support interactions before and after the Au NP formation, observed by X-ray absorption fine structure spectroscopy (XAFS), indicate a stronger interaction of gold-(III) ions with amino-modified silica surfaces than with the silanol groups in bare silica. An amino-modified, silica-based, magnetic support was used to prepare an active Au NP catalyst for the chemoselective oxidation of alcohols, a reaction of great interest for the fine chemical industry.

Stereoselective Catalytic Processes for the Synthesis of Polycyclic Aromatic Compounds

In this PhD-thesis, two methodologies for enantioselective intramolecular ring closing reaction on indole cores are presented. The first methodology represents a highly stereoselective alkylation of the indole N1-nitrogen, leading to 3,4-dihydro-pyrazinoindol-1-ones – a structural class which is known for its activity on the CNS and therefore of high pharmacological interest concerning related diseases. In this approach, N-benzyl cinchona-alkaloids were used for the efficient catalysis of intramolecular aza-Michael reactions. Furthermore, computational studies in collaboration with the research group Prof. Andrea Bottoni (Department of Chemistry “G. Ciamician”, Bologna) were accomplished in order to get insight into the key interactions between catalyst and substrate, leading to enantiomeric excesses up to 91%. The results of the calculations on a model system are in accordance with the experimental results and demonstrate the high sensibility of the system towards structural modifications. The second project deals with a metal catalyzed, intramolecular Friedel-Crafts (FC)-reaction on indolyl substrates, carrying a side chain which on its behalf is furnished with an allylic alcohol unit. Allylic alcohols are part of the structural class of “π-activated alcohols” – alcohols, which are more easily activated due to the proximity to a π-unit (allyl-, propargyl-, benzyl-). The enantioselective intramolecular cyclization event is catalyzed efficiently by employment of a chiral Au(I)-catalyst, leading to 1-vinyl- or 4-vinyl-tetrahydrocarbazoles (THCs) under the formation of water as byproduct. This striking and novel process concerning the direct activation of alcohols in catalytic FC-reactions was subsequently extended to similar precursors, leading to functionalized tetrahydro-β-carbolines. These two methodologies represent highly efficient approaches towards the synthesis of scaffolds, which are of enormous pharmaceutical interest and amplify the spectra of enantioselective catalytic functionalisations of indoles.

Nuovi processi catalitici per la sintesi di prodotti ad attività farmacologica

The transition metal-catalyzed allylic alkylation (Tsuji-Trost type reaction) is a powerful tool for C-C, C-N, and C-O bond formation, which has been widely applied to organic chemistry over the last decades. Typical substrates for this transformation are activated allylic compounds such as halides, esters, carbonates, carbamates, phosphates, and so on. However, use of these substrates is associated with the disadvantage of generating a stoichiometric amount of chemical waste. Furthermore, these starting materials have to be prepared in an extra step from the corresponding allylic alcohol. Thus, ideal substrates would be the allylic alcohols themselves, with water being the only byproduct in this case. However, the scarse propensity of the hydroxyl moiety to act as good leaving group has significantly limited their use so far. During the last decade significant efforts have been made in order to develop more atom-economical and environmentally-friendly allylic alkylation protocols by employing allylic alcohols directly. In this PhD dissertation two main projects addressing this topic are presented. “Project 1” deals with the development of new metal-catalyzed intramolecular Friedel-Crafts (FC) allylic alkylations of electron-rich (PAPER A), as well as challenging electron-poor arenes (PAPER B) with alcohols. In “Project 2”, gold(I)-catalyzed intramolecular and stereoselective allylic alkylation reactions are reported. In particular, a FC alkylation of indole-containing allylic alcohols is presented in PAPER C. While, an O-alkylation of aminol-containing allylic alcohols is reported in PAPER D. To the best of knowledge, these reports represent the first example of gold(I)-catalyzed stereoselective alkylations with alcohols.

Organic/inorganic polyoxometalate-based hybrids for oxidation catalysis and energy conversion

This thesis work has been carried out during the Erasmus exchange period at the “Université Paris 6 – Pierre et Marie Curie”, in the “Edifices PolyMétalliques – EPOM” team, leaded by Prof. Anna Proust, belonging to the “Institut Parisien de Chimie Moléculaire”, under the supervision of Dr. Guillaume Izzet and Dr. Geoffroy Guillemot. The redox properties of functionalized Keggin and Dawson POMs have been exploited in photochemical, catalytic and reactivity tests. For the photochemical purposes, the selected POMs have been functionalized with different photoactive FGs, and the resulting products have been characterized by CV analyses, luminescence tests and UV-Vis analyses. In future, these materials will be tested for hydrogen photoproduction and polymerization of photoactive films. For the catalytic purposes, POMs have been firstly functionalized with silanol moieties, to obtain original coordination sites, and then post-functionalized with TMs such as V, Ti and Zr in their highest oxidation states. In this way, the catalytic properties of TMs were coupled to the redox properties of POM frameworks. The redox behavior of some of these hybrids has been studied by spectro-electrochemical and EPR methods. Catalytic epoxidation tests have been carried out on allylic alcohols and n-olefins, employing different catalysts and variable amounts of them. The performances of POM-V hybrids have been compared to those of VO(iPrO)3. Finally, reactivity of POM-VIII hybrids has been studied, using styrene oxide and ethyl-2-diazoacetate as substrates. All the obtained products have been analyzed via NMR techniques. Cyclovoltammetric analyses have been carried out in order to determine the redox behavior of selected hybrids.

In-situ X-ray studies of clean catalytic technologies

The rational design of new heterogeneous catalysts for clean chemical technologies can be accelerated by molecular level insight into surface chemical processes. In-situ methodologies, able to provide time-resolved and/or pressure dependent information on the evolution of reacting adsorbed layers over catalytically relevant surfaces, are therefore of especial interest. Here we discuss the application of in-situ XPS and in-situ, synchronous DRIFTS/MS/XAS methodologies to elucidate the active site in Pd-catalyzed, selective aerobic oxidation of allylic alcohols.

Support-enhanced selective aerobic alcohol oxidation over Pd/mesoporous silicas

The influence of silica mesostructure upon the Pd-catalyzed selective oxidation of allylic alcohols has been investigated for amorphous and surfactant-templated SBA-15, SBA-16, and KIT-6 silicas. Significant rate enhancements can be achieved via mesopore introduction, most notably through the use of interconnected porous silica frameworks, reflecting both improved mass transport and increased palladium dispersion; catalytic activity decreases in the order Pd/KIT-6 ≈ Pd/SBA-16 > Pd/SBA-15 > Pd/SiO2. Evidence is presented that highly dispersed palladium oxide nanoparticles, not zerovalent palladium, are the catalytically active species. © 2011 American Chemical Society.

Synthetic applications of chiral unsaturated epoxy alcohols prepared by sharpless asymmetric epoxidation

An overview of the synthesis and applications of chiral 2,3-epoxy alcohols containing unsaturated chains is presented. One of the fundamental synthetic routes to these compounds is Sharpless asymmetric epoxidation, which is reliable, highly chemoselective and enables easy prediction of the product enantioselectivity. Thus, unsaturated epoxy alcohols are readily obtained by selective oxidation of the allylic double bond in the presence of other carbon-carbon double or triple bonds. The wide availability of epoxy alcohols with unsaturated chains, the versatility of the epoxy alcohol functionality (e.g. regio- and stereo-selective ring opening; oxidation; and reduction), and the arsenal of established alkene chemistries, make unsaturated epoxy alcohols powerful starting materials for the synthesis of complex targets such as biologically active molecules. The popularization of ring-closing metathesis has further increased their value, making them excellent precursors to cyclic compounds.

Synthesis of chiral homoallylic alcohols and phthalans through the asymmetric allylation of carbonyl compounds /

The implementation of chiral centres within biologically active compounds has been a perplexing yet motivational force in chemistry. This work presents the attempted formation of a concurrent or sequential tandem catalyzed methodology of enantioselective nucleophilic addition and electrophilic cyclization. The 2'- arylalkynyl- aldehyde, ketone, and imine substrates used within were adeptly chosen with a dually activated structure; 1) for nucleophilic addition to the electrophilic substituents; and 2) for carbophilic activation of the alkyne substituent to undergo cyclization. To accomplish the nucleophilic addition, two distinct allylation methodologies were pursued: (/?)-BINOL catalyzed-allylboration and (5)- BINAP-AgF catalyzed-allylsilylation. BINAP catalyzed enantioselective allylation of 2'-arylalkynyl-aldehydes, to form chiral homoallylic alcohols, was successful. Homoallylic alcohols were isolated with high enantio-purity (>80%), which then underwent sequential cyclization to form chiral allylic phthalans, in moderate yields. An application of this methodology towards the construction of biologically active compounds was included with the partial synthesis of the natural product and H. pylori inhibitor, (+)-Spirolaxine methyl ether.

Catalytic oxidation of alcohols using molecular oxygen mediated by poly(ethylene glycol)-supported nitroxyl radicals

The selective catalytic oxidation of alcohols over a mixture of copper(l) chloride and a number of linear 'linker-less' or 'branched' poly(ethylene glycol)-supported nitroxyl radicals of the 2,2,6,6-tetramethyl-piperidine-1-oxyl (TEMPO) family as a catalyst system has been investigated in the presence of molecular oxygen in a batch reactor. It is found that the activity profile of the polymer-supported nitroxyl radicals is in good agreement with that of low-molecular weight nitroxyl catalysts, for example, allylic and benzylic alcohols are oxidised faster than aliphatic alcohols. The oxidations can be tuned to be highly selective such that aldehydes are the only oxidation products observed in the oxidation of primary alcohols and the oxidations of secondary alcohols yield the corresponding ketones. A strong structural effect of the polymeric nitroxyl species on catalytic activity that is dependent upon their spatial orientation of the nitroxyl radicals is particularly noted. The new soluble macromolecular catalysts can be recovered readily from the reaction mixture by solvent precipitation and filtration. In addition, the recycled catalysts demonstrate a similar selectivity with only a small decrease in activity compared to the fresh catalyst even after five repetitive cycles. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Synthesis of new fluorous modular chiral ligand derivatives from amino alcohols and application in enantioselective carbon-carbon bond-forming alkylation reactions

N-Trifluoracyl beta-chalcogeno amides and N-perfluoracyl beta-thio amide ligands were prepared by a simple and efficient reaction sequence. These new ligands were evaluated in palladium-catalyzed alkylation of rac-(E)-1,3-diphenyl-2-propenyl acetate in the presence of dimethyl malonate and an enantioselectivity of up to 99% was obtained. After catalysis, the fluorous ligand can be easily recovered by liquid-liquid extraction and reused without loss in the activity. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Lipase-Catalyzed Highly Enantioselective Kinetic Resolution of Boron-Containing Chiral Alcohols

The first application of enzymes as catalysts to obtain optically pure boron compounds is described. The kinetic resolution of boron-containing chiral alcohols via enantioselective transesterification catalyzed by lipases was studied. Aromatic, allylic, and aliphatic secondary alcohols containing a boronate ester or boronic acid group were resolved by lipase from Candida antartica (CALB), and excellent E values (E > 200) and high enantiomeric excesses (up to >99%) of both remaining substrates and acetylated product were obtained.