(A) Photoregulation of DNA Functions by Cyclic Azobenzene-tethered Oligonucleotides (B) Site-specific Fluorescent Labeling of DNA using Inverse Electron Demand Diels-Alder Reaction between trans-Cyclooctene Derivatives and BODIPY-Tetrazine Adducts

(A) Most azobenzene-based photoswitches require UV light for photoisomerization, which limit their applications in biological systems due to possible photodamage. Cyclic azobenzene derivatives, on the other hand, can undergo cis-trans isomerization when exposed to visible light. A shortened synthetic scheme was developed for the preparation of a building block containing cyclic azobenzene and D-threoninol (cAB-Thr). trans-Cyclic azobenzene was found to thermally isomerize back to the cis-form in a temperature-dependent manner. cAB-Thr was transformed into the corresponding phosphoramidite and subsequently incorporated into oligonucleotides by solid phase synthesis. Melting temperature measurement suggested that incorporation of cis-cAB into oligonucleotides destabilizes DNA duplexes, these findings corroborate with circular dichroism measurement. Finally, Fluorescent Energy Resonance Transfer experiments indicated that trans-cAB can be accommodated in DNA duplexes. (B) Inverse Electron Demand Diels-Alder reactions (IEDDA) between trans-olefins and tetrazines provide a powerful alternative to existing ligation chemistries due to its fast reaction rate, bioorthogonality and mutual orthogonality with other click reactions. In this project, an attempt was pursued to synthesize trans-cyclooctene building blocks for oligonucleotide labeling by reacting with BODIPY-tetrazine. Rel-(1R-4E-pR)-cyclooct-4-enol and rel-(1R,8S,9S,4E)-Bicyclo[6.1.0]non-4-ene-9-ylmethanol were synthesized and then transformed into the corresponding propargyl ether. Subsequent Sonogashira reactions between these propargylated compounds with DMT-protected 5-iododeoxyuridine failed to give the desired products. Finally a methodology was pursued for the synthesis of BODIPY-tetrazine conjugates that will be used in future IEDDA reactions with trans-cyclooctene modified oligonucleotides.

SYNTHESIS AND RETRO AZA DIELS-ALDER REACTION OF SOME NEW ISOQUINUCLIDINE DERIVATIVES

N-Benzyl- and N-(alpha-methoxycarbonylethyl)-2,4,6-triphenyl-1,2-dihydropyridines were submitted to Diels-Alder reactions with maleic anhydride or N-phenylmaleimide yielding, diastereoselectively, the corresponding endo-anti adducts. These novel isoquinuclidines showed to be resistant to N-alkylation or N-protonation, undergoing an unexpected fragmentation via a retro aza Diels-Alder process.

Darstellung und Diels-Alder-Reaktionen von Bis- und Tris-o-benzochinonen der 9,10-Dihydro-anthracenreihe

Abstract deutsch Die im Rahmen dieser Arbeit dargestellten Anthracen-amphi-chinone wurden durch Oxidation ihrer 9,10-Dihydro-2,3,6,7-tetrahydroxy-Derivate gewonnen, während zwei literaturbekannte Anthracen-amphi-chinone aus den entsprechenden 2,3,6,7-Tetrahydroxy-anthracenen dargestellt wurden. Bei gleicher Substitution wurden identische Produkte gefunden.Die entstandenen Produkte sollten in Diels-Alder-Reaktionen umgesetzt werden. Von allen Hydroxyverbindungen konnten bei der Oxidation mit 2,3-Dichlor-5,6-dicyano-p-benzochinon in Gegenwart von Cyclooctin die entsprechenden Cyclooctin-Addukte erhalten werden. Dadurch wurde nachgewiesen, daß die Oxidationen über die Bis-o-chinone verlaufen, obwohl es nicht gelang, Bis-ortho-benzochinone zu isolieren, die in 9- und 10-Stellung ein Protonen tragen. Stattdessen erhielt man durch eine Keto-Enol-Tautomerie die entsprechenden amphi-Chinone.Drei Bis-chinone wurden direkt mit Cyclooctin umgesetzt und lieferten bei gleicher Substitution die identischen Reaktionsprodukte. Die Cyclooctin-Addukte reagierten beim Bestrahlen durch CO-Eliminierung zu Kohlenwasserstoffen.Bei der Oxidation der Hydroxyverbindungen mit DDQ in Gegenwart von Pentamethyl-cyclopentadien erhielt man die entsprechenden PMCP-Addukte. Dabei reagieren die Chinone als Heterodien.Die Reaktivität von 1,5-Cyclooctadiin mit ortho-Benzochinonen wurde durch die Umsetzung mit 4,5-Dimethyl-ortho-benzochinon untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß das Diin mit zwei Molekülen des Chinons reagiert.Mit den erhaltenen Ergebnissen wurde eine Diels-Alder-Polyaddition von 9,10-Dihydro-9,10-ethano-9,10-dimathyl-anthradichinon-(2,3;6,7) mit 1,5-Cyclooctadiin durchgeführt. Bei dieser Reaktion gelangte man zu Oligomeren.

Reactions of toluquinone - cyclopentadiene Diels -Alder epoxide adducts with nucleophiles under heterogeneous conditions

Toluquinone-cyclopentadiene Diels-Alder epoxide adducts react with sulfur and oxygen nucleophiles under heterogeneous conditions, leading to products resulting from the epoxide ring opening and from skeletal rearrangement, respectively. Pyrolysis of the sulfanyl adducts gave the new 3-sulfanyltoluquinones (1).

Combining the diaza-Diels-Alder reaction and palladium-catalyzed aminations to prepare amino-substituted porphyrins

A strategy to tackle the synthesis of azoporphyrins with unsubstituted terminal meso positions was investigated. It comprised the combination of diaza-Diels–Alder (DADA) reaction of 1,3-dienes with dialkyl azodicarboxylates, decarboxylative hydrolysis of the bis(carbamates), palladium-catalyzed amination of bromoporphyrin precursors, and retro-DADA reactions to release the ultimate targets. The somewhat confused historical results on the DADA reactions of 1,3-cyclohexadiene were clarified, but the hydrolyses yielded extremely air-sensitive amines which decomposed completely in minutes via autooxidation and retro-DADA reaction. With anthracene or 2,3-dimethyl-1,3-butadiene as the diene, the synthesis of azoporphyrin was not achieved but three amino-substituted porphyrins were obtained in moderate yields under mild conditions. The X-ray crystal structures of several of the intermediates and the final aminoanthracene-porphyrin nickel(II) complex were determined.

Studies on the Diels-Alder reaction of maleic anhydride and β-trans-ocimene

The structure of the by-product, obtained in the Diels-Alder condensation of maleic anhydride with β-trans-ocimene followed by distillation of the adduct formed, has been established as 2-isopropylidene-4-methyl-7-carboxy- ,3,3a,6,7,7a-hexahydroindanone (IVa) and the mechanism of its formation from the adduct (II) discussed. Some hitherto unreported reactions of the maleic anhydride adduct (II) and its derivatives are described. These throw light on the stereochemistry of the adduct and derived products.

Synthetic application of the diels-alder adduct of β-trans-ocimene and maleic anhydride-II. An approach towards the synthesis of valerenic acid

By a series of reactions the Diels-Alder adduct IV of maleic anhydride and β-trans-Ocimene gave 1-hydroxy-1,4-dimethyl-7-hydroxymethyloctahydroindane (XII). Its further synthetic elaboration furnished 1,4-dimethyl-7-(2-ethoxycarbonyl-1-propenyl)-Δ1-octahydroindane of the valerenic acid skeleton.

Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.

Estudo sobre o uso de compostos de nióbio em reações multicomponentes de aza-Diels-Alder

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Stereoselective synthesis of novel diels-alder adducts of p-substituted Methyl Thiocinnamates and Cyclopentadiene

This article describes the Diels-Alder reaction between methyl thiocinnamates, substituted at the para position by electron-donating and electron-withdrawing groups, with cyclopentadiene in the presence of catechol boron bromide (CBB) as a Lewis acid catalyst. The adduct configuration was confirmed by H-1 NMR coupling constants and single-crystal x-ray diffraction. Total endo stereoselectivity was observed in all reactions and was attributed to the effective secondary interaction between the boron atom and the incipient double bond in the norbonene resulting from the planar geometry of the catalyst. C-13 NMR chemical shifts of the coordinated dienophile carbonyl carbons with CBB compared to those of the non coordinated thiocinammates suggest a strong complexation with the catalyst.

Microwave-Mediated Hetero Diels-Alder reaction: Synthesis of biologically active compounds

Heterocyclic compounds represent almost two-thirds of all the known organic compounds: they are widely distributed in nature and play a key role in a huge number of biologically important molecules including some of the most significant for human beings. A powerful tool for the synthesis of such compounds is the hetero Diels-Alder reaction (HDA), that involve a [4+2] cycloaddition reaction between heterodienes and suitable dienophiles. Among heterodienes to be used in such six-membered heterocyclic construction strategy, 3-trialkylsilyloxy-2-aza-1,3-dienes (Fig 1) has been demonstrated particularly attractive. In this thesis work, HDA reactions between 2-azadienes and carbonylic and/or olefinic dienophiles, are described. Moreover, substitution of conventional heating by the corresponding dielectric heating as been explored in the frame of Microwave-Assisted-Organic-Synthesis (MAOS) which constitutes an up-to-grade research field of great interest both from an academic and industrial point of view. Reaction of the azadiene 1 (Fig 1) will be described using as dienophiles carbonyl compounds as aldehyde and ketones. The six-membered adducts thus obtained (Scheme 1) have been elaborated to biologically active compounds like 1,3-aminols which constitutes the scaffold for a wide range of drugs (Prozac®, Duloxetine, Venlafaxine) with large applications in the treatment of severe diseases of nervous central system (NCS). Scheme 1 The reaction provides the formation of three new stereogenic centres (C-2; C-5; C-6). The diastereoselective outcome of these reactions has been deeply investigated by the use of various combination of achiral and chiral azadienes and aliphatic, aromatic or heteroaromatic aldehydes. The same approach, basically, has been used in the synthesis of piperidin-2-one scaffold substituting the carbonyl dienophile with an electron poor olefin. Scheme 2 As a matter of fact, this scaffold is present in a very large number of natural substances and, more interesting, is a required scaffold for an huge variety of biologically active compounds. Activated olefins bearing one or two sulfone groups, were choose as dienophiles both for the intrinsic characteristic flexibility of the “sulfone group” which may be easily removed or elaborated to more complex decorations of the heterocyclic ring, and for the electron poor property of this dienophiles which makes the resulting HDA reaction of the type “normal electron demand”. Synthesis of natural compounds like racemic (±)-Anabasine (alkaloid of Tobacco’s leaves) and (R)- and (S)-Conhydrine (alkaloid of Conium Maculatum’s seeds and leaves) and its congeners, are described (Fig 2).

cis-trans Enantiomerism in the Diels-Alder cycloadducts of 6-arylfulvenes with maleic anhydride: resolution of the exo adducts via the N-((1S)-1-(naphth-1-yl)ethyl)imide derivatives: assignment of the absolute configurations based on the crystal structure of an imide diastereomer

A new case of the uncommon cis-trans enantiomerism is presented. The titled anhydride adducts were prepared in good yields by the known reaction of three 6-arylfulvenes with maleic anhydride (aryl = phenyl, p-tolyl and p-anisyl). The exo adducts were converted to the corresponding imides by reaction with (1S)-1-(naphth-1-yl)ethylamine in similar to 80% yields, and the resulting diastereomeric imides separated by silica gel column chromatography. They were hydrolysed and recyclised to the chiral anhydrides, in `one-pot' with 10% NaOH-EtOH, followed by treatment with 2 M HCl, in similar to 40% yields. The titled anhydrides were thus obtained in homochiral form, in enantiomeric purities (generally) of similar to 90% as indicated by chiral HPLC. The chiral anhydrides were also converted to the corresponding imides (presumably stereospecifically), by treatment with ammonia solution in excellent yields. The crystal structure of one of the above diastereomeric imides (derived from 6-phenylfulvene) was determined, and based on the known (S)-configuration of the naphthylethylamine moiety, the `configurations' of the original anhydride adducts were assigned. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Total synthesis of the fungal metabolite (+/-)-acremine G: acceleration of a biomimetic Diels-Alder reaction on silica gel

A total synthesis of the bioactive tetracyclic natural product acremine G has been achieved in which a regio- and stereoselective biomimetic Diels-Alder reaction between two readily assembled building blocks, accelerated on a solid support (silica gel), forms the key step. (c) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.