Biomimetic approach to Galbulimina type I alkaloids

On treatment with trifluoroacetic acid the tetraene precursor 23 underwent Boc deprotection, condensation and an iminium ion accelerated intramolecular Diels-Alder cycloaddition resulting in an iminium species 12, which was further converted into himbacine 1, himbeline 3 and himandravine 4, three out of four Galbulimina type I alkaloids thus providing strong evidence for the proposed biogenesis of this important family of alkaloids.

Asymmetric aminocatalysis: a modern strategy for molecules, challenges and life

The studies conducted during my Phd thesis were focused on two different directions: 1. In one case we tried to face some long standing problems of the asymmetric aminocatalysis as the activation of encumbered carbonyl compounds and the control of the diastereoisomeric ratio in the diastero- and enantioselective construction of all carbon substituted quaternary stereocenters adjacent a tertiary one. In this section (Challenges) was described the asymmetric aziridination of ,-unsaturated ketones, the activation of ,-unsaturated -branched aldehydes and the Michael addition of oxindoles to enals and enones. For the activation via iminium ion formation of sterically demanding substrates, as ,-unsaturated ketones and ,-unsaturated -branched aldehydes, we exploited a chiral primary amine in order to overcome the problem of the iminium ion formation between the catalyst and encumbered carbonylic componds. For the control of diastereoisomeric ratio in the diastero- and enantioselective construction of all carbon substituted quaternary stereocenters adjacent a tertiary one we envisaged that a suitable strategy was the Michael addition to 3 substituted oxindoles to enals activated via LUMO-lowering catalysis. In this synthetic protocol we designed a new bifunctional catalyst with an amine moiety for activate the aldehyde and a tioureidic fragment for direct the approach of the oxindole. This part of the thesis (Challenges) could be considered pure basic research, where the solution of the synthetic problem was the goal itself of the research. 2. In the other hand (Molecules) we applied our knowledge about the carbonylic compounds activation and about cascade reaction to the synthesis of three new classes of spirooxindole in enantiopure form. The construction of libraries of these bioactive compounds represented a scientific bridge between medicinal chemistry or biology and the asymmetric catalysis.

Enantioselektive Synthese von Tetrahydroprotoberberinen und anderen Benzylisochinolinalkaloiden aus alpha-Aminonitrilen

Ziel dieser Arbeit war es, ausgehend von alpha-Aminonitrilen verschiedene Tetrahydroisochinolin-Alkaloide darzustellen. Es wurde gezeigt, dass sich das alpha-Aminonitril unter kontrollierten Bedingungen quantitativ in alpha-Position deprotonieren lässt und durch anschließende C-1-Alkylierung mit substituierten Benzylbromiden zu 1 Benzyl-3,4-dihydroisochinolinen umsetzen lässt. Diese konnten im nächsten Schritt mittels asymmetrischer Transferhydrierung nach Noyori in Alkaloid-Vorläufer mit hoher optischer Reinheit umgewandelt werden. Zur Überführung der (S)-1-Benzylisochinoline in die natürlich vorkommenden Alkaloide wurden diese N-methyliert und entschützt. Auf diese Weise konnten (+)-Laudanosin, (+)-Laudanidin und (+)-Armepavin dargestellt werden. Pictet-Spengler-Cyclisierung der Benzylisochinoline erzeugte Alkaloide vom Protoberberin-Typ. Die Ullmann-Kupplung zum Aufbau der Diaryletherbrücke bildete den Schlüsselschritt bei der Darstellung von Bisbenzylisochinolinalkaloiden. Unter Verwendung von N,N-Dimethylglycin, CuI und dem Einsatz von Mikrowellen-Strahlen wurden im folgenden Schritt (+)-O-Methylthalibrin und (+)-O-Tetramethylmagnolamin in enantiomerenreiner Form und mit guten Ausbeuten dargestellt. Die Synthese von (−)-Tetrahydropalmatin unter Reaktionsbedingungen nach Pictet und Spengler über ein in C-2’ blockiertes (S)-1-Benzylisochinolin gelang nicht. Stattdessen erfolgte eine exocyclische [1,3]-Umlagerung der Benzyl-Gruppe des Iminium-Ions. Diese Umlagerung ist mit der von Knabe gefundenen endocyclischen Umlagerung von 1,2-disubstituierten 1,2-Dihydroisochinolinen verwandt. Der Nachweis über das Auftreten freier Radikale während der hier gefundenen [1,3]-Benzyl-Umlagerung erfolgte über ein Crossover-Experiment, Isotopen-Markierung sowie Studien zur Inhibierung bzw. Initiierung freier Radikale. Die experimentellen Befunde und DFT Berechnungen von Straub unterstützen die Theorie zum Verlauf über eine diffusionskontrollierte Radikal-Ketten-Reaktion.

Stereoselectivity of Additions to N-Methyl Acetonitrilium Fluorosulfonate

Alkoxy-N-methyl-acetiminium salts were prepared by addition of CH3OH and C2H5OH to N-methyl acetonitrilium fluorosulfonate at low temperature. Analysis of the (5)J(HH) and (3)J(13)C-H coupling constants in the NMR spectra showed an anti addition with a diastereoselectivity of >9596. Deprotonation of these salts with (Z)-configuration gave the corresponding N-methyl-alkoxyacetimines with very high (E)-configuration. Upon protonation at -78 degrees C, these iminoesters gave the corresponding alkoxy-N-methyl-acetirninium salts with (E)-configuration. Computational analyses of the iminoesters and the corresponding iminium cations including the conformations give insight into the relative stability. Nitrilium salts can be used as reagents, exemplified by some esterifications between simple acids and alcohols.

Multicomponent synthesis of unnatural pyrrolizidines using 1,3-dipolar cycloaddition of proline esters

The synthesis of unnatural pyrrolizidines has been studied using a multicomponent-domino process involving proline or 4-hydroxyproline esters, an aldehyde and a dipolarophile. The formation of the iminium salt promotes the 1,3-dipolar cycloaddition affording highly substituted pyrrolizidines under mild conditions and high regio- and diastereoselectivities.

Domino 1,3-Dipolar Cycloadditions of N-Alkyl-α-Amino Esters with Paraformaldehyde: A Direct Access to α-Hydroxymethyl α-Amino Acids

N-Alkyl-α-amino esters undergo a domino reaction, based on the iminium cation generation, with paraformaldehyde, followed by a 1,3-dipolar cycloaddition of the stabilized azometh­ine ylide with another equivalent of formaldehyde. The resulting products are oxazolidines, which can be transformed after hydrolysis into α-hydroxymethyl α-amino acid or its derivatives. The diastereoselective 1,3-dipolar cycloaddition was performed using sarcosine (–)-menthyl or (–)-8-phenylmenthyl esters affording the cyclic product with moderate enantiomeric ratio.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

The metabolism of n-methyl compounds

The metabolism of compounds containing the N-methyl group is discussed with particular consideration being made to the possible role of the product of oxidative metabolism, the N-hydroxymethyl moiety, in the generation of potentially toxic, reactive electrophiles. Particular pathways which are considered are: (i), the production of formaldehyde; (ii), the generation of iminium ions or imines; and (iii), the formation of N-formyl compounds which might act as formylating agents. 4-Chloro-N-(hydroxymethyl)benzamide and 3-(4-chlorophenyl)-1-hydroxy-methyl-1-methylurea (the product of oxidative metabolism of 3-(4-chlorophenyl)-1,1-dimethylurea) are model carbinolamides which do not readily release formaldehyde. The electrophilic properties of these model carbinolamides were investigated: neither reacted with nucleophiles such as cyanide or glutathione under physiological conditions. In contrast, N-(acetoxymethyl)-4-chlorobenzamide yielded the cyanomethylamide with potassium cyanide and S-(4-chlorobenzamidomethyl)glutathione with glutathione. 4-Chloro-N-(hydroxymethyl)benzamide and 3-(4-chlorophenyl)-1,1-dimethylurea were not biotransformed to electrophilic moieties when incubated with mouse hepatic 9000 x g supernatant and Acetyl-CoA or PAPS-generating system. N-(Acetoxymethyl)-4-chlorobenzamide was non-mutagenic to Salmonella typhimurium in the short term bacterial assay; but toxicity to the bacteria was observed. 4-Chloro-N-(hydroxymethyl)benzamide and 3-(4-chlorophenyl)-1,1-dimethylurea showed no mutagenicity or toxicity in the mutagenicity assay including an Aroclor-induced rat hepatic 9000 x g supernatant. Addition of Acetyl-CoA or a PAPS-generating system did not produce a mutagenic response. 4-Chloro-N-formlbenzamide did not act as a formylating agent towards the weak nucleophile aniline. However, 4-chloro-N-formylbenzamide, N-formylbenzamide, 3-(4-chlorophenyl)-1-formyl-1-methylurea and 3-(4-chlorophenyl)-1-formylurea are all metabolised by mouse hepatic mirosomes and post-microsomal supernatant. The results demonstrate the potential for N-hydroxymethyl compounds to generate highly reactive species if these are substrates for conjugation with sulphate (or acetate). The model compounds employed here, apparently do not show any ability to be conjugated themselves, however, other N-hydroxymethyl compounds might be readily conjugated. The formation of N-formyl compounds does not appear to be toxicologically significant, as adjudged on limited experiments performed, but rather represent a detoxification pathway.

Préparation d'azabicycles d'importance biologique

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Préparation d'azabicycles d'importance biologique

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Intrinsic gas-phase electrophilic reactivity of Ccclic N-alkyl- and N-acyliminium ions

he intrinsic gas-phase reactivity of cyclic N-alkyl- and N-acyliminium ions toward addition of allyltrimethylsilane (ATMS) has been compared using MS2 and MS3 pentaquadrupole mass spectrometric experiments. An order of electrophilic reactivity has been derived and found to agree with orders of overall reactivity in solution. The prototype five-membered ring N-alkyliminium ion 1a and its N-CH3 analogue 1b, as well as their six-membered ring analogues 1c and 1d, lack N-acyl activation and they are, accordingly, inert toward ATMS addition. The five- and six-membered ring N-acyliminium ions with N-COCH3 exocycclic groups, 3a and 3b, respectively, are also not very reactive. The N-acyliminium ions 2a and 2c, with s-trans locked endocyclic N-carbonyl groups, are the most reactive followed closely by 3c and 3d with exocyclic (and unlocked) N-CO2CH3 groups. The five-membered ring N-acyliminium ions are more reactive than their six-membered ring analogues, that is:  2a > 2c and 3c > 3d. In contrast with the high reactivity of 2a, its N-CH3 analogue 2b is inert toward ATMS addition. For the first time, the transient intermediates of a Mannich-type condensation reaction were isolatedthe β-silyl cations formed by ATMS addition to N-acyliminium ionsand their intrinsic gas-phase behavior toward dissociation and reaction with a nucleophile investigated. When collisionally activated, the β-silyl cations dissociate preferentially by Grob fragmentation, that is, by retro-addition. With pyridine, they react competitively and to variable extents by proton transfer and by trimethylsilylium ion abstractionthe final and key step postulated for α-amidoalkylation. Becke3LYP/6-311G(d,p) reaction energetics, charge densities on the electrophilic C-2 site, and AM1 LUMO energies have been used to rationalize the order of intrinsic gas-phase electrophilic reactivity of cyclic iminium and N-acyliminium ions.

Formation de centres quaternaires entièrement carbonés et dérivations d’ions iminiums encombrés

Le projet présenté au cours de cette thèse porte sur la formation de centres quaternaires entièrement carbonés. Plusieurs axes d’approche ont été établis, et seront présentés par chapitre : le premier fait état de l’utilisation d’une réaction de Vilsmeier-Haack, le second rapporte la fabrication de nouveaux catalyseurs pour la réaction de condensation de Claisen et le dernier utilise la réaction de Vilsmeier-Haack pour la formation d’acides [béta]-aminés non-racémiques. Lors du premier chapitre, le sujet abordé sera l’utilisation de la réaction de Vilsmeier-Haack pour la formation de composés 1,3-dicarbonylés contenant un centre quaternaire entièrement carboné. D’abord nous verrons comment, théoriquement, la chiralité du centre quaternaire peut être contrôlée par l’utilisation d’amines chirales. Puis nous suivrons le développement d’une méthode d’hydrolyse spécifique à l’obtention de composés 1,3-dicarbonylés avec ses forces et ses limites. La deuxième partie de cette thèse portera sur le développement de nouveaux catalyseurs pour la réaction de condensation de Claisen. Plusieurs avenues seront exposées. Dans un premier temps, nous verrons la rationalisation validant chacune des idées d’avenues envisagées, puis nous aborderons les méthodes de synthèses essayées pour les catalyseurs imaginés dans chacune de ces avenues. Le dernier chapitre portera sur la formation de dérivés d’acides [béta]-aminés non-racémiques via l’utilisation d’une réaction de Vilsmeier-Haack. Dans un premier temps, différentes méthodes de réduction applicables à cette réaction seront présentées, et ensuite, le concept d’un nouveau groupe protecteur spécifique aux ions iminiums sera démontré.