Concise Synthesis of Pyrrolidine and Indolizidine Alkaloids by a Highly Convergent Three-Component Reaction

The synthesis of pyrrolidine and indolizidine derivatives through radical carboazidation of alkenes with alpha-iodoketones, followed by reductive amination, is described. When properly substituted, further lactamization afforded pyrrolizidinones in good yield. This carboazidation/reductive amination sequence was efficiently applied to the total synthesis of three different simple alkaloids, including (+/-)-monomorine I.

Synthesis of pyrrolidine C-nucleosides via Heck reaction

A novel method for the synthesis of pyrrolidine C-nucleosides has been developed. The key step of the synthesis is the palladium(0)-mediated coupling of a disubstituted N-protected 2-pyrroline and 5-iodouracil. C-Nucleoside 14 and its N-methyl derivative 15 can easily be converted to the corresponding phosphoramidite building blocks for DNA synthesis

Proline and pyrrolidine derivatives: new drug cadidates for hepatitis C treatment

The more advantageous hepatitis C virus (HCV) inhibitors (most of them incorporating polysubstituted prolines or pyrrolidines) are detailed in this paper. The improvement of current treatments by combination of antiviral drugs is the driving force of this race to reduce the fast proliferation of this virus. The enhancement of efficiency in short periods of treatment is crucial in the economical point of view and for the hope of all infected people. New protease or polymerase inhibitors have been recently developed in order to substitute the traditional highly toxic PEG-interferon α-2b/ribavirin tandem. The contribution of our group in this field concerns the elaboration of the first and second generation GSK polymerase inhibitors through enantioselective processes based on silver(I)- and gold(I)-catalyzed 1,3-dipolar cycloadditions of azomethine ylides.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Pyrrolidine Dithiocarbamate Prevents Neuroinflammation and Cognitive Dysfunction after Endotoxemia in Rats.

Systemic inflammation, for example as a result of infection, often contributes to long-term complications. Neuroinflammation and cognitive decline are key hallmarks of several neurological conditions, including advance age. The contribution of systemic inflammation to the central nervous system (CNS) remains not fully understood. Using a model of peripheral endotoxemia with lipopolysaccharide (LPS) we investigated the role of nuclear factor-κB (NF-κB) activity in mediating long-term neuroinflammation and cognitive dysfunction in aged rats. Herein we describe the anti-inflammatory effects of pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC), a selective NF-κB inhibitor, in modulating systemic cytokines including tumor necrosis factor (TNF)-α and interleukin-1β (IL-1β) and CNS markers after LPS exposure in aged rats. In the hippocampus, PDTC not only reduced neuroinflammation by modulating canonical NF-κB activity but also affected IL-1β expression in astrocytes. Parallel effects were observed on behavior and postsynaptic density-95 (PSD95), a marker of synaptic function. Taken together these changes improved acute and long-term cognitive function in aged rats after LPS exposure.

Experimental and theoretical studies of the redox potentials of cyclic nitroxides

The redox potentials of 25 cyclic nitroxides from four different structural classes (pyrrolidine, piperidine, isoindoline, and azaphenalene) were determined experimentally by cyclic voltammetry in acetonitrile, and also via high-level ab initio molecular orbital calculations. It is shown that the potentials are influenced by the type of ring system, ring substituents and/or groups surrounding the radical moiety. For the pyrrolidine, piperidine, and isoindolines there is excellent agreement (mean absolute deviation of 0.05 V) between the calculated and experimental oxidation potentials; for the azaphenalenes, however, there is an extraordinary discrepancy (mean absolute deviation of 0.60 V), implying that their one-electron oxidation might involve additional processes not considered in the theoretical calculations. This recently developed azaphenalene class of nitroxide represents a new variant of a nitroxide ring fused to an aromatic system and details of the synthesis of five derivatives involving differing aryl substitution are also presented.

Hydrogen bonding in proton-transfer compounds of 5-sulfosalicylic acid with a series of aliphatic nitrogen Lewis bases

The crystal structures of the proton-transfer compounds of 5-sulfosalicylic acid (3-carboxy-4-hydroxybenzenesulfonic acid) with the aliphatic nitrogen Lewis bases, hydroxylamine, triethylamine, pyrrolidine, morpholine, N-methylmorpholine and piperazine, viz. hydroxyammonium 3-carboxy-4-hydroxybenzenesulfonate (1), triethylaminium 3-carboxy-4-hydroxybenzenesulfonate (2), pyrrolidinium 3-carboxy-4-hydroxybenzenesulfonate monohydrate (3), morpholinium 3-carboxy-4-hydroxybenzenesulfonate monohydrate (4), N-methylmorpholinium 3-carboxy-4-hydroxybenzenesulfonate monohydrate (5) and piperazine-1,4-diium bis(3-carboxy-4-hydroxybenzenesulfonate) hexahydrate (6) have been determined and their comparative structural features and hydrogen-bonding patterns described. Crystals of 4 are triclinic, space group P-1 while the remainder are monoclinic with space group either P21/c (1 - 3) or P21/n (5, 6). Unit cell dimensions and contents are: for 1, a = 5.0156(3), b = 10.5738(6), c = 18.4785(9) Å, β = 96.412(5)o, Z = 4; for 2, a = 8.4998(4), b = 12.3832(6), c = 15.4875(9) Å, β = 102.411(5)o, Z = 4; for 3, a = 6.8755(2), b = 15.5217(4), c = 12.8335(3) Å, β = 92.074(2)o, Z = 4; for 4, a = 6.8397(2), b = 12.9756(5), c = 15.8216(6) Å, α = 90.833(3), β = 95.949(3), γ = 92.505(3)o, Z = 4; for 5, a = 7.0529(3), b = 13.8487(7), c = 15.6448(6) Å, β = 90.190(6)o, Z = 4; for 6, a = 7.0561(2), b = 15.9311(4), c = 12.2102(3) Å, β = 100.858(3)o, Z = 2. The hydrogen bonding generates structures which are either two-dimensional (2 and 5) or three-dimensional (1, 3, 4 and 6). Compound 6 represents the third reported structure of a salt of 5-sulfosalicylic acid having a dicationic piperazine species.

Computational design of cyclic nitroxides as efficient redox mediators for dye-sensitized solar cells

Cyclic nitroxide radicals represent promising alternatives to the iodine-based redox mediator commonly used in dye-sensitized solar cells (DSSCs). To date DSSCs with nitroxide-based redox mediators have achieved energy conversion efficiencies of just over 5 % but efficiencies of over 15 % might be achievable, given an appropriate mediator. The efficacy of the mediator depends upon two main factors: it must reversibly undergo one-electron oxidation and it must possess an oxidation potential in a range of 0.600-0.850 V (vs. a standard hydrogen electrode (SHE) in acetonitrile at 25 °C). Herein, we have examined the effect that structural modifications have on the value of the oxidation potential of cyclic nitroxides as well as the reversibility of the oxidation process. These included alterations to the N-containing skeleton (pyrrolidine, piperidine, isoindoline, azaphenalene, etc.), as well as the introduction of different substituents (alkyl-, methoxy-, amino-, carboxy-, etc.) to the ring. Standard oxidation potentials were calculated using high-level ab initio methodology that was demonstrated to be very accurate (with a mean absolute deviation from experimental values of only 16 mV). An optimal value of 1.45 for the electrostatic scaling factor for UAKS radii in acetonitrile solution was obtained. Established trends in the values of oxidation potentials were used to guide molecular design of stable nitroxides with desired E° ox and a number of compounds were suggested for potential use as enhanced redox mediators in DSSCs. Copyright © 2012 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Tyrosine kinases and calcium dependent activation of endothelial cell phospholipase D by diperoxovanadate

Reactive oxygen species (ROS) mediated modulation of signal transduction pathways represent an important mechanism of cell injury and barrier dysfunction leading to the development of vascular disorders. Towards understanding the role of ROS in vascular dysfunction, we investigated the effect of diperoxovanadate (DPV), derived from mixing hydrogen peroxide and vanadate, on the activation of phospholipase D (PLD) in bovine pulmonary artery endothelial cells (BPAECs). Addition of DPV to BPAECs in the presence of .05% butanol resulted in an accumulation of [P-32] phosphatidylbutanol (PBt) in a dose- and time-dependent manner. DPV also caused an increase in tyrosine phosphorylation of several protein bands (Mr 20-200 kD), as determined by Western blot analysis with antiphosphotyrosine antibodies. The DPV-induced [P-32] PBt-accumulation was inhibited by putative tyrosine kinase inhibitors such as genistein, herbimycin, tyrphostin and by chelation of Ca2+ with either EGTA or BAPTA, however, pretreatment of BPAECs with the inhibitor PKC bisindolylmaleimide showed minimal inhibition. Also down-regulation of PKC alpha and epsilon, the major isotypes of PKC in BPAECs, by TPA (100 nM, 18 h) did not attenuate the DPV-induced PLD activation. The effects of putative tyrosine kinase and PKC inhibitors were specific as determined by comparing [P-32] PBt formation between DPV and TPA. In addition to tyrosine kinase inhibitors, antioxidants such as N-acetylcysteine and pyrrolidine dithiocarbamate also attenuated DPV-induced protein tyrosine phosphorylation and PLD stimulation. These results suggest that oxidation, prevented by reduction with thiol compounds, is involved in DPV-dependent protein tyrosine phosphorylation and PLD activation.

Conformational analysis of hydroxyproline and its protected derivatives by 1H NMR

From a computer simulation of the 270 MHz 1H NMR spectra of hydroxyproline (Hyp) and its protected derivatives, precise values of ring vicinal coupling constants were obtained. These couplings were related to ring torsional angles, using a Karplus type analysis. From the NMR analysis it was observed that the pyrrolidine ring possesses a unique and highly homogeneous conformation (Cγ-exo form). Temperature dependence studies on protected dipeptides suggest that the pyrrolidine ring conformation is independent of backbone conformation. An unusual X-Hyp, β-turn was observed for Boc-Aib-Hyp-NHMe.

Geometry Of Proline And Hydroxyproline .1. An Analysis Of X-Ray Crystal-Structure Data

We have carried out an analysis of crystal structure data on prolyl and hydroxyprolyl moieties in small molecules. The flexibility of the pyrrolidine ring due to the pyramidal character of nitrogen has been defined in terms of two projection angles δ1 and δ2. The distribution of these parameters in the crystal structures is found to be consistent with results of the energy calculations carried out on prolyl moieties in our laboratory.

X-Pro peptides. A theoretical study of the hydrogen bonded conformations of (alpha-aminoisobutyryl-L -prolyl)n sequences

Intramolecularly hydrogen bonded conformations of (Aib-Pro)n sequences have been analysed theoretically. Both 4-1 (C10 and 3-1 (C7 hydrogen bonded regular structures are shown to be stereochemically feasible. Conformational energies for the helical structures have been estimated using classical potential energy methods. Both C10 and C7 conformations have very similar energies. Pyrrolidine ring puckering has a pronounced effect on the energies, and only Cv-endo puckered Pro residues can be accommodated. The theoretical calculations using spectroscopic data suggest that the recently proposed novel 310 helical conformation for benzyloxycarbonyl(Aib-Pro)4-methyl ester is in solution, is indeed energetically and stereochemically favourable.

A hypothesis on the role of hydroxyproline in stabilizing collagen structure

The possibility of hydroxyproline residues stabilizing the collagen triple-helical structure by the formation of additional hydrogen bonds through their γ-hydroxyl group has been studied from structural considerations. It is not possible for this hydroxyl group to form a direct hydrogen bond with a suitable group in a neighbouring chain of the triple-helical protofibril. However, in the modified one-bonded structure, which is stabilized by additional hydrogen bonds being formed through water molecules as intermediaries (put forward in 1968 by Ramachandran, G. N. and Chandrasekharan, R.), it is found that the γ-hydroxyl group of hydroxyproline can form a good hydrogen bond with the water oxygen as acceptor, the hydrogen bond length being 2.82 Å. It is proposed that, in addition to stabilizing the collagen triple-helical structure due to the stereochemical properties of the pyrrolidine ring, hydroxyproline gives added stability by the formation of an extra hydrogen bond. Experimental studies on the determination of shrinkage and denaturation temperatures of native collagen and its synthetic analogues, as a function of their hydroxyproline content, are being undertaken to test this hypothesis.