Towards the total synthesis of amphidinolides C and F

The amphidinolides are marine macrolides extracted from dinoflagellates of the genus Amphidinium. To date, 37 amphidinolides have been isolated and identified, most of them possessing cytotoxicity against human cancer cell lines. Among these, amphidinolides C, F, C2 and C3 represent synthetic targets of interest owing to their scarcity, structural complexity and promising biological activities. This thesis describes the work realised towards the total synthesis of amphidinolides C and F, with a focus on the different strategies investigated and the key fragments synthesised. In the first approach, the C18−C29 fragment of amphidinolide F was prepared using an intramolecular etherification of an epoxide under acidic catalysis to produce the 2,5-trans-disubstituted tetrahydrofuran ring featured in the natural product. Unfortunately, dithiane alkylation with the C1−C17 iodide counterpart generated the desired coupling product in low yield. A second approach proposing to build the C17−C18 bond by a silicon-tethered RCM proved unsuccessful, because the requisite diene could not be obtained. It was then envisioned to form the C18−C19 bond by displacement of a triflate with an alkyne and install the ketone at C18 by a protoborylation/oxidation sequence. To this end, the C19−C29 triflate precursor was synthesised. Displeasingly, the C1−C18 alkyne counterpart (work by Dr Filippo Romiti) could not be prepared and coupling of the two fragments was not attempted. In the latest approach, the C10−C29 fragment of amphidinolide F was obtained employing a boron-mediated aldol condensation and a dithiane alkylation to form the C13−C14 and C18−C19 bonds. Several endgame strategies were examined including the successful Yamaguchi esterification of the C13-epi C10−C29 fragment and the C1−C9 acid. A challenging Stille crosscoupling was then effected to close the macrocycle but only yielded the desired macrolactone in trace amounts after global desilylation.

Síntese e estudo de polioxotungstatos do tipo Keggin com interesse catalítico

O objectivo principal deste trabalho foi estudar as propriedades e comportamento de polioxotungstatos (POM) do tipo Keggin com interesse em catálise oxidativa. Os estudos efectuados centraram-se no comportamento electroquímico dos aniões em meio não aquoso, na estabilidade das suas estruturas em diferentes meios, na sua capacidade de catalisar a oxidação de diferentes substratos orgânicos e na sua eficácia em oxidar, de forma selectiva, um modelo não fenólico da lenhina. Efectuou-se, igualmente, o estudo estrutural de diversos aniões pela técnica de EXAFS. Neste trabalho, prepararam-se e caracterizaram-se alguns dos sais de tetra-n-butilamónio (TBA) dos polioxotungstatos estudados: compostos de Keggin, TBAx[XW12O40], lacunares, TBAxHy[XW11O39], mono-substituídos, TBAxHy[XW11M(H2O)O39]·nH2O, com X= P e Si e M = CoII, NiII, ZnII, CuIl, RuIII, MnIII e FeIII e os compostos com mistura de átomos adenda TBAx[XW11VO40]·nH2O (X = P e Si). Seleccionou-se este conjunto de polioxotungstatos de forma a efectuar-se um estudo comparativo da influência da natureza do heteroátomo central (P e Si) e dos metais de transição M nas propriedades estudadas. O conjunto de sais de TBA dos silicotungstatos estudados mostraram ser isoestruturais, apresentando a mesma estrutura dos fosfotungstatos análogos. O comportamento electroquímico dos polioxotungstatos foi estudado em soluções de acetonitrilo por voltametria cíclica e electrólise a potencial controlado. Verificou-se a ocorrência de vários processos mono-electrónicos de oxi-redução, reversíveis ou quasi-reversíveis, associados aos átomos de WVI/V e a alguns dos metais de transição. Os metais em estado de oxidação +3 reduziram-se mais facilmente do que os átomos de WVI. O metal CuII apresentou um comportamento diferente dos outros metais de transição. Este metal, na estrutura do POM, reduziu-se a CuI, proporcionando a observação do anião [PW11CuIO39]6- pela primeira vez. A redução posterior do CuI conduziu à formação de Cu0, que se depositou na superfície do eléctrodo. A re-oxidação do cobre a CuII conduziu à reconstituição da estrutura do POM, nas condições estudadas. Constatou-se que a ocorrência de protões na fórmula molecular dos POMs influenciou o seu comportamento electroquímico. Para os compostos que apresentam protões, a redução dos átomos de tungsténio ocorreu a potenciais menos negativos do que para aqueles que não apresentam protões na sua fórmula. Para os primeiros observou-se a transferência global de um maior número de electrões no mesmo intervalo de potencial, originando soluções fortemente azuladas. Quando os catiões tetra-n-butilamónio foram substituídos por catiões de menor dimensão, como Li+ e Na+, ocorreu a formação de pares iónicos com os polianiões [PW12O40]3- e [SiW11VO40]5-, originando um aumento do potencial de redução. Não houve evidência da formação de pares iónicos com os catiões TBA+. Este foi o primeiro estudo sistemático do comportamento electroquímico dos aniões lacunares e mono-substituídos em meio não aquoso. Estudou-se a estrutura dos polioxotungstatos em sais de TBA e em soluções de acetonitrilo. A aplicação da técnica de EXAFS ao estudo deste tipo de compostos em solução foi realizada pela primeira vez. Pela análise estrutural nos sólidos verificou-se que, a natureza do metal de transição M e do átomo central X, na estrutura do POM, influenciam o tamanho dos vários octaedros que o constituem. Não se observaram diferenças significativas nas estruturas dos polianiões em solução. A estabilidade da estrutura dos polioxometalatos na presença de um excesso de H2O2, em soluções de acetonitrilo/H2O foi analisada por espectroscopia de absorção de EXAFS, RMN de 31P, IV e espectrofotometria de absorção no UV-Vis. De uma forma geral, os POMs em que o átomo central da estrutura é o Si apresentaram maior estabilidade do que os POMs correspondentes com átomo de P no centro. Em solução de acetonitrilo, na ausência de H2O2, todos os aniões mostraram ser estáveis durante vários dias. Em solução, na presença de H2O2 em excesso (H2O2/POM = 1300), o anião lacunar [PW11O39]7- não é estável, transformando-se no anião de Venturello, {PO4[W(O)(O2)2]4}3-, após a formação de [PW12O40]3-, como produto intermediário. Em relação aos aniões substituídos [PW11M(H2O)O39]p-, M = MnIII, RuIII, FeIII, CoII e ZnII, verificou-se o seguinte na presença de H2O2: os aniões com MnIII e CoII transformaram-se no anião de Keggin, [PW12O40]3-. Os aniões de RuIII e FeIII mantiveram as suas estruturas e o anião de ZnII decompôs-se em {HPO4[W(O)(O2)2]2}2- e fosfato. Para estes casos de não estabilidade estrutural, o processo de decomposição foi mais rápido na presença de maiores conteúdos de água. Pela análise de EXAFS, na presença de um menor excesso de H2O2 (H2O2/POM = 70) e apenas 8% de parte aquosa, verificou-se que os aniões substituídos por MnIII mantiveram a sua estrutura, embora o ligando H2O, coordenado ao Mn, tivesse sido substituído por um grupo oxo no polianião [SiW11Mn(H2O)O39]5-, e por um grupo peroxo no polianião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O anião com RuIII, nestas condições, também mostrou substituir o seu ligando H2O por um grupo peroxo ou hidrogenoperoxo. Os polioxotungstatos mono-substituídos e lacunares mostraram ser catalisadores eficientes para a oxidação de cis-cicloocteno, geraniol e ciclooctano com H2O2. A maior novidade deste trabalho residiu na actividade catalítica apresentada pelos silicotungstatos estudados, contrariando o que é referido na literatura. Outro aspecto inovador foi o elevado valor de conversão obtido para a oxidação de ciclooctano. Este substrato foi oxidado com 74% de conversão, após 2h de reacção e com 80% de selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo, na presença do anião [PW11Fe(H2O)O39]4-. Os restantes produtos de reacção foram o ciclooctanol e a ciclooctanona. Os silicotungstatos apresentaram maior selectividade para o hidroperóxido de ciclooctilo do que os fosfotungstatos. O geraniol foi completamente oxidado após 3h de reacção, com 82% de selectividade para o 2,3-epoxigeraniol, na presença do anião [PW11Mn(H2O)O39]4-. O cis-cicloocteno foi oxidado ao seu epóxido, com 92% de conversão ao fim de 5h de reacção, na presença do anião lacunar [PW11O39]7-. O estudo da capacidade oxidativa do anião [SiW11VO40]5- foi analisada utilizando-se um modelo não fenólico da lenhina, a anisoína. Estudaram-se as condições favoráveis à obtenção de uma reacção selectiva para o anisilo, de forma a poder estudar-se a cinética da reacção. A estequiometria da reacção mostrou ser de 1:2 anisoína/POM. As ordens de reacção foram determinadas pelo método das velocidades iniciais e, a partir destes resultados, conheceu-se que o POM não estava envolvido no passo que limita a velocidade da reacção, sendo esta limitada pela transformação da anisoína. O estudo realizado sobre o efeito isotópico sugeriu que o passo que limitou a velocidade de reacção correspondeu à enolação da anisoína. Desta forma, observou-se pela primeira vez, que o POM oxida um modelo não fenólico da lenhina por via de enolação.

MOLECULAR MODELING OF EPON 862-DETDA / CARBON COMPOSITES

The thermoset epoxy resin EPON 862, coupled with the DETDA hardening agent, are utilized as the polymer matrix component in many graphite (carbon fiber) composites. Because it is difficult to experimentally characterize the interfacial region, computational molecular modeling is a necessary tool for understanding the influence of the interfacial molecular structure on bulk-level material properties. The purpose of this research is to investigate the many possible variables that may influence the interfacial structure and the effect they will have on the mechanical behavior of the bulk level composite. Molecular models are established for EPON 862-DETDA polymer in the presence of a graphite surface. Material characteristics such as polymer mass-density, residual stresses, and molecular potential energy are investigated near the polymer/fiber interface. Because the exact degree of crosslinking in these thermoset systems is not known, many different crosslink densities (degrees of curing) are investigated. It is determined that a region exists near the carbon fiber surface in which the polymer mass density is different than that of the bulk mass density. These surface effects extend ~10 Å into the polymer from the center of the outermost graphite layer. Early simulations predict polymer residual stress levels to be higher near the graphite surface. It is also seen that the molecular potential energy in polymer atoms decreases with increasing crosslink density. New models are then established in order to investigate the interface between EPON 862-DETDA polymer and graphene nanoplatelets (GNPs) of various atomic thicknesses. Mechanical properties are extracted from the models using Molecular Dynamics techniques. These properties are then implemented into micromechanics software that utilizes the generalized method of cells to create representations of macro-scale composites. Micromechanics models are created representing GNP doped epoxy with varying number of graphene layers and interfacial polymer crosslink densities. The initial micromechanics results for the GNP doped epoxy are then taken to represent the matrix component and are re-run through the micromechanics software with the addition of a carbon fiber to simulate a GNP doped epoxy/carbon fiber composite. Micromechanics results agree well with experimental data, and indicate GNPs of 1 to 2 atomic layers to be highly favorable. The effect of oxygen bonded to the surface of the GNPs is lastly investigated. Molecular Models are created for systems with varying graphene atomic thickness, along with different amounts of oxygen species attached to them. Models are created for graphene containing hydroxyl groups only, epoxide groups only, and a combination of epoxide and hydroxyl groups. Results show models of oxidized graphene to decrease in both tensile and shear modulus. Attaching only epoxide groups gives the best results for mechanical properties, though pristine graphene is still favored.

Covalent Protein Adduction by Drugs of Abuse

Recreational abuse of the drugs cocaine, methamphetamine, and morphine continues to be prevalent in the United States of America and around the world. While numerous methods of detection exist for each drug, they are generally limited by the lifetime of the parent drug and its metabolites in the body. However, the covalent modification of endogenous proteins by these drugs of abuse may act as biomarkers of exposure and allow for extension of detection windows for these drugs beyond the lifetime of parent molecules or metabolites in the free fraction. Additionally, existence of covalently bound molecules arising from drug ingestion can offer insight into downstream toxicities associated with each of these drugs. This research investigated the metabolism of cocaine, methamphetamine, and morphine in common in vitro assay systems, specifically focusing on the generation of reactive intermediates and metabolites that have the potential to form covalent protein adducts. Results demonstrated the formation of covalent adduction products between biological cysteine thiols and reactive moieties on cocaine and morphine metabolites. Rigorous mass spectrometric analysis in conjunction with in vitro metabolic activation, pharmacogenetic reaction phenotyping, and computational modeling were utilized to characterize structures and mechanisms of formation for each resultant thiol adduction product. For cocaine, data collected demonstrated the formation of adduction products from a reactive arene epoxide intermediate, designating a novel metabolic pathway for cocaine. In the case of morphine, data expanded on known adduct-forming pathways using sensitive and selective analysis techniques, following the known reactive metabolite, morphinone, and a proposed novel metabolite, morphine quinone methide. Data collected in this study describe novel metabolic events for multiple important drugs of abuse, culminating in detection methods and mechanistic descriptors useful to both medical and forensic investigators when examining the toxicology associated with cocaine, methamphetamine, and morphine.

CO2 utilization and alternative solvents: effective tools for sustainable applications

The growing concentration of CO2 in the atmosphere and its harmful consequences has led the scientific community to direct its efforts towards sustainable processes. Among the possible approaches, the use of CO2 and alternative solvents are two strategies that are having widespread diffusion. In this work the reuse of CO2 is expressed by using it as a reaction reagent and as trigger to change the physical properties of a catalyst thus facilitating its recovery. As regards the CO2 use as reagent, two catalytic systems have been developed for the conversion of CO2 and epoxides into cyclic carbonates, used in the synthesis of polymers and as aprotic solvents. Homogeneous catalysts made by choline-based eutectic mixtures and heterogeneous catalysts made from biopolymers and waste pyrolysis have been synthesized and tested on this reaction. The carbonate interchange reaction (CIR) of a diol with a linear carbonate (as dimethyl carbonate) is an interesting alternative, for the synthesis of cyclic carbonates; as the second application of CO2 as polarity trigger, it was used for catalyst recovery. In fact DBU, here used as catalyst, is part of the so called “switchable solvents”: they can pass from a less-polar to a more-polar form (and from being soluble to non-soluble in the reaction mixture) when reacting with CO2 in presence of water or alcohols. Also in this case, heterogeneous catalysts made from biopolymers and waste pyrolysis have been synthesized and tested on CIR. As for the use of alternative solvents, this work focuses on the use of Deep Eutectic Solvents (DESs). They are a new generation of solvents composed by a mixture of two or more substances, liquid at room temperature, and non-volatile. New and biobased DESs were here used: i) as reaction media to carry out chemoenzymatic epoxidation; ii) in the extraction of astaxanthin from microalgae culture.