Experimental and Computational Studies on Copper and Hydrobenzoin Derivatives in Catalytic Asymmetric Reactions

The use of theory to understand and facilitate catalytic enantioselective organic transformations involving copper and hydrobenzoin derivatives is reported. Section A details the use of theory to predict, facilitate, and understand a copper promoted amino oxygenation reaction reported by Chemler et al. Using Density Functional Theory (DFT), employing the hybrid B3LYP functional and a LanL2DZ/6-31G(d) basis set, the mechanistic details were studied on a N-tosyl-o-allylaniline and a [alpha]-methyl-[gamma]-alkenyl sulfonamide substrate. The results suggest the N-C bond formation proceeds via a cisaminocupration, and not through a radical-type mechanism. Additionally, the origin of diastereoselection observed with [alpha]-methyl-[gamma]-alkenyl sulfonamide arises from avoidance of unfavourable steric interactions between the methyl substituent and the N -protecting group. Section B details the computationally guided, experimental investigation of two hydrobenzoin derivatives as ligands/ catalysts, as well as the attempted synthesis of a third hydrobenzoin derivative. The bis-boronic acid derived from hydrobenzoin was successful as a Lewis acid catalyst in the Bignielli reaction and the Conia ene reaction, but provided only racemic products. The chiral diol derived from hydrobenzoin successfully increased the rate of the addition of diethyl zinc to benzaldehyde in the presence of titanium tetraisopropoxide, however poor enantioinduction was obseverved. Notably, the observed reactivity was successfully predicted by theoretical calculations.

Direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes

L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés.

Synthesis of 2-Substituted-Pyrazolo[1,5-a]pyridines from N-Iminopyridinium Ylides

Cette thèse décrit le développement et la méthodologie pour la synthèse de 2-pyrazolo[1,5-a]pyridines à partir d’ylures de N-iminopyridinium et d’halogénures de styryle. Des dérivés de chaque ylure de N-iminopyridinium et d’halogénures de styryle ont été utilisés pour la synthèse de plusieurs composés avec un intérêt pharmaceutique. Le premier chapitre présente les précédents littéraires pour la synthèse de pyrazolopyridines. Spécifiquement trois types différents de synthèse seront présentés en détail. L’importance biologique de ces composés sera discutée. La vue d’ensemble des travaux développés dans notre groupe de recherche pour la synthèse des produits de départ sera présentée brièvement. Finalement, la science intéressante qui a apporté cette idée de recherche sera révélée. Le deuxième chapitre décrit les résultats des optimisations étudiées pour la synthèse des 2-phénylpyrazolo[1,5-a]pyridines à partir d’ylures de N-benzoyl-iminopyridinium et d’iodure de styryle. Chaque substrat de la réaction a été étudié individuellement afin d’être optimisé; les ratios, les solvants, la température du milieu réactionnel et le temps optimal de la réaction ont aussi été explorés. Le troisième chapitre présente l’étendue de la synthèse des pyrazolopyridines. L’étendue de la réaction inclut les dérivés des halogénures de styryle. L’étendue de la réaction a été élargie aux dérivés d’ylures de N-iminopyridinium et ils incluent des groupements donneurs d’électrons ainsi que des groupements pauvres en électrons. Des groupements exotiques d’iodure et de bromure de vinyle ont aussi été explorés. Le quatrième chapitre démontre les études mécanistiques que l’on a faites pour mieux comprendre les cycles catalytiques qui ont lieu durant la réaction. Des études de cyclisation avec les ylures de N-iminopyridinium ont été explorées pour les produits de départ suivants : iodure de styryle et phényl acetylène.

Synthèse stéréosélective de pipéridines et activation électrophile chimiosélective d’amides en présence de dérivés de la pyridine

L’importance des produits naturels dans le développement de nouveaux médicaments est indéniable. Malheureusement, l’isolation et la purification de ces produits de leurs sources naturelles procure normalement de très faibles quantités de molécules biologiquement actives. Ce problème a grandement limité l’accès à des études biologiques approfondies et/ou à une distribution sur une grande échelle du composé actif. Par exemple, la famille des pipéridines contient plusieurs composés bioactifs isolés de sources naturelles en très faible quantité (de l’ordre du milligramme). Pour pallier à ce problème, nous avons développé trois nouvelles approches synthétiques divergentes vers des pipéridines polysubstituées contenant une séquence d’activation/désaromatisation d’un sel de pyridinium chiral et énantioenrichi. La première approche vise la synthèse de pipéridines 2,5-disubstituées par l’utilisation d’une réaction d’arylation intermoléculaire sur des 1,2,3,4-tétrahydropyridines 2-substituées. Nous avons ensuite développé une méthode de synthèse d’indolizidines et de quinolizidines par l’utilisation d’amides secondaires. Cette deuxième approche permet ainsi la synthèse formelle d’alcaloïdes non-naturels à la suite d’une addition/cyclisation diastéréosélective et régiosélective sur un intermédiaire pyridinium commun. Finalement, nous avons développé une nouvelle approche pour la synthèse de pipéridines 2,6-disubstituées par l’utilisation d’une réaction de lithiation dirigée suivie d’un couplage croisé de Negishi ou d’un parachèvement avec un réactif électrophile. Le développement de transformations chimiosélectives et versatiles est un enjeu crucial et actuel pour les chimistes organiciens. Nous avons émis l’hypothèse qu’il serait possible d’appliquer le concept de chimiosélectivité à la fonctionnalisation d’amides, un des groupements le plus souvent rencontrés dans la structure des molécules naturelles. Dans le cadre précis de cette thèse, des transformations chimiosélectives ont été réalisées sur des amides secondaires fonctionnalisés. La méthode repose sur l’activation de la fonction carbonyle par l’anhydride triflique en présence d’une base faible. Dans un premier temps, l’amide ainsi activé a été réduit sélectivement en fonction imine, aldéhyde ou amine en présence d’hydrures peu nucléophiles. Alternativement, un nucléophile carboné a été employé afin de permettre la synthèse de cétones ou des cétimines. D’autre part, en combinant un amide et un dérivé de pyridine, une réaction de cyclisation/déshydratation permet d’obtenir les d’imidazo[1,5-a]pyridines polysubstituées. De plus, nous avons brièvement appliqué ces conditions d’activation au réarrangement interrompu de type Beckmann sur des cétoximes. Une nouvelle voie synthétique pour la synthèse d’iodures d’alcyne a finalement été développée en utilisant une réaction d’homologation/élimination en un seul pot à partir de bromures benzyliques et allyliques commercialement disponibles. La présente méthode se distincte des autres méthodes disponibles dans la littérature par la simplicité des procédures réactionnelles qui ont été optimisées afin d’être applicable sur grande échelle.

Relativistic effects in physics and chemistry of element 105. [Part] II.

Relativistic self-consistent charge Dirac-Slater discrete variational method calculations have been done for the series of molecules MBr_5, where M = Nb, Ta, Pa, and element 105, Ha. The electronic structure data show that the trends within the group 5 pentabromides resemble those for the corresponding pentaclorides with the latter being more ionic. Estimation of the volatility of group 5 bromides has been done on the basis of the molecular orbital calculations. According to the results of the theoretical interpretation HaBr_5 seems to be more volatile than NbBr_5 and TaBr_5.

Normal coordinates in the methyl halides

The potential‐energy functions found by Chang for the methyl halides have been put into valence‐type form and revised to eliminate inconsistencies and to accord with the true (nontetrahedral) geometry and the normal frequencies (corrected for Fermi resonance and anharmonicity). The resulting valence‐type force constants and normal coordinates are given for light (CH3) and heavy (CD3) chlorides, bromides, and iodides.

Double coupling reactions of 3,4-bis(stannyl)furanone: facile preparation of diaryl- and dibenzylfuranones

The palladium-catalyzed cross-coupling reaction of 3,4-bis(tributylstannyl)furan-2(5H)-one using chelating ligand or polar solvent gives mixtures of single and double coupled products, even when one equivalent of halide coupling partner is used. After optimization, the double coupling reaction was shown to be general, with the use of two equivalents of aryl iodides giving 3,4-disubstituted furanones, The reaction using benzyl bromides proceeds at lower temperatures than the corresponding coupling using aryl iodides, giving dibenzylfuranones. The methodology has been exemplified in a synthesis of (+/-)-hinokinin.

Synthesis of fused cyclic systems containing medium-sized rings through tandem ROM-RCM of norbornene derivatives embedded in a carbohydrate template

A general approach for the synthesis of fused cyclic systems containing medium-sized rings (7-9) has been developed. The key steps involve a diastereoface-selective Diels-Alder reaction of the dienophiles 4a-d attached to a furanosugar with cyclopentadiene and ring opening (ROM)-ring closing metathesis (RCM) of the resulting norbornene derivatives 10a-d and 11a-d. Diels-Alder reaction of the dienophiles 4a-d with cyclopentadiene in the absence of a catalyst produced 10a-d as the major product arising through addition of the diene to the unhindered Si-face. The most interesting and new aspect of the Diels-Alder reaction of these dienophiles is the accessibility of the Re-face that was blocked by the alkenyl chains under Lewis acid catalysis producing the diastereoisomers 11a-d exclusively. The reversal of facial selectivity from an uncatalyzed reaction to a catalyzed one is unprecedented. The observed stereochemical dichotomy is attributed to rotation of the enone moiety along the or bond linking the sugar moiety during formation of the chelate 13. This makes the Re-face of the enone moiety in 4a-d unhindered. Diels-Alder reaction of the carbocyclic analogue 15 under Lewis acid catalysis produced a 1: 1 mixture of the adducts 16 and 17 confirming the participation of sugar ring oxygen in chelate formation. Finally ROM-RCM of 10a-d and 11a-d with Grubbs' catalyst afforded the cis-syn-cis and cis-anti-cis bicyclo-annulated sugars 21a-d and 23a-d, respectively, containing 7-9 membered rings.

Unsaturated σ-hydrocarbyl transition-metal complexes. Part 2. Synthesis and reactions of vinylplatinum complexes and a comparison with analogous fluorovinyl and alkynyl complexes

Alkenyl (CHCH2 or CFCF2) or alkynyl (CCPh) derivatives of trimethyltin are shown to be superior to lithium or magnesium reagents for the synthesis of corresponding mono-organoplatinum(II) species by metathesis (L = SnMe3R +cis-[PtCl2L2]→trans-[PtRClL2]+ SnMe3Cl tertiary phosphine). The reactivity order for SnMe3R is R = CCPh > CFCF2 > CHCH2. This order is also found for oxidative addition of SnMe3R to Pt0 to give cis-[PtRL2(SnMe3)]. When the latter complex (R = CHCH2) reacts with X2 or MeX further oxidative addition occurs exclusively at the platinum centre. Aromatic isonitriles (R′NC)co-ordinate to the platinum and give insertion products trans-[Pt{C(CHCH2)= NR′}ClL2] on heating or carbene complexes with NBunH2. The alkynyl trans-[Pt(CCPh)ClL2] also forms 1 :1 adducts with R′NC and carbene complexes therefrom, but no insertion products. Spectroscopic data for the new complexes are presented.

Enhancing the catalytic repertoire of nucleic acids: a systematic study of linker length and rigidity

The incorporation of potentially catalytic groups in DNA is of interest for the in vitro selection of novel deoxyribozymes, A series of 10 C5-modified analogues of 2'-deoxyuridine triphosphate have been synthesised that possess side chains of differing flexibility and bearing a primary amino or imidazole functionality, For each series of nucleotide analogues differing degrees of flexibility of the C5 side chain was achieved through the use of alkynyl, alkenyl and alkyl moieties, The imidazole function was conjugated to these CS-amino-modified nucleotides using either imidazole 4-acetic acid or imidazole 4-acrylic acid (urocanic acid), The substrate properties of the nucleotides (fully replacing dTTP) with Taq polymerase during PCR have been investigated in order to evaluate their potential applications for in vitro selection experiments, 5-(3-Aminopropynyl)dUTP and 5-(E-3-aminopropenyl)dUTP and their imidazole 4-acetic acid- and urocanic acid-modified conjugates were found to be substrates, In contrast, C5-amino-modified dUTPs with alkane or Z-alkene linkers and their corresponding conjugates were not substrates, The incorporation of these analogues during PCR has been confirmed by inhibition of restriction enzyme digestion using XbaI and by mass spectrometry of the PCR products.

Mononuclear palladium and heterodinuclear palladium–ruthenium complexes of semicarbazone ligands: synthesis, characterization, and application in C–C cross-coupling reactions

Reaction of salicylaldehyde semicarbazone (L-1), 2-hydroxyacetophenone semicarbazone (L-2), and 2-hydroxynaphthaldehyde semicarbazone (L-3) with [Pd(PPh3)(2)Cl-2] in ethanol in the presence of a base (NEt3) affords a family of yellow complexes (1a, 1b and 1c, respectively). In these complexes the semicarbazone ligands are coordinated to palladium in a rather unusual tridentate ONN-mode, and a PPh3 also remains coordinated to the metal center. Crystal structures of the 1b and 1c complexes have been determined, and structure of 1a has been optimized by a DFT method. In these complexes two potential donor sites of the coordinated semicarbazone, viz. the hydrazinic nitrogen and carbonylic oxygen, remain unutilized. Further reaction of these palladium complexes (1a, 1b and 1c) with [Ru(PPh3)(2)(CO)(2)Cl-2] yields a family of orange complexes (2a, 2b and 2c, respectively). In these heterodinuclear (Pd-Ru) complexes, the hydrazinic nitrogen (via dissociation of the N-H proton) and the carbonylic oxygen from the palladium-containing fragment bind to the ruthenium center by displacing a chloride and a carbonyl. Crystal structures of 2a and 2c have been determined, and the structure of 2b has been optimized by a DFT method. All the complexes show characteristic H-1 NMR spectra and, intense absorptions in the visible and ultraviolet region. Cyclic voltammetry on all the complexes shows an irreversible oxidation of the coordinated semicarbazone within 0.86-0.93 V vs. SCE, and an irreversible reduction of the same ligand within -0.96 to -1.14 V vs. SCE. Both the mononuclear (1a, 1b and 1c) and heterodinuclear (2a, 2b and 2c) complexes are found to efficiently catalyze Suzuki, Heck and Sonogashira type C-C coupling reactions utilizing a variety of aryl bromides and aryl chlorides. The Pd-Ru complexes (2a, 2b and 2c) are found to be better catalysts than the Pd complexes (1a, 1b and 1c) for Suzuki and Heck coupling reactions.

Synthesis and antiviral properties of spirocyclic [1,2,3]-triazolooxazine nucleosides

An efficient synthesis of spirocyclic triazolooxazine nucleosides is described. This was achieved by the conversion of β-D-psicofuranose to the corresponding azido-derivative, followed by alkylation of the primary alcohol with a range of propargyl bromides - obtained via Sonogashira chemistry. The products of these reactions underwent 1,3-dipolar addition smoothly to generate the protected spirocyclic adducts. These were easily deprotected to give the corresponding ribose nucleosides. The library of compounds obtained was investigated for its antiviral activity, using MHV (Mouse Hepatitis Virus) as a model wherein derivative 3f showed the most promising activity and tolerability.

Kinetics analysis and automated online screening of aminocarbonylation of aryl halides in flow

Temperature, pressure, gas stoichiometry, and residence time were varied to control the yield and product distribution of the palladium-catalyzed aminocarbonylation of aromatic bromides in both a silicon microreactor and a packed-bed tubular reactor. Automation of the system set points and product sampling enabled facile and repeatable reaction analysis with minimal operator supervision. It was observed that the reaction was divided into two temperature regimes. An automated system was used to screen steady-state conditions for offline analysis by gas chromatography to fit a reaction rate model. Additionally, a transient temperature ramp method utilizing online infrared analysis was used, leading to more rapid determination of the reaction activation energy of the lower temperature regimes. The entire reaction spanning both regimes was modeled in good agreement with the experimental data.

Relações lineares múltiplas entre deslocamentos químicos em RMN 13C de haletos alifáticos

Os deslocamentos químicos de RMN 13C de carbonos a , b , g e d de 17 conjuntos de haletos (F, Cl Br e I) alifáticos, inclusive compostos mono, bi e tricíclicos, podem ser reproduzidos por uma equação linear de duas constantes e duas variáveis do tipo : d R-X = A*d R-X1 + B*d R-X2 onde A e B são constantes obtidas por regressão multilinear a partir de deslocamentos químicos de 13C; d R-X, o deslocamento químico de 13C do composto com halogênio (R-X); d R-X1 e d R-X2 deslocamentos químicos de outros haletos. Para brometos (R-X) alifáticos a melhor correlação foi obtida com os dados de fluoretos (R-X1) e iodetos (R-X2) com R2 de 0,9989 e desvio médio absoluto (DM) de 0,39ppm. Para cloretos (R-X) a melhor correlação foi com dados de brometos (R-X1) e iodetos (R-X2) com R2 de 0,9960 e DM de 0,76ppm. Para fluoretos (R-X) a melhor correlação foi com brometos (R-X1) e iodetos (R-X2) com R2 de 0,9977 e DM de 1,10ppm e para iodetos (R-X) foi com fluoretos (R-X1) e brometos (R-X2) com R2 de 0,9972 e desvio médio absoluto de 0,60 ppm.

Butanolides as a common feature of Iryanthera lancifolia and Virola surinamensis

A comparative phytochemical study between pericarps of Iryanthera lancifolia and Virola surinamensis showed that the first one contains a new pair of epimeric 2-alkenyl-gamma-lactones, besides an aryltetralinic lignan and one tocotrienol, while the second species contains the lignans, galgravin and veraguensin, seven juruenolides: juruenolides C, D, F, G and epi-juruenolides D, F, G, together with three pairs of epimeric aliphatic 2-alkenyl-gamma-lactones. Juruenolide F, epi-juruenolides D, F, G and the 2-alkenyl-gamma-lactones are new natural compounds. (C) 1998 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.