Novel Approaches for the Synthesis of C-5 Modified Pyrimidine Nucleosides

The antiviral or anticancer activities of C-5 modified pyrimidine nucleoside analogues validate the need for the development of their syntheses. In the first half of this dissertation, I explore the Pd-catalyzed cross-coupling reaction of allylphenylgermanes with aryl halides in the presence of SbF5/TBAF to give various biaryls by transferring multiple phenyl groups, which has also been applied to the 5-halo pyrimidine nucleosides for the synthesis of 5-aryl derivatives. To avoid the use of organometallic reagents, I developed Pd-catalyzed direct arylation of 5-halo pyrimidine nucleosides. It was discovered that 5-aryl pyrimidine nucleosides could be synthesized by Pd-catalyzed direct arylation of N3-free 5-halo uracil and uracil nucleosides with simple arenes or heteroaromatics in the presence of TBAF within 1 h. Both N3-protected and N3-free uracil and uracil nucleosides could undergo base-promoted Pd-catalyzed direct arylation, but only with electron rich heteroaromatics. In the second half of this dissertation, 5-acetylenic uracil and uracil nucleosides have been employed to investigate the hydrogermylation, hydrosulfonylation as well as hydroazidation for the synthesis of various functionalized 5-vinyl pyrimidine nucleosides. Hydrogermylation of 5-alkynyl uracil analogues with trialkylgermane or tris(trimethylsilyl)germane hydride gave the corresponding vinyl trialkylgermane, or tris(trimethylsilyl)germane uracil derivatives. During the hydrogermylation with triphenylgermane, besides the vinyl triphenylgermane uracil derivatives, 5-[2-(triphenylgermyl)acetyl]uracil was also isolated and characterized and the origin of the acetyl oxygen was clarified. Tris(trimethylsilyl)germane uracil derivatives were coupled to aryl halides but with decent yield. Iron-mediated regio- and stereoselective hydrosulfonylation of the 5-ethynyl pyrimidine analogues with sulfonyl chloride or sulfonyl hydrazine to give 5-(1-halo-2-tosyl)vinyluracil nucleoside derivatives has been developed. Nucleophilic substitution of the 5-(β-halovinyl)sulfonyl nucleosides with various nucleophiles have been performed to give highly functionalized 5-vinyl pyrimidine nucleosides via the addition-elimination mechanism. The 5-(β-keto)sulfonyluracil derivative has also been synthesized via the aerobic difunctionalization of 5-ethynyluracil analogue with sulfinic acid in the presence of catalytic amount of pyridine. Silver catalyzed hydroazidation of protected 2'-deoxy-5-ethynyluridine with TMSN3 in the presence of catalytic amount of water to give 5-(α-azidovinyl)uracil nucleoside derivatives was developed. Strain promoted Click reaction of the 5-(α-azidovinyl)uracil with cyclooctyne provide the corresponding fully conjugated triazole product.

Catalytic reactions with palladium supported on mesocellular foam : Applications in hydrogenation, isomerization, and C-C bond forming reactions

The major part of this thesis concerns the development of catalytic methodologies based on palladium nanoparticles immobilized on aminopropyl-functionalized siliceous mesocellular foam (Pd0-AmP-MCF). The catalytic activity of the precursor to the nanocatalyst, PdII-AmP-MCF is also covered by this work. In the first part the application of Pd0-AmP-MCF in Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions and transfer hydrogenation of alkenes under microwave irradiation is described. Excellent reactivity was observed and a broad range of substrates were tolerated for both transformations. The Pd0-AmP-MCF exhibited high recyclability as well as low metal leaching in both cases. The aim of the second part was to evaluate the catalytic efficiency of the closely related PdII-AmP-MCF for cycloisomerization of various acetylenic acids. The catalyst was able to promote formation of lactones under mild conditions using catalyst loadings of 0.3 - 0.5 mol% at temperatures of up to 50 oC in the presence of Et3N. By adding 1,4-benzoquinone to the reaction, the catalyst could be recycled four times without any observable decrease in the activity. The selective arylation of indoles at the C-2 position using Pd-AmP-MCF and symmetric diaryliodonium salts is presented in the third part. These studies revealed that Pd0-AmP-MCF was more effective than PdII-AmP-MCF for this transformation. Variously substituted indoles as well as diaryliodonium salts were tolerated, giving arylated indoles in high yields within 15 h at 20 - 50 oC in H2O. Only very small amounts of Pd leaching were observed and in this case the catalyst exhibited moderate recyclability. The final part of the thesis describes the selective hydrogenation of the C=C in different α,β-unsaturated systems. The double bond was efficiently hydrogenated in high yields both under batch and continuous-flow conditions. High recyclability and low metal leaching were observed in both cases.

Síntese de compostos multiporfirínicos covalentes

Nesta tese descreve-se a síntese de compostos multiporfirínicos covalentes bem como a avaliação da potencial utilização destes compostos como quimiossensores de iões metálicos e para a construção de estruturas supramoleculares com fulerenos. No capítulo 1 desta tese é feita uma introdução à química, propriedades e aplicações das porfirinas e sistemas multiporfirínicos. Relativamente aos sistemas multiporfirínicos é feita uma revisão bibliográfica acerca das estratégias de síntese e abordagem geral à química supramolecular de sistemas porfirina-fulereno. No capítulo 2 são apresentados os resultados referentes à síntese e caracterização dos vários sistemas multiporfirínicos desenvolvidos neste trabalho. De um modo geral, a síntese desses compostos envolveu reações de substituição aromática nucleofílica. Para esse efeito foi necessário preparar porfirinas de partida contendo grupos nucleofílicos nas posições meso (-C6H4OH e -C6H4NH2). Os sistemas multiporfirínicos foram obtidos por reações entre as porfirinas de partida e hexafluorobenzeno ou 5,10,15,20tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. Descreve-se também a síntese de uma díade porfirina-C60 e de uma pentíade contendo quatro unidades de porfirina e uma de C60, envolvendo reações de cicloadição 1,3-dipolar e de substituição aromática nucleofílica. Os estudos efetuados ao nível da aplicação de alguns dos novos sistemas multiporfirínicos sintetizados e de um dos seus precursores, a 5-[4(pentafluorofeniloxi)fenil]-10,15,20-trifenilporfirina, como sensores de iões metálicos encontram-se descritos no capítulo 3. Neste capítulo, a título introdutório, é feita uma breve abordagem aos quimiossensores colorimétricos e de fluorescência, apresentando também alguns exemplos de porfirinas como quimiossensores de iões metálicos já descritos na literatura científica. A caracterização fotofísica dos compostos em estudo também é descrita neste capítulo. Os compostos estudados mostraram capacidade de interagir com vários iões metálicos, verificando-se um aumento da seletividade para o ião Hg2+ com o aumento do número de unidades porfirínicas constituintes dos sistemas multiporfirínicos. Os resultados referentes aos estudos de complexação de alguns dos sistemas multiporfirínicos sintetizados com fulerenos encontram-se descritos no capítulo 4. Neste capítulo descreve-se também a caracterização fotofísica dos compostos em estudo. Os estudos realizados com os sistemas multiporfirínicos mostraram uma fraca interação com os fulerenos C60 e C70. No entanto, os valores das constantes de afinidade obtidos com 1-metil-2-(4piridil)[60]fulero[c]pirrolidina mostraram que os sistemas multiporfirínicos apresentam capacidade para formar complexos com este derivado de C60 por coordenação axial e por interações π-π. No capítulo 5 é discutido o trabalho que envolveu o desenvolvimento de novos métodos na síntese de derivados tetrapirrólicos do tipo pirrolo[3,4-b]porfirinas contendo um grupo NH livre no anel exocíclico. A estratégia de síntese requereu a preparação de uma clorina fundida com um anel pirrolina seguida da redução do anel pirrolina. Deste modo obteve-se uma nova clorina fundida com um anel pirrolidina contendo um grupo NH livre. Esta nova clorina foi usada na preparação de uma díade clorina-porfirina por reação de N-arilação com 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. A estrutura cristalina da nova díade foi resolvida por difração de raios-X de cristal único. A estrutura dos compostos sintetizados foi estabelecida recorrendo a diversas técnicas espectroscópicas nomeadamente ressonância magnética nuclear (RMN de 1H, 13C e 19F), espectrometria de massa e espectrofotometria de UVvis. No último capítulo desta tese descrevem-se, pormenorizadamente, todas as experiências efetuadas, incluindo os métodos de síntese, purificação e caracterização estrutural dos diversos compostos sintetizados bem como as medições espectrofotométricas e espectrofluorimétricas.