Síntese e caracterização de nanopartículas vetorizadas para células tumorais com possível aplicação na entrega controlada de fármacos

Dissertação de mestrado em Química Medicinal

Full Exploration of the Diels–Alder Cycloaddition on Metallofullerenes M3N@C80 (M=Sc, Lu, Gd): The D5h versus Ih Isomer and the Influence of the Metal Cluster

In this work a detailed investigation of the exohedral reactivity of the most important and abundant endohedral metallofullerene (EMF) is provided, that is, Sc3N@Ih-C80 and its D5h counterpart Sc3N@D5h-C80, and the (bio)chemically relevant lutetium- and gadolinium-based M3N@Ih/D5h-C80 EMFs (M=Sc, Lu, Gd). In particular, we analyze the thermodynamics and kinetics of the Diels–Alder cycloaddition of s-cis-1,3-butadiene on all the different bonds of the Ih-C80 and D5h-C80 cages and their endohedral derivatives. First, we discuss the thermodynamic and kinetic aspects of the cycloaddition reaction on the hollow fullerenes and the two isomers of Sc3N@C80. Afterwards, the effect of the nature of the metal nitride is analyzed in detail. In general, our BP86/TZP//BP86/DZP calculations indicate that [5,6] bonds are more reactive than [6,6] bonds for the two isomers. The [5,6] bond D5h-b, which is the most similar to the unique [5,6] bond type in the icosahedral cage, Ih-a, is the most reactive bond in M3N@D5h-C80 regardless of M. Sc3N@C80 and Lu3N@C80 give similar results; the regioselectivity is, however, significantly reduced for the larger and more electropositive M=Gd, as previously found in similar metallofullerenes. Calculations also show that the D5h isomer is more reactive from the kinetic point of view than the Ih one in all cases which is in good agreement with experiments

Synthesis of F-18-labeled cyclic-[RGDfK] peptides for PET imaging of angiogenesis

Objectives: αvβ3 integrin is of great interest for tumor targeting because of its high concentration in tumor tissue. It recognizes ligands containing an arginine-glycine-aspartate motif (RGD), and a number of RGD-containing peptides have been developed as PET imaging probes of angiogenesis. We synthesized a series of 18F-labeled cyclic-[RGDfK] peptides for in vivo imaging of αvβ3 expression. Our F-18 labeled prosthetic groups were attached to the αvβ3 ligand via click chemistry, and the reaction conditions (time, temperature, solvent and pH) were optimized by using single modified amino acids.Methods: Seven amino acids were selected considering their different biochemical properties (polarity, total charge, presence of aromatic ring and heteroatom). All the amino acids were modified by the introduction of azido moiety to allow the interaction with alkyne prosthetic groups. Once the conditions of the click chemistry were optimized, the prosthetic groups were also coupled with the cyclic-[RGDfK] exhibiting an azido function. 4- Trimethylammonium-nitrobenzene triflate was used as precursor for the radiosynthesis of the prosthetic groups. The fluorination was carried out with K2CO3/K2.2.2 in CH3CN at 95 oC, and the nitro group was reduced with NaBH4 and Pd/C in MeOH. The resulting 18F-aniline was subsequently coupled to alkynoic acids to yield the final F-18 labeled prosthetic groups. Finally, the prosthetic groups were attached to the peptides via Huisgen's cycloaddition. Figure 1. F-18 labeled αvβ3 ligand.Results: Our new prosthetic groups were successfully clicked to the modified amino acids and to the cyclic- [RGDfK], and the reactions were almost quantitative within 1 to 3.5 h. The pH of the reaction did not influence the reaction kinetic and yield. The four steps of the F-18 labeling were completely automated providing the final products in quantities and yields practical for PET imaging. IC50 values of our ligands for αvβ3 and α5β1 demonstrated a high selectivity of our compounds towards αvβ3, as well as the negligible effect of the prosthetic groups on the affinity of the ligand to its receptor, as confirmed by the prediction of the molecular modeling.Conclusions: We have successfully synthesized novel F-18 labeled prosthetic groups, as well as novel PET imaging probes of αvβ3 expression. The reaction conditions of the Huisgen's cycloaddition were optimized with selected modified amino acids, and subsequently transposed to the cyclic-[RGDfK] peptide. IC50 data demonstrate that our 18F-labeled ligands were selective for αvβ3. In vivo microPET/CT studies in tumor bearing mice are underway.

Spectrophotometric study of the chromium(III)/azide system in the ultraviolet region and its analytical application

A sensitive and alternative method for the spectrophotometric determination of chromium(III) based on the formation of chromium(III)/azide complexes was established by investigating a new band in the ultraviolet region. The best experimental conditions for the analytical determination of this metallic ion were: ligand and perchloric acid analytical concentration = 493 and 12.0 mmol L-1, respectively; aqueous medium; T = 25.0 ºC; contact time = 1 hour. The maximum molar absorptivity coefficient occurred at 287 nm (average 1.481 ± 0.008 ´ 10(4) L mol-1 cm-1), leading to the determination of metal ion concentrations one hundred times lower than the ones formerly determined in the visible region. The system obeys Beer's Law and is suitable for chromium determination in the 0.702-2.81 mg L-1 concentration range (15-65% T, 1.00 cm-width quartz cells). Analytical applications of the current method were tested with a nutritional supplement containing chromium. Results were compared with those obtained with atomic absorption spectrometry.

Model studies toward the total synthesis of thebaine by an intramolecular cycloaddition strategy

The present studies describe recent progress toward the synthesis of the thebaine. Model substrates were synthesized using pyridazine derivatives as a starting material, which allowed to assess the key Diels-Alder reaction as a route to construct the thebaine core.

Chemoenzymatic Total Synthesis of Morphine alkaloids: Synthesis of Dihydrocodeine and Hydrocodone via a Double Claisen Strategy and ent-Hydromorphone via an Oxidative Dearomatization/intramolecular [4+2] Cycloaddition

This thesis describes the chemoenzymatic synthesis of three morphine alkaloids. The total synthesis of dihydrocodeine and hydrocodone was accomplished starting from bromobenzene in 16 and 17 steps, respectively. The key steps included a microbial oxidation of bromobenzene by E. coli JM109 (pDTG601A), a Kazmaier-Claisen rearrangement of glycinate ester to generate C-9 and C-14 stereo centers, a Johnson-Claisen rearrangement to set the C-13 quaternary center, and a C-10/C-11 ring closure via a Friedel-Crafts reaction. In addition, the total synthesis of ent-hydromorphone starting from β-bromoethylbenzene in 12 steps is also described. The key reactions included the enzymatic dihydroxylation of β-bromoethylbenzene to the corresponding cis-cyclohexadienediol, a Mitsunobu reaction, and an oxidative dearomatization followed by an intramolecular [4+2] cycloaddition.

Cycloaddition dipolaire [3+2] à partir d'hétérocycles aromatiques N-aminés

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

New insights into the substrate specificities of microbial transglutaminase: a biocatalytic perspective

La transglutaminase microbienne (Microbial transglutaminase : MTG) est fortement exploitée dans l’industrie textile et alimentaire afin de modifier l’apparence et la texture de divers produits. Elle catalyse la formation de liaisons iso-peptidiques entre des protéines par l’entremise d’une réaction de transfert d’acyle entre le groupement γ-carboxamide d’une glutamine provenant d’un substrat donneur d’acyle, et le groupement ε-amino d’une lysine provenant d’un substrat accepteur d’acyle. La MTG est tolérante à un large éventail de conditions réactionnelles, ce qui rend propice le développement de cette enzyme en tant que biocatalyseur. Ayant pour but le développement de la MTG en tant qu’alternative plus soutenable à la synthèse d’amides, nous avons étudié la réactivité d’une gamme de substrats donneurs et accepteurs non-naturels. Des composés chimiquement diversifiés, de faible masse moléculaire, ont été testés en tant que substrats accepteurs alternatifs. Il fut démontré que la MTG accepte une large gamme de composés à cet effet. Nous avons démontré, pour la première fois, que des acides aminés non-ramifiés et courts, tels la glycine, peuvent servir de substrat accepteur. Les α-acides aminés estérifiés Thr, Ser, Cys et Trp, mais pas Ile, sont également réactifs. En étendant la recherche à des composés non-naturels, il fut observé qu’un cycle aromatique est bénéfique pour la réactivité, bien que les substituants réduisent l’activité. Fait notable, des amines de faible masse moléculaire, portant les groupements de forte densité électronique azidure ou alcyne, sont très réactives. La MTG catalyse donc efficacement la modification de peptides qui pourront ensuite être modifiés ou marqués par la chimie ‘click’. Ainsi, la MTG accepte une variété de substrats accepteurs naturels et non-naturels, élargissant la portée de modification des peptides contenant la glutamine. Afin de sonder le potentiel biocatalytique de la MTG par rapport aux substrats donneurs, des analogues plus petits du peptide modèle Z-Gln-Gly furent testés; aucun n’a réagi. Nous avons toutefois démontré, pour la première fois, la faible réactivité d’esters en tant que substrats donneurs de la MTG. L’éventuelle amélioration de cette réactivité permettrait de faire de la MTG un biocatalyseur plus général pour la synthèse d’amides. Mots clés: Lien amide, biocatalyse, biotransformation, transglutaminase, arrimage moléculaire, criblage de substrats, ingénierie de substrats.

Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives.

Novel1, 3-Dipolar Cycloaddition Reactions of Acyclic Carbonyl Ylides and Related Chemistry

The thesis entitled novel 1,3-dipolar cycloaddition reactions of acyclic carbonyl ylides and related chemistry embodies the results of the investigations carried out to explore the reactivity of acyclic carbonyl ylides,generated by the reaction of dicarbomethoxy carbine and aldehydes towards dipolarophiles such as activated styrenes,1,2-and 1,4-quinones. In conclusion ,we have explored the reactivity pattern of acyclic carbonyl ylides derived from dicarbomethoxycarbene and aldehyde towards activated styrenes with a view to develop a stereoselective synthesis of highly substituted tetrahydrofuran derivatives. It was also found that the ylide could be trapped by various 1,2-and 1,4-diones to form dioxolane derivatives. It is noteworthy that the cycloaddition is highly region- and stereoselective. With isatins the ylide preferentially adds to the more electrone deficient carbonyl group making it regiospecific. Hetrocyclic compounds are of pivotal importance in organic chemistry, and enormous efforts have been devoted to develop new methodologies for their synthesis. It is noteworthy in this context that, 1,3-dipolar cycloaddition reaction,otherwise called Huisgen reaction, constitutes one of the most efficient methods for the synthesis of five membered heterocycles. Among the various dipoles, carbonyl ylides have received substiancial attention in recent years largely due to their utility in the synthesis of a wide range of oxygen hetrocycles, which are often found as structural subunits of many bioactive natural products.

Synthesis and crystal structure of cobalt(III) complex with a Schiff base and azide

The cobalt(III) complex, [Co(L)2(N3)2]2(ClO4)2, L being a Schiff base N-[phenyl(pyridin-2-yl)methylene]aniline has been synthesized and the crystal structure determined using X-ray crystallography. The complex crystallizes in triclinic system, space group P-1 with unit cell parameters a=10.9367(9) , b=18.0817(17) , c=20.1629(16) , α=111.341(2), β=91.622(2), γ=107.5030(10), V=3499.1(5) 3 and Z=2. It crystallizes with two independent molecules in the asymmetric unit. The two cobalt atoms are hexa-coordinate and have a distorted octahedral geometry, satisfied by four nitrogen atoms from two molecules of the Schiff base and two nitrogen atoms from the monodentate azide group. The perchlorate ions are non-coordinating.

Transition Metal Complexes of Schiff Bases with Azide and Thiocyanate as Coligands:Spectral and Structural Investigations

Metallo-organic chemistry,incorporating the frontiers of both inorganic and organic chemical aspects,is a topic of utility concern.The first exploration of coordinated metal complexes dates back to the ninettenth century,during the days of Alfred Werner.Thereafter,inorganic chemistry witnessed a great outflow of coordination compounds,with unique structural characteristics and diverse applicatons.The diversity in structures exhibited by the coordination complexes of multidentate ligands have led to their usage as sensors,models for enzyme mimetic centers,medicines etc.The liganda chosen are of prime importance in determining the properties of coordination compounds.Schiff bases are compounds obtained by the condensation of an aidehyde or ketone with an amine.The chemical properties of Schiff bases and their complexes are widely explored in recent years owing to their pharmacological activity,their catalytic activities and so on.On the other hand pseudohalides like azide and thiocyanate are versatile candidates for the construction of dimeric or polymeric complexes having excellent properties and diverse applications.So a combination of the Schiff bases and the pseudohalogens for the synthesis of metal complexes can bring about interesting results.An attempt into this area is the besis of this Ph.D theis.

Syntheses, EPR spectral studies and crystal structures of manganese(II) complexes of neutral N,N donor bidentate Schiff bases and azide/thiocyanate as coligand

Four manganese(II) complexes Mn2(paa)2(N3)4 (1), [Mn(paa)2(NCS)2] 3/2H2O (2), Mn(papea)2(NCS)2 (3), [Mn(dpka)2(NCS)2] 1/2H2O(4) of three neutral N,N donor bidentate Schiff bases were synthesized and physico- chemically characterized by means of partial elemental analyses, electronic, infrared and EPR spectral studies. Compounds 3 and 4 were obtained as single crystals suitable for X-ray diffraction. Compound 4 recrystallized as Mn(dpka)2(NCS)2. Both the compounds crystallized in the monoclinic space groups P21 for 3 and C2/c for 4. Manganese(II) is found to be in a distorted octahedral geometry in both the monomeric complexes with thiocyanate anion as a terminal ligand coordinating through the nitrogen atom. EPR spectra in DMF solutions at 77 K show hyperfine sextets with low intensity forbidden lines lying between each of the two main hyperfine lines and the zero field splitting parameters (D and E) were calculated.

Síntesi de nous macrocicles nitrogenats poliinsaturats. Estudis de coordinació i reactivitat

La síntesi i caracterització estructural d'un nou tipus de macrocicles nitrogenats de 15, 20 i 25 membres, els quals contenen triples i dobles enllaços i diferents unitats aríliques a la seva estructura, ha estat estudiada. S'han preparat els complexos de pal·ladi(0) dels corresponents macrocicles poliinsaturats de 15 membres, els quals són estables a l'aire i a la humitat i en alguns casos presenten quiralitat. La seva caracterització completa s'ha portat a terme mitjançant RMN i difracció de raigs-X. S'ha estudiat també la reacció de cicloisomerització d'aquests macrocicles emprant diferents catalitzadors basats en metalls de transició, observant-se que el catalitzador de Wilkinson, de rodi(I), és el que ha donat més bons resultats. Finalment, s'ha realitzat una introducció a l'estudi del mecanisme d'aquest tipus de reaccions mitjançant ESI-MS, així com també un estudi inicial de la reacció de cicloisomerització enantioselectiva.