Location and properties of metal-binding sites on the human prion protein

Although a functional role in copper binding has been suggested for the prion protein, evidence for binding at affinities characteristic of authentic metal-binding proteins has been lacking. By presentation of copper(II) ions in the presence of the weak chelator glycine, we have now characterized two high-affinity binding sites for divalent transition metals within the human prion protein. One is in the N-terminal octapeptide-repeat segment and has a Kd for copper(II) of 10−14 M, with other metals (Ni2+, Zn2+, and Mn2+) binding three or more orders of magnitude more weakly. However, NMR and fluorescence data reveal a previously unreported second site around histidines 96 and 111, a region of the molecule known to be crucial for prion propagation. The Kd for copper(II) at this site is 4 × 10−14 M, whereas nickel(II), zinc(II), and manganese(II) bind 6, 7, and 10 orders of magnitude more weakly, respectively, regardless of whether the protein is in its oxidized α-helical (α-PrP) or reduced β-sheet (β-PrP) conformation. A role for prion protein (PrP) in copper metabolism or transport seems likely and disturbance of this function may be involved in prion-related neurotoxicity.

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.

Réaction d’amination intramoléculaire de liens C-H à partir de N-mésyloxycarbamates catalysée par des complexes de rhodium et d’autres métaux de transition : s ynthèse verte d’oxazolidinones

La réaction d’amination de liens C-H, impliquant la transformation directe d’un lien C-H en lien C-N constitue une approche synthétique d’avenir pour la préparation de composés azotés. L’application de cette stratégie de manière intramoléculaire apparaît comme une approche puissante pour la synthèse de composés hétérocycliques. En particulier, les oxazolidinones, carbamates cycliques à cinq chaînons, constituant une nouvelle classe d’antibiotiques très prometteuse, pourraient être synthétisées par cette méthode. Il y a moins d’une dizaine d’années, notre groupe de recherche a travaillé sur le développement de méthodologies utilisant des espèces nitrènes métalliques pour l’amination intra et intermoléculaire. Les N-tosyloxycarbamates, en présence d’une base et d’un catalyseur dimère de rhodium (II) tétracarboxylate sont les précurseurs de ces espèces nitrènes métalliques, capables de faire l’insertion de liens C(sp3)-H. Dans ces travaux de thèse, nous avons travaillé sur le développement d’une méthode plus « verte » d’amination intramoléculaire. Les N-mésyloxycarbamates, plus légers que leurs homologues N-tosyloxycarbamates, ont été identifiés comme d’excellents précurseurs de nitrènes. La méthodologie développée ne nécessite que 3 mol % de dimère de rhodium Rh2(tpa)4 et de 1,5 équivalents de solution aqueuse saturée de K2CO3, le tout dans l’acétate d’éthyle et donne de bons rendements de cyclisation. Une étude de l’étendue réactionnelle a été effectuée, montrant la tolérance et les limitations de notre système catalytique : les hétéroatomes ne posent pas de problèmes hormis l’atome d’azote, qui doit être protégé afin de garantir la transformation. En outre, nous avons constaté que les liens C-H aliphatiques secondaires sont moins réactifs que les liens tertiaires. Après avoir tenté de développer des conditions réactionnelles spécifiques aux liens C-H non activés, nous avons montré la possibilité d’aminer des liens C-H propargyliques de manière chimiosélective ; la triple liaison C-C peut ensuite être dérivatisée efficacement, donnant accès à la formule saturée correspondante ainsi qu’à d’autres motifs. Dans un désir de substituer les complexes de rhodium par d’autres complexes de métaux plus abondants et moins dispendieux, nous nous sommes tournés, dans un premier temps, vers les complexes de fer et par la suite, vers les pinceurs de nickel. Les phtalocyanines de fer ont été identifiées comme étant de bons catalyseurs de l’amination intramoléculaire de N-mésyloxycarbamates. Le chlorure de phtalocyanine de fer (III), en présence d’un sel de AgBF4 et de K2CO3, dans le 1,1,2,2-tétrachloroéthane anhydre, permet l’obtention de la 4-phenyloxazolidin-2-one avec 63% de rendement. En outre, il est possible d’atteindre un rendement de 49% à partir du même substrat N-mésyloxycarbamate, par catalyse avec un pinceur de nickel de type POCN, en présence d’un sel de mésylate. Des indices sur le mécanisme des ces deux transformations ont pu être recueillis lors de la courte étude de ces systèmes.

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.

Réaction d’amination intramoléculaire de liens C-H à partir de N-mésyloxycarbamates catalysée par des complexes de rhodium et d’autres métaux de transition : s ynthèse verte d’oxazolidinones

La réaction d’amination de liens C-H, impliquant la transformation directe d’un lien C-H en lien C-N constitue une approche synthétique d’avenir pour la préparation de composés azotés. L’application de cette stratégie de manière intramoléculaire apparaît comme une approche puissante pour la synthèse de composés hétérocycliques. En particulier, les oxazolidinones, carbamates cycliques à cinq chaînons, constituant une nouvelle classe d’antibiotiques très prometteuse, pourraient être synthétisées par cette méthode. Il y a moins d’une dizaine d’années, notre groupe de recherche a travaillé sur le développement de méthodologies utilisant des espèces nitrènes métalliques pour l’amination intra et intermoléculaire. Les N-tosyloxycarbamates, en présence d’une base et d’un catalyseur dimère de rhodium (II) tétracarboxylate sont les précurseurs de ces espèces nitrènes métalliques, capables de faire l’insertion de liens C(sp3)-H. Dans ces travaux de thèse, nous avons travaillé sur le développement d’une méthode plus « verte » d’amination intramoléculaire. Les N-mésyloxycarbamates, plus légers que leurs homologues N-tosyloxycarbamates, ont été identifiés comme d’excellents précurseurs de nitrènes. La méthodologie développée ne nécessite que 3 mol % de dimère de rhodium Rh2(tpa)4 et de 1,5 équivalents de solution aqueuse saturée de K2CO3, le tout dans l’acétate d’éthyle et donne de bons rendements de cyclisation. Une étude de l’étendue réactionnelle a été effectuée, montrant la tolérance et les limitations de notre système catalytique : les hétéroatomes ne posent pas de problèmes hormis l’atome d’azote, qui doit être protégé afin de garantir la transformation. En outre, nous avons constaté que les liens C-H aliphatiques secondaires sont moins réactifs que les liens tertiaires. Après avoir tenté de développer des conditions réactionnelles spécifiques aux liens C-H non activés, nous avons montré la possibilité d’aminer des liens C-H propargyliques de manière chimiosélective ; la triple liaison C-C peut ensuite être dérivatisée efficacement, donnant accès à la formule saturée correspondante ainsi qu’à d’autres motifs. Dans un désir de substituer les complexes de rhodium par d’autres complexes de métaux plus abondants et moins dispendieux, nous nous sommes tournés, dans un premier temps, vers les complexes de fer et par la suite, vers les pinceurs de nickel. Les phtalocyanines de fer ont été identifiées comme étant de bons catalyseurs de l’amination intramoléculaire de N-mésyloxycarbamates. Le chlorure de phtalocyanine de fer (III), en présence d’un sel de AgBF4 et de K2CO3, dans le 1,1,2,2-tétrachloroéthane anhydre, permet l’obtention de la 4-phenyloxazolidin-2-one avec 63% de rendement. En outre, il est possible d’atteindre un rendement de 49% à partir du même substrat N-mésyloxycarbamate, par catalyse avec un pinceur de nickel de type POCN, en présence d’un sel de mésylate. Des indices sur le mécanisme des ces deux transformations ont pu être recueillis lors de la courte étude de ces systèmes.

(Table 2) Trace metal concentrations in ODP Hole 169-1033B

We measured the concentrations of redox-sensitive trace metals (Mn, V, Mo, U, Cd and Re) in sediments from ODP Leg 169S Hole 1033B in Saanich Inlet, British Columbia, to determine changes in redox conditions associated with the onset of laminated sediments at ~12.5 kyr. The most striking result is a large peak in authigenic Re along with detrital levels of Mo at the glacial terrigenous clay-diatomaceous sediment transition. In contrast, the underlying glacial terrigenous clay, which extends throughout the bottom section of the core, is chemically similar to detrital concentrations, either Cowichan River particulates or average shale values. These data suggest a period of oxic bottom waters but reducing pore-waters. This could be due to the dramatic transformation of Saanich Inlet during the late deglaciation from an open bay to an inlet, which restricted circulation and slowed bottom water oxygen renewal. A peak and gradual increase in authigenic Mn in younger sediments subsequent to the Re peak suggests that increasingly oxic conditions followed the authigenic enrichment in Re. These conditions could be connected to the Younger Dryas cooling period, which was coincident with an increase in well oxygenated upwelled waters on the west coast of North America that form the bottom waters of Saanich Inlet. Metal concentrations in a gray clay bed (~11 kyr) are similar to their concentrations in the glacial terrigenous clay, implying that they have a common source. Authigenic enrichments of Re with little authigenic Mo and Cd suggest that before the deposition of this bed, bottom waters were oxic and pore-water oxygen was consumed in the top centimeter or less. Laminations above the clay layer suggest anoxic conditions, which are also indicated by higher authigenic Mo and Cd and slightly lower Re/Mo ratios in these sediments. The basin remained mostly anoxic after the gray clay was emplaced, as seen by continuous authigenic enrichment of the redox-sensitive trace metals. These results are consistent with increased stratification of the water column, brought about by an influx of fresh water to the basin by a large flood.

Total organic carbon, metal concentrations and metal and aluminium ratios in bulk sediment from the ODP sample 169-1033B-4H-4,54-74

Holocene laminated sediments in Saanich Inlet, British Columbia, are interrupted by frequent, non-laminated, massive layers. These layers may be debris flows released by earthquakes or bioturbated sediments deposited during periods of relatively high bottom water oxygen concentration and/or low surface productivity, or both. We determined the organic carbon content and the concentration of a suite of redox-sensitive metals in bulk sediments at approximately 1-cm resolution across a laminated-massive-laminated interval (ODP Leg 169S Sample 1033B-4H-4,54-74), to determine the redox conditions under which the massive layer was deposited. Our results indicate that this massive interval was deposited under anoxic bottom waters. Manganese/Al ratios are consistently low throughout the massive section, while Mo/Al, Cd/Al, Re/Al, and U/Al ratios are enriched relative to their metal/Al ratios in detrital material (represented by Cowichan River suspended sediments). The concentration of organic carbon in the lower portion of the massive layer is higher than in the upper portion, which has a concentration similar to that in the overlying and underlying laminated sediments. Well-defined peaks in Mo/Al, Cd/Al, and Re/Al and a broad peak in U/Al occur in the lower portion of the massive layer. The positions of the Cd/Al, Re/Al, and Mo/Al peaks, as well as the increase in organic carbon content with depth in the massive layer, are best explained by a process of diagenetic redistribution of metals that occurred after the massive layer was emplaced.

Effects of carbon nanotubes and metal catalysts on hydrogen storage in magnesium nanocomposites

This paper reports a study on nanostructured magnesium composites with carbon nanotubes (CNTs) and catalytic transition metals with high H-2 adsorption capacity and fast adsorption kinetics at reduced hydrogenation temperatures. Nanostructures in such a composite are shown to be responsible for improvements in both adsorption capacity and kinetics. It is found that the carbon nanotubes significantly increase the hydrogen storage capacity, and the catalytic transition metals (Fe and Ti) greatly improve the kinetics. This could be understood from the enhancement of diffusion by CNTs and decrease in energy barrier of hydrogen dissociation at the magnesium surface.

The role of oxidation in the protection of sliding metal surfaces

This study is concerned with the mechanisms of growth and wear of protective oxide films formed under various tribological conditions. In the study three different tribological systems are examined in each of which oxidational wear is the dominant equilibrium mode. These are an unlubricated steel on steel system sliding at low and elevated temperatures, a boundary lubricated aluminium bronze on steel system and an unlubricated reciprocating sliding 9% Cr steel system operated at elevated temperature, in an atmosphere of carbon dioxide. The results of mechanical measurements of wear and friction are presented for a range of conditions of load, speed and temper.ature for the systems, together with the results of extensive examinations of the surfaces and sub­ surfaces by various physical methods of analysis. The major part of the thesis, however, is devoted to the development and application of surface models and theoretical quantative expressions in order to explain the observed oxidational wear phenomena. In this work, the mechanisms of formation of load bearing ox ide plateaux are described and are found to be dependent on system geometry and environment. The relative importance of ''in contact" and "out of contact" oxidation is identified together with growth rate constants appropriate to the two situations. Hypotheses are presented to explain the mechanisms of removal of plateaux to form wear debris. The latter hypotheses include the effects of cyclic stressing and dislocation accumulation, together with effects associated with the kinetics of growth and physical properties of the various oxides. The proposed surf ace mode1s have led to the develop­ ment of quantitative expressions for contact temperature, unlubricated wear rates, boundary lubricated wear rates and the wear of rna ter ial during the transition from severe to mild wear. In general theoretical predictions from these expressions are in very good agreement with experimental values.

Observation of a 331 K (58 °C) spin transition for bis[hydrotris(1,2,4-triazol-1-yl)borate]iron(II) by variable temperature infrared spectroscopy and magnetic susceptibility measurements

Fe{HB(CHN)} is observed by variable temperature infrared and magnetic studies to have a spin transition between the low spin S = 0 and high spin S = 2 states at 331 K (58 °C) with thermal hysteresis of ~1.5 K. Changes in the triazole ligand IR absorptions demonstrate that distant non-metal-ligand vibrations are altered upon the change in electronic structure associated with the spin-crossover can be used to monitor the the spin-crossover transition.

Structural Characterization of Metal Hydrides for Energy Applications

Hydrogen can be an unlimited source of clean energy for future because of its very high energy density compared to the conventional fuels like gasoline. An efficient and safer way of storing hydrogen is in metals and alloys as hydrides. Light metal hydrides, alanates and borohydrides have very good hydrogen storage capacity, but high operation temperatures hinder their application. Improvement of thermodynamic properties of these hydrides is important for their commercial use as a source of energy. Application of pressure on materials can have influence on their properties favoring hydrogen storage. Hydrogen desorption in many complex hydrides occurs above the transition temperature. Therefore, it is important to study the physical properties of the hydride compounds at ambient and high pressure and/or high temperature conditions, which can assist in the design of suitable storage materials with desired thermodynamic properties. ^ The high pressure-temperature phase diagram, thermal expansion and compressibility have only been evaluated for a limited number of hydrides so far. This situation serves as a main motivation for studying such properties of a number of technologically important hydrides. Focus of this dissertation was on X-ray diffraction and Raman spectroscopy studies of Mg2FeH6, Ca(BH4) 2, Mg(BH4)2, NaBH4, NaAlH4, LiAlH4, LiNH2BH3 and mixture of MgH 2 with AlH3 or Si, at different conditions of pressure and temperature, to obtain their bulk modulus and thermal expansion coefficient. These data are potential source of information regarding inter-atomic forces and also serve as a basis for developing theoretical models. Some high pressure phases were identified for the complex hydrides in this study which may have better hydrogen storage properties than the ambient phase. The results showed that the highly compressible B-H or Al-H bonds and the associated bond disordering under pressure is responsible for phase transitions observed in brorohydrides or alanates. Complex hydrides exhibited very high compressibility suggesting possibility to destabilize them with pressure. With high capacity and favorable thermodynamics, complex hydrides are suitable for reversible storage. Further studies are required to overcome the kinetic barriers in complex hydrides by catalytic addition. A comparative study of the hydride properties with that of the constituting metal, and their inter relationships were carried out with many interesting features.^

Layered graphitic carbon host formation during liquid-free solid state growth of metal pyrophosphates

We report a successful ligand- and liquid-free solid state route to form metal pyrophosphates within a layered graphitic carbon matrix through a single step approach involving pyrolysis of previously synthesized organometallic derivatives of a cyclotriphosphazene. In this case, we show how single crystal Mn2P2O7 can be formed on either the micro- or the nanoscale in the complete absence of solvents or solutions by an efficient combustion process using rationally designed macromolecular trimer precursors, and present evidence and a mechanism for layered graphite host formation. Using in situ Raman spectroscopy, infrared spectroscopy, X-ray diffraction, high resolution electron microscopy, thermogravimetric and differential scanning calorimetric analysis, and near-edge X-ray absorption fine structure examination, we monitor the formation process of a layered, graphitic carbon in the matrix. The identification of thermally and electrically conductive graphitic carbon host formation is important for the further development of this general ligand-free synthetic approach for inorganic nanocrystal growth in the solid state, and can be extended to form a range of transition metals pyrophosphates. For important energy storage applications, the method gives the ability to form oxide and (pyro)phosphates within a conductive, intercalation possible, graphitic carbon as host–guest composites directly on substrates for high rate Li-ion battery and emerging alternative positive electrode materials

Synthèse de sulfilimines et de sulfoximines catalysée par les métaux de transition

Les sulfilimines et les sulfoximines sont des motifs structuraux dont l’intérêt synthétique est grandissant, notamment du fait de leurs applications en chimie médicinale et en agrochimie. Les travaux rapportés dans cet ouvrage décrivent le développement de nouvelles méthodes de synthèse efficaces pour la production de ces unités atypiques. Ces méthodes sont basées sur la réactivité d’une source d’azote électrophile, vis-à-vis de thioéthers et de sulfoxydes. L’utilisation d’un complexe métallique introduit en quantité catalytique a permis de favoriser le processus réactionnel. En tirant bénéfice de l’expertise de notre groupe de recherche sur le développement de réactions d’amination stéréosélectives de liaisons C-H et d’aziridination de styrènes, nous avons d’abord étudié la réactivité des N-mésyloxycarbamates comme source d’azote électrophile. Après avoir optimisé sa synthèse sur grande échelle, ce réactif chiral a été utilisé dans des réactions d’amination de thioéthers et de sulfoxydes, catalysées par un dimère de rhodium (II) chiral. Un processus diastéréosélectif efficace a été mis au point, permettant de produire des sulfilimines et des sulfoximines chirales avec d’excellents rendements et sélectivités. Au cours de l’optimisation de cette méthode de synthèse, nous avons pu constater l’effet déterminant de certains additifs sur la réactivité et la sélectivité de la réaction. Une étude mécanistique a été entreprise afin de comprendre leur mode d’action. Il a été observé qu’une base de Lewis telle que le 4-diméthylaminopyridine (DMAP) pouvait se coordiner au dimère de rhodium(II) et modifier ses propriétés structurales et redox. Les résultats que nous avons obtenus suggèrent que l’espèce catalytique active est un dimère de rhodium de valence mixte Rh(II)/Rh(III). Nous avons également découvert que l’incorporation de sels de bispyridinium avait une influence cruciale sur la diastéréosélectivité de la réaction. D’autres expériences sur la nature du groupe partant du réactif N-sulfonyloxycarbamate nous ont permis de postuler qu’une espèce nitrénoïde de rhodium était l’intermédiaire clé du processus d’amination. De plus, l’exploitation des techniques de chimie en débit continu nous a permis de développer une méthode d’amination de thioéthers et de sulfoxydes très performante, en utilisant les azotures comme source d’azote électrophile. Basée sur la décompositon photochimique d’azotures en présence d’un complexe de fer (III) simple et commercialement disponible, nous avons été en mesure de produire des sulfilimines et des sulfoximines avec d’excellents rendements. Le temps de résidence du procédé d’amination a pu être sensiblement réduit par la conception d’un nouveau type de réacteur photochimique capillaire. Ces améliorations techniques ont permis de rendre la synthèse plus productive, ce qui constitue un élément important d’un point de vue industriel.

Coordination of phosphido-boratabenzene ligands to transition metals

Environ 90% des composés produits industriellement sont fabriqués à l’aide de catalyseurs. C’est pourquoi la conception de catalyseurs toujours plus performants pour améliorer les procédés industriels actuels est toujours d’intérêt. De la grande variété de complexes avec des métaux de transition rapportés jusqu’à présent, les complexes zwitterioniques attirent notre attention par leurs activités catalytiques souvent supérieures aux complexes cationiques normaux. Un complexe métallique zwitterionique est un fragment métal-ligand neutre où la charge positive est située sur le centre métallique et où la charge négative est délocalisée sur un des ligands liés au métal. Nous proposons la synthèse de ligands anioniques phosphine comportant des groupements borates et boratabenzènes. Cette dernière espèce est un cycle à 6 membres où l’un des atomes de carbone est remplacé par un atome de bore et qui est négativement chargé. La capacité de ces phosphines anioniques à se lier à un centre métallique à l’aide de la paire libre du phosphore est due à la nature du lien P-B qui défavorise l’interaction entre la paire libre du phosphore et l’orbitale p vide du bore. Les propriétés de di-tert-butylphosphido-boratabenzène (DTBB) comme ligand phosphine anionique hautement donneur et encombré ainsi que la découverte de ses modes de coordination inhabituels pour stabiliser les métaux de transition insaturés ont été étudiés au cours de ce travail. De nouvelles perspectives sur les modes de coordination de phosphido-boratabenzène et la force de l’interaction du lien P-B seront discutées ainsi que les applications catalytiques. Nous avons d’abord étudié la coordination η1 avec des complexes de fer, ce qui nous a fourni des données quantitatives précieuses sur la capacité du DTBB d’agir comme ligand très donneur par rapport aux autres ligands donneurs bien connus. La capacité du DTBB à changer de mode de coordination pour soutenir les besoins électroniques du métal a été démontrée par la découverte d’une nouvelle espèce ferrocenyl phosphido-boratabenzène et sa nucléophilie a été étudiée. Au meilleur de notre connaissance, aucun exemple d’un ligand boratabenzène coordonné aux métaux du groupe 11 n’existe dans la littérature. Voilà pourquoi nous avons décidé d’explorer les modes de coordination du ligand DTBB avec Cu(I), Ag(I) et Au(I). A notre grande surprise, le ligand DTBB est capable de stabiliser les métaux du groupe 11 aux états d’oxydation faibles par une liaison MP qui est une coordination du type η1, un mode de coordination guère observé pour les ligands boratabenzène. Pendant nos travaux, notre attention s’est tournée vers la synthèse d’un complexe de rhodium(I) afin de tester son utilité en catalyse. A notre grande satisfaction, le complexe Rh-DTBB agit comme un précatalyseur pour l’hydrogénation des alcènes et alcynes à la température ambiante et à pression atmosphérique et son activité est comparable à celle du catalyseur de Wilkinson. Dans un désir d’élargir les applications de notre recherche, notre attention se tourna vers l’utilisation des composés du bore autres que le boratabenzène. Nous avons décidé de synthétiser une nouvelle espèce phosphido-borate encombrée. Lorsqu’elle réagit avec des métaux, l’espèce phosphido-borate subit un clivage de la liaison P-B. Toutefois, cette observation met en évidence la singularité et les avantages de la stabilité de la liaison P-B lors de l’utilisation du fragment boratabenzène. Ces observations enrichissent notre compréhension des conditions dans lesquelles la liaison P-B du ligand DTBB peut être clivée. Ces travaux ont mené à la découverte d’un nouveau ligand ansa-boratabenzène avec une chimie de coordination prometteuse.