Synthèse et utilisation de composés à motif gem-diiodé

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Nucleophilic ring-opening of Methyl 1- Nitrocyclopropanecarboxylates

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

Synthèse stéréosélective de dérivés cyclopropaniques di-accepteurs par catalyse avec des complexes de rhodium(II)

Les dérivés cyclopropaniques di-accepteurs représentent des intermédiaires synthétiques précieux dans l’élaboration de structures moléculaires complexes, ayant des applications dans plusieurs domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse de ces unités sous forme énantioenrichie en utilisant la cyclopropanation d’alcènes par catalyse avec des complexes de Rh(II) utilisant des composés diazoïques di-accepteurs comme substrats. Suite au développement initial d’une méthode de cyclopropanation d’alcènes catalytique asymétrique utilisant des nitro diazocétones, de multiples études expérimentales quant au mécanisme de stéréoinduction dans ce type de réaction ont été effectuées. Nous avons alors pu identifier le groupement p-méthoxyphénylcétone du substrat et le catalyseur Rh2(S-TCPTTL)4 comme étant une combinaison clé pour l’atteinte de diastéréosélectivités et d’excès énantiomères élevés. Ceci a mené au développement de deux autres méthodes de cyclopropanation stéréosélectives distinctes, utilisant soit une cyano diazocétone ou un céto diazoester. Nous avons démontré l’utilité des dérivés cyclopropaniques énantioenrichis obtenus par ces trois méthodes dans une panoplie de manipulations synthétiques, dont l’addition nucléophile d’amines et de cuprates, la cycloaddition formelle avec un aldéhyde, et la synthèse de dérivés cyclopropaniques importants en chimie médicinale. Une étude structurelle approfondie des complexes de Rh(II) chiraux nous a permis de déterminer les facteurs responsables de leur pouvoir d’énantioinduction dans notre système réactionnel, ce qui a d’énormes implications dans d’autres méthodologies utilisant ces mêmes catalyseurs. Le dévoilement d’une conformation inattendue dite ‘All-up’, ainsi que de la présence d’interactions stabilisantes régissant la rigidité de cet arrangement se sont avérés cruciaux dans notre compréhension du mécanisme. Dans le cadre de cette investigation, nous avons développé une méthode générale pour la synthèse de complexes de Rh(II) hétéroleptiques, multipliant ainsi le nombre de catalyseurs accessibles dans l’élaboration éventuelle de nouvelles réactions stéréosélectives, et nous permettant d’effectuer une étude structurelle plus détaillée. De plus, nous avons développé une méthode particulièrement efficace pour la synthèse d’un autre type de dérivé cyclopropanique di-accepteur par catalyse avec des complexes de Rh(II), les cyano-cyclopropylphosphonates. Les produits de cette transformation sont obtenus avec des énantiosélectivités élevées, et sont des substrats intéressants pour des réactions tandem d’ouverture de cycle par addition nucléophile / oléfination de composés carbonylés. De plus, ces composés sont des précurseurs de molécules utiles en chimie médicinale tels que les acides aminocyclopropylphosphoniques.

Développement de nouveaux sels Binol-imidazoliums : de la catalyse asymétrique aux applications biologiques

Le 1,1'-bi-2-naphtol ou Binol, présentant une chiralité axiale, est un ligand très utilisé en catalyse asymétrique. Au cours des vingt dernières années, le Binol a servi de synthon à l’élaboration de très nombreux ligands permettant la catalyse asymétrique de tous types de réactions, allant de l’hydrogénation, à l’alkylation, en passant par diverses réactions péricycliques. Le grand intérêt pour ce ligand vient de sa versatilité et des nombreuses possibilités de fonctionnalisation qu’il offre, permettant d’altérer ses propriétés catalytiques à volonté, aussi bien en modifiant son caractère électronique, qu’en introduisant des facteurs stériques autour du site catalytique. Parallèlement aux développements de la catalyse par des dérivés de Binol, le domaine des liquides ioniques a connu un intérêt croissant ces dernières années. Les liquides ioniques, sels dont le point de fusion est inférieur à 100°C, cumulent de nombreuses qualités convoitées : faible pression de vapeur, stabilité thermique et chimique et fort pouvoir de solvatation. Dû à ces propriétés, les liquides ioniques ont principalement été étudiés dans l’optique de développer une gamme de solvants recyclables. Alors que les propriétés des liquides ioniques sont facilement modulables en fonction de l’anion et du cation choisi, le concept de liquide ionique à tâche spécifique va plus loin et propose d’introduire directement, sur le cation ou l’anion, un groupement conférant une propriété particulière. En suivant cette approche, plusieurs ligands ioniques ont été rapportés, par simple couplage d’un cation organique à un ligand déjà connu. Étonnamment, le Binol a fait l’objet de très peu de travaux pour l’élaboration de ligands ioniques. Dans cette thèse, nous proposons l’étude d’une famille de composés de type Binol-imidazolium dont les unités Binol et imidazolium sont séparées par un espaceur méthylène. Différents homologues ont été synthétisés en variant le nombre d’unités imidazolium et leur position sur le noyau Binol, la longueur de la chaîne alkyle portée par les unités imidazolium et la nature du contre-anion. Après une étude des propriétés thermiques de ces composés, l’utilisation des Binol-imidazoliums en tant que ligands dans une réaction asymétrique d’éthylation d’aldéhydes aromatique a été étudiée en milieu liquide ionique. La réaction a été conduite en solvant liquide ionique dans le but de recycler aussi bien le ligand Binol-imidazolium que le solvant, en fin de réaction. Cette étude nous a permis de démontrer que la sélectivité de ces ligands ioniques dépend grandement de leur structure. En effet, seuls les Binols fonctionnalisés en positions 6 et 6’ permettent une sélectivité de la réaction d’éthylation. Alors que les dérivés de Binol fonctionnalisés en positions 3 et 3’ ne permettent pas une catalyse énantiosélective, il a déjà été rapporté que ces composés avaient la capacité de complexer des anions. D’autre part, il a déjà été rapporté par notre groupe, que les composés comportant des unités imidazolium pouvaient permettre le transport d’anions à travers des bicouches lipidiques en fonction de leur amphiphilie. Ceci nous a amenés à la deuxième partie de cette thèse qui porte sur les propriétés ionophores des Binols fonctionnalisés en positions 3 et 3’ par des unités imidazoliums. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude de la relation structure-activité et au mécanisme de transport de ces composés. Le transport d’anions étant un processus clé dans la biologie cellulaire, l’activité biologique des composés présentant une activité ionophore dans des systèmes modèles (liposomes) a été étudiée par la suite. L’activité antibactérienne des nos composés a été testée sur quatre souches de bactéries. Il s’est avéré que les composés Binol-imidazolium sont actifs uniquement sur les bactéries Gram positives. Finalement, la cytotoxicité des composés présentant une activité antibactérienne a été étudiée sur des cellules humaines.

From 3,3,4,4-Tetraethoxybut-1-yne to furan derivatives

The starting material for this project was the highly functionalized compound 3,3,4,4- tetraethoxybut-1-yne (TEB) and it can be prepared from ethyl vinyl ether by a 4-steps synthesis. The third and the fourth step in TEB synthesis were sensitive to reaction conditions, so it was developed a strategy to try to optimize the third step and obtain TEB with higher yields. An approach, which tries to optimize also the fourth step, will be developed in further works. Several γ-hydroxy-α,β-unsaturated acetylenic ketones can be prepared from 3,3,4,4- tetraethoxybut-1-yne. TEB and γ-hydroxy-α,β-unsaturated acetylenic ketones have been previously synthesized in good yields using various reaction routes. In this work will be shown the synthesis of 1,1-diethoxy-5-hydroxyhex-3-yn-2-one, 1,1-diethoxy-5-hydroxyundec-3-yn-2-one and 1,1-diethoxy-5-hydroxydodec-3-yn-2-one, which will react with ethyl acetoacetate to give, respectively, ethyl 4-(3,3-diethoxy-2-oxopropyl)-2,5-dimethylfuran-3-carboxylate, ethyl 4-(3,3-diethoxy-2-oxopropyl)-5-hexyl-2-methylfuran-3-carboxylate and ethyl 4-(3,3-diethoxy-2-oxopropyl)- 5-heptyl-2-methylfuran-3-carboxylate furan derivatives. This thesis project was carried out during the year 2011, at the Department of Chemistry of the University of Bergen.

Stereoselective synthesis of 12,13-cyclopropyl-epothilone B and side-chain-modified variants

A general strategy has been devised for the stereoselective synthesis of 12,13-cyclopropyl-epothilone B and side-chain-modified variants thereof, which relies on late stage introduction of the heterocycle through Wittig olefination of ketone 14. Formation of the macrocycle was achieved through RCM-based ring closure and introduction of the cyclopropane moiety involved a highly selective Charette cyclopropanation of allylic alcohol 7.

Total synthesis of hypermodified epothilone analogs with potent in vitro antitumor activity

The convergent total synthesis of hypermodified epothilone analogs 1 and 2 has been achieved with the stereoselective cyclopropanation of allylic alcohol 17 and ring-closing olefin metathesis with diene 22 as the key steps. In spite of significant structural differences between these analogs and the natural epothilone scaffold, 1 and 2 are potent inducers of tubulin polymerization and inhibit the growth of human cancer cells in vitro with sub-nM IC50 values.

Synthesis of bicyclo-DNA nucleosides with additional functionalization in the carbocyclic ring

Two novel bicyclo nucleoside isomers carrying the base thymine in the furanose ring and an ester substituent in the carbocyclic ring were synthesized from a common bicyclic sugar precursor via a cyclopropanation/fragmentation pathway in nine steps. The relative configuration of the ester substituent in both isomers as well as the anomeric configuration in one nucleoside was determined by 1H-NMR difference NOE spectroscopy.

Chrysanthemyl diphosphate synthase: Isolation of the gene and characterization of the recombinant non-head-to-tail monoterpene synthase from Chrysanthemum cinerariaefolium

Chrysanthemyl diphosphate synthase (CPPase) catalyzes the condensation of two molecules of dimethylallyl diphosphate to produce chrysanthemyl diphosphate (CPP), a monoterpene with a non-head-to-tail or irregular c1′-2-3 linkage between isoprenoid units. Irregular monoterpenes are common in Chrysanthemum cinerariaefolium and related members of the Asteraceae family. In C. cinerariaefolium, CPP is an intermediate in the biosynthesis of the pyrethrin ester insecticides. CPPase was purified from immature chrysanthemum flowers, and the N terminus of the protein was sequenced. A C. cinerariaefolium λ cDNA library was screened by using degenerate oligonucleotide probes based on the amino acid sequence to identify a CPPase clone that encoded a 45-kDa preprotein. The first 50 aa of the ORF constitute a putative plastidial targeting sequence. Recombinant CPPase bearing an N-terminal polyhistidine affinity tag in place of the targeting sequence was purified to homogeneity from an overproducing Escherichia coli strain by Ni2+ chromatography. Incubation of recombinant CPPase with dimethylallyl diphosphate produced CPP. The diphosphate ester was hydrolyzed by alkaline phosphatase, and the resulting monoterpene alcohol was analyzed by GC/MS to confirm its structure. The amino acid sequence of CPPase aligns closely with that of the chain elongation prenyltransferase farnesyl diphosphate synthase rather than squalene synthase or phytoene synthase, which catalyze c1′-2-3 cyclopropanation reactions similar to the CPPase reaction.

Identification of a gene involved in the biosynthesis of cyclopropanated mycolic acids in Mycobacterium tuberculosis.

Mycolic acids represent a major constituent of the mycobacterial cell wall complex, which provides the first line of defense against potentially lethal environmental conditions. Slow-growing pathogenic mycobacteria such as Mycobacterium tuberculosis modify their mycolic acids by cyclopropanation, whereas fast-growing saprophytic species such as Mycobacterium smegmatis do not, suggesting that this modification may be associated with an increase in oxidative stress experienced by the slow-growing species. We have demonstrated the transformation of the distal cis double bond in the major mycolic acid of M. smegmatis to a cis-cyclopropane ring upon introduction of cosmid DNA from M. tuberculosis. This activity was localized to a single gene (cma1) encoding a protein that was 34% identical to the cyclopropane fatty acid synthase from Escherichia coli. Adjacent regions of the DNA sequence encode open reading frames that display homology to other fatty acid biosynthetic enzymes, indicating that some of the genes required for mycolic acid biosynthesis may be clustered in this region. M. smegmatis overexpressing the cma1 gene product significantly resist killing by hydrogen peroxide, suggesting that this modification may be an important adaptation of slow-growing mycobacteria to oxidative stress.

Concerning the proposed structure of (+)-laurobtusol: Spectral discrepancies with synthetic, racemic Stereoisomers

Laurobtusol, a minor metabolite from Laurencia obtusa, had been assigned constitution 1 and relative stereochemistry, 2. However, several stereoisomers of this novel, cyclopropane-containing system 1 have now been synthesized and spectral correspondence between the synthesized isomers and laurobtusol is lacking.

Catalyst and substrate effects in enantioselective C–H insertion reactions of α-diazosulfones

This thesis describes a systematic investigation of the mechanistic and synthetic aspects of intramolecular reactions of a series of α-diazo-β-oxo sulfone derivatives using copper and, to a lesser extent, rhodium catalysts. The key reaction pathways explored were C–H insertion and cyclopropanation, with hydride transfer competing in certain instances. Significantly, up to 98% ee has been achieved in the C–H insertion processes using copper-NaBARF-bisoxazoline catalysts, with the presence of the additive NaBARF critical to the efficiency of the transformations. This novel synthetic methodology provides access to a diverse range of enantioenriched heterocyclic compounds including thiopyrans, sulfolanes, β- and γ-lactams, in addition to carbocycles such as fused cyclopropanes. The synthesis of the α-diazosulfones required for subsequent investigations is initially described. Of the twenty seven diazo sulfones described, nineteen are novel and are fully characterised in this work. The discussion is subsequently focused on a study of the copper and rhodium catalysed reactions of the α-diazosulfones with Chapter Four concentrated on highly enantioselective C–H insertion to form thiopyrans and sufolanes, Chapter Five focused on C–H insertion to form fused sulfolanes, Chapter Six focused on C–H insertion in sulfonyl α-diazoamides where both lactam formation and / or thiopyran / sulfolane formation can result from competing C–H insertion pathways, while Chapter Seven focuses on cyclopropanation to yield fused cyclopropane derviatives. One of the key outcomes of this work is an insight into the steric and / or electronic factors on both the substrate and the catalyst which control regio-, diastereo- and enantioselectivity patterns in these synthetically powerful transformations. Full experimental details for the synthesis and spectral characterisation of the compounds are included at the end of each Chapter, with details of chiral stationary phase HPLC analysis and assignment of absolute stereochemistry included in the appendix.

Using Surface Spectroscopy to Help Interpret STM Images of Chemisorbed Molecules: Application to the Study of the Hydrogenation of Ketones and a-Ketoesters on Pt

Depuis que la haute énantiopureté est nécessaire dans l’industrie pharmaceutique, les études visant à découvrir les mécanismes pour l’hydrogénation énantiosélective de cétones ou céto-esters sur les surfaces, et à rechercher de nouveaux et plus performants catalyseurs asymétriques, sont d’une grande importance. La microscopie à effet tunnel (STM), la spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption, la spectroscopie de désorption à température programmée et la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X sont des méthodes performantes facilitant la compréhension des mécanismes de réaction. En plus de nous permettre de comprendre les mécanismes réactionnels, les études peuvent fournir des informations sur la dynamique des réactions en catalyse hétérogène ainsi que sur le développement de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) afin de calculer des interactions faibles dans les processus de surface. D’autres parts, les calculs DFT fournissent une aide essentielle à l’interprétation des données de STM et spectroscopie de surface. Dans cette thèse, certains cétones et céto-esters sur la surface de platine sont étudiées par les techniques sophistiquées mentionnées ci-dessus. Mes études démontrent que la combinaison de l’utilisation de la spectroscopie de routine, des nanotechnologies et de nombreux calculs élaborés, est une méthode efficace pour étudier les réactions à la surface car ces techniques explorent les différents aspects de la surface ainsi que s’entraident mutuellement lors de certaines interprétations.