Two enantiodivergent syntheses of balanol and the chemoenzymatic synthesis of oseltamivir

The present thesis outlines our latest findings on the reactivity of the Burgess reagent with oxiranes. Structural, mechanistic, and computational studies are presented. Included is the development of a (-)-menthyl version of the Burgess reagent and its application to the synthesis of enantiomerically pure ~-amino alcohols. This methodology has been exploited in the formal enantiodivergent synthesis of the (+)- and (-)-isomers of balanol. Also described is a second generation approach to both balanol enantiomers; each commencmg with the chemoenzymatic dihydroxylation of bromobenzene. This study also describes the steric and functional limitations of the toluene dioxygenase-mediated oxidation of benzoate esters. The metabolite derived from ethyl benzoate was employed in a formal synthesis of oseltamivir. Finally, several synthetic approaches to oseltamivir and its analogs are presented, each proceeding through a different vinyl aziridine derived from bromobenzene and ethyl benzoate.

Stereoselective synthesis of 5-substituted pyrrolo[1,2-c]imidazol-3-ones. Access to aldosterone synthase inhibitors and chiral precatalysts

Compounds containing the pyrrolidine moiety are key substructures of compounds with biological activity and organocatalysts. In particular, annulated chiral pyrrolidines with alpha stereogenic centers have aldostereone synthase inhibition activity. In addition, 5-substituted pyrroloimidazol(in)ium salts precursors to N-heterocyclic carbene (NHC) precatalysts are rare due to a lack of convenient synthetic routes to access them. In this thesis is described a rapid synthesis of NHC precursors and a possible route to 5-substituted pyrroloimidazole biologically active compounds. The method involves the preparation of chiral saturated and achiral unsaturated pyrrolo[I,2- c]imidazol-3-ones from N-Cbz-protected t-Butyl proline carboxamide. The resulting starting materials may be used to prepare the target chiral annulated imidazol(in)ium products by a two-step sequence involving first stereoselective lithiation-substitution, followed by POCh induced salt formation.

Spin labile conducting metallopolymers : a new architecture for hybrid multifunctional materials

The synthesis of 3-ethynylthienyl- (2.07), 3-ethynylterthienyl- (2.19) substituted qsal [qsalH = N-(8-quinolyl)salicylaldimine] and 3,3' -diethynyl-2,2' -bithienyl bridging bisqsal (5.06) ligands are described along with the preparation and characterization of eight cationic iron(III) complexes containing these ligands with a selection of counteranions [(2.07) with: SCN- (2.08), PF6- (2.09), and CI04- (2.10); (2.19) with PF6 - (2.20); (5.06) with: cr (5.07), SeN- (5.08), PF6- (5.09), and CI04- (5.10)]. Spin-crossover is observed in the solid state for (2.08) - (2.10) and (5.07) - (5.10), including a ve ry rare S = 5/2 to 3/2 spin-crossover in complex (2.09). The unusal reduction of complex (2.10) produces a high-spin iron(I1) complex (2.12). Six iron(II) complexes that are derived from thienyl analogues of bispicen [bispicen = bis(2-pyridylmethyl)-diamine] [2,5-thienyl substituents = H- (3.11), Phenyl- (3.12), 2- thienyl (3.13) or N-phenyl-2-pyridinalimine ligands [2,5-phenyl substituents = diphenyl (3.23), di(2-thienyl) (3.24), 4-phenyl substituent = 3-thienyl (3.25)] are reported Complexes (3.11), (3.23) and (3.25) display thermal spin-crossover in the solid state and (3.12) remains high-spin at all temperatures. Complex (3.13) rearranges to form an iron(II) complex (3.14) with temperature dependent magnetic properties be s t described as a one-dimensional ferromagnetic chain, with interchain antiferromagnetic interactions and/or ZFS dominant at low temperatures. Magnetic succeptibility and Mossbauer data for complex (3.24) display a temperature dependent mixture of spin isomers. The preparation and characterization of two cobalt(II) complexes containing 3- ethynylthienyl- (4.04) and 3-ethynylterhienyl- (4.06) substituted bipyridine ligands [(4.05): [Co(dbsqh(4.04)]; (4.07): [Co(dbsq)2(4.06)]] [dbsq = 3,5-dbsq=3,5-di-tert-butylI ,2-semiquinonate] are reported. Complexes (4.05) and (4.07) exhibit thermal valence tautomerism in the solid state and in solution. Self assembly of complex (2.10) into polymeric spheres (6.11) afforded the first spincrossover, polydisperse, micro- to nanoscale material of its kind. . Complexes (2.20), (3.24) and (4.07) also form polymers through electrochemical synthesis to produce hybrid metaUopolymer films (6.12), (6.15) and (6.16), respectively. The films have been characterized by EDX, FT-IR and UV-Vis spectroscopy. Variable-temperature magnetic susceptibility measurements demonstrate that spin lability is operative in the polymers and conductivity measurements confirm the electron transport properties. Polymer (6.15) has a persistent oxidized state that shows a significant decrease in electrical resistance.

Development of thermally stable versions of the Burgess Reagent : approaches to the chemoenzymatic total synthesis of morphine

The present studies describe our recent work on expanding the use of the Burgess reagent and its reaction with oxiranes. Several new variants of the Burgess reagent and its chiral auxiliary version were evaluated for their thermal stability by NMR spectroscopy. Three new versions of the reagent were synthesized and their stability was determined. The reactivity of all five Burgess reagents was compared in a dehydration reaction and reactions with epoxides and diols. Progress toward a chemoenzymatic synthesis of morphine is also included in this report. The synthesis began with the whole cell oxidation of bromobenzene by Escherichia coli JMI09(pDTG601). The preparation of several precursors for a key step involving the lohnson-Claisen rearrangement and progress toward the total synthesis are described.

Synthèse de motifs biarylés : fonctionnalisation directe catalysée par des métaux de transition d’espèces aromatiques non activées

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire.

Étude de la régulation de la nitrogénase chez Rhodobacter capsulatus dans la noirceur

L’atmosphère terrestre est très riche en azote (N2). Mais cet azote diatomique est sous une forme très stable, inutilisable par la majorité des êtres vivants malgré qu’il soit indispensable pour la synthèse de matériels organiques. Seuls les procaryotes diazotrophiques sont capables de vivre avec le N2 comme source d’azote. La fixation d’azote est un processus qui permet de produire des substances aminées à partir de l’azote gazeux présent dans l’atmosphère (78%). Cependant, ce processus est très complexe et nécessite la biosynthèse d’une vingtaine de protéines et la consommation de beaucoup d’énergie (16 molécules d’ATP par mole de N2 fixé). C’est la raison pour laquelle ce phénomène est rigoureusement régulé. Les bactéries photosynthétiques pourpres non-sulfureuses sont connues pour leur capacité de faire la fixation de l’azote. Les études faites à la lumière, dans le mode de croissance préféré de ces bactéries (photosynthèse anaérobie), ont montré que la nitrogénase (enzyme responsable de la fixation du diazote) est sujet d’une régulation à trois niveaux: une régulation transcriptionnelle de NifA (protéine activatrice de la transcription des gènes nif), une régulation post-traductionnelle de l’activité de NifA envers l’activation de la transcription des autres gènes nif, et la régulation post-traductionnelle de l’activité de la nitrogénase quand les cellules sont soumises à un choc d’ammoniaque. Le système de régulation déjà décrit fait intervenir essentiellement une protéine membranaire, AmtB, et les deux protéines PII, GlnB et GlnK. Il est connu depuis long temps que la nitrogénase est aussi régulée quand une culture photosynthétique est exposée à la noirceur, mais jusqu’aujourd’hui, on ignore encore la nature des systèmes intervenants dans cette régulation. Ainsi, parmi les questions qui peuvent se poser: quelles sont les protéines qui interviennent dans l’inactivation de la nitrogénase lorsqu’une culture anaérobie est placée à la noirceur? Une analyse de plusieurs souches mutantes, amtB- , glnK- , glnB- et amtY- poussées dans différentes conditions de limitation en azote, serait une façon pour répondre à ces interrogations. Alors, avec le suivi de l’activité de la nitrogénase et le Western Blot, on a montré que le choc de noirceur provoquerait un "Switch-off" de l’activité de la nitrogénase dû à une ADP-ribosylation de la protéine Fe. On a réussit aussi à montrer que ii tout le système déjà impliqué dans la réponse à un choc d’ammoniaque, est également nécessaire pour une réponse à un manque de lumière ou d’énergie (les protéines AmtB, GlnK, GlnB, DraG, DraT et AmtY). Or, Rhodobacter capsulatus est capable de fixer l’azote et de croitre aussi bien dans la micro-aérobie à la noirceur que dans des conditions de photosynthèse anaérobies, mais jusqu'à maintenant sa régulation dans l’obscurité est peu étudiée. L’étude de la fixation d’azote à la noirceur nous a permis de montrer que le complexe membranaire Rnf n’est pas nécessaire à la croissance de R. capsulatus dans de telles conditions. Dans le but de développer une façon d’étudier la régulation de la croissance dans ce mode, on a tout d’abord essayé d’identifier les conditions opératoires (O2, [NH4 + ]) permettant à R. capsulatus de fixer l’azote en microaérobie. L’optimisation de cette croissance a montré que la concentration optimale d’oxygène nécessaire est de 10% mélangé avec de l’azote.

Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Analyse de l'effet de la contamination du sol sur la croissance et la physiologie de 11 cultivars de Salix

Mon mémoire de maîtrise a été réalisé dans le cadre du projet Génorem (www.genorem.ca), un projet multidisciplinaire qui réunit différents chercheurs de l'Université de Montréal et de l'Université McGill dans le but d'améliorer les techniques utilisées en bioremédiation. Dans le cadre de l'étude, des saules à croissance rapide (Salix sp.) ont été utilisés comme plantes modèles dans l'étude. Ainsi, 11 cultivars de saule ont été suivis afin de déterminer leur potentiel à produire un bon rendement de biomasse, à tolérer des conditions de stress sévère causé par la présence de HAPs (hydrocarbures aromatiques polycycliques) , BPCs (biphényles polychlorés) et d'hydrocarbures pétroliers C10-C50. L'expérimentation consistait en une plantation de saule à forte densité qui a été mise en place en 2011 sur le site d'une ancienne industrie de pétrochimie à Varennes, dans le sud du Québec. Les boutures des génotypes sélectionnés ont été plantées sur une superficie d'environ 5000 m2. Les plantes ont été suivies pendant les deux saisons de croissance suivant le recépage et une série de paramètres de croissance et de mesures physiologiques ont été récoltés (surface foliaire, taux de chlorophylle, conductance stomatique et statut nutritionnel) dans le but d'évaluer et de comparer les performances de chaque génotype sur un sol pollué. Les analyses statistiques ont démontré que le cultivar S. miyabeana (SX61) était le meilleur producteur de biomasse sur le site contaminé, tandis que S. nigra (S05) et S. acutifolia (S54) présentaient la meilleure capacité photosynthétique. S. dasyclados (SV1), S. purpurea (‘Fish Creek’) et S. caprea (S365) ont semblé particulièrement affectés par la présence de contaminants. La capacité d'établissement et la croissance de S. nigra (S05), S. eriocephala (S25) and S. purpurea x S. miyabeana (‘Millbrook’) indiquent une tolérance globale supérieure à la pollution . Cette analyse comparative des différentes réponses physiologiques des saules cultivés sur un sol contaminé pourra guider le processus de sélection de plantes et les techniques de bioremédiation dans les futurs projets de phytoremédiation.

Modelling of Geochemical Processes in Mangrove Ecosystem

The mangrove ecosystem is one of the earth’s most endangered ecosystems. In this study, geochemical features of three mangrove ecosystems, Mangalavanam, Vypeen and Nettoor were compared. Water, sediment and core samples were collected from these stations for a period of one year. Nutrients, organic compounds orgnic carbon and hydrographical parameters of the samples were estimated. The present study revealed higher concentration of carbon in the surface sediments. The major temporary or ultimate sink for various pollutants in estuaries is the sedimentary reservoir, including intertidal areas. In the present study, higher values for dissolved nutrients, POC and carbohydrates were observed during low tide.

Studies on Magnetic Iron Oxide Loaded Activated Carbon

The current water treatment technology is oriented towards the removal of contaminants, mostly organic compounds, by activated carbon. Activated carbons are classified as Granular Activated Carbons (GAC) and Powdered Activated Carbons (PAC) on the basis of the particle size of the carbon granules. Powdered carbons are generally less expensive than granular carbon, operating costs with powdered carbon could be lower. Though powdered activated carbon has many advantages over granular carbon, its application in large-scale separation process is limited by difficulty in recovery and regeneration. Deposition of magnetic iron oxide on carbon particles provides a convenient way of recovering the spent carbon from process water. The study deals with the preparation and physico-chemical characterization of magnetic iron oxide loaded activated carbons. The evaluation of absorption properties of magnetic iron oxide loaded activated carbon composites. The target molecules studied were phenol, p-nitro phenol and methylene blue. The feasibility of magnetic separation of iron oxide loaded activated carbons were studied and described in this thesis.

Two new fluorescent heterocyclic perimidines: first syntheses, crystal structure and spectral characterization

An efficient one-pot synthesis of two new heterocyclic perimidines 4-(2,3-dihydro-1H-perimidin-2-yl)-2-methoxyphenol and 2-(quinoxalin-2-yl)-2,3-dihydro-1H-perimidine in good yields is presented. This methodology provides a simple, straightforward synthetic route to these interesting classes of heterocycles. Crystal structure, solvatochromism and antibacterial activity of these organic compounds are discussed.

Studies on some supported transition metal complex and metal oxide catalysts for oxidation reactions

Zeolite encapsulated transition metal complexes have received wide attention as an effective heterogenized system that combines the tremendous activity of the metal complexes and the attractive features of the zeolite structure. Zeolite encapsulated complexes offer a bright future for attempts to replace homogeneous systems retaining its catalytic activity and minimizing the technical problems. especially for the partial oxidation of organic compounds. Studies on some zeolite encapsulated transition metal complexes are presented in this thesis. The ligands selected are technically important in a bio-mimetic or structural perspective. Attempts have been made in this study to investigate the composition, structure and stability of encapsulated complexes using available techniques. The catalytic activity of encapsulated complexes was evaluated for the oxidation of some organic compounds. The recycling ability of the catalyst as a result of the encapsulation was also studied.Our studies on Cu-Cr/Al2O3, a typical metal oxide catalyst. illustrate the use of design techniques to modify the properties of such conventional catalysts. The catalytic activity of this catalyst for the oxidation of carbon monoxide was measured. The effect of additives like Ce02 or Ti02 on the activity and stability of this system was also investigated. The additive is potent to improve the activity and stability ofthe catalyst so as to be more effective in commercial usage.

Characterisation and Distribution of Amino Acids in the Mangrove Sediments of Kochi

Mangrove swamps are unique inter-tidal wetland ecosystems found in sheltered tropical and subtropical shores.Mangrove sediments can be considered as large reservoirs of amino acids,which exist in several different forms,like free amino acids in the sediment micropores,as amino acids,peptides or proteins bound to clay minerals or as amino acids,peptides or proteins bound to humic colloids.Inorder to assess survival conditions of organisms of mangroves,it is important to understand stability of amino acids in the sediments.The amounts of amino acids present in sediment represent a balance between its synthesis and destruction by microorganisms.Thus amino acid analysis offers more insight into the processes of diagenesis,which changes the nature and characteristics of organic matter deposition and decomposition.

Fabrication of Electrochemical Sensors for the Determination of Pharmaceuticals

Voltammetric sensors are an important class of electrochemical sensors in which the analytical information is obtained from the measurement of current obtained as a result of electrochemical oxidation/reduction.This current is proportional to the concentration of the analyte.Chemically modified electrodes(CMEs) have great significance as important analytical tools for the electrochemical determination of pharmaceuticals.The modification of electrode results in efficient determination of electro-active biomolecules at very lower potential without its major interferences.The operation mechanism of CMEs depends on the properties of the modifier materials that are used to promote selectivity towards the target analytes.Modified electrodes can be prepared by deposition of various compounds such as organic compounds ,conducting polymers,metal oxides,etc. on the various electrode surfaces.The thesis presents the development ,electrochemical characterization and analytical application studies of eight voltammetric sensors developed for six drugs viz.,Ambroxol,Sulfamethoxazole,PAM Chloride, Lamivudine,Metronidazole and Nimesulide.The modification techniques adopted as part of the present work include Multiwalled Carbon Nanotube(MWCNT) based modification.Electropolymerisation and Gold Nanoparticle (AuNP) based modifications.