New strategies for the total synthesis of aza-propellane natural products

The propellane alkaloids comprise a large class of natural products that possess varying degrees of structural complexity and biological activity. The earliest of these to be isolated was acutumine, a chlorinated alkaloid that has been shown to exhibit selective T-cell cytotoxicity and antiamnesic properties. Alternatively, the hasubanan family of natural products has garnered considerable attention from the synthetic community in part due to its structural similarities to morphine. While these alkaloids have been the subject of numerous synthetic studies over the last forty years, very few enantioselective total syntheses have been reported to date.

As part of a research program directed towards the synthesis of various alkaloid natural products, we have developed a unified strategy for the preparation of the hasubanan and acutumine alkaloids. Specifically, a highly diastereoselective 1,2-addition of organometallic reagents to benzoquinone-derived tert-butanesulfinimines was established, which provides access to enantioenriched 4-aminocyclohexadienone products. This methodology enabled the enantioselective construction of functionalized dihydroindolones, which were found to undergo intramolecular Friedel-Crafts conjugate additions to furnish the propellane cores of several hasubanan alkaloids. As a result of these studies, the first enantioselective total syntheses of 8-demethoxyrunanine and cepharatines A, C, and D were accomplished in 9-11 steps from commercially available starting materials.

More recent efforts have focused on applying the sulfinimine methodology to the synthesis of a more structurally complex propellane alkaloid, acutumine. Extensive studies have determined that a properly functionalized dihydroindolone undergoes a photochemical [2+2] cycloaddition followed by a lactone fragmentation/Dieckmann cyclization to establish the carbocyclic framework of the natural product. The preparation of more appropriately oxidized propellane intermediates is currently under investigation, and is anticipated to facilitate our synthetic endeavors toward acutumine.

Complex behavior and perception in Drosophila emerges from iterative feedback-regulated reflexes

For a hungry fruit fly, locating and landing on a fermenting fruit where it can feed, find mates, and lay eggs, is an essential and difficult task requiring the integration of both olfactory and visual cues. Understanding how flies accomplish this will help provide a comprehensive ethological context for the expanding knowledge of their neural circuits involved in processing olfaction and vision, as well as inspire novel engineering solutions for control and estimation in computationally limited robotic applications. In this thesis, I use novel high throughput methods to develop a detailed overview of how flies track odor plumes, land, and regulate flight speed. Finally, I provide an example of how these insights can be applied to robotic applications to simplify complicated estimation problems. To localize an odor source, flies exhibit three iterative, reflex-driven behaviors. Upon encountering an attractive plume, flies increase their flight speed and turn upwind using visual cues. After losing the plume, flies begin zigzagging crosswind, again using visual cues to control their heading. After sensing an attractive odor, flies become more attracted to small visual features, which increases their chances of finding the plume source. Their changes in heading are largely controlled by open-loop maneuvers called saccades, which they direct towards and away from visual features. If a fly decides to land on an object, it begins to decelerate so as to maintain a stereotypical ratio of expansion to retinal size. Once they reach a stereotypical distance from the target, flies extend their legs in preparation for touchdown. Although it is unclear what cues they use to trigger this behavior, previous studies have indicated that it is likely under visual control. In Chapter 3, I use a nonlinear control theoretic analysis and robotic testbed to propose a novel and putative mechanism for how a fly might visually estimate distance by actively decelerating according to a visual control law. Throughout these behaviors, a common theme is the visual control of flight speed. Using genetic tools I show that the neuromodulator octopamine plays an important role in regulating flight speed, and propose a neural circuit for how this controller might be implemented in the flies brain. Two general biological and engineering principles are evident across my experiments: (1) complex behaviors, such as foraging, can emerge from the interactions of simple independent sensory-motor modules; (2) flies control their behavior in such a way that simplifies complex estimation problems.

Discounting the value of natural resources in costbenefit analysis: a case study for policy making

4 p.

A unified strategy to ent-kauranoid natural products : total syntheses of (–)-maoecrystal Z, (–)-trichorabdal A, and (–)-longikaurin E

The diterpenoid constituents of the Isodon plants have attracted reasearchers interested in both their chemical structures and biological properties for more than a half-century. In recent years, the isolations of new members displaying previously unprecedented ring systems and highly selective biological properties have piqued interest from the synthetic community in this class of natural products.

Reported herein is the first total synthesis of such a recently isolated diterpenoid, (–)-maoecrystal Z. The principal transformations implemented in this synthesis include two highly diastereoselective radical cyclization reactions: a Sm^(II)-mediated reductive cascade cyclization, which forms two rings and establishes four new stereocenters in a single step, and a Ti^(III)-mediated reductive epoxide-acrylate coupling that yields a functionalized spirolactone product, which forms a core bicycle of maoecrystal Z.

The preparation of two additional ent-kauranoid natural products, (–)-trichorabdal A and (–)-longikaurin E, is also described from a derivative of this key spirolactone. These syntheses are additionally enabled by the palladium-mediated oxidative cyclization reaction of a silyl ketene acetal precursor that is used to install the bridgehead all-carbon quaternary stereocenter and bicyclo[3.2.1]octane present in each natural product. These studies have established a synthetic relationship among three architecturally distinct ent-kaurane diterpenoids and have forged a path for the preparation of interesting unnatural ent-kauranoid structural analogs for more thorough biological study.

The development of an asymmetric palladium-catalyzed conjugate addition and its application toward the total syntheses of taiwaniaquinoid natural products

The asymmetric synthesis of quaternary stereocenters remains a challenging problem in organic synthesis. Past work from the Stoltz laboratory has resulted in methodology to install quaternary stereocenters α- or γ- to carbonyl compounds. Thus, the asymmetric synthesis of β-quaternary stereocenters was a desirable objective, and was accomplished by engineering the palladium-catalyzed addition of arylmetal organometallic reagents to α,β-unsaturated conjugate acceptors.

Herein, we described the rational design of a palladium-catalyzed conjugate addition reactions utilizing a catalyst derived from palladium(II) trifluoroacetate and pyridinooxazole ligands. This reaction is highly tolerant of protic solvents and oxygen atmosphere, making it a practical and operationally simple reaction. The mild conditions facilitate a remarkably high functional group tolerance, including carbonyls, halogens, and fluorinated functional groups. Furthermore, the reaction catalyzed conjugate additions with high enantioselectivity with conjugate acceptors of 5-, 6-, and 7-membered ring sizes. Extension of the methodology toward the asymmetric synthesis of flavanone products is presented, as well.

A computational and experimental investigation into the reaction mechanism provided a stereochemical model for enantioinduction, whereby the α-methylene protons adjacent the enone carbonyl clashes with the tert-butyl groups of the chiral ligand. Additionally, it was found that the addition of water and ammonium hexafluorophosphate significantly increases the reaction rate without sacrificing enantioselectivity. The synergistic effects of these additives allowed for the reaction to proceed at a lower temperature, and thus facilitated expansion of the substrate scope to sensitive functional groups such as protic amides and aryl bromides. Investigations into a scale-up synthesis of the chiral ligand (S)-tert-butylPyOx are also presented. This three-step synthetic route allowed for synthesis of the target compound of greater than 10 g scale.

Finally, the application of the newly developed conjugate addition reaction toward the synthesis of the taiwaniaquinoid class of terpenoid natural products is discussed. The conjugate addition reaction formed the key benzylic quaternary stereocenter in high enantioselectivity, joining together the majority of the carbons in the taiwaniaquinoid scaffold. Efforts toward the synthesis of the B-ring are presented.

The Equivalency Principle for Discounting the Value of Natural Assets: An Application to an Investment Project in the Basque Coast

25 p.

Weighting social preferences in participatory multi-criteria evaluations: a case study on sustainable natural resource management

28 p.

Contribuição para o planejamento brasileiro de exploração de petróleo e gás natural através da formulação de uma política nacional de uso sustentável das reservas de petróleo e gás natural

Petróleo e gás natural são recursos naturais não renováveis que possuem grande participação na matriz energética mundial e tendência de crescimento na matriz nacional, cujo marco regulatório limita-se a definir critérios técnicos e procedimentais sem incorporar o modelo de sustentabilidade instituído pela Constituição Federal de 1988. A natureza finita dos recursos não renováveis, como o petróleo e o gás natural, exige uma visão do planejamento de sua exploração de longo prazo na definição dos objetivos e metas. Essa perspectiva de longo prazo traduz uma das preocupações do desenvolvimento sustentável: a garantia de direitos para as futuras gerações. Assim, ao procurar fornecer elementos para a tradução do modelo de desenvolvimento sustentável no arcabouço institucional e legal da indústria petrolífera vigente no Brasil, o presente trabalho busca contribuir para o aprimoramento da regulação petrolífera nacional e a qualidade de vida das gerações presentes e futuras. E, mais do que propor a elaboração de um projeto de lei, como modalidade de implantação de uma política pública, queremos contribuir para o fortalecimento das práticas e ações governamentais voltadas para a aplicação do desenvolvimento sustentável, consoante apregoa a Constituição Federal brasileira. Trata-se aqui de demonstrar, através de metodologia quali-quantitativa, a tese de que é possível incorporar o princípio constitucional de desenvolvimento sustentável na atividade de exploração e produção de petróleo e gás natural, formulando uma política pública que incorpore, no regime de propriedade do petróleo, a variável ambiental e o uso intergeracional que já haviam sido e continuam sendo aplicados a algumas fontes renováveis de energia. Inicialmente, identificamos a composição da matriz energética brasileira desde a inserção do petróleo como uma questão de Estado a partir dos anos 50 do século XX. Em seguida, analisamos a concepção legal e doutrinária para propor, então, a conceituação de um modelo de desenvolvimento energético sustentável, estruturante para a proposição de uma política nacional para a indústria petrolífera. Com base nessa conceituação, analisamos o marco regulatório e os procedimentos institucionais praticados atualmente para identificar as lacunas existentes no ordenamento a serem supridas pela política nacional proposta. A partir da análise dos contextos legal e institucional, e das políticas energética e ambiental, propomos a tradução de conceitos, objetivos, princípios e instrumentos num projeto de lei de Política Nacional de Uso Sustentável das Reservas de Petróleo e Gás Natural. Concluímos tecendo considerações gerais e específicas sobre a proposição aqui formulada com vistas ao aprimoramento do modelo nacional de gestão de recursos energéticos e ao fomento das discussões voltadas para a sustentabilidade das políticas públicas e as práticas privadas enraizadas na exploração irracional de recursos não renováveis

Cogeneración con gas natural en una empresa de tratamientos térmicos

[ES]Diseño de una instalación de cogeneración basada en un motor de combustible gas natural para una empresa de tratamientos térmicos y superficiales. Para satisfacer las necesidades energéticas de la planta, la potencia eléctrica la suministrará un alternador conectado al motor y, a su vez, la entalpía de los humos de escape del motor se aprovechará para la producción de vapor de agua, necesario para la actividad industrial de la empresa. Por otro lado, el calor que es necesario disipar de dicho motor se recuperará para el calentamiento de agua de red, con la finalidad de limpiar la taladrina de las piezas tratadas.

Fundamentos da exploração de petróleo e gás natural e análise geoeconômica da matriz energética brasileira atual e projeções futuras

A análise da matriz energética mundial, assim como a brasileira, nos mostra que o gás natural representará em breve um importante insumo energético favorecendo a balança de pagamentos nacional, visto que o gás poderá ser usado tanto para consumo interno, quanto para exportação. O aumento das reservas nacionais de hidrocarbonetos se deve ao desenvolvimento de tecnologias, que favoreceram o conhecimento das bacias brasileiras quanto ao seu potencial produtor de combustíveis fósseis, permitindo a descoberta de novas jazidas. O amadurecimento do mercado nacional quanto ao consumo de gás natural passa pela construção de uma infraestrutura robusta, eficiente e que possibilite a captação, o armazenamento e distribuição do mesmo. O Brasil tem todos os requisitos necessários para adentrar ao seleto grupo de países exportadores de hidrocarbonetos, a descoberta do Pré-sal tende a incrementar a importância do gás natural para o país. Ao final do trabalho são descritos cenários futuros (quanto o consumo de energéticos), onde se vê que o consumo de energia para os próximos anos crescerá a taxas superiores as das duas últimas décadas. Análise destes cenários permite antecipar o interesse de futuros investimentos no desenvolvimento do conhecimento geológico para áreas promissoras.

Evolução da produção, reservas e dos preços do petróleo, gás natural e biocombustíveis: a importância dos biocombustíveis no cenário mundial

Este trabalho tem como objetivo estudar a indústria do petróleo, gás natural e biocombustíveis no contexto brasileiro e no mundial. Visa também analisar as vantagens e desvantagens dos biocombustíveis e seu possível impacto na indústria do petróleo, assim como os principais indicativos e projeções da indústria do petróleo, como reserva, produção, preço e consumo, através de coleta de dados e geração de gráficos pesquisados e comparados de grandes agências e empresas de energia. Os biocombustíveis podem ser um grande aliado da indústria do petróleo tendo em vista a duração das reservas mundiais de hidrocarbonetos. O uso dos biocombustíveis implicará no desenvolvimento de tecnologias renováveis e de reutilização de materiais antes descartados, trazendo benefício a toda sociedade. A indústria do petróleo é impactada pelas flutuações no mercado internacional e pela demanda, assim como pela manipulação da produção de combustíveis fósseis pelos países produtores. Esses aspectos apresentados interligados criam uma complexa indústria que a presente dissertação se propõe a analisar.

Oyster spat set on natural clutch in the Maryland portion of the Chesapeake Bay (1939 - 1975)

Basically this report is an attempt to document trends in oyster recruitment since 1939 and to relate those trends to the actual oyster harvest throughout the Maryland portion of the Chesapeake Bay. It is also hoped that the data as well as the charts compiled in this report will serve as a reference to aid in future studies on Chesapeake Bay oysters. A few if the major biological factors that affect the natural reproduction of the oyster and environmental degradations that may possibly affect oyster reproduction or harvest in the Chesapeake Bay are also briefly discussed. (PDF contains 32 pages)

Avaliação de Correlações e Equações de Estado para Determinação de Fatores de Compressibilidade de Gás Natural

O fator de compressibilidade (Z) de gás natural é utilizado em vários cálculos na engenharia de petróleo (avaliação de formações, perda de carga em tubulações, gradiente de pressão em poços de gás, cálculos de balanço de massa, medição de gás, compressão e processamento de gás). As fontes mais comuns de valores de Z são medições experimentais, caras e demoradas. Essa propriedade também é estimada por correlações empíricas, modelos baseados no princípio dos estados correspondentes ou equações de estado (EOS). Foram avaliadas as capacidades das EOS de Soave-Redlich-Kwong (SRK), Peng-Robinson (PR), Patel-Teja (PT), Patel-Teja-Valderrama (PTV), Schmidt-Wenzel (SW), Lawal-Lake-Silberberg (LLS) e AGA-8 para previsão desta propriedade em aproximadamente 2200 pontos de dados experimentais. Estes pontos foram divididos em quatro grupos: Grupo 1 (Presença de frações C7+, Grupo 2 (temperaturas inferiores a 258,15 K), Grupo 3 (pressões superiores a 10000 kPa) e Grupo 4 (pressões inferiores a 10000 kPa). Os cálculos utilizando as equações de estado sob diferentes esquemas de previsão de coeficientes binários de interação foram cuidadosamente investigados. Os resultados sugerem que a EOS AGA-8 apresenta os menores erros para pressões de até 70000 kPa. Entretanto, observou-se uma tendência de aumento nos desvios médios absolutos em função das concentrações de CO2 e H2S. As EOS PTV e a EOS SW são capazes de predizer o fator de compressibilidade (Z) com desvios médios absolutos entre os valores calculados e experimentais com precisão satisfatória para a maioria das aplicações, para uma variada faixa de temperatura e pressão. Este estudo também apresenta uma avaliação de 224 métodos de cálculo de Z onde foram utilizadas 8 correlações combinadas com 4 regras de mistura para estimativa de temperaturas e pressões pseudorreduzidas das amostras, junto com 7 métodos de caracterização das propriedades críticas da fração C7+, quando presente na composição do gás. Em função dos resultados são sugeridas, para diferentes tipos de sistemas, as melhores combinações de correlações com regras de mistura capazes de predizer fatores de compressibilidade (Z) com os menores erros absolutos médios relativos

Applications of a Concise and General Strategy for the Syntheses of Transtaganolide and Basiliolide Natural Products

Herein are described the total syntheses of all members of the transtaganolide and basiliolide natural product family. Utilitzation of an Ireland–Claisen rearrangement/Diels–Alder cycloaddition cascade (ICR/DA) allowed for rapid assembly of the transtaganolide and basiliolide oxabicyclo[2.2.2]octane core. This methodology is general and was applicable to all members of the natural product family.

A brief introduction outlines all the synthetic progress previously disclosed by Lee, Dudley, and Johansson. This also includes the initial syntheses of transtaganolides C and D, as well as basiliolide B and epi-basiliolide B accomplished by Stoltz in 2011. Lastly, we discuss our racemic synthesis of basililide C and epi-basiliolide C, which utilized an ICR/DA cascade to constuct the oxabicyclo[2.2.2]octane core and formal [5+2] annulation to form the ketene-acetal containing 7-membered C-ring.

Next, we describe a strategy for an asymmetric ICR/DA cascade, by incorporation of a chiral silane directing group. This allowed for enantioselective construction of the C8 all-carbon quaternary center formed in the Ireland–Claisen rearrangement. Furthermore, a single hydride reduction and subsequent translactonization of a C4 methylester bearing oxabicyclo[2.2.2]octane core demonstrated a viable strategy for the desired skeletal rearrangement to obtain pentacyclic transtaganolides A and B. Application of the asymmetric strategy culminated in the total syntheses of (–)-transtaganolide A, (+)-transtaganolide B, (+)-transtaganolide C, and (–)-transtaganolide D. Comparison of the optical rotation data of the synthetically derived transtaganolides to that from the isolated counterparts has overarching biosynthetic implications which are discussed.

Lastly, improvement to the formal [5+2] annulation strategy is described. Negishi cross-coupling of methoxyethynyl zinc chloride using a palladium Xantphos catalyst is optimized for iodo-cyclohexene. Application of this technology to an iodo-pyrone geranyl ester allowed for formation and isolation of the eneyne product. Hydration of the enenye product forms natural metabolite basiliopyrone. Furthermore, the eneyne product can undergo an ICR/DA cascade and form transtaganolides C and D in a single step from an achiral monocyclic precursor.