Pyrimidine-Derived Prolinamides as Recoverable Bifunctional Organocatalysts for Enantioselective Inter- and Intramolecular Aldol Reactions under Solvent-Free Conditions

Chiral L-prolinamides 2 containing the (R,R)- and (S,S)-trans-cyclohexane-1,2-diamine scaffold and a 2-pyrimidinyl unit are synthesized and used as general organocatalysts for intermolecular and intramolecular aldol reactions with 1,6-hexanedioic acid as a co-catalyst under solvent-free conditions. The intermolecular reaction between ketone–aldehyde and aldehyde–aldehyde must be performed under wet conditions with catalyst (S,S)-2b at 10 °C, which affords anti-aldols with high regio-, diastereo-, and enantioselectivities. For the Hajos–Parrish–Eder–Sauer–Wiechert reaction, both diastereomers of catalyst 2 give similar results at room temperature in the absence of water to give the corresponding Wieland–Miescher ketone and derivatives. Both types of reactions were scaled up to 1 g, and the organocatalysts were recovered by extractive workup and reused without any appreciable loss in activity. DFT calculations support the stereochemical results of the intermolecular process and the bifunctional role played by the organocatalyst by providing a computational comparison of the H-bonding networks occurring with catalysts 2a and 2b.

Quantum anomalous Hall effect in graphene coupled to skyrmions

Skyrmions are topologically protected spin textures, characterized by a topological winding number N, that occur spontaneously in some magnetic materials. Recent experiments have demonstrated the capability to grow graphene on top Fe/Ir, a system that exhibits a two-dimensional skyrmion lattice. Here we show that a weak exchange coupling between the Dirac electrons in graphene and a two-dimensional skyrmion lattice withN = ±1 drives graphene into a quantum anomalous Hall phase, with a band gap in bulk, a Chern number C = 2N, and chiral edge states with perfect quantization of conductance G = 2N e2 h . Our findings imply that the topological properties of the skyrmion lattice can be imprinted in the Dirac electrons of graphene.

Regio and diastereoselective multicomponent 1,3-dipolar cycloadditions between prolinate hydrochlorides, aldehydes and dipolarophiles for the direct synthesis of pyrrolizidines

A general synthesis of highly substituted pyrrolizidines can be performed by a multicomponent 1,3-dipolar cycloaddition using proline ester hydrochlorides, aldehydes and dipolarophiles, at room temperature without catalysts or in the presence of AgOAc (5 mol %). In the case of (2S,4R)-4-hydroxyproline derivatives it is possible to obtain enantioenriched pyrrolizidines with high control of the regio- and diastereoselectivity affording the adducts 2,4-trans-2,5-trans according to an endo-approach and a S-dipole geometry of the in situ generated azomethine ylide. For proline esters a similar regioselectivity and endo-diastereoselectivity are observed when the dipole promotes an α-attack. However, when ethyl glyoxylate is used as aldehyde component the γ-attack of the S-ylide takes place preferentially giving rise the opposite regioselectivity for acrylic dipolarophiles, being crucial the role of silver acetate. In this case, the exo-adducts with a 2,3-cis-2,5-trans relative configuration are diastereoselectively obtained. In addition, computational studies have also been carried out to shed light on the origins of the diastereo- and regioselectivity observed for the described 1,3-dipolar cycloadditions.

Enantioselective addition of aryl ketones and acetone to nitroalkenes organocatalyzed by carbamate-monoprotected cyclohexa-1,2-diamines

Enantiomerically pure carbamate-monoprotected trans-cyclohexane-1,2-diamines are used as chiral organocatalysts for the addition of aryl ketones and acetone to nitroalkenes to give enantioenriched β-substituted γ-nitroketones. The reaction was performed in the presence of 3,4-dimethoxybenzoic acid as an additive, in chloroform as the solvent at room temperature, achieving enantioselectivities up to 96%. Theoretical calculations are used to justify the observed sense of the stereoinduction.

Solvent-Induced Reversal of Enantioselectivity in the Synthesis of Succinimides by the Addition of Aldehydes to Maleimides Catalysed by Carbamate-Monoprotected 1,2-Diamines

A simple change in the polarity of the solvent allows both enantiomers of substituted succinimides to be obtained in the enantioselective conjugate addition reaction of aldehydes, mainly α,α-disubstituted, to maleimides catalysed by chiral carbamate-monoprotected trans-cyclohexane-1,2-diamines. Using a single enantiomer of the organocatalyst, both enantiomers of the resulting Michael adducts are obtained in high yields by simply changing the reaction solvent from aqueous DMF (up to 84 % ee) to chloroform (up to 86 % ee). Theoretical calculations are used to explain this uncommon reversal of the enantioselectivity; two transition state orientations of different polarities are differently favoured in polar or nonpolar solvents.

Organocatalytic Asymmetric α-Chlorination of 1,3-Dicarbonyl Compounds Catalyzed by 2-Aminobenzimidazole Derivatives

Bifunctional chiral 2-aminobenzimidazole derivatives 1 and 2 catalyze the enantioselective stereodivergent α-chlorination of β-ketoesters and 1,3-diketone derivatives with up to 50% ee using N-chlorosuccinimide (NCS) or 2,3,4,4,5,6-hexachloro-2,5-cyclohexadien-1-one as electrophilic chlorine sources.

Bifunctional primary amine 2-aminobenzimidazole organocatalyst anchored to trans-cyclohexane-1,2-diamine in enantioselective conjugate additions of aldehydes

Bifunctional chiral primary amine 8 containing an (S,S)-trans-cyclohexane-1,2-diamine scaffold and a 2-benzimidazole unit is used as a general organocatalyst for the Michael addition of α,α-branched aldehydes to nitroalkenes and maleimides. The reactions take place, with 20 mol % of catalyst in dichloromethane at rt for nitroalkenes and with 15 mol % catalyst loading in toluene at 10 °C for maleimides, in good yields and enantioselectivities. DFT calculations demonstrate the bifunctional character of this organocatalyst activating the aldehyde by enamine formation and the Michael acceptor by double hydrogen bonding.

Pursuing Chemical Efficiency by Using Supported Organocatalysts for Asymmetric Reactions under Aqueous Conditions

Over the past decade, a great effort has been made by the chemical community to improve the efficiency of organic transformations and allow sustainable processes. Merging the use of supported and recyclable organocatalysts and aqueous conditions for the asymmetric synthesis of valuable molecules, has led to outstanding contributions in the area of green chemistry. Recent progresses in the field include the implementation of these methodologies in the large scale production of chiral molecules using automated flow chemistry.

Topological spin waves in the atomic-scale magnetic skyrmion crystal

We study the spin waves of the triangular skyrmion crystal that emerges in a two-dimensional spin lattice model as a result of the competition between Heisenberg exchange, Dzyalonshinkii–Moriya interactions, Zeeman coupling and uniaxial anisotropy. The calculated spin wave bands have a finite Berry curvature that, in some cases, leads to non-zero Chern numbers, making this system topologically distinct from conventional magnonic systems. We compute the edge spin-waves, expected from the bulk-boundary correspondence principle, and show that they are chiral, which makes them immune to elastic backscattering. Our results illustrate how topological phases can occur in self-generated emergent superlattices at the mesoscale.

Enantioselective Synthesis of Polysubstituted Spiro-nitroprolinates Mediated by a (R,R)-Me-DuPhos·AgF-Catalyzed 1,3-Dipolar Cycloaddition

The synthesis of constrained spirocycles is achieved effectively by means of 1,3-dipolar cyclodditions employing α-imino γ-lactones as azomethine ylide precursors and nitroalkenes as dipolarophiles. The complex formed by (R,R)-Me-DuPhos 18 and AgF is the most efficient bifunctional catalyst. Final spiro-nitroprolinates cycloadducts are obtained in good to moderate yields and both high diastereo- and enantioselectivities. Density functional theory (DFT) calculations supported the expected absolute configuration as well as other stereochemical parameters.

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.

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.

Applications of Quantum Field Theory, From the Formal to the Phenomenological

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

The preparation and characterization of tin(IV) complexes of 2-quinolinecarboxaldehyde Schiff bases of S-methyl- and S-benzyldithiocarbazates and the X-ray crystal and molecular structures of the 2-quinolinecarboxaldehyde Schiff base of S-benzyldithi

New tin(IV) complexes of empirical formula, Sn(NNS)I-3 (NNS = anionic forms of the 2-quinolinecarboxaldehyde Schiff bases of S-methyl- and S-benzyldithiocarbazate) have been prepared and characterized by a variety of physico-chemical techniques. In the solid state, the Schiff bases exist as the thione tautomer but in solution and in the presence of tin(IV) iodide they convert to the thiol tautomer and coordinate to the tin atom in their deprotonated thiolate forms. The structures of the free ligand, Hqaldsbz and its triiodotin(IV) complex, [Sn(qaldsbz)I-3] have been determined by X-ray diffraction. The complex, [Sn(qaldsbz)I-3] has a distorted octahedral structure with the Schiff base coordinated to the tin atom as a uninegatively charged tridentate chelating agent via the quinoline nitrogen atom, the azomethine nitrogen atom and the thiolate sulfur atom. The three iodo ligands are coordinated meridionally to the tin atom. The distortion from an ideal octahedral geometry of [Sn(qaldsbz)I-3] is attributed to the restricted bite size of the tridentate Schiff base ligand. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The preparation and characterization of seven-coordinate tin(IV) complexes of the 2,6-diacetylpyridine Schiff bases of S-alkyl/aryl-dithiocarbazates and the X-ray crystal structure of the [Sn(dapsme)I-2] complex (dapsme=doubly deprotonated form of the 2,6

New tin(IV) complexes of empirical formula, Sn(SNNNS)I-2 (SNNNS = anionic form of the 2,6-diacetylpyridine Schiff bases of S-methyl- or S-benzyldithiocarbazate) have been prepared and characterized by a variety of physico-chemical techniques. The structure of Sn(dapsme)I-2 has been determined by single crystal X-ray crystallographic structural analysis. The complex has a seven-coordinate distorted pentagonal-bipyramidal geometry with the Schiff base coordinated to the tin(IV) ion as a dinegatively charged pentadentate chelating agent via the pyridine nitrogen atom, the two azomethine nitrogen atoms and the two thiolate sulfur atoms. The ligand occupies the equatorial plane and the iodo ligands are coordinated to the tin(IV) ion at axial positions. The distortion from an ideal pentagonal bipyramidal geometry is attributed to the restricted bite size of the pentadentate ligands. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.