Biotransformation of polycylic aromatic compounds by fungi and an investigation into the oxidation of alkylbenzenes by Mortierella isabellina NRRL 1757

Incubations of several polycyclic heteroaromatic compounds and two polycyclic aromatic hydrocarbons with a series of common fungi have been performed. The fungi Cunninghamella elegans ATCC 26269, Rhizopus arrhizus ATCC 11145, and Mortierella isabellina NRRL 1757 were studied in this regard. Of the aza heteroaromatics, only dibenzopyrrole gave a ring hydroxylated product following the incubation with C. elegans. From the thio heteroaromatics studied, dibenzothiophene was metabolized by all the three fungi and thioxanthone by C. elegans and M. isabellina giving sulfones and sulphoxides. Thiochromanone was metabolized stereoselectively to the corresponding sulphoxide by C. elegans. Methyl substituted thioxanthones on incubation with C. elegans produced oxidative products, arising from S -oxidation and hydroxylation at the methyl group. Of the cyclic ketones studied, only fluorenone was reduced to hydroxyfluorene and this metabolism is compared with that reported with cytochrome P-450 monooxygenases of hepatic microsomes. A series of para-substituted ethylbenzenes has been transformed stereoselectively to the 1-phenylethanols by incubation with M. isabellina. Comparisons of the enantiomeric purities obtained from products with their respective para substituent of the same steric size but different electronic properties indicate that the stereoselectivity of hydroxylation at benzylic carbon may be susceptible to electron donating or withdrawing factors in some cases, but that observation is not va lid in all the comparisons. The stereochemistry of the reaction is discussed in terms of three possible steps, ethylbenzene ---) 1-phenylethanol ---) acetophenone ---) 1-phenylethanol. This metabolic pathway could account for the inconsistencies observed in the comparisons of optical purities and electronic character of para substituents. Furthermore, formation of 2-phenylethanol (in some cases), l-(p-acetylphenyl)ethanol from p-diethylbenzene, and N-acetylation of p-ethylaniline was observed. n-Propylbenzene was also converted to optically active 1-phenylpropanol. Acetophenone, p-ethylacetophenone, and o(,~,~-trifluoroacetophenone were transformed to 1-phenylethanol, l-(p-ethylphenyl)ethanol, and 1-phenyl-2,2,2-trifluoroethanol, respectively, with high chemical and excellent optical yields. The 13 C NMR spectra of several substrates and metabolic products have been reported and assigned for the first time.

Intramolecular carbenoid insertion : reactions of [alpha] -diazoketones derived from benzothienyl, pyrolyl and indolyl alkanoic acids with rhodium (II) acetate

Recent studies have shown that the rhodium (II) acetate decomposition chemistry observed for a-diazoketones tethered to thienyl, furanyl, and benzofuranyl moieties is dependent not only on the nature of the heteroatom but also on the length of the aliphatic tether linking the diazoketone moiety with the aromatic fragment. The present thesis expands on these results and focuses on a-diazoketones tethered to benzothiophenes, pyrroles and indoles by a methylene linker. In the case of benzothiophenes, it was shown that the rhodium catalyst decomposition of I-diazo-4-(3-benzothienyl)-2-butanone (146) and 1-diazo-4-(3benzothienyl)- 2-butanone (152) allow for the isolation of 1,2,3a,3b-tetrahydro-3Hbenzo[ b]cyclopenta[1,3]cyclopropa- [1 ,2-d]thiophen-3-one (147) and 1,2,3a,3btetrahydro- 3H-benzo[b]cyclopenta[1,3]cyclopropa[1,2-d]thiophen-3-one (153). However treatment of 1-diazo-3-(3-Benzothienyl)-2-Propanone (165) with Rh(II) acetate results in the formation of 2,3-Dihydro-1H-benzo[b]cyclopenta[d]thiophen-2-one (159), while 1diazo- 3-(2-Benzothienyl)-2-Propanone with the same condition gives 5,5-bis( 1benzothiophen- 2-ylmethyl)-2(5H)-furanone (166) along with the tricycle 159. The chemistry of the pyrrolyl and the indolyl moieties linked to terminal adiazoketone systems was also investigated. The decomposition of I-diazo-(2-pyrrolyl)-2propanone (173) results in the formation of two products; the N-H insertion product IHpyrrolizin- 2(3H)-one (176) and the alkylation product 4,6-dihydrocyclopenta[b]pyrrol5( 1 H)-one (180). When 1-Diazo-3-(3-indoly)-3-propanone (194) is treated with catalytic amount of Rh (II) 3,4-dihydrocyclopenta[b]indol-2(1H)-one (193) is isolated quantitatively. The later reaction when monitored using IH NMR the intermediate 200 can be seen whose structure was confirmed by the comparison to series of model compounds. The mechanisms underlying these reactions as well as their synthetic utility is discussed.

Investigations into the extraction and the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from water by solid-phase extraction and capillary gas chromatography/ mass spectrometry

Factors affecting the detennination of PAHs by capillary GC/MS were studied. The effect of the initial column temperature and the injection solvent on the peak areas and heights of sixteen PAHs, considered as priority pollutants, USillg crosslinked methyl silicone (DB!) and 5% diphenyl, 94% dimethyl, 1% vinyl polysiloxane (DBS) columns was examined. The possibility of using high boiling point alcohols especially butanol, pentanol, cyclopentanol, and hexanol as injection solvents was investigated. Studies were carried out to optimize the initial column temperature for each of the alcohols. It was found that the optimum initial column temperature is dependent on the solvent employed. The peak areas and heights of the PAHs are enhanced when the initial column temperature is 10-20 c above the boiling point of the solvent using DB5 column, and the same or 10 C above the boiling point of the solvent using DB1 column. Comparing the peak signals of the PAHs using the alcohols, p-xylene, n-octane, and nonane as injection solvents, hexanol gave the greatest peak areas and heights of the PAHs particularly the late-eluted peaks. The detection limits were at low pg levels, ranging from 6.0 pg for fluorene t9 83.6 pg for benzo(a)pyrene. The effect of the initial column temperature on the peak shape and the separation efficiency of the PARs was also studied using DB1 and DB5 columns. Fronting or splitting of the peaks was obseIVed at very low initial column temperature. When high initial column temperature was used, tailing of the peaks appeared. Great difference between DB! and.DB5 columns in the range of the initial column temperature in which symmetrical.peaks of PAHs can be obtained is observed. Wider ranges were shown using DB5 column. Resolution of the closely-eluted PAHs was also affected by the initial column temperature depending on the stationary phase employed. In the case of DB5, only the earlyeluted PAHs were affected; whereas, with DB1, all PAHs were affected. An analytical procedure utilizing solid phase extraction with bonded phase silica (C8) cartridges combined with GC/MS was developed to analyze PAHs in water as an alternative method to those based on the extraction with organic solvent. This simple procedure involved passing a 50 ml of spiked water sample through C8 bonded phase silica cartridges at 10 ml/min, dried by passing a gentle flow of nitrogen at 20 ml/min for 30 sec, and eluting the trapped PAHs with 500 Jll of p-xylene at 0.3 ml/min. The recoveries of PAHs were greater than 80%, with less than 10% relative standard deviations of nine determinations. No major contaminants were present that could interfere with the recognition of PAHs. It was also found that these bonded phase silica cartridges can be re-used for the extraction of PAHs from water.

Reactions of polyhalogenated aromatic compounds and related ethers with metal/ammonia solutions

This work contains the results of a series of reduction studies on polyhalogenated aromatic compounds and related ethers using alkali metals in liquid ammonia. In general, polychlorobenzenes were reduced to t he parent aromatic hydrocarbon or to 1 ,4-cyc1ohexadiene, and dipheny1ethers were cleaved to the aroma tic hydrocarbon and a phenol. Chlorinated dipheny1ethers were r eductive1y dechlorinated in the process. For example, 4-chlorodipheny1- ether gave benzene and phenol. Pentach1orobenzene and certain tetrachlorobenzenes disproportionated to a fair degree during the reduction process if no added proton source was present. The disproportionation was attributed to a build-up of amide ion. Addition of ethanol completely suppressed the formation of any disproportionation products. In the reductions of certain dipheny1ethers , the reduction of one or both of the dipheny1ether rings occurred, along with the normal cleavage. This was more prevalent when lithium was the metal used . As a Sidelight, certain chloropheno1s were readily dechlorinated. In light of these results, the reductive detoxification of the chlorinated dibenzo-1,4-dioxins seems possible with alkali metals in l iquid ammonia.

Biotransformation of aromatic hydrocarbons and organic sulphides by fungi

Toluene is converted to benzyl alcohol by the fungi Mortierella isabellina and Helminthosporium species; in the latter case, the product is further metabolized. Toluene-a -d 1 , toluene-a,a-d2, and toluene-a,a,a-d 3 have been used with Mortierellaisabellina in a series of experiments to determine both primary and secondary deuterium kinetic isotope effects for the enzymic benzylic hydroxylation reaction. The values obtained, intermolecular primary kH/kD = intramolecular p rim a r y kH r kD = 1. 0 2 + O. 0 5, and sec 0 n dar y k H I kD = 1. 37 .:!. 0.05, suggest a mechanism for the reaction involving benzylic proton removal from a radical intermediate in a non-symmetrical transition state. 2H NMR (30.7 MHz) studies using ethylbenzene-l,1-d 2 , 3 -fluoroethylbenzene-l,1-d 2 , 4 -fluoroethylbenzene-l,1-d 2 , and toluene-dB as substrates with Mortierella isabellina suggest, based on the observable differences in rates of conversion between the substrates, that the hydroxylation of hydrocarbons at the benzylic position proceeds via a one electron abstraction from the aromatic ring, giving a radical cation. A series of 1,3-oxathiolanes (eight) were incubated with Mortierella isabellina , Helminthosporium , Rhizopus arrhizus , and Aspergillus niger . Sulphoxides were obtained from Mortierella isabellina and Rhizopus arrhizus using the substrates 2-phenyl-, 2-methyl-2-phenyl-, and 2-phenyl-2-tert. butyl-l,3-oxathiolane. The relative stereochemistry of 2-methyl-2-phenyl-l,3-oxathiolan-l-oxide was assigned based on lH decoupling, n.O.e, 1 and H NMR experiments. The lH NMR (200 MHz) of the methylene protons of 2-methyl-2-phenyl-l,3-oxathiolan-l-oxide was used as a diagnostic standard in assigning the relative stereochemistry of 2-phenyl-l,3-oxathiolan-l-oxide and 2-phenyl-2-tert. butyl-l,3-oxathiolan-l-oxide. The sulphoxides obtained were consistent with an oxidation occurring from the opposite side of the molecule to the phenyl substituent.

Reactions of various aromatic nitro-compounds and anthraquinones with selected bases and nucleophiles

The Introducti on deals mainly with hi storical studies on aryne chemi stry and ring closure via arynes , hydride replacement from aromatic rings by nucleophi les, c l eavage of anthr aquinones in basic medium and the Leuckart reaction . This work can be divided into two main s ect i ons. Section I is concerned with the investigation of t he reaction of some aromatic ni t ro-compounds with potassamide in l iquid ammonia. 3-Amino-4- nitrobenzophenone was obtained from the reacti on of 4-nitrobenzophenone with t his reagent, toge t her with benzoic acid formed in a competing Haller-Bauer reaction. Nitrobenzene under these conditions gave a complex mixture from which 2-phenylphenol was isolated; a reaction i nvolving benzyne may be i nvo l ved. 4-Nitrodiphenyl sulfone gave 4-aminodiphenyl sulfone and 4-nitroani l ine. 4-Ethoxydiphenyl sulfone and 4-ethoxynitrobenzene were isolated when ethanol was used as a co-solvent in the reaction. Oxidative coupling reactions were observed with nitrotoluenes. 4-Nitrotoluene gave 4,4t-dinitrobibenzyl which i n a pro longed reaction gave 4,4t-dinitros t ilbene . 2-Nitrotoluene gave 2 , 2 t-dinitrobibenzyl, but not the corresponding stilbene derivative even after a longer time . A rather i nteresting result was obtained with 1-nitro-2,4,6- trimethylbenzene which gave a stilbene derivative only. Also the corresponding stilbene was obtained from bis-(4-nitrophenyl)-methane in a rather slow r eaction with this reagent . Section II deals wi th (i) the preparation of 5-chloro- 1-N-methyl aminoanthraquinone and a new synthesis of N-methyl acridones and (ii) treatment of chloro-anthraquinones with fo rmamide and a new synthesis of chloro-anthracenes . 5-Chloro-1 -N-methylaminoanthraqui none was synthesised f rom 1,5-dichloroanthraquinone by treatment with N-methylformamide. Treatment of 5-chloro-1-N-methylaminoanthraquinone with potassamide in liquid ammonia or with potassium t-butoxide i n t-butylbenzene gave N-methylacridone-1-carboxylic acid. This pleasing result, t he outcome of r i ng opening and alter native ring closure, is being extended to related ring systems.

Investigations into the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorinated biphenyls (PCBs) by capillary gas chromatography

Factors involved in the determination of PAHs (16 priority PAHs as an example) and PCBs (10 PCB congeners, representing 10 isomeric groups) by capillary gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS, for PAHs) and electron capture detection (GC/ECD , for PCBs) were studied, with emphasis on the effect of solvent. Having various volatilities and different polarities, solvent studied included dichloromethane, acetonitrile, hexan e, cyclohexane, isooctane, octane, nonane, dodecane, benzene, toluene, p-xylene, o-xylene, and mesitylene. Temperatures of the capillary column, the injection port, the GC/MS interface, the flow rates of carrier gas and make-up gas, and the injection volume were optimized by one factor at a time method or simplex optimization method. Under the optimized conditions, both peak height and peak area of 16 PAHs, especially the late-eluting PAHs, were significantly enhanced (1 to 500 times) by using relatively higher boiling point solvents such as p-xylene and nonane, compared with commonly used solvents like benzene and isooctane. With the improved sensitivity, detection limits of between 4.4 pg for naphthalene and 30.8 pg for benzo[g,h,i]perylene were obtained when p-xylene was used as an injection solvent. Effect of solvent on peak shape and peak intensity were found to be greatly dependent on temperature parameters, especially the initial temperature of the capillary column. The relationship between initial temperature and shape of peaks from 16 PAHs and 10 PCBs were studied and compared when toluene, p-xylene, isooctane, and nonane were used as injection solvents. If a too low initial temperature was used, fronting or split of peaks was observed. On the other hand, peak tailing occurred at a too high initial column temperature. The optimum initial temperature, at which both peak fronting and tailing were avoided and symmetrical peaks were obtained, depended on both solvents and the stationary phase of the column used. On a methyl silicone column, the alkane solvents provided wider optimum ranges of initial temperature than aromatic solvents did, for achieving well-shaped symmetrical GC peaks. On a 5% diphenyl: 1% vinyl: 94% dimethyl polysiloxane column, when the aromatic solvents were used, the optimum initial temperature ranges for solutes to form symmetrical peaks were improved to a similar degree as those when the alkanes were used as injection solvents. A mechanism, based on the properties of and possible interactions among the analyte, the injection solvent, and the stationary phase of the capillary column, was proposed to explain these observations. The effect of initial temperature on peak height and peak area of the 16 PAHs and the 10 PCBs was also studied. The optimum initial temperature was found to be dependent on the physical properties of the solvent used and the amount of the solvent injected. Generally, from the boiling point of the solvent to 10 0C above its boiling point was an optimum range of initial temperature at which cthe highest peak height and peak area were obtained.

Gas chromatographic electron capture negative ionization mass spectrometric (GC/ECNI/MS) determination of unique fluorinated compounds in the sediments of Lake Ontario and the effect of high-boiling alcohols (as injection solvents) on chromatographic behaviour of polycyclic aromatic hydrocarbons in gas chromatography

Part I - Fluorinated Compounds A method has been developed for the extraction, concentration, and determination of two unique fluorinated compounds from the sediments of Lake Ontario. These compounds originated from a common industrial landfill, and have been carried to Lake Ontario by the Niagara River. Sediment samples from the Mississauga basin of Lake Ontario have been evaluated for these compounds and a depositional trend was established. The sediments were extracted by accelerated solvent extraction (ASE) and then underwent clean-up, fractionation, solvent exchange, and were concentrated by reduction under nitrogen gas. The concentrated extracts were analyzed by gas chromatography - electron capture negative ionization - mass spectrometry. The depositional profile determined here is reflective of the operation of the landfill and shows that these compounds are still found at concentrations well above background levels. These increased levels have been attributed to physical disturbances of previously deposited contaminated sediments, and probable continued leaching from the dumpsite. Part II - Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Gas chromatography/mass spectrometry is the most common method for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from various matrices. Mass discrimination of high-boiling compounds in gas chromatographic methods is well known. The use of high-boiling injection solvents shows substantial increase in the response of late-eluting peaks. These solvents have an increased efficiently in the transfer of solutes from the injector to the analytical column. The effect of I-butanol, I-pentanol, cyclopentanol, I-hexanol, toluene and n-octane, as injection solvents, was studied. Higher-boiling solvents yield increased response for all PAHs. I -Hexanol is the best solvent, in terms of P AH response, but in this solvent P AHs were more susceptible to chromatographic problems such as peak splitting and tailing. Toluene was found to be the most forgiving solvent in terms of peak symmetry and response. It offered the smallest discrepancies in response, and symmetry over a wide range of initial column temperatures.

High-Spin and Emissive Molecular Materials: Synthesis and Characterization of New Polynuclear Ni(II) Complexes from the Use of Aromatic Schiff Bases as Bridging Ligands

The employment of the bridging/chelating Schiff bases, N-salicylidene-4-methyl-o-aminophenol (samphH2) and N-naphthalidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (nacbH2), in nickel cluster chemistry has afforded eight polynuclear Ni(II) complexes with new structural motifs, interesting magnetic and optical properties, and unexpected organic ligand transformations. In the present thesis, Chapter 1 deals with all the fundamental aspects of polynuclear metal complexes, molecular magnetism and optics, while research results are reported in Chapters 2 and 3. In the first project (Chapter 2), I investigated the coordination chemistry of the organic chelating/bridging ligand, N-salicylidene-4-methyl-o-aminophenol (samphH2). The general NiII/tBuCO2-/samphH2 reaction system afforded two new tetranuclear NiII clusters, namely [Ni4(samph)4(EtOH)4] (1) and [Ni4(samph)4(DMF)2] (2), with different structural motifs. Complex 1 possessed a cubane core while in complex 2 the four NiII ions were located at the four vertices of a defective dicubane. The nature of the organic solvent was found to be of pivotal importance, leading to compounds with the same nuclearity, but different structural topologies and magnetic properties. The second project, the results of which are summarized in Chapter 3, included the systematic study of a new optically-active Schiff base ligand, N-naphthalidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (nacbH2), in NiII cluster chemistry. Various reactions between NiX2 (X- = inorganic anions) and nacbH2 were performed under basic conditions to yield six new polynuclear NiII complexes, namely (NHEt3)[Ni12(nacb)12(H2O)4](ClO4) (3), (NHEt3)2[Ni5(nacb)4(L)(LH)2(MeOH)] (4), [Ni5(OH)2(nacb)4(DMF)4] (5), [Ni5(OMe)Cl(nacb)4(MeOH)3(MeCN)] (6), (NHEt3)2[Ni6(OH)2(nacb)6(H2O)4] (7), and [Ni6(nacb)6(H2O)3(MeOH)6] (8). The nature of the solvent, the inorganic anion, X-, and the organic base were all found to be of critical importance, leading to products with different structural topologies and nuclearities (i.e., {Ni5}, {Ni6} and {Ni12}). Magnetic studies on all synthesized complexes revealed an overall ferromagnetic behavior for complexes 4 and 8, with the remaining complexes being dominated by antiferromagnetic exchange interactions. In order to assess the optical efficiency of the organic ligand when bound to the metal centers, photoluminescence studies were performed on all synthesized compounds. Complexes 4 and 5 show strong emission in the visible region of the electromagnetic spectrum. Finally, the ligand nacbH2 allowed for some unexpected organic transformations to occur; for instance, the pentanuclear compound 5 comprises both nacb2- groups and a new organic chelate, namely the anion of 5-chloro-2-[(3-hydroxy-4-oxo-1,4-dihydronaphthalen-1-yl)amino]benzoic acid. In the last section of this thesis, an attempt to compare the NiII cluster chemistry of the N-naphthalidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid ligand with that of the structurally similar but less bulky, N-salicylidene-2-amino-5-chlorobenzoic acid (sacbH2), was made.

Découverte et application de nouveaux motifs d'association propres à l'hexaphénylbenzène et à ses dérivés

Les propriétés des matériaux moléculaires proviennent à la fois de la structure des composantes individuelles et de la façon dont elles s’associent. Ce dernier aspect reste difficile à contrôler, malgré de grandes avancées en science des matériaux. Pour mieux comprendre la relation structure-propriétés, nous avons entrepris une étude systématique de l'hexaphénylbenzène et de ses dérivés, qui offrent une charpente symétrique et rigide. En premier lieu, nous avons attaché six groupements diaminotriazinyles sur l’hexaphénylbenzène afin de produire des réseaux tridimensionnels hautement poreux maintenus par des ponts hydrogène. En modifiant systématiquement le coeur moléculaire, nous avons excisé près du tiers de la molécule-mère, générant des réseaux supramoléculaires dont la porosité s’est élevée graduellement jusqu’à 75%, équivalant ainsi le record pour ce type de matériaux. Ensuite, nous avons étudié le comportement de l’hexakis(4-nitrophényl)benzène. Dans les structures cristallines obtenues, des interactions non-covalentes entre groupements nitro démontrent leur potentiel en chimie supramoléculaire. Le coeur moléculaire ne joue qu’un rôle secondaire dans l’empilement des molécules : seules quelques interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène sont évidentes. Cette dernière observation nous a poussés à étudier le comportement à l’état cristallin de l’hexaphénylbenzène et ses dérivés. En scrutant attentivement neuf structures cristallines de ces composés, nous avons décerné la présence récurrente d’interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central. Cette association caractéristique a été exploitée pour créer des réseaux supramoléculaires maintenus par des interactions C-H•••π sélectives entre un groupement éthynyle et le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène. Finalement, nous avons joint le côté sombre de l’ingénierie cristalline en utilisant nos connaissances dans le but d’empêcher la formation d’interactions directionnelles. En protégeant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène à l’aide de groupements alkyles, les interactions C-H•••π ont été pratiquement éliminées. Ces résultats offrent la possibilité de créer de nouveaux matériaux amorphes. Dans ces études, focalisées sur le système hexaphénylbenzène, nous avons mis en relief des phénomènes qui sont obscurcis dans d'autres familles de molécules. De plus, ce système a grandement facilité l’utilisation d’une approche méthodique pour explorer la relation structure-propriétés. Nos travaux nous ont amenés à des conclusions de valeur universelle en science des matériaux moléculaires.

Ring-opening of cycloalkane epoxides and aziridines with aromatic amines : toward the total synthesis of pactamycin

Résumé Cette thèse consiste en trois thèmes résumés dans les paragraphes ci-dessous. L’influence de différents groupements protecteurs du groupe hydroxyle lors des réactions d’ouverture des cis- et trans- 3-hydroxy-1,2-époxycycloalcanes a été étudiée. Il a été montré que Yb(OTf)3 constituait un catalyseur doux pour l’ouverture régiosélective de cycles afin d’obtenir les -anilino cycloalcanols correspondants avec de bons rendements. Le chauffage du milieu réactionnel dans le toluène comme solvant a permis d’augmenter la cinétique de la réaction, au dépend du rendement. La partie aniline a été régiosélectivement introduite en position vicinale du groupe hydroxyle ou éther afin d’obtenir un unique régioisomère. La même tendance a été observée avec les époxydes du 3-azidocyclohex-1-ène et du 3-carbamate correspondant. Le temps de réaction a été réduit lorsque Yb(OTf)3 a été dissous dans l’acétonitrile. Le triflate d’ytterbium (III) a également été utilisé comme catalyseur pour l’ouverture de cycle régiosélective d’aziridines non-activées sur des cyclohexanes portant des substituants azotures ou éthers de benzyle. L’ion azoture ou l’aniline forment les produits trans correspondants, donnant alors accès à des diamines vicinales avec de bons rendements. Un éther ω-alcoxy p-méthoxybenzylique racémique, inhibiteur de HDAC, a été ainsi préparé en huit étapes synthétiques (rendement total de 26%) à partir du 1-((tert-butyldiphénylsilyl)oxy)hept-6-èn-2-ol. Ceci représente un progrès par rapport à la précédente méthode (9 étapes, rendement total de 16%). La métathèse croisée se montre particulièrement efficace et pratique dans cette stratégie et l’alkylation par le trichloroacétimidate de p-méthoxybenzyle en présence de Sc(OTf)3 améliore le rendement global de la synthèse. Un aminoalcool présent dans la pactamycine et contenant le squelette carboné, les groupements fonctionnels et la stéréochimie requise a été synthétisé en 27 étapes à partir de la L-thréonine. La méthodologie décrite dans cette thèse permet la synthèse de cet intermédiaire clé à l’échelle multigramme.

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.

Synthesis and properties of d6 metal complexes of bidentate and tridentate ‘super donor’ ligands

La polyvalence de la réaction de couplage-croisé C-N a été explorée pour la synthèse de deux nouvelles classes de ligands: (i) des ligands bidentates neutres de type N^N et (ii) des ligands tridentates neutres de type N^N^N. Ces classes de ligands contiennent des N-hétérocycles aromatiques saturés qui sont couplés avec hexahydropyrimidopyrimidine (hpp). Les ligands forment de cycles à six chaînons sur la coordination du centre Ru(II). Ce fait est avantageux pour améliorer les propriétés photophysiques des complexes de polypyridyl de Ru(II). Les complexes de Ru(II) avec des ligands bidentés ont des émissions qui dépendent de la basicité relative des N-hétérocycles. Bien que ces complexes sont électrochimiquement et photophysiquement attrayant, le problème de la stereopurité ne peut être évité. Une conception soigneuse du type de ligand nous permet de synthétiser un ligand bis-bidentate qui est utile pour surmonter le problème de stereopurité. En raison de la spécialité du ligand bis-bidentate, son complexe diruthénium(II,II) présente une grande diastéréosélectivité sans séparation chirale. Alors que l'unité de hpp agit comme un nucléophile dans le mécanisme de C-N réaction de couplage croisé, il peut également agir en tant que groupe partant, lorsqu'il est activé avec un complexe de monoruthenium. Les complexes achiraux de Ru(II) avec les ligands tridentés présentent des meilleures propriétés photophysiques en comparason avec les prototypes [Ru(tpy)2]2+ (tpy = 2,2′: 6′, 2′′-terpyridine). L’introduction de deux unités de hpp dans les ligands tridentates rend le complexe de Ru(II) en tant que ‘absorbeur noir’ et comme ‘NIR émetteur’ (NIR = de l’anglais, Near Infra-Red). Cet effet est une conséquence d'une meilleure géométrie de coordination octaédrique autour de l'ion Ru(II) et de la forte donation sigma des unités hpp. Les complexes du Re(I) avec des ligands tridentates présentent un comportement redox intéressant et ils émettent dans le bleu. L'oxydation quasi-réversible du métal est contrôlée par la donation sigma des fragments hpp, tandis que la réduction du ligand est régie par la nature électronique du motif N-hétérocycle central du ligand lui-même. Cette thèse presente également l'auto-assemblage des métal-chromophores comme ‘métallo-ligands’ pour former des espèces supramoléculaires discretes utilisant des complexes neutres. Les synthèses et propriétés des métaux-chromophores précités et les supramolécules sont discutées.

Carbon-carbon bond formation : from transition metal catalysis to base-promoted homolytic aromatic substitution

Cette thèse de doctorat porte sur la catalyse à partir de métaux de transition et sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base visant à former de nouvelles liaisons C–C, et à ainsi concevoir de nouvelles structures chimiques. Au cours des vingt dernières années, des nombreux efforts ont été réalisés afin de développer des méthodologies pour la fonctionnalisation de liens C–H, qui soient efficaces et sélectives, et ce à faible coût et en produisant le minimum de déchets. Le chapitre d'introduction donnera un aperçu de la fonctionnalisation directe de liens C–H sur des centres sp2 et sp3. Il sera également discuté dans cette partie de certains aspects de la chimie radicalaire reliés a ce sujet. Les travaux sur la fonctionnalisation d’imidazo[1,5-a]pyridines catalysée par des compleces de ruthénium seront présentés dans le chapitre 2. Malgré l'intérêt des imidazo[1,5-a]azines en chimie médicinale, ces composés n’ont reçu que peu d'attention dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C–H. L'étendue de la réaction et l'influence des effets stériques et électroniques seront détaillés. Les cyclopropanes représentent les 10ème cycles carbonés les plus rencontrés dans les petites molécules d’intérêt pharmacologique. Ce sont aussi des intermédiaires de synthèse de choix pour la création de complexité chimique. Malgré de grands progrès dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C(sp3)–H, l'étude des cyclopropanes comme substrats dans les transformations directes est relativement nouvelle. Le chapitre trois présentera l'arylation intramoléculaire directe de cyclopropanes. Cette réaction est réalisée en présence de palladium, en quantité catalytique, en combinaison avec des sels d’argent. Des études mécanistiques ont réfuté la formation d'un énolate de palladium et suggéreraient plutôt une étape de métallation - déprotonation concertée. En outre, les cycles de type benzoazepinone à sept chaînons ont été synthétisés par l'intermédiaire d'une séquence d'activation de cyclopropane/ouverture/cyclisation. Une arylation directe intermoléculaire des cyclopropanes a été réalisée en présence d'un auxiliaire de type picolinamide (Chapitre 4). Les deux derniers chapitres de ce mémoire de thèse décriront nos études sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base. Le mécanisme de la réaction de cyclisation intramoléculaire d'halogénures d'aryle, réalisée en présence de tert-butylate de potassium, a été élucidé et se produit via une voie radicalaire (Chapitre 5). La transformation, exempte de métaux de transition, ne nécessite que la présence d’une base et de pyridine comme solvant. Cette réaction radicalaire a été étendue à la cyclisation d'iodures d'alkyle non activés en présence d'un catalyseur à base de nickel et de bis(trimethylsilyl)amidure de sodium comme base (Chapitre 6). Des études de RMN DOSY ont démontré une association entre le catalyseur, la base et le matériel de départ.

Caractérisation du rôle de l’amyline (IAPP) dans le diabète de type 2 : études de dérivés peptidiques et de composés inhibiteurs de la formation d’amyloïde

L’amyloïdose, une maladie progressive et incurable, implique une vaste panoplie de pathologies et de pathogénèses, qui est expliquée par la grande variabilité biologique et structurale des protéines responsables de la formation des dépôts d’amyloïde. L’amyline (polypeptide amyloïde des îlots pancréatiques, IAPP) est une protéine très susceptible de subir des changements de conformation impliquant les feuillets bêta et conférant aussi des propriétés physicochimiques distinctes. Cette protéine prend alors une forme fibrillaire et se dépose dans les îlots de Langerhans chez les humains atteints de diabète de type 2 ou d’insulinome. Ces dépôts d’amyloïde pancréatique (AIAPP) ont été décrits chez certaines espèces animales telles que les félins domestiques, les grands félins, le raton laveur et les primates non humains. La formation de dépôts d’amyloïde contribue à la pathogénèse du diabète de type 2, mais les mécanismes qui induisent la conversion de l’amyline (IAPP) en amyloïde (AIAPP) ne sont pas complètement compris. Les hypothèses du projet sont que certaines variations présentes dans les séquences peptidiques de l’IAPP provenant de différentes espèces animales jouent un rôle critique pour la formation de fibrilles et que plusieurs composés chimiques aromatiques/phénoliques sont capables d’abroger la formation de dépôts d’amyloïde. Le projet de recherche consiste donc à caractériser la propension des différentes isoformes animales d’IAPP à former de l’amyloïde in vitro afin d’identifier les acides aminés jouant un rôle clé dans cette transformation structurale et ultimement d’inhiber la formation d’amyloïde pancréatique. Le projet se divise en deux volets principaux. Le premier consiste à identifier les différentes séquences peptidiques de l’IAPP retrouvées chez les espèces animales. L’objectif est d’identifier les acides aminés jouant un rôle clé dans la formation d’amyloïde. Le gène de l’IAPP a été séquencé chez plus d’une quarantaine d’espèces. Le potentiel d’agrégation des séquences obtenues a été simulé à l’aide d’outils bioinformatique. Une librairie de 23 peptides a été commandée afin de procéder à des analyses physicochimiques in vitro permettant d’évaluer le potentiel amyloïdogénique (test fluorimétrique à la thioflavine T, essai de liaison au rouge Congo, dichroïsme circulaire, microscopie électronique à transmission) et cytotoxique (sur une lignée cellulaire provenant d’insulinome : INS-1). Les analyses effectuées à partir de la librairie constituée de 23 peptides ont permis d’identifier trois séquences ne formant pas d’amyloïde et qui proviennent des espèces animales suivantes : le tamarin lion doré (Leontopithecus rosalia), le grand dauphin (Tursiops truncatus) et l’alpaga (Vicugna pacos). Un site potentiellement critique est le segment 8-20 présentant le motif NFLVH qui ne forme plus d’amyloïde lorsqu’il est remplacé par le motif DFLGR ou KFLIR. Les acides aminés 29P, 14K et 18R sont également impliqués dans l’inhibition de la transformation structurale en fibrille. La dernière partie du projet consiste à inhiber la formation de l’amyloïde en utilisant des composés chimiques commercialisés (hypoglycémiants, anti-inflammatoires non stéroïdiens) ou nouvellement synthétisés dans notre laboratoire (les aryles éthyles urées). Un criblage d’une soixantaine de composés chimiques a été conduit dans cette étude. Leur efficacité a été testée sur l’IAPP humaine, qui possède un fort potentiel amyloïdogénique. Les techniques utilisées sont les mêmes que celles exploitées précédemment. L’essai de liaison croisée photo-induite ("photo-induced cross-linking of unmodified proteins", PICUP) a été réalisé afin d’étudier les formes intermédiaires (monomères, oligomères). Un total de 11 composés chimiques a démontré un potentiel à inhiber l’agrégation des fibrilles. Pour la classe des hypoglycémiants, le glyburide, le répaglinide et la troglitazone ont montré l’activité thérapeutique la plus élevée pour retarder et réduire la formation de fibrilles. Les anti-inflammatoires antiamyloïdogènes actifs incluaient le diclofenac, le méloxicam, le phénylbutazone, le sulindac et le ténoxicam. Les aryles étyles urées les plus intéressantes étaient la EU-362 et la EU-418. Tous ces composés ont conféré une protection cellulaire contre l’activité cytotoxique des fibrilles. Les molécules actives possèdent des éléments structuraux communs tels des substituants donneurs d’électrons (alcool, amine, halogène) sur un noyau benzène. En conclusion, ce projet de recherche a permis de caractériser l’IAPP chez diverses espèces animales, dont plusieurs chez lesquelles elle n’avait pas encore été décrite, de déterminer les sites jouant un rôle clé dans sa transformation en amyloïde et, ultimement, de tester le potentiel thérapeutique de nouveaux agents antiamyloïdogènes dans le diabète de type 2. Nous espérons que ce projet ouvrira ainsi la porte à de nouvelles stratégies de traitement.