Carbohydrates in asymmetric synthesis: enantioselective allylation of aldehydes

An enantioselective metal-mediated addition of allylic bromides to carbonyl compounds was achieved in the presence of the inexpensive and easily accessible carbohydrates saccharose and beta-cyclodextrin. The desired products were obtained in moderate to excellent yields and with up to 93% enantiomeric excess. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Development of simple and efficient synthetic strategies for production of fine chemicals of pharmaceutical relevance : metal-mediated allylation combined with applied catalysis

Den snart 200 år gamla vetenskapsgrenen organisk synteskemi har starkt bidragit till moderna samhällens välfärd. Ett av flaggskeppen för den organiska synteskemin är utvecklingen och produktionen av nya läkemedel och speciellt de aktiva substanserna däri. Därmed är det viktigt att utveckla nya syntesmetoder, som kan tillämpas vid framställningen av farmaceutiskt relevanta målstrukturer. I detta sammanhang är den ultimata målsättningen dock inte endast en lyckad syntes av målmolekylen, utan det är allt viktigare att utveckla syntesrutter som uppfyller kriterierna för den hållbara utvecklingen. Ett av de centralaste verktygen som en organisk kemist har till förfogande i detta sammanhang är katalys, eller mera specifikt möjligheten att tillämpa olika katalytiska reaktioner vid framställning av komplexa målstrukturer. De motsvarande industriella processerna karakteriseras av hög effektivitet och minimerad avfallsproduktion, vilket naturligtvis gynnar den kemiska industrin samtidigt som de negativa miljöeffekterna minskas avsevärt. I denna doktorsavhandling har nya syntesrutter för produktion av finkemikalier med farmaceutisk relevans utvecklats genom att kombinera förhållandevis enkla transformationer till nya reaktionssekvenser. Alla reaktionssekvenser som diskuteras i denna avhandling påbörjades med en metallförmedlad allylering av utvalda aldehyder eller aldiminer. De erhållna produkterna innehållende en kol-koldubbelbindning med en närliggande hydroxyl- eller aminogrupp modifierades sedan vidare genom att tillämpa välkända katalytiska reaktioner. Alla syntetiserade molekyler som presenteras i denna avhandling karakteriseras som finkemikalier med hög potential vid farmaceutiska tillämpningar. Utöver detta tillämpades en mängd olika katalytiska reaktioner framgångsrikt vid syntes av dessa molekyler, vilket i sin tur förstärker betydelsen för de katalytiska verktygen i organiska kemins verktygslåda.

Synthesis of chiral homoallylic alcohols and phthalans through the asymmetric allylation of carbonyl compounds /

The implementation of chiral centres within biologically active compounds has been a perplexing yet motivational force in chemistry. This work presents the attempted formation of a concurrent or sequential tandem catalyzed methodology of enantioselective nucleophilic addition and electrophilic cyclization. The 2'- arylalkynyl- aldehyde, ketone, and imine substrates used within were adeptly chosen with a dually activated structure; 1) for nucleophilic addition to the electrophilic substituents; and 2) for carbophilic activation of the alkyne substituent to undergo cyclization. To accomplish the nucleophilic addition, two distinct allylation methodologies were pursued: (/?)-BINOL catalyzed-allylboration and (5)- BINAP-AgF catalyzed-allylsilylation. BINAP catalyzed enantioselective allylation of 2'-arylalkynyl-aldehydes, to form chiral homoallylic alcohols, was successful. Homoallylic alcohols were isolated with high enantio-purity (>80%), which then underwent sequential cyclization to form chiral allylic phthalans, in moderate yields. An application of this methodology towards the construction of biologically active compounds was included with the partial synthesis of the natural product and H. pylori inhibitor, (+)-Spirolaxine methyl ether.

A DFT Guided/Experimental Approach to Asymmetric Allylation and Phase-Transfer Catalysis

The Dudding group is interested in the application of Density Functional Theory (DFT) in developing asymmetric methodologies, and thus the focus of this dissertation will be on the integration of these approaches. Several interrelated subsets of computer aided design and implementation in catalysis have been addressed during the course of these studies. The first of the aims rested upon the advancement of methodologies for the synthesis of biological active C(1)-chiral 3-methylene-indan-1-ols, which in practice lead to the use of a sequential asymmetric Yamamoto-Sakurai-Hosomi allylation/Mizoroki Heck reaction sequence. An important aspect of this work was the utilization of ortho-substituted arylaldehyde reagents which are known to be a problematic class of substrates for existing asymmetric allylation approaches. The second phase of my research program lead to the further development of asymmetric allylation methods using o-arylaldehyde substrates for synthesis of chiral C(3)-substituted phthalides. Apart from the de novo design of these chemistries in silico, which notably utilized water-tolerant, inexpensive, and relatively environmental benign indium metal, this work represented the first computational study of a stereoselective indium-mediated process. Following from these discoveries was the advent of a related, yet catalytic, Ag(I)-catalyzed approach for preparing C(3)-substituted phthalides that from a practical standpoint was complementary in many ways. Not only did this new methodology build upon my earlier work with the integrated (experimental/computational) use of the Ag(I)-catalyzed asymmetric methods in synthesis, it provided fundamental insight arrived at through DFT calculations, regarding the Yamamoto-Sakurai-Hosomi allylation. The development of ligands for unprecedented asymmetric Lewis base catalysis, especially asymmetric allylations using silver and indium metals, followed as a natural extension from these earlier discoveries. To this end, forthcoming as well was the advancement of a family of disubstituted (N-cyclopropenium guanidine/N-imidazoliumyl substituted cyclopropenylimine) nitrogen adducts that has provided fundamental insight into chemical bonding and offered an unprecedented class of phase transfer catalysts (PTC) having far-reaching potential. Salient features of these disubstituted nitrogen species is unprecedented finding of a cyclopropenium based C-H•••πaryl interaction, as well, the presence of a highly dissociated anion projected them to serve as a catalyst promoting fluorination reactions. Attracted by the timely development of these disubstituted nitrogen adducts my last studies as a PhD scholar has addressed the utility of one of the synthesized disubstituted nitrogen adducts as a valuable catalyst for benzylation of the Schiff base N-diphenyl methylene glycine ethyl ester. Additionally, the catalyst was applied for benzylic fluorination, emerging from this exploration was successful fluorination of benzyl bromide and its derivatives in high yields. A notable feature of this protocol is column-free purification of the product and recovery of the catalyst to use in a further reaction sequence.

Alilação e crotilação catalítica e enantiosseletiva de aldeídos

The field of chiral catalysis has experienced explosive growth over the last two decades. By now, many of the classical reactions in organic synthesis can be carried out efficiently in asymmetric manner. As one of the fundamental and powerful C-C bond-forming reactions, enantioselective catalytic allylation (ECA) and crotylation (ECC) of aldehydes has attracted considerable attention. In this article, we present an overview about the importance of chiral Lewis acids and bases in catalytic enantioselective addition of allyl- and crotyl metals to aldehydes and the application of this methodology in the total synthesis of natural and non-natural products.

Nucleophilic addition of potassium organotrifluoroborates to chiral cyclic N-acyliminium ions: stereoselective synthesis of functionalized N-heterocycles

The stereoselective nucleophilic addition of potassium aryl- and alkynyltrifluoroborates to cyclic N-acyliminium ion derivatives from N-benzyl-3,4,5-triacetoxy-2-pyrrolidinone, affording the respective 5-substituted 2-pyrrolidinone is described. The products were obtained in moderate to good yields and with preference for the syn diastereomer. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Stereoselective synthesis of the dolastatin units by organotrifluoroborates additions to alpha-amino aldehydes

Dolastatin units were synthesized from the 1,2-addition reactions of potassium allyl or crotyltrifluoroborate salts to aldehyde derivatives from natural amino acids. The reactions were carried out in presence of a phase-transfer catalyst in a biphasic medium at room temperature and excellent yields (>89-93%) and stereoselective (>90:10 to 98:2) were obtained. The dolastatin units 8 and 14a-b were obtained after three steps in good overall yields (50-62%). (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Alilação e crotilação catalítica e enantiosseletiva de aldeídos

The field of chiral catalysis has experienced explosive growth over the last two decades. By now, many of the classical reactions in organic synthesis can be carried out efficiently in asymmetric manner. As one of the fundamental and powerful C-C bond-forming reactions, enantioselective catalytic allylation (ECA) and crotylation (ECC) of aldehydes has attracted considerable attention. In this article, we present an overview about the importance of chiral Lewis acids and bases in catalytic enantioselective addition of allyl- and crotyl metals to aldehydes and the application of this methodology in the total synthesis of natural and non-natural products.

Regioselective modification of galactose-containing polysaccharides in aqueous media

Biorefining is defined as sustainable conversion of biomass into marketable products and energy. Forests cover almost one third of earth’s land area, and account for approximately 40% of the total annual biomass production. In forest biorefining, the wood components are, in addition to the traditional paper and board products, converted into chemicals and biofuels. The major components in wood are cellulose, hemicelluloses, and lignin. The main hemicellulose in softwoods, which are of interest especially for the Nordic forest industry, is O-acetyl galactoglucomannan (GGM). GGM can be isolated in industrial scale from the waste waters of the mechanical pulping process, but is not yet today industrially utilized. In order to attain desired properties of GGM for specific end-uses, chemical and enzymatic modifications can be performed. Regioselective modifications of GGM, and other galactose-containing polysaccharides were done by oxidations, and by combining oxidations with subsequent derivatizations of the formed carbonyl or carboxyl groups. Two different pathways were investigated: activation of the C-6 positions in different sugar units by TEMPO-mediated oxidation, and activation of C-6 position in only galactose-units by oxidation catalyzed by the enzyme galactose oxidase. The activated sites were further selectively derivatized; TEMPO-oxidized GGM by a carbodiimide-mediated reaction forming amides, and GO-oxidized GGM by indium-mediated allylation introducing double or triple bonds to the molecule. In order to better understand the reaction, and to develop a MALDI-TOF-MS method for characterization of regioselectively allylated GGM, α-D-galactopyranoside and raffinose were used as model compounds. All reactions were done in aqueous media. To investigate the applicability of the modified polysaccharides for, e.g., cellulose surface functionalization, their sorption onto pulp fibres was studied. Carboxylation affects the sorption tendency significantly; a higher degree of oxidation leads to lower sorption. By controlling the degree of oxidation of the polysaccharides and the ionic strength of the sorption media, high degrees of sorption of carboxylated polysaccharides onto cellulose could, however, be obtained. Anionic polysaccharides were used as templates during laccase-catalyzed polymerization of aniline, offering a green, chemo-enzymatic route for synthesis of conducting polyaniline (PANI) composite materials. Different polysaccharide templates, such as, native GGM, TEMPO-oxidized GGM, naturally anionic κ-carrageenan, and nanofibrillated cellulose produced by TEMPO-oxidation, were assessed. The conductivity of the synthesized polysaccharide/PANI biocomposites varies depending on the polysaccharide template; κ-CGN, the anionic polysaccharide with the lowest pKa value, produces the polysaccharide/PANI biocomposites with the highest conductivity. The presented derivatization, sorption, and polymerization procedures open new application windows for polysaccharides, such as spruce GGM. The modified polysaccharides and the conducting biocomposites produced provide potential applications in biosensors, electronic devices, and tissue engineering.

Synthèse de 4-désoxy hexopyrannoses, C-disaccharides et C-glycosides biologiquement actifs

Les glucides constituent la classe de molécules organiques la plus abondante et ceux-ci jouent des rôles cruciaux dans divers processus biologiques. De part leur importance médicinale, la préparation des désoxy-sucres, des C-glycosides et des C-disaccharides est devenue un sujet de pointe en synthèse organique. De façon générale, cette thèse décrit une nouvelle synthèse de novo des 4-désoxy hexopyrannoses en plus de la préparation de C-glycosides biologiquement actifs. De plus, une attention particulière a été portée à la préparation de novo de 4-désoxy-C-disaccharides. Dans un premier temps, le catalyseur de Cr(III) de Jacobsen et un complexe binaphtol/titane ont été utilisés pour réaliser des hétéro-Diels-Alder énantiosélectives. Les dihydropyrannes ainsi générés ont été transformés en 4-désoxy hexopyrannoses présents dans la nature. De cette façon, un dérivé de l’acide ézoaminuroïque, un précurseur de la désosamine et de la néosidomycine, a été préparé suivant cette approche de novo. De plus, à titre comparatif, la néosidomycine a également été fabriquée selon une approche chiron, à partir du méthyl alpha-D-mannopyrannoside. Finalement, une évaluation biologique préliminaire de la néosidomycine a été effectuée sur une la concanavaline-A (Chapitre 2). Dans un deuxième temps, une allylation stéréosélective sur un aldéhyde lié via des liens C-C à une unité mannoside a permis de générer un alcool homoallylique. Cette dernière fonctionnalité a été transformée en 4-désoxy hexopyrannose de configuration D ou L. De cette façon, la préparation de pseudo 4-désoxy-C-disaccharides, de 4-désoxy-C-disaccharides et de pseudo 4-désoxy aza-C-disaccharides a facilement été réalisée. Les rapports diastéréoisomériques de la réaction d’allylation ont été déterminés en plus de la configuration absolue des nouveaux centres stéréogéniques formés. La transformation des alcools homoallyliques en pyrannes poly hydroxylés ou en lactames poly hydroxylés a été réalisée, en plus de la déprotection de certains membres de cette famille pour une évaluation biologique préliminaire sur la concanavaline-A (Chapitre 3). Finalement, la synthèse de C-glycosides biologiquement actifs a été réalisée selon deux volets: i) préparation de 3-C-mannopyrannosyl coumarines et ii) synthèse de C-galactosides, inhibiteurs de la lectine PA-IL. Pour ce faire, le couplage de Heck a été utilisé à partir d’un ester alpha,bêta-insaturé, attaché à une unité glycosidique via des liens C-C, pour générer un dérivé glycosyl cinnamate de méthyle. Cependant, lorsque le 2-iodophénol est utilisé comme partenaire de Heck, la coumarine correspondante a été isolée. Les dérivés C-galactopyrannosyl cinnamates de méthyle représentent de bons inhibiteurs monovalents de la PA-IL avec un Kd aussi bas que 37 micro M (Chapitre 4).

Synthesis of ring A of (+)-Ambruticin S and bicyclic nucleosides for antisense drug technology

La synthèse énantiosélective de la (+)-ambruticine S, un produit naturel antifongique a été effectuée au sein de notre groupe. Trois approches ont été développées pour la synthèse du fragment lactone (cycle A). Ces trois voies d’accès au cycle A ont pour intermédiaire commun le methyl α-D-glycopyranoside déjà porteur du diol requis et disponible commercialement à bon prix. Une désoxygénation de l’hydroxyle en C-4 et l’homologation d’un carbone de la chaine latérale en C-6 ont permis l’obtention du cycle lactonique A. Le deuxième projet est une collaboration entre le groupe Hanessian et ISIS Pharmaceuticals afin de développer de nouveaux oligonucléosides antisens. Les nucléosides antisens [4.3.0]-bicycliques cis et trans ont été synthétisés avec succès à partir d’un monosaccharide naturel commun, L-arabinose, porteur des stéréocentres requis. Un réaction clé d’allylation de Sakurai a permis d’obtenir les diastéréoisomères cis et trans dans des conditions de contrôle de type Felkin-Ahn et de contrôle par chélation respectivement. Les composés bicycliques finaux cibles ont été obtenus par une réaction d’aldol intramoléculaire catalyzéé par la proline, par métathèse de fermeture de cycle et par l’application de la méthode de Vorbrüggen pour la synthèse de nucléosides.

Création de centres stéréogéniques sur les molécules acycliques par contrôle du substrat : synthèse de centres quaternaires et d'analogues de nucléosides

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

Synthèse d’un inhibiteur de la rénine, l’aliskiren et développement de méthodes catalytiques d’alkylation asymétrique

Une nouvelle approche pour la synthèse de l’aliskiren, un puissant inhibiteur de la rénine pour le traitement de l’hypertension chez l’homme, a été développée. De cette approche, des étapes clés tels qu’une allylation avec un des catalyseurs de MacMillan, une cyclisation par métathèse (RCM) pour la préparation d’une lactone à neuf membres et une séquence de réactions d’aziridination diastéréosélective/réarrangement de cycle par une catalyse acide donnant un produit aminohydroxylé ont permis de compléter la synthèse de l’aliskiren en 11 étapes. Durant l’élaboration de la séquence de réactions pour la préparation de l’aliksiren, il a été noté que la lactone à neuf membres avait une facilité à se réarranger via des intermédiaires quinonoïdaux et les produits issus de cette tendance ont été analysés. De plus, une étude sur la réaction de RCM, donnant la lactone à neuf membres, a montré une dépendance envers la nature diastéréomérique du substrat de départ. Une méthodologie d’alpha-allylation asymétrique de cétones catalysée au palladium, tirant avantage d’un ligand chiral PHOX, a été explorée et utilisée en vue de la synthèse de l’aliskiren. De cette méthode, une étude pour la synthèse de produits alpha-allylcétones acycliques a été démontrée et un effet d’additif sur la sélectivité et la vitesse de réaction a été découvert. De plus, la production d’un intermédiaire avancé d’un produit d’intérêts a été accomplie et la nature de la contribution de l’additif a été investiguée. Les produits obtenus depuis la méthodologie d’allylation catalysée au palladium et la formation d’intermédiaire cationique des certains dérivés de la synthèse de l’aliskiren ont inspirés une nouvelle approche faisant appel à des techniques d’alkylation en catalyse acide pour la formation de produits diaryliques. Il a été trouvé que le catalyseur de chlorure d’or(III) et de triflate de bismuth(III) étaient particulièrement efficaces, démontrant une différence de cinétique pour la réactivité d’un mélange diastéréoisomériques d’alcools alpha-substitués de départ.

Optimization of the ultrasound-assisted synthesis of allyl 1-naphthyl ether using response surface methodology

Allyl 1-naphthyl ethers are useful compounds for different purposes, but reported methods to synthesize them require long reaction times. In this work, we have obtained allyl 1-naphthyl ether in good yield using ultrasonic-assisted methodology in a 1-h reaction. A central composite design was used to obtain a statistical model and a response surface (p < 0.05; R(2) = 0.970; R(adj)(2) = 0.949; R(pred)(2) = 0.818) that can predict the optimal conditions to maximize the yield, validated experimentally. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.