1000 resultados para C–H functionalization


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Au cours de la dernière décennie, le domaine de la fonctionnalisation directe des liens C–H a connu un intérêt croissant, en raison de la demande de processus chimiques moins dispendieux, plus efficaces et plus écologiques. . Les cyclopropanes représentent un motif structural souvent retrouvé dans des agents biologiquement actifs importants et dans des intermédiaires de synthèse permettant l'accès à des architectures complexes. Malgré leur valeur intrinsèque, la fonctionnalisation directe des cyclopropanes n’a pas été largement explorée. Ce mémoire traitera de deux méthodologies liées, mais tout aussi différentes, impliquant la fonctionnalisation directe des liens C–H cyclopropaniques impliquant des réactions intramoléculaires catalysées par un complex de palladium et assistées par l’argent. Le premier chapitre présentera d’abord un bref survol de la littérature sur les fondements de la fonctionnalisation directe ainsi que les contributions majeures réalisées dans ce domaine. L’accent sera notamment mis sur la fonctionnalisation des centres sp3 et sera souligné par des exemples pertinents. Les découvertes clés concernant le mécanisme et les cycles catalytiques de ces processus seront discutées. Le second chapitre décrira comment les 2-bromoanilides peuvent être utilisés pour accéder à des motifs particuliers de type spiro 3,3’ oxindoles cyclopropyliques. L'optimisation et l’étendue de la réaction seront abordés, suivis par des études mécanistiques réfutant l’hypothèse de la formation d’un intermédiaire palladium-énolate. Ces études mécanistiques comprennent une étude cinétique de l'effet isotopique ainsi que des études sur épimérisation; celles-ci ont confirmé que la réaction se produit par arylation directe. Sur la base des résultats obtenus dans le deuxième chapitre, nous aborderons ensuite la fonctionnalisation directe des benzamides cyclopropyliques lesquels, après une ouverture de cycle, donneront de nouveaux produits benzo [c] azépine-1-ones (chapitre trois). Après avoir présenté une brève optimisation et l’étendue de la réaction, nous discuterons des études mécanistiques impliquées à déduire l'ordre des événements dans le cycle catalytique et à déterminer le rôle des réactifs. Celles-ci permetteront de conclure que la fonctionnalisation de l’unité cyclopropyle se produit avant l’ouverture de cycle et que l'acétate est responsable de la déprotonation-métalation concertée. Le dernier chapitre (chapitre quatre) traitera en rétrospective de ce qui a été appris à partir de deux méthodologies divergentes et connexes et de comment ces résultats peuvent être exploités pour explorer d’autres types de fonctionnalisations directes sur des cyclopropanes.

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This dissertation is mainly divided into two sub-parts: organometallic and bioinorganic/materials projects. The approach for the projects involves the use of two different multinucleating ligands to synthesize mono- and multinuclear complexes. Chapter 2 describes the synthesis of a multinucleating tris(phosphinoaryl)benzene ligand used to support mono-nickel and palladium complexes. The isolated mononuclear complexes were observed to undergo intramolecular arene C¬–H to C–P functionalization. The transformation was studied by nuclear magnetic resonance spectroscopy and X-ray crystallography, and represents a rare type of C–H functionalization mechanism, facilitated by the interactions of the group 10 metal with the arene π–system.

Chapter 3 describes the construction of multinickel complexes supported by the same triphosphine ligand from Chapter 2. This chapter shows how the central arene in the ligand’s triarylbenzene framework can interact with dinickel and trinickel moieties in various binding modes. X-ray diffraction studies indicated that all compounds display strong metal–arene interactions. A cofacial triangulo nickel(0) complex supported by this ligand scaffold was also isolated and characterized. This chapter demonstrates the use of an arene as versatile ligand design element for small molecular clusters.

Chapter 4 presents the syntheses of a series of discrete mixed transition metal Mn oxido clusters and their characterization. The synthesis of these oxide clusters displaying two types of transition metals were targeted for systematic metal composition-property studies relevant to mixed transition metal oxides employed in electrocatalysis. A series of heterometallic trimanganese tetraoxido cubanes capped with a redox-active metal [MMn3O4] (M = Fe, Co, Ni, Cu) was synthesized starting from a [CaMn3O4] precursor and structurally characterized by X-ray crystallography and anomalous diffraction to conclusively determine that M is incorporated at a single position in the cluster. The electrochemical properties of these complexes were studied via cyclic voltammetry. The redox chemistry of the series of complexes was investigated by the addition of a reductant and oxidant. X-ray absorption and electron paramagnetic resonance spectroscopies were also employed to evaluate the product of the oxidation/reduction reaction to determine the site of electron transfer given the presence of two types of redox-active metals. Additional studies on oxygen atom transfer reactivities of [MMn3O4] and [MMn3O2] series were performed to investigate the effect of the heterometal M in the reaction rates.

Chapter 5 focuses on the use of [CoMn3O4] and [NiMn3O4] cubane complexes discussed in Chapter 4 as precursors to heterogeneous oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts. These well-defined complexes were dropcasted on electrodes with/without heat treatment, and the OER activities of the resulting films were evaluated. Multiple spectroscopic techniques were performed on the surface of the electrocatalysts to gain insight into the structure-function relationships based on the heterometallic composition. Depending on film preparation, the Co-Mn-oxide was found to change metal composition during catalysis, while the Ni-Mn oxide maintained the NiMn3 ratio. These studies represent the use of discrete heterometallic-oxide clusters as precursors for heterogeneous water oxidation catalysts.

Appendix A describes the ongoing effort to synthesize a series of heteromultimetallic [MMn3X] clusters (X = O, S, F). Complexes such as [ZnMn3O], [CoMn3O], [Mn3S], and [Mn4F] have been synthesized and structurally characterized. An amino-bis-oxime ligand (PRABO) has been installed on the [ZnMn3O] cluster. Upon the addition of O2, the desymmetrized [ZnMn3O] cluster only underwent an outer-sphere, one-electron oxidation. Efforts to build and manipulate other heterometallic [MMn3X] clusters are still ongoing, targeting O2 binding and reduction. Appendix B summarizes the multiple synthetic approaches to build a [Co4O4]-cubane complex relevant to heterogeneous OER electrocatalysis. Starting with the tricobalt cluster [LCo3(O2CR)3] and treatment various strong oxidants that can serve as oxygen atom source in the presence Co2+ salt only yielded tricobalt mono–oxo complexes. Appendix C presents the efforts to model the H-cluster framework of [FeFe]-hydrogenase by incorporating a synthetic diiron complex onto a protein-supported or a synthetic ligand-supported [Fe4S4]-cluster. The mutant ferredoxin with a [Fe4S4]-cluster and triscarbene ligand have been characterized by multiple spectroscopic techniques. The reconstruction of an H-cluster mimic has not yet been achieved, due to the difficulty of obtaining crystallographic evidence and the ambiguity of the EPR results.

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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.

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Un objectif majeur en chimie organique est le développement de méthodes de synthèses générales, simples et peu coûteuses permettant la modification efficace des ressources naturelles en différents produits d’intérêt public. En particulier, la recherche de méthodes chimiosélectives et de méthodes dites « vertes » représente un intérêt croissant pour le secteur industriel (dont le domaine pharmaceutique). En fait, l’application en synthèse sur grande échelle de procédés catalytiques, sélectifs et utilisant des conditions douces permet de réduire le volume de déchets et la demande énergétique, minimisant ainsi les coûts de production et les effets néfastes sur l’environnement. Dans ce contexte, le groupe de recherche du Professeur André B. Charette de l’Université de Montréal s’intéresse au développement de méthodes générales et chimiosélectives permettant la transformation de fonctionnalités aisément accessibles tels que les amides et les alcools. La fonction amide, aussi appelée liaison peptidique dans les protéines, est présente dans diverses familles de molécules naturelles et est couramment employée comme intermédiaire synthétique dans la synthèse de produits d’intérêt pharmaceutique. Le groupement alcool est, quant à lui, l’une des fonctionnalités les plus abondantes dans la nature, intrinsèquement et largement utilisé en chimie de synthèse. Dans le cadre de cette thèse, des transformations simples, générales et chimiosélectives ont été réalisées sur des amides secondaires et tertiaires, ainsi que sur des alcools primaires et secondaires. La première partie de ce manuscrit se penche sur l’activation de la fonction amide par l’anhydride triflique (Tf2O), suivie de l’addition nucléophile de différents réactifs permettant ainsi la formation de plusieurs groupements fonctionnels versatiles, parfois indispensables, couramment employés en chimie organique tels que les aldimines, les aldéhydes, les amines, les cétones, les cétimines et des dérivés de la fonction amidrazone. Cette dernière fonctionnalité a également été utilisée dans des réactions successives vers la formation d’hétérocycles. De ce fait, des 1,2,4-triazoles ont été formés suite à une cyclodéshydratation initiée en conditions thermiques et faiblement acides. D’autre part, des 3-aminoindazoles ont été synthétisés par une fonctionnalisation C–H catalysée par un sel de palladium (II). La deuxième partie de la thèse est consacrée à la réaction de Mitsunobu en conditions acides, permettant ainsi la substitution nucléophile d’alcools en présence de carbamines (ou amines ne possédant pas de groupement électro-attracteurs). Ce type de nucléophile, basique lorsqu’utilisé comme base libre (avec un pKa se situant au-dessus de 13 dans le DMSO), n’est intrinsèquement pas compatible dans les conditions standards de la réaction de Mitsunobu. Contrairement aux conditions usuelles multi-étapes employant la réaction de Mitsunobu, la méthode développée au cours de cette étude permet la formation d’amines substituées en une seule étape et ne requiert pas l’emploi de groupements protecteurs.

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The functionalization of silicon surfaces with molecular catalysts for proton reduction is an important part of the development of a solar-powered, water-splitting device for solar fuel formation. The covalent attachment of these catalysts to silicon without damaging the underlying electronic properties of silicon that make it a good photocathode has proven difficult. We report the formation of mixed monolayer-functionalized surfaces that incor- porate both methyl and vinylferrocenyl or vinylbipyridyl (vbpy) moieties. The silicon was functionalized using reaction conditions analogous to those of hydrosilylation, but instead of a H-terminated Si surface, a chlorine-terminated Si precursor surface was used to produce the linked vinyl-modified functional group. The functionalized surfaces were characterized by time-resolved photoconductivity decay, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electro- chemical, and photoelectrochemical measurements. The functionalized Si surfaces were well passivated, exhibited high surface coverage and few remaining reactive Si atop sites, had a very low surface recombination velocity, and displayed little initial surface oxidation. The surfaces were stable toward atmospheric and electrochemical oxidation. The surface coverage of ferrocene or bipyridine was controllably varied from 0 up to 30% of a monolayer without loss of the underlying electronic properties of the silicon. Interfacial charge transfer to the attached ferrocene group was relatively rapid, and a photovoltage of 0.4 V was generated upon illumination of functionalized n-type silicon surfaces in CH3CN. The immobilized bipyridine ligands bound transition metal ions, and thus enabled the assembly of metal complexes on the silicon surface. XPS studies demonstrated that [Cp∗Rh(vbpy)Cl]Cl, [Cp∗Ir(vbpy)Cl]Cl, and Ru(acac)2vbpy were assembled on the surface. For the surface prepared with iridium, x-ray absorption spectroscopy at the Ir LIII edge showed an edge energy and post-edge features virtually identical to a powder sample of [Cp∗Ir(bipy)Cl]Cl (bipy is 2,2 ́-bipyridyl). Electrochemical studies on these surfaces confirmed that the assembled complexes were electrochemically active.

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Functionalized graphene is a versatile material that has well-known physical and chemical properties depending on functional groups and their coverage. However, selective control of functional groups on the nanoscale is hardly achievable by conventional methods utilizing chemical modifications. We demonstrate electrical control of nanoscale functionalization of graphene with the desired chemical coverage of a selective functional group by atomic force microscopy (AFM) lithography and their full recovery through moderate thermal treatments. Surprisingly, our controlled coverage of functional groups can reach 94.9% for oxygen and 49.0% for hydrogen, respectively, well beyond those achieved by conventional methods. This coverage is almost at the theoretical maximum, which is verified through scanning photoelectron microscope measurements as well as first-principles calculations. We believe that the present method is now ready to realize 'chemical pencil drawing' of atomically defined circuit devices on top of a monolayer of graphene. © 2014 Nature Publishing Group All rights reserved.

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L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés.

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The control of morphology and coating of metal surfaces is essential for a number of organic electronic devices including photovoltaic cells and sensors. In this study, we monitor the functionalization of gold surfaces with 11-mercaptoundecanoic acid (MUA, HS(CH(2))(10)CO(2)H) and cysteamine, aiming at passivating the surfaces for application in surface plasmon resonance (SPR) biosensors. Using polarization-modulated infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS), cyclic voltammetry, atomic force microscopy and quartz crystal microbalance, we observed a time-dependent organization process of the adsorbed MUA monolayer with alkyl chains perpendicular to the gold surface. Such optimized condition for surface passivation was obtained with a systematic search for experimental parameters leading to the lowest electrochemical signal of the functionalized gold electrode. The ability to build supramolecular architectures was also confirmed by detecting with PM-IRRAS the adsorption of streptavidin on the MUA-functionalized gold. As the approaches used for surface functionalization and its verification with PM-IRRAS are generic, one may now envisage monitoring the fabrication of tailored electrodes for a variety of applications.

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Lignocellulosic residues are interesting materials for the production of heavy metal adsorbents for aquatic systems. Whole fibers taken from coconut (Cocos nucifera) husks were functionalized with the thiophosphoryl (P=S) group by means of the direct reaction with CI(3)P=S, (CH(3)O)(2)CIP=S or (CH(3)CH(2)O)(2)CIP=S in order to obtain an adsorptive system for `soft` metal ions, particularly Cd(2+). These functionalized fibers (FFs) were characterized by means of elemental analysis, infrared spectroscopy, thermal analysis and acid-base titration. Adsorption isotherms for Cd(2+) fitted the Langmuir model, with binding capacities of 0.2-5 mmol g(-1) of FF at 25 degrees C. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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The repair of critical-sized bony defects remains a challenge in the fields of implantology, maxillofacial surgery and orthopaedics. As an alternative bone-defect filler to autologous bone grafts, deproteinized bovine bone (DBB) is highly osteoconductive and clinically now widely used. However, this product suffers from the disadvantage of not being intrinsically osteoinductive. In the present study, this property was conferred by coating DBB with a layer of calcium phosphate into which bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) was incorporated. Granules of DBB bearing a coating-incorporated depot of BMP-2--together with the appropriate controls (DBB bearing a coating but no BMP-2; uncoated DBB bearing adsorbed BMP-2; uncoated DBB bearing no BMP-2)--were implanted subcutaneously in rats. Five weeks later, the implants were withdrawn for a histomorphometric analysis of the volume densities of (i) bone, (ii) bone marrow, (iii) foreign-body giant cells and (iv) fibrous capsular tissue. Parameters (i) and (ii) were highest, whilst parameters (iii) and (iv) were lowest in association with DBB bearing a coating-incorporated depot of BMP-2. Hence, this mode of functionalization not only confers DBB with the property of osteoinductivity but also improves its biocompatibility--thus dually enhancing its clinical potential in the repair of bony defects.

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Click chemistry is a powerful technology for the functionalization of therapeutic proteins with effector moieties, because of its potential for bio-orthogonal, regio-selective, and high-yielding conjugation under mild conditions. Designed Ankyrin Repeat Proteins (DARPins), a novel class of highly stable binding proteins, are particularly well suited for the introduction of clickable methionine surrogates such as azidohomoalanine (Aha) or homopropargylglycine (Hpg), since the DARPin scaffold can be made methionine-free by an M34L mutation in the N-cap which fully maintains the biophysical properties of the protein. A single N-terminal azidohomoalanine, replacing the initiator Met, is incorporated in high yield, and allows preparation of "clickable" DARPins at about 30 mg per liter E. coli culture, fully retaining stability, specificity, and affinity. For a second modification, we introduced a cysteine at the C-terminus. Such DARPins could be conveniently site-specifically linked to two moieties, polyethylene glycol (PEG) to the N-terminus and the fluorophore Alexa488 to the C-terminus. We present a DARPin selected against the epithelial cell adhesion molecule (EpCAM) with excellent properties for tumor targeting as an example. We used these doubly modified molecules to measure binding kinetics on tumor cells and found that PEGylation has no effect on dissociation rate, but slightly decreases the association rate and the maximal number of cell-bound DARPins, fully consistent with our previous model of PEG action obtained in vitro. Our data demonstrate the benefit of click chemistry for site-specific modification of binding proteins like DARPins to conveniently add several functional moieties simultaneously for various biomedical applications.

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The biomimetic coating technique can be used to deposit layers of calcium phosphate (CaP) on medical devices to improve their osteoconductivity and osseointegration.The inorganic layer generated is akin to mineralized bone matrix and can be degraded as such. The biomimetic coating technique involves the nucleation and growth of bone-like crystals on a pretreated substrate by immersing it in a supersaturated solution of CaP under physiological conditions of temperature (37°C) and pH (7.4). The method, originally developed by Kokubo and his co-workers in 1990, has since undergone improvement and refinement by several groups of investigators. Biomimetic coatings are valuable in that they can serve as a vehicle for the slow, sustained release of osteogenic agents at the site of implantation. This attribute is rendered possible by the near-physiological conditions under which these coatings are prepared, which permits the incorporation of bioactive agents into the inorganic crystal latticework rather than their superficial adsorption on preformed layers. In addition, the biomimetic coating technique can be applied to implants of an organic as well as of a metallic nature and to those with irregular surface geometries, which is not possible using conventional methodologies.

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Two novel bicyclo nucleoside isomers carrying the base thymine in the furanose ring and an ester substituent in the carbocyclic ring were synthesized from a common bicyclic sugar precursor via a cyclopropanation/fragmentation pathway in nine steps. The relative configuration of the ester substituent in both isomers as well as the anomeric configuration in one nucleoside was determined by 1H-NMR difference NOE spectroscopy.