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.

Copper transfer from the Cu(I) chaperone, CopZ, to the repressor, Zn(II)CopY: Metal coordination environments and protein interactions

Extracellular copper regulates the DNA binding activity of the CopY repressor of Enterococcus hirae and thereby controls expression of the copper homeostatic genes encoded by the cop operon. CopY has a CxCxxxxCxC metal binding motif. CopZ, a copper chaperone belonging to a family of metallochaperones characterized by a MxCxxC metal binding motif, transfers copper to CopY. The copper binding stoichiometries of CopZ and CopY were determined by in vitro metal reconstitutions. The stoichiometries were found to be one copper(l) per CopZ and two copper(l) per CopY monomer. X-ray absorption studies suggested a mixture of two- and three-coordinate copper in Cu(1)CopZ, but a purely three-coordinate copper coordination with a Cu-Cu interaction for Cu(1)(2)CopY. The latter coordination is consistent with the formation of a compact binuclear Cu(l)-thiolate core in the CxCxxxxCxC binding motif of CopY. Displacement of zinc, by copper. from CopY was monitored with 2,4-pyridylazoresorcinol. Two copper(l) ions were required to release the single zinc(II) ion bound per CopY monomer. The specificity of copper transfer between CopZ and CopY was dependent on electrostatic interactions. Relative copper binding affinities of the proteins were investigated using the chelator, diethyldithiocarbamic acid (DDC). These data suggest that CopY has a higher affinity for copper than CopZ. However, this affinity difference is not the sole factor in the copper exchange: a charge-based interaction between the two proteins is required for the transfer reaction to proceed. Gain-of-function mutation of a CopZ homologue demonstrated the necessity of four lysine residues on the chaperone for the interaction with CopY. Taken together, these results suggest a mechanism for copper exchange between CopZ and CopY.

Enzymatic activity mastered by altering metal coordination spheres

J Biol Inorg Chem (2008) 13:1185–1195 DOI 10.1007/s00775-008-0414-3

Self-assembled Transition Metal Coordination Frameworks of Carbohydrazone and Thiocarbohydrazone Ligands: Structural, Spectral, Magnetic and Anticancer Properties

Chemistry occupies a unique middle position in the scientific arena, between physics and mathematics on the one side and biology, ecology, sociology and economics on the other [1]. Chemistry is the science of matter and of its transformations, and life is its highest expression [2]. According to reductionist thinking biology is reducible into chemistry, chemistry into physics, and ultimately physics into mathematics. Reductionism implies the ease of understanding one level in terms of another.The work presented this thesis comprises synthesis and characterization of suitably substituted thiocarbohydrazone and carbohydrazone ligand building blocks, self-assembled metallosupramolecular square grid complexes as well as some di/multinuclear complexes. The primary aim was the deliberate syntheses of some novel transition metal framework complexes, mainly metallosupramolecular coordination square grids by self-assembly and their physico-chemical characterization. The work presented, however, also include synthesis and characterization of four mononuclear Ni(II) complexes of two thiosemicarbazones, which we carried out as a preliminary and supporting study. Based on the present work we would like to conclude that the carbohydrazones, thiocarbohydrazones and their coordination framework complexes of transition metals are promising systems for wide application in science and technology varied from physics to biotechnology. Novel classes of materials and biologically important potential compounds open up further scope of researches and we hopefully welcome any sort of related research to make this work more valuable.

Design and characterization of α-melanotropin peptide analogs cyclized through rhenium and technetium metal coordination

α-Melanocyte stimulating hormone (α-MSH) analogs, cyclized through site-specific rhenium (Re) and technetium (Tc) metal coordination, were structurally characterized and analyzed for their abilities to bind α-MSH receptors present on melanoma cells and in tumor-bearing mice. Results from receptor-binding assays conducted with B16 F1 murine melanoma cells indicated that receptor-binding affinity was reduced to approximately 1% of its original levels after Re incorporation into the cyclic Cys4,10, d-Phe7–α-MSH4-13 analog. Structural analysis of the Re–peptide complex showed that the disulfide bond of the original peptide was replaced by thiolate–metal–thiolate cyclization. A comparison of the metal-bound and metal-free structures indicated that metal complexation dramatically altered the structure of the receptor-binding core sequence. Redesign of the metal binding site resulted in a second-generation Re–peptide complex (ReCCMSH) that displayed a receptor-binding affinity of 2.9 nM, 25-fold higher than the initial Re–α-MSH analog. Characterization of the second-generation Re–peptide complex indicated that the peptide was still cyclized through Re coordination, but the structure of the receptor-binding sequence was no longer constrained. The corresponding 99mTc- and 188ReCCMSH complexes were synthesized and shown to be stable in phosphate-buffered saline and to challenges from diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) and free cysteine. In vivo, the 99mTcCCMSH complex exhibited significant tumor uptake and retention and was effective in imaging melanoma in a murine-tumor model system. Cyclization of α-MSH analogs via 99mTc and 188Re yields chemically stable and biologically active molecules with potential melanoma-imaging and therapeutic properties.

Shvo's catalyst in chemoenzymatic dynamic kinetic resolution of amines-inner or outer sphere mechanism?

Evidence is provided for the inner-sphere mechanism with actual metal coordination of the racemic amine in the crucial hydrogen transfer step promoted by Shvo's catalyst of the chemoenzymatic dynamic kinetic resolution (DKR) of amines. Key intermediates involved in this H-transfer step were intercepted and continuously monitored by electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS) and characterized by their dissociation chemistries via ESI-MS/MS. © 2013 The Royal Society of Chemistry.

The mechanism of formate oxidation by metal-dependent formate dehydrogenases

J Biol Inorg Chem (2011) 16:1255–1268 DOI 10.1007/s00775-011-0813-8

Synthesis, characterization and applications of new schiff base fluorescent chemosensors for metal and DNA interactions: conventional and "green" approaches

Dissertação apresentada para a obtenção do Grau de Doutor em Química Sustentável, especialidade de Química-Física Inorgânica, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Development of an environmentally friendly method of starch oxidation by hydrogen peroxide and a complex water-soluble Iron catalyst

Oxidized starch is a key component in the paper industry, where it is used as both surfacing sizer and filler. Large quantities are annually used for this purpose; however, the methods for the oxidation are not environmentally friendly. In our research, we have studied the possibility to replace the harmful oxidation agents, such as hypochlorite or iodates and transition metal catalysts, with a more environmentally friendly oxidant, hydrogen peroxide (H2O2), and a special metal complex catalyst (FePcS), of which only a small amount is needed. The work comprised batch and semi-batch studies by H2O2, ultrasound studies of starch particles, determination of low-molecular by-products and determination of the decomposition kinetics of H2O2 in the presence of starch and the catalyst. This resulted in a waste-free oxidation method, which only produces water and oxygen as side products. The starch oxidation was studied in both semi-batch and batch modes in respective to the oxidant (H2O2) addition. The semi-batch mode proved to yield a sufficient degree of substitution (COOH groups) for industrial purposes. Treatment of starch granules by ultrasound was found to improve the reactivity of starch. The kinetic results were found out to have a rather complex pattern – several oxidation phases were observed, apparently due to the fact that the oxidation reaction in the beginning only took place on the surface, whereas after a prolonged reaction time, partial degradation of the solid starch granules allowed further reaction in the interior parts. Batch-mode experiments enabled a more detailed study of the mechanisms of starch in the presence of H2O2 and the catalyst, but yielded less oxidized starch due to rapid decomposition of H2O2 due to its high concentrations. The effect of the solid-liquid (S/L) ratio in the reaction system was studied in batch experiments. These studies revealed that the presence of the catalyst and the starch enhance the H2O2 decomposition.

Contrôle de l'organisation moléculaire en 2D et 3D par l’utilisation de liaisons hydrogène, de coordination métallique et d'autres interactions

La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie.

Studies on some supported transition metal complex and metal oxide catalysts for oxidation reactions

Zeolite encapsulated transition metal complexes have received wide attention as an effective heterogenized system that combines the tremendous activity of the metal complexes and the attractive features of the zeolite structure. Zeolite encapsulated complexes offer a bright future for attempts to replace homogeneous systems retaining its catalytic activity and minimizing the technical problems. especially for the partial oxidation of organic compounds. Studies on some zeolite encapsulated transition metal complexes are presented in this thesis. The ligands selected are technically important in a bio-mimetic or structural perspective. Attempts have been made in this study to investigate the composition, structure and stability of encapsulated complexes using available techniques. The catalytic activity of encapsulated complexes was evaluated for the oxidation of some organic compounds. The recycling ability of the catalyst as a result of the encapsulation was also studied.Our studies on Cu-Cr/Al2O3, a typical metal oxide catalyst. illustrate the use of design techniques to modify the properties of such conventional catalysts. The catalytic activity of this catalyst for the oxidation of carbon monoxide was measured. The effect of additives like Ce02 or Ti02 on the activity and stability of this system was also investigated. The additive is potent to improve the activity and stability ofthe catalyst so as to be more effective in commercial usage.

The coordination chemistry of 1,2,4-triazinyl bipyridines with lanthanide(III) elements - implications for the partitioning of americium(III)

It has been established that 6-(5,6-dialkyl-1,2,4-triazin-3-yl)-2,2'-bipyridines (R,hemi-BTPs) have properties which are intermediate between those of the terpyridines and the bis(1,2,4-triazin-3-yl)pyridines (BTPs). However, they resemble the terpyridines much more closely than the BTPs. It has been shown that Et, hemi-BTP when dissolved in TPH-a dodecane-like solvent-is a selective reagent for the separation of americium(III) from europium(III). Solution NMR in acetonitrile largely confirmed the crystallographic results. There was no evidence for a 1 : 3 complex cation, or for significant differences between metal(III)-N distances for the pyridine and 1,2,4-triazine rings. Intramolecular hydrogen bonding plays a crucial role in the formation of metal coordination spheres, which explains the differences between the terpyridyl, R,hemi-BTPs and the BTPs. Protonation of the R,hemi-BTPs facilitates a conformational change which is necessary for complexation.