Preparation of association compound between rhodium(II) citrate and β-cyclodextrin

Inclusion compound of rhodium(II) citrate with β-cyclodextrin in a 1:1 molar ratio was prepared using freeze-drying method. X-ray diffactometry, thermal analysis (TG/DTG/DSC), infrared and ¹H-NMR with ¹H spin lattice relaxation (¹H T1) measurements and 13C techniques were used to characterize the system prepared. The results indicated the formation of inclusion or association compounds between rhodium(II) citrate and β-cyclodextrin.

Intramolecular carbenoid insertions : the reactions of [alpha]-diazoketones derived from furanyl, thienyl, benzofuranyl and benzothienyl acetic acids with rhodium (II) acetate /

A number of synthetically useful ring systems can be prepared via the intramolecular insertion of a metal-stabilized carbenoid into a heteroaromatic systems. The chemical outcome of these reactions are dependent not only on the nature of the heteroatom but also on the length of the aliphatic tether linking the carbenoid moiety with the aromatic fragment. Our work with furanyl and thienyl systems containing a single methylene tether have allowed for some rather atypical chemistry. For example, treatment of l-diazo-3-(2-thienyl)-2-propanone (6) with catalytic rhodium (II) acetate yields 5,6- dihydro-4^-cyclopenta[Z>]thiophen-5-one (3) while, the isomeric l-diazo-3-(3-thienyl)-2- propanone(15) gives a spiro-disulphide (20). Novel chemistry was also exhibited in the analogous furanyl systems. While treatment of l-diazo-3-(3-furanyl)-2-propanone (52) with Rh2(OAc)4 resulted in the expected 2-(4-Oxo-2-cyclopentenyliden)acetaldehyde (54), isomeric l-diazo-3-(2- furanyl)-2-propanone (8) undergoes vinylogous Wolff rearrangement to give a mixture of 6a-methyl-2,3,3a,6a-tetrahydrofuro[2,i-^>]furan-2-one (44) and 2-(2-methyl-3-furyl)acetic acid (43). Rhodium acetate catalyzed decomposition of l-diazo-3-(3-benzofuranyl)-2- propanone (84) and l-diazo-3-(2-benzofuranyl)-2-propanone (69)also allows for vinylogous Wolff rearrangement, a chemistry unseen in benzofuranyl systems with longer tethers. A number of interesting products were isolated from the trapping of intermediate ketenes. Decomposition of l-diazo-3-(3-benzothienyl)-2-propanone (100) resulted in the formation of 2,3-dihydro-l//-benzo[^]cyclopenta[^thiophen-2-one (102). However, in addition to (102), a dimer was also generated from the decomposition of l-diazo-3-(2- benzothienyl)-2-propanone (109). The insight into the mechanistic underpinnings of the above reactions are provided by molecular modeling at a PM3 level.

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.

Synthèse formelle de l’hormaomycine et de la bélactosine A par utilisation d’une réaction de cyclopropanation intramoléculaire catalysée par un complexe de rhodium (II)

Ce mémoire présente trois approches différentes vers la synthèse du 3–(trans–2–nitrocyclopropyl)alanine, un intermédiaire synthétique de la hormaomycine. Cette molécule naturelle démontre d’intéressantes activités biologiques et pharmacologiques. Il est intéressant de souligner que ce dérivé donne facilement accès au 3–(trans–2–aminocyclopropyl)alanine, unité centrale de la bélactosine A. Ce composé naturel possédant lui aussi d’intéressantes propriétés biologiques, plusieurs études relationnelles structures-activités menant à des dérivés plus actifs de cette molécule ont été entreprises, démontrant l’intérêt toujours présent de synthétiser de façon efficace et optimale ces dérivés cyclopropaniques. Une méthodologie développée au sein de notre groupe de recherche et basée sur une réaction de cyclopropanation intramoléculaire diastéréosélective sera mise à profit afin d’élaborer une nouvelle voie de synthèse aussi élégante qu’efficace à la construction du 3–(trans–2–nitrocyclopropyl) alanine. En utilisant un carbène de rhodium généré soit par la dégradation d’un dérivé diazoïque, soit par la formation d’un réactif de type ylure d’iodonium, une réaction de cyclopropanation diastéréosélective permettra la formation de deux autres centres contigus et ce, sans même utiliser d’auxiliaire ou de catalyseur énantioenrichis. Ensuite, un réarrangement intramoléculaire précédant deux réactions synchronisées d’ouverture de cycle et de décarboxylation permettront l’obtention du composé d’intérêt avec un rendement global convenable et en relativement peu d’étapes. De cette manière, la synthèse formelle de la bélactosine A et de l’hormaomycine a été effectuée. Cette synthèse se démarque des autres par l’utilisation d’une seule transformation catalytique énantiosélective.

Synthèse stéréosélective de dérivés cyclopropaniques di-accepteurs par catalyse avec des complexes de rhodium(II)

Les dérivés cyclopropaniques di-accepteurs représentent des intermédiaires synthétiques précieux dans l’élaboration de structures moléculaires complexes, ayant des applications dans plusieurs domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse de ces unités sous forme énantioenrichie en utilisant la cyclopropanation d’alcènes par catalyse avec des complexes de Rh(II) utilisant des composés diazoïques di-accepteurs comme substrats. Suite au développement initial d’une méthode de cyclopropanation d’alcènes catalytique asymétrique utilisant des nitro diazocétones, de multiples études expérimentales quant au mécanisme de stéréoinduction dans ce type de réaction ont été effectuées. Nous avons alors pu identifier le groupement p-méthoxyphénylcétone du substrat et le catalyseur Rh2(S-TCPTTL)4 comme étant une combinaison clé pour l’atteinte de diastéréosélectivités et d’excès énantiomères élevés. Ceci a mené au développement de deux autres méthodes de cyclopropanation stéréosélectives distinctes, utilisant soit une cyano diazocétone ou un céto diazoester. Nous avons démontré l’utilité des dérivés cyclopropaniques énantioenrichis obtenus par ces trois méthodes dans une panoplie de manipulations synthétiques, dont l’addition nucléophile d’amines et de cuprates, la cycloaddition formelle avec un aldéhyde, et la synthèse de dérivés cyclopropaniques importants en chimie médicinale. Une étude structurelle approfondie des complexes de Rh(II) chiraux nous a permis de déterminer les facteurs responsables de leur pouvoir d’énantioinduction dans notre système réactionnel, ce qui a d’énormes implications dans d’autres méthodologies utilisant ces mêmes catalyseurs. Le dévoilement d’une conformation inattendue dite ‘All-up’, ainsi que de la présence d’interactions stabilisantes régissant la rigidité de cet arrangement se sont avérés cruciaux dans notre compréhension du mécanisme. Dans le cadre de cette investigation, nous avons développé une méthode générale pour la synthèse de complexes de Rh(II) hétéroleptiques, multipliant ainsi le nombre de catalyseurs accessibles dans l’élaboration éventuelle de nouvelles réactions stéréosélectives, et nous permettant d’effectuer une étude structurelle plus détaillée. De plus, nous avons développé une méthode particulièrement efficace pour la synthèse d’un autre type de dérivé cyclopropanique di-accepteur par catalyse avec des complexes de Rh(II), les cyano-cyclopropylphosphonates. Les produits de cette transformation sont obtenus avec des énantiosélectivités élevées, et sont des substrats intéressants pour des réactions tandem d’ouverture de cycle par addition nucléophile / oléfination de composés carbonylés. De plus, ces composés sont des précurseurs de molécules utiles en chimie médicinale tels que les acides aminocyclopropylphosphoniques.

Free Rhodium (II) citrate and rhodium (II) citrate magnetic carriers as potential strategies for breast cancer therapy

Abstract Background Rhodium (II) citrate (Rh2(H2cit)4) has significant antitumor, cytotoxic, and cytostatic activity on Ehrlich ascite tumor. Although toxic to normal cells, its lower toxicity when compared to carboxylate analogues of rhodium (II) indicates Rh2(H2cit)4 as a promising agent for chemotherapy. Nevertheless, few studies have been performed to explore this potential. Superparamagnetic particles of iron oxide (SPIOs) represent an attractive platform as carriers in drug delivery systems (DDS) because they can present greater specificity to tumor cells than normal cells. Thus, the association between Rh2(H2cit)4 and SPIOs can represent a strategy to enhance the former's therapeutic action. In this work, we report the cytotoxicity of free rhodium (II) citrate (Rh2(H2cit)4) and rhodium (II) citrate-loaded maghemite nanoparticles or magnetoliposomes, used as drug delivery systems, on both normal and carcinoma breast cell cultures. Results Treatment with free Rh2(H2cit)4 induced cytotoxicity that was dependent on dose, time, and cell line. The IC50 values showed that this effect was more intense on breast normal cells (MCF-10A) than on breast carcinoma cells (MCF-7 and 4T1). However, the treatment with 50 μM Rh2(H2cit)4-loaded maghemite nanoparticles (Magh-Rh2(H2cit)4) and Rh2(H2cit)4-loaded magnetoliposomes (Lip-Magh-Rh2(H2cit)4) induced a higher cytotoxicity on MCF-7 and 4T1 than on MCF-10A (p < 0.05). These treatments enhanced cytotoxicity up to 4.6 times. These cytotoxic effects, induced by free Rh2(H2cit)4, were evidenced by morphological alterations such as nuclear fragmentation, membrane blebbing and phosphatidylserine exposure, reduction of actin filaments, mitochondrial condensation and an increase in number of vacuoles, suggesting that Rh2(H2cit)4 induces cell death by apoptosis. Conclusions The treatment with rhodium (II) citrate-loaded maghemite nanoparticles and magnetoliposomes induced more specific cytotoxicity on breast carcinoma cells than on breast normal cells, which is the opposite of the results observed with free Rh2(H2cit)4 treatment. Thus, magnetic nanoparticles represent an attractive platform as carriers in Rh2(H2cit)4 delivery systems, since they can act preferentially in tumor cells. Therefore, these nanopaticulate systems may be explored as a potential tool for chemotherapy drug development.

Double stranded DNA-binding studies of potential Rhodium(ll) antitumor complexes

In 1952, Dwyer and coworkers began testing a series of metal complexes for potential inhibition of cancer cell proliferation in animals.[l] The complexes tested were unsuitable for such studies due to their high toxicity. Therefore, no further work was done on the project. However, in 1965, Rosenberg and coworkers revisited the possibility of potential metal-based drugs. Serendipitously, they discovered that cis-diamminedichloroplatinum(lI) (cisplatin) inhibits cell division in E. coli.[2] Further studies of this and other platinum compounds revealed inhibition of tumor cell lines sarcoma 180 and leukemia LI2l0 in mice.[l] Cisplatin was approved by the Food and Drug Administration in 1970 as a chemical chemotherapeutic agent in the treatment of cancer. The drug has primarily been used in the treatment of testicular and ovarian cancers, although the powerful chemotherapeutic properties of the compound indicate use against a variety of other cancers.[3] The toxicity of this compound, however, warrants the development of other metal-based potential antitumor agents. The success of cisplatin, a transition-metal-based chemotherapeutic, opened the doors to a host of research on the antitumor effects of other transition-metal complexes. Beginning in the 1970s, researchers looked to rhodium for potential use in antitumor complexes. Dirhodium complexes with bridging equatorial ligands (Figure I) were the primary focus for this research. The overwhelming majority of these complexes were dirhodium(II) carboxylate complexes, containing two rhodium(II) centers, four equatorial ligands in a lantero formation around the metal center, and an axial ligand on either end. The family of complexes in Figure 1 will be referred to as dirhodium(II) carboxylate complexes. The dirhodium centers are each d? with a metal-metal bond between them. Although d? atoms are paramagnetic, the two unpaired electrons pair to make the complex diamagnetic. The basic formula of the dirhodium(lI) carboxylate complexes is Rh?(RCOO)?(L)? with R being methyl, ethyl, propyl, or butyl groups and L being water or the solvent in which the complex was crystalized. Of these dirbodium(II) carboxylate complexes, our research focuses on Rb la and two other similar complexes Rh2 and Rh3 (Figure 2). Rh2 is an activated form of Rhla, with four acetonitrile groups in place of two of the bidentate acetate ligands. Rh3 is similar to Rhla, with trifluoromethyl groups in place of the methyl groups on the acetate ligands.

Réaction d’amination intramoléculaire de liens C-H à partir de N-mésyloxycarbamates catalysée par des complexes de rhodium et d’autres métaux de transition : s ynthèse verte d’oxazolidinones

La réaction d’amination de liens C-H, impliquant la transformation directe d’un lien C-H en lien C-N constitue une approche synthétique d’avenir pour la préparation de composés azotés. L’application de cette stratégie de manière intramoléculaire apparaît comme une approche puissante pour la synthèse de composés hétérocycliques. En particulier, les oxazolidinones, carbamates cycliques à cinq chaînons, constituant une nouvelle classe d’antibiotiques très prometteuse, pourraient être synthétisées par cette méthode. Il y a moins d’une dizaine d’années, notre groupe de recherche a travaillé sur le développement de méthodologies utilisant des espèces nitrènes métalliques pour l’amination intra et intermoléculaire. Les N-tosyloxycarbamates, en présence d’une base et d’un catalyseur dimère de rhodium (II) tétracarboxylate sont les précurseurs de ces espèces nitrènes métalliques, capables de faire l’insertion de liens C(sp3)-H. Dans ces travaux de thèse, nous avons travaillé sur le développement d’une méthode plus « verte » d’amination intramoléculaire. Les N-mésyloxycarbamates, plus légers que leurs homologues N-tosyloxycarbamates, ont été identifiés comme d’excellents précurseurs de nitrènes. La méthodologie développée ne nécessite que 3 mol % de dimère de rhodium Rh2(tpa)4 et de 1,5 équivalents de solution aqueuse saturée de K2CO3, le tout dans l’acétate d’éthyle et donne de bons rendements de cyclisation. Une étude de l’étendue réactionnelle a été effectuée, montrant la tolérance et les limitations de notre système catalytique : les hétéroatomes ne posent pas de problèmes hormis l’atome d’azote, qui doit être protégé afin de garantir la transformation. En outre, nous avons constaté que les liens C-H aliphatiques secondaires sont moins réactifs que les liens tertiaires. Après avoir tenté de développer des conditions réactionnelles spécifiques aux liens C-H non activés, nous avons montré la possibilité d’aminer des liens C-H propargyliques de manière chimiosélective ; la triple liaison C-C peut ensuite être dérivatisée efficacement, donnant accès à la formule saturée correspondante ainsi qu’à d’autres motifs. Dans un désir de substituer les complexes de rhodium par d’autres complexes de métaux plus abondants et moins dispendieux, nous nous sommes tournés, dans un premier temps, vers les complexes de fer et par la suite, vers les pinceurs de nickel. Les phtalocyanines de fer ont été identifiées comme étant de bons catalyseurs de l’amination intramoléculaire de N-mésyloxycarbamates. Le chlorure de phtalocyanine de fer (III), en présence d’un sel de AgBF4 et de K2CO3, dans le 1,1,2,2-tétrachloroéthane anhydre, permet l’obtention de la 4-phenyloxazolidin-2-one avec 63% de rendement. En outre, il est possible d’atteindre un rendement de 49% à partir du même substrat N-mésyloxycarbamate, par catalyse avec un pinceur de nickel de type POCN, en présence d’un sel de mésylate. Des indices sur le mécanisme des ces deux transformations ont pu être recueillis lors de la courte étude de ces systèmes.

Réaction d’amination intramoléculaire de liens C-H à partir de N-mésyloxycarbamates catalysée par des complexes de rhodium et d’autres métaux de transition : s ynthèse verte d’oxazolidinones

La réaction d’amination de liens C-H, impliquant la transformation directe d’un lien C-H en lien C-N constitue une approche synthétique d’avenir pour la préparation de composés azotés. L’application de cette stratégie de manière intramoléculaire apparaît comme une approche puissante pour la synthèse de composés hétérocycliques. En particulier, les oxazolidinones, carbamates cycliques à cinq chaînons, constituant une nouvelle classe d’antibiotiques très prometteuse, pourraient être synthétisées par cette méthode. Il y a moins d’une dizaine d’années, notre groupe de recherche a travaillé sur le développement de méthodologies utilisant des espèces nitrènes métalliques pour l’amination intra et intermoléculaire. Les N-tosyloxycarbamates, en présence d’une base et d’un catalyseur dimère de rhodium (II) tétracarboxylate sont les précurseurs de ces espèces nitrènes métalliques, capables de faire l’insertion de liens C(sp3)-H. Dans ces travaux de thèse, nous avons travaillé sur le développement d’une méthode plus « verte » d’amination intramoléculaire. Les N-mésyloxycarbamates, plus légers que leurs homologues N-tosyloxycarbamates, ont été identifiés comme d’excellents précurseurs de nitrènes. La méthodologie développée ne nécessite que 3 mol % de dimère de rhodium Rh2(tpa)4 et de 1,5 équivalents de solution aqueuse saturée de K2CO3, le tout dans l’acétate d’éthyle et donne de bons rendements de cyclisation. Une étude de l’étendue réactionnelle a été effectuée, montrant la tolérance et les limitations de notre système catalytique : les hétéroatomes ne posent pas de problèmes hormis l’atome d’azote, qui doit être protégé afin de garantir la transformation. En outre, nous avons constaté que les liens C-H aliphatiques secondaires sont moins réactifs que les liens tertiaires. Après avoir tenté de développer des conditions réactionnelles spécifiques aux liens C-H non activés, nous avons montré la possibilité d’aminer des liens C-H propargyliques de manière chimiosélective ; la triple liaison C-C peut ensuite être dérivatisée efficacement, donnant accès à la formule saturée correspondante ainsi qu’à d’autres motifs. Dans un désir de substituer les complexes de rhodium par d’autres complexes de métaux plus abondants et moins dispendieux, nous nous sommes tournés, dans un premier temps, vers les complexes de fer et par la suite, vers les pinceurs de nickel. Les phtalocyanines de fer ont été identifiées comme étant de bons catalyseurs de l’amination intramoléculaire de N-mésyloxycarbamates. Le chlorure de phtalocyanine de fer (III), en présence d’un sel de AgBF4 et de K2CO3, dans le 1,1,2,2-tétrachloroéthane anhydre, permet l’obtention de la 4-phenyloxazolidin-2-one avec 63% de rendement. En outre, il est possible d’atteindre un rendement de 49% à partir du même substrat N-mésyloxycarbamate, par catalyse avec un pinceur de nickel de type POCN, en présence d’un sel de mésylate. Des indices sur le mécanisme des ces deux transformations ont pu être recueillis lors de la courte étude de ces systèmes.

Sels de tétraarylphosphonium : synthèse et application à la synthèse de la (–)-coniine ; capacité trans-directrice du groupement amide en cyclopropanation d’oléfines

Le développement ainsi que l’amélioration des différentes techniques de purification sont des défis importants pour la chimie d’aujourd’hui. Certaines des méthodes actuelles, tel que le greffage d’un réactif sur un support solide permettant d’accéder à un produit pur par simple filtration du milieu, comportent toutefois certains inconvénients. En effet, les propriétés de solubilité de ces polymères rendent la mise en œuvre des réactions plus difficiles. C’est dans ce contexte que le groupe du Pr. Charette a rapporté l’utilisation de réactifs liés à un sel de tétraarylphosphonium (TAP). Ces sels peuvent être solubilisés dans un solvant tel que le dichlorométhane et aisément retirés du milieu réactionnel par précipitation à l’aide d’éther diéthylique (Chapitre 1). L’un des objectifs de cette thèse a donc été lié à la découverte de deux méthodes complémentaires qui, jusqu’à présent, sont considérées comme des méthodes de choix pour la synthèse des sels de TAP fonctionnalisés (Chapitre 2). L’une d’entre elles est utilisée par Soluphase inc., une entreprise qui commercialise ces sels de TAP. L’efficacité des sels en tant que support dans la synthèse de petites molécules a été démontrée lors de la synthèse d’un produit naturel, la (–)-coniine (Chapitre 3). L’isolement des intermédiaires synthétiques instables par simple précipitation à l’aide d’un support de TAP a permis de rendre cette synthèse plus efficace que celle déjà connue. Dans le deuxième volet de cette thèse, plusieurs problèmes reliés à la synthèse de dérivés cyclopropaniques 1,1-disubstitués ont été étudiés. Ces derniers font partie intégrale de plusieurs produits naturels et de médicaments. Cependant, leur formation par une réaction de cyclopropanation d’alcènes utilisant des réactifs diazoïques possédant deux groupements de type accepteur n’est pas tâche facile (Chapitre 4). En effet, cette réaction souffre d’un faible contrôle diastéréosélectif. Par le fait même, très peu de méthodologies de synthèse ont rapporté l’utilisation de ce type de réactifs diazoïques dans des réactions de cyclopropanation stéréosélectives. L’étude du mécanisme de la réaction de cyclopropanation catalysée au Rh(II) a proposé des indices favorisant un modèle ayant des précédents dans la littérature (Chapitre 5). Ces études nous ont mené à la découverte de la «capacité trans-directrice» du groupement amide lors des réactions de cyclopropanation d’oléfines. Nous avons donc utilisé cette propriété afin de résoudre plusieurs problèmes rencontrés dans la littérature. Nous avons montré qu’elle permet l’accès à des dérivés cyclopropaniques possédant deux groupements carboxyliques géminaux avec des sélectivités élevées (Chapitre 6). Ces produits étaient accessibles que par des séquences synthétiques nécessitant plusieurs étapes. De plus, nous avons démontrés que ces nouveaux dérivés cyclopropaniques sont des outils synthétiques fort utiles dans la synthèse de produits naturels d’intérêt biologique. Cette formidable «capacité trans-directrice» du groupement amide nous a permi de résoudre le problème de la synthèse asymétrique de dérivés carboxyliques α-cyano cyclopropaniques (Chapitre 7). De plus, ce projet nous a menées à la découverte de l’effet de divers additif achiraux permettant d’augmenter la sélectivité dans certaines réactions. Cette réaction possède une vaste étendue et l’utilité de ces nouveaux dérivés cyclopropaniques a été démontrée par plusieurs transformations de groupements fonctionnels.

Synthèse de sulfilimines et de sulfoximines catalysée par les métaux de transition

Les sulfilimines et les sulfoximines sont des motifs structuraux dont l’intérêt synthétique est grandissant, notamment du fait de leurs applications en chimie médicinale et en agrochimie. Les travaux rapportés dans cet ouvrage décrivent le développement de nouvelles méthodes de synthèse efficaces pour la production de ces unités atypiques. Ces méthodes sont basées sur la réactivité d’une source d’azote électrophile, vis-à-vis de thioéthers et de sulfoxydes. L’utilisation d’un complexe métallique introduit en quantité catalytique a permis de favoriser le processus réactionnel. En tirant bénéfice de l’expertise de notre groupe de recherche sur le développement de réactions d’amination stéréosélectives de liaisons C-H et d’aziridination de styrènes, nous avons d’abord étudié la réactivité des N-mésyloxycarbamates comme source d’azote électrophile. Après avoir optimisé sa synthèse sur grande échelle, ce réactif chiral a été utilisé dans des réactions d’amination de thioéthers et de sulfoxydes, catalysées par un dimère de rhodium (II) chiral. Un processus diastéréosélectif efficace a été mis au point, permettant de produire des sulfilimines et des sulfoximines chirales avec d’excellents rendements et sélectivités. Au cours de l’optimisation de cette méthode de synthèse, nous avons pu constater l’effet déterminant de certains additifs sur la réactivité et la sélectivité de la réaction. Une étude mécanistique a été entreprise afin de comprendre leur mode d’action. Il a été observé qu’une base de Lewis telle que le 4-diméthylaminopyridine (DMAP) pouvait se coordiner au dimère de rhodium(II) et modifier ses propriétés structurales et redox. Les résultats que nous avons obtenus suggèrent que l’espèce catalytique active est un dimère de rhodium de valence mixte Rh(II)/Rh(III). Nous avons également découvert que l’incorporation de sels de bispyridinium avait une influence cruciale sur la diastéréosélectivité de la réaction. D’autres expériences sur la nature du groupe partant du réactif N-sulfonyloxycarbamate nous ont permis de postuler qu’une espèce nitrénoïde de rhodium était l’intermédiaire clé du processus d’amination. De plus, l’exploitation des techniques de chimie en débit continu nous a permis de développer une méthode d’amination de thioéthers et de sulfoxydes très performante, en utilisant les azotures comme source d’azote électrophile. Basée sur la décompositon photochimique d’azotures en présence d’un complexe de fer (III) simple et commercialement disponible, nous avons été en mesure de produire des sulfilimines et des sulfoximines avec d’excellents rendements. Le temps de résidence du procédé d’amination a pu être sensiblement réduit par la conception d’un nouveau type de réacteur photochimique capillaire. Ces améliorations techniques ont permis de rendre la synthèse plus productive, ce qui constitue un élément important d’un point de vue industriel.

Greener methodology for the synthesis of alpha-diazocarbonyl compounds and a novel approach to dioxinone derivatives

This thesis outlines a more environmentally benign approach to diazo transfer, and the investigation of the reactivity of -diazocarbonyl compounds when subjected to transition metal and lanthanide catalysis. Extensive studies were carried out to find the optimum conditions for a greener diazo transfer methodology, and this was also applied to a continuous process for the synthesis of -diazo--ketoesters. The first chapter includes a literature review of the synthesis and subsequent reactivity of -diazocarbonyl compounds. An overview of the applications of flow chemistry for the synthesis of hazardous intermediates is also included. The applications of lanthanide catalysts in organic synthesis is also discussed. The second chapter outlines the extensive studies undertaken to determine the optimum conditions for a greener diazo transfer methodology, including base and solvent studies. Use of water as a viable solvent for diazo transfer was successfully investigated. Diazo transfer to a range of -diazo--ketoesters was achieved using 5 mol% triethylamine or DMAP in water with high conversions. Polystyrene-supported benzenesulfonyl azide as an alternative diazo transfer reagent was also explored, as well as investigations into cheaper generation of this safer reagent. This polymer-supported benzenesulfonyl azide was used with 25 mol% of base in water to achieve successful diazo transfer to a range of -diazo--ketoesters. The third chapter describes the application of the new methodology developed in Chapter 2 to a continuous processing approach. Various excellent conditions were identified for both batch and flow reactions. A series of -diazo--ketoesters were synthesised with excellent conversions using 25 mol% triethylamine in 90:10 acetone water using flow chemistry. Successful diazo transfer was also achieved using a polymer-supported benzenesulfonyl azide in water under flow conditions. The fourth chapter discusses the reactivity of -diazo--ketoesters under transition metal and lanthanide catalysis. This chapter describes the synthesis of a range of -ketoesters via transesterification, which were used to synthesise a range of novel -diazo--ketoesters that were used in subsequent decomposition reactions. A novel route to dioxinones via rhodium(II) catalysis is reported. Attempted OH and SH insertion reactions in the presence of various lanthanide(II) catalysts are outlined, leading to some unexpected and interesting rearrangement products. The experimental details, including spectroscopic and analytical data for all compounds prepared, are reported at the end of each chapter.

Synthèse de sulfilimines et de sulfoximines catalysée par les métaux de transition

Les sulfilimines et les sulfoximines sont des motifs structuraux dont l’intérêt synthétique est grandissant, notamment du fait de leurs applications en chimie médicinale et en agrochimie. Les travaux rapportés dans cet ouvrage décrivent le développement de nouvelles méthodes de synthèse efficaces pour la production de ces unités atypiques. Ces méthodes sont basées sur la réactivité d’une source d’azote électrophile, vis-à-vis de thioéthers et de sulfoxydes. L’utilisation d’un complexe métallique introduit en quantité catalytique a permis de favoriser le processus réactionnel. En tirant bénéfice de l’expertise de notre groupe de recherche sur le développement de réactions d’amination stéréosélectives de liaisons C-H et d’aziridination de styrènes, nous avons d’abord étudié la réactivité des N-mésyloxycarbamates comme source d’azote électrophile. Après avoir optimisé sa synthèse sur grande échelle, ce réactif chiral a été utilisé dans des réactions d’amination de thioéthers et de sulfoxydes, catalysées par un dimère de rhodium (II) chiral. Un processus diastéréosélectif efficace a été mis au point, permettant de produire des sulfilimines et des sulfoximines chirales avec d’excellents rendements et sélectivités. Au cours de l’optimisation de cette méthode de synthèse, nous avons pu constater l’effet déterminant de certains additifs sur la réactivité et la sélectivité de la réaction. Une étude mécanistique a été entreprise afin de comprendre leur mode d’action. Il a été observé qu’une base de Lewis telle que le 4-diméthylaminopyridine (DMAP) pouvait se coordiner au dimère de rhodium(II) et modifier ses propriétés structurales et redox. Les résultats que nous avons obtenus suggèrent que l’espèce catalytique active est un dimère de rhodium de valence mixte Rh(II)/Rh(III). Nous avons également découvert que l’incorporation de sels de bispyridinium avait une influence cruciale sur la diastéréosélectivité de la réaction. D’autres expériences sur la nature du groupe partant du réactif N-sulfonyloxycarbamate nous ont permis de postuler qu’une espèce nitrénoïde de rhodium était l’intermédiaire clé du processus d’amination. De plus, l’exploitation des techniques de chimie en débit continu nous a permis de développer une méthode d’amination de thioéthers et de sulfoxydes très performante, en utilisant les azotures comme source d’azote électrophile. Basée sur la décompositon photochimique d’azotures en présence d’un complexe de fer (III) simple et commercialement disponible, nous avons été en mesure de produire des sulfilimines et des sulfoximines avec d’excellents rendements. Le temps de résidence du procédé d’amination a pu être sensiblement réduit par la conception d’un nouveau type de réacteur photochimique capillaire. Ces améliorations techniques ont permis de rendre la synthèse plus productive, ce qui constitue un élément important d’un point de vue industriel.

Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters

Abstract Title of Document: Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters Huang Qiu, Doctor of Philosophy, 2016 Directed By: Professor Michael P. Doyle, Department of Chemistry and Biochemistry Propargylic aryldiazoesters, which possess multiple reactive functional groups in a single molecule, were expected to undergo divergent reaction pathways as a function of catalysts. A variety of transition metal complexes including rhodium(II), palladium(II), silver(I), mercury(II), copper(I and II), and cationic gold (I) complexes have been examined to be effective in the catalytic domino reactions of propargylic aryldiazoesters. An unexpected Lewis acid catalyzed pathway was also discovered by using FeCl3 as the catalyst. Under the catalysis of selected gold catalysts, propargylic aryldiazoesters exist in equilibrium with 1-aryl-1,2-dien-1-yl diazoacetate allenes that are rapidly formed at room temperature through 1,3-acyloxy migration. The newly formed allenes further undergo a metal-free rearrangement in which the terminal nitrogen of the diazo functional group adds to the central carbon of the allene initiating a sequence of bond forming reactions resulting in the production of 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones in good yields. These 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones undergo intramolecular 1,3-acyl migration to form an equilibrium mixture or quantitatively transfer the acyl group to an external nucleophile with formation of 4-hydroxypyrazoles. In the presence of a pyridine-N-oxide, both E- and Z-1,3-dienyl aryldiazoacetates are formed in high combined yields by Au(I)-catalyzed rearrangement of propargyl arylyldiazoacetates at short reaction times. Under thermal reactions the E-isomers form the products from intramolecular [4+2]-cycloaddition with H‡298 = 15.6 kcal/mol and S‡298= -27.3 cal/ (mol•degree). The Z-isomer is inert to [4+2]-cycloaddition under these conditions. The Hammett relationships from aryl-substituted diazo esters ( = +0.89) and aryl-substituted dienes ( = -1.65) are consistent with the dipolar nature of this transformation. An unexpected reaction for the synthesis of seven-membered conjugated 1,4-diketones from propargylic diazoesters with unsaturated imines was disclosed. To undergo this process vinyl gold carbene intermediates generated by 1,2-acyloxy migration of propargylic aryldiazoesters undergo a formal [4+3]-cycloaddition, and the resulting aryldiazoesters tethered dihydroazepines undergo an intricate metal-free process to form observed seven-membered conjugated 1,4-diketones with moderate to high yields.