Les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques et les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitués : synthèses et applications

Les cyclopropanes sont des motifs d’une grande importance puisqu’ils sont présents dans plusieurs molécules biologiquement actives en plus d’être de puissants intermédiaires dans la synthèse de molécules complexes. Au cours de cet ouvrage, nous avons développé une nouvelle méthode générale pour la synthèse d’ylures d’iodonium de malonates, soit d’importants précurseurs d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques. Ainsi, à l’aide de ces ylures, une méthode très efficace pour la synthèse d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques racémiques a été développée. Des travaux ont aussi été entrepris pour la synthèse énantiosélective de ces composés. Par ailleurs, les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques ont été utilisés dans le développement de deux nouvelles méthodologies, soit dans une réaction de cycloaddition (3+3) avec des imines d’azométhines et dans la formation d’allènes par l’addition-1,7 de cuprates. Nous avons aussi poursuivi l’étude synthétique du cylindrocyclophane F impliquant l’utilisation de cyclopropanes pour le contrôle des centres chiraux. Ainsi l’addition-1,5 d’un cuprate sur un ester cyclopropane-1,1-dicarboxylique a été utilisée comme l’une des étapes clés de notre synthèse. L’autre centre chiral a pu être contrôlé par l’hydrogénolyse sélective d’un cyclopropylméthanol. Ces études ont, par ailleurs, mené au développement d’une nouvelle réaction d’arylcyclopropanation énantiosélective utilisant des carbénoïdes de zinc générés in situ à partir de réactifs diazoïques. Cette méthode permet d’accéder très efficacement aux cyclopropanes 1,2,3-substitués. De plus, nous avons développé la première réaction de Simmons-Smith catalytique en zinc menant à un produit énantioenrichi.

Synthèse et utilisation de dérivés de cyclopropane-1,1-diesters énantioenrichis vers l'obtention d'allènes hautement substitués

Le présent mémoire a pour sujet le développement d’une méthode rapide et efficace vers la production d’allènes hautement substitués à partir de dérivés cyclopropaniques électrophiles énantioenrichis. L’avancement de méthodes synthétiques intéressantes pour la production asymétrique de ces dérivés de cyclopropane-1,1-diesters sera également présenté. Dans un premier temps, les différentes méthodes de synthèses des cyclopropanes activés seront abordées, ainsi que leur utilisation dans la préparation de molécules plus complexes. Par la suite, les techniques précédentes de préparation asymétrique des allènes seront introduites, démontrant ainsi la difficulté de leur accessibilité. Le développement d’une méthode fiable pour la synthèse de cyclopropane-1,1-diesters utilisant les ylures d’iodonium sera présenté. Finalement, l’accessibilité à plusieurs types d’allènes hautement substitués par l’utilisation de cuprates sera détaillée. Dans une seconde partie, il sera davantage question de l’accessibilité des cyclopropane-1,1-diesters énantioenrichis. Ces derniers sont d’un intérêt particulier, car ils constituent le point de départ de notre méthodologie précédente. Le développement d’une méthode pouvant être utilisée à grande échelle et à faible coût a donc été explorée. Les deux derniers chapitres présenteront donc les tentatives de générer ces cyclopropanes activés par résolution cinétique ou encore par l’hydrogénation asymétrique des cyclopropènes correspondants.

The development of an expedient method for the synthesis of a diverse series of cyclopropane [alpha]-amino acids

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Cyclopropane- and spirolimonoids and related compounds from Hortia oreadica

The dichloromethane extract from taproots of Hortia oreadica afforded six limonoids, these are 9,11-dehydro-12 alpha-acetoxyhortiolide A, hortiolide C, 11 alpha-acetoxy-15-deoxy-6-hydroxyhortiolide C, hortiolide D, hortiolide E, 12 beta-hydroxyhortiolide E, in addition to the known limonoid, guyanin. The dichloromethane extract from stems of H. oreadica also afforded two limonoids 9,11-dehydro12 alpha-hydroxyhortiolide A and 6-hydroxyhortiolide C. As a result of this study and literature data, Hortia has been shown to produce highly specialized limonoids that are similar to those from the Flindersia (Flindersioideae). The taxonomy of Hortia has been debatable, with most authors placing it in the Toddalioideae. Considering the complexity of the isolated limonoids, Hortia does not show any close affinity to the genera of Toddalioideae. That is, the limonoids appear to be of little value in resolving the taxonomic situation of Hortia. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Evidence for 1-(Malonylamino)cyclopropane-1-Carboxylic Acid Being the Major Conjugate of Aminocyclopropane-1-Carboxylic Acid in Tomato Fruit1

Tomato (Lycopersicon esculentum Miller) fruit discs fed with [2,3-14C]1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) formed 1-malonyl-ACC (MACC) as the major conjugate of ACC in fruit throughout all ripening stages, from immature-green through the red-ripe stage. Another conjugate of ACC, γ-glutamyl-ACC (GACC), was formed only in mature-green fruit in an amount about 10% of that of MACC; conjugation of ACC into GACC was not detected in fruits at other ripening stages. No GACC formation was observed from etiolated mung bean (Vigna radiata [L.] Wilczek) hypocotyls, etiolated common vetch (Vicia sativum L.) epicotyls, or pea (Pisum sativum L.) root tips, etiolated epicotyls, and green stem tissue, where active conversion of ACC into MACC was observed. GACC was, however, formed in vitro in extracts from fruit of all ripening stages. GACC formation in an extract from red fruit at pH 7.15 was only about 3% of that at pH 8.0, the pH at which most assays were run. Our present in vivo data support the previous contention that MACC is the major conjugate of ACC in plant tissues, whereas GACC is a minor, if any, conjugate of ACC. Thus, our data do not support the proposal that GACC formation could be more important than MACC formation in tomato fruit.

Cyclopropane-1,1-dicarboxylate is a slow-, tight-binding inhibitor of rice ketol-acid reductoisomerase

Ketol-acid reductoisomerase (EC 1.1.1.86) catalyses the second reaction in the biosynthesis of the branched-chain amino acids. The reaction catalyzed consists of two stages, the first of which is an alkyl migration from one carbon atom to its neighbour. The likely transition state is therefore a cyclopropane derivative, and cyclopropane-1,1-dicarboxylate(CPD) has been reported to inhibit the Escherichia coli enzyme. In addition, this compound causes the accumulation of the substrate of ketol-acid reductoisomerase in plants. Here, we investigate the inhibition of the purified rice enzyme. The cDNA was cloned, and the recombinant protein was expressed in E. coli, purified and characterized kinetically. The purified enzyme is strongly inhibited by cyclopropane-1,1-dicarboxylate, with an inhibition constant of 90 nM. The inhibition is time-dependent and this is due to the low rate constants for formation (2.63 X 10(5) M-1 min(-1)) and dissociation (2.37 x 10(-2) min(-1)) of the enzyme-inhibitor complex. Other cyclopropane derivatives are much weaker inhibitors while dimethylmalonate is moderately effective. (c) 2004 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Atomic Charge Transfer-counter Polarization Effects Determine Infrared Ch Intensities Of Hydrocarbons: A Quantum Theory Of Atoms In Molecules Model.

Atomic charge transfer-counter polarization effects determine most of the infrared fundamental CH intensities of simple hydrocarbons, methane, ethylene, ethane, propyne, cyclopropane and allene. The quantum theory of atoms in molecules/charge-charge flux-dipole flux model predicted the values of 30 CH intensities ranging from 0 to 123 km mol(-1) with a root mean square (rms) error of only 4.2 km mol(-1) without including a specific equilibrium atomic charge term. Sums of the contributions from terms involving charge flux and/or dipole flux averaged 20.3 km mol(-1), about ten times larger than the average charge contribution of 2.0 km mol(-1). The only notable exceptions are the CH stretching and bending intensities of acetylene and two of the propyne vibrations for hydrogens bound to sp hybridized carbon atoms. Calculations were carried out at four quantum levels, MP2/6-311++G(3d,3p), MP2/cc-pVTZ, QCISD/6-311++G(3d,3p) and QCISD/cc-pVTZ. The results calculated at the QCISD level are the most accurate among the four with root mean square errors of 4.7 and 5.0 km mol(-1) for the 6-311++G(3d,3p) and cc-pVTZ basis sets. These values are close to the estimated aggregate experimental error of the hydrocarbon intensities, 4.0 km mol(-1). The atomic charge transfer-counter polarization effect is much larger than the charge effect for the results of all four quantum levels. Charge transfer-counter polarization effects are expected to also be important in vibrations of more polar molecules for which equilibrium charge contributions can be large.

Rapid and sensitive hormonal profiling of complex plant samples by liquid chromatography coupled to electrospray ionization tandem mass spectrometry

Background Plant hormones play a pivotal role in several physiological processes during a plant's life cycle, from germination to senescence, and the determination of endogenous concentrations of hormones is essential to elucidate the role of a particular hormone in any physiological process. Availability of a sensitive and rapid method to quantify multiple classes of hormones simultaneously will greatly facilitate the investigation of signaling networks in controlling specific developmental pathways and physiological responses. Due to the presence of hormones at very low concentrations in plant tissues (10-9 M to 10-6 M) and their different chemistries, the development of a high-throughput and comprehensive method for the determination of hormones is challenging. Results The present work reports a rapid, specific and sensitive method using ultrahigh-performance liquid chromatography coupled to electrospray ionization tandem spectrometry (UPLC/ESI-MS/MS) to analyze quantitatively the major hormones found in plant tissues within six minutes, including auxins, cytokinins, gibberellins, abscisic acid, 1-amino-cyclopropane-1-carboxyic acid (the ethylene precursor), jasmonic acid and salicylic acid. Sample preparation, extraction procedures and UPLC-MS/MS conditions were optimized for the determination of all plant hormones and are summarized in a schematic extraction diagram for the analysis of small amounts of plant material without time-consuming additional steps such as purification, sample drying or re-suspension. Conclusions This new method is applicable to the analysis of dynamic changes in endogenous concentrations of hormones to study plant developmental processes or plant responses to biotic and abiotic stresses in complex tissues. An example is shown in which a hormone profiling is obtained from leaves of plants exposed to salt stress in the aromatic plant, Rosmarinus officinalis.

Um estudo teórico de propriedades moleculares em complexos de hidrogênio trimoleculares C2H4···2HF, C2H2···2HF e C3h6···2HF

We present a theoretical study of molecular properties in C2H4···2HF, C2H2···2HF and C3H6···2HF trimolecular hydrogen-bonded complexes. From B3LYP/6-311++G(d,p) calculations, the most important structural deformations are related to the C=C (C2H4), C≡C (C2H2), C-C (C3H6) and HF bond lengths. According to the Bader's atoms in molecules and CHELPG calculations, it was identified a tertiary interaction between the fluorine atom of the second hydrofluoric acid molecule and hydrogen atoms of the ethylene and acetylene within the C2H4···2HF and C2H2···2HF complexes, respectively. Additionally, the evaluation of the infrared spectrum characterized the new vibrational modes and bathochromic effect of the HF molecules.

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 diastéréosélective et énantiosélective de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitués à l’aide de carbénoïdes gem-dizinciques

Les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés sont des composés intéressants dans de nombreux domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse, tout d’abord diastéréosélective puis énantiosélective de ces composés. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’utilisation de la zinciocyclopropanation pour l’obtention de ces dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés. Cette méthode consiste en l’utilisation d’un carbénoïde gem-dizincique pour effectuer une réaction de type Simmons-Smith. Cette stratégie a l’avantage d’être diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur qu’est l’oxygène allylique basique. Lors de cette réaction, l’existence d’une réaction compétitive avec un réactif monozincique diminuait l’utilité de la zinciocyclopropanation. L’issue de la réaction s’est avérée dépendre fortement de la nature du carbénoïde utilisé, de la température réactionnelle et de la présence de ZnI2 dans le milieu. L’étude par GCMS de nombreuses conditions pour la formation des différents carbénoïdes a permis d’identifier les paramètres clés conduisant à la zinciocyclopropanation. Ces découvertes ont notamment permis d’étendre la réaction de zinciocyclopropanation aux alcools allyliques portant un seul groupement directeur (ie. non dérivé du 1,4-buténediol). Dans ces conditions, la réaction s’est avérée extrêmement diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur. Afin de fonctionnaliser les zinciocyclopropanes ainsi obtenus, plusieurs réactions de fonctionnalisation in situ ont été développées. Chacune de ces méthodes a montré une conservation totale de la diastéréosélectivité obtenue lors de la réaction de zinciocyclopropanation. La versatilité de la zinciocyclopropanation a donc été démontrée. Avec une méthode diastéréosélective efficace pour la formation de zinciocyclopropanes à partir d’alcools allyliques ne portant qu’un seul groupement directeur, il est devenu possible d’envisager le développement énantiosélectif de la réaction. L’utilisation d’un dioxaborolane énantiopur a permis la zinciocyclopropanation avec de très bons excès énantiomères de divers alcools allyliques chiraux. La présence sur la même molécule d’un lien C–Zn nucléophile est d’un atome de bore électrophile a conduit à un échange bore-zinc in situ, formant un cyclopropylborinate énantioenrichi. La formation de ce composé bicyclique a permis d’obtenir une diastéréosélectivité parfaite. De nombreux alcools allyliques ont pu ainsi être convertis en cyclopropylborinates. Une réaction de Suzuki subséquente a permis la formation de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-trisubstitués avec de très bons excès énantiomères et une excellente diastéréosélectivité. Les cyclopropylborinates obtenus à l’issue de la zinciocyclopropanation énantiosélective se sont avérés être des unités très versatiles puisque de nombreuses méthodes ont pu être développés pour leur fonctionnalisation.

Nucleophilic ring-opening of Methyl 1- Nitrocyclopropanecarboxylates

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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.