First-principle studies of intermolecular and intramolecular catalysis of protonated cocaine

We have performed a series of first-principles electronic structure calculations to examine the reaction pathways and the corresponding free energy barriers for the ester hydrolysis of protonated cocaine in its chair and boat conformations. The calculated free energy barriers for the benzoyl ester hydrolysis of protonated chair cocaine are close to the corresponding barriers calculated for the benzoyl ester hydrolysis of neutral cocaine. However, the free energy barrier calculated for the methyl ester hydrolysis of protonated cocaine in its chair conformation is significantly lower than for the methyl ester hydrolysis of neutral cocaine and for the dominant pathway of the benzoyl ester hydrolysis of protonated cocaine. The significant decrease of the free energy barrier, ∼4 kcal/mol, is attributed to the intramolecular acid catalysis of the methyl ester hydrolysis of protonated cocaine, because the transition state structure is stabilized by the strong hydrogen bond between the carbonyl oxygen of the methyl ester moiety and the protonated tropane N. The relative magnitudes of the free energy barriers calculated for different pathways of the ester hydrolysis of protonated chair cocaine are consistent with the experimental kinetic data for cocaine hydrolysis under physiologic conditions. Similar intramolecular acid catalysis also occurs for the benzoyl ester hydrolysis of (protonated) boat cocaine in the physiologic condition, although the contribution of the intramolecular hydrogen bonding to transition state stabilization is negligible. Nonetheless, the predictability of the intramolecular hydrogen bonding could be useful in generating antibody-based catalysts that recruit cocaine to the boat conformation and an analog that elicited antibodies to approximate the protonated tropane N and the benzoyl O more closely than the natural boat conformer might increase the contribution from hydrogen bonding. Such a stable analog of the transition state for intramolecular catalysis of cocaine benzoyl-ester hydrolysis was synthesized and used to successfully elicit a number of anticocaine catalytic antibodies.

Formation and decomposition of N-alkyinaphthalimides: experimental evidences and ab initio description of the reaction pathways

The kinetics of hydrolysis of 1,8-N-butyl-naphthalimide (1,8-NBN) to 1,8-N-butyl-naphthalamide (1,8-NBAmide) and of 2,3-N-butyl-naphthalimide (2,3-NBN) to 2,3-N-butyl-naphthalamide (2,3-NBAmide), as well as the formation of the respective anhydrides from the amides were investigated in a wide acidity range. 1,8-NBN equilibrates with 1,8-NBAmide in mild alkali. Under the same conditions 2,3-NBN quantitatively yields 2,3-NBAmide. Over a wide range of acidities the reactions of the 1,8- and 2,3-N-butyl-naphthalamides (or imides) yield similar products but with widely different rates and at distinct pH`s. Anhydride formation in acid was demonstrated for 1,8-NBAmide. The reactions mechanisms were rationalized in the manifold pathways of ab initio calculations. The differences in rates and pH ranges in the reactions of the 1,8- and 2,3-N-butyl-naphthalamides were attributed to differences in the stability of the tetrahedral intermediates in alkali as well as the relative stabilities of the five and six-membered ring intermediates. The rate of carboxylic acid assisted 1,8-N-Butyl-naphthalamide hydrolysis is one of the largest described for amide hydrolysis models. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Intramolecular Direct Functionalization of Cyclopropanes via Silver-Mediated, Palladium Catalysis

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.

Carbon-carbon bond formation : from transition metal catalysis to base-promoted homolytic aromatic substitution

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.

Cyclometallated compounds of intramolecular coordination.

This article supplies a review on the chemistry of cyclometallated compounds. Emphasis is given to those formed by cyclometallation reactions. In this class of complexes, called organometallic intramolecular-coordination compounds, a special attention is given to the reactivity of cyclometallated of palladium(II) due to their use in important chemical processes. Metal-carbon bonds in these palladium(II) complexes can undergo a large variety of insertion reactions and they offer a potentially important sequence in organic synthetic methodology,homogeneous catalysis and liquid crystals manufacturing.

The change in hydrogen bond strength accompanying charge rearrangement: Implications for enzymatic catalysis

The equilibrium for formation of the intramolecular hydrogen bond (KHB) in a series of substituted salicylate monoanions was investigated as a function of ΔpKa, the difference between the pKa values of the hydrogen bond donor and acceptor, in both water and dimethyl sulfoxide. The dependence of log KHB upon ΔpKa is linear in both solvents, but is steeper in dimethyl sulfoxide (slope = 0.73) than in water (slope = 0.05). Thus, hydrogen bond strength can undergo substantially larger increases in nonaqueous media than aqueous solutions as the charge density on the donor or acceptor atom increases. These results support a general mechanism for enzymatic catalysis, in which hydrogen bonding to a substrate is strengthened as charge rearranges in going from the ground state to the transition state; the strengthening of the hydrogen bond would be greater in a nonaqueous enzymatic active site than in water, thus providing a rate enhancement for an enzymatic reaction relative to the solution reaction. We suggest that binding energy of an enzyme is used to fix the substrate in the low-dielectric active site, where the strengthening of the hydrogen bond in the course of a reaction is increased.

Exploring the active site of chorismate mutase by combinatorial mutagenesis and selection: the importance of electrostatic catalysis.

Chorismate mutase (EC 5.4.99.5) catalyzes the intramolecular rearrangement of chorismate to prephenate. Arg-90 in the active site of the enzyme from Bacillus subtilis is in close proximity to the substrate's ether oxygen and may contribute to efficient catalysis by stabilizing the presumed dipolar transition state that would result upon scission of the C--O bond. To test this idea, we have developed a novel complementation system for chorismate mutase activity in Escherichia coli by reengineering parts of the aromatic amino acid biosynthetic pathway. The codon for Arg-90 was randomized, alone and in combination with that for Cys-88, and active clones were selected. The results show that a positively charged residue either at position 88 (Lys) or 90 (Arg or Lys) is essential. Our data provide strong support for the hypothesis that the positive charge is required for stabilization of the transition state of the enzymatic chorismate rearrangement. The new selection system, in conjunction with combinatorial mutagenesis, renders the mechanism of the natural enzyme(s) accessible to further exploration and opens avenues for the improvement of first generation catalytic antibodies with chorismate mutase activity.

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.

Electron transfer in acetohydroxy acid synthase as a side reaction of catalysis. implications for the reactivity and partitioning of the carbanion/enamine form of (alpha-hydroxyethyl)thiamin diphosphate in a "nonredox" flavoenzyme

Acetohydroxy acid synthases (AHAS) are thiamin diphosphate- (ThDP-) and FAD-dependent enzymes that catalyze the first common step of branched-chain amino acid biosynthesis in plants, bacteria, and fungi. Although the flavin cofactor is not chemically involved in the physiological reaction of AHAS, it has been shown to be essential for the structural integrity and activity of the enzyme. Here, we report that the enzyme-bound FAD in AHAS is reduced in the course of catalysis in a side reaction. The reduction of the enzyme-bound flavin during turnover of different substrates under aerobic and anaerobic conditions was characterized by stopped-flow kinetics using the intrinsic FAD absorbance. Reduction of enzyme-bound FAD proceeds with a net rate constant of k' = 0.2 s(-1) in the presence of oxygen and approximately 1 s(-1) under anaerobic conditions. No transient flavin radicals are detectable during the reduction process while time-resolved absorbance spectra are recorded. Reconstitution of the binary enzyme-FAD complex with the chemically synthesized intermediate 2-(hydroxyethyl)-ThDP also results in a reduction of the flavin. These data provide evidence for the first time that the key catalytic intermediate 2-(hydroxyethyl)ThDP in the carbanionic/enamine form is not only subject to covalent addition of 2-keto acids and an oxygenase side reaction but also transfers electrons to the adjacent FAD in an intramolecular redox reaction yielding 2-acetyl-ThDP and reduced FAD. The detection of the electron transfer supports the idea of a common ancestor of acetohydroxy acid synthase and pyruvate oxidase, a homologous ThDP- and FAD-dependent enzyme that, in contrast to AHASs, catalyzes a reaction that relies on intercofactor electron transfer.

Princípios fundamentais e modelos de transferência de energia inter e intramolecular

This work outlines the historic development of the concept and main theories of energy transfer, as well as the principal experiments carried out to confirm or refute the proposed theories. Energy transfer in coordination compounds is also discussed with a focus on rare earth systems.

Adiabatic intramolecular movements for water systems

An effective treatment of the intramolecular degrees of freedom is presented for water, where these modes are decoupled from the intermolecular ones, ""adiabatically"" allowing these coordinates to be positioned at their local minimum of the potential energy surface. We perform ab initio Monte Carlo simulations with the configurational energies obtained via density functional theory. We study a water dimer as a prototype system, and even in this simple case the intramolecular relaxations are very important to properly describe properties such as the dipole moment. We show that rigid simulations do not correctly sample the phase space, resulting in an average dipole moment smaller than the one obtained with the adiabatic model, which is closer to the experimental result. (c) 2008 American Institute of Physics.

omega-Transaminases as efficient biocatalysts to obtain novel chiral selenium-amine ligands for Pd-catalysis

omega-Transaminases have been evaluated as biocatalysts in the reductive amination of organoselenium acetophenones to the corresponding amines, and in the kinetic resolution of racemic organoselenium amines. Kinetic resolution proved to be more efficient than the asymmetric reductive amination. By using these methodologies we were able to obtain both amine enantiomers in high enantiomeric excess (up to 99%). Derivatives of the obtained optically pure o-selenium 1-phenylethyl amine were evaluated as ligands in the palladium-catalyzed asymmetric alkylation, giving the alkylated product in up to 99% ee.

Consecutive biocatalysis-palladium catalysis II: Synthesis of conduritol-alkyne conjugates

The palladium-catalyzed cross-coupling reaction of potassium alkynyltrifluoroborates with a chemoenzymatically derived deoxyconduritol is described. Six new compounds were synthesized in moderate to good yields. The alkynyl cross-coupling reaction can be effected using 10 mol% of Pd(PPh(3))(4) as Catalyst in toluene-H(2)O in the presence Of Cs(2)CO(3) as the inorganic base. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.