Development of a Phase Separation Strategy in Macrocyclization Reactions

La réaction de macrocyclisation est une transformation fondamentale en chimie organique de synthèse. Le principal défi associcé à la formation de macrocycles est la compétition inhérente avec la réaction d’oligomérisation qui mène à la formation de sousproduits indésirables. De plus, l’utilisation de conditions de dilutions élevées qui sont nécessaires afin d’obtenir une cyclisation “sélective”, sont souvent décourageantes pour les applications à l’échelle industrielle. Malgré cet intérêt pour les macrocycles, la recherche visant à développer des stratégies environnementalement bénignes, qui permettent d’utiliser des concentrations normales pour leur synthèse, sont encore rares. Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle approche générale visant à améliorer l’efficacité des réactions de macrocyclisation en utilisant le contrôle des effets de dilution. Une stratégie de “séparation de phase” qui permet de réaliser des réactions à des concentrations plus élevées a été developpée. Elle se base sur un mélange de solvant aggrégé contrôlé par les propriétés du poly(éthylène glycol) (PEG). Des études de tension de surface, spectroscopie UV et tagging chimique ont été réalisées afin d’élucider le mécanisme de “séparation de phase”. Il est proposé que celui-ci fonctionne par diffusion lente du substrat organique vers la phase ou le catalyseur est actif. La nature du polymère co-solvant joue donc un rôle crutial dans le contrôle de l’aggrégation et de la catalyse La stratégie de “séparation de phase” a initiallement été étudiée en utilisant le couplage oxidatif d’alcynes de type Glaser-Hay co-catalysé par un complexe de cuivre et de nickel puis a été transposée à la chimie en flux continu. Elle fut ensuite appliquée à la cycloaddition d’alcynes et d’azotures catalysée par un complexe de cuivre en “batch” ainsi qu’en flux continu.

Solid-phase synthesis of an A-B loop mimetic of the C epsilon 3 domain of human IgE: macrocyclization by Sonogashira coupling

The solid-phase synthesis of a cyclic peptide containing the 21-residue epitope found in the A-B loop of the Cepsilon3 domain of human immunoglobulin E has been carried out. The key macrocyclization step to form the 65-membered ring is achieved in similar to15% yield via an "on-resin" Sonogashira coupling reaction which concomitantly installs a diphenylacetylene amino acid conformational constraint within the loop.

Enzymatic Macrocyclization of 1,2,3-Triazole Peptide Mimetics

Funded by European Research Council. Grant Number: 339367 UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council. Grant Number: K015508/1 The Wellcome Trust. Grant Number: 094476 EPSRC Acknowledgements This work was supported by the European Research Council (339367), UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council (K015508/1), The Wellcome Trust (TripleTOF 5600 mass spectrometer (094476), the MALDI TOF-TOF Analyser (079272AIA), 700 NMR) and the EPSRC UK National Mass Spectrometry Facility at Swansea University. J.H.N. is a Royal Society Wolfson Merit Award Holder and 1000 talent scholar at Sichuan University.

Synthesis of macrocyclic diacyl/dialkyl glycerols containing disulfide tether and studies of their effects upon incorporation in DPPC membranes. Implications in the design of phospholipase A(2) modulators

A general method for the preparation of novel disulfide-tethered macrocyclic diacylglycerols (DAGs) has been described. Overall synthesis involved stepwise protection, acylation, and deprotection to yield the bis(omega-bromoacyl) glycerols. In the crucial macrocyclization step, a unique reagent, benzyltriethylammonium tetrathiomolybdate (BTAT), has been used to convert individual bis(omega-bromoacyl) glycerols to their respective macrocyclic disulfides. DAG 6, which had ether linkages between hydrocarbon chains and the glycerol backbone, was also synthesized from an appropriate precursor using a similar protocol. One of the DAGs (DAG 5) had a carbon-carbon tether instead of a disulfide one and was synthesized using modified Glaser coupling. Preparation of alpha-disulfide-tethered DAG (DAG 4) required an alternative method, as treatment of the bisbromo precursor with BTAT gave a mixture of several compounds from which separation of the target molecule was cumbersome. To avoid this problem, the bisbromide was converted to its corresponding dithiocyanate, which on further treatment with BTAT yielded the desired DAG (DAG 4) in good yield. Upon treatment with the reducing agent dithiothreitol (DTT), the DAGs that contain a disulfide tether could be quantitatively converted to their "open-chain" thiol analogues. These macrocyclic DAGs and their reduced "open-chain" analogues have been incorporated in DPPC vesicles to study their effect on model membranes. Upon incorporation of DAG 1 in DPPC vesicles, formation of new isotropic phases was observed by P-31 NMR, These isotropic phases disappeared completely on opening the macrocyclic ring by a reducing agent. The thermotropic properties of DPPC bilayers having DAGs (1-6) incorporated at various concentrations were studied by differential scanning calorimetry. Incorporation of DAGs in general reduced the cooperativity unit (CU) of the vesicles. Similar experiments with reduced "open-chain" DAGs incorporated in a DPPC bilayer indicated a recovery of CU with respect to their macrocyclic "disulfide" counterparts. The effect of inclusion of these DAGs on the activity of phospholipase A(2) (PLA(2)) was studied in vitro. Incorporation of DAC 1 in DPPC membranes potentiated both bee venom and cobra venom PLA(2) activities.

Développement de nouveaux outils de contrôle conformationnel utilisant des interactions non-covalentes pour effectuer des macrocyclisations

Les macrocycles ont longtemps attiré l'attention des chimistes. Malgré cet intérêt, peu de méthodes générales et efficaces pour la construction de macrocycles ont été développés. Récemment, notre groupe a développé un programme de recherche visant à développer de nouvelles voies vers la synthèse de paracyclophanes et ce mémoire présente l pluspart des efforts les plus récents dans ce domaine. Traditionnellement, la synthèse de paracyclophanes rigides est facilitée par l'installation d'un groupe fonctionnel capable de contrôler la structure de la molécule en solution (ex un élément de contrôle de conformation (ECC)). Cependant, cette approche utilisant des auxiliaires exige que le ECC soit facilement installé avant macrocyclisation et facilement enlevé après la cyclisation. Le présent mémoire décrit une méthode alternative pour guider la macrocyclisations difficile à travers l'utilisation d'additifs comme ECC. Les additifs sont des hétérocycles aromatiques N-alkylé qui sont bon marché, faciles à préparer et peuvent être facilement ajoutés à un mélange de réaction et enlevés suite à la macrocyclisation par simple précipitation et de filtration. En outre, les ECCs sont recyclables. L'utilisation du nouveau ECC est démontré dans la synthèse des para-et métacyclophanes en utilisant soit la métathèse de fermeture de cycle (RCM) ou couplage de Glaser-Hay.

From large polycyclic aromatic hydrocarbons to extended aromate-rich networks

The common ground of this study is the development of novel synthetic strategies to extended one-, two- and three-dimensional aromate-rich systems for which a number of applications are envisaged. rnThe point of departure is the synthesis and characterization of highly symmetric macrocyclic PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons) for which various aspects of supramolecular chemistry will be investigated. The versatility of the Yamamoto macrocyclization will be demonstrated on the basis of a set of cyclic trimers that exhibit a rich supramolecular chemistry. 1,10-phenanthroline, triphenylene and ortho-terphenyl building blocks have been successfully assembled to the corresponding macrocycles following the newly developed synthetic route. Scanning-tunneling microscopy (STM) and two-dimensional wide-angle X-ray scattering (2D-WAXS) were used to study the two- and three-dimensional self-assembly, respectively.rnSecondly, the development of chemical approaches to highly shape-anisotropic graphene nanoribbons (GNRs) and related nanographene molecules shall be discussed. Aryl-aryl coupling was used for the bottom-up fabrication of dendronized monomers, polymers and model compounds. Subsequently, these structures were converted into the final graphene material using oxidative (Scholl-type) cyclodehydrogenation. The GNRs thus obtained are characterized by an unprecedented length and lateral extension. The relevance of structural tailoring in the field of well-defined graphene materials is discussed in detail as only the chemical approach provides full geometry control. rnLastly, novel pathways towards the synthesis of extended three-dimensional networks that are dominated by nitrogen-rich motifs will be presented. If porous, these materials hold a great potential in the fields of gas and energy storage as well as for applications in catalysis. Hence, poly(aminal) networks based on melamine as crosslinking unit were synthesized and characterized with respect to the applications mentioned above. As set of conjugated poly(azomethine) networks was investigated regarding their use as a novel class of organic semiconductors for photocatalytic water splitting. The network structures described in this chapter can also be subjected to a controlled pyrolysis yielding mesoporous, nitrogen-rich carbon materials that were evaluated as active component for supercapacitors.rn

Synthesis of (-)-dactylolide and 13-desmethylene-(-)-dactylolide and their effects on tubulin

An efficient new synthesis has been elaborated for non-natural (-)-dactylolide ((-)-2) and its 13-desmethylene analogue 4, employing a HWE-based macrocyclization approach with beta-keto-phosphonate/aldehyde 19 and the respective 13-desmethylene derivative as the key intermediates. Both (-)-2 and 4 as well as the corresponding C20 alcohols inhibit human cancer cell proliferation with IC(50) values in the sub-micromolar range and induce the polymerization of tubulin in vitro.

Stereoselective synthesis of a monocyclic peloruside a analogue

The stereoselective synthesis of the monocyclic peloruside A analogue 4 has been achieved, following a new efficient approach for the introduction of the side chain, involving a late-stage addition of vinyl lithium species 7a to aldehyde 8. Further key steps are a highly diastereoselective allyltitanation reaction and a RCM-based macrocyclization.

Synthesis and Biological Activity of 7,8,9-Trideoxy- and 7 R DesTHP-Peloruside A

The stereoselective syntheses of 7,8,9-trideoxypeloruside A (4) and a monocyclic peloruside A analogue lacking the entire tetrahydropyran moiety (3) are described. The syntheses proceeded through the PMB-ether of an ω-hydroxy β-keto aldehyde as a common intermediate which was elaborated into a pair of diastereomeric 1,3-syn and -anti diols by stereoselective Duthaler–Hafner allylations and subsequent 1,3-syn or anti reduction. One of these isomers was further converted into a tetrahydropyran derivative in a high-yielding Prins reaction, to provide the precursor for bicyclic analogue 4. Downstream steps for both syntheses included the substrate-controlled addition of a vinyl lithium intermediate to an aldehyde, thus connecting the peloruside side chain to C15 (C13) of the macrocyclic core structure in a fully stereoselective fashion. In the case of monocyclic 3 macrocyclization was based on ring-closing olefin metathesis (RCM), while bicyclic 4 was cyclized through Yamaguchi-type macrolactonization. The macrolactonization step was surprisingly difficult and was accompanied by extensive cyclic dimer formation. Peloruside A analogues 3 and 4 inhibited the proliferation of human cancer cell lines in vitro with micromolar and sub-micromolar IC50 values, respectively. The higher potency of 4 highlights the importance of the bicyclic core structure of peloruside A for nM biological activity.

Difficult macrocyclizations: New strategies for synthesizing highly strained cyclic tetrapeptides

Cyclic tetrapeptides are an intriguing class of natural products. To synthesize highly strained cyclic tetrapeptides; we developed a macrocyclization strategy that involves the inclusion of 2-hydroxy-6-nitrobenzyl (HnB) group at the N-terminus and in the middle of the sequence. The N-terminal auxiliary performs a ring closure/ring contraction role, and the backbone auxiliary promotes cis amide bonds to facilitate the otherwise difficult ring contraction. Following this route, the all-L cyclic tetrapeptide cyclo-[Tyr-Arg-Phe-Ala] was successfully prepared.

The Catalytic Mechanism of the Marine-Derived Macrocyclase, PATGmac

Acknowledgements This work received financial support from the European Union (FEDER funds through COMPETE) and National Funds (FCT, Fundação para a Ciência e Tecnologia) through Projects EXCL/QEQ-COM/ 0394/2012, EXCL-II/QEQ-COM/0394/2012, and Pest-C/EQB/LA0006/2013. NFB would like to thank the Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) for her IF starting grant (IF/01355/2014).

Design and Synthesis of Acridine-Based Macrocyclic G-Quadruplex DNA Ligands

DNA sequences that are rich in the guanine nucleic base possess the ability to fold into higher order structures called G-quadruplexes. These higher level structures are formed as a result of two sets of four guanine bases hydrogen-bonding together in a planar arrangement called a guanine quartet. Guanine quartets subsequently stack upon each other to form quadruplexes. G-quadruplexes are mainly localized in telomeres as well as in oncogene promoters. One unique and promising therapeutic approach against cancer involves targeting and stabilizing G-quadruplexes with small molecules, generally in order to suppress oncogene expression and telomerase enzyme activity; the latter has been found to contribute to “out-of control” cell growth in ca. 80-85% of all cancer cells and primary tumours while being absent in normal somatic cells. In this work, we present efforts towards designing and synthesizing acridine-based macrocycles (Mh) and (Mb) with the purpose of providing potential G4 ligands that are suited for selective binding to G4 vs. duplex DNA, and stabilize G-quadruplex structures. Two ligands described in this study include an acridine core which provides an aromatic surface capable of π-π interactions with the surface of G-quadruplexes. The successful synthesis of 4,5-diaminoacridine is described in chapter 2, as an essential fragment of the macrocycles (Mh) and (Mb). In order to investigate the synthetic method for macrocyclization, model compounds composing almost half of the designed macrocycles were explored. As discussed in chapter 3, the synthesis of the model compound for (Mb) turned out to be challenging. However, as a step towards the synthesis of (Mh), the synthesis of the hydrogen-containing model compound, which is almost half of the desired macrocycle (Mh) was achieved in our group and proved to be promising.

Direct catalytic macrolactonization and application of the phase separation strategy in complex molecule synthesis

Les macrolactones sont des squelettes structuraux importants dans de nombreuses sphères de l’industrie chimique, en particulier dans les marchés pharmaceutiques et cosmétiques. Toutefois, la stratégie traditionnelle pour la préparation de macrolactones demeure incommode en requérant notamment l’ajout (super)stœchiométrique d’agents activateurs. Conséquemment, des quantités stœchiométriques de sous-produits sont générées; ils sont souvent toxiques, dommageables pour l’environnement et nécessitent des méthodes de purification fastidieuses afin de les éliminer. La présente thèse décrit le développement d’une macrolactonisation efficace catalysée au hafnium directement à partir de précurseurs portant un acide carboxylique et un alcool primaire, ne générant que de l’eau comme sous-produit et ne nécessitant pas de techniques d’addition lente et/ou azéotropique. Le protocole a également été adapté à la synthèse directe de macrodiolides à partir de mélanges équimolaires de diols et de diacides carboxyliques et à la synthèse de dimères tête-à-queue de seco acides. Des muscs macrocycliques ainsi que des macrolactones pertinentes à la chimie médicinale ont pu être synthétisés avec l’approche développée. Un protocole pour l’estérification directe catalysée au hafnium entre des acides carboxyliques et des alcools primaires a aussi été développé. Différentes méthodes pour la macrolactonisation catalytique directe entre des alcools secondaires et des acides carboxyliques ont été étudiées. En outre, la stratégie de séparation de phase en macrocyclisation en débit continu a été appliquée lors de la synthèse totale formelle de la macrolactone ivorenolide A. Les étapes-clés de la synthèse incluent une macrocyclisation par le couplage d’alcynes de Glaser-Hay et une réaction de métathèse d’alcènes Z-sélective.

Direct catalytic macrolactonization and application of the phase separation strategy in complex molecule synthesis

Les macrolactones sont des squelettes structuraux importants dans de nombreuses sphères de l’industrie chimique, en particulier dans les marchés pharmaceutiques et cosmétiques. Toutefois, la stratégie traditionnelle pour la préparation de macrolactones demeure incommode en requérant notamment l’ajout (super)stœchiométrique d’agents activateurs. Conséquemment, des quantités stœchiométriques de sous-produits sont générées; ils sont souvent toxiques, dommageables pour l’environnement et nécessitent des méthodes de purification fastidieuses afin de les éliminer. La présente thèse décrit le développement d’une macrolactonisation efficace catalysée au hafnium directement à partir de précurseurs portant un acide carboxylique et un alcool primaire, ne générant que de l’eau comme sous-produit et ne nécessitant pas de techniques d’addition lente et/ou azéotropique. Le protocole a également été adapté à la synthèse directe de macrodiolides à partir de mélanges équimolaires de diols et de diacides carboxyliques et à la synthèse de dimères tête-à-queue de seco acides. Des muscs macrocycliques ainsi que des macrolactones pertinentes à la chimie médicinale ont pu être synthétisés avec l’approche développée. Un protocole pour l’estérification directe catalysée au hafnium entre des acides carboxyliques et des alcools primaires a aussi été développé. Différentes méthodes pour la macrolactonisation catalytique directe entre des alcools secondaires et des acides carboxyliques ont été étudiées. En outre, la stratégie de séparation de phase en macrocyclisation en débit continu a été appliquée lors de la synthèse totale formelle de la macrolactone ivorenolide A. Les étapes-clés de la synthèse incluent une macrocyclisation par le couplage d’alcynes de Glaser-Hay et une réaction de métathèse d’alcènes Z-sélective.