ABSTRACT DEVELOPMENT OF NEW SYNTHETIC METHODOLOGIES FOR ISOQUINOLONE AND ISOINDOLINONE DERIVATIVES M&uuml / jde, Berk M.Sc., Department of Chemistry Supervisor: Prof. Dr. Metin Balci July 2010, 146 pages Due to the wide range of physiological activities, heterocycles containing nitrogen and oxygen have always attracted the interest of chemists. The objective of this research is to develop new synthetic routes to the synthesis of isoquinolone and isoindolinone derivatives starting from 2-(2-carboxyethyl)benzoic acid and homophthalic acid, respectively. The half ester produced from 2-(2-carboxyethyl)benzoic acid was an important key compound for the synthesis of new isoquinolone derivatives which are expected to be biologically active. The corresponding acyl azides and isocyanates were generatedwhich might be used as a precursors to construct a variety of isoquinolone derivatives. Transformation of acyl azides into urea derivatives followed by ring-closure under the basic conditions provided isoquinolones. Bromo- and methoxyhomophthalic acid derivatives were synthesized to increase in variety of isoindolinone derivative. Then corresponding anhydrides were generated to further reactions for synthesis of isoindolinone derivatives. Surprisingly, tetrazolinone derivatives are also formed by 1,3 dipolar cycloaddition. Whole products were conscientiously purified and characterized. In addition, the similar methodology which was used for the synthesis of isoquinolone derivatives, was applied to 2-(carboxymethyl)furan-3-carboxylic acid to synthesize new nitrogen and oxygen containing heterocycles.

La synthèse énantiosélective de deux pyrrolizidines naturelles, la (+)-rétronecine et la (+)-hyacinthacine A1, a été effectuée en se basant sur la réaction de cycloaddition [2+2] du dichlorocétène sur un éther d'énol chiral encombré. Ces synthèses sont caractérisées par une séquence très efficace conduisant à un lactame chiral (intermédiaire commun) qui conduit facilement au squelette pyrrolizidine.<br />La synthèse de la (+)-rétronecine est effectuée, notamment, par une oxydation allylique de la double liaison terminale de ce composé et une méthoxycarbonylation catalysée au palladium de manière à introduire un équivalent du groupe hydroxyméthyle. Pour la (+)-hyacinthacine A1, un groupement hydroxyméthyle masqué est introduit par addition d'un cuprate de phényldiméthylsilylméthyle sur un imminium intermédiaire provenant du même lactame. Ce groupement est alors converti en hydroxyméthyle, en fin de synthèse, par une oxydation de Tamao-Fleming.

Abstract Al-Omari, Mohammad Synthesis of Alkynes from Bi-3H-diazirin-3-yls: Trapping of Strained Cycloalkynes Chemnitz Technical University, Fakulty of Science Dissertation 2003, 76 pages. In this study, we have succeeded in synthesis of alkynes by a new method using bidiazirines as precursors. Different bidiazirinyl systems, such as acyclic, cyclic, and bicyclic systems, were investigated to show if they could serve as appropriate precursors for cycloalkynes. It has been shown that alkynes of no strain (e.g. 2-butyne) as well as extremely strained cycloalkynes (e.g. norbornyne) could be generated utilizing this method. This new method represents a simple, clean, and very efficient route to alkynes. That the strained cycloalkynes had actually been generated was shown by different trapping experiments. In these experiments, the thermal or photoextrusion of nitrogen atoms of the bidiaziridine moieties will certainly leads to the formation of a C,C triple bond, most probably through carbene intermediate. In terms of their reactions with the trapping dienes reagents, the generated cycloalkynes should be considered as normal, yet strained alkynes. In turn, bidiazirines were easily synthesized by oxidative dehydrogenation of their corresponding bidiaziridines. Bidiaziridines, which were the key step in the whole process, were successfully synthesized from bisdiimine precursors. It has been shown, that bisdiimines were the only suitable starting materials for the synthesis of bidiaziridines. Neither the diketones, nor the iminoketone derivatives proved to serve as appropriate starting materials. keywords: 1,2-diketon, 1,2-diimines, bidiaziridin, bidiazirin, strained cycloalkynes, Norbornyne, trapping agents, cycloaddition. / Bibliographische Beschreibung und Referat Al-Omari, Mohammad Synthesis of Alkynes from Bi-3H-diazirin-3-yls: Trapping of Strained Cycloalkynes Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften Dissertation 2003, 76 Seiten. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Methode zur Synthese von Alkinen beschrieben. Ausgehend von acyclischen, mono- und bicyclischen 1,2-difunktionalisierten Vorläufern wurden Bidiazirine synthetisiert und deren Eignung als Precursoren für Alkine untersucht. Dabei musste festgestellt werden, dass sich weder von 1,2-Diketonen noch von Iminoketonen die als Zwischenprodukte benötigten Bidiaziridine direkt darstellen ließen. Der einzige erfolgreiche Syntheseweg führte über die 1,2-Diimine zu Diastereomeren-Gemischen der gewünschten Bidiaziridine. Die Oxidation der Bidiaziridine lieferte die Bidiazirine, welche als Vorstufen für die Synthese von Alkinen dienten. So konnten auf diesem Wege sowohl spannungsfreie lineare Alkine wie 2-Butin als auch extrem gespannte Cycloalkine wie Cyclohexin oder Norbornin synthetisiert werden. Der spektroskopische Nachweis der Alkine erfolgte dabei direkt bzw. über verschiedene Abfangprodukte. Stichworte: 1,2-Diketon, 1,2-Diimine, Bidiaziridin, Bidiazirin, gespannte Cycloalkine, Norbornin, Abfangreagentien, Cycloaddition.

In der vorliegenden Arbeit wird die Darstellung neuartiger Brückenkopf-Azirine dokumentiert. Diese können photochemisch oder thermisch aus den entsprechenden, zum Teil ebenfalls unbekannten carbocyclischen Vinylaziden erzeugt werden. Dabei ist für die direkte Beobachtung der hochgespannten und instabilen Azirine die Photolyse in Lösung bei tiefer Temperatur (bis –80°C) nötig. Besonders kurzlebige Azirine werden über Folge- oder Abfangreaktionen nachgewiesen. Als thermische Folgeprodukte lassen sich Dihydropyrazine bzw. Pyrazine durch Dimerisierung erhalten. Es wird gezeigt, dass eine Methylgruppe als Substituent in der Brückenkopfposition eine Stabilisierung der Azirine bewirkt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Reaktionsverhaltens der Brückenkopf-Azirine. Aufgrund ihrer hohen Ringspannung weisen diese eine sehr große Reaktivität auf. So ist eine Diels-Alder-Reaktion mit Cyclopentadien und die Addition von Blausäure möglich. Ferner reagieren die hochgespannten Azirine bei –50°C sofort mit Diazomethan, sodass erstmals die durch 1,3-dipolare Cycloaddition entstehenden Dihydrotriazol-Derivate als Zwischenstufe mittels Tieftemperatur-NMR-Messung beobachtet werden können. Des Weiteren führen auch die Umsetzungen der Brückenkopf-Azirine mit Diphenylketen, Benzoylisocyanat und Nitriloxid zu neuen Verbindungen.

In der vorliegenden Arbeit wird die Verwendbarkeit verschiedener Alkine bzw. organischer Azide für die katalysierte 1,3-dipolare Cycloaddition dokumentiert. Es wird gezeigt, dass Popargylazid eine Sonderstellung bezüglich dieser katalysierten Cycloaddition einnimmt, da es diese zu inhibieren vermag. Der Hauptschwerpunkt der Arbeit liegt in der Synthese makrocyclischer Triazolsysteme unter Verwendung der Cu(I)-katalysierten 1,3-dipolaren Cycloaddition. Durch die Entwicklung einer mehrstufigen Synthese gelingt die Darstellung eines makrocylischen Triazolsystems, das formal als cyclisches Tetramer von Propargylazid aufgefasst werden kann. Durch Übertragung des Syntheseprinzips auf andere Fünfring-Heterocyclen (Tetrazole, Imidazole), wird eine große Anzahl an makrocyclischen Verbindungen als potentielle Komplexliganden erzeugt. Der Vergleich der Zielprodukte liefert Aussagen über deren Eigenschaften, vor allem deren Löslichkeitsverhalten und deren Reaktivität. Anhand einer Kristallstruktur wird gezeigt, dass es sich um nichtplanare Verbindungen handelt, was aus den NMR-Messungen bei Raumtemperatur nicht hervorgeht. Des weiteren werden aus den Nebenprodukten des Syntheseweges ebenfalls neue heterocyclische Systeme gewonnen, die den Makrocyclen ähnliche Eigenschaften aufweisen. Ferner gelingt die Synthese einer neuartigen Käfigverbindung aus einem der erstmalig erzeugten Makrocyclen, deren Struktur kristallographisch belegt werden kann.

In der vorliegenden Arbeit wird die Darstellung einer Vielzahl neuer, hochreaktiver Brückenkopf-Azirine dokumentiert. Diese können ausschließlich photochemisch aus den entsprechenden, zum Teil ebenfalls unbekannten carbocyclischen Vinylaziden erzeugt werden. Für eine direkte Beobachtung der hochgespannten und instabilen Azirine ist die Photolyse in Lösung bei tiefer Temperatur (bevorzugt –50°C) nötig. Besonders kurzlebige Azirine werden über Folge- oder Abfangreaktionen nachgewiesen. Dabei handelt es sich um die Diels-Alder-Reaktion mit Cyclopentadien oder die Addition von Blausäure – beides Umsetzungen, welche nur Aufgrund der erhöhten Reaktivität durch die gesteigerte Ringspannung in den Brückenkopf-Azirinen ablaufen. Erstmals werden gezielt Verbindungen synthetisiert, bei denen der das Azirin überbrückende Ring nicht alicyclisch, sondern hetero- und/oder polycyclisch, aber auch ungesättigt ist, bzw. aromatische Struktureinheiten enthält. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung des Einflusses von Seitenketten auf die Stabilität der Azirine. So kann gezeigt werden, dass ein voluminöser Substituent in der Brückenkopfposition eine deutliche Stabilisierung der Azirine bewirkt.

Spinosyn A is a particularly interesting natural product due to its structural complexity and potent insecticidal activity. The biosynthetic pathway of spinosyn A is interesting as it has two unusual features, the SpnF-catalyzed (4+2) cycloaddition and the SpnL-catalyzed cyclization to produce the perhydro-as-indacene core. The work described in this dissertation focuses on elucidating the mechanisms of the SpnF- and SpnL-catalyzed reactions. SpnF has attracted significant interest as a possible Diels-Alderase. To explain how SpnF catalyzes the formation of cyclohexene ring, three plausible mechanisms have been proposed, the Diels-Alder reaction mechanism, the ionic rearrangement mechanism, and the biradical rearrangement mechanism. Kinetic isotope effect studies were performed using four deuterium-labeled mechanistic probes, specially the C4-D, C7-D, C11-D, and C12-D analogs. Currently, the ionic rearrangement mechanism can be excluded, based on the results using the C4-D and C7-D analogs. In addition, how SpnF accelerates the reaction was studied to assess the contribution of an entropic x preorganization compared to enthalpic transition state stabilization. To measure the relative rate enhancements due to structural perturbations, three mechanistic probes were synthesized, the linear analog, the C13-14 Unc analog, and the C2-3 Unc analog. Unfortunately, the linear analog and C13-14 Unc analog didn’t show any turnover activity under either non-enzymatic or enzymatic conditions. Thus, no conclusion could be drawn from incubation with these substrate analogs. Mechanistic studies of SpnL-catalyzed cyclization were devoted to differentiating between the Rauhut-Currier type mechanism and the Michael addition mechanism. Biochemical studies using the C13-F analog as a mechanism-based inhibitor showed the formation of a covalent adduct with SpnL, which is consistent with the Rauhut-Currier type mechanism. Additional experimental data obtained from isotope trace experiments and kinetic isotope effect studies using C12-D analog supports the Rauhut-Currier type mechanism. Biochemical studies concerning the role of SAM in SpnF and SpnL showed that SAM is required for the activity of SpnL, and were inconclusive for SpnF. SpnL mutant studies showed that Cys60 and Glu96 may be important for the catalysis of SpnL. Chemoenzymatic total synthesis of spinosyn A was completed by chemical etherification of 17-pseudoaglycone and D-forosamine. / text

This thesis is an investigation of ruthenium-catalyzed [2+2] cycloaddition reactions of a 3-aza-2-oxabicyclo[2.2.1]hept-5-ene with unsymmetrical alkynes. Yields of up to 90% were obtained though regioselectivity was modest. Select cycloadducts could be separated and used to access a highly functionalized [3.2.0] bicyclic structure through reductive cleavage of the N-O bond. These ring-opened products displayed a chemical exchange phenomenon in 1D carbon NMR and required characterization by 2D NMR techniques. In addition, a haloalkynylation reaction was found to occur when 1-iodo-2-phenylethyne and the 3-aza-2-oxabicyclo[2.2.1]hept-5-ene were submitted to the cycloaddition conditions. An effort was made to optimize the reaction between 1-iodo-2-phenylethyne and norbornadiene in favour of the addition product. / Government of Ontario, NSERC

Verdazyl radicals are a family of multicoloured stable free radicals. Aside from the defining backbone of four nitrogen atoms, these radicals contain multiple highly modifiable sites that grant them a high degree of derivatization. Despite having been discovered more than half a century ago, limited applications have been found for the verdazyl radicals and little is known about their chemistry. This thesis begins with an investigation to determine whether verdazyl radicals have a future as mediating agents in living radical polymerizations and progresses to their application as substrates for organic synthesis, an application that to date has not been pursued either with verdazyl or nitroxide stable radicals. The first part of this thesis describes the successful use of the 1,5-dimethyl-3-phenyl-6-oxoverdazyl radical as a mediating agent for styrene and n-butyl acrylate stable free radical polymerizations. The study of other verdazyl derivatives demonstrated the impact of steric and electronic properties of the verdazyl radicals on their ability to mediate polymerizations. The second part of this thesis outlines the initial discovery and the mechanistic elucidation of the transformation of the 1,5-dimethyl-3-phenyl-6-oxoverdazyl radical into an azomethine imine, which in the presence of dipolarophiles, undergoes a [3+2] 1,3-dipolar cycloaddition reaction to yield unique pyrazolotetrazinone structures. The reactivity of the azomethine imine and the scope of the reaction were also examined. The third part of this thesis describes the discovery and mechanistic determination of a base-induced rearrangement reaction that transforms the verdazyl-derived pyrazolotetrazinone cycloadducts into corresponding pyrazolotriazinones or triazole structures. The nucleophilicity, or the lack thereof, of the base employed leading to various rearrangement products was examined in detail. The final part of this thesis demonstrates the compatibility of the verdazyl-initiated cycloaddition and rearrangement reactions with the philosophy of diversity-oriented synthesis in generating libraries of heterocycles. A library of verdazyl-derived heterocycles was generated in a short amount of time and was tested non-specifically for biological activity against acute myeloid leukemia and multiple myeloma cell lines. One particular compound showed cell-killing activity at the 250 mM range, indicating future potential for this chemistry in the field of drug discovery.

The emergence of verdazyl radicals as starting materials for organic synthesis is providing a unique opportunity to create a variety of distinctive heterocyclic scaffolds. These stable radicals have previously been used as spin probes, polymerization inhibitors, mediators of living radical polymerizations, and as substrates for molecular-based magnets. However, verdazyl radicals have never been employed to fulfill an organic synthetic role until recently. In an effort to pioneer the chemistry behind verdazyl radicals as novel organic substrates, our lab has been inspired to expand and explore the scope of reactions involving their synthetic utility. This thesis assesses the synthetic versatility of verdazyl radicals by constructing a library of structurally complex and diverse verdazyl-derived heterocycles in an approach called diversity-oriented synthesis. The synthetic versatility was further expanded to the preparation of a biphenyl-stacked biphenylophane, which exhibited interesting structural and conformational features as highlighted herein.