Les oxétanes sont des cycles à quatre chaînons comportant un atome d’oxygène intracyclique. Le motif oxétane est présent dans la structure de nombreux produits naturels et dans un large panel de composés de synthèse pour la recherche pharmaceutique. Les thiétanes sont des cycles à quatre chaînons comportant un atome de soufre intracyclique. Le motif thiétane, est quant à lui moins répandu au sein de molécules bioactives et il n’existe à ce jour qu’un nombre restreint d’études le concernant. Ils sont tous deux prisés également comme intermédiaires de synthèse du fait de la grande réactivité intrinsèque liée à leur tension de cycle. Parmi les nombreux accès à ces hétérocycles à quatre chaînons, la réaction de cycloaddition [2+2] photochimique est une méthode de choix en termes d’efficacité et de compatibilité structurale.Dans cette thèse, nous nous sommes, dans un premier temps, intéressés à une approche photochimique pour la synthèse d’un β-acide aminé possédant un squelette oxétane. Son stéréoisomère (2R,3S) est un produit naturel appelé oxétine. Notre objectif était de mettre en place une synthèse rapide et efficace sur l’échelle du gramme des quatre stéréoisomères de l’oxétine. La construction du cycle oxétane a été réalisée très efficacement via une cycloaddition [2+2] photochimique de Paternò-Büchi entre le N-vinyl formamide et le glyoxylate de n-butyle, tous deux facilement disponibles.Après une modification stratégique des groupements fonctionnels, les précurseurs de l’oxétine et de son diastéréoisomère, l’epi-oxétine, ont pu être séparés. Chacun d’entre eux a été dédoublé via l’utilisation d’une oxazolidinone, donnant accès aux quatre stéréoisomères énantiopures ciblés. En parallèle, une méthode de séparation sur HPLC chirale a été établie sur les produits de cycloaddition de Paternò-Büchi afin d'obtenir un autre accès aux quatre composés désirés sur grande échelle.Nous avons étudié la réaction de Paternò-Büchi en flux continu. Après une optimisation des conditions opératoires sur une réaction modèle, l’étape clé pour la synthèse de l’oxetine a été étudiée en détails. L’efficacité de ces réactions de Paternò-Büchi s’est avérée similaire et des temps de réaction plus rapides ont été obtenus par rapport à celles réalisées en batch.Dans la seconde partie de cette thèse, l’objectif initial était de réaliser la synthèse de l’analogue soufré de l’oxétine, la thia-oxétine, par une réaction de thia-Paternò-Büchi photochimique. Mais, les insurmontables difficultés rencontrées pour préparer et utiliser les thia-glyoxylates, ont redirigé notre objectif vers des transformations photochimiques impliquant des alcènes et des diaryle thiocétones. De façon intéressante, dans le cas de la réaction entre l’acrylonitrile et la thiobenzophénone, le diphényle thiétane ciblé s’est avéré être en mélange avec son analogue tétraphényle thiolane. Les conditions opératoires ont été mises au point afin de préparer sélectivement le photoadduit à quatre ou à cinq chaînons. Cette nouvelle réaction photochimique entre l’acrylonitrile et divers diaryle thiocétones, nous a permis d’obtenir un panel de tétraaryle thiolanes.Nous avons démontré expérimentalement que le diaryle thiétane était un intermédiaire dans la formation du tétraayle thiolane. La réaction photochimique entre des diaryle thiétanes et des diaryle thiocétones a été étudiée permettant l’accès à une petite librairie de tétraaryle thiolanes non-symétriques de manière complétement régiosélective et avec de bons rendements.Des études mécanistiques ont été menées dans le but de mieux comprendre cette nouvelle synthèse photochimique de thiolanes et un mécanisme potentiel pour l'accès aux composés tétraayle thiolanes est discuté. / Oxetanes are four-membered ring compounds which incorporate one oxygen atom in the ring. Oxetane rings are present in natural products and in a large panel of synthetic compounds used in drug discovery. Thietanes are four-membered ring compounds which incorporate one sulphur atom in the ring. They are less widespread in bioactive molecules and are less well studied. Both oxetanes and thietanes are high-value intermediates in organic synthesis due to their inherent ring strain. Among the different approaches known for the synthesis of these four-membered ring heterocycles, photochemical [2+2] cycloaddition strategies are among the most important in term of efficiency and functional group compatibility.In this thesis, we first focused on a photochemical approach for the synthesis of a β-amino acid containing an oxetane ring. The (2R,3S) stereoisomer of this structure is a natural product called oxetin. Our objective was to establish an efficient and expedient synthesis of the all four stereoisomers of oxetin on gram scale. The oxetane ring was built very efficiently via a photochemical [2+2] cycloaddition Paternò-Büchi reaction between commercially available N-vinyl formamide and readily available n-butyl glyoxylate.Following strategic functional group transformations, functionalized derivatives of oxetin and its diastereoisomer, epi-oxetin, were separated. Each of these racemates was resolved using a chiral oxazolidinone to provide access to all four target stereoisomers in enantiomerically pure form. In parallel, a chiral HPLC separation protocol was established on Paternò-Büchi cycloaddition products to establish an alternative access to the target compounds in large scale.We investigated the Paternò-Büchi reaction in continuous flow conditions. After optimization of the experimental procedure on a model reaction, the key step for the synthesis of oxetin was studied in detail. The efficiency of these Paternò-Büchi reactions was similar to processes conducted in batch, while the time of the reactions was reduced.In the second part of the thesis, the initial objective was to develop a thia-Paternò-Büchi photochemical synthesis of the sulphur analogue of oxetin, called thia-oxetin. However, the insuperable difficulties encountered in preparing and using thia-glyoxylates redirected our focus to related photochemical reactions between alkenes and diaryl thioketones. Very interestingly, in the model reaction of acrylonitrile with thiobenzophenone, we discovered that, in addition to the anticipated diphenyl thietane, an unexpected tetraphenyl thiolane was also formed. Conditions were established to allow the selective formation of either the thietane or the thiolane photoproduct. This unprecedented photochemical reaction between acrylonitrile and a selection of other diaryl ketones allowed us to prepare a panel of tetraarylated thiolanes.We established that the initially-formed diaryl thietane was an intermediate in the formation of the tetraaryl thiolane. The photochemical reaction between a diaryl thietane and a diaryl thioketone was therefore employed to prepare a small library of non-symmetrical tetraaryl thiolanes in a fully regioselective manner and in high yields.Mechanistic investigations were carried out in an effort to better understand this previously unknown photochemical formation of the thiolanes, and possible mechanisms for the tetraaryl thiolanes formation are discussed.

Thesis advisor: Marc L. Snapper / Intramolecular [2+2] photocycloadditions have been studied: (i) Previous studies in our group have demonstrated that there is a regiochemical dependence of intramolecular [2+2] photocycloadditions on the solvent employed. In order to understand the generality of hydrogen bonding effects of photochemical reactions of β-hydroxyl enones, we examined the photochemical outcome of enones with both acyclic and cyclic olefin tethers. (ii) An application of an intramolecular [2+2] photocycloaddition/ fragmentation strategy to form 5-8-5 ring systems has been demonstrated toward the synthesis of the natural product cycloaraneosene. / Thesis (PhD) — Boston College, 2008. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Chemistry.

X-ray crystallography is an important analytical method for the characterisation of materials in the solid state. During the last decade, it has become important as a tool in the new field of photocrystallography. This combines both crystallography and photochemistry and is used to monitor the formation of light-induced metastable and transient species, so that structural information can be obtained during the change of a material. This is an important area of research as solid state chemistry can display new phenomena and reveal properties that are not possible in solution. Chapter 1 of this thesis commences with a brief introduction to the different methods used to achieve and measure the excitation within crystalline compounds, while Chapter 2 contains an introduction into diffraction methods. In Chapters 3-5 new photocrystallographic studies were performed on two series of compounds. The first one consists of a systematic study on metal complexes with different pyridylethylene ligands. The focus was to align complexes in the solid state so that they can undergo photo induced cycloaddition reactions. These solid state reactions are important as they present “green synthetic chemistry”. The second study involves the photoinduced linkage isomerisation of [Ni(L)2(NO2)2] complexes. Structural characterisation shows that the NO2 ligands change their coordination mode when irradiated with light of different wavelengths. Conditions for the metastable isomerisation were optimised by altering temperature and wavelengths. In Chapters 6 and 7 a systematic study of structural changes in a series of lanthanide complexes and their use as triboluminescence materials, is described. The proposed mechanism of triboluminescence for these complexes is discussed. To summarise, in this thesis, systematic investigations have been carried out in different aspects of crystallography using appropriate series of compounds. The nature of and the conditions required for the change to occur within the solid state have been established.

Dans ce mémoire, nous étudions deux voies d'accès possibles à des analogues cyclobutaniques du GABA. Les deux voies que nous explorons font appel à des photocycloadditions de l'éthylène sur des dihydropyridinones ou bien sur des pyrrolones. Dans le premier chapitre constituant l'introduction, nous évoquerons la place des aminoacides dans la chimie peptidomimétique. Après une brève description des structures primaire, secondaire et tertiaire des enchaînements d'aminoacides, nous étudierons plus particulièrement les oligomères dans lesquels la structure primaire comporte une contrainte apportée par un cycle dans la chaîne principale. Dans le deuxième chapitre, nous présenterons notre stratégie de synthèse des dihydropyridinones à partir des azabicyclo[3.1.0]hexanols. Puis, pour obtenir un plus large éventail de dihydropyridinones, nous étudierons la faisabilité de notre méthode pour la synthèse de dihydropyridinones N-α'-substituées. Dans le troisième chapitre, nous développerons les réactivités particulières des dihydropyridinones d'une part, en milieu oxydant et d'autre part en photochimie et nous en conclurons que la dihydropyridinone issue de la phénylglycine ne constitue par un bon précurseur pour les réactions de photocycoloadditions [2+2]. Dans le quatrième chapitre, nous avons synthétisé des pyrrolones γ-substituées comme substrats alternatifs dans les réactions de photocycloaddition [2+2] avec l'éthylène. Les acides aminés naturels (L-Alanine, L-Valine, L-Leucine, L-Sérine, L-Phénylglycine, L-Phénylalanine) ont été utilisés pour préparer ces différentes pyrrolones. Dans le cinquième chapitre, nous avons donc effectué les photocycloadditions [2+2] de l'éthylène sur ces pyrrolones. Nous avons obtenu les bicyclo[4.2.0]heptanes correspondant dans la plupart des cas. Ces composés pourraient constituer des précurseurs de dérivés cyclobutaniques du GABA.

In this thesis, photocrosslinked ferrocene-based methacrylate polymers for thin-film cathodes in lithium batteries have been synthesized. Patterned thin-film electrodes of the ferrocene-based methacrylate polymers are fabricated by photocrosslinking. The structure and composition of the photocrosslinkable polymers are characterized by infrared spectra, nuclear magnetic resonances, and gel permeation chromatography. The result of quartz crystal microbalance shows that the crosslinked polymers prevent the polymers from dissolving into organic electrolytes. The cyclic voltammogram shows the photocrosslinked ferrocene-based methacrylate polymers have a redox couple. The energy capacity of the polymer for lithium batteries is about 40-50 mAh g-1 at a discharge rate of 10 C. The results show that the photocrosslinked ferrocene-based methacrylate polymers also improve the batteries.

This thesis present a study of thermo-gelling polycaprolactone (PCL) dispersion which consist of a mixture of PCL microspheres (MSs) and thermo-responsive, graft cationic copolymer. The PCL microspheres are solid or colloidosomes (hollow). This study aims toward an injectable colloidal cell delivery system. The thermo-responsive copolymer used in this study is a new family of cationic graft copolymer. The cationic graft copolymer consisted of cationic poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) backbone and poly 2-(2-methoxyethoxy) ethyl methacrylate (PMA) side chains. A series of new cationic graft copolymers were synthesized with different PMA arm length and grafting density. A representative copolymer showed good cell viabililty. The solid PCL MSs were prepared using solvent evaporation method. The MSs were mixed with the thermo-responsive graft copolymer. At room temperature the mixture were liquid-like and gelled at body temperature (37 ˚C). This indicates that the mixture systems were injectable. The injectable route offers a minimal invasive route to fill defect void inside the body. Furthermore, a porous morphology was evident for the mixed gels at 37 ˚C and the porosity could be altered using different composition of the mixed components. The mixed system showed self-healing properties for low volume fraction of PMA. The mixed system particle gel was more ductile in electrolyte but showed similar morphology to the mixed system particle gels prepared in water. This part of the study was carried out using PCL MSs prepared by cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) as surfactant. A brief study using polyvinyl alcohol (PVA) as the surfactant showed that the PCL MSs had similar diameter and gel morphology which suggests that the model systems studied using CTAB may be applicable to the PVA system. Microencapsulation attracts interest due to its ability to deliver and control release actives and also its application in many fields. Colloidosomes are one of the microcapsules/microspheres used for microencapsulation. In this study a two step, facile and scaleable colloidosome preparation method was introduced. The PCL colloidosome shell consisted of partially fused small nanoparticles. The PCL colloidosomes were birefringence under cross polarised light due to the stress applied during solvent evaporation. A brief study showed that the mixture system of colloidosomes and thermo-responsive graft copolymer are able to gel at 37 ˚C.

This study was made in an attempt to analyze qualitatively the reaction products formed when chlorosulfonic acid reacts with 2, 2, 4-trimethylpentane.

The isolation and identification of the active constituents from an Allium sp. extract possessing antibacterial activity was undertaken. The plant material of interest was extracted, purified and screened for antibacterial activity against a Gram positive bacteria. Multiple trials were performed and the isolation was scaled-up repeatedly, overall three compounds potentially possess the observed activity. One compound was identified to yield the majority of activity, and a refined procedure for its purification was established. Initial characterization studies demonstrated the major isolate of interest is novel compared to other isolates from the Allium genus. A ruthenium-catalyzed homo Diels-Alder [2+2+2] cycloaddition between bicyclo[2.2.1]hepta-2,5-diene and alkynyl phosphonates was also studied. The observed reactivity was found to be dependent on the presence of the phosphonate moiety. The cycloaddition was compatible with a variety of aromatic and aliphatic substituted alkynyl phosphonates providing the corresponding phosphonate substituted deltacyclenes in low to good yields (up to 88%).

Ce travail de thèse s'intéresse à la cycloaddition [2+2] asymétrique de cétènes et à son application en synthèse totale. La meilleure réactivité des oléfines Z comparées aux oléfines E, une des caractéristiques de la cycloaddition [2+2], est étudiée à la fois d'un point vue synthétique et théorique via des calculs DFT. Une méthodologie de cycloaddition [2+2] asymétrique entre des éthers d'énol chiraux et divers cétènes générés in situ a ensuite été développée. Cette cycloaddition limitée jusqu'ici à l'utilisation du dichlorocétène a été étendue à une grande variété de cétènes, permettant l'obtention de cyclobutanones variées hautement fonctionnalisées. Les cyclobutanones chirales obtenues ont été engagées dans la synthèse totale de produits naturels : la lactacystine et la salinosporamide A, inhibiteurs du protéasome et potentiels anticancéreux. Ces synthèses présentent trois étapes clés communes : une cycloaddition [2+2] asymétrique, une expansion de cycle de type Beckmann et la fonctionnalisation des chaînes latérales. La synthèse formelle de la lactacystine est présentée dans ce manuscrit, ainsi que les travaux en cours vers la synthèse de la salinosporamide A. / This thesis work focuses on the [2+2] asymmetric cycloaddition of ketenes and its application in total synthesis. The best reactivity of Z olefins compared to E olefins, one of the features of the [2+2] cycloaddition, is studied both from a synthetic and theoretically point of view, via DFT calculations. A methodology of [2+2] asymmetric cycloaddition between chiral enol ethers and various in situ generated ketenes was then developed. Cycloadditions limited to the use of dichloroketene hitherto was extended to a wide range of ketenes, leading to various highly functionalized cyclobutanones. Those chiral cyclobutanones were engaged in the total synthesis of natural products: lactacystin and salinosporamide A, proteasome inhibitors and potent anticancer agent. These syntheses have three common key steps : a [2+2] asymmetric cycloaddition, a Beckmann type ring expansion and a side chains functionalization. The formal synthesis of lactacystin is presented in this manuscript, as well as the work in progress towards the synthesis of salinosporamide A.

Ces travaux de thèse ont pour but de synthétiser des squelettes ladderanes en une seule étape de photocycloaddition [2+2] multiple. Le produit naturel acide pentacycloanammoxique est la molécule visée au terme de ce projet. Dans une première partie, nous avons développé une méthode originale de photocycloaddition [2+2] intramoléculaire à partir de précurseurs polyéniques soufrés. Ainsi, quatre types de composés cycliques ont été obtenus et caractérisés. Cette méthodologie a été appliquée à des composés mono, di et triènes, sulfures et sulfone, par irradiation au sein d’un photoréacteur Rayonet, ou dans des conditions plus douces avec des LED bleues. Différentes stratégies ont été testées dans le but de former des ladderanes, comme la modification des extrémités des chaînes polyéniques, les catalyses au cuivre (I) et photoredox, ou encore la photosensibilisation, mais aucune n’a permis la formation de plus d’un cyclobutane. La technique de l’encapsulation supramoléculaire au sein de cavités cyclodextrines et cucurbituriles a permis de préparer quantitativement un composé cyclobutanique de configuration syn-trans-syn sur petite échelle. Ce résultat étudié en photochimie de flux, représente une perspective encourageante pour la synthèse de ladderanes. Nous avons également étudié la synthèse d’un modèle de métabolite de l’acide pentacycloanammoxique, qui représenterait un étalon analytique. Dans ce contexte, une cétone tricyclique a été dans un premier temps préparée en sept étapes avec un rendement de 67% par le biais de la cycloisomérisation catalysée au platine (II) d’un précurseur énynylester. Puis l’intermédiaire alcool le plus avancé de la synthèse a été obtenu après six étapes supplémentaires avec un rendement de 7,4%. Enfin, une méthodologie de synthèse a été développée autour de l’intermédiaire cétone tricyclique de structure originale, permettant des transformations hautement régio et diastéréosélectives. Des réactions d’additions nucléophiles ou d’extensions de cycles telles que l’homologation de Bayer-Villiger ou le réarrangement de Beckmann ont été étudiées. / The aim of this PhD work was to synthesize ladderane skeletons in one multiple [2+2] photocycloaddition step. The natural product pentacycloanammoxic acid is the target molecule of the project. In a first part, we developped an original method of intramolecular [2+2] photocycloaddition from sulfide polyenic precursors. Thus, four kind of cyclic compounds were obtained and characterized. This metodology has been applied to mono, di, and triene compounds, either sulfide or sulfone, by irradiation in a Rayonet photoreactor or in milder conditions with blue LEDs. Different strategies have been tested in order to create ladderanes, such as modification of polyene chain end, copper(I) and photoredox catalysis, or photosensitization, but none allowed the formation of more than one cyclobutane. Supramolecular encapsulation in cyclodextrins and cucurbiturils have provided quantitatively cyclobutane compound with syn-trans-syn configuration on small scale. This result studied in flow photochemistry is an encouraging perspective for ladderane preparation. We have also studied the synthesis of a pentacycloanammoxic acid metabolite model. In this context, a tricyclic ketone has been prepared first in seven steps with a gobal yield of 67%, based on a platinum(II) catalysed cycloisomerization as a key step. Then, the most advanced alcohol intermediaite has been obtained after six more steps in a 7.4% yield. Finally, a synthesis methodology has been developped around the tricyclic ketone intermediaite, of novel structure, allowing highly regio and diastereoselective transformations. Nucleophilic additions or ring expansion reactions such as Bayer-Villiger homologation or Beckmann rearrangement have been studied.