Thèse de doctorat : Chimie Organique : Strasbourg : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 8 p.

Le thème principal de la thèse est l'utilisation de l’organocatalyse en vue de synthétiser des dérivés de cyclobutanones. Ces dérivés de cyclobutanones sont utiles car ils constituent des briques moléculaires pour la construction d’édifices structurels plus complexes. Cependant et d’une façon surprenante, l'utilisation d’organocatalyseurs simples pour fonctionnaliser les cyclobutanones est rare, surtout lorsque le substrat porte des substituants. Dans cette thèse, nous présentons la synthèse de cyclobutanones substituées issues de fonctionnalisations et de transformations énantiosélectives catalysées par des aminoacides ou de la thiourée.- La première transformation consiste en une réaction d’aldolisation énantiosélective de la 2-hydroxycyclobutanone avec une sélection d'aldéhydes aromatiques. Par catalyse avec la L-thréonine, des aldols sont obtenus efficacement avec un stéréocontrôle raisonnable.- Ensuite, sont synthétisées des cyclobutanones 2,3-disubstituées soit par aldolisation de cyclobutanones 3-substituées par des aldéhydes aromatiques et catalysées par la N-phénylsulfonyl (S)-proline ou soit par nitro-Michael asymétrique avect différents nitrostyrènes, réactions catalysées par les dérivés de la thiourée. Dans le premier cas, les produits relatifs aldoliques ont été obtenus avec un contrôle des trois stéréocentres contigus ; par contre, dans le second cas, les γ-nitro cyclobutanones ont été obtenues avec une énantiosélectivité modeste. - Le dernier cas concerne la conversion de cyclobutanones 3-substituées en 5-hydroxy- γ-lactame substitué en position 4 par l’utilisation de nitrosobenzène électrophile et de L-proline.. Cette réaction implique une séquence domino et d’extension de cycle d’ O-nitroso-aldol-cyclisation. On accède à un système cyclique à cinq chaînons avec un bon rendement et formation de deux nouveaux centres stéréogéniques avec complète stéréochimie.Ainsi, le premier chapitre traite de l’organocatalyse et des applications les plus courantes des organocatalyseurs. La grande majorité des réactions organocatalytiques utilisent des amines chirales pour réaliser de l’aminocatalyse asymétrique ou également des acides et bases de Brønsted, des acides de Lewis via liaison hydrogène interposée, transfert de phase ou même carbène N-hétérocyclique.Le deuxième chapitre traite de la réactivité des cyclobutanones : l’électrophilie élevée et la tension de cycle font de la cyclobutanone et de ses dérivés un bon substrat pour les réactions de transformation de cycle telles que ouverture, contraction ou extension de cycle.Dans le troisième chapitre, la synthèse de cyclobutanones 2,2-disubstituées via aldolisation directe de la 2-hydroxycyclobutanone avec plusieurs aldéhydes ont été organocatalysées par des amines primaires. Les résultats montrent que la 2-hydroxycyclobutanone utilisée sans solvant et avec la L-thréonine fournit des aldols avec un stéréocontrôle raisonnable. / The main topic of thesis is the use of organocatalysis to synthesize cyclobutanones derivatives. Cyclobutanone derivatives are useful molecular building blocks for the construction of complex molecular structures. Surprisingly, however, the use of organocatalysts to functionalize cyclobutanones is rare, especially when the substrate bears substituents. In this thesis, we present the enantioselective transformations and functionalizations of substituted cyclobutanones which employ readily-available amino acids (or derivatives) and thiourea derivatives as organocatalysts. - The first transformation involves the enantioselective aldol reaction between 2-hydroxy-cyclobutanone with a selection of aromatic aldehyde. The results show that the 2-hydroxycyclobutanone is particularly amenable to solvent-free L-threonine-catalyzed direct aldol reactions with reasonable stereocontrol. - After, we synthesized 2,3-disubstituted cyclobutanones through direct aldol reactions involving 3-substituted cyclobutanones and aryl aldehydes catalyzed by N-phenylsulfonyl (S)-proline and via asymmetric nitro-Michael reaction of 3-substituted cyclobutanones and several nitrostyrenes catalyzed by thiourea derivatives. In the first case the relative aldol products were obtained with an unprecedented control of all three contiguous stereocenters in the latter the relatives γ-nitro cyclobutanones were obtained in good yield but in modest enantioselectivity. - The last case concerns the conversion of 3-substituted cyclobutanones into 4-substituted-5-hydroxy-γ-lactam using as electrophile nitrosobenzene and L-proline as catalysts. This reaction involves a ring-expanding O-nitroso-aldol–cyclization domino sequence. The synthetic protocol provides access to the five-membered ring system in good yield, and the formation of two new stereogenic centers is achieved with complete stereochemical control. Thus, the main topic of the first chapter is the organocatalysis, applications of the most common organocatalysts are discussed. The vast majority of organocatalytic reactions use chiral amine as catalysis (asymmetric aminocatalysis). Different types of organocatalysis involve the use of Br¿nsted acids and bases, Lewis acids, hydrogen bond-mediated catalysis, phase transfer and N-heterocyclic carbene catalysis. The second chapter deals with the reactivity of cyclobutanones. High electrophilicity and ring strain make the cyclobutanone and its derivatives a good substrate for ring transformation reactions. Characteristic reactions of functionalized cyclobutanones involve the ring opening, ring contraction and ring expansion reactions. In the third chapter, the synthesis of 2,2-disubstituted cyclobutanones via direct aldol reaction of 2-hydroxycyclobutanone with several aldehydes catalyzed by primary amines is presented. The results show that the 2-hydroxycyclobutanone is particularly amenable to solvent-free L-threonine-catalyzed direct aldol reactions with reasonable stereocontrol. In the fourth chapter we describe the synthesis of 2,3-disubstituted cyclobutanones through direct aldol reactions of 3-substituted cyclobutanones and aryl aldehydes, catalyzed by N-phenylsulfonyl (S)-proline and through asymmetric nitro-Michael reaction of 3-substituted cyclobutanones and several nitrostyrenes, catalyzed by derivatives of thiourea. In this last chapter an organocatalyzed enantioselective desymmetrization reaction of 3-substituted cyclobutanones is presented using nitrosobenzene as an electrophile and proline derivatives as catalysts. This reaction give an original 5-hydroxy-γ-lactam in good yield and with the generation of two new stereogenic centers.

La fumagilline est un antibiotique d’origine naturelle isolé du champignon Aspergillus Fumigatus en 1951. D’abord utilisée pour ses propriétés antiparasitaires, la fumagilline s’est révélée ensuite être un agent antiangiogénique puissant, qui se lie de façon covalente et irréversible par sa fonction époxyde spiro avec sa cible, l’enzyme MetAP-2. La forte toxicité de la fumagilline a incité les chercheurs à développer de nouveaux analogues, notamment réversibles sans fonction époxyde spiro, dans l’espoir d’atténuer la toxicité de la molécule. La première partie de notre travail a consisté à synthétiser des analogues réversibles de la fumagilline portant une fonction alcool tertiaire, site potentiel d’interaction faible avec l’enzyme.Ces analogues ont été obtenus de façon hautement diastéréosélective à partir de la 4-oxoisophoronecommerciale via un intermédiaire-clé de type aldéhydecyclohexanique.Le (+)-péloruside A, isolé en 2000 d’une éponge marine néo-zélandaise Mycale hentscheli, est un agent antimitotique puissant, d’activité comparable à celle du paclitaxel, utilisé en chimiothérapie anticancéreuse.L’investigation préclinique du péloruside A est actuellement ralentie à cause de la faible disponibilité de l’éponge et l’étude de la relation structure-activité est très limitée. Dans ce contexte, notre objectif a consisté à synthétiser des analogues simplifiés du péloruside A dans le but d’évaluer leur activité antiproliférative et leur incidence sur le cytosquelette. Notre stratégie très convergente a consisté à assembler 3 fragments de structure modulable en utilisant une nouvelle méthodologie de double aldolisation croisée sur l’α-triéthylsilyl diazoacétone. / Fumagillin is a natural antibiotic isolated from the fungusAspergillus Fumigatus in 1951. At first used for itsantiparasitic properties, fumagillin proved later to displaya potent antiangiogenic activity, by binding in a covalentand irreversible way to its biological target, the MetAP-2enzyme. The high toxicity of fumagillin led to the designof analogs, especially reversible analogs without thespiro epoxide function, in order to decrease the toxicityof the molecule. The first part of our work aimed atsynthesizing new reversible analogs of fumagillin,bearing a tertiary alcohol function, site of potential weakinteraction with the enzyme. These analogs wereobtained in a highly diastereoselective way from thecommercially available 4-oxoisophorone, via keyaldehydic cyclohexanic intermediates.(+)-Peloruside A, isolated in 2000 in New Zealand froma marine sponge Mycale hentscheli, is a potentantimitotic agent, displaying an activity similar topaclitaxel, currently used in anticancer chemotherapy.Preclinical investigation of peloruside A is currentlylimited by the low natural availability of the sponge andfew information is known about its structure-activityrelationship. In this context, our objective was tosynthesize new simplified analogs of peloruside A in aconvergent way, in order to assess their antiproliferativeactivity and their impact on the cytoskeleton. Our highlyconvergent strategy is based on the assembly of threefragments by a new methodology of double cross-aldoladdition on α-triethylsilyldiazoacetone.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne la synthèse du fragment C12-C25 de la Thuggacine A, macrolide antibiotique, par deux voies de synthèse. La première voie de synthèse nous a permis de créer 4 des 5 centres stéréogéniques à partir du (R)-glycéraldéhyde acétonide. L'étape-clé d'induction asymétrique a montré que les 3 centres C18 à C20 présentent une configuration relative syn présente dans la Thuggacine A mais que les centres C17-C18 sont anti-configurés, configuration confirmée par cristallographie du composé 84. Les faibles rendements ainsi qu'un contrôle insuffisant de la diastéréosélectivité de ces 4 centres asymétriques nous ont conduit à étudier une stratégie de synthèse alternative. La deuxième voie de synthèse nous a permis d'obtenir le fragment C13-C25 en 10 étapes linéaires et avec un très bon contrôle de la stéréochimie des 5 centres stéréogéniques créés. Les 4 centres asymétriques C-17 à C-20 ont été construits grâce à deux réactions d'aldolisations type Evans, tandis que l'addition d'un allényl-stannane a permis l'introduction stéréosélective du centre C-16. / The herein presented study is concerned by the synthesis of the C12-C25 fragment of Thuggacine A, a potent antibiotic macrolide, through two distinct synthetic pathways. The first synthetic pathway enabled us to form 4 among 5 stereogenic centers from (R)-glyceraldehyde acetonide. The key induction asymmetric step showed that the 3 chiral centers C18-C20 were formed with a syn-configuration as in Thuggacine A and the C17-C18 stereocenters were anti-configurated, a result confirmed by X-ray cristallography of compound 84. Low yields and low diastereocontrol of these four chiral centers led us to envisage an alternative synthetic strategy. The second synthetic pathway enabled us ti obtain the C13-C25 fragment within ten linear steps and a high diastereocontrol of the five required stereogenic centers. The 4 chiral centers C-17 to C-20 were formed through two Evans's aldolization steps while the stereochemistry of the C16 center was secured by an allenyl-stannane homologation.

Le premier chapitre a pour objet la valorisation des adduits de Mannich, l'exploration des nucléophiles compatibles avec les conditions mises au point préalablement et l'étude de réduction de l'hydrazone après réaction de Mannich. Le chapitre 2 est consacré à l'étude de l'aminoalkylation des hydrazones. Des conditions de réaction sans solvant ont été mises au point pour la réaction de Mannich des hydrazones. Le 3e chapitre est consacrée à la réaction d'aza-aldolisation des hydrazones. Une nouvelle réaction d'aza-aldolisation sur les N-phényl cétohydrazones a été mise au point. Le chapitre 4 est consacré à la synthèse de composés fluorés fonctionnalisés.

The main topic of thesis is the use of organocatalysis to synthesize cyclobutanones derivatives. Cyclobutanone derivatives are useful molecular building blocks for the construction of complex molecular structures. Surprisingly, however, the use of organocatalysts to functionalize cyclobutanones is rare, especially when the substrate bears substituents. In this thesis, we present the enantioselective transformations and functionalizations of substituted cyclobutanones which employ readily-available amino acids (or derivatives) and thiourea derivatives as organocatalysts. - The first transformation involves the enantioselective aldol reaction between 2-hydroxy-cyclobutanone with a selection of aromatic aldehyde. The results show that the 2-hydroxycyclobutanone is particularly amenable to solvent-free L-threonine-catalyzed direct aldol reactions with reasonable stereocontrol. - After, we synthesized 2,3-disubstituted cyclobutanones through direct aldol reactions involving 3-substituted cyclobutanones and aryl aldehydes catalyzed by N-phenylsulfonyl (S)-proline and via asymmetric nitro-Michael reaction of 3-substituted cyclobutanones and several nitrostyrenes catalyzed by thiourea derivatives. In the first case the relative aldol products were obtained with an unprecedented control of all three contiguous stereocenters in the latter the relatives γ-nitro cyclobutanones were obtained in good yield but in modest enantioselectivity. - The last case concerns the conversion of 3-substituted cyclobutanones into 4-substituted-5-hydroxy-γ-lactam using as electrophile nitrosobenzene and L-proline as catalysts. This reaction involves a ring-expanding O-nitroso-aldol-cyclization domino sequence. The synthetic protocol provides access to the five-membered ring system in good yield, and the formation of two new stereogenic centers is achieved with complete stereochemical control. Thus, the main topic of the first chapter is the organocatalysis, applications of the most common organocatalysts are discussed. The vast majority of organocatalytic reactions use chiral amine as catalysis (asymmetric aminocatalysis). Different types of organocatalysis involve the use of Br¿nsted acids and bases, Lewis acids, hydrogen bond-mediated catalysis, phase transfer and N-heterocyclic carbene catalysis. The second chapter deals with the reactivity of cyclobutanones. High electrophilicity and ring strain make the cyclobutanone and its derivatives a good substrate for ring transformation reactions. Characteristic reactions of functionalized cyclobutanones involve the ring opening, ring contraction and ring expansion reactions. In the third chapter, the synthesis of 2,2-disubstituted cyclobutanones via direct aldol reaction of 2-hydroxycyclobutanone with several aldehydes catalyzed by primary amines is presented. The results show that the 2-hydroxycyclobutanone is particularly amenable to solvent-free L-threonine-catalyzed direct aldol reactions with reasonable stereocontrol. In the fourth chapter we describe the synthesis of 2,3-disubstituted cyclobutanones through direct aldol reactions of 3-substituted cyclobutanones and aryl aldehydes, catalyzed by N-phenylsulfonyl (S)-proline and through asymmetric nitro-Michael reaction of 3-substituted cyclobutanones and several nitrostyrenes, catalyzed by derivatives of thiourea. In this last chapter an organocatalyzed enantioselective desymmetrization reaction of 3-substituted cyclobutanones is presented using nitrosobenzene as an electrophile and proline derivatives as catalysts. This reaction give an original 5-hydroxy-γ-lactam in good yield and with the generation of two new stereogenic centers.

Des oligomères de taille définie de chitosane ont été préparés et testés en tant qu'organocatalyseurs dans des réactions d'aldolisation énantiosélectives. Les précurseurs de ces catalyseurs sont obtenus en une seule étape par une réaction d'acétolyse contrôlée de la chitine, second polysaccharide le plus abondant. Une méthodologie reposant sur des réactions de glycosylation sous activation micro-ondes a été développée afin de fonctionnaliser la position anomérique de ces oligomères. Ainsi, le triflate de cuivre(II), utilisé en quantité catalytique, s’est révélé être le promoteur le plus efficace pour l’activation de la glucosamine ou du chitobiose peracétylés de configuration α. La sélectivité α des produits glycosylés résultent d’une isomérisation in situ des produits cinétiques β. Des organocatalyseurs se différenciant par leur partie aglycone et par leur degré de substitution ont été synthétisés en peu d’étapes. Les résultats les plus intéressants ont été obtenus avec un dérivé du chitobiose soluble en milieu aqueux. Nous avons montré, qu’en présence d’un co-catalyseur acide, l’acide 4-nitrobenzoïque, la réaction entre la cyclohexanone et le 4-nitrobenzaldéhyde, conduit à l’adduit anti avec un bon excès énantiomérique (89% ee). De plus, nous avons également montré que ce catalyseur pouvait être réutilisé dans plusieurs cycles catalytiques sans perte de sélectivité. / The catalytic behaviour of size-defined chitosan oligomers has been evaluated for asymmetric aldol reactions. These oligomers were obtained from chitin, which is one of the most abundant naturally occurring polymers, as a renewable starting biomolecule. Thus, controlled depolymerization of chitin was carried out by acetolysis providing per-O-acetylated N-acetyl-α-D-glucosamine oligomers with a polymerization degree from 2 to 4. To investigate the influence of the aglycon moiety, we developed a Lewis acid-promoted glycosylation reactions under microwave irradiation. Thus, a catalytic amount of copper(II) triflate proved to be the most effective promoter for the activation of α-per-O-acetylated glucosamine oligomers, which are considered as poorly reactive substrates, to selectively obtain α-glycosylated compounds. This selectivity results from in situ isomerization of kinetic β products. Chitosan-based catalysts, which differ in the distribution pattern, were synthesized in a few steps. The most promising results were obtained with a chitobiose derivative, which efficiently catalyzed the aldol reaction between cyclohexanone and 4-nitrobenzaldehyde, in the presence of 4-nitrobenzoic acid as a co-catalyst, in water, providing the anti-adduct in high yield with good enantioselectivity (89% ee). In addition, this homogeneous organocatalyst can be reused in several cycles without loss of catalytic activity.

Dans ce manuscrit, une voie atome économique d'un robuste amphiphile polyols à base de alkyle chaîne liée à liaison C-C ont été développés, ce qui est plus stable pour des applications plus larges. Ce processus implique l'utilisation de matières premières renouvelables et relativement peu coûteuses. Des cétoses tels que la 1,3-dihydroxyacétone et le D-fructose ont été utilisés comme substrats avec des aldéhydes comme agents d'alkylation sans aucune étape de protection-déprotection. La synthèse a été divisée en deux étapes, dans la première étape, les cétoses déprotonées réagissent avec les électrophiles aldéhydes pour former les intermédiaires hydroxycétones. Ensuite, une seconde étape d'hydrogénation avec un catalyseur du ruthénium sur alumine sous pression d'hydrogène a donné accès aux polyols alkylés. Le rendement global de ce procédé en deux étapes est modéré compte tenu de la difficulté de faire réagir une partie fortement hydrophobe avec une partie fortement hydrophile. Ensuite, ces adduits de tétraols obtenus avec la 1,3-dihydroxyacétone ont également été évalués en tant que tensioactifs en effectuant des tests physico-chimiques (CMC, point Krafft et Phase Inverse Temperature). Les résultats ont montré que ces nouveaux agents tensioactifs liés à la liaison C-C sont aussi efficaces que d'autres agents tensioactifs disponibles dans le commerce en diminuant la tension de surface, ce qui est une propriété très attrayante pour des applications potentielles / In this manuscript, an atom economic route of C-C bond based surfactants has been developed. They are more stable for broader applications. This process involves the use of renewable and relatively low cost raw materials. Ketoses such as 1,3-dihydroxyacetone and D-fructose were used as substrates with aldehydes as alkylation agents without any protection-deprotection step. The synthesis has been divided into two steps, in the first step the deprotonated ketoses react with the aldehydes electrophiles to form the hydroxyketone intermediates. Then, a second step of hydrogenation with Ruthenium on alumina catalyst under hydrogen pressure gave access to the alkylated polyols. The overall yield of this two-step process is moderate considering the difficulty of reacting a highly hydrophobic part with a highly hydrophilic part. Then these tetraols adducts obtained with 1,3-dihydrdoxyacetone were also evaluated as surfactants by making physico-chemical tests (CMC, Krafft point and Phase Inverse Temperature). Results have exhibited this novel C-C bond connected surfactants perform as efficient as other commercially available surfactants in decreasing the surface tension which is a very attractive property for potential applications

Une nouvelle famille de macrolactones cytotoxiques, les dolabélides, a été isolée d'une limace de mer de la famille des aplysies, Dolabella auricularia. Ces macrocycles à 22 et 24 chaînons découverts dans les années 1990 possèdent des propriétés anticancéreuses intéressantes. Au cours de ces travaux de thèse, nous avons exploré la synthèse énantiosélective de plusieurs fragments du dolabélide C. Le fragment C1-C15 a ainsi été obtenu de manière convergente en dix-sept étapes pour la séquence linéaire la plus longue avec un rendement global de 11%. Le motif 1,3-diol syn en C9-C11 a été mis en place par une réaction d'addition conjuguée intramoléculaire d'un hémiacétalate sur une double liaison; une aldolisation diastéréosélective de Mukaiyama a ensuite permis de former la liaison C6-C7 et d'installer le centre stéréogène en C7. Nous avons ensuite développé une nouvelle approche pour accéder à un précurseur du fragment C16-C30 du dolabélide C. Il a été synthétisé en six étapes à partir de l'acétoacétate de méthyle avec un rendement global de 51%. Le centre stéréogène en C19 a été installé par une hydrogénation asymétrique de Noyori, et une aldolisation diastéréosélective de Paterson a permis de former la liaison C21-C22 et d'installer les centres en C21 et C22. Enfin, nous avons mis au point une nouvelle méthode d'hydrogénation sélective des groupes benzyles protégeant des fonctions alcool avec le nickel de Raney en présence d'autres groupements sensibles à l'hydrogénation. Cette méthode permet de déprotéger, avec de bons rendements, des éthers benzyliques primaires ou secondaires en présence d'éthers para-méthoxybenzyliques ou de 1,3-benzylidène acétals disubstitués.

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans le contexte général de l’essor de la biocatalyse et de son utilisation en synthèse organique. Le thème principal porte sur l’étude et le développement de différentes voies d’accès stéréosélectives à des acides alpha-aminés bêta-hydroxylés substitués. L’utilisation d’un biocatalyseur permettant d’accéder à des acides alpha-aminés bêta-hydroxylés par une aldolisation entre la glycine et divers aldéhydes, en présence de phosphate de pyridoxal, a été étudiée. Des aldéhydes aliphatiques, aromatiques et hétéroaromatiques ont pu être impliqués avec succès comme partenaires électrophiles dans ces réactions qui permettent un excellent contrôle de la configuration du carbone asymétrique créé en alpha du groupe carbonyle mais s’effectuent généralement avec des diastéréosélectivités plus modestes. Par ailleurs, un dédoublement cinétique enzymatique d’esters alpha,bêta-dihydroxylés, précurseurs d’acides alpha-aminés bêta-hydroxylés substitués en alpha, a été étudié. La méthode développée repose sur la monoacylation d’esters alpha,bêta-dihydroxylés, acycliques ou cycliques, en présence d’une lipase et d’un donneur d’acyle. De façon indépendante, la mise au point de séquences réactionnelles monotopes faisant intervenir une étape d’oxydation biocatalytique a été étudiée pour accéder à des composés aminés hautement fonctionnalisés. / The research work presented in this manuscript pertains to the field of biocatalysis and some applications in organic synthesis. The main subject is the development of stereoselective synthetic methods allowing access to substituted alpha-amino beta-hydroxy acids. The use of a biocatalyst enabling the preparation of optically enriched alpha-amino beta-hydroxy acids in a single step from glycine by an aldol reaction, in the presence of pyridoxal phosphate, was investigated. Aliphatic, aromatic and heteroaromatic aldehydes could be successfully used as electrophilic partners in such reactions that allow an excellent control of the stereocenter created at the alpha position of the carbonyl group whereas moderate levels of diastereoselectivity were generally observed. The enzymatic kinetic resolution of acyclic or cyclic alpha,beta-dihydroxy esters, which are precursors of alpha-substituted alpha-amino beta-hydroxy acids, was also achieved by monoacylation in the presence of a lipase and an acyl donor. Independently, a one-pot sequence involving a biocatalytic oxidation was developed to access highly functionalized nitrogen containing compounds.