In the diploma thesis, a method for preparation of the unsaturated C15-C20 tiacumicin fragment was developed. Tiacumicin is classified as a macrolidone antibiotic. Although three syntheses of tiacumicin have been recently published, this study has aimed to develop a novel pathway for its preparation utilizing catalytic reactions instead of stoichiometric ones. In the second part, an enantioselective allylation of (E)-3-jod-2-methylpropenal has been developed applying catalysis by a series of N,N'-dioxide catalysts. The asymmetric induction achieved in the allylation was up to 99% ee. This procedure allows relatively simple, straightforward and efficient preparation of wide range of natural products. Keywords tiacumicin, asymmetric synthesis, allylation, catalysis, chiral Lewis bases, organocatalysis

In this thesis, I was paid to the preparation of enantiomerically and diastereomerically pure spiro compounds using asymmetric organocatalysis.

Les hétérocycles constituent une des classes les plus importantes de composés chimiques. Ces motifs structuraux sont les éléments clés d’une large gamme de produits naturels possédant des activités biologiques ou thérapeutiques. Toutes ces raisons expliquent le vif intérêt suscité par le développement de nouvelles méthodes de synthèse d'hétérocycles au sein de la communauté scientifique. Avec une volonté de réduire toujours plus l'empreinte environnementale de nos recherches, notre laboratoire vise à développer de nouvelles méthodologies de synthèse efficaces plus vertes et respectueuses de l'environnement. Ainsi, mes travaux de thèse ont fait appel à deux thématiques largement étudiées au sein de notre laboratoire que sont la catalyse photorédox et l'organocatalyse. Dans une première partie, l'utilisation de la catalyse photorédox comme outils pour la synthèse et la fonctionnalisation d'hétérocycles sera détaillée. Des motifs hétérocycliques originaux ont ainsi été préparés avec de bons rendements et dans des conditions réactionnelles très douces. La deuxième partie est quant à elle consacrée à la synthèse d'hétérocycles azotés énantioenrichis grâce à des réactions énantiosélectives organocatalysées d'aza-Diels-Alder à demande inverse d'électrons. En effet, la demande toujours plus accrue en composés optiquement actifs par l'industrie chimique et pharmaceutique explique le fort engouement pour le développement de méthodes de synthèse asymétriques. Ainsi, les procédés développés fournissent de nouvelles voies d'accès à des structures hétérocycliques chirales complexes avec d'excellents résultats en termes d'efficacité mais aussi de stéréosélectivité. / Heterocycles are one of the most important classes of chemical compounds. These structural scaffolds are the key elements of a wide range of natural products with biological or therapeutic activities. As a result, a great deal of research carried out in chemistry is devoted to development of new heterocycle synthesis methods. With a desire to further reduce the environmental footprint of our research, our laboratory aims to develop new methodologies for effective synthesis, more green and environmentally friendly. Thus, my thesis works lie on two themes widely studied in our laboratory that are photoredox catalysis and organocatalysis. In the first part, the use of photoredox catalysis as an efficient tool for the synthesis and functionalization of heterocycles is detailed. Original heterocyclic units have thus been prepared in good yields and under mild reaction conditions. The second part is devoted to the synthesis of enantioenriched nitrogen-containing heterocycles through organocatalyzed enantioselective inverse electron-demand aza-Diels-Alder reactions. Indeed, the increasing demand of optically pure compounds by the chemical and pharmaceutical industry explains the strong craze for the development of asymmetric synthesis methods. Thus, the developed processes provide new access routes to complex chiral heterocyclic structures with excellent results in terms of efficiency as well as stereoselectivity.

La proline est un acide aminé unique qui se caractérise par un cycle pyrrolidine qui lui confère des propriétés physiques et chimiques spécifiques comparé aux autres 20 acides aminés acycliques retrouvés de façon majoritaire dans le protéome humain. Cette différence se retrouve également dans les motifs polyproline et est utilisée par la Nature en de nombreuses façons comme le repliement des protéines, les mécanismes régulatoires liés à l’activité de certaines protéases, la formation de structures secondaires, le biomarquage de peptides substrats des oligopeptidases, et le clivage des motifs diproline par les proline-proline endopeptidases. La proline a par conséquent été un centre d’intérêt pour les chimistes médicinaux lors du développement d'agents thérapeutiques. Cette thèse se propose d’étudier plusieurs composés biologiquement actifs dérivés de la proline. La première étude relate les avancements liés au composé SH-BC-893, un azacycle contraint dérivé de FTY720 développé au sein du groupe Hanessian. SH-BC-893 est un agent anticancéreux qui permet l’affamement des cellules cancéreuses au travers de la disruption de l’apport des nutriments cellulaires externes et internes. Par son activation de la protéine phosphatase 2A, il permet d’internaliser les récepteurs transmembranaires d’acides aminés et de glucose et de réguler à la baisse les récepteurs de lipides à faible densité. Son action permet également la perturbation de la dégradation de nutriments internes provenant de la macropinocytose et de l’autophagie en prévenant la fusion entre le lysosome et les endosomes respectifs. Afin d’augmenter l’activité de SH-BC-893, deux séries de composés ont été synthétisés et testés en vue d’une activité double. La première série a eu pour but de cibler HDAC2 suite à une étude de Spiegel au sein de laquelle son inhibition a été rapportée pour FTY720. La seconde a visé à obtenir des composés activant d’autres portions ou d’autres homologues de PP2A via l’insertion de fragments tricycliques suite aux études rapportant l’activation de PP2A par des dérivés de composés neuroleptiques tricycliques du type de la perphénazine. La synthèse et les tests biologiques de ces composés sont également décrits. Le deuxième chapitre décrit la synthèse d’une série de morpholines pontées comportant le motif de l’acide gamma-aminobutyrique (GABA) contraint. GABA est un composant prépondérant de la régulation du système nerveux central au travers de son action inhibitrice sur les neurorécepteurs GABA-A, GABA-B, GABA-C. De nombreux agents thérapeutiques inspirés de GABA ont été développés avec les années, notamment baclofen. Les morpholines pontées rapportées ici possèdent un centre quaternaire stéréocontrôlé pour lequel un ensemble de substituants a été varié, incluant le groupement phényle para-chloré du baclofen ainsi que l’iso-butyle de la Pregabalin, autre composé actif dans le système nerveux central dérivé de GABA. La modélisation du dérivé du baclofen a été réalisée au sein du site actif de GABA-B. L’ensemble des composés ont également été modélisés sous forme d’acides aminés au sein de la base de données LLAMA afin de déterminer leur capacité à occuper l’espace de Lead-likeness et confirmer qu’ils satisfont les conditions de Lipinski. La troisième partie décrit la synthèse d’un nouveau mime de diproline, nommé ProCyp. Le dimère est composé d’un noyau pyrrolidine attaché à une unité cyclopentane à l’aide d’un pont méthylène hydroxylé. Les quatre isomères cyclopentanes trans dérivés de la (L)-proline ont été synthétisés et leur stéréochimie absolue a été déterminée par étude RMN et de cristallographie. Ces composés représentent la première forme de mimes de diproline de type ProCyp et peuvent être intégrés au sein de peptidomimétiques afin de mimer l’aspect structurel des diprolines ainsi que l’intermédiaire tétrahédral des ProPro endopeptidases. L’ensemble des isomères disponibles permet de choisir le plus opportun à l’appuis d’études de modélisation. Le dernier chapitre rapporte le développement de deux séries de composés incluant le dimère ProCyp. Les motifs polyproline sont de prime importance pour de nombreux mécanismes de reconnaissance par la Nature, en particulier dans les voies de signalisation dont le dérèglement peut entrainer une myriade de troubles de santé notamment inflammatoires, immunitaires et cancéreux. La première application est centrée sur la synthèse et les tests biologiques de peptidomimétiques du motif riche en proline du peptide p22phox, sous-unité de la NADPH oxidase 2 (NOX2) dont la reconnaissance par le domaine riche en proline de p47phox permet l’assemblage de NOX2 nécessaire à son activité. Lors de stress cellulaire externe, cet assemblage peut devenir excessif et engendrer un excès de production d’espèces réactives d’oxygènes, entrainant un ensemble de biomécanismes délétaires pour l’hôte. Les peptidomimétiques comportent un cœur triproline, dont deux des trois prolines ont été remplacées par le module ProCyp. Le meilleur isomère a été sélectionné sur la base de la modélisation moléculaire afin de mimer les angles de torsion de la triproline correspondant à une hélice de type polyproline II. La deuxième application concerne le développement de peptidomimétiques inhibiteurs de la ProPro endopeptidase (PPEP-1) de Clostridium difficile (C. diff). C. diff a été identifiée comme une des menaces nosocomiales majeures en raison de son caractère opportuniste lorsque la flore intestinale des patients est détruite suite à un traitement impliquant la prise soutenue d’antibiotiques. C. diff possède un arsenal de mécanismes d’évasion et de prolifération au sein de l’hôte incluant la formation de colonies recouvertes d’un biofilm protecteur sur la paroi epithéliale de l’hôte lors de la réponse immunitaire. Ces mécanismes sont complétés à l’aide de peptidases qui leurs permettent de couper les flagelles d’ancrages, dont PPEP-1. Le site de scission P1-P1’ de PPEP-1 implique deux prolines, flanquées par une séquence peptidique clairement identifiée. Une série de peptides basés sur cette séquence dont la diproline centrale a été remplacée par le dimère ProCyp a été synthétisée. L’isomère ProCyp a été choisi sur la base de son recouvrement avec l’heptapeptide cristallisé au sein d’un mutant de PPEP-1 par le Pr. Baumann. / Proline is a unique amino acid characterized by a cyclic side chain that gives it specific physical and chemical properties compared to the other 20 acyclic amino acids found in the human proteome. This difference is also found in polyproline motifs and is used by Nature in many ways such as protein folding, regulatory mechanisms related to the activity of certain proteases, formation of secondary structures, biomarking of peptide substrates of oligopeptidases, and cleavage of diproline motifs by proline-proline endopeptidases. Proline has therefore been a focus of interest for medicinal chemists in the development of therapeutic agents. This thesis proposes to study several biologically active compounds derived from proline. The first study reports on the advances related to the compound SH-BC-893, a constrained azacycle derived from FTY720 developed within the Hanessian group. SH-BC-893 is an anti-cancer agent that allows the starvation of cancer cells through the disruption of external and internal cellular nutrient supply. Through its activation of protein phosphatase 2A, it internalizes transmembrane amino acid and glucose receptors and downregulates low-density lipid receptors. Its action also allows the disruption of internal nutrient degradation from macropinocytosis and autophagy by preventing fusion between the lysosome and the respective endosomes. To enhance the activity of SH-BC-893, two series of compounds were synthesized and tested for dual activity. The first set aimed at targeting HDAC2 following a study by Spiegel in which its inhibition was reported for FTY720. The second set aimed at obtaining compounds activating other portions or homologs of PP2A via the insertion of tricyclic fragments following studies reporting PP2A activation by derivatives of tricyclic neuroleptic compounds of the perphenazine type. The synthesis and biological tests of these compounds are also described. The second chapter describes the synthesis of a series of bridged morpholines with a constrained gamma butyric amino acid (GABA) motif. GABA is a major component of central nervous system regulation through its inhibitory action on GABA-A, GABA-B, GABA-C neuroreceptors. Many therapeutic agents inspired by GABA have been developed over the years, notably baclofen. The bridged morpholines reported here have a stereocontrolled quaternary center for which a variety of substituents have been used, including the para-chlorophenyl of baclofen and the iso-butyl of Pregabalin, another GABA-derived compound active in the central nervous system. The baclofen derivative was modeled within the GABA-B active site. All compounds were also modeled as amino acids within the LLAMA database to determine their ability to occupy the lead-likeness space and confirm that they satisfy the Lipinski conditions. The third part describes the synthesis of a new diproline mime, named ProCyp. The dimer is composed of a pyrrolidine ring attached to a cyclopentane unit by means of a hydroxylated methylene bridge. The four trans cyclopentane isomers derived from (L)-proline were synthesized and their absolute stereochemistry was determined by NMR and crystallographic studies. These compounds represent the first form of ProCyp-type diproline mimes and can be incorporated into peptidomimetics to mimic the structural aspect of diprolines as well as the tetrahedral intermediate of ProPro endopeptidases. The set of available isomers allows to choose the most appropriate one to support modeling studies. The final chapter reports the development of two series of compounds including the ProCyp dimer. Polyproline motifs are of prime importance for many of Nature's recognition mechanisms, particularly in signaling pathways whose dysregulation can lead to a myriad of health disorders including inflammatory, immune and cancerous. The first application is focused on the synthesis and biological testing of peptidomimetics of the proline-rich motif of the peptide p22phox, a subunit of NADPH oxidase 2 (NOX2) whose recognition by the proline-rich domain of p47phox allows the assembly of NOX2 necessary for its activity. During external cellular stress, this assembly can become excessive and lead to an excess of reactive oxygen species production, resulting in a series of deleterious biomechanisms for the host. The peptidomimetics comprise a triproline core, of which two of the three prolines have been replaced by the ProCyp module. The best isomer was selected on the basis of molecular modeling to mimic the torsion angles of the triproline corresponding to a polyproline II helix. The second application concerns the development of peptidomimetics that inhibit the ProPro endopeptidase (PPEP-1) of Clostridium difficile (C. diff). C. diff has been identified as one of the major nosocomial threats due to its opportunistic nature when the intestinal flora of patients is destroyed following treatment with sustained antibiotics. C. diff has an arsenal of mechanisms of escape and proliferation within the host including the formation of colonies covered by a protective biofilm on the host epithelial wall during the immune response. These mechanisms are complemented by peptidases that allow them to cleave anchoring flagella, including PPEP-1. The P1-P1' cleavage site of PPEP-1 involves two prolines, flanked by a clearly identified peptide sequence. A series of peptides based on this sequence with the central diproline replaced by the ProCyp dimer was synthesized. The ProCyp isomer was chosen on the basis of its overlap with the heptapeptide crystallized in a PPEP-1 mutant by Prof. Baumann.

Esta tesis describe el estudio de la aplicación en síntesis de N-terc-butanosulfinil derivados de alquil, alquenil, homoalil y homopropargil aminas como intermedios para acceder a moléculas orgánicas de mayor complejidad. Por un lado, se ha estudiado la adición de compuestos organomagnesianos y organolíticos a N-terc-butanosulfinil iminas, y los distintos derivados de aminas que se obtienen como resultado se han usado como precursores de alcaloides pirrolodínicos y piperidínicos, así como para acceder a anillos tipo azepano. Por otro lado, también se presentan aplicaciones en síntesis de N-terc-butanosulfinil homoalil y homopropargil aminas, que pueden participar en reacciones de oxidación allílica y cicloadiciones [2+2+2], respectivamente, para dar lugar a compuestos polifuncionalizados, en el caso de los derivados de homoalil aminas, y derivados de 9-amino-9, 10-dihidrofenantrenos y 1,2,3,4-tetrahidroisoquinolinas, en el cado de los derivados de homopropargil aminas.

La synthèse de molécules naturelles représente un défi majeur dans le domaine de la recherche axée sur la découverte de nouveaux composés thérapeutiques. Des nouvelles méthodologies de synthèse sont développées pour améliorer la facilité, la sécurité, le rendement et la rentabilité des processus de synthèse des molécules d'intérêt. Les travaux exposés dans cette thèse portent sur l'élaboration de synthèses énantiosélectives de polyphénols et de cannabinoïdes, mettant en lumière l'application de la chimie en flux continu pour la synthèse d'un principe actif pharmaceutique, le cannabidiol. Afin de produire des dérivés de cannabinoïdes, une synthèse énantiosélective basée sur une réaction de Diels-Alder organocatalysée a été développée. L'utilisation d'un composé carbonyle intermédiaire en association avec un groupement protecteur éthoxyéthyle permet de synthétiser avec des énantiosélectivités élevés des cannabinoïdes naturels, tels que le cannabidiol et le tétrahydrocannabinol, ainsi que des variantes avec des modifications du groupement isopropènyle. La synthèse du cannabidiol en chimie en flux continu a été élaborée à partir d'une approche convergente impliquant l'hexanal et le (+)-limonène. La synthèse du premier substrat, l'olivetol, à partir de l'hexanal, utilise notamment la technique de synthèse en ligne, ce qui permet de contourner les étapes de finition et de purification intermédiaire. Le second substrat, le (1S,4R)-p-mentha-2,8-dièn-1-ol, a été synthétisé en 4 étapes à partir du (+)-limonène. Le cannabidiol a été obtenu à travers une réaction de substitution électrophile aromatique avec une bonne régiosélectivité, réduisant ainsi la formation de sous-produits et assurant la production d'un produit final avec une très bonne pureté. / The synthesis of natural molecules is a daily challenge in the search for new compounds with medical applications. New methods are constantly being developed to improve the ease of synthesis, safety, yield, or cost of molecules of interest. The research presented in this thesis describes the development of enantioselective syntheses of polyphenols and cannabinoids, as well as the use of continuous flow chemistry for the synthesis of an active pharmaceutical ingredient, cannabidiol. To access cannabinoid derivatives, an enantioselective synthesis using an organocatalyzed Diels-Alder reaction was developed. The carbonyl intermediate, coupled with the use of an ethoxyethyl protecting group, allows access with high enantioselectivity to natural cannabinoids such as cannabidiol and tetrahydrocannabinol, as well as modifications of the isopropenyl group. The continuous flow synthesis of cannabidiol was developed using a convergent synthesis from hexanal and (+)-limonene. In particular, the synthesis of the first substrate, olivetol, from hexanal makes use of the online synthesis technique, which allows the bypassing of finishing and intermediate purification steps. The second substrate, (1S,4R)-p-mentha-2,8-dièn-1-ol, is synthesized in 4 steps from (+)-limonene. Cannabidiol is synthesized through a regioselective aromatic electrophilic substitution reaction, which limits the formation of by-products and yields a final product of high purity.

This thesis describes our examination of the reactivity of allenylpalladium intermediates generated from the reaction of palladium(0) with propargylic electrophiles. Chapter 1 provides a general overview of the literature reported to date concerning the nature and reactivity of allenylpalladium intermediates. The coupling of a variety of propargylic electrophiles with aryl boronic acids to form allenes is examined in Chapter 2. However, when employing diastereomerically pure electrophiles, some erosion of stereochemistry was observed in the allene products. This effect was examined further, and epimerisation of the allene product was found to be the origin of the loss of stereochemistry. Evidence for the species likely responsible for this epimerisation is presented. The serendipitous formation of tetrahydrofurans (THFs) from propargylic 7-membered cyclic carbonates prompted an in-depth examination of this reactivity, as described in Chapter 3. The reaction of these cyclic carbonates was rendered stereoselective and the stereochemical outcome of the reaction elucidated. The methodology was extended to propargylic acyclic carbonates which allowed the formation of tetrahydropyrans (THPs). The effect of ring-size and substituents on the cyclisations was examined, culminating in the formation of two rings in a single step from diol-containing bis-carbonates. Chapter 4 describes the extension of this methodology to the formation of azacyclic products. This built upon foundation work conducted by a Part II student within the group, and further improved the selectivity of the reaction. Two diverse azacyclic skeletons could be formed from the same substrate by the employment of different bidentate phosphine ligands, and a variety of substrates were examined under these conditions. Chapter 5 draws general conclusions and sets out possible future directions for the methodology, and full experimental details are outlined in Chapter 6.

This thesis is concerned with the application of the conjugate addition of functionalised lithium amides in the asymmetric syntheses of (−)-morphine and all members of the homalium alkaloids. Chapter 1 introduces the conjugate addition reaction as an important bond forming reaction, and explores its utility in the asymmetric synthesis of a variety of natural products. The conjugate addition of secondary lithium amides derived from α-methylbenzylamine is discussed, along with its application to the asymmetric synthesis of alkaloids. Chapter 2 describes two distinct attempts towards the asymmetric synthesis of (−)-morphine, both reliant upon the lithium amide conjugate addition and an intramolecular Diels-Alder reaction to set the five required stereogenic centres. The use of the novel and highly functionalised reagent lithium (R)-N-[2′-(7-methoxybenzofuran-3-yl)ethyl]-N-(α-methylbenzyl)amide and its derivatives is reported. Chapter 3 focuses on the use of the novel reagent lithium (R)-N-(3-chloroprop-1-yl)-N-(α-methylbenzyl)amide and its derivatives in the asymmetric synthesis of two of the homalium alkaloids, (−)-(S,S)-homaline and (−)-(R,R)-hopromine, culminating in the most efficient syntheses of these alkaloids to date. Further, a sample of the (4′R,4′′S)-diastereoisomer of hopromine was synthesised, serving to confirm the proposed absolute configuration within natural (−)-(R,R)-hopromine. Chapter 4 extends the methodology developed in chapter 3 to the asymmetric synthesis of all possible diastereoisomers of the remaining homalium alkaloids, (−)-hopromalinol and (−)-hoprominol. These syntheses were used to propose the absolute configurations within these alkaloids, and therefore represented the first asymmetric syntheses of natural (−)-(4′S,4″R,2‴R)-hopromalinol and (−)-(R,R,R)-hoprominol. Chapter 5 contains full experimental procedures and characterisation data for all compounds synthesised in Chapters 2, 3 and 4.

This thesis is concerned with the development of transannular iodoamination methodology for the synthesis of pyrrolizidine, indolizidine and tropane alkaloids. Chapter 1 introduces the concept of a ‘transannular cyclisation’ and outlines the utility of such cyclisations in the synthesis of a range of [x.y.z]-azabicyclic alkaloids. Chapter 2 describes the development of a three step lithium amide conjugate addition, ring-closing metathesis and transannular iodoamination protocol for the preparation of the pyrrolizidine scaffold ([3.3.0]-azabicycle). Cyclisation of a hexahydroazocine occurs with concomitant N-debenzylation to give a single diastereoisomer of the corresponding C(7)-iodopyrrolizidine product, which is then elaborated to the known pyrrolizidine, (−)-7a-epi-hyacinthacine A1. Chapter 3 delineates an extension of the methodology described in Chapter 2, and an investigation into accessing alternate diastereoisomeric pyrrolizidine scaffolds via the transannular iodoamination process. These studies culminate in the synthesis of two pyrrolizidine alkaloids, (−)-hyacinthacine A1 and (−)-hyacinthacine A2. Chapter 4 details investigations into the further elaboration of the C(7)-iodopyrrolizidine scaffold synthesised in Chapter 2. A nucleophilic displacement reaction with azide leads to the synthesis of novel 7-deoxy-7-aminoalexine analogues, whilst radical-mediated substitution of the iodide by oxygen allows the synthesis and isolation of the pyrrolizidine alkaloid (−)-1-epi-alexine. Chapter 5 outlines the development of the transannular iodoamination reaction to facilitate the synthesis of the tropane architecture ([3.2.1]-azabicycle). A tandem lithium amide conjugate addition and aldol reaction sequence is followed by ring-closing metathesis to give the required aminocycloheptene. Subsequent treatment with iodine results in transannular cyclisation to give a single iodotropane product which, following elaboration culminates in the synthesis of (+)-pseudococaine. Chapter 6 contains full experimental procedures and characterisation data for all compounds synthesised in Chapters 2, 3, 4 and 5.

This diploma thesis is focused on the preparation of enantiomerically pure compounds based on organocatalytic allylic substitution using Baylis-Hillman carbonates. As selected substrates for the allylic substitution were chosen α-azidoketones such as azidoacetophenone, 2-azido-1-indanone and then heterocyclic compounds (N-phenylrhodanine and its derivate) belonging to the pharmaceutical privileged compounds. Other substrate for allylic substitution was allylmalononitrile. In addition, this thesis includes with synthesis of cyclic compounds based on the reaction of products of allylmalononitrile with B-H carbonates using olefin metathesis.