Le développement de méthodes de synthèse asymétriques a largement été exploré au cours des vingt dernières années et en particulier par le biais de réactifs organométalliques. Bien que ces processus mènent à d’excellents résultats en terme d’énantiodiscrimination, l’objectif de cette thèse a été de développer de nouveaux outils de synthèse peu onéreux, respectueux des fonctions sensibles environantes et permettant l’accès aux composés attendus avec de bons rendements et excès énantiomériques. Dans cet optique, des triorganozincates de lithium chiraux ont été étudiés. Des méthodes d’alkylation et d’arylation 1,2 énantiosélectives d’aldéhydes, comportant comme partenaire chiral la (R)-N-(2-iso-butoxybenzyl)-1- phenyléthanamine, ont ainsi été développées et mises en application sur divers aldéhydes. Les alcools secondaires correspondants ont été obtenus avec de bons rendements (jusqu'à 83%) et d’excellents excès énantiomériques (jusqu'à 99%). Ces procédures ont ensuite été appliquées à la synthèse asymétrique de produits naturels et/ou bioactifs tels que la Spiromastilactone A, la (R)-Néobénodine et la (R)-Orphénadrine. Par ailleurs, la synthèse de nouveaux ligands de type amino-alcool a été développée dans le but ultime de désymétriser des substrats de type imines cycliques. / The development of new asymetric methodologies have been widely explored during the last twenty years and in particular through organometallic reagents. Although these processes lead to excellent results in terms of enantiodiscrimination, the goal of this thesis was to develop new tools: cheap, chemoselective and allowing the access to the desired compounds with high yields and enantiomeric excesses. In this context, chiral lithium triorganozincates have been studied. Enantioselective nucleophilic 1,2 alkylation and arylation of aldehydes reactions, including (R)-N-(2-iso-butoxybenzyl)-1-phenylethanamine as the chiral ligand, have been optimized toward various aldehydes. The expected secondary chiral alcohols have been obtained with good yields (up to 83%) and high enantiomeric excesses (up to 99%).These processes have been then applied to the asymmetric synthesis of naturals and/or bioactive compounds as Spiromastilactone A, (R)-Neobenodine and (R)-Orphenadrine. Finally, the access to new amino-alcohols have been developed with the ultimate goal to engage those species as the chiral partner when reacting chiral lithium zincates with imines.

La nature contient un grand nombre de molécules naturelles à visée thérapeutique. Depuis plusieurs années, la chimie médicinale ne cesse de s’en inspirer afin de développer de nouvelles thérapies pour améliorer le quotidien des personnes atteintes de certaines pathologies. Cette thèse traitera de la conception de molécules hétérocycliques comme inhibiteurs d’enzymes et médiateurs d’interactions protéine-protéine. Les molécules bioactives sont la pierre angulaire de la chimie thérapeutique. Depuis la découverte de l’Aspirine en 1899, elles n’ont cessé d’impacter la société à plusieurs niveaux et ont contribué à l’amélioration de la qualité de vie des patients. Il y a cependant, plusieurs pathologies pour lesquelles il n’existe à ce jour aucun remède, ce qui met en exergue les limitations de la chimie médicinale et implique le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. La stéato-hépatite non-alcoolique ou NASH (Non-Alcoholic Steatohepatitis) est une maladie caractérisée par une accumulation de graisses dans le foie, menant à la formation de tissus cicatriciels sur le foie. Ces derniers altèrent les fonctions hépatiques du foie et peuvent mener à la cirrhose si aucun traitement n’est administré. A ce jour, il existe aucun médicament pour guérir de NASH. La serine-thréonine kinase 25 (STK25) est une sérine-thréonine kinase, qui serait impliquée dans le développement de la maladie de NASH. Ainsi, le premier chapitre de cette thèse rapporte la synthèse de triazolo-oxazines comme inhibiteurs potentiels de STK25. Il s’agit de la première approche inhibitrice rapportée dans la littérature. Des tests biologiques ont été effectués et la modélisation moléculaire des triazolo-oxazines a été réalisée. Face au problème de pharmacorésistance et l’absence de remèdes pour certaines maladies, il y a un besoin urgent pour de nouvelles stratégies thérapeutiques est présent. Depuis quelques années, les dégradeurs ciblés de protéines suscitent un engouement. En effet, ces derniers induisent la dégradation de protéines défectueuses en recrutant les complexes de ligase E3. Cette stratégie vient pallier l’absence de sites de liaison, caractéristique de plusieurs protéines impliquées dans le développement de cancers. Parmi les dégradeurs de protéines, il y a les agrafes moléculaires et les PROTACs. Dans le second chapitre de cette thèse, la synthèse de molécules hétérocycliques comme ligand de la ligase E3 DCAF15 pour le développement éventuel de nouveaux PROTACS sera rapportée. L’outil de modélisation moléculaire a permis la sélection de molécules indoliques comportant le motif -lactame et pyrrolidine . Bien qu’ils aient été synthétisés comme un mélange racémique, des tests pour la synthèse asymétrique de ces derniers seront également discuter. Les maladies infectieuses ravagent les pays de l’Amérique latine et l’Afrique subsaharienne. Les ressources insuffisantes, les conditions sanitaires et l’instabilité des régimes politiques rendent difficile l’administration et l’acheminement de traitements. Parmi ces maladies infectieuses, il y a la leishmaniose, la trypanosomiase humaine africaine et la trypanosomiase humaine américaine lesquelles sont toutes causés par des protozoaires. Dans le troisième chapitre, des molécules hétérocycliques, comportant le motif imidazolo-oxazine seront synthétisés comme candidats potentiels pour le traitement de ces maladies infectieuses. / Nature has provided an infinite number of bioactive small molecules for therapeutic benefits. For many years, it has inspired medicinal chemistry to develop new therapies to improve the well-being of humankind. This thesis will be about the conception of heterocyclic small molecules as enzyme inhibitors and protein-protein interaction mediators. Small molecules are the cornerstone of therapeutic chemistry. Since the discovery of Aspirin in 1899, small molecules have had a significant impact on several levels and have contributed to the improvement of quality of life. Nonetheless, many diseases still have no remedy; hence there exists a need for new therapeutic strategies. Non-alcoholic steatohepatitis, (NASH) is a disease characterized by a buildup of fat in the liver, leading to the formation of scars on the liver. These scars will affect the different functions of the liver and can even lead to cirrhosis if not treated. Up until now, there is no drug for NASH. STK25 is a serine-threonine kinase, suspected to be involved in the mechanism of action of NASH. The first chapter in this thesis involves the synthesis of triazolo-oxazines as potential STK25 inhibitors for NASH treatment. It is the first example of an enzymatic approach for NASH treatment. The synthesis of potential inhibitors was designed based of molecular modeling of other inhibitors targeting CDK. In a second chapter, a new approach of small molecules degraders that recruits E3 ligases complexes for the degradation of protein is described. Among the small molecule degraders, there are molecular glues and PROTACs. This chapter will describe the design and the synthesis of heterocyclic molecules as DCAF15 ligands for the eventual development of new PROTACs. Molecular docking has been useful for the selection of the - lactams et pyrrolidines small molecules. Infectious diseases have tremendous consequences in Latin America and Africa. The lack of means, health hazards and the political instability of governments make difficult the supply and administration of treatments. Among the infectious diseases, there are Leishmaniasis, human African trypanosomiasis, human American trypanosomiasis, which are caused by bacteria. In the third chapter, imidazolo-oxazine small molecules will be synthesized as potential candidates for the treatment of these parasitic infections.

Les cyclopropanes sont des unités qui sont très importantes en raison de leur présence dans de nombreux produits naturels, dans certaines molécules synthétiques ayant une activité biologique, ainsi que dans plusieurs intermédiaires synthétiques. Les travaux décrits dans cet ouvrage portent sur l’halogénocyclopropanation stéréosélective d’alcools allyliques en présence d’un ligand chiral stœchiométrique de type dioxaborolane et de carbénoïdes de zinc substitués dérivés de composés organozinciques et d’haloformes. Nous avons ainsi développé des conditions pour l’iodo-, la chloro- et la fluorocyclopropanation stéréosélective. Une étude mécanistique portant sur la nature des carbénoïdes alpha-chlorés et alpha-bromés a révélé qu’il y a un échange des halogènes portés par ces carbénoïdes. Lors de la chlorocyclopropanation, le carbénoïde le plus réactif (alpha-chloré) réagit de façon prédominante en vertu du principe de Curtin-Hammet. Les iodocyclopropanes énantioenrichis ont pu être fonctionnalisés via une réaction d’échange lithium-iode suivie du traitement avec des électrophiles, ou via une réaction de transmétallation au zinc suivie d’un couplage de Negishi. Ainsi, toute une gamme de cyclopropanes 1,2,3-substitués énantioenrichis a pu être synthétisée. Dans l’optique de développer de nouvelles méthodologies de fonctionnalisation des cyclopropanes, nous nous sommes par la suite tournés vers le couplage croisé de type Hiyama-Denmark des cyclopropylsilanols. Dans cette voie synthétique, le groupement silanol a deux fonctions : il sert de groupement proximal basique lors de la cyclopropanation de Simmons-Smith et il subit la transmétallation au cours du couplage croisé. Dans l’étape du couplage croisé, la nature des ligands liés à l’atome de silicium s’est avérée cruciale au bon déroulement de la réaction. Ainsi, l’échange de ligands avec le diéthyl éthérate de trifluoroborane générant le cyclopropyltrifluorosilane in situ est requis pour obtenir de bons rendements. Le dernier volet de cet ouvrage porte sur la cyclisation d’iodures d’alkyle par substitution aromatique par voie homolytique catalysée par le nickel. Une série de composés de type tétrahydronaphtalène et thiochromane ont été préparés selon cette méthode. Une étude mécanistique a confirmé la nature radicalaire de cette réaction et suggère fortement l’action catalytique du nickel. De plus, des études de spectrométrie RMN DOSY ont montré une association entre le complexe de nickel et le substrat ainsi que la base employés dans cette réaction. / Cyclopropanes are important subunits because of their presence in numerous bioactive natural products and synthetic molecules as well as synthetic intermediates. In this work we have investigated the stereoselective halocyclopropanation of allylic alcohols using a dioxaborolane-type stoichiometric chiral ligand and substituted zinc carbenoids derived from organozinc compounds and haloforms. We have thus developed conditions for the stereoselective iodo-, chloro- and fluorocyclopropanation reactions. A mechanistic study on the nature of alpha-chloro and alpha-bromomethylzinc carbenoids has revealed that halogen scrambling is taking place in the case of these carbenoids. During the chlorocyclopropanation reaction, the most reactive carbenoid (alpha-chloromethyl zinc) reacts predominantly, in line with the Curtin-Hammet principle. The enantioenriched iodocyclopropanes have been functionalized through a lithium-iodine exchange followed by treatment with electrophiles or transmetallation to zinc and Negishi cross-coupling. Therefore, a wide array of enantioenriched 1,2,3-substituted cyclopropanes have been synthesized using these methods. In order to develop new methodologies for the functionalization of cyclopropanes, we have studied the Hiyama-Denmark cross-coupling of cyclopropylsilanols. In this approach, the silanol group bears two functions: it serves as a proximal basic group in the Simmons-Smith cyclopropanation and it is involved in the transmetallation event during the cross-coupling reaction. In the cross-coupling step, the nature of the ligands bound to the silicon atom is crucial to the efficiency of the reaction. Hence, the in situ formation of the cyclopropyltrifluorosilane via a ligand exchange with boron trifluoride etherate is required for good yields. The final chapter of this work is on the nickel-catalyzed cyclization of alkyl iodides via a homolytic aromatic substitution mechanism. A series of tetrahydronaphthalene and thiochroman related compounds have been synthesized using this methodology. A mechanistic study has confirmed the radical nature of this reaction and strongly suggests the catalytic role of nickel. DOSY NMR spectrometric investigations have demonstrated an association between substrate, the base employed in this reaction and the nickel complex.

Les cyclopropanes sont des unités qui sont très importantes en raison de leur présence dans de nombreux produits naturels, dans certaines molécules synthétiques ayant une activité biologique, ainsi que dans plusieurs intermédiaires synthétiques. Les travaux décrits dans cet ouvrage portent sur l’halogénocyclopropanation stéréosélective d’alcools allyliques en présence d’un ligand chiral stœchiométrique de type dioxaborolane et de carbénoïdes de zinc substitués dérivés de composés organozinciques et d’haloformes. Nous avons ainsi développé des conditions pour l’iodo-, la chloro- et la fluorocyclopropanation stéréosélective. Une étude mécanistique portant sur la nature des carbénoïdes alpha-chlorés et alpha-bromés a révélé qu’il y a un échange des halogènes portés par ces carbénoïdes. Lors de la chlorocyclopropanation, le carbénoïde le plus réactif (alpha-chloré) réagit de façon prédominante en vertu du principe de Curtin-Hammet. Les iodocyclopropanes énantioenrichis ont pu être fonctionnalisés via une réaction d’échange lithium-iode suivie du traitement avec des électrophiles, ou via une réaction de transmétallation au zinc suivie d’un couplage de Negishi. Ainsi, toute une gamme de cyclopropanes 1,2,3-substitués énantioenrichis a pu être synthétisée. Dans l’optique de développer de nouvelles méthodologies de fonctionnalisation des cyclopropanes, nous nous sommes par la suite tournés vers le couplage croisé de type Hiyama-Denmark des cyclopropylsilanols. Dans cette voie synthétique, le groupement silanol a deux fonctions : il sert de groupement proximal basique lors de la cyclopropanation de Simmons-Smith et il subit la transmétallation au cours du couplage croisé. Dans l’étape du couplage croisé, la nature des ligands liés à l’atome de silicium s’est avérée cruciale au bon déroulement de la réaction. Ainsi, l’échange de ligands avec le diéthyl éthérate de trifluoroborane générant le cyclopropyltrifluorosilane in situ est requis pour obtenir de bons rendements. Le dernier volet de cet ouvrage porte sur la cyclisation d’iodures d’alkyle par substitution aromatique par voie homolytique catalysée par le nickel. Une série de composés de type tétrahydronaphtalène et thiochromane ont été préparés selon cette méthode. Une étude mécanistique a confirmé la nature radicalaire de cette réaction et suggère fortement l’action catalytique du nickel. De plus, des études de spectrométrie RMN DOSY ont montré une association entre le complexe de nickel et le substrat ainsi que la base employés dans cette réaction. / Cyclopropanes are important subunits because of their presence in numerous bioactive natural products and synthetic molecules as well as synthetic intermediates. In this work we have investigated the stereoselective halocyclopropanation of allylic alcohols using a dioxaborolane-type stoichiometric chiral ligand and substituted zinc carbenoids derived from organozinc compounds and haloforms. We have thus developed conditions for the stereoselective iodo-, chloro- and fluorocyclopropanation reactions. A mechanistic study on the nature of alpha-chloro and alpha-bromomethylzinc carbenoids has revealed that halogen scrambling is taking place in the case of these carbenoids. During the chlorocyclopropanation reaction, the most reactive carbenoid (alpha-chloromethyl zinc) reacts predominantly, in line with the Curtin-Hammet principle. The enantioenriched iodocyclopropanes have been functionalized through a lithium-iodine exchange followed by treatment with electrophiles or transmetallation to zinc and Negishi cross-coupling. Therefore, a wide array of enantioenriched 1,2,3-substituted cyclopropanes have been synthesized using these methods. In order to develop new methodologies for the functionalization of cyclopropanes, we have studied the Hiyama-Denmark cross-coupling of cyclopropylsilanols. In this approach, the silanol group bears two functions: it serves as a proximal basic group in the Simmons-Smith cyclopropanation and it is involved in the transmetallation event during the cross-coupling reaction. In the cross-coupling step, the nature of the ligands bound to the silicon atom is crucial to the efficiency of the reaction. Hence, the in situ formation of the cyclopropyltrifluorosilane via a ligand exchange with boron trifluoride etherate is required for good yields. The final chapter of this work is on the nickel-catalyzed cyclization of alkyl iodides via a homolytic aromatic substitution mechanism. A series of tetrahydronaphthalene and thiochroman related compounds have been synthesized using this methodology. A mechanistic study has confirmed the radical nature of this reaction and strongly suggests the catalytic role of nickel. DOSY NMR spectrometric investigations have demonstrated an association between substrate, the base employed in this reaction and the nickel complex.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-10-20T14:28:20Z No. of bitstreams: 1 eloahpereiraavila.pdf: 19264165 bytes, checksum: c322eb3e55e26c89546b4e9982d62ba3 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-10-21T13:12:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 eloahpereiraavila.pdf: 19264165 bytes, checksum: c322eb3e55e26c89546b4e9982d62ba3 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-21T13:12:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 eloahpereiraavila.pdf: 19264165 bytes, checksum: c322eb3e55e26c89546b4e9982d62ba3 (MD5) Previous issue date: 2017-08-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As reações de adição 1,2 às iminas são uma ferramenta sintética de grande interesse para a obtenção de blocos de construção contendo grupos aminas e aminoácidos em seus esqueletos estruturais. Os compostos obtidos por esta via são de grande interesse farmacológico, industrial e demais produtos de química fina. Desta forma, é possível acessar não apenas substratos para a síntese de moléculas complexas, mas também compostos com propriedades biológicas relevantes. Assim, propusemos duas vertentes para obtenção de estruturas análogas: em um primeiro momento, o desenvolvimento de uma metodologia para a obtenção de triclorometilaminas a partir da inserção do triclorometil carbânion gerado pela descarboxilação do sal tricloroacetato de potássio em um solvente aprótico em condições brandas e economicamente viável. Uma versão diastereosseletiva foi apresentada para a obtenção de um derivado enantiomericamente puro. Para uma melhor compreensão do mecanismo, cinética de descarboxilação, e formação de espécies envolvidas, foi utilizada a espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier com Reflexão Total Atenuada (ATR-FTIR) em tempo real, sendo possível medir a velocidade de decomposição, importância na adição dos reagentes e inferir a formação do ânion -CCl3. Em um segundo momento, propõe-se a síntese de derivados de α,β-diaminoácidos via catálise por ácido de Brønsted assimétrica a partir de uma reação do tipo Mannich entre azalactonas e iminas. Vários derivados de α,β-diaminácidos quirais foram preparados em bons rendimentos e alto controle da estereosseletividade. / 1,2-addition reactions to imines are a synthetic tool of great interest for obtaining building blocks containing amine and amino acid scaffolds with pharmacological interest, agrochemical industry and other fine chemicals. Therefore, it is possible to access not only substrates for the synthesis of complex molecules but also compounds of relevant biological properties. Thus, we proposed two strategies for preparation of those compounds: first, the development of a methodology to obtain trichloromethylamines from the addition of the trichloromethyl anion generated by the decarboxylation of the potassium trichloroacetate salt under mild and economically viable conditions was presented. A diastereoselective version was presented to obtain an enantiomerically pure derivative. For a better understanding of the mechanism, kinetics of decarboxylation, and the formation of involved species, Fourier Transform Infrared spectroscopy with real attenuated Total Reflection (ATR-FTIR) was used. The data indicated the kinetics behavior, importance of the addition of the reagents as well as the formation of the -CCl3 anion. Second, the synthesis of α,β-diamino acid derivatives via asymmetric Brønsted acid catalyzed Mannich type reaction between azalactones and imines is also described. The chiral α,β-diamino acid derivatives were prepared in good yields and with near perfect diastereo- and enantioselectivities.

Les gymnodimines, les spirolides, les pinnatoxines et les ptériatoxines constituent une famille de toxines d’origine marine de structures complexes, produites en faibles quantités par des microorganismes marins appelés dinoflagellés. Ces toxines sont connues pour bloquer les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine (nAChRs) sans que leur mode d’action ne soit connu avec précision. D’après les différents tests biologiques réalisés à ce jour, il semblerait que le motif spiroimine, commun à toutes ces molécules, soit essentiel pour l’activité antagoniste. Un accès rapide à ce motif spiroimine ainsi qu’à de plus grandes quantités du produit naturel permettraient une meilleure compréhension du mode d’action de cette famille de toxines. Le travail réalisé au cours de cette thèse s’est d’une part focalisé sur la synthèse de ce coeur spiroimine de la (–)-gymnodimine A et d’autres part tourné vers le développement d’une nouvelle méthodologie d’additon énantiosélective de silyloxyfuranes sur des accepteurs de Michael cycliques. Dans un premier temps, la mise en place de la chaîne latérale de la (–)-gymnodimine A en position C7 en α du carbone quaternaire a été explorée par plusieurs approches diastéréocontrolées. C’est finalement l’utilisation de la réaction de Michael entre un organocuprate et une énone possédant le centre quaternaire en position C22 en présence de TMSCl qui a permis d’introduire un nucléophile avec la diastéréosélectivité désirée. Un précurseur du cœur spiroimne hautement fonctionalisé a alors été préparé avec une diastéréoselctivté de 83/17. Dans un second temps, un travail méthodologique nous a également permis de développer pour la première fois une version énantiosélective de la réaction de Mukaiyama-Michael vinylogue entre un silyloxyfurane et un accepteur de Michael cyclique. C’est l’utilisation d’un complexe de cuivre-(II) avec l’iso-propyl bis(oxazoline) qui s’est révélée être le système le plus performant pour accéder aux buténolides. En l’occurrence, nous avons testé la méthode avec un évantail de β-cétoesters α,β-insaturés cycliques aboutissant aux adduits de Michael avec une diastéréosélectivité totale et de bonnes énantiosélectivités pouvant aller jusqu’à 96%. Nous avons également proposé un état de transition de type Diels-Alder avec une approche exo du silyloxyfurane afin de rationnaliser les énantiosélectivités observées. / Gymnodimines, spirolides, pinnatoxines and pteriatoxines constitute a family of marine toxins with complex structures. They are produced in small amounts by marine microorganisms called dinoflagellates. These toxins are known to block the nicotinic acetylcholine receptors (nAChR), but the exact mode of action remains largely unknown. Biological tests have showed that the spiroimine moiety, the common feature of these molecules, is crucial for antagonist activity. A rapid access to this spiroimine core and to larger amount of this natural product could lead to a better understanding of the mode of action of this toxin family. This Ph.D. work has been focused on the synthesis of the spiroimine core of (–)-gymnodimine A, and on to the development of new methodology in order to add enanstioselectively silyloxyfurans to cyclic Michael acceptors. In the first part, the insertion of the side chain of (–)-gymnodimine A in poistion C7 next to the quaternary carbon has been explored by several diastereoselctive approaches. We found out that the use of the Michael addition of an organocopper reagent in the presence of TMSCl on an enone bearing the quaternary center at C22 positon was the only way to reach the expected diastereomer. Thus we obtained a key intermediaite with an interesting 83/17 diastereoselctivity for the synthesis of the spiroimine core of (–)-gymnodimine A. In a second time, a methological work allowed us to develop the first enantioselective vinyloguous Mukaiyama-Michael reaction between a silyloxyfuran and a cyclic Michael acceptor. The expected butenolide could be obtained with excellent diastereoselcetivity and good enantioselectivtities up to 96% by using iso-propyl bis(oxazoline) copper-(II) complex. This method proved to be relevant with various cyclic α,β-unsaturated β-ketoesters. Moreover, we proposed a Diels-Alder type transition state with an exo approach of the silyloxyfuran in order to rationalise the asymmetric induction.

The aim of my Thesis was to develop a general synthetic methodology for the preparation of long helicenes equipped with suitable functional groups that control their solubility or serve as anchoring groups for attachment to metallic surfaces, especially gold. The well-established transition metal catalyzed [2+2+2] cyclotrimerization of triynes was selected as the key scaffold-forming transformation in the synthesis of long helicenes because of its high regioselectivity, atom efficiency, functional group tolerance and general robustness. A modular approach was used for the preparation of the starting oligoynes, thus enabling a high level of their structural diversity. Individual resorcinol- based aromatic building blocks were interconnected by Sonogashira cross-coupling reactions, providing complex cyclization precursors encompassing up to twelve alkyne units pre-arranged for the multiple [2+2+2] cycloisomerization to produce three six- membered rings from each set of three neighboring alkyne units. Thus, a small series of long helicenes with up to 19 rings constituting the helical scaffold was synthesized. The quadruple cyclization leading to the longest oxahelicene prepared to date was performed in a high-temperature-high-pressure flow reactor at 250 řC in the presence of CpCo(CO)2. The set of...

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The modification of brucine derivatives as chiral ligands and the use of a multifaceted chiral ligand, brucine diol, under different reaction conditions to produce various optical isomers is described. In Chapter 1, the generation of a number of brucine derivatives is described. Taking the advantage of brucine-diol’s excellent molecular recognition capability for multiple organic functional groups, we focused on the synthetic modifications of brucine-diol and the synthesis of brucine N-oxide. We also produced various brucine derivatives with different functional moieties in good yields and selectivities. In Chapter 2, we described the investigation of brucine N-oxide catalyzed Morita-Baylis-Hillman (MBH) reaction of alkyl/aryl ketones. Brucine N-oxide was used as a nucleophilic organic catalyst in the MBH reaction of alkyl vinyl ketone. In addition, asymmetric MBH reactions of alkyl vinyl ketones with aldehydes were investigated using a dual catalysis of brucine N-oxide and proline. In this dual catalyst system, proline was found to form iminium intermediates with electron-deficient aryl aldehydes, while the N-oxide activated vinyl ketones provided enolates through the conjugate addition. Our dual catalysis approach also allowed the development of MBH reaction of aryl vinyl ketones. In Chapter 3, brucine diol-copper complex catalyzed asymmetric conjugate addition of glycine (ket)imines to nitroalkenes is discussed. Stereodivergent catalytic asymmetric conjugate reactions for glycine (ket)imines with nitroalkenes were achieved using various chiral catalysts derived from a single chiral source, brucine diol. Both syn- and anti-conjugate addition products were obtained with high diastereoselectivity and enantioselectivity. In Chapter 4, enantiodivergent production of endo-pyrrolidines from glycine (ket)imines using brucine diol-copper complex is described. The [3+2] cycloaddition reaction of glycine imines and activated alkenes was performed to produce endo-pyrrolidines. The reversal of enantioselectivity was observed for endo-pyrrolidines between concerted and stepwise reaction pathways. The three new brucine derivatives produced in this study would potentially work as organocatalysts and chiral ligands with metal ion in asymmetric synthesis. The brucine diol-metal complex catalyzed reactions laid a good foundation for catalytic asymmetric reactions, where a single chiral source was used to control the absolute and the relative stereochemical outcomes of reactions. Understanding the molecular-level interactions between catalyst and substrates will provide insightful mechanistic details for the stereodivergent approaches in asymmetric catalysis.