This thesis describes our advances in the preparation of lipophilic fluorogenic probes for the specific imaging of reactive oxygen species (ROS) in the lipid membrane of live cells. The work revolves around a simple design involving the preparation of a two segment receptor-reporter type free radical scavenger-fluorophore probe (an off-on fluorogenic antioxidant indicator). The receptor segment in the probe mimics the structure and activity of the naturally occurring antioxidant α-tocopherol. A covalently tethered lipophilic fluorophore serves the purpose of reporting, via emission enhancement, structural changes at the receptor end following its reaction with free radicals.In this thesis we initially explore the off/on molecular switch mechanism operating in the first generation fluorogenic probe we prepared, a Bodipy-Trolox adduct that we named B-TOH. Through mechanistic studies including oxygen uptake, laser flash photolysis, electrochemistry, and DFT calculations we were able to establish that photoinduced electron transfer (PeT) occurs from the receptor to the reporter segment. Molecular imaging of lipid peroxyl radicals in model lipid membranes and in live cells are next reported and we lay out the potential and drawbacks for utilizing B-TOH towards monitoring lipid peroxyl radicals in the lipid membrane of live cells. The information gained in these two chapters allowed us to determine the reporter (fluorophore) electrochemical and spectroscopic requirements that need to be met in order to modulate the sensitivity of B-TOH. We subsequently describe the preparation, spectroscopic, and electrochemical characterization of a family of 16 new Bodipy dyes with tuneable redox potentials and versatile functional groups. Electron withdrawing or donating groups (Et, H, Cl or CN) at positions C2 and C6 enabled tuning the redox potentials within a ca. 0.7 eV window without significantly affecting either the HOMO-LUMO gap or the absorption and emission spectra. Hydroxymethyl or formyl groups at the meso (C8) position in turn provided functionality for covalent tethering to receptors and biomolecules of interest. The dyes can thus be coupled to both electrophiles and nucleophiles. We subsequently generate two new fluorogenic probes (second generation) where we exploit the new Bodipy chromophores synthesized. We further optimize the linker moiety between receptor and reporter segment in order to control the chemical reactivity of the probes. The development of a high-throughput fluorescence assay for monitoring kinetics of peroxyl radical reactions in liposomes is described where the evolution of the fluorescence intensity over time provides a rapid facile method to conduct competitive kinetic studies in the presence of α-tocopherol and analogues We additionally explore the selective targeting of cell organelles, specifically mitochondria (third generation probes). A chapter is devoted to describe the synthesis and mechanistic studies of mitochondria-targeting probes.We conclude this thesis with a chapter dedicated to Conclusions and New directions. The new probes here described will allow a non-invasive spatial and temporal monitoring of the oxidative state in live cell on an organelle level. We may foresee that imaging studies with specific sensors will ultimately enable us to better understand vital links between the chemistry and the biology of ROS. / Cette thèse discute de la préparation et du développement de sondes fluorescentes pour l'imagerie spécifique des espèces réactives de l'oxygène (ERO) dans les membranes de cellules vivantes. Le travail est centré sur une conception simple impliquant la préparation d'une sonde piégeuse de radicaux libres en deux segments récepteur-reporteur (un indicateur antioxydant fluorescent arrêt-marche). Le segment récepteur de la sonde mimique la structure et l'activité de l'antioxydant naturel α-tocophérol. Un fluorophore lipophile lié par un lien covalent rapporte, à l'aide d'une augmentation de la fluorescence, les changements structurels du côtè récepteur suite à sa réaction avec des radicaux libres.Cette thèse explore initialement le mécanisme de fonctionnement de l'interrupteur arrêt / marche moléculaire dans la sonde de première génération que nous avons préparée, un produit d'addition Bodipy-Trolox que nous avons nommé B-TOH. Par l'entremise d'études mécanistiques incluant l'absorption d'oxygène, la photolyse éclair au laser, électrochimie et calculs sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, nous étions capable de déterminer que le transfert d'électron photoinduit se produit du segment récepteur au segment reporteur. L'imagerie moléculaire de radicaux peroxydes lipidiques dans les membranes lipides modèles et dans les cellules vivantes sont ensuite rapportées et nous mentionnons les inconvénients potentiels reliés à l'utilisation de B-TOH à l'évaluation de radicaux peroxydes lipidiques dans la membrane lipide de cellules vivantes. L'information acquise durant ces deux chapitres nous a permis de déterminer les exigences électrochimiques et spectroscopiques du reporteur (fluorophore) qui doivent être remplies afin de moduler la sensibilité de B-TOH. Par la suite, nous décrivons la préparation ainsi que la caractérisation spectroscopique et électrochimique de 16 nouvelles molécules Bodipy avec des potentiels d'oxydoréduction variables et groupes fonctionnels polyvalents. Des groupes donneur ou accepteur d'électrons (Et, H, Cl ou CN) aux positions C2 et C6 permettent de changer le potentiel d'oxydoréduction dans une fenêtre de ca. 0.7 eV sans changer significativement ni l'écart HOMO-LUMO ni les spectres d'absorption ou d'émission. Des groupes hydroxymethyl ou formyl à la position méso (C8) quant à eux fournissent la fonctionnalité requise pour la formation de liens covalents avec des récepteurs et molécules biologiques d'intérêts. Ces molécules fluorescentes peuvent donc être couplées non seulement aux électrophiles mais, également aux nucléophiles. Nous générons ensuite deux nouvelles sondes fluorescentes (deuxième génération) en exploitant les nouveaux chromophores Bodipy synthétisés. Nous optimisons davantage le groupe caractéristique lieur entre les segments récepteurs et reporteur afin de contrôler la réactivité chimique des sondes. Le développement d'une analyse à haut débit qui suit la cinétique de la réaction des radicaux peroxydes dans des liposomes est décrite où l'évolution de l'intensité de la fluorescence avec le temps nous fournie une méthode rapide et facile pour mener des études cinétiques compétitives dans la présence de α-tocophérol et ses analogues.Nous explorons additionnellement le ciblage sélectif d'organelle cellulaire, spécifiquement des mitochondries (sonde de troisième génération). Un chapitre est dévoué à la description de la synthèse et aux études mécanistiques de sondes cibleuses de mitochondrie. Nous concluons cette thèse par un chapitre dédié aux conclusions et aux nouvelles directions. Les nouvelles sondes décrites ici permettront l'évaluation spatiotemporelle et non-invasive de l'état d'oxydation de cellules vivantes au niveau des organelles. Nous pouvons prévoir que des études d'imageries avec des sondes spécifiques vont éventuellement nous permettre de mieux comprendre des liens vitaux entre la chimie et la biologie des ERO.

This thesis describes the formation of new C-C bonds from the direct oxidative coupling of two C-H bonds, through the use of metal catalysts for activation. First, three different oxidative Cross-Dehydrogenative-Coupling (CDC) reactions will be presented. Initially, through the use of an organic co-catalyst, N-hydroxyphthalimide (NHPI), oxygen could be utilized as the terminal oxidant for the metal catalyzed alkylation of benzylic C-H bonds with 1,3-dicarbonyls and ketones in Chapter 2. The reaction was found to be feasible for a variety of substrates with readily enolizable C-H bonds. Next, the 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (DDQ) mediated alkynylation of sp3 C-H bonds was studied. A novel copper (I) triflate catalyzed CDC reaction of unactivated benzylic C-H bonds and terminal aromatic alkynes is presented in Chapter 3. After further studies, the alkynylation of benzylic ethers could also be realized in the presence of a catalytic amount of silver (I) triflate, as described in Chapter 4. Both procedures were found to be amendable for aromatic terminal alkynes, however could not be extended to aliphatic alkynes. Finally, a palladium catalyzed Minisci-type reaction will be described in Chapter 6. Peroxide generated α-hydroxyalkyl radicals could be reacted with azines in moderate to good yields. A stoichiometric amount of acid, used in the traditional Minisci reaction, was replaced by a catalytic amount of palladium dichloride. / Cette thèse décrit la formation de nouvelles liaisons C-C par activation oxydative directe de deux liaisons C-H grâce à l'utilisation de métaux de transition comme catalyseurs. La première partie présentera trois différentes réactions de Cross-Dehydrogenative-Coupling (CDC) oxydantes. Dans un premier temps, sera présentée dans le chapitre 2, la réaction d'alkylation de liens C-H benzylique par 1,3-dicarbonyles et cétones. Ce system a démontré son efficacité sur une large variété de substrats contenant des liaisons C-H enolysable. De plus il a été rendu possible, grâce à l'utilisation d'un co-catalyseur organique, le N-Hydroxyphthalimide (NHPI), d'utiliser l'oxygène moléculaire comme oxydant terminal. Dans un second temps, nous étudierons l'utilisation du 2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (DDQ) comme médiateur pour l'alkynylation de liaisons sp3 C-H. Une nouvelle CDC réaction catalysée par le triflate de cuivre (I) sera présentée dans le chapitre 3, entre un alcyne et une liaison C-H benzylique. Le chapitre 4 présentera le développement de cette réaction à l'alcynation d'éthers benzyliques en présence d'une quantité catalytique de triflate d'argent (I). Ces deux procédures sont seulement applicables pour les alcynes vrais aromatiques. Finalement, le chapitre 6 portera sur la réaction de Minisci catalysée par le palladium. Le peroxyde radical α-hydroxyalkyl généré lors de la réaction est capable de réagir avec les azines. La quantité stœchiométrique d'acide nécessaire lors de la traditionnelle réaction de Minisci, a été remplacée par une quantité catalytique de dichloro palladium.

This thesis is focused on the investigation of synthetic approaches for the preparation of oligonucleotides in solution. We describe our efforts to produce these valuable molecules in a more cost effective manner relative to the current industrial standards employing solid supported synthesis. We demonstrate that an ionic tag supported synthesis technique can be successfully applied to oligonucleotide synthesis using a phosphonium-based ionic tag, using simple precipitation and phase separation methods without the need for chromatography to obtain reasonably high product purity at each step. We also explore the optimization of the technique as it is moved to the gram scale and investigate the use of dimer and trimer blocks in the assembly of RNA. This strategy significantly reduced the total number of steps required in the synthesis of a target RNA sequence, provided more material, and simplified separation of the product from shorter failure sequences. The procedure was illustrated by the synthesis of rUpU, rApA, and rUpUpU phosphoramidite blocks and their use in the synthesis of 2-19 nt oligoribonucleotides both in solution and on solid phase. The building blocks utilized a 2′-O-triisopropylsilyl (TIPS) protecting group for the 3′-termini instead of the standard 2′-O-tert-butyldimethylsilyl (TBDMS) protection, in order to eliminate silyl migration during synthesis of dimer and trimer phosphoramidites.The synthesis and use of two novel, orthogonally cleavable linkers for solid and soluble supported synthesis are also described. The linkers are derived from the well known levulinyl and 3′-nitrophenylpropyloxycarbonyl (NPPOC) protecting groups, and expand utility to our methods by providing ready access to dimer and trimer phosphoramidite blocks. As the orthogonal linkers are removed under mild conditions, they will likely find use in the post-synthesis modification of oligonucleotides, the synthesis of oligonucleotides with base sensitive modifications, and siRNA or antisense pro-drugs. / Cette thèse se penche principalement sur l'étude d'approches synthétiques pour la préparation d'oligonucléotides en solution. Nous décrivons nos efforts pour produire ces molécules précieuses par une méthode plus économiquement rentable comparativement aux normes industrielles courantes qui utilisent la synthèse en phase solide. Nous démontrons qu'une synthèse employant une technique de tag ionique supporté peut être appliquée avec succès à la préparation d'oligonucléotides employant un tag ionique basée sur le phosphonium. L'utilisation de méthodes simples de purification, telles que la précipitation et la séparation de phases, nous a permis d'obtenir des composés raisonnablement purs à chaque étape sans avoir recours à la chromatographie. Nous avons également exploré l'optimisation de la technique pendant l'extrapolation à grande échelle et investigué l'utilisation de dimère et trimère dans l'assemblage de l'ARN. Cette stratégie réduit de façon significative le nombre d'étapes totales requises pour la synthèse d'une séquence d'ARN cible, produit plus de matériel et simplifie la séparation du produit d'autres séquences tronquées plus courtes. Cette procédure a été illustrée par la synthèse de blocs phosphoramidites rUpU, rApA et rUpUpU ainsi que par leur utilisation dans la synthèse d'oligoribonucléotides de 2 à 19 nt tant en solution qu'en phase solide. Les synthons disposaient d'un groupement protecteur 2′-O-triisopropylsilyle (TIPS) sur l'extrémité 3′ de l'ADN au lieu du 2′-O-tert-butyldiméthylsilyle (TBDMS) habituel afin d'éliminer la migration de groupe silyle durant la synthèse de dimère et trimère de phosphoramidites.La synthèse et l'utilisation de deux nouveaux liens clivables orthogonalement pour la synthèse en phase solide et en solution est aussi décrite. Les liens ont été dérivés des groupes bien connus lévulinyl et 3′-nitrophénylpropyloxycarbonyle (NPPOC), et élargissent notre méthode en donnant l'accès facile aux dimères et trimères de blocs phosphoramidites. Comme les liens orthogonaux sont enlevés sous des conditions douces, ils vont fort probablement trouver une utilisation dans la modification post-synthétique d'oligonucléotides, la synthèse d'oligonucléotides possédant une modification basosensible et le petit ARN interférant ou de promédicament antisens.

Breast cancer is the most common form of cancer in women in the Western world and the second most fatal after lung cancer. Estrogens play a crucial role in normal breast development, but also contribute to mammary tumorigenesis. Estrogen signaling is mediated by intracellular estrogen receptors (ERα and ERβ), with ERα being a common target in breast cancer therapeutics. Two classes of competitive estrogen inhibitors have been investigated and proved to be useful for breast cancer treatment: full antiestrogens (FAE's) and selective estrogen receptor modulators (SERM's). A novel platform, FORECASTER, was developed in the Moitessier laboratory with the aim of integrating computational, medicinal and combinatorial chemistry. The successful validation of FORECASTER as a computer-aided drug design platform is described. In our quest for potent SERMs, this platform was used to build virtual combinatorial libraries and to filter and extract a highly diverse library from the NCI database. The virtual screening of a diverse library seeded with known active compounds followed by a search for analogs yielded a high enrichment factor. Moreover, the virtual screening of a designed virtual combinatorial library that included known actives resulted in a highly discriminative process. The laboratory of Dr. Sylvie Mader at University of Montreal showed that only FAE's induce a strong and fast SUMOylation of ERα in a variety of cell lines, strongly suggesting that SUMOylation is a general property related to full antiestrogenicity. A collaboration between the Gleason and Mader laboratories resulted in an SAR study of ERα ligands with different side chain lengths that revealed a specific side chain length of 15 to 19 atoms was necessary to differentiate SERM's from FAE's through the induction of SUMOylation. Histone deacetylase inhibitors (HDACi's) have emerged as a new and growing class of anticancer agents. Recent findings have shown that co-treatment of SERM's or FAE's with HDACi's can significantly decrease the growth of breast cancer cells. Inspired by the success of the vitamin D/HDACi hybrids developed within our group, and taking advantage of structural features of both kinds of molecules, we developed a new family of antiestrogen/HDACi hybrids. A first generation set of hybrids were designed by replacing the tertiary amide of FAE ICI-164,384 with three different zinc binding groups: hydroxamic acid, o-aminoanilide and N-butylhydroxamate. Both the hydroxamic acid and the o-aminoanilide hybrids displayed both antiestrogenic and HDAC inhibitory activities whereas N-butylhydroxamate hybrid displayed antiestrogenic activity but a poor HDAC inhibition profile. All hybrids inhibited MCF-7 cell proliferation and validated the proof of concept regarding the formation of this class of hybrids. However, none of the hybrids showed an improved profile compared to known antiestrogens or HDACi's. A second generation set of hybrids exploiting the same zinc binding groups with SERM- and FAE-like side chains were developed in an effort to balance the activity of our hybrids. Hydroxamic acids showed a consistent inhibition of HDAC's while displaying poor antiestrogenic activity in most cases. Ortho-amino anilides showed modest HDAC inhibition activity and only aliphatic-based o-amino-anilides behaved as antiestrogens. N-Butyl-hydroxamates showed a reduced potency to inhibit HDAC's compared to their hydroxamic acid counterparts but retained antiestrogenic behaviour. Overall, our second-generation hybrids did not show equal or improved HDAC inhibition and antiestrogenic activities relative to known antiestrogens and HDACi's. / Le cancer du sein est la forme la plus courante de cancer chez les femmes en Occident et la deuxième plus mortelle après le cancer du poumon. Les œstrogènes jouent un rôle crucial dans le développement mammaire normal, mais aussi contribuent à la tumorigénèse mammaire. La signalisation des œstrogènes est permise grâce à des récepteurs d'œstrogènes (ERα et ERβ), avec ERα étant une cible courante dans la recherche thérapeutique du cancer du sein. Deux classes d'inhibiteurs compétitifs d'œstrogène ont été étudiées. Certains se sont révélés utiles pour le traitement du cancer du sein dont les anti-œstrogènes complets (FEA) et les modulateurs sélectifs des récepteurs d'œstrogènes (SERM). Une nouvelle plate-forme, FORECASTER, a été développée dans le laboratoire Moitessier dans le but d'intégrer la chimie computationnelle, médicinale et combinatoire. La validation réussie de FORECASTER comme plate-forme pour la conception assistée par ordinateur de médicaments est décrite. Dans notre quête pour la découverte de SERM puissants, cette plate-forme a été utilisée pour construire des bibliothèques combinatoires virtuelles et pour filtrer et extraire de la base de données NCI une bibliothèque de composés très diversifiée. Un facteur d'enrichissement élevé a été obtenu par le criblage virtuel d'une bibliothèque diversifiée et ensemencée avec des molécules actives connues suivi d'une recherche d'analogues.Le laboratoire du Dr Sylvie Mader à l'Université de Montréal a montré que seulement les FAE provoquent une SUMOylation forte et rapide des ERα dans une variété de lignées cellulaires, suggérant fortement que la SUMOylation est une propriété générale liée à antiestrogénicité complète. Une collaboration entre les laboratoires Gleason et Mader est à la base d'une étude de relations structure-activité de ligands ERα de différentes longueurs de chaînes latérales qui a révélé qu'une longueur de chaîne latérale spécifique de 15 à 19 atomes était nécessaire pour différencier les SERM des FAE à travers l'induction de la SUMOylation. Les inhibiteurs de l'histone déacétylase (HDACi) ont émergé comme une nouvelle et croissante classe d'agents anticancéreux. Des découvertes récentes ont montré que le co-traitement utilisant des SERM ou des FAE avec des HDACi peut réduire de façon significative la croissance des cellules cancéreuses du sein. Inspirés par le succès des hybrides vitamine D - HDACi développés au sein de notre groupe, et profitant des caractéristiques structurelles des deux types de molécules, nous avons développé une nouvelle famille d'hybrides antiestrogènes - HDACi. Un ensemble d'hybrides de première génération ont été conçus par remplacement de l'amide tertiaire des FAE ICI-164,384 avec trois différents groupes capables de se lier au zinc : le groupe acide hydroxamique, le groupe o-aminoanilide et le groupe N-butylhydroxamate. Les hybrides acide hydroxamique et o-aminoanilide ont montré à la fois des activités anti-œstrogénique et inhibitrices des HDAC, alors que l'hybride N-butylhydroxamate a affiché une activité anti-œstrogénique mais une piètre inhibition des HDAC. Tous les hybrides ont inhibé la prolifération des cellules MCF-7 et ont ainsi validé l'hypothèse en ce qui concerne la formation de cette classe d'hybrides. Un ensemble d'hybrides de deuxième génération exploitant les mêmes groupes se liant au zinc, mais avec des chaînes latérales ressemblant à celles des SERM et des FAE, ont été développé. Les acides hydroxamiques ont montré une inhibition importante de la HDAC tout en étant de mauvais anti-oestrogènes dans la plupart des cas. Les hybrides o-aminoanilide montré une modeste activité inhibitoire des HDAC et seulement les o-aminoanilides aliphatiques se sont comportés comme des anti-œstrogènes. Les hydrides N-butylhydroxamates ont montré une activité d'inhibition des HDAC réduite comparée à celle de leurs homologues d'acides hydroxamiques, mais ont conservé un comportement anti-œstrogénique.

Farnesyl pyrophosphate synthase (FPPS) occupies the first branching point of the mevalonate pathway, an important biosynthetic route that provides essential lipid molecules, such as steroids and isoprenoids, in mammalian cells. The enzyme catalyzes the sequential condensation of dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP) with isopentenyl pyrophosphate (IPP) to produce farnesyl pyrophosphate (FPP). This metabolite is required for the post-translational modification of ~2% of the total mammalian proteome and this modification is critical for proper subcellular localization and function of many proteins including the small GTPases, which are essential for cell signalling and proliferation. Currently, nitrogen containing bisphosphonates (N-BPs) are the only class of approved drugs that target the human FPPS. N-BPs bind to the allylic sub-pocket of the active site via metal-mediated interactions between their bisphosphonate moiety and a highly conserved, aspartate rich motif on the protein surface. Due to their inherent charged nature and strong affinity for hydroxyapatite, the therapeutic applications of N-BPs are mainly restricted to the treatment of osteoporosis and bone metastasis. However, recent clinical evidence shows that N-BPs improve the survival of multiple myeloma (MM) patients via mechanisms unrelated to their skeletal benefit. A structure-based approach was pursued in designing new hFPPS inhibitors with improved biopharmaceutical properties compared to the commercial drugs. Biophysical studies, including NMR, ITC and X-ray crystallography, were employed to probe the protein plasticity and show that our novel inhibitors occupy a larger portion of the active site as compared to the current drugs. A differential scanning fluorimetry (DSF) assay was also developed in order to demonstrate a positive correlation between the thermal stabilization properties and the in vitro inhibition potency of our inhibitors. Furthermore, this technique allowed us to identify inhibitors that bind to an allosteric pocket of the enzyme. In summary, the synthesis, SAR and inhibitor-induced conformational changes of the hFPPS enzyme, and the potential implications to drug discovery, will be discussed. / La synthase farnésyl-pyrophosphate (FPPS) est à l'origine du premier point de dérivation de la voie du mévalonate, une route biosynthétique important qui fournit des molécules de lipides essentiels, tel que les stéroïdes et isoprénoïdes, dans les cellules de mammifères. L'enzyme catalyse la condensation séquentielle du diméthylallyl-pyrophosphate (DMAPP) avec l'isopentényl-pyrophosphate (IPP) afin de produire le farnésyl-pyrophosphate (FPP). Ce métabolite est nécessaire dans la modification post-translationelle de ~2% de tous les protéomes mammifères et cette modification est indispensable pour une localisation subcellulaire saine et la fonction de plusieurs protéines tel que les petites GTPases, protéines essentielles à la signalisation et prolifération cellulaire. Présentement, la seule classe de médicaments approuvée qui vise la FPPS humaine comprend les bisphosphonates contenants un groupe azote (N-BP). Les N-BPs se lient à la sous-poche allylique du site actif via des interactions médiées par des métaux entre leur groupe fonctionnel bisphosphonate et un motif hautement conservé riche en aspartate retrouvé à la surface de la protéine. En raison de leur nature chargée et haute affinité pour l'hydroxyapatite, les applications thérapeutiques des N-BPs sont majoritairement restreintes aux traitements de l'ostéoporose et de la métastase osseuse. Par contre, des évidences clinique récente démontrent que les N-BPs augmentent la survie de patients atteints de myélome multiple (MM) par des mécanismes non-reliés à leur bénéfice squelettique.Une approche basée sur la structure a été poursuite afin de développer des nouveaux inhibiteurs de la hFPPS avec des propriétés biopharmaceutiques améliorées comparativement aux médicaments sur le marché. Des études biophysiques, incluant RMN, titration calorimétrique (ITC) et par cristallographie à rayons X, ont été utilisées afin de sonder la plasticité de la protéine et démontrer que notre inhibiteur original occupe une plus grande proportion du site actif relativement aux médicaments sur le marché. Une analyse de fluorimétrie différentielle à balayage (DSF) a également été développée pour illustrer une corrélation positive entre les propriétés de stabilisation thermale et l'effet d'inhibition in vitro de nos inhibiteurs. Qui plus est, cette technique nous a permis d'identifier les inhibiteurs qui se lient à la poche allostérique de la protéine. En résumé, la synthèse, les relations structure-activité (SAR) et les changements conformationnels de l'enzyme hFPPS causés par les inhibiteurs, ainsi que les applications potentiels reliées à découverte de nouvelle drogue, seront discutés.

This thesis describes the study of phospha-Münchnones, a new class of 1,3-dipole. These 1,3-dipoles have been previously demonstrated to be accessible in a one-pot reaction of imines, acid chlorides and organophosphorus reagents, and participate in 1,3-dipolar cycloaddition reactions. The objective of the research described in this thesis is to both understand the reactivity of these dipoles, and exploit their cycloaddition with alkynes and alkenes to synthesize pyrroles and 2-pyrrolines with high regio-, diastereo- and enantioselectivity. Chapter 2 focuses on understanding the factors that control regioselectivity in 1,3-dipolar cycloaddition reactions of phospha-Münchnones with alkynes, as well as the related mesoionic heterocycles Münchnones and Münchnone-imines. While each of the dipoles are established to participate in 1,3-dipolar cycloaddition reactions, until now, no general rules regarding the factors that control regioselectivity have been described. Cycloaddition reactions of the above mentioned dipoles are examined with a range of unsymmetrical electron poor and electron rich alkynes, and by comparing the behavior of these related dipoles, trends are observed in regioselectivity that relates to the alkyne ionization potential. In conjunction with Prof. Houk and Dr. Krenske at UCLA, DFT calculations were performed that provides a rational for the different behaviors of each of these dipoles. Importantly, these 1,3-dipoles display divergent regioselectivity, which can be exploited to synthesize a variety of pyrroles with high selectivity through the use of the appropriate reactant. Similarly, the rational on regioselectivity also allows the prediction of regioselectivity for a wide scope of alkynes. In Chapter 3 we explore the effect of the organophosphorus unit in phospha-Münchnones on their structure, reactivity and regioselectivity. X-ray crystallographic studies demonstrate the significant role of the PR3 unit on the ground state structure of these dipoles and their reactivity. In addition, the results of the theoretical investigation of Chapter 2 are exploited to show how changes in the phosphorus substituents can be used to fine tune regioselectivity of alkyne cycloadditions without modifying the substituents on the final product. In Chapter 4, phospha-Münchnone cycloaddition with alkenes is explored. Different phosphites and phosphonites are tested for their ability to mediate intramolecular cycloaddition with alkenes, and optimum results are obtained with (2-catechyl)PPh. Polycyclic 2-pyrrolines are generated in rapid cycloaddition reactions, in a modular fashion from easily accessible starting materials: olefin-tethered imines, acid chlorides and phosphonites. In addition, the reaction proceeds with high diastereo- and regioselectivity. The utility of this reaction has been extended to other products, including in situ reduction of the 2-pyrroline to pyrolidines, or oxidation to form pyrroles. In Chapter 5, a new way to control the enantioselectivity in 1,3-dipolar cycloaddition reactions is described. By the use of (R)-BINOL-based phosphites, a phospha-Münchnone can be prepared that is easily accessible, modular, yet requires no additional steps to install or remove the chiral fragment. As such, this provides a straightforward approach to control chirality in 1,3-dipolar cycloaddition reactions. This has been used to generate polycyclic pyrrolines and pyrrolidines with three or four stereogenic centers in one pot, and up to 99% ee. / Cette thèse décrit l'étude du phospha-Münchnone, une nouvelle classe de 1,3-dipôle. Il a été démontré précédemment que ces 1,3-dipôles peuvent être facilement générés à partir des imines, des chlorures d'acides et de composés organophosphorés et peuvent être utilisés dans des réactions de cycloadditions 1,3-dipolaires. Le but de cette recherche est à la fois de comprendre la réactivité de ces dipôles et de les exploiter dans des réactions de cycloadditions avec des alcynes et des alcènes pour synthétiser des pyrroles et des 2-pyrrolines de façon hautement régio-, diastéréo- et énantiosélective. Le Chapitre 2 focalise sur la compréhension des facteurs qui contrôlent la régiosélectivité des réactions de cycloadditions 1,3-dipolaires avec les phospha-Münchnones et les alcynes ainsi qu'avec des hétérocycles mésoioniques analogues, les Münchnones et les Münchnones-imines. Malgré que chacun de ces 1,3-dipôles soit reconnu pour sa participation aux réactions de cycloadditions 1,3-dipolaires, aucune règle générale concernant les facteurs qui contrôlent la régiosélectivité n'a été encore établie jusqu'à maintenant. Grâce à l'étude des cycloadditions de ces trois 1,3-dipôles avec une gamme d'alcynes asymétriques électron pauvres et électron riches, et par la comparaison des comportements de ces 1,3-dipôles, des tendances au niveau de la régiosélectivité en fonction du potentiel d'ionisation de l'alcyne ont pu être observées. Conjointement avec le Pr. Houk et le Dr. Krenske à L'UCLA, des calculs DFT ont été réalisés et fournissent une explication logique sur les différents comportements de ces dipôles. De plus, ces 1,3-dipôles présentent des régioselectivités divergentes qui peuvent être exploitées pour la synthèse d'une variété de pyrroles avec de hautes sélectivités grâce au choix du réactif approprié. Cette étude permet également la prédiction de la régiosélectivité pour une large gamme d'alcynes. Dans le Chapitre 3, l'effet de l'unité organophosphorée sur la structure, la réactivité et la régiosélectivité du phospha-Münchnone est étudié. Les études aux rayons-X cristallographiques démontrent le rôle important de l'unité PR3 sur l'état fondamental et la réactivité de ces 1,3-dipôles. De plus, les résultats de l'étude théorique du Chapitre 2 sont exploités pour varier de façon logique les substituants du phosphore afin d'améliorer la régiosélectivité des cycloadditions d'alcynes sans modifier les substituants du produit final. Dans le Chapitre 4, la cycloaddition du phospha-Münchnone avec des alcènes est explorée. Différents phosphites et phosphonites sont testés pour leur capacité à participer aux cycloadditions intramoléculaires d'alcènes, et les résultats optimaux sont obtenus avec le (2-catechyl)PPh. Les 2-pyrrolines polycycliques sont générées dans des réactions de cycloadditions rapides, de façon modulaires et à partir de réactifs facilement accessibles : des imines contenant un alcène, des chlorures d'acyles et des phosphonites. De plus, la réaction procède avec une haute régio- et diastéréosélectivité. L'utilité de cette réaction a été étendue à d'autres produits, avec la réduction in situ des 2-pyrrolines en pyrrolidines, et avec l'oxydation en pyrroles. Dans le Chapitre 5, une nouvelle façon de contrôler l'énantiosélectivité des réactions de cycloadditions 1,3-dipolaires est décrite. Grâce à l'utilisation d'un phosphite substitué par un groupement (R)-BINOL, un nouveau phospha-Münchnone peut être synthétisé avec l'avantage d'être facilement accessible, modulaire, et ne requiert aucune étape supplémentaire pour installer ou enlever le fragment chiral. Cela offre une approche simple pour contrôler la chiralité des réactions de cycloadditions 1,3-dipolaires et générer des pyrrolines et des pyrrolidines polycycliques avec trois ou quatre centres stéréogènes de façon « one-pot » et jusqu'à 99% ee.

Fluorescence spectroscopy has proven a valuable technique for studying the structure and function of nucleic acids and other essential molecules in cellular biology. In this regard, intrinsic fluorescent nucleobase analogues are widely used to probe structural and dynamic properties of nucleic acids. Due to its unique emissive properties, 6-Phenylpyrrolo-2'-deoxycytosine (dPhpC), a novel fluorescent deoxycytosine analog, is a suitable fluorescent reporter that has been exploited to study the structure, dynamics and localization of nucleic acids. dPhpC possesses several desirable properties, including high quantum yield and sensitivity to changes in the surrounding microenvironment. Given the increasing demand for unobtrusive fluorescent probes for use in biochemical studies, dPhpC is an attractive fluorophore that mimics cytosine with respect to nucleic acid base pairing and enzyme interactions. To use this molecular probe to its full potential, it is essential to elucidate the interactions between dPhpC and its inter- and intra-strand neighbouring nucleotides, and the effect of these interactions on the fluorescent properties of dPhpC. With this information in hand, dPhpC can be employed as a highly sensitive molecular probe for studying a wide variety of nucleic acid-based systems, and fluorescent PhpC-containing oligonucleotides can be readily optimized for specific purposes.In this thesis, we synthesized 6-phenylpyrrolo-2'-deoxycytidine (dPhpC) and incorporated it into single and double stranded DNA. This work demonstrates that the nature and orientation of nucleoside neighbours surrounding dPhpC significantly affect its fluorescent properties. According to the results presented in this work, the average fluorescence quantum yields for dPhpC-containing single strands is greater than those of their corresponding double-strands. Several rules for predicting and optimizing the properties of dPhpC-containing oligonucleotides are also identified: neighboring adenine causes a significant increase in dPhpC fluorescent intensity, guanine most effectively quenches fluorescence, and the orientation of neighbors around dPhpC significantly affects dPhpC quantum yield (e.g. the quenching effect of guanine is higher when it is placed at the 3'-side of dPhpC). Overall, our studies allow us to better predict dPhpC fluorescence changes upon incorporation in DNA structures, greatly facilitating the design of optimized dPhpC-containing nucleic acid probes for use in a wide variety of fluorescence studies. / La spectroscopie de fluorescence s'est avérée une technique précieuse pour étudier la structure et la fonction des acides nucléiques et d'autres molécules essentielles en biologie cellulaire. À cet égard, les analogues de nucléoside fluorescentes intrinsèques sont largement utilisés pour sonder les propriétés structurales et dynamiques des acides nucléiques. À cause de ses propriétés émissives uniques, 6-phénylpyrrolo-2'-déoxycytosine (dPhpC), un nouvel analogue fluorescent de la déoxycytosine, est un reporter fluorescent approprié qui a été exploitée pour étudier la structure, la dynamique et la localisation des acides nucléiques. dPhpC possède plusieurs propriétés souhaitables, notamment le rendement quantique élevé et une sensibilité à des changements dans le micro-environnement environnant. Compte tenu de la demande croissante de discrètes sondes fluorescentes pour utilisation dans des études biochimiques, dPhpC est un fluorophore attrayant qui imite la cytosine par rapport au couplage d'acide nucléique de base et les interactions enzymatiques. Pour utiliser cette sonde moléculaire à son plein potentiel, il est essentiel d'élucider les interactions entre dPhpC et ses nucléotides voisins inter- et intra-brin, et l'effet de ces interactions sur les propriétés fluorescentes de dPhpC. Avec cette information, dPhpC peut être utilisé comme une sonde moléculaire très sensible pour l'étude d'une grande variété des systèmes à base de acides nucléiques, et les oligonucléotides fluorescentes contenant du PhpC peuvent être facilement optimisé à des fins spécifiques. Dans cette thèse, nous avons synthétisé 6-phénylpyrrolo-2'-désoxycytidine (dPhpC) et l'ont incorporé dans l'ADN simple et double brin. Ce travail démontre que la nature et l'orientation des voisins nucléosidiques entourant dPhpC affecter de manière significative ses propriétés fluorescentes. Selon les résultats présentés dans ce travail, les rendements quantiques de fluorescence moyenne pour dPhpC contenant des simples brins est supérieure à celles de leurs doubles brins correspondants. Plusieurs règles pour la prédiction et l'optimisation des propriétés des oligonucléotides contenant dPhpC sont également identifiées: l'adénine voisin entraîne une augmentation significative de l'intensité de fluorescence de dPhpC, la guanine plus efficacement étanche fluorescence, et l'orientation des voisins autour dPhpC affecte de manière significative le rendement quantique de dPhpC (par exemple l'effet d'extinction de la guanine est plus élevée lorsqu'il est placé à l'extrémité 3 'du côté dPhpC). Dans l'ensemble, nos études permettez-nous de prévoir mieux les changements de fluorescence de dPhpC sur l'incorporation en structures d'ADN, ce qui facilite grandement la conception d'optimisation dPhpC contenant des sondes d'acides nucléiques pour utilisation dans une grande variété d'études de fluorescence.

The condensation of stable 2-(1-(trimethylsilyl)ethylidene)malononitrile with elemental sulfur was explored in the parallel-synthesis of a small library of structurallydiverse2-aminothiophenesandthieno[2,3-d]pyrimidines. Bromination and ipso-iododesilylation of these heterocyclic scaffolds provided synthetic methods to efficiently generate key intermediates, allowing for great versatility. Bisphosphonic acid derivatives of thieno[2,3-d]pyrimidine and benzothiazole scaffolds, with favourable physicochemical properties, were evaluated for their ability to inhibit isoprenoid biosynthesis and potentially modulate the function of small G-proteins implicated in a range of human diseases. Preliminary biological activities and selectivity will be presented. / La condensation de 2-(1-(trimethylsilyl)ethylidene)malononitrile avec du soufre élémentaire a été explorée dans le parallèle synthèse d'une petite group de structures diverses de 2-aminothiophenes et thieno[2,3-d]pyrimidines. Bromation et ipso-iododesilylation de ces échafaudages hétérocyclique fourni des méthodes de synthèse pour générer efficacement des intermédiaires clés, ce qui permet une grande polyvalence. Dérivés d'acide bisphosphonique de thieno[2,3-d]pyrimidines et échafaudages benzothiazole, avec de bonnes propriétés physico-chimiques, ont été évalués pour leur capacité à inhiber la biosynthèse des isoprénoïdes et potentiellement moduler la fonction des petites protéines G impliquées dans un assortiment de maladies humaines. Les activités préliminaires biologiques et la sélectivité sera présenté.

This thesis describes the use of a new class of dipole, phospha-Münchnones, in 1,3-dipolar cycloaddition reactions. Phospha-Münchnones can be readily prepared from imines, acid chlorides and the catechyl-substituted phosphonite PhP(2-catechyl). Coupling the multicomponent formation of these dipoles with subsequent cycloaddition has provided modular, one-pot syntheses of a number of heterocycles. In Chapter 1, an overview of the utility of imines in 1,3-dipolar cycloaddition reactions is provided. This includes their use in the synthesis of aromatic nitrogen-containing heterocycles such as of pyrroles, oxadiazoline, imidazoles, triazoles and their reduced analogues. In Chapter 2, research towards the synthesis of imidazoles through the cycloaddition of electron deficient N-nosyl imines with phosha-Münchnones is described. This transformation allows the direct generation of densely substituted imidazoles in a one-pot fashion, and with high regioselectivity. The methodology is also modular, where the substitution pattern can be altered by simple variation of the building blocks (imine, acid chloride and N-nosyl imine). Alternatively, N-nosyl substituted imines can be replaced by nitriles in intramolecular cycloaddition reactions. This allows the synthesis of polycyclic imidazoles from nitrile-tethered imines and acid chlorides. To the best of our knowledge, this is the first report of intamolecular nitrile dipolar cycloaddition reactions in imidazole synthesis. Chapter 3 focuses on the intramolecular cycloaddition of phospha-Münchnones with olefins. The resulting polycyclic 2-pyrrolines are prepared in good yields with high diastereo- and regio-selectivity from olefin-tethered imines, acid chlorides and phosphonites. Further reactions of these N-heterocycles are also investigated, including the formation of substituted pyrrolidines under reductive conditions. / Cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle classe de 1,3-dipôle, le phospha-Münchnone, dans la préparation d'hétérocycles azotés. Le phospha-Münchnone peut être facilement préparé à partir d'imines, de chlorures d'acides et de composés organophosphorés (2-catechyl)PhP. Le couplage sélectif de ces composés suivi d'une réaction de cycloaddition permettent la synthèse d'une variété de composés hétérocycliques de façon modulaire et rapide. Dans le Chapitre 1, un aperçu est présenté en ce qui a trait à l'utilité des imines dans les réactions de cycloadditions 1,3-dipolaires. Cela inclut également leur rôle dans la synthèse d'hétérocycles aromatiques contenant un azote tels que les pyrroles, les imidazoles, les oxadiazolines, les triazoles et leurs analogues réduits. Dans le Chapitre 2, la synthèse d'imidazoles par cycloaddition d'imines électrons pauvres avec le phospha-Münchnone est décrite. Cette réaction permet la formation directe d'imidazoles hautement substitués de façon « one-pot », et avec une grande régiosélectivité. La méthode est également modulaire, où le modèle de substitution peut être modifiée par simple variation des briques moléculaires (imine, chlorure d'acide et imine N-nosyl). D'autre part, les imines substituées N-nosyl peuvent être remplacées par des nitriles lors des cycloadditions intramoléculaires. Cela permet la synthèse d'imidazoles polycycliques avec des imines contenant un nitrile et des chlorures d'acides. À notre connaissance, cela représente le premier exemple de réaction de cycloaddition intramoléculaire à partir de nitriles non-électrons pauvres dans la synthèse d'imidazole.Le Chapitre 3 se concentre sur la cycloaddition intramoléculaire du phospha-Münchnone avec des oléfines. Les 2-pyrrolines polycycliques qui en résultent sont préparées de façon efficace avec une grande diastéréo- et régiosélectivité à partir d'imines contenant un alcène, de chlorures d'acides et de phosphonites. D'autres synthèses de N-hétérocycles sont également étudiées, y compris la formation de pyrrolidines substituées dans des conditions réductrices.

The synthesis of pantothenamides with various but defined stereoconfigurations is promising for medicinal chemistry studies. N-pentylpantothenamides are antibacterial agents. Previous SAR studies reported an MIC of 3.6 µM against S. aureus for the allyl derivative with anti stereoconfiguration with respect to the secondary alcohol and the quaternary carbon. With the goal of improving the MIC, it was envisaged that compounds with the syn stereoconfiguration might have different activity. Thus a synthetic approach was developed which set the anti stereochemistry at the di alkyl germinal carbon via Frater's alkylation. Next the alcohol was oxidized to the ketone, and selectively reduced to generate the syn stereoconfiguration.Over the course of the synthesis of the syn stereoconfiguration, several different chemical and biocatlytic reducing agents were used. The chemical reducing agents tested were NaBH4, DIBAL-H, CBS and Zn2(BH4)2. None of these chemical reducing agents are able to overcome the energetic barriers of forming the syn product, instead favouring the formation of the anti product which is thermodynamically favoured. Interestingly with Baker's yeast the syn product is the major product. Next the scope of this reaction was studied by varying the alkyl chain at the quaternary carbon, ranging from small to large groups. Remarkably the Baker's yeast accepted a wide range of substrates. The compounds were finally extended to the full pantothenamide derivatives via the previously reported methodology. The final pantothenamide compounds will be tested for antibacterial activity, hopefully improving on the MIC of the parent compound. Furthermore these compounds have shown to be active antimalarial agents. / La synthèse de pantothenamides avec des stéréoconfigurations variées mais définies est prometteur pour les études en chimie médicinale. Le N-pentylpantothenamide est un agent anti-bactérien. Des études SAR précédantes ont raporté un CMI de 3.6 µM contre S. aureus pour le derivative allyl avec stereoconfiguration anti de l'alcool secondaire et du carbone quartenaire. Avec le but d'améliorer le CMI, nous attendions que les composés avec la stereoconfiguration syn aurait une activité différemment. Ainsi, nous avons développé une nouvelle approche synthétique qui a mis la stéréochimie anti au carbone di alkyl via alkylation de Frater avant d'avoir oxidé l'alcool du cétone suivi par une réduction sélective afin de générer la stéréoconfiguration syn.Au cours de cette stratégie de synthèse pour développer la stéréoconfiguration syn, différentes agents réducteurs et réductions biocatalytiques, tel que la levure de Baker, ont été utilisées. Les agents réducteurs utilisé étaient NaBH4, DIBAL-H, CBS and Zn2(BH4)2 . Aucun de ces agents ont été capables de surmonter les barrières énergétiques nécessaire pour former le produit syn. À la place, la formation du produit anti est thermodynamiquement favorisée. Intéressamment, le levure de Baker donne le produit syn comme produit dominant. Ensuite, le potentiel de cette réaction a été exploré en variant la chaîne d'alkyl au carbone quartenaire, allant d'un petit à de larges groupes. La levure de Baker a accepté une grande variété de substrats.Au final, les composés ont été agrandi en dérivatifs de pantothenamide via la méthode précédente. Les panthothenamides finals seront testés pour activité antibactérienne dans l'espoir, d'améliorer la CMI du composé parent. De plus, ces composés ont démontré de l'activité antimalariale.