Thesis advisor: Marc L. Snapper / Thesis (PhD) — Boston College, 2008. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Chemistry.

Cyclobutanes represent an underutilised structural feature in medicinal chemistry, partially due to difficulties in forming them in an easy and controlled manner. Herein is described their application to a drug discovery project and development of the enamine [2+2] cyclisation; a straightforward synthesis of functionalised cyclobutanes. A library of 30 cyclobutane based integrin antagonists have been designed and synthesised to explore the SAR around the hit dual β3 integrin antagonist ICT9055. Several of which were shown to be highly potent antagonists inhibiting cancer cell adhesion, migration and invasion while remaining non-toxic. ICT9072 had comparable β3 activity to hit compound ICT9055 but also had activity against αvβ5 and therefore showed greater inhibition of migration of DLD-1 cells. This showed the ability to modify this scaffold for multi integrin antagonism and potential benefit of this. Synthetic studies towards the marine natural product providencin has led to the development of a previously unknown intramolecular enamine [2+2] cyclisation which has been shown to proceed in a diastereoselective manner. This reaction has been applied to the synthesis of a highly functionalised enatiopure cyclobutene suitable for inclusion into the total synthesis. A model furyl cyclobutane has also been synthesised to exemplify the route from the enantiopure cyclobutene through to the furyl cyclobutane fragment of providencin. / Yorkshire Cancer Research

Cyclobutanes represent an underutilised structural feature in medicinal chemistry, partially due to difficulties in forming them in an easy and controlled manner. Herein is described their application to a drug discovery project and development of the enamine [2+2] cyclisation; a straightforward synthesis of functionalised cyclobutanes. A library of 30 cyclobutane based integrin antagonists have been designed and synthesised to explore the SAR around the hit dual β3 integrin antagonist ICT9055. Several of which were shown to be highly potent antagonists inhibiting cancer cell adhesion, migration and invasion while remaining non-toxic. ICT9072 had comparable β3 activity to hit compound ICT9055 but also had activity against αvβ5 and therefore showed greater inhibition of migration of DLD-1 cells. This showed the ability to modify this scaffold for multi integrin antagonism and potential benefit of this. Synthetic studies towards the marine natural product providencin has led to the development of a previously unknown intramolecular enamine [2+2] cyclisation which has been shown to proceed in a diastereoselective manner. This reaction has been applied to the synthesis of a highly functionalised enatiopure cyclobutene suitable for inclusion into the total synthesis. A model furyl cyclobutane has also been synthesised to exemplify the route from the enantiopure cyclobutene through to the furyl cyclobutane fragment of providencin.

Dans ce manuscrit, nous avons décrit l'accès aux dérivés bicyclo[2.1.0]pentanes via deux réactions métalo-Catalysées, à savoir une cycloisomérisation d’énynes-1,6 catalysée par le platine et la cyclopropanation de cyclobutènes catalysée par le ruthénium à l’aide carboxylates propargyliques tertiaires. Tout d'abord, nous avons développé la formation, catalysée par Pt(II), de cyclobutènes à partir d’énynes-1,6 reliés par un hétéroatome (azote ou oxygène) pour former les aza- et oxa-Bicyclo[3.2.0]hept-6-Ènes respectivement. Il est montré que la présence de substituant(s) alkyle(s) en position propargylique et l'utilisation de solvants faiblement coordonnés, tels que le DMA sont les caractéristiques principales favorisant la formation de cyclobutènes. Ensuite, la disponibilité de cyclobutènes issus de la cycloisomérisation des 1,6-Énynes a permis leur utilisation pour la construction de systèmes bicyclo[2.1.0]pentanes par la mise en œuvre d’une cyclopropanation catalysée par le ruthénium utilisant les carboxylates propargyliques tertiaires. Ces composés sont obtenus sous la forme d’un diastéréomère unique avec des rendements bons à excellents. Cette réaction fournit une alternative sûre aux méthodes utilisant les dangereux composés diazo précurseurs de carbène pour générer les bicyclo[2.1.0]pentanes fonctionnalisés dans des conditions douces et avec des rendements élevés. / In this manuscript, we have described an access to bicyclo[2.1.0]pentanes via two metal-Catalyzed reactions, namely a platinum-Catalyzed cycloisomerization of heteroatom-Tethered 1,6-Enynes and the subsequent ruthenium-Catalyzed cyclopropanation of cyclobutenes with tertiary propargyl carboxylates.First, we have developed the Pt(II)-Catalyzed formation of cyclobutenes from nitrogen and oxygen-Tethered 1,6-Enynes to form aza- and oxabicyclo[3.2.0]hept-6-Enes respectively. It is shown that the presence of alkyl substituent(s) at propargyl position and the use of weakly coordinating solvents such as DMA are the key elements favoring the formation of cyclobutenes.Second, the availability of cyclobutenes from the cycloisomerization of 1,6-Enynes has allowed their utilization for the construction of strained bicyclo[2.1.0]pentane structures as single diastereomers in good to excellent yield through a ruthenium-Catalyzed cyclopropanation. It provides a safe method which avoid the use of the hazardous diazo compounds precursors of carbenes to generate functionalized bicyclo[2.1.0]pentane frameworks in high yields under mild conditions.

Ce manuscrit décrit des approches synthétiques de la benzosceptrine, pyrrole-2-aminoimidazole (P-2-AI) d'origine marine, via la création de liaisons C-N et une photodimérisation [2+2]. La synthèse totale de cette molécule originale et unique présente plusieurs challenges : la construction du motif benzo-bis-2-aminoimidazole et la synthèse régio- et stéréo-sélective du motif benzocyclobutanique. C’est dans ce but qu’une nouvelle méthodologie de diamination de 2-cyclohexènones par la 2-aminopyrimidine en présence du système catalytique fer/diiode/dioxygène a été mise au point et étendue aux 2-aminopyridines, chalcones et la chromone. L’application de cette méthode a permis d’achever la synthèse du motif benzo-bis-2-aminoimidazole de la benzosceptrine via l’installation de 4 liaisons C-N, en 6 étapes avec un rendement global de 28 % ; et d’explorer la réactivité de ce motif. La deuxième partie cyclobutanique a pu être réalisée grâce au développement d’une photodimérisation stéréo- et régio- sélective d’un acide (E)-3-(imidazo[1,2-a]pyrimidin-2-yl)acrylique. Bien que la synthèse totale de la benzosceptrine n’ait pas été achevée, ce travail nous a permis de préparer une chimiothèque de 50 dérivés simplifiés destinée aux évaluations biologiques. Ces évaluations en inhibition de kinases et en cytotoxicité ont mis en évidence un produit cytotoxique original et intéressant. Ce travail de recherche a donc permis d’avancer la synthèse de la benzosceptrine, de mettre au point une nouvelle méthode de diamination et de créer une chimiothèque de dérivés simplifiés d’un produit naturel. / This manuscript describes synthetic approaches of benzosceptrin, a pyrrole-2-aminoimidazole (P-2-AI) isolated from a marine sponge, via C-N bond formation and a [2+2] photodimerization. Its synthesis presents the challenges of the benzo-bis-2-aminoimidazole moiety construction and the regio- and stereoselective synthesis of the benzocyclobutanic motif. With this objective, a new methodology of diamination of 2-cyclohexenones by 2-aminopyrimidine and 2-aminopyridines in the presence of the very simple iron/iodine/dioxygen catalytic system has been developed. It was also extended to chalcones and chromone. The application of this method allowed the synthesis of the benzo-bis-2-aminoimidazole moiety of benzosceptrin via the formation of 4 C-N bonds, in 6 steps in an overall yield of 28 % and to explore the reactivity of some intermediates. The second cyclobutanic moiety has been completed thanks to the development of a stereo- and regioselective photodimerization [2+2] of a (E)-3-(imidazo[1,2-a]pyrimidin-2-yl)acrylic acid. Although the total synthesis of benzosceptrin was not achieved, this work allowed the preparation of a chemical library of 50 simplified derivatives for biological evaluations. Those evaluations in kinases inhibition and cytotoxicity helped to highlight an original and interesting cytotoxic product. This research permitted to progress the synthesis of benzosceptrin, to develop a new method of diamination and to create a chemical library of simplified derivatives of a natural product.

Durant ce doctorat en collaboration avec Bayer CropScience, une famille de réactifs appelés Réactifs de type Fluoroalkyl Amines (ou FARs) a été étudiée (spécialement le TFEDMA) pour réaliser ’introduction de groupes fluorés émergents (EFSs). Après une activation à l’aide d’un acide de Lewis, les sels de fluoro-iminium obtenus ont été utilisés pour la difluoroacylation d’arenes et hétéroarènes riches en électrons, ou la synthèse efficace et régiosélective de pyrazoles et d’isoxazoles possédant un groupe -CHF2 à partir d’éthers vinyliques et apparentés, d’éthers d’énol silylés ou de composés CH-acides. Un nouveau FAR a été développé permettant l’introduction du groupe -CHFOCF3 sur des pyrazoles. La synthèse de nouveaux 3,5-bis(fluoroalkyl)-NH-pyrazoles a été réalisée à partir d’azines fluorées et de FARs. Une méthode régiosélective de synthèse de 3,5-bis(fluoroalkyl)-pyrazoles avec une vaste diversité structurale accessible a ensuite été développée à l’aide de cétimines fluorées, d’hydrazines et de FARs. La synthèse de bis(fluoroalkyl)pyrimidines a été développée à partir d’acétoacétates fluorés, d’amidines et de FARs. Trois produits de réarrangement de type cyclobutène hautement fonctionnalisés ont été préparés. La synthèse de pyrazoles et d’isoxazoles substitués par des groupes -CHF2 et -OCF3 a été réalisée similairement, et un exemple difficile d’acide pyrazole-3-carboxylique contenant ces deux substituants a été préparé. Le concept de FAR vinylogue a été illustré avec la préparation de l’acide 4-perfluoropropylnicotinique à partir d’iodure de perfluoropropyle. / During this 3-year PhD project in collaboration with Bayer CropScience, a family of fluorinating reagents (Fluoroalkyl Amino Reagents, FARs) was extensively studied (especially TFEDMA), and was used for various applications implying fluoro iminium salts after Lewis acid activation. The difluoroacylation of electron-rich arenes and heteroarenes was developed. The synthesis of difluoromethylated pyrazoles and isoxazoles was achieved from vinyl ethers and analogues, silyl enol ethers or CH-acidic substrates. A new FAR was developed for the facile introduction of -CHFOCF3 group. A first method was developed allowing for the first access to 3,5-bis(fluoroalkyl)-NH-pyrazoles using fluorinated azines and FARs. The regioselective synthesis of 3,5-bis(fluoroalkyl)pyrazoles with tunable regioselectivity and broad substitution scope was developed using fluorinated ketimines, hydrazines and FARs. The synthesis of bis(fluoroalkyl)pyrimidine carboxylates was successfully achieved from fluorinated acetoacetates, amidines and FARs. Three highly functionalized cyclobutene products formed by rearrangement were isolated and characterised by crystallography. The syntheses of pyrazoles and isoxazoles bearing trifluoromethoxy and difluoromethyl motifs were developed from α-trifluoromethoxy-aryl-ketones, hydrazines and FARs, and a challenging pyrazole carboxylic acid bearing both substituents was synthesized. The concept of vinylogous FAR was exemplified with the synthesis of 4-perfluoropropylnicotinic acid from perfluoropropyl iodide.

Dans le cadre de la synthèse totale de la leucophyllidine, un alcaloïde bis-indolique, des réactions de carbo- et sulfonyl-cyanation radicalaires sans étain ont été développées. Les cyanures de sulfonyle RSO2CN, préparés à partir des thiocyanates correspondant par une nouvelle méthode d’oxydation, sont utilisés comme pièges radicalaires. Ces réactifs fragmentent en présence d’initiateur thermique (carbo-cyanation) ou par le biais de la catalyse photoredox (sulfonyl-cyanation). Dans ce dernier cas, une étude mécanistique approfondie sur le cycle photo-catalytique a été accomplie. Ces méthodologies introduisent un nitrile sur une chaîne carbonée insaturée par voie radicalaire, fournissant des intermédiaires avancés pour la synthèse totale d’alcaloïdes. Pour la synthèse asymétrique de l’eucophylline, le fragment sud de la leucophyllidine, la sulfonyl-cyanation de cyclobutènes énantioenrichis a montré d’excellentes diastéréosélectivités. Différentes stratégies d’ouverture de cycle ont ensuite été examinées. / During our efforts directed toward the total synthesis of leucophyllidine, a bis-indole alkaloid, the tin-free radical carbo-cyanation and sulfonyl-cyanation of olefins were developed. The sulfonyl cyanides, acting as radical traps, were synthesized through a new oxidation of the corresponding thiocyanate. These reagents were found to fragment under thermal initiation (carbo-cyanation) or using the photoredox catalysis (sulfonyl-cyanation). A thorough mechanistic study was accomplished for the sulfonyl-cyanation. These methodologies install a nitrile onto an olefin backbone, furnishing advanced intermediates for the total synthesis of alkaloids. For the asymmetric synthesis of eucophylline, the south fragment of leucophyllidine, the sulfonyl-cyanation of optically pure cyclobutenes showed excellent diastereoselectivities. Different ring-opening reactions of the corresponding cyclobutane were then examined.