Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les alcaloïdes sont parmi les molécules naturelles les plus intéressantes pour leurs propriétés biologiques et médicinales. Parmi ceux-ci, les amaryllidacés et notamment la clivonine et ses analogues présentent de nombreuses propriétés peu étudiées et la synthèse de molécules de cette famille permettra des avancées dans ces études. Notre équipe s’intéresse particulièrement à cette molécule car sa synthèse pourrait se faire à partir d’une réaction de nitroso Diels-Alder énantiosélective qui est un sujet majeur de recherche dans notre laboratoire. Dans la suite de la synthèse, une deuxième étape clé doit faire intervenir une insertion C-H intramoléculaire. La réaction de nitroso Diels-Alder a été réalisée avec un excès énantiomérique de 96% et la synthèse a été poursuivie pour accéder à l’intermédiaire diazo clé, substrat de départ de l’insertion C-H. Cette dernière réaction n’a pas permis d’obtenir les produits escomptés en utilisant des catalyseurs commerciaux et une collaboration a été entamée avec le Pr Huw Davies pour pouvoir utiliser des catalyseurs plus élaborés. Les résultats de cette collaboration ne sont pas encore définitifs. Parallèlement, trois autres voies de synthèse de la clivonine ont été conçues et expérimentées, des variations de la synthèse originale, mais aucune n’a abouti. En revanche, une de ces synthèses nous a permis de découvrir une réactivité nouvelle des cycloadduits de nitroso Diels-Alder : en présence d’organolithiens, une réaction de β-fragmentation a lieu, suivie d’une addition, qui permet d’obtenir des composés monocycliques très fonctionnalisés avec une très bonne stéréosélectivité. Cette réaction et son étendue doivent encore être étudiées mais pourraient avoir des applications en synthèse totale. / Alkaloids are among the most interesting natural compounds because of their biological and medicinal properties. Among them amaryllidaceae alkaloids and especially clivonine and its analogues bear many under-studied properties and the synthesis of members of this family should allow more advances in this field. Our team is particularly interested in this target since its synthesis could be achieved starting from an enantioselective nitroso Diels-Alder reaction which is a major research topic of our group. Later in the synthesis a second key step would involve an intramolecular C-H insertion. The nitroso Diels-Alder reaction was performed with an enantiomeric excess of 96% and the synthesis was continued to access the key diazo intermediate, starting material for the C-H insertion step. This last reaction did not allow to access the desired products using commercially available catalysts and a collaboration was started with Pr Huw Davies in order to use more advanced catalysts. The final results of this collaboration are not available yet. Meanwhile three other synthetic routes for clivonine were designed and investigated as variants of the original strategy but none of them allowed access to clivonine. However one of those syntheses led to the discovery of a new reactivity of nitroso Diels-Alder cycloadducts: when exposed to organolithium reagents, a β-fragmentation occurs followed by an addition leading to highly fonctionnalized monocyclic products with high diastereoselectivity. This reaction and its scope need to be investigated further but may have applications in total synthesis.

La fonctionnalisation de liaisons C-H non-activées est un défi pour la chimie organique. Dans cette thèse, l'amination intramoléculaire, via l'insertion catalytique de nitrènes sur ces positions réputées inertes, a été effectuée sur des glycomimétiques de type C-glycoside. A l'inverse de leurs analogues 1- carbamoyloxyméthyle, cette réaction s'est montrée fortement stéréo-dépendante de la configuration du carbone pseudo-anomérique dans le cas des dérivés 1-sulfamoyloxyméthyle. L'insertion régiosélective en position pseudo-anomérique conduit à des composés spiraniques dont la fonction N,O-acétal peut être fonctionnalisée pour aboutir à des glycomimétiques originaux. Une étude sur des dérivés pipéridinique a permis d'évaluer l'influence de l'hétéroatome endocyclique sur la réaction d'insertion. L'amination intramoléculaire de ces dérivés nous a permis d'observer une régiosélectivité complètement différente de celle observée précédemment avec la formation inédite d'un cycle à sept membres. La combinaison d'effets stéréoélectroniques et conformationnels décisifs nous a permis de rationaliser ce résultat inattendu. Nous avons exploité ce résultat par la mise au point d'une stratégie de synthèse générale de 4-amino-imino-Cglycosides. En nous appuyant sur l'utilisation séquentielle du groupe 1-sulfamoyloxymethyle comme "bras moléculaire activateur", nous sommes parvenus à fonctionnaliser toutes les positions d'une pipéridine monosubstituée. La synthèse totale de divers iminosucres originaux a permis d'illustrer l'intérêt de cette stratégie et ouvre ainsi l'accès à la découverte de nouveaux composés d'intérêt thérapeutique.

Ce manuscrit expose différents développements méthodolgiques et leurs applications pour la synthèse de composés à visée anticancéreuse.Le premier chapitre décrit les travaux ciblant l’obtention d’analogues du TMC-95A, produit naturel inhibiteur du protéasome dont l’activité antitumorale a été démontrée. La formation de ces analogues passe par la synthèse d’intermédiaires tryptophanes hautement oxydés fonctionnalisés en position 7. Une première stratégie mettant en jeu une réaction d’insertion C-H nous a permis d’obtenir des oxindoles fluorés avec de bons rendements. Cependant, les difficultés rencontrées lors des étapes de déprotection et de réduction nous ont amenés à revoir notre approche synthétique. Une hétéroannulation de Larock a ensuite été envisagée pour la synthèse de tryptophanes fonctionnalisés, sans plus de succès. En revanche, nous avons été capables de mettre au point une réaction de fluoration oxydante régio- et chimiosélective du noyau indolique du tryptophane incorporé dans des tripeptides linéaires. Ainsi, des précurseurs avancés d’analogues du TMC-95A ont pu être obtenus.Dans un deuxième chapitre, nous nous sommes intéressés à la réactivité d’aziridines bicycliques dérivées de sulfamates, obtenues par aziridination intramoléculaire catalysée au cuivre en présence de réactifs de l’iode hypervalent. Nous avons ainsi pu montrer qu’il était possible d’en réaliser l’ouverture à l’aide de nucléophiles carbonés. Puis, les sulfamates cycliques à 7 chaînons obtenus peuvent également réagir avec des nucléophiles carbonés pour conduire à des amines polysubstituées. Enfin, des études préliminaires nous ont permis d’évaluer ces aziridines bicycliques comme précurseurs de dipoles-1,3 et ont conduit à la formation de composés à haute valeur ajoutée.Enfin, le dernier chapitre de ce manuscrit décrit les résultats obtenus pour la synthèse totale de produits naturels. Grâce à la méthodologie développée précédemment, nous avons pu synthétiser la spisulosine ES-285, produit naturel issu des palourdes comestibles de l’océan atlantique nord et dont l’activité antitumorale a été démontrée. La voie de synthèse mise au point permet de moduler la nature des nucléophiles introduits, permettant donc un accès rapide à de nouveaux composés, potentiellement plus actifs. Un analogue fluoré original de la spisulosine a ainsi pu être obtenu. Cette méthodologie a également été mise en œuvre pour la synthèse de molécules plus complexes, comme la monanchorine, un alcaloïde à guanidine polycyclique d’origine marine. Un précurseur avancé a ainsi pu être obtenu, mais il n’a malheureusement pas été possible de conclure la synthèse. / This manuscript exposes several synthetics methods and their applications for the preparation of new anti-cancer compounds.The first part describes our efforts toward the obtention of new analogs of TMC-95A, natural proteasome inhibitor, which antitumoral activity has already been shown. The formation of these compounds requires the synthesis of highly oxidized tryptophane substituted in position 7. An initial strategy involving a C-H insertion allowed us to obtain fluoro oxindoles in good yields. However, the encountered difficulties for the reduction and deprotection steps prompted us to rethink our strategy. A Larock heteroannulation has been considered for the synthesis of functionalized tryptophanes and was, unfortunately, unsuccessful. Nevertheless, we have been able to develop a regio- and chemoselctive oxidative fluoration of the trypthophane indolic core incorporated in tripeptides. Therefore, advanced precursors of TMC-95A analogs have been obtained.In the second part, the reactivity of bicyclic aziridines derived from sulfamates has been studied. These aziridines were obtained by copper catalyzed intramolecular aziridination in the presence of hypervalent iodine reagent. We were then able to demonstrate the possibility to perform nucleophilic ring opening of these bicyclic aziridines with carbon nucleophiles. The obtained 7 membered ring sulfamates were also submitted to nucleophilic ring opening with carbon nucleophiles to give acces to polysubstituted amines. Finally, preliminary studies allowed us to test these bicyclic aziridines as dipole-1,3 precursors and have led to the the formation of high value compounds.Finally, the last chapter describes the results we obtained for the total synthesis of natural products. Thanks to the methodology developed above, we were able to synthesize the spisulosine ES-285, natural product extracted from the north Atlantic clams and known to display antitumoral activity. The synthetic path allows us to change the nature of the nucleophile and gives rapidly access to new compounds, potentially more active. A new fluoro analog of the spisulosine has been obtained. This methodology has also been applied for the total synthesis more complex molecules, such as monachorin, a marine polycyclic guanidine alcaloïd. An advanced precursor has been synthesized, but we unfortunately weren’t able to finish the synthesis.

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire. / This thesis describes the development of two methodologies involved in the biaryls synthesis. The first part is directed towards the use of a directing group or stabilizing group for the palladium catalyzed direct arylation. In all the examples found in the literature, the moiety bearing the directing group has the proton subject to abstraction in the ortho-position leaving the halide to the other coupling partner. We thought that by designing a compound having both a directing group and a halide, at the ortho position, the direct arylation of unactivated molecule species would be possible. This reaction is performed under air and without the use of any phosphine ligand providing a low cost and practical access to the pharmaceutically useful biaryl moieties containing a versatile ester functionality for further transformations. Owing to the ubiquity of C-H bonds in organic compounds, the possibility of directly introducing a new C-C bond (or other functionalities) via a direct C-H bond transformation is a highly attractive strategy in synthesis. Several rhodium, palladium, and ruthenium catalysts have proven to be highly effective in such direct coupling processes. Herein the first general and efficient iron-catalyzed direct arylation of iodo-aryls and iodo-hetereoaryl derivatives using a cost effective and environmentally benign catalyst is described. The reaction is performed under neat conditions and can even proceed at room temperature providing 22 examples of biaryls and heteroaryls construction with moderate to excellent yield. Mechanistic studies showed that the transformation was going through an aryl radical transfer pathway.

Cette thèse décrit le développement et la méthodologie pour la synthèse de 2-pyrazolo[1,5-a]pyridines à partir d’ylures de N-iminopyridinium et d’halogénures de styryle. Des dérivés de chaque ylure de N-iminopyridinium et d’halogénures de styryle ont été utilisés pour la synthèse de plusieurs composés avec un intérêt pharmaceutique. Le premier chapitre présente les précédents littéraires pour la synthèse de pyrazolopyridines. Spécifiquement trois types différents de synthèse seront présentés en détail. L’importance biologique de ces composés sera discutée. La vue d’ensemble des travaux développés dans notre groupe de recherche pour la synthèse des produits de départ sera présentée brièvement. Finalement, la science intéressante qui a apporté cette idée de recherche sera révélée. Le deuxième chapitre décrit les résultats des optimisations étudiées pour la synthèse des 2-phénylpyrazolo[1,5-a]pyridines à partir d’ylures de N-benzoyl-iminopyridinium et d’iodure de styryle. Chaque substrat de la réaction a été étudié individuellement afin d’être optimisé; les ratios, les solvants, la température du milieu réactionnel et le temps optimal de la réaction ont aussi été explorés. Le troisième chapitre présente l’étendue de la synthèse des pyrazolopyridines. L’étendue de la réaction inclut les dérivés des halogénures de styryle. L’étendue de la réaction a été élargie aux dérivés d’ylures de N-iminopyridinium et ils incluent des groupements donneurs d’électrons ainsi que des groupements pauvres en électrons. Des groupements exotiques d’iodure et de bromure de vinyle ont aussi été explorés. Le quatrième chapitre démontre les études mécanistiques que l’on a faites pour mieux comprendre les cycles catalytiques qui ont lieu durant la réaction. Des études de cyclisation avec les ylures de N-iminopyridinium ont été explorées pour les produits de départ suivants : iodure de styryle et phényl acetylène. / This thesis describes the development of a methodology for the one-pot synthesis of 2-pyrazolo[1,5-a]pyridines from N-iminopyridinium ylide and styryl-halide starting materials. Both N-iminopyridinium ylide derivatives and styryl-halide derivatives were employed for the synthesis of various pharmaceutically interesting pyrazolo[1,5-a]pyridines. The first chapter presents the literature precedents for the synthesis of pyrazolopyridines. More specifically, three different types of syntheses will be shown in detail. Furthermore, the biological importance of these compounds will be discussed. An overview of the developed methodologies previously carried out in our research group for the synthesis of the starting materials will be presented. Finally, the copper-catalyzed direct alkenylation of N-iminopyridinium ylides that brought about this research idea will be discussed. The second chapter describes the results of the optimization studies for the synthesis of 2-phenyl pyrazolo[1,5-a]pyridines from N-benzoyliminopyridinium ylides and styryl iodides. Each component of the reaction was individually screened and the loading ratios were optimized: e.g., solvent and temperature. The third chapter presents the scope of the pyrazolopyridine synthesis. The scope includes styryl iodide, –bromide and –chloride derivatives. The scope of the reaction was extended to N-iminopyridinium ylide derivatives and included electron donating and electron withdrawing groups. Substituted vinyl iodides and bromides were also investigated. The fourth chapter demonstrates the mechanistic studies conducted in order to obtain an accurate understanding of the catalytic cycles taking place during the reaction. Cyclization studies were explored for both styryl iodides and phenyl acetylene starting materials reacted with N-iminopyridinium ylides.

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire. / This thesis describes the development of two methodologies involved in the biaryls synthesis. The first part is directed towards the use of a directing group or stabilizing group for the palladium catalyzed direct arylation. In all the examples found in the literature, the moiety bearing the directing group has the proton subject to abstraction in the ortho-position leaving the halide to the other coupling partner. We thought that by designing a compound having both a directing group and a halide, at the ortho position, the direct arylation of unactivated molecule species would be possible. This reaction is performed under air and without the use of any phosphine ligand providing a low cost and practical access to the pharmaceutically useful biaryl moieties containing a versatile ester functionality for further transformations. Owing to the ubiquity of C-H bonds in organic compounds, the possibility of directly introducing a new C-C bond (or other functionalities) via a direct C-H bond transformation is a highly attractive strategy in synthesis. Several rhodium, palladium, and ruthenium catalysts have proven to be highly effective in such direct coupling processes. Herein the first general and efficient iron-catalyzed direct arylation of iodo-aryls and iodo-hetereoaryl derivatives using a cost effective and environmentally benign catalyst is described. The reaction is performed under neat conditions and can even proceed at room temperature providing 22 examples of biaryls and heteroaryls construction with moderate to excellent yield. Mechanistic studies showed that the transformation was going through an aryl radical transfer pathway.

Cette thèse décrit le développement et la méthodologie pour la synthèse de 2-pyrazolo[1,5-a]pyridines à partir d’ylures de N-iminopyridinium et d’halogénures de styryle. Des dérivés de chaque ylure de N-iminopyridinium et d’halogénures de styryle ont été utilisés pour la synthèse de plusieurs composés avec un intérêt pharmaceutique. Le premier chapitre présente les précédents littéraires pour la synthèse de pyrazolopyridines. Spécifiquement trois types différents de synthèse seront présentés en détail. L’importance biologique de ces composés sera discutée. La vue d’ensemble des travaux développés dans notre groupe de recherche pour la synthèse des produits de départ sera présentée brièvement. Finalement, la science intéressante qui a apporté cette idée de recherche sera révélée. Le deuxième chapitre décrit les résultats des optimisations étudiées pour la synthèse des 2-phénylpyrazolo[1,5-a]pyridines à partir d’ylures de N-benzoyl-iminopyridinium et d’iodure de styryle. Chaque substrat de la réaction a été étudié individuellement afin d’être optimisé; les ratios, les solvants, la température du milieu réactionnel et le temps optimal de la réaction ont aussi été explorés. Le troisième chapitre présente l’étendue de la synthèse des pyrazolopyridines. L’étendue de la réaction inclut les dérivés des halogénures de styryle. L’étendue de la réaction a été élargie aux dérivés d’ylures de N-iminopyridinium et ils incluent des groupements donneurs d’électrons ainsi que des groupements pauvres en électrons. Des groupements exotiques d’iodure et de bromure de vinyle ont aussi été explorés. Le quatrième chapitre démontre les études mécanistiques que l’on a faites pour mieux comprendre les cycles catalytiques qui ont lieu durant la réaction. Des études de cyclisation avec les ylures de N-iminopyridinium ont été explorées pour les produits de départ suivants : iodure de styryle et phényl acetylène. / This thesis describes the development of a methodology for the one-pot synthesis of 2-pyrazolo[1,5-a]pyridines from N-iminopyridinium ylide and styryl-halide starting materials. Both N-iminopyridinium ylide derivatives and styryl-halide derivatives were employed for the synthesis of various pharmaceutically interesting pyrazolo[1,5-a]pyridines. The first chapter presents the literature precedents for the synthesis of pyrazolopyridines. More specifically, three different types of syntheses will be shown in detail. Furthermore, the biological importance of these compounds will be discussed. An overview of the developed methodologies previously carried out in our research group for the synthesis of the starting materials will be presented. Finally, the copper-catalyzed direct alkenylation of N-iminopyridinium ylides that brought about this research idea will be discussed. The second chapter describes the results of the optimization studies for the synthesis of 2-phenyl pyrazolo[1,5-a]pyridines from N-benzoyliminopyridinium ylides and styryl iodides. Each component of the reaction was individually screened and the loading ratios were optimized: e.g., solvent and temperature. The third chapter presents the scope of the pyrazolopyridine synthesis. The scope includes styryl iodide, –bromide and –chloride derivatives. The scope of the reaction was extended to N-iminopyridinium ylide derivatives and included electron donating and electron withdrawing groups. Substituted vinyl iodides and bromides were also investigated. The fourth chapter demonstrates the mechanistic studies conducted in order to obtain an accurate understanding of the catalytic cycles taking place during the reaction. Cyclization studies were explored for both styryl iodides and phenyl acetylene starting materials reacted with N-iminopyridinium ylides.