A new synthetic method toward 5-substituted isoxazolidines by [3 plus 2] cycloaddition of nitrones generated from nitrosobenzene and styrene was discovered. The formation of nitrones from nitrosobenzene and mono-substituted aromatic styrenes was demonstrated. The cycloaddition reactions between styrenes and nitrosobenzenes work well when a moderate excess of styrenes was employed. The labeling studies support that cleavage of the styrene double bond occurred and accounted for all the carbons in the starting materials and products. A [3 plus 2] dipolar cycloaddition is implicated by the available mechanistic data and allows for the rapid assembly of various substituted isoxazolidines directly from nitrosobenzenes, electron deficient alkenes, and styrene.

The development and optimisation of conditions for oxidative Wacker-type cyclisations followed by establishing the reaction scope are reported. Building upon the achievements in the field of oxidative Wacker-type reactions that has recently gathered interest, hydroxylamines and hydrazines were converted to isoxazolidines and pyrazolidines respectively. Secondary hydroxylamines cyclised yielding syn-isoxazolidines with excellent diastereoselectivities, whereas secondary hydrazines cyclised yielding anti-pyrazolidines but still maintained a high level of diastereoselectivity. Additionally, an enantioselective variant was explored. Isoxazolidines were successfully transformed to the corresponding 1,3-amino alcohols, which were further converted to amino sugar derivatives.

Kainic acid has been used for nearly 50 years as a tool in neuroscience due to its pronounced neuroexcitatory properties. However, the significant price increase of kainic acid resulting from the disruption in the supply from its natural source, the alga Digenea Simplex, as well as inefficient synthesis of kainic acid, call for the exploration of functional mimics of kainic acid that can be synthesized in a simpler way. Aza kainoids analog could be one of them. The unsubstituted aza analog of kainoids has demonstrates its ability as an ionotropic glutamate receptor agonist and showed affinity in the chloride dependent glutamate (GluCl) binding site. This opened a question of the importance of the presence of one nitrogen or both nitrogens in the aza kainoid analogs for binding to glutamate receptors. Therefore, two different pyrrolidine analogs of kainic acid, trans-4-(carboxymethyl)pyrrolidine-3-carboxylic acid and trans-2-carboxy-3-pyrrolidineacetic acid, were synthesized through multi-step sequences. The lack of the affinity of both pyrrolidine analogs in GluCl binding site indicated that both nitrogens in aza kainoid analogs are involved in hydrogen bonding with receptors, significantly enhancing their affinity in GluCl binding site. Another potential functional mimic of kainic acid is isoxazolidine analogs of kainoids whose skeleton can be constituted directly via a 1, 3 dipolar cycloaddition as the key step. The difficulty in synthesizing N-unsubstituted isoxazolidines when applying such common protecting groups as alkyl, phenyl and benzyl groups, and the requirement of a desired enantioselectivity due to the three chiral ceneters in kainic acid, pose great challenges. Hence, several different protected nitrones were studied to establish that diphenylmethine nitrone may be a good candidate as the dipole in that the generated isoxazolidines can be deprotected in mild conditions with high yields. Our investigations also indicated that the exo/endo selectivity of the 1, 3 dipolar cycloaddition can be controlled by Lewis acids, and that the application of a directing group in dipolarophiles can accomplish a satisfied enantioselectivity. Those results demonstrated the synthesis of isoxazoldines analogs of kainic acid is very promising.

Les peptides aldéhydes sont connus comme inhibiteurs de protéases et précurseurs de différentes classes de composés biologiquement actifs. Les méthodes pour leur synthèse impliquent classiquement la transformation d'un précurseur (amide de Weinreb, ester, alcool, acétal) en aldéhyde en étape finale pour éviter l'épimérisation du stéréocentre en position α de l'aldéhyde. En revanche, les β-peptides aldéhydes, plus stables à l’épimérisation, ont été relativement peu explorés. Ils sont généralement obtenus par homologation de l'acide aminé correspondant malgré les faibles rendements, les problèmes d’épimérisation et de nombreuses étapes. Par conséquent, un nouvel accès synthétique aux β-peptides aldéhydes reste toujours un challenge difficile. Sur la base des travaux antérieurs dans notre équipe en hétérocycloaddition diastéréosélective [4+2] et [3+2], nous avons développé au cours de ce doctorat de nouvelles stratégies pour l'accès asymétrique à ces dérivés de β-aminoacides par deux voies complémentaires :1) Une voie utilisant les hétérocycles à six chaînons de type 6-ATO (6-alcoxytétrahydrooxazinone) qui ont été préparés par une réaction d’hétérocycloaddition hautement stéréosélective avec de bons rendements et ed. Ces cycloadduits ont été transformés par transacétalisation vers les aminoacétals intermédiaires «mixtes» ou «symétriques». Ces nouveaux acétals sont des intermédiaires parfaits pour la N-élongation par couplage peptidique, conduisant finalement aux aldéhydes peptidiques β3-C-terminaux monosubstitués. 2) Sur une autre approche, les hétérocycles à cinq chaînons 5-AISO (3,3'-disubstitué 5-alcoxy-isoxazolidines) ont été obtenus par cycloaddition dipolaire-1,3 entre des cétonitrones esters et des éthers vinyliques. Ces composés ont été utilisés avec succès en tant que précurseurs d'aminoaldéhydes β3-disubstitués après l’étape de transprotection de l'atome d'azote, suivie par la copure de la liaison N-O. L’extension asymétrique de l'étape de cycloaddition a été étudiée par des voies énantiosélective et diastéréosélective, ouvrant ainsi l'entrée vers les peptides aldéhydiques β3-disubstitués-C-terminaux énantioenrichis. / Peptide aldehydes are known as protease inhibitors and precursors for many biologically active compounds. Methods for their synthesis involve classically the transformation of a precursor (Weinreb amide, ester, alcohol, acetal) into an aldehyde as one of the final steps to prevent epimerization of the carbon α to the aldehyde. By contrast, β-peptide aldehydes, more stable to epimerization, have been relatively unexplored. They are usually obtained by homologation of the corresponding amino acid despite low yielding steps, an epimerization problem and low number of accessible amino acids. Therefore, new synthetic access to β-peptide aldehydes is still a challenging problem. On the basis of previous work in our team concerning [4+2] and [3+2] diastereoselective cycloadditions, we have developed during this PhD thesis new strategies for the asymmetric access of β-amino acid derivatives by two complementary ways :1) Original six-membered heterocycles 6-ATO (6-alkoxy-tetrahydrooxazinone ) were prepared by a highly stereoselective heterocycloaddition reaction with good yields and de. These cycloadducts were transformed via transacetalisation into both «mixed» and «symmetrical» aminoacetals. Moreover, these new acetals are ideal intermediates for further peptide coupling, leading ultimately to monosubstituted β3-C-terminal peptide aldehydes. 2) By another approach five-membered heterocycles 5-AISO (3,3’-disubstituted 5-alkoxy-isoxazolidines) were obtained via 1,3-dipolar cycloaddition between α-keto ester nitrones and vinyl ether. These compounds were successfully used as precursors of disubstituted β-amino aldehydes after transprotection of the nitrogen atom and N-O cleavage of the isoxazolidine ring. Asymmetric extension of the cycloaddition step was studied by enantioselective and diastereoselective pathways, thus opening unprecedented entry to enantioenriched disubstituted β3,β3-C-terminal peptide aldehydes.

Lors de ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés au développement de deux voies différentes de cycloaddition dipolaire-1,3 (CD-1,3) asymétrique pour accéder à des acides aminés disubstitués polyfonctionnels nouveaux de façon stéréochimiquement contrôlée.Dans la première partie, nous avons réalisé l’étude de la cycloaddition dipolaire-1,3 diastéréosélective entre différentes nitrones fonctionnelles et différents éthers vinyliques chiraux. La CD-1,3 de la cétonitrone aspartique et de l’éther vinylique du (R) ou (S) stéricol s'opère avec un double contrôle diastéréochimique élevé. Ce contrôle est possible en raison de la stabilité de la nitrone sous une forme (E) qui favorise l’approche exo, facialement contrôlée par le dipolarophile. La N-déprotection chimiosélective de l'adduit fournit une isoxazolidine sous une forme diastéréo- et énantiomériquement pure qui peut être transformée en dérivé d’acide aminé après N-acylation et coupure de la liaison N-O selon un processus dismutatif.Dans la deuxième partie, nous avons réalisé une étude approfondie de la cycloaddition dipolaire-1,3 organocatalysée entre différentes cétonitrones dérivées d’acides aminés vis-à-vis de dipolarophiles pauvres en électrons de type énal ou ynal. Avec le (E)-crotonalldéhyde, de hautes diastéréo- et énantiosélectivités sont obtenues en présence du catalyseur de MacMillan. Cette réaction organocatalysée a été étendue à une variété de d'α-carboxy cétonitrones différemment substituées, ainsi qu'à différents énals β-substitués par un groupement alkyle moyennant une modification de la nature du co-acide. En revanche, les ynals ne montrent aucune réactivité vis à vis des cétonitrones en conditions organocatalytiques. Notre étude a été complétée par l’accès des dérivés d’amino-acides polyhydroxylés par ouverture des adduits obtenus par la voie énantiosélective en utilisant les énals comme dipolarophiles. Cette étude préliminaire permet d’envisager d’accéder à des analogues de la myriocine. / During this thesis, we were interested to develop two different ways of 1,3 dipolar cycloaddition to reach enantiopure disubstituted polyfunctionnal amino acids.We have described in a first part the diastereoselective 1,3-dipolar cycloaddition between an aspartic nitrone and chiral vinyl ethers. The aspartic ketonitrone and vinyl ether of (R) or (S) stericol led to high diastreocontrols. This control is due to the stability of the nitrone under (E) geometry which favors the exo approach, facially controlled by the dipolarophile. The chemoselective N-deprotection of this adduct leads to a diastereo- and enantiomerically pure isoxazolidine which affords the target DAA after N-acylation and N-O ring opening by a dismutative pathway. In a second part, we describe the synthesis of isoxazolidines obtained by organocatalytic enantioselective 1,3-dipolar cycloaddition between an alanine-derived nitrone and an enal or an ynal as the dipolarophile. With enals β-substituted by alkyl groups, good diastereoselectivities and ees were obtained in the presence of the MacMillan catalyst. These organocatalyzed conditions can be applied to a range of carboxy ketonitrones, and to different enals, provided an appropriate choice of the co-acid. Ynals show no reactivity under these organocatalytic conditions, although they lead regioselectively to polyfunctional quaternary isoxazolines under thermal conditions.Our study was achieved by the access of polyhydroxylated amino acids derived from opening adducts obtained by the enantioselective route using enals as dipolarophiles. This study allows to envisage the enantioselective synthesis of analogs of myriocin.

Les peptides aldéhydes sont connus comme inhibiteurs de protéases et précurseurs de différentes classes de composés biologiquement actifs. Les méthodes pour leur synthèse impliquent classiquement la transformation d'un précurseur (amide de Weinreb, ester, alcool, acétal) en aldéhyde en étape finale pour éviter l'épimérisation du stéréocentre en position α de l'aldéhyde. En revanche, les β-peptides aldéhydes, plus stables à l'épimérisation, ont été relativement peu explorés. Ils sont généralement obtenus par homologation de l'acide aminé correspondant malgré les faibles rendements, les problèmes d'épimérisation et de nombreuses étapes. Par conséquent, un nouvel accès synthétique aux β-peptides aldéhydes reste toujours un challenge difficile. Sur la base des travaux antérieurs dans notre équipe en hétérocycloaddition diastéréosélective [4+2] et [3+2], nous avons développé au cours de ce doctorat de nouvelles stratégies pour l'accès asymétrique à ces dérivés de β-aminoacides par deux voies complémentaires :1) Une voie utilisant les hétérocycles à six chaînons de type 6-ATO (6-alcoxytétrahydrooxazinone) qui ont été préparés par une réaction d'hétérocycloaddition hautement stéréosélective avec de bons rendements et ed. Ces cycloadduits ont été transformés par transacétalisation vers les aminoacétals intermédiaires "mixtes" ou "symétriques". Ces nouveaux acétals sont des intermédiaires parfaits pour la N-élongation par couplage peptidique, conduisant finalement aux aldéhydes peptidiques β3-C-terminaux monosubstitués. 2) Sur une autre approche, les hétérocycles à cinq chaînons 5-AISO (3,3'-disubstitué 5-alcoxy-isoxazolidines) ont été obtenus par cycloaddition dipolaire-1,3 entre des cétonitrones esters et des éthers vinyliques. Ces composés ont été utilisés avec succès en tant que précurseurs d'aminoaldéhydes β3-disubstitués après l'étape de transprotection de l'atome d'azote, suivie par la copure de la liaison N-O. L'extension asymétrique de l'étape de cycloaddition a été étudiée par des voies énantiosélective et diastéréosélective, ouvrant ainsi l'entrée vers les peptides aldéhydiques β3-disubstitués-C-terminaux énantioenrichis.

Lors de ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à de nouveaux développements méthodologiques en cycloaddition 1,3-dipolaire de nitrones suivant deux axes principaux :<br />• l'étude de la réactivité des N-alcényloxazolidin-2-ones en tant que nouveaux dipolarophiles aza-substitués en cycloaddition 1,3-dipolaire à demande inverse vis-à-vis de nitrones.<br />• la mise en jeu de nitrones aspartiques originales en cycloaddition vis-à-vis de différents alcènes pour fournir des précurseurs d'aspartates α-substitués par une chaîne fonctionnelle.<br />Dans un premier temps, nous avons mis au point deux méthodes inspirées de celles de la littérature en partant d'une oxazolidin-2-ones pour synthétiser les N-alcényloxazolidin-2-ones: (i) vinylation cupro-catalysée utilisant un bromure d'alcényle, (ii) condensation avec un aldéhyde. Ces méthodes simples, générales, directes et à hauts rendements nous ont permis d'accéder aux N-alcényloxazolidin-2-ones de structure diverse.<br />Ces N-alcényloxazolidin-2-ones ont montré une grande réactivité en tant que dipolarophile vis-à-vis de diverses nitrones dans différentes conditions : thermiques (avec/sans solvant) et promues par TMSOTf. Les 5-aza-isoxazolidines diversement substituées originales ont été obtenues avec des rendements élevés mais de faibles stéréosélectivités. Cette limitation − due à l'instabilité configurationnelle des nitrones activées et à la flexibilité conformationnelle des N-alcényloxazolidin-2-ones − a été résolue par utilisation de la nitrone chirale à géométrie fixe de Tamura : les adduits trans-β sont obtenus avec d'excellents sélectivités<br />La tranformation des adduits issus de la N-benzyl-α-carbonyloxyéthylnitrone en dérivés aspartates carboxy-différenciés a été ensuite étudiée par une séquence en deux étapes (i) ouverture du cycle isoxazolidinique en aspartimide via N-quaternarisation par benzylation (ii) attaque chimiosélective d'un hétéronucléophile sur la fonction amide. Les aspartates carboxy-différenciés ont été obtenus avec de bons rendements, des excès énantiomériques élevés en version non-racémique, et un grand degré de diversité fontionnelle en ω (ester, amide, acide).<br />L'étude a été étendu à la cycloaddition 1,3-dipolaire des N-vinyloxazolidin-2-ones β,β-difluorées originales avec la N-benzyl-α-carbonyloxyéthylnitrone : les 4,4-difluoro-5-aza-isoxazolidines sont obtenues avec de bons rendements malgré une faible stéréosélectivité probablement due à un mécanisme non-concerté.<br />Notre étude a été complétée par l'accès à des dérivés d'α-aminoacides α,α-disubstitués via cycloaddition 1,3-dipolaire mettant en jeu de nouvelles nitrones aspartiques d'une stablilité configurationnelle inédite. Ce type de nitrones − préparé facilement par addition d'une N-benzylhydroxylamine sur un acétylènedicarboxylate – a montré une grande réactivité vis-à-vis d'une large gamme d'alcènes de différents natures électroniques. Les adduits issus des éthers vinyliques ont été obtenus avec de hauts sélectivités trans. L'extension asymétrique utilisant soit un éther vinylique chiral , soit une nitrone chirale a été effectuée et a permis l'obtention facile des adduits diastéréomériquement enrichis. A partie de ces adduits, un premier accès réussi aux dérivés aminoacides α,α-disubstitués a été réalisé en trois étapes. La diversification de cette méthodologie a été effectuée en utilisant une nitrone aspartique carboxy-différenciée.