Les oxétanes sont des cycles à quatre chaînons comportant un atome d’oxygène intracyclique. Le motif oxétane est présent dans la structure de nombreux produits naturels et dans un large panel de composés de synthèse pour la recherche pharmaceutique. Les thiétanes sont des cycles à quatre chaînons comportant un atome de soufre intracyclique. Le motif thiétane, est quant à lui moins répandu au sein de molécules bioactives et il n’existe à ce jour qu’un nombre restreint d’études le concernant. Ils sont tous deux prisés également comme intermédiaires de synthèse du fait de la grande réactivité intrinsèque liée à leur tension de cycle. Parmi les nombreux accès à ces hétérocycles à quatre chaînons, la réaction de cycloaddition [2+2] photochimique est une méthode de choix en termes d’efficacité et de compatibilité structurale.Dans cette thèse, nous nous sommes, dans un premier temps, intéressés à une approche photochimique pour la synthèse d’un β-acide aminé possédant un squelette oxétane. Son stéréoisomère (2R,3S) est un produit naturel appelé oxétine. Notre objectif était de mettre en place une synthèse rapide et efficace sur l’échelle du gramme des quatre stéréoisomères de l’oxétine. La construction du cycle oxétane a été réalisée très efficacement via une cycloaddition [2+2] photochimique de Paternò-Büchi entre le N-vinyl formamide et le glyoxylate de n-butyle, tous deux facilement disponibles.Après une modification stratégique des groupements fonctionnels, les précurseurs de l’oxétine et de son diastéréoisomère, l’epi-oxétine, ont pu être séparés. Chacun d’entre eux a été dédoublé via l’utilisation d’une oxazolidinone, donnant accès aux quatre stéréoisomères énantiopures ciblés. En parallèle, une méthode de séparation sur HPLC chirale a été établie sur les produits de cycloaddition de Paternò-Büchi afin d'obtenir un autre accès aux quatre composés désirés sur grande échelle.Nous avons étudié la réaction de Paternò-Büchi en flux continu. Après une optimisation des conditions opératoires sur une réaction modèle, l’étape clé pour la synthèse de l’oxetine a été étudiée en détails. L’efficacité de ces réactions de Paternò-Büchi s’est avérée similaire et des temps de réaction plus rapides ont été obtenus par rapport à celles réalisées en batch.Dans la seconde partie de cette thèse, l’objectif initial était de réaliser la synthèse de l’analogue soufré de l’oxétine, la thia-oxétine, par une réaction de thia-Paternò-Büchi photochimique. Mais, les insurmontables difficultés rencontrées pour préparer et utiliser les thia-glyoxylates, ont redirigé notre objectif vers des transformations photochimiques impliquant des alcènes et des diaryle thiocétones. De façon intéressante, dans le cas de la réaction entre l’acrylonitrile et la thiobenzophénone, le diphényle thiétane ciblé s’est avéré être en mélange avec son analogue tétraphényle thiolane. Les conditions opératoires ont été mises au point afin de préparer sélectivement le photoadduit à quatre ou à cinq chaînons. Cette nouvelle réaction photochimique entre l’acrylonitrile et divers diaryle thiocétones, nous a permis d’obtenir un panel de tétraaryle thiolanes.Nous avons démontré expérimentalement que le diaryle thiétane était un intermédiaire dans la formation du tétraayle thiolane. La réaction photochimique entre des diaryle thiétanes et des diaryle thiocétones a été étudiée permettant l’accès à une petite librairie de tétraaryle thiolanes non-symétriques de manière complétement régiosélective et avec de bons rendements.Des études mécanistiques ont été menées dans le but de mieux comprendre cette nouvelle synthèse photochimique de thiolanes et un mécanisme potentiel pour l'accès aux composés tétraayle thiolanes est discuté. / Oxetanes are four-membered ring compounds which incorporate one oxygen atom in the ring. Oxetane rings are present in natural products and in a large panel of synthetic compounds used in drug discovery. Thietanes are four-membered ring compounds which incorporate one sulphur atom in the ring. They are less widespread in bioactive molecules and are less well studied. Both oxetanes and thietanes are high-value intermediates in organic synthesis due to their inherent ring strain. Among the different approaches known for the synthesis of these four-membered ring heterocycles, photochemical [2+2] cycloaddition strategies are among the most important in term of efficiency and functional group compatibility.In this thesis, we first focused on a photochemical approach for the synthesis of a β-amino acid containing an oxetane ring. The (2R,3S) stereoisomer of this structure is a natural product called oxetin. Our objective was to establish an efficient and expedient synthesis of the all four stereoisomers of oxetin on gram scale. The oxetane ring was built very efficiently via a photochemical [2+2] cycloaddition Paternò-Büchi reaction between commercially available N-vinyl formamide and readily available n-butyl glyoxylate.Following strategic functional group transformations, functionalized derivatives of oxetin and its diastereoisomer, epi-oxetin, were separated. Each of these racemates was resolved using a chiral oxazolidinone to provide access to all four target stereoisomers in enantiomerically pure form. In parallel, a chiral HPLC separation protocol was established on Paternò-Büchi cycloaddition products to establish an alternative access to the target compounds in large scale.We investigated the Paternò-Büchi reaction in continuous flow conditions. After optimization of the experimental procedure on a model reaction, the key step for the synthesis of oxetin was studied in detail. The efficiency of these Paternò-Büchi reactions was similar to processes conducted in batch, while the time of the reactions was reduced.In the second part of the thesis, the initial objective was to develop a thia-Paternò-Büchi photochemical synthesis of the sulphur analogue of oxetin, called thia-oxetin. However, the insuperable difficulties encountered in preparing and using thia-glyoxylates redirected our focus to related photochemical reactions between alkenes and diaryl thioketones. Very interestingly, in the model reaction of acrylonitrile with thiobenzophenone, we discovered that, in addition to the anticipated diphenyl thietane, an unexpected tetraphenyl thiolane was also formed. Conditions were established to allow the selective formation of either the thietane or the thiolane photoproduct. This unprecedented photochemical reaction between acrylonitrile and a selection of other diaryl ketones allowed us to prepare a panel of tetraarylated thiolanes.We established that the initially-formed diaryl thietane was an intermediate in the formation of the tetraaryl thiolane. The photochemical reaction between a diaryl thietane and a diaryl thioketone was therefore employed to prepare a small library of non-symmetrical tetraaryl thiolanes in a fully regioselective manner and in high yields.Mechanistic investigations were carried out in an effort to better understand this previously unknown photochemical formation of the thiolanes, and possible mechanisms for the tetraaryl thiolanes formation are discussed.

Mon projet de recherche de doctorat traite de la synthèse de nouveaux bêta-amino acides à conformation restreinte comme briques de construction d’analogues du Neuropeptide Y en vue de tests d’affinité de ces dérivés avec ses différents récepteurs Y. Ce projet est réalisé en collaboration avec l’équipe du Professeur Reiser (Universität Regensburg, Allemagne) qui a obtenu des résultats encourageants en introduisant l’acide cis 2 aminocyclobutanecarboxylique (ACBC) dans des analogues du NPY. Dans le but de compléter ces tests d’affinité, nous avons proposé d’incorporer l’ACBC de configuration trans, dont la synthèse a été développée au laboratoire, ainsi que des dérivés de l’ACBC substitués sur leurs carbones périphériques.La littérature ne présentant que 2 exemples de formation de dérivés d’ACBC substitués sur les carbones périphériques, nous avons développé une nouvelle méthodologie de synthèse pour accéder à ces types de composés. Nous avons décidé, dans un premier temps, de nous concentrer sur les dérivés hydroxyméthylés (HM) de l’ACBC.La formation de cyclobutanes par voie photochimique étant une des spécialités du laboratoire, elle a été privilégiée dans les voies de synthèses envisagées. La réaction de l’anhydride maléique avec différents alcools insaturés par photocycloaddition [2 + 2] conduit à des composés bicycliques ayant une jonction de cycle cis et une configuration endo ou exo pour le substituant. Nous avons alors montré que l’utilisation de l’alcool propargylique conduisait à une lactone de configuration tout-cis, après réduction du cyclobutène dont les 3 fonctions portées par le cyclobutane sont différenciées. A partir de l’alcool allylique, cette fois, le dérivé de configuration exo est obtenu de façon majoritaire.A partir de la lactone, le dérivé endo-cis-4-HM-ACBC a pu être obtenu en 4 étapes par aménagements fonctionnels alors que nous n’avons pas été à même d’accéder aux endo cis 3 HM ACBC. Le dérivé de configuration exo, quant à lui, a conduit aux 2 régioisomères d’exo-cis-HM-ACBC plus facilement par une voie de synthèse convergente. Ces dérivés de configuration exo ont ensuite été dédoublés, dans un cas par l’utilisation d’une copule chirale, et dans l’autre cas par HPLC préparative au moyen d’une colonne chirale.Ces bêta-amino acides devant être introduits par les collaborateurs allemands dans des analogues du NPY sous forme de dipeptides, nous avons, dans un premier temps, réalisé la synthèse de 2 dipeptides incluant le trans-ACBC. Nous avons ensuite réalisé la synthèse de dipeptides incluant les exo-cis-HM-ACBC dont il a fallu adapter notre jeu de groupements protecteurs à la synthèse peptidique en phase solide. / My doctoral research is devoted to the synthesis of new conformationally constrained beta-amino acids as building blocks for the construction of Neuropeptide Y analogues for affinity tests with different Y receptors.This project was conducted in collaboration with Professor Reiser (Universität Regensburg, Germany) who obtained encouraging results by introducing cis-2-aminocyclobutanecarboxylic acid (ACBC) into NPY analogues. In order to complete these affinity tests, we proposed to introduce ACBC with a trans configuration; the synthesis of this substance was developed in our laboratory, together with peripherally substituted ACBCs.Only two examples of peripherally substituted ACBC have been reported to date, so we developed a new synthetic methodology to access this type of compound. To this end, we focused on hydroxymethylated (HM) ACBC derivatives.Cyclobutane formation using photochemistry is a speciality of the host laboratory and was the favored synthetic approach. Reaction between maleic anhydride and unsaturated alcohols by a [2 + 2] photocycloaddition leads to bicyclic compounds with a cis ring junction and an endo or exo configuration of the substituent.We showed that the use of propargylic alcohol led to a lactone with an all-cis configuration after cyclobutene reduction, with 3 differentiated functions on the cyclobutane. From allylic alcohol, the compound with an exo configuration was predominantly obtained.From the lactone, endo-cis-4-HM-ACBC derivatives were obtained in 4 steps by functional group transformations although we were unable to access endo-cis-3-HM-ACBC. The compound with an exo configuration led to the 2 regioisomers of exo-cis-HM-ACBC by an easier convergent synthetic pathway. These racemic compounds with an exo configuration were then resolved by use of a chiral oxazolidin-2-one auxiliary or by preparative HPLC on a chiral column.The beta-amino acids needed to be introduced into the target NPY analogues by the German collaborators as dipeptides. We firstly prepared the two dipeptides comprising trans-ACBC. We thereafter prepared dipeptides comprising exo-cis-HM-ACBC in which protecting groups had been adapted to solid phase peptide synthesis.

Plusieurs molécules d’intérêt astrochimique appartenant à la famille du cyanoacétylène ont été caractérisées spectroscopiquement. Des études photochimiques ont également été menées sur ces molécules. La technique d’isolation en matrice cryogénique de gaz rare a été utilisée pour la préparation de la plupart des échantillons. Des molécules étudiées étaient : CH₃C₃N (et certains de ses isomères), CH₃C₅N, HC₅N – toutes disponibles via une synthèse organique, ainsi que celles obtenues comme produits de réactions photochimiques, principalement en matrice de Kr : HC₉N, à partir de C₄H₂ + HC₅N, et de C₁₀N₂, à partir soit de C₄H₂ + HC₅N soit de HC₅N + HC₅N. La méthode a pu être étendue à la synthèse de composés méthylés avec la formation de CH₃C₅N à partir de CH₃C₂H + HC₃N et de CH₃C₇N à partir de CH₃C₂H + HC₅N. De plus, les expériences photochimiques sur les matrices contenant HC₅N ont conduit à la détection de HC₇N et de l'anion C₅N⁻. Un mécanisme général décrivant les processus d'élongation des chaînes a été formulé. Les similarités ou différences présentes dans les règles de sélection, les écarts vibroniques, les énergies des transitions électroniques et les durées de vie de phosphorescence ont été examinées pour les séries homologues HC₂n+₁N, NC₂nN et CH₃C₂n+₁N. / Several astrochemically interesting molecules of the cyanoacetylene family have been characterized spectroscopically. Photochemical studies involving these molecules have also been performed. The cryogenic rare-gas matrix isolation technique was employed for the preparation of most of the samples. The tudied molecules were: CH₃C₃N (and some of its isomers), CH₃C₅N, HC₅N – all available via preparative organic chemical synthesis, as well as those that appeared as the products of photochemical reactions run mostly in solid Kr: HC₉N, starting from C₄H₂ + HC₅N, and C₁₀N₂, starting from either C₄H₂ + HC₅N or HC₅N + HC₅N. The method was further extended to the synthesis of methylated compounds with formation of CH₃C₅N from CH₃C₂H + HC₃N, and CH₃C₇N from CH₃C₂H + HC₅N. In addition, photochemical experiments using HC₅N containing matrices led to the detection of HC₇N and of the C₅N⁻ anion. A general scheme describing the chain elongation processes was formulated. Similarities or differences in selection rules, vibronic spacings, electronic transition energies, and phosphorescence decay times were examined for the homologous series HC₂n+₁N, NC₂nN and CH₃C₂n+₁N.

Les recherches présentées dans ce manuscrit s’articulent autour de deux parties distinctes. La première partie concerne une étude mécanistique de la réaction de décomposition de l’acide formique (AF) photocatalysé par le Tetra-n-ButylAmmonium DecaTungstate (TBADT) et explore la réactivité de ce photocatalyseur envers l’AF. La deuxième partie de ces travaux se focalise sur l’étude de la réactivité radicalaire d’anions phosphorés et de leurs analogues chalcogénés. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à exploiter la réactivité de phosphures-borane et des anions d’oxydes de phosphine pour la formation de liaisons C-P par photo-induction dans le visible. Dans un second temps, nous avons exploré la réactivité radicalaire et ionique des phosphures-borane chalcogénés, par une étude de leur structure et de leur réactivité. Ces propriétés ont été mises en application dans le cadre de réactions de photo-polymérisation radicalaire et de réduction de composés électrophiles. / This dissertation is organized in two distinct parts. The first one is a mechanistic investigation of the photocatalyzed reaction of decomposition of formic acid (AF) under mild conditions using Tetra-n-ButylAmmonium DecaTungstate (TBADT). The second part of this work revolve around the use and study of the radical reactivity of phosphorous anions and their chalcogenated analogues. Firstly, we used the radical reactivity of phosphido-borane and phosphine oxide anions for the formation of C-P bonds. In a last part, we explored the radical and ionic reactivity of chalcogenated phosphido-borane, by studying their structure and reactivity. These properties has been applied to radical photo-polymerization reactions and for the reduction of electrophiles.

<p><b>Part I: Design of a Photolabile Backbone Amide Linker for the Synthesis of C-terminally Modified Peptides</b></p> <p>A new photolabile backbone amide linker has been developed for the on-resin synthesis of cyclic and C-terminally modified peptides. The linker (Hcnb) is stable to strongly acidic conditions and instead releases the completed peptide through photolytic cleavage at 365 nm. Hcnb possesses four degrees of orthogonality and is amenable to the preparation of cyclic peptides, C-terminally modified peptides, and fully protected peptides due to its photolabile backbone amide linkage. The Hcnb precursor can be conveniently synthesized in 4 steps from commercially available 4-methyl-3,5-dinitrobenzoic acid. The C-terminal amino acid residue is loaded via reductive amination of the precursor followed by an O→N transacylation for the addition of the second residue in quantitative yields, even when employing sterically bulky residues. Standard Fmoc- or Boc-based synthesis can then be utilized to complete the desired peptide. Hcnb has been used to demonstrate the linear synthesis and subsequent on-resin cyclization of various cyclic peptides of interest, as well as synthesis of C-terminal thioesters on-resin. </p> <p><b>Part II: Development of II-HMG CoA Reductase Inhibitors for use as Gram-Positive Selective Antimicrobials. </b></p> <p>Bacterial resistance to antibiotic drugs is an issue that humans have faced since the first use of sulfa drugs in the 1930s. In recent years, the rate of production of new antimicrobial drugs has diminished, as they are no longer financially beneficial to pharmaceutical companies due to short term use and rapid resistance development. This places the burden of the development of new antimicrobial drug on the academic research field. In the work presented here, progress has been made toward the development of a novel class of antimicrobial compounds. These small molecule inhibitors target II-HMG CoA Reductase, a key enzyme involved in cell wall synthesis in gram-positive bacteria. Based on analysis of co-crystal structures obtained from first- and second- generation inhibitors, structural alterations were made to design a new generation of compounds. Efforts have also been made toward identification of a potential secondary target of these inhibitors. </p>

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Title: Implementation of ion imaging technique in experiments with free molecules, clusters and nanoparticles Author: Jaroslav Kočišek Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: Mgr. Michal Fárník, PhD., DSc., Ústav fyzikální chemie J. Hey- rovského, AV ČR, v.v.i. Abstract: The experimental work is focused on implementation of novel tech- niques to study clusters and nanoparticles in molecular beams. A new exper- imental system was tested, which combines the technique of velocity map ion imaging with pulsed molecular beam source. The same method and new mass spectrometer were implemented on the apparatus with molecular beam of size selected clusters. The new methods were used to study environmental effects on photo and electron induced chemistry. The most important results concerns on influence of expansion conditions on the structure of formed neutral clusters of HBr and C2H2. Results of experiments with HNO3 and CF2Cl2 molecules are then crucial for understanding heterogeneous processes in the Stratosphere. Keywords: ion imaging, mass spectrometry, molecular beams, photochemistry, nanoparticles

The development of sustainable and practical technologies is essential for the continuation of civilization. Two problems that are particularly imperative for society to resolve are 1) water insecurity and 2) antimicrobial resistance. Water insecurity may be alleviated with desalination technologies, however, desalination is prone to a membrane fouling that hinders its practicality for low-resource contexts. The two primary types of membrane fouling are scaling -- mineral precipitation and deposition upon the membrane -- and biofouling -- microbial colonization of the polymeric filtration membrane. The treatment of biofouling with antibiotics is intertwined with the antimicrobial resistance (AMR) crisis, where AMR infections are projected to exceed cancer in annual deaths by the mid-21st century. The AMR crisis may be mitigated through photodynamic inactivation (PDI), which uses reactive oxygen species (ROSs) to non-selectively oxidize and kill pathogens sufficiently fast to avoid adaptive mechanisms that result in AMR. The innumerable possible combinations of control and experimental variables in studies of membrane fouling and PDI are unlikely to be completely explored experimentally, where resource limitations restrain experimentation. This Thesis, therefore, developed models and Python application programming interfaces (APIs) that can 1) explore continuums of parameter values and 2) predict the efficacy of desalination or PDI systems. These open-source Python modules may expedite the development of practical technologies that resolve water insecurity and stymie antibiotic resistant epidemics, thereby improving the likelihood of a long-lived civilization far into the future. / Graduate / 2023-04-05

Cinnamic acids and their derivatives are building blocks for cyclobutanes in many natural products. In nature, dimerization of these derivatives is thought to occur through a [2+2] photocycloaddition. Experimentally, efficient dimerization of these substrates using UV irradiation has predominantly been achieved in the solid state and is thought to be a result of stringent requirements for distance and orientation of the participating olefins. In the following pages a new strategy is presented which achieves [2+2] dimerization of these substrates in solution through the use of a bis-thiourea catalyst that induces proximity via hydrogen bonding while exploiting novel flow technology. Using these platforms, we demonstrate the ability to perform the [2+2] photocycloaddition on a variety of electron rich and poor cinnamates to yield two major truxinic ester products in good yields and regioselectivity. The methodology is also readily scalable to a decagram scale and has enabled access to large quantities of a variety of truxinic ester products. Using a liquid-liquid slug flow strategy greatly accelerated reactivity by nearly four-fold in most cases and has allowed for an expansion of the substrate scope to include historically unreactive substrates such as cinnamamide dimers. This rate increase is attributed to improved mixing and an organic thin film known to occur within these systems. More recently, this flow methodology has been further developed to enable access to various heterodimers similar to those found in various bioactive natural products in a simple and efficient manner by using a cinnamic acid monomer in combination with an excess of cinnamic ester or amide monomer. The heterodimer can be easily separated from the homodimers and unreacted ester or amide monomers through an acid-base workup. Finally, to demonstrate the utility of these methodologies for biological exploration, a small library of truxinic amides was synthesized and underwent biological testing in breast cancer cell lines. Single dose inhibition data showed promising anti-cancer activity. Lastly, this methodology has also been applied to the synthesis of two interesting bioactive natural products, eucommicin A and piperarborenine D in an efficient modular fashion in both cases. These syntheses open the doors to future SAR studies which have yet to be performed on these and most truxinic and truxillic acid derived natural products. / 2020-02-15T00:00:00Z

L'objectif de cette thèse est la mise en place et l'étude d'un transfert d'énergie électronique réversible (REET), à la suite d’une excitation lumineuse, entre des sous-composants moléculaires au sein d’architectures nanométriques de type rotaxane. Dans un système bichromophorique, lorsque les états excités du chromophore les plus bas sont quasi-isoénergétiques et que la cinétique du transfert interchromophore est rapide, le REET peut être instillé en modifiant les propriétés de l'état excité. Des dérivés du pyrène et du tris(bipyridine)ruthénium(II) ont été choisis comme chromophores appariés. La formation de rotaxane a été catalysée par du cuivre (réactions de Huisgen et Cadiot-Chodkiewicz) au sein d’un macrocycle doté de pyrène, couplant des demi-fils moléculaires comprenant des groupements terminaux volumineux - dont Ru(bpy)32+. Des durées de vie de luminescence prolongée (jusqu'à 14 μs), comparées au parent Ru(bpy)32+, indiquent que des processus de transfert d'énergie électroniques réversibles ont été établis dans une série de rotaxanes de structure variable, sont étudiés par spectroscopies stationnaire et résolue dans le temps. / The focus of this thesis is the establishment and study of reversible electronic energy transfer (REET), following light excitation, between molecular subcomponents within ring-on-thread rotaxane nanometric architectures. When the lowest-lying chromophore excited states are quasi-isoenergetic and kinetics of interchromophore transfer are rapid, REET can be instilled - changing excited-state properties. Pyrene and ruthenium(II) tris(bipyridine) derivatives were chosen as matched chromophores. Rotaxane formation was based on active template copper catalysis (Huisgen and Cadiot-Chodkiewicz reactions) within a pyrene-decorated macrocycle, coupling half threads comprising bulky stopper groups - one of which being Ru(bpy)32+. Prolonged luminescence lifetimes (up to 14 μs), compared to parent Ru(bpy)32+, indicated that reversible electronic energy transfer processes were instilled in a series of rotaxanes of varying structure, which were studied by state-state and time-resolved spectroscopies.