Les vinylphosphonates fonctionnalisés représentent une classe importante de briques moléculaires utilisées en synthèse organique et suscitent un grand intérêt au niveau biologique. Ainsi, nous avons étudié différentes voies de synthèse pour accéder à ces composés. Il en ressort une méthode généralisable, faisant intervenir une réaction de substitution organocatalysée, à partir d’un substrat phosphoré original, et permettant d’obtenir de nombreux vinylphosphonates non décrits jusqu’ici. Par la suite, la synthèse de vinylphosphonates azahétérocycliques a été abordée en employant la réaction de métathèse cyclisante à partir de substrats adéquats, eux-mêmes obtenus par le biais de la méthodologie décrite précédemment.Nous avons enfin mis au point la première synthèse totale énantioselective de la molécule UPF 702 (vinylphosphonate cyclique comportant un motif acide aminé), connue pour ses propriétés biologiques notamment comme agoniste de récepteurs du glutamate et présentant ainsi un potentiel thérapeutique contre les maladies du système nerveux central. Deux voies de synthèses ont été imaginées, basées sur des réactions organocatalysées et de métathèse cyclisante. L’introduction de la chiralité a été réalisée via des réactions de désymétrisation ou de dédoublement enzymatiques et l’accès à l’amine par un réarrangement de Curtius. / Functionalized vinylphosphonates constitute an important class of building blocks used in organic synthesis and aroused great interest due to their various biological activities. Thus, we developed several synthetic methodologies to reach these compounds. The most general method entails an organocatalyzed substitution reaction using an original substrate, and allows the synthesis of numerous hitherto unknown vinylphosphonates.Then, the synthesis of azaheterocyclic vinylphosphonates was investigated using the ring closing metathesis from appropriate substrates which are obtained through the above methodology.Finally, we have set up the first enantioselective synthesis of UPF 702 (a cyclic vinylphosphonate including the amino acid moiety), known to exhibit agonist activity towards glutamate receptors, and thus potentially active against central nervous system diseases. Two synthetic approaches were devised, based on the organocatalyzed substitution followed by ring closing metathesis. The enantioselectivity was brought by enzymatic resolution or desymmetrisation, whereas the amino acid was prepared via a Curtius rearrangement.

Les acides biliaires sont des composés naturels existants dans le corps humain. Leur biocompatibilité, leur caractère amphiphile et la rigidité de leur noyau stéroïdien, ainsi que l’excellent contrôle de leurs modifications chimiques, en font de remarquables candidats pour la préparation de matériaux biodégradables pour le relargage de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Nous avons préparé une variété de polymères à base d’acides biliaires ayant de hautes masses molaires. Des monomères macrocycliques ont été synthétisés à partir de diènes composés de chaînes alkyles flexibles attachées à un noyau d'acide biliaire via des liens esters ou amides. Ces synthèses ont été réalisées par la fermeture de cycle par métathèse, utilisant le catalyseur de Grubbs de première génération. Les macrocycles obtenus ont ensuite été polymérisés par ouverture de cycle, entropiquement induite le catalyseur de Grubbs de seconde génération. Des copolymères ont également été préparés à partir de monolactones d'acide ricinoléique et de monomères cycliques de triester d’acide cholique via la même méthode. Les propriétés thermiques et mécaniques et la dégradabilité de ces polymères ont été étudiées. Elles peuvent être modulées en modifiant les différents groupes fonctionnels décorant l’acide biliaire et en ayant recours à la copolymérisation. La variation des caractéristiques physiques de ces polymères biocompatibles permet de moduler d’autres propriétés utiles, tel que l’effet de mémoire de forme qui est important pour des applications biomédicales. / Bile acids are natural compounds in the body. Their biocompatibility, facial amphiphilicity, rigidity of steroid nucleus, and ease of chemical modification make them excellent candidates as building blocks for making biodegradable materials used in drug delivery and tissue engineering applications. We have prepared main-chain bile acid-based polymers having high molecular weights. Macrocyclic monomers were synthesized from dienes, which consist of flexible alkyl chains attached to a bile acid core through either ester or amide linkages, via ring closing metathesis using first-generation Grubbs catalyst. They were polymerized using entropy-driven ring-opening metathesis polymerization using second-generation Grubbs catalyst. Copolymers were also prepared from monolactone of ricinoleic acid and cholic acid-based cyclic triester monomer via the same method. The thermal and mechanical properties and degradation behaviours of these polymers have been investigated. The properties can be tuned by varying the chemical linking with the bile acid moiety and by varying the chemical composition of the polymers such as copolymerization with ricinoleic acid lactones. The tunability of the physical properties of these biocompatible polymers gives access to a range of interesting attributes. For example, shape memory properties have been observed in some samples. This may prove useful in the design of materials for biomedical applications.

Chapter 1 gives background information on proteases and discusses the concept of protease inhibition as a therapeutic strategy for humans. It introduces the key concept that conformation defines biological activity. It also outlines how proteases almost universally bind their substrate/inhibitors in an extended β-strand conformation. The use of calpain as a prototype protease for the testing of β-strand mimics synthesised later in the thesis is also discussed. Chapter 2 describes how molecular modeling was used to rationalise the structure based activity relationships (SAR) of known calpain inhibitors. Molecular modeling was then used to successfully design a number of acyclic β-strand mimics. The synthesis and testing of eight such inhibitors is described. The most potent β-strand mimic prepared was 2.13. This was determined to have an IC₅₀ of 30 nM against calpain II. Chapter 3 outlines the history and application of ring closing metathesis (RCM) to the synthesis of cyclic compounds. The attempted synthesis of an eight membered cyclic nitrogen to nitrogen conformationally constrained dipeptide is described. The synthesis of a conformationally constrained β-amino acid calpain inhibitor (3.73) is also described. A novel calpain inhibitor motif was designed in Chapter 4. On the basis of this an in-silico combinatorial library of two hundred and eighty eight possible β-strand templates was prepared. Conformational analysis of this library was performed and from this a number of excellent β-strand templates were identified and selected for synthesis. The preparation of ten β-strand templates is described. New microwave irradiation methodology was developed to achieve this. vii The formation of a six-membered catalyst deactivating chelate is also proposed to explain why some dienes fail to undergo RCM. Two methods to circumvent the formation of such a chelate are outlined. The addition of Lewis acid chloro-dicyclohexyl borane to the RCM reaction mixture and chain length alteration are investigated. Chapter 5 describes the design of macrocyclic β-strand mimics using induced fit molecular modelling. The physicochemical properties of these were calculated in-silico. From this analysis a number of Tyr-XX-Gly based and Tyr-XX-Cys based macrocyclic calpain inhibitors were selected for synthesis. The preparation and testing of these are described. In the Tyr-XX-Gly macrocyclic system a number of variables were investigated and numerous SAR implications concluded. Aldehyde 5.14 was identified as the best electrophilic warhead macrocyclic calpain inhibitor with an IC₅₀ against calpain II of 27 nM. The best non-electrophilic warhead macrocycle (5.13) had an IC₅₀ against calpain II of 704 nM. Chapter 6 describes synthetic optimisation for the preparation of calpain inhibitors 2.13, 5.14 and 5.17. Multi-gram quantities of each were prepared. Aldehydes 2.13 and 5.14 were evaluated as anti-cataract agents using in-vivo cataract sheep model. Both of these β-strand mimics were demonstrated to retard cataract development. Macrocycle 5.14 was found to be the most effective, decreasing the rate of cataract development between forty four and forty nine per cent relative to control. Chapter 7 outlines the attempted development of RCM methodology for the chiral synthesis of α-α disubstituted amino acid lactams. In addition, methodology for the stereoselective incorporation of a C-N constrained β-amino acid carbocycle into a peptide or peptidomimetic is described.

Les réactions de macrocyclisation constituent un défi pour les chimistes de synthèse, car les sélectivités pour les réactions intramoléculaires par rapport à celles intermoléculaires sont difficiles à maximiser. Celles-ci sont donc effectuées dans des milieux dilués et sont souvent lentes. La chimie en flux continu a été utilisée pour améliorer les réactions présentées dans cette thèse, car elle permet un meilleur transfert de masse qui se traduit par un mélange et un chauffage plus efficace, donc des temps de réaction plus courts. À la suite d’introductions sur les macrocycles (Chapitre 1) et sur la métathèse d’alcènes (Chapitre 2), nos efforts pour améliorer l’étape de macrocyclisation par métathèse d’alcènes d’un musc découvert par l’industrie des fragrances sont décrits au chapitre 3. Alors que les conditions rapportées ne permettaient pas de réaliser cette réaction de façon reproductible sur une échelle de plus de 100 mg, il a été possible de l’effectuer sur une échelle d’un gramme grâce à l’emploi du catalyseur approprié. La réaction a été effectuée dans un montage traditionnel (ballon à fond rond) à température ambiante pour fournir 57% du macrocycle désiré après 5 jours. En comparaison, le montage en flux continu n’a nécessité que 5 minutes de temps de résidence à 150 °C pour fournir 32% de rendement. Le second projet présenté dans cette thèse porte sur la synthèse totale de la néomarchantine A (Chapitre 5) et est précédé d’une introduction sur les composés bisbibenzyliques (Chapitre 4). Cette synthèse a permis de démontrer l’avantage d’incorporer plusieurs étapes clés en flux continu. Différentes conditions ont été investiguées pour réaliser les deux étapes de couplage C-O en début de synthèse. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec le couplage de Chan-Evans-Lam dans un cas (34%) et la substitution nucléophile (SNAr) dans l’autre (71%), ce qui a permis de s’éloigner des conditions classiques de couplage d’Ullmann. La première macrocyclisation par métathèse d’alcènes pour la synthèse d’un composé bisbibenzylique est également rapportée. Les conditions en flux continu ont permis de réaliser la réaction en seulement 10 minutes de temps de résidence avec un rendement de 49%, ce qui est similaire au rendement obtenu dans un montage traditionnel, mais qui nécessite 17 heures de temps de réaction. Précédé d’une introduction sur la photochimie (Chapitre 6), le chapitre 7 décrit la conception et l’évaluation d’un réacteur en flux continu adapté à la macrocyclisation photochimique. Celui-ci est inspiré des réacteurs à agitation continue (CSTR), mais est aminci pour permettre une irradiation plus uniforme. Son efficacité a été démontrée par l’application de la réaction d’oxydation aérobique de thiols en disulfures. En plaçant plusieurs réacteurs en série, un rendement d’environ 47% a été obtenu peu importe l’échelle de la réaction, allant de 100 mg à 1 g. En comparaison, le montage traditionnel, le réacteur standard en flux continu (PFR) ainsi que le réacteur CSTR n’ont pas été en mesure de fournir plus de 20% du macrocycle désiré. L’étendue de la réaction a été démontrée en synthétisant différents macrocycles d’intérêt biologique ou structurel avec des rendements entre 33 % et 50 %. / Macrocyclization reactions pose a challenge for synthetic chemists because the selectivity for the intramolecular reaction over intermolecular is difficult to achieve. They are usually done in diluted medium and are often slow. Continuous flow chemistry has been used to improve the reactions developed in the present thesis by allowing better mass and energy transfer which results in more efficient mixing and heating, and thus shorter reaction times. Following introductions on macrocycles (Chapter 1) and olefin metathesis (Chapter 2), our efforts to improve the olefin metathesis macrocyclization step of a musk discovered by the fragrance industry are described in Chapter 3. While the reported conditions did not allow the reaction to be performed reproducibly on a scale greater than 100 mg, the use of the appropriate catalyst allowed us to perform the reaction on a gram scale. The reaction was carried out in batch at room temperature to provide 57% of the desired macrocycle after 5 days. In comparison, the continuous flow setup required only 5 minutes of residence time at 150 °C to provide 32% yield. The second project focuses on the total synthesis of neomarchantine A (Chapter 5) and is preceded by an introduction on bisbibenzyl compounds (Chapter 4). The goal of the synthesis was to show the advantage of integrating several key steps in continuous flow. Different conditions were investigated to carry out the two C-O bond forming steps early in the synthesis. The best results were obtained with Chan-Evans-Lam coupling in one case (34%) and a SNAr reaction in the other (71%), which allowed to deviate from the classical conditions of Ullmann coupling. The first macrocyclization by ring-closing metathesis for the synthesis of a bisbibenzyl is also reported. The continuous flow conditions produced a 49% yield of a key macrocycle, which is similar to the batch results but only required 10 minutes of residence time in flow instead of 17 hours of reaction time in batch. Preceded by an introduction on photochemistry (Chapter 6), Chapter 7 describes the design and evaluation of a continuous flow reactor suitable for photochemical macrocyclization. It is inspired by CSTR reactors but is “flattened” to allow a uniform irradiation. Its effectiveness has been demonstrated by the application of aerobic oxidation of thiols to disulfides. By placing reactors in series, a yield of 47% was obtained regardless of the scale, ranging from 100 mg to 1 g. In comparison, the batch setup as well as the CSTR and PFR reactors were not able to provide more than 20% of the desired macrocycle. The scope of the reaction was demonstrated by synthesizing different macrocycles of biological or structural interest in yields of 33-50%.

La synthèse énantiosélective de la (+)-ambruticine S, un produit naturel antifongique a été effectuée au sein de notre groupe. Trois approches ont été développées pour la synthèse du fragment lactone (cycle A). Ces trois voies d’accès au cycle A ont pour intermédiaire commun le methyl α-D-glycopyranoside déjà porteur du diol requis et disponible commercialement à bon prix. Une désoxygénation de l’hydroxyle en C-4 et l’homologation d’un carbone de la chaine latérale en C-6 ont permis l’obtention du cycle lactonique A. Le deuxième projet est une collaboration entre le groupe Hanessian et ISIS Pharmaceuticals afin de développer de nouveaux oligonucléosides antisens. Les nucléosides antisens [4.3.0]-bicycliques cis et trans ont été synthétisés avec succès à partir d’un monosaccharide naturel commun, L-arabinose, porteur des stéréocentres requis. Un réaction clé d’allylation de Sakurai a permis d’obtenir les diastéréoisomères cis et trans dans des conditions de contrôle de type Felkin-Ahn et de contrôle par chélation respectivement. Les composés bicycliques finaux cibles ont été obtenus par une réaction d’aldol intramoléculaire catalyzéé par la proline, par métathèse de fermeture de cycle et par l’application de la méthode de Vorbrüggen pour la synthèse de nucléosides. / An enantioselective synthesis of the antifungal natural product (+)-ambruticin S has been accomplished in our group. For the synthesis of a ring A lactone fragment, three approaches were developed. They all started from commercially available and inexpensive methyl α-D-glycopyranoside, which already possesses the required diol unit. A deletion of the hydroxyl group at C-4 and a one-carbon homologation of the C-6 side chain furnished the ring A lactone. The second project is an ongoing collaboration between the Hanessian group and ISIS pharmaceuticals to develop new antisense oligonucleosides. The cis- and trans-[4.3.0]bicyclic antisense nucleosides were successfully synthesized from a common natural monosaccharide, L-arabinose, which bears the required stereocenters. A key Sakurai allylation led to the cis- and trans diastereomers under Felkin-Ahn and chelation-controlled conditions respectively. The final bicyclic targets were achieved by a practical proline-catalyzed intramolecular aldol reaction and ring-closing metathesis (RCM) strategy, and application of the Vorbrüggen method for nucleoside synthesis.

La synthèse énantiosélective de la (+)-ambruticine S, un produit naturel antifongique a été effectuée au sein de notre groupe. Trois approches ont été développées pour la synthèse du fragment lactone (cycle A). Ces trois voies d’accès au cycle A ont pour intermédiaire commun le methyl α-D-glycopyranoside déjà porteur du diol requis et disponible commercialement à bon prix. Une désoxygénation de l’hydroxyle en C-4 et l’homologation d’un carbone de la chaine latérale en C-6 ont permis l’obtention du cycle lactonique A. Le deuxième projet est une collaboration entre le groupe Hanessian et ISIS Pharmaceuticals afin de développer de nouveaux oligonucléosides antisens. Les nucléosides antisens [4.3.0]-bicycliques cis et trans ont été synthétisés avec succès à partir d’un monosaccharide naturel commun, L-arabinose, porteur des stéréocentres requis. Un réaction clé d’allylation de Sakurai a permis d’obtenir les diastéréoisomères cis et trans dans des conditions de contrôle de type Felkin-Ahn et de contrôle par chélation respectivement. Les composés bicycliques finaux cibles ont été obtenus par une réaction d’aldol intramoléculaire catalyzéé par la proline, par métathèse de fermeture de cycle et par l’application de la méthode de Vorbrüggen pour la synthèse de nucléosides. / An enantioselective synthesis of the antifungal natural product (+)-ambruticin S has been accomplished in our group. For the synthesis of a ring A lactone fragment, three approaches were developed. They all started from commercially available and inexpensive methyl α-D-glycopyranoside, which already possesses the required diol unit. A deletion of the hydroxyl group at C-4 and a one-carbon homologation of the C-6 side chain furnished the ring A lactone. The second project is an ongoing collaboration between the Hanessian group and ISIS pharmaceuticals to develop new antisense oligonucleosides. The cis- and trans-[4.3.0]bicyclic antisense nucleosides were successfully synthesized from a common natural monosaccharide, L-arabinose, which bears the required stereocenters. A key Sakurai allylation led to the cis- and trans diastereomers under Felkin-Ahn and chelation-controlled conditions respectively. The final bicyclic targets were achieved by a practical proline-catalyzed intramolecular aldol reaction and ring-closing metathesis (RCM) strategy, and application of the Vorbrüggen method for nucleoside synthesis.

Préalablement, une synthèse de l’aliskiren, un inhibiteur de la rénine développé pour le traitement de l’hypertension, a été réalisée auprès du groupe Hanessian. Durant cette synthèse, une réaction clé de cyclisation par métathèse, menant à la formation de lactone à neuf membres, a été réalisée. Durant cette réaction, nous avons observé une différence de réactivité entre les diastéréomères, menant à la formation de monolactones et de dilactones, générant ainsi de l’intérêt pour l’étude des facteurs en cause. Le présent mémoire rapporte et détaille les résultats de cette analyse quant à la formation de monomères versus celle de dimères par cyclisation à l’aide de catalyseurs de Grubbs et l’impact de différentes conditions réactionnelles et la diastéréochimie relative sur la réaction. Un intérêt pour la formation de liens benzyliques nous a incité à approfondir notre compréhension d’une méthodologie de substitution nucléophile diastéréosélective catalysée par des acides. Le rationnel mit de l’avant par les groupes Bach et Olah a procuré une compréhension du mécanisme réactionnel sur lequel nous avons basé nos observations subséquentes. Nous avons porté notre attention sur l’alkylation d’arènes, de phénols et de sulfonamides. Diverses régiosélectivités et diastéréosélectivités ont pu être observées en présence de substrats dérivés de la synthèse de l’aliskiren, de nitroalcools ainsi que de azidoalcools en utilisant plusieurs acides de Lewis et de Brønsted. / Previously, a synthesis of aliskiren, a renin inhibitor developed for the treatment of hypertension, was developed in the Hanessian group. As part of that synthesis, they used a ring-closing metathesis which led to the formation of a nine-membered lactone, a key intermediate of the synthesis. During the reaction, we observed a difference in reactivity between the various diastereoisomers leading to the formation of mono- and dilactones, inciting us to study the various factors involved. The present master’s thesis reports and details the results of the study of monomers versus dimers formation by cyclization using Grubbs’s catalysts and the effect of various reaction conditions and relative configuration on the reaction. An interest for the formation of benzylic bonds drove us to deepen our comprehension of a methodology of diastereselective nucleophilic substitution catalysed by acids. The rational brought forth by the Bach and Olah groups served as a basis for our understanding of the mechanism involved upon which we based our following observations. We focused our attention on the alkylation of arenes, phenols and sulfonamides. Various regioselectivities and diastereoselectivities were observed on substrates derived from the aliskiren’s synthesis, nitroaocohols and azidoalcohols while using various Lewis and Brønsted acids.