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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thesis advisor: Amir H. Hoveyda / Abstract Chapter 1: Development of Efficient and Kinetically E-Selective Cross-Metathesis to Generate Alkenyl Halides We have devised a broadly applicable strategy to achieve kinetically E-selective cross-metathesis to generate a valuable set of E-alkenyl chlorides and fluorides in high efficiency. The synthetic utility was demonstrated through several concise syntheses of E-alkenyl chloride and fluoride precursors to biologically active molecules. The design principles delineated in this study are expected to initiate a wider range of efficient and kinetically controlled E-selective olefin metathesis processes where there is a diminished preference for the E isomer such as macrocyclic ring-closing metathesis. Chapter 2: Development of Efficient and Kinetically E-Selective Macrocyclic Ring-Closing Metathesis We devised a strategy to achieve high E selectivity in ring-closing metathesis to afford E-macrocyclic alkenes of various ring sizes regardless of the associated thermodynamic preferences. The key findings revealed that E-alkenylB(pin), widely recognized for its broad use in catalytic cross-coupling chemistry, possesses the appropriate steric and electronic attributes to serve as a suitable cross-partner in ring-closing metathesis with Mo alkylidenes. Synthetic utility was demonstrated through ring-closing metathesis at a late stage of a multi-step route. The investigation described herein offers a practical solution to a compelling problem in olefin metathesis, further elevating the utility of this widely used transformation. Chapter 3: Stereoselective Synthesis of E- and Z-Trisubstituted Alkenes by Combining Stereoretentive Catalytic Cross-Metathesis and Catalytic Cross-Coupling We introduced a general solution to a longstanding and compelling problem in olefin metathesis: a broadly applicable strategy for the reliable and efficient synthesis of acyclic E- and Z-trisubstituted alkenyl halides. Complications resulted from the formation of an unstable methylidene species or less reactive disubstituted alkylidene complexes can be addressed by utilizing a stereo-defined E- or Z-trisubstituted alkene and a 1,2-disubstituted olefin as substrates. By merging two central catalytic transformations in organic synthesis, cross-coupling and CM, various E- or Z-trisubstituted alkenyl chloride and bromides were readily accessed by the same catalytic system without the need for directing groups. The synthetic utility of the present protocol was demonstrated through several concise and efficient synthesis of biologically active natural products/synthetic precursors. Notably, the E- or Z-trisubstituted alkenyl halides prepared by CM may be readily converted to other trisubstituted olefins with complete retention of stereochemical purity by means of a second cross-coupling reaction. Based on the new findings, we revisited previously unaddressed problems and establish that readily available isoprenoid alkenes can serve as a suitable surrogate for unhindered terminal alkenes in CM. Chapter 4: In situ Protection/Deprotection for Catalytic Olefin Metathesis in the Presence of Polar Protic Functional Groups We demonstrated that protic groups such as alcohols and carboxylic acids that are problematic with high-oxidation-state alkylidenes could be effectively masked in situ prior to CM reactions by an appropriate borane reagent. The commercial sample of alkenes that are usually contaminated with protic impurities could be ‘purified’ in situ by a sub-stoichiometric amount of pinacolborane. Deprotection of the in situ boron-based protecting group proceeded under mild conditions and could be performed in the same vessel. The one-pot protection/cross-metathesis/deprotection of alcohol and carboxylic acid-containing alkenes described herein is likely to have an impact on the diversity of organic molecules that can be prepared in a laboratory setting. / Thesis (PhD) — Boston College, 2018. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Chemistry.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du programme PentoRaf, dans la thématique « Transformation par voie chimique d'agromolécules en produits bioactifs ». Le travail de ce projet porte sur la synthèse de nouveaux azépanes tétrahydroxylés comportant un bras anomérique fonctionnel et sur l'évaluation des propriétés inhibitrices sur des glycosidases. La séquence réactionnelle a la particularité de valoriser les co produits issus du son et de la paille de blé.Dans une première partie, l'accès à un synthon polyfonctionnel, développé à partir des travaux précédents, a été réalisé avec des groupements protecteurs pivaloylés et méthoxyméthylés sur les hydroxyles communs aux sucres de départ (D-xylose et L-arabinose).La deuxième partie de ce travail consiste d'abord à introduire les différents groupements électroattracteurs : CO2Et, CN, PO(OEt)2, (CO2Et)PO(OEt)2 via une réaction de Wittig-Horner-Emmons. Les problèmes rencontrés lors de l'addition de l'allylamine ont clôturé les travaux sur la préparation d'azépanes avec un substituant phosphonate. Seuls les azépanes insaturés, comportant les fonctions : ester et nitrile, sont isolés.Une stratégie visant à obtenir les différentes distributions des hydroxyles (cis et trans) sur l'insaturation des azépanes obtenus est établie, dans une troisième partie, sur les composés fonctionnalisés avec un ester. Une réaction de déprotection finale donne ainsi accès à une famille de diastéréoisomères d'azépanes comportant un bras anomérique avec une fonction acide carboxylique, dont un composé a montré une activité biologique intéressante. Cette stratégie a été reproduite sur les azépanes comportant un nitrile jusqu'aux tétrahydroxyazépanes cis protégés. / This thesis is part of the PentoRaf program, in the theme “Chemical Transformation of agromolecules into bioactive products”. The aim of this project is the synthesis of new tetrahydroxylated azepanes containing a functional anomeric arm and the evaluation of their inhibitive properties on glycosidases. The reactive sequence advantageously values the co-products obtained from wheat bran and wheat straw.In the first part, the access to a polyfunctional synthon, developed from previous research, is carried out by protecting the common hydroxyl groups of the starting sugars (D-xylose and L-arabinose) with pivaloyl and methoxymethyl groups.The second part of this work is to introduce the various electroattracting groups: CO2Et, CN, PO(OEt)2, (CO2Et)PO(OEt)2 via a Wittig-Horner-Emmons reaction. The problems encountered during the addition of the allylamine ended our approach to prepare azepanes with a phosphonate substituent. Only the unsaturated azepanes containing ester and nitrile functions are isolated.A strategy is developed in the third part in order to achieve a specific distribution (cis and trans) of the hydroxyl groups on the unsaturation of the resulting azepanes by functionalizing these compounds with an ester. A final deprotection reaction leads to a family of azepane diastereoisomers containing an anomeric arm with a carboxylic acid function, among which one compound showed an interesting biological activity. This strategy was applied to azepanes containing a nitrile and lead to cis-protected tetrahydroxyazepanes.

In this thesis, carbohydrate mimicry is investigated through the syntheses of carbohydrate analogues and evaluation of their inhibitory effects on carbohydrate-processing enzymes. Galactofuranosides are interesting structures because they are common motifs in pathogenic microorganisms but not found in mammals. M.tuberculosis, responsible for the disease tuberculosis, has a cell wall containing a repeating unit of alternating (1→5)- and (1→6)-linked β-D-galactofuranosyl residues. Synthetic inhibitors of the enzymes involved in the biosynthesis of the cell wall could find great therapeutic use. The first part of this thesis describes the first synthesis of the hydrolytically stable carbasugar analogue of galactofuranose, 4a-carba-β-D-Galf, and the synthetic work of synthesising β-linked pseudodisaccharides containing carba-Galf, which were tested for glycosyltransferease inhibitory activity. The pseudodisaccharide carba-Galf-(β1→5)-carba-Galf was found to be a moderate inhibitor of the glycosyltransferase GlfT2 of M.tuberculosis. The thesis also describes how a general method towards biologically relevant α-linked carba-Galf ethers was developed. The final part of this thesis is focussed on the formation of nitrogen-linked monosaccharides without the participation of the anomeric centre. Such a mode of coupling is called tail-to-tail neodisaccharide formation. The couplings of carbohydrate derivatives via the Mitsunobu reaction are successfully reported herein. The method describes the key introduction of an allylic alcohol in the electrophile and the subsequent functionalisation of the alkene to obtain the neodisaccharide. Two synthesised neodisaccharides presented in this thesis have been sent to be tested for glycosidase inhibitory activity. / At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Manuscript. Paper 4: Manuscript. Paper 5: Manuscript. Paper 6: Manuscript.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne la synthèse et une évaluation biologique de 10 nouveaux iminosucres. Les iminosucres sont une classe importante d'inhibiteurs de glycosidases (enzymes catalysant l'hydrolyse d'oligosaccharides), et l'activité inhibitrice de nos produits a été évaluée vis-à-vis d'un panel de 7 glycosidases différentes.Notre laboratoire a récemment décrit la préparation de cétonitrones cycliques polyalcoxylées à partir de cétoses tels que le D-fructose ou le L-sorbose (des sucres naturels abondants). Nous avons imaginé utiliser ces cétonitrones comme intermédiaires clés pour la synthèse de nouveaux iminosucres de structure originale, comportant un centre quaternaire en alpha de leur atome d'azote. Une partie de ce travail de thèse a consisté à améliorer la synthèse de ces cétonitrones, puis à trouver des conditions de C-vinylation diastéréosélective afin d'accéder sélectivement et efficacement à quatre pipéridines diastéréoisomères après réduction de la fonction N-hydroxylamine formée. La N-allylation de ces dernières a permis l'accès à des bis-alcénylpipéridines qui ont pu être aisément transformées en N-propylpipéridines,alpha-gem-disubstituées tétrahydroxylées après hydrogénation (des deux chaînes insaturées) et débenzylation.Les bis-alcénylpipéridines ont également été employées pour une réaction de métathèse cyclisante qui conduit au squelette indolizidine avec une double liaison en C1-C2. L'hydrogénation ou la dihydroxylation de cette double liaison, suivie par une étape de débenzylation a permis la synthèse d'indolizidines polyhydroxylées (tétra- et hexahydroxylées) inédites, substituées en jonction de cycle (position 8a). Un des composés synthétisés (une indolizidine) s'est révélé être un inhibiteur puissant et sélectif d'-glucosidases avec une concentration inhibitrice médiane de 52 nM (sur alpha-glucosidase de riz) et un mode d'inhibition peu répandu dans cette famille de molécules (inhibition non compétitive mixte). / This manuscript describes the synthesis and bioevaluation of 10 new iminosugars. Iminosugars are an important class of compounds, which can inhibit the activity of glycosidases (enzymes which catalyze oligosaccharide hydrolysis). The inhibitory activity of our products was assessed towards a panel of 7 glycosidases.Our laboratory has recently succeeded in the preparation of polyalkoxylated cyclic ketonitrones from ketoses such as D-fructose or L-sorbose (abundant natural sugars). Herein, we envisaged their utilization as precursors of new, structurally original iminosugars, bearing a quaternary center in of their nitrogen atom. We firstly improved the synthesis of these ketonitrones, and then we optimized conditions for their diastereoselective C-vinylation, in order to access selectively and efficiently four diastereoisomeric piperidines after reduction of the formed N-hydroxylamine function. The N-allylation of these piperidines gave access to the corresponding bis-alkenylpiperidines, which were readily transformed into ,alpha-gem-disubstituted tetrahydroxylated N-propylpiperidines after hydrogenation (of both unsaturated chains) and debenzylation.The bis-alkenylpiperidines were also engaged in a ring closing metathesis reaction, providing the indolizidine skeleton with a double bond in C1-C2. Hydrogenation or dihydroxylation of the latter, followed by a debenzylation step, produced original polyhydroxylated indolizidines (tetra- and hexahydroxylated), which are substituted at their ring junction (8a position). One of the synthesized compounds (an indolizidine) was found to be a highly potent and selective inhibitor of -glucosidases with a median inhibitory concentration of 52 nM (rice alpha-glucosidase) and an uncommon mode of inhibition for this class of molecules (mixed non-competitive inhibition).

De nouveaux liquides ioniques (LIs) contenant un cation phosphonium ou un cation ammonium couplé à un anion dérivé d’acides biosourcés (L-lactate, L-tartrate, malonate, succinate, L-malate, pyruvate, D-glucuronate, D-galacturonate, férulate, p-coumarate) ont été préparés suivant une réaction acido-basique simple et quantitative. Une nouvelle famille de liquides ioniques dendritiques (LIDs) a également été préparée à partir des dendrimères commerciaux (PPI et PAMAM). Les composés synthétisés ont tous été caractérisés par les méthodes usuelles d’analyses (RMN multinoyaux, SM, AE, IR) mais également par des techniques propres aux liquides ioniques (DSC, ATG, viscosité …).Ces solvants ont montré une efficacité avec la possibilité de recyclage du système catalytique [LI+ « Pd »] dans des réactions d’hydrogénations d’alcènes, de polyènes et de cétones α,β-insaturées dans des conditions douces de température et de pression. Ainsi, l’utilisation de ces LIPhs (liquides ioniques à base de phosphonium) permet d’obtenir d’excellents résultats notamment dans le cas de couplage pallado-catalysé de Heck sur 5 cycles sans perte de la réactivité.Les LIDs quant à eux ont été utilisés pour la récupération de quelques métaux lourds sous forme de cations (Cu2+, Ni2+, Pb2+, Cd2+, Ag+) dans des solutions aqueuses. Quelle que soit la nature du LI utilisé (hydrophile ou hydrophobe), d’excellents taux d’extraction sont obtenus sans modification du pH initial. / New biomass derived ionic liquids (ILs) containing phosphonium or ammonium cations with natural organic derived anions (L-lactate, L-tartrate, malonate, succinate, L-malate, pyruvate, D-glucuronate, D-galacturonate, férulate, p-coumarate) were easily prepared with good yields. Other dendritic ionic liquids (DILs) were also obtained from commercial PPI or PAMAM dendrimers. These DILs are containing NTf2 or BF4 anions. The characterization of all ILs was realized through classical NMR, IR, MS and elemental analysis techniques; their viscosity and ATG parameters were also determined.These new solvents proved good performance and recyclability for the selective Pd-catalyzed hydrogenation of alkenes, polyenes and also for the enantioselective hydrogenation of α,β-unsaturated ketones under mild temperature and hydrogen pressure conditions. Furthermore, they showed excellent performances (reaction yields and recycling) for the Heck coupling reaction.Finally, the hydrophilic and hydrophobic DILs were used for removal of metallic ions (Cu2+, Ni2+, Pb2+, Cd2+, Ag+) present in contaminated water and the results of the study proved their excellent catching behaviour.

Dans le cadre de la formation sélective d'oligomères cycliques à partir du cyclo-octène, des matériaux hybrides organiques-inorganiques mésostructurés bien-définis contenant les unités Ru-NHC dissymétriques le long des canaux poreux de leur matrice de silice ont été développés et caractérisés à un niveau moléculaire. Tous les systèmes obtenus ont montré des fortes activités et sélectivités en oligomères cycliques (dimères : 50% et trimères : 25%) en RO-RCM du cyclo-octène, contrairement aux complexes homogènes Ru-NHC analogues symétriques (G-II et GH-II), qui conduisent préférentiellement à la formation de polymères. La variation de la longueur et de la flexibilité des bras espaceurs, dans le cas des catalyseurs hétérogènes, a prouvé que les bras courts et flexibles stabilisent grandement les sites actifs Ru-NHC pendant la réaction de métathèse et ce, grâce à la présence d'interactions entre les sites Ru-NHC catalytiquement actifs et la surface silicique. La présence de telles interactions a été mise en évidence par RMN du phosphore 31 à l'état solide. Des études supplémentaires concernant les performances catalytiques de complexes organométalliques Ru-NHC dissymétriques (analogues aux sites Ru-NHC contenus dans les catalyseurs hétérogènes) et Ru-NHC symétriques (G-II et Nolan) ont clairement montré que le facteur clé influençant la sélectivité en oligomères cycliques est la dissymétrie des ligands NHC. Cette dissymétrie génère la présence de deux sites actifs de configurations différentes au sein même des espèces Ru-NHC. Un des sites favorise la réaction intramoléculaire de fermeture de cycle par métathèse alors que l'autre site permet la réaction intermoléculaire d'ouverture de cycle conduisant ainsi à la formation des oligomères cycliques de petite taille / In the context of the selective formation of cyclic oligomers from cyclooctene, well-defined hybrid organic-inorganic mesoporous materials containing unsymmetrical Ru-NHC units along the pore channel of their silica matrix have been developed and characterized at a molecular level. All systems displayed high activity and selectivity towards the formation of lower cyclic oligomers in the RO-RCM of cyclooctene yielding mainly the dimer and the trimer with 50% and 25% selectivity, respectively, in contrast to classical symmetrical homogeneous analogues (G-II and GH-II), which yield mainly to polymers. Variation of length and flexibility of the tethers showed that flexible short tethers were critical for high stability of the catalysts during metathesis, which is consistent with the stabilization of Ru-NHC active sites by surface functionalities; this surface interaction was further corroborated by the absence of a PCy3 ligand coordinated to Ru when short flexible linkers are used. Further investigations using homogeneous symmetrical (G-II and Nolan) and unsymmetrical (analogues to heterogeneous catalysts) Ru-NHC catalysts clearly showed that the key factor influencing the selectivity towards low cyclic oligomers is the unsymmetrical nature of NHC ligands, which creates dual site configuration in the catalyst architecture thus alternatively favouring one reaction over another, Ring Opening (ROM) vs. Ring Closing (RCM) Metathesis (propagation vs. backbiting), thus leading to the selective tandem RO RCM of cyclooctene. Finally, we have also investigated Grubbs Hoveyda-II (GH-II) type catalysts immobilized on silica support through adsorption, which showed the same product selectivity as that of the well-defined Ru-NHC materials. This result implies that the adsorbed symmetrical GH-II catalyst “becomes unsymmetrical upon adsorption”. Adsorbing unsymmetrical molecular GH II catalysts did not however improve the performances of these types of catalysts. Overall, the unique property of unsymmetrical NHC Ru catalyst, whether supported or not, opens new perspectives in the selective synthesis of macrocycles from other cyclic alkenes via metathesis

Ce travail de thèse présente la mise au point d’une nouvelle stratégie de synthèse en vue de l’obtention d’analogues des strigolactones, apocaroténoïdes possédant de multiples activités biologiques d’intérêt agronomique : médiateurs chimiques intervenant dans la mise en place de la symbiose endomycorhizienne et nouvelle classe d’hormone végétale contrôlant l’architecture de la plante.La stratégie de synthèse est basée sur l’utilisation d’une séquence de deux réactions clefs qui sont une métathèse cyclisante d’oléfine (RCM) et une cyclisation radicalaire avec transfert d’atome catalysée par un métal de transition (ATRC). Tout d’abord, une synthèse rapide et efficace des précurseurs a été développée et après optimisation de la séquence RCM / ATRC, divers analogues fonctionnalisés en position C4 ont été obtenus après aménagements fonctionnels. D’autres bioisostères des strigolactones naturelles ont été synthétisés par variation au niveau du cycle C. En se basant sur la voie synthétique précédemment élaborée, la première synthèse asymétrique du Solanacol a été effectuée permettant la détermination de sa stéréochimie relative en C2’ et sa configuration absolue. L’évaluation des activités biologiques dans les différents modèles des composés synthétisés est aussi décrite. / This Ph.D. work has been centred on the elaboration of a new synthetic strategy in goal to obtain analogues of natural strigolactones, apocarotenoids with various biological activities of agronomic interests: chemical mediators implicated in the endomycorrhizal symbiosis and a new class of plant hormone controlling the plant architecture.The synthetic strategy is based on the sequence of two key reactions, which are ring closing metathesis (RCM) and atom transfer radical cyclisation (ATRC). First, a rapid and efficient access to the synthetic precursors has been developed and after optimisation of the RCM / ATRC sequence, several analogues functionnalised at the C4 position were obtained after judicious steps. Other bioisoters were obtained with variations on the C ring. On the basis of the elaborated synthetic pathway, the first asymmetric synthesis of Solanacol was successfully achieved conducting to the determination of the relative stereochemistry at C2’ position and its absolute configuration. The biological evaluations of the synthesized molecules in the different models were also described.