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

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Après avoir exposé les enjeux de ce travail en présentant dans le chapitre 1 les produits naturels possédant le motif tétrahydroisoquinoléinique, leurs intérêts pharmacologiques et leur unique voie d'accès via la réaction de Pictet Spengler, nous avons présenté la synthèse énantiosélective de tétrahydroisoquinoléine 1,3-disubstituées et différentes tentatives d'obtention des motifs pentacycliques de différents alcaloïdes d'intérêt biologique. La synthèse énantiosélective de tétrahydroisoquinoléines 1,3-disubstituées a été effectuée en 6 étapes utilisant deux étapes clés. Une alkylation catalysée par transfert de phase permet de créer un centre asymétrique et une cyclisation pallado-catalysée permet d'accéder au motif tétrahydroisoquinoléinique. Dans la suite, les différentes voies d'accès testées permettant d'accéder au motif pentacyclique n'ont pas été couronnées de succès. Dans un second temps ont été exposées les différentes sources de composés possédant un motif spirocétalique, leurs propriétés électroniques et conformationnelles. Les différentes voies de synthèse de spirocétals ont été présentées. Les différentes voies de synthèse d'a-hétérofuranes ont été introduites en se concentrant sur les dérivés soufrés, azotés et oxygénés. L'utilisation des a­ alcoxyfuranes en réaction de cycloaddition a ensuite été présentée ainsi que l'utilisation des adduits. Enfin la réaction de RRM a été étudiée en se focalisant sur les réactifs à forte tension de cycle. Différentes voies de synthèse des a-alcoxyfuranes ont été exposées. Une voie d'accès générale a été développée par réaction d'addition/élimination sur le 2,5-diméthoxy-2,5-dihydro-2-furanoate de méthyle. La séquence cycloaddition [4+2] ou [4+3]1 RRM a été ensuite présentée permettant d'accéder aux spirocétals (5,6) et (6,6). L'application de cette méthodologie à la synthèse des aculéatines et des aculéatols, est étudiée. / Alkaloids from the family of the tetrahydroisoquinolins exhibit powerful antitumor and antibiotic activities. For 25 years, numerous laboratories led their efforts to synthesize these functionalized polycyclic molecules. Usually the strategy used to prepare these is based on a Pictet-Spengler reaction allowing the first ring system of the tetrahydroisoquinoline moiety to be installed. The main drawback of this reaction is the need of an electron rich aromatic ring to attack the iminium intermediate. The main purpose of this thesis is the synthesis of compounds of this family of natural substances without the limited step to access to new analogs. The total synthesis of the Jorumycine is based on a key step of a ring closing metathesis, a reaction developed by R. Grubbs, R. Shrock and Y. Chauvin who obtained the Nobel prize of Chemistry in 2005. This reaction has been successfully done on a corresponding substrate in the laboratory but the next steps involving a ring contraction and a transannular cyclization seemed to be problematic. This strategy includes an enantioselective synthesis of 1,3-disubstitued tetrahydroisoquinoline that have been done for the first time to our knowledge. In the same time, we tried to synthesize the tetracyclic structure of the Lemonomycine through a nitroso Diels-Alder strategy. This molecule has already been prepared in other groups but the methods didn’t allowed the scale up nor the synthesis of analogs. The strategy was focused on the synthesis of a dihydropinoisoquinolinone moiety that has never yet been prepared via a ring closing metathesis reaction. Spiroketal compounds are widely present in nature as pheromones of insects, steroids of the family of the saponins and in a lot of natural products isolated from marine organisms. A lot of natural substances are bearing the spiroketalic moiety in the non-anomeric configuration meaning that at least one oxygen atom is in the axial conformation despite the stabilization by anomeric effect. To our knowledge, there are only two published strategies to prepare contrathermodynamic non-anomeric spiroketals but these methods are neither general nor rationalized. The Ring Rearrangement Metathesis reaction allows access to these structures from alpha-alkoxyfuran derivatives. Although the alpha-alkoxyfuran derivatives are relatively simple structures, there are no efficient and general synthetic methods to prepare them. We developed a simple access that will be presented along with their use in a [4+2] cycloaddition/RRM sequence.

Les alcaloïdes sont, en général, une famille de composés hétérocycliquesd'origine végétale qui intègrent des atomes d'azote dans leur structure complexe.Leur intérêt réside dans les activités biologiques intéressantes qu'ils présentent, etpour cette raison, ils sont largement utilisés par l'industrie pharmaceutique. Enparticulier, les anneaux de pyrrolidine et de pipéridine se trouvent comme basefondamentale dans un grand nombre de telles structures. D'autre part, l'un desprincipaux objectifs de la chimie synthétique est d'obtenir ces types de moléculesd'une manière asymétrique. Entre autres, la catalyse métallique s'est révélée trèsutile à cet effet. Par exemple, les ligands de type ferrocényle précédemmentdéveloppés dans notre groupe donnent naissance à des pyrrolidines énantiopuréesdensément substituées. De même, ces types de ligands ont été évalués dansdifférents types de réactions de cycloaddition, ce qui a entraîné la formationasymétrique de structures tricycliques d'intérêt biologique. D'autre part, une synthèseracémique collective de composés tétracycliques de la famille Securinega a étédéveloppée. Cette synthèse permet d'accéder à différents produits naturels de lafamille en raison de la polyvalence de l'intermédiaire lactone bicyclique. / Alkaloids are, in general, a family of heterocyclic compounds of vegetal originthat incorporate nitrogen atoms in their complex structure. Their interest lies in theoutstanding biological activities they present, and for this reason they are widely usedby the pharmaceutical industry. In particular, pyrrolidine and piperidine rings arefundamental scaffolds found in a large number of such structures. On the other hand,one of the main objectives of synthetic chemistry is to obtain these types ofmolecules in an asymmetric way. Among others, metal catalysis has proven to bevery useful for this purpose. For example, ferrocenyl proline ligands previouslydeveloped in our group gave rise to densely substituted enantiopure pyrrolidines.Likewise, these types of ligands have been evaluated in different types ofcycloaddition reactions, which have resulted in the asymmetric formation of tricyclicstructures of biological interest. In contrast, a collective racemic synthesis oftetracyclic compounds of the Securinega family has been developed. This synthesisprovides an access to different natural products of the family due to the divergencegiven by a bicyclic lactone intermediate.

Le sujet de thèse concerne l’immunothérapie induite par des glycolipides synthétiques dont le chef de file est le KRN7000. Ce composé montre une activité à stimuler le système immunitaire renforçant l’action antitumorale. Cependant, comme la plupart des principes actifs, le KRN 7000 n’est pas spécifique des cellules tumorales. Pour pallier ce manque de spécificité, nous avons envisagé de coupler des glycolipides à un agent ciblant des cellules tumorales selon deux approches. La première a consisté à lier de manière covalente l’agent ciblant au glycolipide via un espaceur, ce qui a permis d’évaluer si le greffage de cet immunostimulant sur l’agent ciblant ne perturberait pas la reconnaissance par le récepteur membranaire. Concernant la seconde approche, une étude préliminaire reposant sur le relargage du KRN7000 a été abordé en préparant une prodrogue du glycolipide. Un autre problème du KRN7000 est qu’il n’est pas sélectif vis-à-vis de deux voies d’activation du système immunitaire. Pour pallier ce problème, la synthèse de nouveaux analogues C-glycosidiques d’alpha-galactosylcéramides plus stables et plus sélectifs de la voie Th1 a été envisagée. La stratégie de synthèse met en œuvre une cycloaddition 1,3-dipolaire entre un C-vinyl glycoside et une nitrone. Dans un premier temps, une étude méthodologique de cette réaction a d’abord été réalisée. Dans un deuxième temps, la fonctionnalisation du cycle isoxazolidine puis son ouverture devrait permettre d’accéder aux analogues ciblés. / This PhD work concerns glycolipid-induced activation of immune system with KRN7000 as lead compound. This latter has shown its ability to stimulate NKT cells which are T cells of the immune system resulting in potent antitumor activity. However, like lots of drugs, KRN7000 is not specific for tumor cells. To tackle this lack of specificity, we plan to graft glycolipids to a targeting agent for tumor cells following two approaches. The aim of the first one was to bind covalently the glycolipid to the targeting agent in order to determine the effect of the glycolipid grafting onto the targeting agent on the recognition by the membrane receptor. Regarding the second approach, a preliminary study based on the KRN7000 release was performed by synthesizing a glycolipid prodrug. Another drawback of the KRN7000 is the lack of selectivity towards two ways of activation of the immune system. In order to favor the Th1 immune response, the synthesis of new C-glycosidic analogues of alpha-galactosylceramides was implemented. The synthetic strategy has involved a 1,3-dipolar cycloaddition between a C-vinyl glycoside and a nitrone. First, a methodologic study about this reaction was performed. Then functionalization of the obtained isoxazolidine ring and the N-O bond cleavage should lead to the expected original analogs.

La conception et la synthèse de nanomatériaux à base d'éléments de transition tardifs est d’un intérêt considérable pour des applications potentielles respectueuses de l’environnement en nanomédecine, pour la reconnaissance moléculaire, dans le domaine des capteurs, et en catalyse. Onze différents types de nanoparticules de métaux de transition (TMNPs) stabilisées par des dendrimères ont été synthétisées et caractérisées. Ces nanomatériaux ont été employés en tant que catalyseurs dans des réactions ''click'' et de réduction du nitrophénol en aminophénol dans le but d’établir une relation entre leurs activités catalytiques et la localisation de la nanoparticule qui peut être totalement ou partiellement encapsulée par le dendrimère. Par ailleurs, un complexe moléculaire base de Schiff organométallique de Cu(II) et le métallopolymère correspondant résultant de son greffage sur une matrice PMMA ont été préparés et utilisés comme précatalyseurs efficaces de réactions de cycloaddition [3+2] d’azotures organiques avec des alcynes terminaux. De plus, le dérivé supporté a été recyclé au moins trois fois sans perte d’activité ni de cuivre. Une réaction sélective de N-alkylation d’amines par des alcools en utilisant Pd/C comme catalyseur recyclable a également été développée. / The design and synthesis of late transition-metal nanomaterials is of considerable interest towards applications in nanomedicine, molecular recognition, sensing and catalysis under environmentally friendly conditions. Eleven different kinds of dendrimer-stabilized TMNPs have been synthesized and characterized. They were employed as catalysts for “click” and 4-nitrophenol reduction reactions, to study the relationship between their catalytic activities and their ''inside vs. partly outside'' dendrimer localization. On the other hand, a new ferrocenyl-containing unsymmetrical CuII-Schiff-base complex, and its covalently poly(methyl) (methacrylate) (PMMA)-grafted counterpart were synthesized and employed as efficient precatalyst in the CuAAC “click reaction. The PMMA-supported catalyst has been reused at least three times without any lost of activity or copper leaching. A selective NAlkylation reaction of amines with alcohols using Pd/C as an efficient and reusable catalyst has also been developed.

A novel application of the Pauson-Khand reaction was applied to the synthesis of a series of bridged azatricyclic piperazines. This method represents the first application of the Pauson-Khand reaction to synthesize azabridged scaffolds. The ubiquity of bridged azabicyclic ring systems in biologically active natural product skeletons has provided the synthetic chemist with a wealth of opportunity for development over the last century. To this day, the development of new methodologies to tackle these structurally challenging systems remains at the forefront of synthetic chemistry. During our efforts to achieve a total synthesis of the stemofoline alkaloids, we have thus far developed a novel and scalable synthetic strategy to access the fully functionalized caged azatricyclic core of these challenging alkaloids. The overall synthetic strategy we have implemented began with the commercially available and affordable 2-deoxy-D-ribose as a chiral starting material. Furthermore, we have developed a novel 1,3-dipole cascade cycloaddition, which was successfully employed as the key step in the construction of the bridged azatricyclic core of the stemofoline alkaloids. / text

La découverte et l’exploration des réactions bio-orthogonales pour le marquage spécifique d’entités biologiques est un défi majeur à portée de main depuis une dizaine d’années. Une variété de réactions bio-orthogonales a récemment été décrite, parmi lesquelles : les réactions de Diels-Alder entre des alcynes ou alcènes tendus et des tétrazines ou encore les cycloadditions entre alcynes tendus et azotures (SPAAC). Ces réactions biocompatibles sont aujourd’hui parmi les plus utilisées pour les applications de marquages in vivo ou in vitro. Récemment notre groupe et le groupe du Pr. Chin ont identifié une nouvelle réaction bio-orthogonale impliquant une sydnone et un alcyne tendu et conduisant à la formation d’un adduit pyrazole. Cette réaction a été nommée SPSAC par analogie à la réaction SPAAC.Le but de ces travaux de thèse a été, dans un premier temps, d’améliorer la cinétique de la réaction de SPSAC en incorporant différents substituants sur le noyau sydnone, de façon a montrer l’intérêt de cette réaction pour des applications en bioconjugaison en comparaison avec la réaction de SPAAC.Dans une deuxième partie et avec l’objectif de pousser plus loin le développement de cette réaction pour des applications en bioconjugaison, nous avons synthétisé des sondes sydnones pro-fluorescentes i.e. qui deviennent fluorescentes suite la réaction de SPSAC avec un alcyne tendu. La sonde la plus prometteuse a été utilisée pour effectuer le marquage sur gel d’une protéine modèle dans des milieux biologiques.Enfin les derniers travaux de cette thèse ont permis d’étendre les applications de la SPSAC à la chimie des matériaux. Une méthodologie de synthèse de sydnones tricycliques hautement conjuguées a été développée. Ces sydnones conduisent par réaction avec des diynes ou des arynes à des structures chirales complexes aux propriétés optiques intéressantes. / The discovery and exploration of bio-orthogonal reactions for the specific labeling of biological entities is a major challenge. Up to now, a variety of bio-orthogonal reactions have been described, including the Diels-Alder reaction between strained alkynes or alkenes and tetrazines or the Strain Promoted Azide-Alkyne Cycloaddition (SPAAC). These “click reactions” are today the most popular tools for in vivo or in vitro chemical modifications of complex biomolecules.Recently, our group and Pr. Chin’s group have identified a new bio-orthogonal reaction involving sydnones and strained alkynes and leading to the formation of pyrazole adducts. This reaction, very similar to the SPAAC, was coined SPSAC for Strain Promoted Sydnone-Alkyne Cycloaddition.The aim of this PhD thesis was first to improve the kinetic properties of the SPSAC by incorporating various substituents on the sydnone ring in order to demonstrate the interest of using this reaction for bioconjugation applications.To extend the potential of this reaction for bio-labelling applications, we then investigated the synthesis of fluorogenic sydnone probes, i.e. sydnones that would emit fluorescence upon reaction with a strain alkyne. The most promising probe was involved in the fast fluorogenic labelling of a protein in a biological medium. This work is described in the second part of the manuscript.Finally, during the last part of my PhD, we extended the application of SPSAC to the field of material science. We developed a methodology enabling a straightforward access to highly conjugated tricycle sydnones. These sydnones, lead to complex chiral structures with interesting optical properties upon reaction with diynes or arynes.

En raison de la vaste gamme d'activités biologiques qu'ils possèdent, les aminophosphonates cycliques ont attiré l’attention des chimistes et des biologistes. La synthèse d’hétérocycles substitués par un atome de phosphore a largement été rapportée dans la littérature. Dans ce contexte, le premier défi a été de proposer une nouvelle voie d'accès au motif 5-phosphono-isoxazoline. Une méthodologie a été développée, reposant sur la formation de N-oxydes d’isoxazolines par réaction de O-alkylation d’un ion nitronate sur un composé α-substitué vinylphosphonate, suivie d’une réduction pour former les composés attendus. La réaction de O-alkylation a notamment fait l’objet d’une étude approfondie pour donner de manière exclusive le N-oxyde d’isoxazoline. Bien que les ynamides aient été largement décrits dans la littérature, la synthèse et la réactivité des ynamido-phosphonates ont quant à elles très peu été étudiées. Le deuxième défi a consisté à trouver une nouvelle approche de formation des ynamido-phosphonates par couplage cupro-catalysé à partir d’un bromoalcynylphosphonate préalablement synthétisé. Ensuite, la réactivité de ces ynamido-phosphonates a été étudiée dans le but de former des isoxazoles substitués par un atome de phosphore et d’azote. Des réactions de cycloaddition [1,3]-dipolaire sur ces ynamides ont été entreprises. Enfin, l’oxydation de ces ynamides a permis d’accéder à de nouveaux motifs phosphonospirodiénones lactames. / Due to the wide range of biological activities that they show, cyclic aminophosphonates have attracted attention of the chemists and biologists. Hence, the synthesis of heterocycles substituted with a phosphorus atom has been reported in the literature. In this context, our first challenge was to propose a new route to access the 5-phosphono isoxazoline motif. A methodology was developed based on the formation of isoxazoline N-oxide through an O-alkylation reaction of a nitronate anion to α-substituted vinylphosphonate, followed by a reduction to form the expected product. The O-alkylation reaction was investigated to give exclusively the isoxazoline N-oxide. Although the chemistry of ynamides has been widely reported in the literature, the synthesis and reactivity of ynamido-phosphonates is less documented. Our second challenge consisted to find a new approach to synthesize ynamido-phosphonates using a copper catalyzed coupling reaction with a bromoalkynylphospnates previously formed. Next, the reactivity of these compounds was studied. In order to form isoxazoles substituted with a phosphorus and nitrogen atom, [1,3]-dipolar cycloaddition reactions have been studied with these ynamido-phosphonates. Finally, the oxidation of these ynamido-phosphonates was studied and it gave us access to new phosphonospirodienone lactams.

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.