Les transformations photochimiques sont des outils puissants pour créer de la diversité moléculaires à partir de substrats facilement accessibles; elles requièrent le réactif le plus simple : un photon. Les réactions de cycloaddition [2+2] photochimiques de composés carbonylés ou carboxylés α,β-insaturés avec des oléfines sont les réactions photochimiques les plus largement utilisées en synthèse organique. Les photoadduits cyclobutaniques sont très appliqués en synthèse multi-étapes de produits naturels ou dérivés et sont également prisés comme intermédiaires de synthèse du fait de la grande réactivité intrinsèque liée à leur tension de cycle. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés à une approche photochimique pour la synthèse de β-acides aminés cyclobutaniques substitués. Notre objectif était de mettre en place une synthèse robuste et efficace sur l’échelle du gramme des acides cis- et trans-2-aminocyclobutane-1-carboxyliques (cis- et trans-ACBC) diversement substitués en position 3 ou 4. La construction du cycle à quatre chaînons a été réalisée via une réaction de cycloaddition [2+2] photochimique entre le tert-butoxyéthène et le maléimide ou l’anhydride maléique. Les fonctions amine et acide carboxylique ont ensuite été générées par des processus consécutifs ou “one-pot” impliquant un réarrangement de Hofmann. Les mélanges racémiques des 3- et 4-cis-syn-hydroxy-ACBCs ont été dédoublés via l’utilisation d’une oxazolidinone chirale, donnant accès aux β-acides aminés énantiopures ciblés sur grande échelle, sous la forme déprotégée ou protégée orthogonalement. Le contrôle d’une procédure d’épimérisation cis-trans a permis l’accès aux composés trans-syn-3-hydroxy-ACBC à partir des substrats cis-syn-3-hydroxy-ACBC. Enfin, les composés ACBCs diversement substitués en position 3 et de configuration cis-anti ou trans-anti ont pu être préparés grâce à une réaction de Mitsunobu ou d’autres transformations de type SN2, à partir des réactifs cis-syn- ou trans-syn-3-hydroxy-ACBC correspondants. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons étudié des processus photochimiques tandem et cascade initiés par une réaction de cycloaddition [2+2] photochimique. En collaboration avec un chercheur post-doctorant, nous avons réalisé la synthèse contrôlée d’une librairie d’acétals cyclobuténiques et d’oxétanes polycycliques, via des photoréactions tandem et cascade entre des cyclopent-2-énones et des partenaires alcènes. Le processus tandem résulte d’une réaction de cycloaddition [2+2] photochimique suivie d’une fragmentation de type Norrish I et d’un transfert d’hydrogène en position γ, conduisant aux aldéhydes cyclobuténiques protégés in situ sous la forme de dérivés acétals stables. La triple cascade réactionnelle a permis l’accès à de nouveaux oxétanes tricycliques angulaires par le biais d’une réaction de Paternò-Büchi intramoléculaire à partir des aldéhydes cyclobuténiques précédemment cités. La généralisation de ces deux processus domino a été étudiée à partir d’un panel de cyclopent-2-énones et de trois partenaires alcènes représentatifs. La formation de certains des composés obtenus a pu être expliqué par à une réaction supplémentaire de type SN’. Une étude préliminaire de cette transformation non-attendue a été réalisée. / Photochemical transformations are powerful tools for the creation of molecular diversity from simple and readily available starting materials; they employ the simplest of reagents, a photon. Photochemical [2+2] cycloaddition reactions of α,β-unsaturated carbonyl or carboxyl compounds with olefins are one of the most widely applied photochemical reactions in organic synthesis. The cyclobutane photoadducts have been used ubiquitously in multi-step syntheses of a wide array of natural products or related derivatives, and they have also been used as intermediates in other synthetic procedures which exploit their strained molecular skeletons and their resulting intrinsic chemical reactivity.In the first part of this thesis, we focused on a photochemical approach for the synthesis of ring-substituted cyclobutane β-amino acids. Our objective was to establish a robust, large-scale and efficient synthesis of cis- and trans-2-aminocyclobutane-1-carboxylic acids (cis- and trans-ACBC) diversely substituted at the 3- or 4-positions. The cyclobutane ring was constructed using a photochemical [2+2] cycloaddition reaction between tert-butyl vinyl ether and either maleimide or maleic anhydride. The amine and carboxylic acid functions were subsequently installed through consecutive or one-pot protocols including a Hofmann rearrangement. The protected racemates of 3- and 4-cis-syn-hydroxy-ACBCs obtained in this way were resolved using a chiral oxazolidinone auxiliary to provide a large scale access to enantiomerically pure samples of the target β-amino acids in either free or orthogonally protected form. A controlled cis-to-trans epimerization procedure from cis-syn-3-hydroxy-ACBC substrates permitted facile access to target trans-syn-3-hydroxy-ACBCs. Finally, diversely substituted 3-ACBCs with cis-anti or trans-anti relative configurations were synthesized using Mitsunobu or other SN2-type reactions, starting from corresponding cis-syn- or trans-syn-3-hydroxy-ACBC derivatives.In the second part of the thesis, we investigated photochemical tandem and cascade processes which began with a photochemical [2+2] cycloaddition reaction. In collaboration with a post-doctoral researcher, we reacted cyclopent-2-enones and alkenes to afford libraries of cyclobutene acetals and polycyclic oxetanes, in a controlled manner, via tandem and triple cascade photoreactions. The tandem process consisted of a photochemical [2+2] cycloaddition followed by Norrish I/γ-H transfer which led to cyclobutene aldehydes; these reactive photoadducts were trapped in situ as stable acetal derivatives. The triple cascade process provided access to unprecedented angular tricyclic oxetanes via an intramolecular Paternò-Büchi reaction of the above-mentioned cyclobutane aldehydes. The scope of these two domino processes was investigated using panels of 2- and 4-substituted cyclopent-2-enones and three representative alkene partners. The formation of some of the compounds obtained during this study was attributed to an additional SN’ reaction. Preliminary investigations on this unexpected transformation were performed.

Cyclobutanes represent an underutilised structural feature in medicinal chemistry, partially due to difficulties in forming them in an easy and controlled manner. Herein is described their application to a drug discovery project and development of the enamine [2+2] cyclisation; a straightforward synthesis of functionalised cyclobutanes. A library of 30 cyclobutane based integrin antagonists have been designed and synthesised to explore the SAR around the hit dual β3 integrin antagonist ICT9055. Several of which were shown to be highly potent antagonists inhibiting cancer cell adhesion, migration and invasion while remaining non-toxic. ICT9072 had comparable β3 activity to hit compound ICT9055 but also had activity against αvβ5 and therefore showed greater inhibition of migration of DLD-1 cells. This showed the ability to modify this scaffold for multi integrin antagonism and potential benefit of this. Synthetic studies towards the marine natural product providencin has led to the development of a previously unknown intramolecular enamine [2+2] cyclisation which has been shown to proceed in a diastereoselective manner. This reaction has been applied to the synthesis of a highly functionalised enatiopure cyclobutene suitable for inclusion into the total synthesis. A model furyl cyclobutane has also been synthesised to exemplify the route from the enantiopure cyclobutene through to the furyl cyclobutane fragment of providencin.

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

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No / Epidermal DNA damage, especially to the basal layer, is an established cause of keratinocyte cancers (KCs). Large differences in KC incidence (20- to 60-fold) between white and black populations are largely attributable to epidermal melanin photoprotection in the latter. The cyclobutane pyrimidine dimer (CPD) is the most mutagenic DNA photolesion; however, most studies suggest that melanin photoprotection against CPD is modest and cannot explain the considerable skin color-based differences in KC incidence. Along with melanin quantity, solar-simulated radiation-induced CPD assessed immediately postexposure in the overall epidermis and within 3 epidermal zones was compared in black West Africans and fair Europeans. Melanin in black skin protected against CPD by 8.0-fold in the overall epidermis and by 59.0-, 16.5-, and 5.0-fold in the basal, middle, and upper epidermis, respectively. Protection was related to the distribution of melanin, which was most concentrated in the basal layer of black skin. These results may explain, at least in part, the considerable skin color differences in KC incidence. These data suggest that a DNA protection factor of at least 60 is necessary in sunscreens to reduce white skin KC incidence to a level that is comparable with that of black skin.

Résumé : L’exposition aux rayons ultraviolets (UV) du soleil est le principal facteur menant au développement du cancer cutané. Les dimères cyclobutyliques de pyrimidines (DCP) résultant d’une exposition aux UV sont considérés comme les principaux dommages à l’ADN impliqués dans la cancérogenèse cutanée. La fréquence des DCP et leur distribution entre les quatre types de sites dipyrimidiniques ont souvent été étudiés in vitro ou en utilisant des UVC alors que nous ne sommes pas exposés à ce type d’UV. L’utilisation d’écrans solaires permet de prévenir la formation des DCP. Grâce à sa capacité à absorber les UVB, l’acide sulfonique 2-phénylbenzymidazole-5 (PBSA) est utilisé dans des écrans solaires mais des études in vitro ont montré qu’il peut oxyder les guanines lors d’une irradiation aux UVB. Face à ces problèmes, nous avons choisi d’étudier l’effet du PBSA, la fréquence et la distribution des DCP, de même que l’influence de la séquence nucléotidique sur la formation des DCP, dans des conditions plus représentatives de la réalité. Nous avons irradié des fibroblastes humains normaux (in cellulo) et de l’ADN purifié (in vitro) aux UVB et aux UVC. Nous avons comparé la formation des DCP in cellulo et in vitro. Suite à une exposition aux UVB, nous avons trouvé que la distribution des DCP in cellulo est similaire à la distribution des DCP in vitro. Nous avons ensuite comparé l’effet du type d’UV sur la formation des DCP et nous avons trouvé que les TT sont plus souvent endommagés après une irradiation aux UVC alors que les sites potentiellement mutés (contenant des cytosines) sont plus souvent endommagés après une exposition aux UVB, in cellulo. Concernant l’effet de la séquence d’ADN sur la formation des DCP, nous avons trouvé que certains sites dipyrimidiniques sont beaucoup plus fréquemment endommagés que les autres et que la position d’un site dipyrimidinique dans une série de pyrimidines adjacentes est un facteur influençant la formation des DCP. Nous avons étudié l’effet du PBSA in cellulo et in vitro suite à une irradiation aux UVA et aux UVB. Nous avons montré que le PBSA protège efficacement contre la formation de DCP, lors d’une irradiation UVB mais qu’il photosensibilise la formation de guanines oxydées lors d’une irradiation aux UVA et aux UVB. Le PBSA peut donc agir comme une épée à double tranchant et ceci questionne son utilisation dans les écrans solaires. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse améliorent notre compréhension de la cancérogenèse cutanée, montrent l’importance du choix de modèles d’étude pertinents, de même que l’importance d’utiliser une protection solaire efficace contre tous les types de dommages causés par les UV. / Abstract : Exposure to the UV component of sunlight is the principal factor leading to skin cancer development. Cyclobutane pyrimidine dimers (CPD) are considered as the most important DNA damage involved in skin carcinogenesis. CPD frequencies and their distribution between the four types of dipyrimidine sites are mostly investigated in vitro or using UVC, even if we are not exposed to these wavelengths. On the other hand, sunscreens are used to protect against CPD formation. The 2-phenylbenzimidazole-5-sulfonic acid (PBSA) is a sunscreen agent used because it absorbs UVB. However, previous studies have shown that PBSA oxidizes guanines in vitro, during UVB exposure. To address these issues, we chose to study the effect of PBSA, the DCP frequencies and their distribution frequency and distribution of CPD, as well as the influence of DNA sequence on CPD formation, in conditions more representative of reality. We irradiated normal human fibroblasts (in cellulo) and purified DNA (in vitro) with UVB and UVC. We compared the CPD distribution in cellulo and in vitro. Our results show that CPD distribution in cellulo is different to CPD distribution in vitro after UVB exposure. Then, we compared the impact of UV type on CPD formation and we found that TT are more frequently damaged after UVC exposure while potentially mutated dipyrimidine sites (dipyrimidine sites containing cytosine) are more frequently damaged after UVB exposure. Concerning the influence of DNA sequence on CPD formation, we observed that some dipyrimidine sites are extremely frequently damaged compared to others and that the position of a dipyrimidine site within a dipyrimidine run is an important factor influencing the frequency of CPD formation. We studied the effect of PBSA, in cellulo and in vitro, during UVA and UVB exposure. We found that PBSA provides good protection against CPD formation during UVB exposure, in cellulo. However, PBSA photosensitized the formation of oxidized guanines during UVA and UVB exposure. This indicates that PBSA can act as a double-edged sword and question its suitability in sunscreens. The works presented in this thesis provide important elements to understand the skin carcinogenesis process and demonstrate the importance to use an effective protection against UV-induced DNA damage.

La synthèse de β-aminoacides, analogues structurels des -aminoacides, constitue un enjeu essentiel dans le développement d'oligopeptides. Un long travail a été mené sur le comportement des β-peptides (enchaînement de β-aminoacides) ainsi que les peptides mixtes (mélange d'β- et β- aminoacides). Il en résulte que la préférence conformationnelle des β-aminoacides va induire l'apparition d'une structure tridimensionnelle ordonnée de l'oligopeptide. Ainsi, plusieurs types d'hélices, des feuillets et des coudes ont été observés sur des β-oligopeptides. En plus de cette fascinante particularité, les β-peptides et les peptides mixtes ont montré une grande stabilité vis-à-vis des enzymes digestives. Ces caractéristiques sont importantes dans le développement de nouveaux médicaments, mimes de structures protéiques. Au laboratoire, nous travaillons sur le β-aminoacide cyclobutanique comme bloc de construction de structures moléculaires élaborées dont les β-peptides. La partie bibliographique, scindée en deux parties, décrit la synthèse deβ-aminoacides carbocycliques puis les différents types de structures secondaires obtenus à partir de peptides composés de β-aminoacides. Des travaux ont été menés sur les β-aminoacides cycliques à 6, 5 et à 4 chaînons. Cependant, aucuns travaux n'ont été décris sur le trans-β-aminoacide cyclobutanique " trans-ACBC ". Nous avons entrepris d'accéder au cis- et trans-ACBC optiquement enrichis et nous avons mis au point deux voies de synthèse à l'échelle multigramme. L'étape clé, commune aux deux synthèses et la photocycloaddition [2+2] entre l'éthylène et un partenaire ènone pour créer le cyclobutane. A l'aide de méthodes de couplages peptidiques, nous avons préparé le dimère, le tétramère, l'hexamère et l'octamère du 1R,2R- trans-ACBC. Grâce à plusieurs techniques de caractérisation couramment utilisées dans l'étude conformationnelle de polypeptides, nous avons pu déterminer avec certitude l'existence d'une hélice- 12 dès l'hexamère. En parallèle, nous avons mené une étude complète de modélisation moléculaire qui nous a conduits à un résultat identique. Ce travail sur la synthèse des ACBC optiquement pures et sur le comportement des β-peptides cyclobutaniques complète le tableau des β-peptides carbocycliques. Nous envisageons de préparer des β-aminoacides cyclobutaniques fonctionnalisés, afin de construire des β-peptides structurés, destinés à une application en chimie médicinale.

L'objectif de ce travail est de mieux comprendre le mécanisme intime de réparation de lésions photoinduites de l'ADN (dimères de type cyclobutane et adduits pyrimidine (6-4) pyrimidone) par les enzymes redox de type photolyase, en utilisant les outils et les concepts de l'électrochimie moléculaire.<br />L'étude par voltamétrie cyclique de modèles des lésions de type cyclobutane nous a permis d'une part de mimer l'étape clef de la réparation enzymatique (transfert d'électron dissociatif) et d'autre part de suivre dans le temps la réparation des lésions modèles par la photolyase ADN d'Escherichia coli. A partir des résultats obtenus, nous avons pu discuter le mécanisme de réparation, en particulier le caractère concerté ou séquentiel des réactions à l'oeuvre.<br />Le mécanisme de réparation des adduits (6-4) n'est pas encore élucidé mais une voie possible implique comme précédemment un transfert d'électron couplé à la coupure de deux liaisons vers la forme fermée des lésions (oxétanes). L'étude par voltamétrie cyclique d'une part de la réduction et de l'oxydation d'oxétanes modèles et d'autre part de leur réparation par la photolyase ADN d'E. coli nous a permis de rassembler une série de preuves expérimentales qui confirment le mécanisme initialement proposé et permettent de mieux le comprendre.

[EN] Bile acids are a family of amphiphilic steroids that play a pivotal role in physiological functions such as elimination of cholesterol or solubilization of lipids. Chemically, they share a steroidal skeleton with an unusual cis fusion between rings A and B, a short lateral chain ending in a carboxylic acid moiety and different number of hydroxyl groups on the alpha-face. Hence, bile acids offer a versatile architecture that can be used to investigate photophysical processes of interest such as hydrogen atom transfer, through-bond energy trasfer, through-bond exciplex formation and DNA photodamage-related reactions. First, unmodified bile acids have been used to evaluate hydrogen atom trasfer to benzophenone-like triplet carbonyls. Dehydrogenation of bile acids at positions C-3 and/or C-7 by a radical-mediated mechanism from the excited state of benzophenone has been demonstrated. Moreover, synthesized lithocholic acid derivatives including benzophenone or carbazole as donors and a naphthalene, biphenyl or thymine as acceptors have been employed to investigate through-bond energy transfer and exciplex formation processes. Thus, energy transfer from benzophenone to naphthalene or biphenyl and extended through-bond exciplex formation in benzophenone/naphthalene and benzophenone/biphenyl linked systems has been demostrated by laser flash photolysis. Finally, bile acid derivatives incorporating one benzophenone and two thymine units with different degrees of freedom have been prepared to investigate the photochemical formation of oxetanes or thymine dimers. Photosensitized formation of cyclobutane pyrimidine dimers through the generation of a delocalized triplet excited state has been demonstrated in intermolecular systems, while oxetane formation is observed when the degrees of freedom are reduced. / [ES] Los ácidos biliares son una familia de esteroides anfifílicos que juegan un papel clave en diferentes funciones fisiológicas tales como la eliminación del colesterol o la solubilización de lípidos. Su estructura química está constituida por un esqueleto esteroideo con una fusión cis poco común entre los anillos A y B, una cadena lateral corta que termina con una función ácida y un número variable de grupos hidroxilo en la cara alfa. Por tanto, los ácidos biliares ofrecen una estructura versátil que puede ser utilizada para investigar procesos fotofísicos de interés como abstracción de hidrógeno, transferencia de energía y formación de exciplejos a larga distancia o reacciones relacionadas con el daño fotoinducido al ADN. En esta Tesis, en primer lugar, los ácidos biliares naturales se han utilizado para evaluar la abstracción de hidrógeno a carbonilos triplete en compuestos derivados de la benzofenona, demostrándose la deshidrogenación de los ácidos biliares en las posiciones C-3 y/o C-7 por un mecanismo radicalario desde el mencionado triplete de la benzofenona. En segundo lugar, se han preparado derivados de ácido litocólico que incluyen los dadores benzofenona o carbazol y los aceptores naftaleno, bifenilo o timina, que a continuación se han utilizado para investigar los procesos de transferencia de energía y formación de exciplejo intramolecular a larga distancia. De hecho, en los sistemas benzofenona/naftaleno y benzofenona/bifenilo, se demostró por fotólisis de destello láser la transferencia de energía desde benzofenona a naftaleno o bifenilo y la formación de exciplejo a larga distancia. Por último, se han preparado derivados de ácidos bliares que incorporan una unidad de benzofenona y dos de timina en diferentes posiciones del esqueleto para investigar la influencia de los diferentes grados de libertad en la formación fotosensibilizada de oxetanos o dímeros de timina. Gracias a ellos, se ha demostrado la formación fotosensibilizada de dímeros ciclobutánicos pirimidínicos a través de la generación de estados excitados triplete deslocalizados en sistemas en los que la benzofenona es intermolecular, mientras que se observa formación de oxetanos cuando los grados de libertad se ven reducidos. / [CAT] Els àcids biliars són una família d'esteroides anfifílics que juguen un paper clau en funcions fisiològiques com l'eliminació del colesterol o la solubilització de lípids. La seua estructura química està constituïda per un esquelet esteroïdal amb una fusió cis entre els anells A i B poc comuna, una cadena lateral curta que acaba amb una funció àcida i un nombre diferent de grups hidroxil en la cara alfa. D'aquesta manera, els àcids biliars ofereixen una estructura versàtil que pot ser utilitzada per investigar processos fotofísics d'interès com abstracció d'hidrogen, transferència d'energia i formació de exciplexes a llarga distància o reaccions relacionades amb el dany a l'ADN induït per llum. En primer lloc, els àcids biliars naturals s'han utilitzat per avaluar la abstracció d'hidrogen a carbonils triplets derivats de la benzofenona, demostrant-se la deshidrogenació dels àcids biliars en les posicions C-3 i/o C-7 per un mecanisme radicalari des de l'estat excitat de la benzofenona. A més, derivats d'àcid litocòlic que inclouen els donadors benzofenona o carbazol i els acceptors naftalé, bifenil o timina s'han utilitzat per investigar els processos de transferència d'energia i formació de exciplexe a llarga distància. En els sistemes benzofenona /naftalé i benzofenona/bifenil la fotòlisis làser va demostrar la transferència d'energia des de benzofenona a naftalé o bifenil i la formació d'exciplexe a llarga distància. Finalment, per tal d'investigar la formació fotosensibilitzada d'oxetans o dímers de timina, s'han preparat derivats d'àcids bliars que incorporen una unitat de benzofenona i dues de timina amb diferents graus de llibertat. La formació fotosensibilitzada de dímers ciclobutànics pirimidínics mitjançant la generació d'estats excitats triplet deslocalitzats ha estat demostrada en sistemes intermoleculars, mentre que la formació d'oxetans s'observa quan els graus de llibertat es veuen reduïts. / Miró Richart, P. (2016). Hydrogen-Abstraction, Energy Transfer and Exciplex Formation in Photoactive Systems Based on Bile Acids [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64084 / TESIS