The development of enantioselective reaction methodology has been at the forefront of research in both academic and industrial research laboratories due to the importance of chiral molecules in biological systems. An emerging area of research in the development of enantioselective reaction methodology has been the development of organocatalytic reactions. Organocatalysis, the use of small, chiral organic molecules as catalysts, has the advantage over traditional Lewis acid catalysis in that the reactions in general produce less toxic by-products. One recent breakthrough in the development of enantioselective methodology has been the development of chiral phosphoric acids as organocatalysts. Chiral phosphoric acids have been shown to be excellent catalysts for a wide variety of reactions. In this thesis chiral phosphoric acid-catalyzed enantioselective reaction methodologies have been developed for the addition of sulfonamides and indoles to imines. The development of Bronsted acid-catalyzed amidation of imines allows for an expedient route for the synthesis of N,N-aminals, which have been incorporated into a wide variety of biologically active compounds. Initial studies were undertaken to determine the practicality of a Bronsted acid-catalyzed method for the addition of amides to N-Boc protected imines. Over 20 achiral Bronsted acids were screened, and it was found that phenylphosphinic acid and trifluoromethanesulfinimide were both excellent catalysts for the addition of amides to a variety of imines giving the respective products in excellent yield. The methodology was extended to the development of an enantioselective method for the addition of sulfonamides to imines. It was found that a chiral phosphoric acid derived from the VAPOL ligand was suitable for this purpose. The developed methodology is capable of tolerating a wide variety of functional groups allowing for the preparation of the N, N-aminal products in excellent yield and enantioselectivities. An enantioselective phosphoric acid-catalyzed aza-Friedel-Crafts reaction between N-benzylindoles derivatives and N-benzoyl protected imines has been developed. A catalyst derived from the BINOL backbone was found to be the optimum catalyst for the enantioselective transformation. The developed methodology was capable of tolerating a wide variety of functional groups and provides an expedient route for the synthesis of chiral 3-indolylmethanamines.

Abstract not available

Thesis (Ph.D.)--Hong Kong University of Science and Technology, 2004. / Includes bibliographical references (leaves 206-216). Also available in electronic version. Access restricted to campus users.

This thesis describes the combination of non-stabilized nucleophiles and prochiral/racemic electrophiles in transition metal catalyzed asymmetric transformations. These enantioselective reactions have tremendous potential for the formation of chiral building blocks and new structural motifs that can be found in a variety of natural products and their derivatives. The first part of the thesis focuses on the synthetic approach towards anti-cancer active diterpenoid structures. The two key steps involve a Cu-catalyzed asymmetric conjugate addition of alkylzirconocenes to enones and an intramolecular oxidative cyclisation. Particular investigations into the cyclisation are made with organocatalysis, transition metal catalysis and electrochemistry for the formation of these tricyclic scaffolds. In the second part this work builds on the Rh-catalyzed asymmetric Suzuki-Miyaura coupling of benzeneboronic acids and cyclic allyl chlorides, which has been developed in our group. Here, the main point is to use more challenging coupling partners, such as heteroaromatic boronic acids, which are coupled to racemic cyclic allyl halides. The utility of this method is demonstrated by performing further transformations and an asymmetric synthesis of the natural product (+)- isoanabasine. The last chapter describes the development of a new asymmetric Hiyama coupling of arylsiloxanes with racemic cyclic allyl chloride. Attempts are made to generate substrates that are not accessible via the asymmetric Suzuki - Miyaura reaction. After extensive optimisation a variety of arylsiloxanes is generated and tested with the best conditions to prove its utility in comparison to the asymmetric Suzuki-Miyaura coupling.

Les acides phosphoriques chiraux sont des organocatalyseurs très efficaces qui permettent de catalyser une grande variété de réactions asymétriques. Depuis leur développement en 2004, de nombreux acides phosphoriques à chiralité axiale ou à chiralité centrale ont vu le jour. Cependant, aucun exemple d’acides phosphoriques à chiralité planaire n’avait été reporté.Deux nouvelles familles d’acides phosphoriques à chiralité planaire, possédant un motif paracyclophane et un espaceur ferrocénique ou biphénylène, ont été développées au laboratoire. Les propriétés catalytiques de ces nouvelles familles ont été étudiées, notamment dans la réaction de réduction de quinoléines par les esters de Hantzsch. Une bonne activité et des excès énantiomériques allant jusqu’à 92% ont été obtenus. Ces squelettes à motif paracyclophane ont également été exploités pour développer de nouveaux catalyseurs organométalliques chiraux, qui ont été testés dans des réactions de catalyses organométalliques avec des complexes d’or et de rhodium. / Chiral phosphoric acids as organocatalysts have shown high efficiency and versatility in order to catalyze a lot of reactions. Since their development in 2004, a number of chiral phosphoric acids displaying an axial or a central chirality have been synthesized. Nevertheless, there was no example of planar chiral phosphoric acids.We have developed two new families of planar chiral phosphoric acids, based on a paracyclophane scaffold and displaying a ferrocenic or a biphenylene linker. These phosphoric acids have been evaluated, as organocatalysts, in an organocatalytic reaction of quinolines reduction using Hantzsch esters. Good yields and enantiomeric excess up to 92% have been obtained. These new paracyclophane scaffolds have been used to develop chiral organomelallic catalysts, which have been engaged in gold and rhodium complexes catalysis reactions.

Le développement d’une nouvelle génération de catalyseurs dits biohybrides est basé sur l’association d’un complexe métallique et d’une protéine. D’un côté, le complexe métallique est responsable de l’activité catalytique ; de l’autre côté, la protéine protège le complexe métallique vis-à-vis de la dégradation en milieu aqueux et fournit également un environnement chiral propice à une catalyse énantiosélective. Ces catalyseurs fonctionnant de manière sélective en milieu aqueux s’inscrivent tout à fait dans les préceptes de la chimie verte.Une nouvelle famille de protéines artificielles, nommée αRep, a été récemment décrite. Toutes les protéines de la bibliothèque αRep présentent le même repliement en solénoïde incurvé, mais diffèrent à la fois en taille (nombre de motifs répétés) et dans la nature de 5 acides aminés par motif répété. Une surface variable est ainsi générée sur la surface concave du solénoïde. Ces protéines sont extrêmement stables et modifiables. La modularité de ces protéines ouvre la voie à un panel varié d’ingénierie des protéines, notamment la conception de catalyseurs artificiels.Au sein de la bibliothèque αRep, le variant αRep-A3 est une protéine homodimérique pour laquelle les surfaces concaves de chaque monomère génèrent une crevasse. Les résidus formant cette crevasse peuvent être modifiés sans affecter la structure tridimensionnelle de la protéine. Le but de cette thèse a été d’évaluer la capacité de la protéine αRep-A3 à procurer une architecture rigide pour l’incorporation de complexes de métaux de transition. Pour cela, différents ligands de métaux de transition (phénanthroline, terpyridine, porphyrine) ont été couplés covalemment à des variants de αRep-A3 à différentes positions. Des résultats encourageants concernant la réaction de Diels-Alder entre azachalcone et cyclopentadiène suggèrent que ce type d’architecture pourrait fournir une base intéressante pour la création de nouvelles classes de métalloenzymes entièrement artificielles. Des pistes pour l’amélioration des catalyseurs basés sur les αRep par des méthodes d’évolution dirigée sont alors avancées sur la base de ces résultats. / The development of a new generation of so-called biohybrid catalysts is based on the association of a metal complex and a protein. On the one hand, the metal complex is responsible for the catalytic activity; On the other hand, the protein protects the metal complex from degradation in aqueous medium and also provides a chiral environment conducive to enantioselective catalysis. These catalysts, which function selectively in an aqueous medium, fit perfectly into the precepts of green chemistry.A new family of artificial proteins, called αRep, has recently been described. All proteins in the αRep library exhibit the same curved solenoid folding, but differ in size (number of repeating units) and in the nature of 5 amino acids per repeat unit. A variable surface is thus generated on the concave surface of the solenoid. These proteins are extremely stable and modifiable. The modularity of these proteins paves the way for a varied panel of protein engineering, including the design of artificial catalysts.Within the αRep library, the variant αRep-A3 is a homodimeric protein for which the concave surfaces of each monomer generate a crevice. The residues forming this crevice can be modified without affecting the three-dimensional structure of the protein. The aim of this thesis has been to evaluate the ability of the αRep-A3 protein to provide a rigid scaffold for the incorporation of transition metal complexes. To this end, various transition metal ligands (phenanthroline, terpyridine, porphyrin) have been covalently coupled to variants of αRep-A3 at different positions. Encouraging results regarding the Diels-Alder reaction between azachalcone and cyclopentadiene suggest that this type of scaffold could provide an interesting basis for the creation of new classes of fully artificial metalloenzymes. From these results, lines of improvement for αRep-based catalysts by means of directed evolution are then advanced.

Understanding the supramolecular interactions governing the self-assembly of molecular building blocks upon surfaces is fundamental to the design of new devices such as sensors or catalysts. Successful heterogeneous enantioselective catalysts have relied upon the adsorption of ‘chiral modifiers’, usually chiral amino acids, onto reactive metal surfaces. One of the most researched examples is the hydrogenation of β-ketoesters using nickel-based catalysts. The stability of the chiral modifiers upon catalyst surfaces is a major obstacle to the industrial scale-up of this reaction. In this study, the replacement of conventional modifiers with porous, chiral and functionalised self-assembled networks is investigated. Perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic diimide (PTCDI) and melamine (1,3,5-triazine,-2,4,6-triamine) have been shown to form hydrogen bonded networks on Ag-Si(111)√3x√3R30° in ultra-high vacuum (UHV) and Au(111) substrates in UHV and ambient conditions, these networks are capable of hosting guest molecules. These networks are investigated further in this study. In UHV, the behaviour of the components and network formation on Ni(111) is probed using scanning tunnelling microscopy (STM) and temperature-programmed desorption (TPD). The stability of the PTCDI-melamine network on Au(111) was analysed using TPD. Metal coordination interactions between each of the network components and nickel upon the Au(111) surface were examined by STM before testing the ability of the network to act as a template for metal growth. Finally, a number of polymerisation reactions are investigated with a view to replacing chiral modifiers with porous, chiral, functionalised covalent networks. Periodic covalent networks should possess the greater chemical and thermal stability required for more widespread use. In UHV and ambient conditions, STM is used to monitor the progress of surface-confined reactions on Au(111) and characterise the resultant covalent structures.

Des oligomères de taille définie de chitosane ont été préparés et testés en tant qu'organocatalyseurs dans des réactions d'aldolisation énantiosélectives. Les précurseurs de ces catalyseurs sont obtenus en une seule étape par une réaction d'acétolyse contrôlée de la chitine, second polysaccharide le plus abondant. Une méthodologie reposant sur des réactions de glycosylation sous activation micro-ondes a été développée afin de fonctionnaliser la position anomérique de ces oligomères. Ainsi, le triflate de cuivre(II), utilisé en quantité catalytique, s’est révélé être le promoteur le plus efficace pour l’activation de la glucosamine ou du chitobiose peracétylés de configuration α. La sélectivité α des produits glycosylés résultent d’une isomérisation in situ des produits cinétiques β. Des organocatalyseurs se différenciant par leur partie aglycone et par leur degré de substitution ont été synthétisés en peu d’étapes. Les résultats les plus intéressants ont été obtenus avec un dérivé du chitobiose soluble en milieu aqueux. Nous avons montré, qu’en présence d’un co-catalyseur acide, l’acide 4-nitrobenzoïque, la réaction entre la cyclohexanone et le 4-nitrobenzaldéhyde, conduit à l’adduit anti avec un bon excès énantiomérique (89% ee). De plus, nous avons également montré que ce catalyseur pouvait être réutilisé dans plusieurs cycles catalytiques sans perte de sélectivité. / The catalytic behaviour of size-defined chitosan oligomers has been evaluated for asymmetric aldol reactions. These oligomers were obtained from chitin, which is one of the most abundant naturally occurring polymers, as a renewable starting biomolecule. Thus, controlled depolymerization of chitin was carried out by acetolysis providing per-O-acetylated N-acetyl-α-D-glucosamine oligomers with a polymerization degree from 2 to 4. To investigate the influence of the aglycon moiety, we developed a Lewis acid-promoted glycosylation reactions under microwave irradiation. Thus, a catalytic amount of copper(II) triflate proved to be the most effective promoter for the activation of α-per-O-acetylated glucosamine oligomers, which are considered as poorly reactive substrates, to selectively obtain α-glycosylated compounds. This selectivity results from in situ isomerization of kinetic β products. Chitosan-based catalysts, which differ in the distribution pattern, were synthesized in a few steps. The most promising results were obtained with a chitobiose derivative, which efficiently catalyzed the aldol reaction between cyclohexanone and 4-nitrobenzaldehyde, in the presence of 4-nitrobenzoic acid as a co-catalyst, in water, providing the anti-adduct in high yield with good enantioselectivity (89% ee). In addition, this homogeneous organocatalyst can be reused in several cycles without loss of catalytic activity.

Abstract not available

Grâce à leurs multiples sites de fonctionnalisation, les cyclopenténones sont des intermédiaires particulièrement utiles dans la synthèse de produits naturels d’intérêt thérapeutique. En particulier, les composés 4-aminocyclopenténones permettent l’accès au motif aminocyclopentitol présent dans des molécules bioactives telles que le peramivir, la pactamycine, ou encore la trehazoline. L’une des méthodes les plus efficaces pour accéder aux 4-aminocyclopenténones est la réaction de cyclisation d’aza-Piancatelli. Cette réaction est basée sur le réarrangement de 2-furylcarbinols en présence d’un nucléophile azoté suivant un mécanisme faisant intervenir une électrocyclisation 4π-conrotatoire. Au sein de notre laboratoire, un système catalytique simple, utilisant un complexe de calcium combiné à un sel d’ammonium, a été mis au point pour avoir accès à ces composés. Cette méthode présente de nombreux avantages : elle est efficace (rendements allant jusqu’à 98%), rapide (15 à 30 minutes), elle nécessite seulement 1 mol% de catalyseur dans des conditions commodes (solvants non distillés et réaction à l’air libre) sur une grande échelle (multi-grammes). Dans ce contexte, nous avons cherché à exploiter tout le potentiel de cette réaction en synthétisant des 2-furylcarbinols plus complexes dans le but de concevoir un accès direct à des squelettes de composés bioactifs. Nous nous sommes en particulier concentrés sur la synthèse totale de la jogyamycine. Par ailleurs, nous avons effectué la synthèse totale de la bruceolline D avec un rendement global de 16% sur 5 étapes. Nous avons également développé une nouvelle séquence réactionnelle impliquant une réaction d’aza-Piancatelli suivie d’une réaction d’hydroamination promue par des sels de cuivre qui fournit un large éventail de cyclopenta[b]pyrroles polyfonctionnels à partir de 2-furylcarbinols facilement accessibles incorporant un groupement alcyne. Par cette méthode, 42 cyclopenta[b]pyrroles ont été obtenus avec des rendements atteignant 98%. Une caractéristique originale de notre approche est liée à l'utilisation d'anilines ortho-substituées. En effet, dans ce cas, des atropisomères avec un excès diastéréomérique supérieur à 20:1 ont pu être obtenus, accompagnés par la création d'une chiralité axiale N-C lors de l'étape d'hydroamination. A ce jour, il n'existait aucun autre exemple de synthèse atropodiastéréosélective de cyclopenta[b]pyrroles. Au cours de nos recherches sur le champ d’application de la réaction, nous avons remarqué que les cyclopenta[b]pyrroles pouvaient se réarranger spontanément en cyclopenta[b]pyrrolines suivant une déaromatisation lorsque l’hexafluoroisopropanol était utilisé comme solvant, permettant d’obtenir 13 cyclopenta[b]pyrrolines avec des rendements variant de 44 à 73%. Nous nous sommes également intéressés à la fonctionnalisation du motif cyclopenta[b]pyrrole pour illustrer l'utilité de notre méthodologie, en combinant en particulier cette séquence réactionnelle avec des réactions de type Friedel-Crafts. L’un des objectifs du projet de thèse était le développement de la version énantiosélective de la réaction. Après la publication récente de trois articles utilisant des acides phosphoriques chiraux en tant que catalyseurs, nous avons envisagé une autre approche pour la synthèse asymétrique de 4-aminocyclopenténones, s’appuyant sur l’utilisation d’une copule chirale (sulfoxyde chiral) portée par l’aniline en collaboration, avec le Dr. Wencel-Delord et le Pr. Colobert (Université de Strasbourg). Ainsi nous avons pu générer les 4-aminocyclopenténones correspondantes avec d’excellents rendements et diastéréosélectivités. / Due to their various functionalizable sites, cyclopentenones are very useful intermediates for the synthesis of natural products of therapeutic value. In particular, 4-aminocyclopentenones enable the access to the aminocyclopentitol frameworks, which are present in a variety of bioactive molecules such as peramivir, pactamycin, or trehazolin. One of the most efficient methods to access 4-aminocyclopentenones is the aza-Piancatelli reaction. It is based on the rearrangement of 2-furylcarbinols in the presence of a nitrogen nucleophile following a mechanism involving a 4π-conrotatory electrocyclization. In our laboratory, a simple catalytic system using a calcium complex combined with an ammonium salt was developed to gain access to these compounds. This method has many advantages : it is effective (yields up to 98%), fast (15 to 30 minutes), it requires only 1 mol% of catalyst under pratical conditions (undistilled solvents without an inert atmosphere) on a large scale (multi-gram). In this context, we sought to extend the scope of this reaction by designing more complex 2-furylcarbinols in order to directly access skeletons of bioactive compounds. In particular, we focused on the total synthesis of jogyamycin. In addition, we achieved the total synthesis of bruceollin D with an overall yield of 16% over five steps. We also developed a new reaction sequence involving an aza-Piancatelli reaction followed by a hydroamination reaction promoted by a copper salt. This sequence provides a wide range of highly functionalized cyclopenta[b]pyrroles from readily-available 2-furylcarbinols substituted by an alkyne moiety. Following this method, 42 cyclopenta[b]pyrroles were obtained with yields up to 98%. An original feature of this transformation is related to the use of ortho-substituted anilines. Indeed, in this case, atropisomers with a diastereomeric excess superior to 20:1 could be obtained accompanied by the creation of an chiral N-C axis during the hydroamination step. To date, no other example of atropodiastereoselective synthesis of cyclopenta[b]pyrroles has been reported. During our investigations on the scope of the reaction, we noticed that cyclopenta[b]pyrroles underwent a rearrangement into cyclopenta[b]pyrrolines, following a dearomatization when hexafluoroisopropanol was used as solvent. This transformation led to 13 cyclopenta[b]pyrrolines with yields ranging from 44% to 73%. We also investigated the functionalization of the cyclopenta[b]pyrrole motif to illustrate the synthetic utility of our methodology, notably by combining this reaction sequence with a Friedel-Crafts reaction. One of the objectives of this Ph.D. was the development of an enantioselective version of the reaction. After the recent publication of three papers using chiral phosphoric acids as catalysts, we devised another approach for the asymmetric synthesis of 4-aminocyclopentenones, relying on the use of a chiral auxiliary (chiral sulfoxide) in collaboration with Dr. Wencel-Delord and Pr. Colobert (University of Strasbourg). Thus, we were able to provide the corresponding 4-aminocyclopentenones with excellent yields and diastereoselectivity.