Contamination of seafood by marine toxins has been a consistent public health problem. Gymnodimine (GYM) is a member of a family of spirocyclic imine containing marine natural products which was shown to be highly toxic (LD50 96 mg/kg, intraperitoneal injection); thus ensuring public safety requires stringent monitoring of gymnodimine. Current detection methods for GYM and spirolides include the mouse bioassay and LC-MS-based detection techniques which, however, have significant limitations. Therefore, more efficient and convenient detection methods are required. Building on our recently completed total synthesis of (-)-gymnodimine, the synthesis of two haptens were targeted for eventual production of monoclonal antibodies (mAb) to be used in an eventual Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) for gymnodimine. As an extension of the intramolecular nucleophilic catalyzed aldol lactonization (NCAL) process from aldehyde acid to keto acid substrates, carbocyclic and nitrogen heterocyclic B-lactones were synthesized. Demonstration of the utility of the NCAL process for keto acids was applied to the synthesis of dihydroplakevulin A and the core of tussilagine. In addition, although initial attempts to develop guanidine catalysts for the asymmetric NCAL process were unsuccessful, homobenzotetramisole (HBTM) was found to be a suitable asymmetric catalyst for keto acid substrates. Finally, synthetic studies toward the proposed structure of thiolyngbyan are described. Thiolyngbyan was isolated from a blue-green algae and it exhibited antifungal activity.

Cette thèse décrit un nouvel accès au motif tétrahydrofurane (THF)2,3,5-trisubstitué. Cette stratégie est basée sur une première étape d’addition d’un radical acyle nucléophile sur une oléfine activée de type adduit de Baylis-Hillman,suivie d’une cyclisation réductrice du motif céto-alcool-1,4 ainsi formé. De hauts niveaux de diastéréocontrôles-1,2 et -1,3 ont pu être atteints en utilisant dans ces deux étapes le tris(triméthylsilyl)silane comme agent de transfert d’hydrogène. Cette méthodologie a ensuite été appliquée à la synthèse du fragment THF de la gymnodimine puis à la première synthèse totale d’une molécule naturelle tricyclique : le no.2106A. Dans un dernier temps, l’utilisation d’adduits de type aza-Baylis-Hillman a permis d’accéder efficacement à des homologues azotés telles que les pyrrolidines mais également à des composés bicycliques tels que les indolizidinones ou les pyrrolizidines. / This thesis describes a new access to the 2,3,5-trisubstituted tetrahydrofuran moiety. This strategy includes as a first step an addition of an acylradical on to an activated olefin (Baylis-Hillman adduct), followed by a reductive cyclization of the corresponding 1,4-keto-alcohol. High levels of 1,2- and 1,3-stereocontrol were attained using, in these two steps, tris(trimethylsilyl)silane as an hydrogen transfer agent. This methodology was then applied to the synthesis of the Gymnodimine THF fragment and to the first total synthesis of a tricyclic naturalcompound : no.2106A. Finally, the use of aza-Baylis-Hillman adducts led to an efficient access to nitrogen analogues, including pyrrolidines and bicyclic compounds such as indolizidinones or pyrrolizidines.

(-)-Gymnodimine is a member of a growing family of spirocylic imine containing marine natural products. The construction of the complete skeleton of (-)- gymnodimine has been accomplished in a convergent manner in 23 steps (the longest linear sequence). A highly diastereo- and enantioselective Diels-Alder reaction employing bis(oxazoline)·Cu(II) catalyst provided the spirolactam core structure of gymnodimine bearing a quaternary carbon stereogenic center. An improved procedure for hydrostannylation of the hindered internal triple bond in 96a was discovered by slow addition of tributyltin hydride to minimize formation of hydrogenated byproduct. Fragment coupling featured a Nozaki-Hiyama-Kishi reaction between a vinyl iodide derived from the spirolactam and a tetrahydrofuran moiety. The macrocyclization was realized through a rather unusual intramolecular opening of an activated Ntosyllactam by an alkyllithium species generated in situ. The butenolide was appended through a vinylogous Mukaiyama aldol addition of silyloxyfuran 155 to the ketone 163 under meticulously controlled conditions. The generality of this process was explored in some detail. Addition of silyloxyfurans to cyclohexanones proceeds with moderate to good diastereoselectivities. The potential application of this process to the synthesis of butenolide and g-lactone containing natural products was demonstrated by further transformations of the addition adducts. Finally, toward our goal of developing an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) for gymnodimine monitoring a hapten derived from the tetrahydrofuran has been synthesized. Even though the raised antibodies failed to recognize the natural product itself, the results provided some information regarding the essential structural elements of an efficient hapten.

La Gymnodimine et le 13-desméthyle Spirolide C sont des neurotoxines macrocycliques à imine cyclique. Elles ont été isolées dans des organismes filtreurs tels que les moules et les huitres et sont produites par des algues unicellulaires de type dinoflagellé. Lors d’efflorescences algales, la forte concentration de ces molécules est à l’origine de problèmes de santé publique car les micro-algues sont absorbées puis concentrées par les organismes filtreurs. Elles se retrouvent ensuite transmises aux animaux marins et à l’Homme via la chaîne alimentaire. Dans ce contexte, leur synthèse s’avère indispensable pour disposer de quantités suffisantes à leur étude pharmacologique. Cette thèse a porté sur la synthèse des fragments spiromines du 13-desméthyle Spirolide C et de la Gymnodimine. Plusieurs stratégies unifiées ont été testées au cours de ces travaux. Dans un premier temps, des cyclisations cationiques et radicalaires d’époxy-allylsilanes obtenus par une réaction clé de substitution allylique sont présentées. Dans un second temps, une approche diastéréosélective à la synthèse d’allylsilanes et des cyclisations par ouverture radicalaire d’époxydes ont été testés. Finalement, une stratégie de synthèse basée sur la réaction de Diels-Alder a permis la synthèse d’une imine cyclique modèle et d’un intermédiaire avancé pour la synthèse totale de la Gymnodimine. / The Gymnodimine and the 13-desméthyle Spirolide C are two macrocyclic neurotoxins bearing a cyclic imine. They were isolated in filter organisms such as mussel and oysters and are produced by marine unicellular organisms called dinoflagellates. In the occurrence of algal blooms, a massive production of these molecules creates public health issues. The absorption and concentration by filter organisms, allow this molecules to be delivered to marine wild life and human trough the food chain. To date, the mode of action of spirolides is not fully elucidated and the toxicity toward humans still needs studies. Considering their low bioavailability, their synthesis proves to be crucial to have enough material for pharmacological studies. This manuscript present the synthesis of the spiroimine fragment of the 13-desméthyle Spirolide C and the Gymnodimine. Various unified strategies were tested in this work. In the first part, cationic and radical cyclisations of epoxy-allylsilanes obtained by a key allylic substitution are presented. In the second part, a diastereoselective approach for the synthesis of allylsilanes and cyclisation attempts by radical opening of epoxides are presented. Finally, a Diels-Alder based strategy allowed the synthesis of a model cyclic imine and a highly substituted fragment for the total synthesis of the Gymnodimine.

Les gymnodimines, les spirolides, les pinatoxines et les ptériatoxines constituent une famille de toxines d’origine marine de structures complexes, produites en faibles quantités par des microorganismes marins appelés dinoflagellés. Ces toxines sont connues pour bloquer les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine (nAChR) sans que leurs modes d’action ne soient connus avec précision. D’après les différents tests biologiques réalisés à ce jour, il semblerait que le motif spiroimine, commun à toutes ces molécules, soit le pharmacophore principal, indispensable pour toute activité inhibitrice. Le travail réalisé au cours de cette thèse s’est focalisé sur la synthèse du fragment spiroimine de la (–)-gymnodimine A, dans l’optique d’une étude pharmacologique de ces structures. Dans un premier temps, la création du centre quaternaire a été développée en utilisant la réaction Tsuji-Trost qui nous a donné de bons résultats en termes de rendement et d’excès énantiomérique. Au cours d’une approche sur des substrats modèles, une stratégie de fonctionnalisation originale de la chaîne allylique, mettant en jeu une métathèse croisée puis une oxydation, nous a permis d’atteindre l’intermédiaire spirolactone désiré. Après quelques étapes d’aménagements fonctionnels, une réaction de Staudinger nous a permis d’isoler les spiroimines attendues. Puis, dans la perspective d’une future synthèse totale, la réaction de Tsuji-Trost a été appliquée à des substrats plus fonctionnalisés. Dans un second temps, une allylation décarboxylante asymétrique à partir de Beta-cétoesters, nous a aussi permis de former le centre stéréogénique avec de bons rendements et excès énantiomériques. Une séquence rapide et efficace a été mise au point pour la synthèse de motifs spiroimines. Après une étape d’isomérisation, les composés ont été engagés dans une réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire entre un alcène et une fonction azoture pour former les spiroimines souhaitées. La généralisation de la méthode a alors pu être débuté. Les trois spiroimines isolées au cours de ces travaux ont été évalués biologiquement sur les nAChRs, montrant un effet antagoniste, voire bloquant, selon les structures, de ces récepteurs. Leurs structures est beaucoup plus simple que celle de la GYM A et l’activité biologique est plus faible que la molécule naturelle. Toutefois, ces résultats montrent bien que le motif spiroimine est l’un des pharmacophore de la GYM A. / Gymnodimines, spirolides, pinatoxines and pteriatoxines constitute a family of marine toxins with complex structures. They are produced in small quantities by marine microorganisms called dinoflagelles. These toxins are known to block the nicotinic acetylcholine receptors (nAChR), but the exact mode of action remains to be determined. Different biological tests showed that the spiroimine moiety, common feature to all these molecules, is the main pharmacophore, indispensable for the inhibitive activity. This Ph.D. work has been focused on the synthesis of the spiroimine fragment of the (–)-gymnodimine A, for pharmacological studies of these structures. In a first part, the formation of the quaternary carbon was developped around the Tsuji-Trost reaction. Good yield and enantiomeric excess were obtained. During our work with modele substrate, an original approach was used to functionnalize the allyl chain. We realized a cross metathesis followed by an oxidative cleavage to form an aldehyde used to synthezise the wished spirolactone. After some functional arrangements, a Staudinger cyclisation has been involved to isolate the expected spiroimines. Then, Tsuji-Trost reaction was applied to more functionnalized substrates for a future total synthesis. In a second time, an asymmetric decarboxylative allylation from Beta-cétoesters, was used to form the stereogenic center with good yield and enantiomeric excess. A short synthetic route was developped for the synthesis of the spiroimine moiety. After an isomerisation of the allylic chain, compounds were involved in a 1,3-cycloaddition between an alcene and an azide to form the wished spiroimines. The generalization of the method was just begun. Three spiroimines were isolated and biologically evaluated on nAChRs. Their structure were simpler than GYM A but they show an antagonist effect and even a blocking effect according to the molecule. Their biological activities were lower than the natural product but these results show that spiroimine moiety is one of the pharmacophore of the GYM A.

Cette étude à pour objectif de maîtriser les conditions de culture et de production toxinique chez Karenia selliformis et Alexandrium ostenfeldii dans le but de réaliser des contaminations expérimentales indépendamment du caractère aléatoire des proliférations toxiques en zones côtières. Ce travail vise également à étudier l'impact de l'alimentation sur la détoxification artificielle de la palourde Ruditapes decussatus contaminée par des gymnodimines et de l'huître Crassostrea gigas contaminées par des spirolides et enfin d'étudier l'impact physiologique de ces micro-algues toxiques au niveau des organes accumulateurs des coquillages. Dans un premier temps, il a été mis en évidence que les performances de croissance de K. selliformis (taux de croissance et concentration maximale) sont obtenues à une température de 22°C pour une salinité de 36 psu en utilisant le milieu f/2 alors que celles d'A. ostenfeldii sont obtenues à une température de 16°C pour une salinité de 35 psu en utilisant le milieu L1. Le contenu en gymnodimine dans les cellules de K. selliformis augmente en fonction de l'âge de la culture alors que le contenu en spirolide diminue au cours de la croissance cellulaire d'A. ostenfeldii plus particulièrement lors de la culture en photobioréacteur de 100 l. Dans un deuxième temps, des études expérimentales portant sur l'interaction des micro-algues toxiques avec les mollusques ont permis d'apporter des connaissances nouvelles sur le devenir des imines cycliques après contamination et lors de la détoxification. Il a ainsi été mis en évidence i) une accumulation majoritaire des GYMs et des SPXs au niveau des glandes digestives des palourdes et des huîtres ii) une accélération des cinétiques de détoxification lors de l'ajout de l'alimentation. Dans un troisième temps, les essais portant sur la contamination de C. gigas par A. ostenfeldii ont permis de déterminer i) une altération des diverticules digestifs consistant en une réduction de l'épaisseur de la paroi épithéliale et en une augmentation de la surface de la lumière des diverticules digestifs ii) une réaction inflammatoire dans la glande digestive de certains individus contaminés se caractérisant par une agglutination massive d'hémocytes autour de différents organes de la glande digestive: l'estomac, l'intestin ainsi que les conduits et tubules digestifs. Dans le cas des contaminations naturelles et expérimentales des palourdes les analyses histologiques réalisées n'ont pas permis de mettre en évidence des signes d'altération de la glande digestive comme dans le cas des les huîtres contaminées par A. ostenfeldii.

Les gymnodimines, les spirolides, les pinnatoxines et les ptériatoxines constituent une famille de toxines d’origine marine de structures complexes, produites en faibles quantités par des microorganismes marins appelés dinoflagellés. Ces toxines sont connues pour bloquer les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine (nAChRs) sans que leur mode d’action ne soit connu avec précision. D’après les différents tests biologiques réalisés à ce jour, il semblerait que le motif spiroimine, commun à toutes ces molécules, soit essentiel pour l’activité antagoniste. Un accès rapide à ce motif spiroimine ainsi qu’à de plus grandes quantités du produit naturel permettraient une meilleure compréhension du mode d’action de cette famille de toxines. Le travail réalisé au cours de cette thèse s’est d’une part focalisé sur la synthèse de ce coeur spiroimine de la (–)-gymnodimine A et d’autres part tourné vers le développement d’une nouvelle méthodologie d’additon énantiosélective de silyloxyfuranes sur des accepteurs de Michael cycliques. Dans un premier temps, la mise en place de la chaîne latérale de la (–)-gymnodimine A en position C7 en α du carbone quaternaire a été explorée par plusieurs approches diastéréocontrolées. C’est finalement l’utilisation de la réaction de Michael entre un organocuprate et une énone possédant le centre quaternaire en position C22 en présence de TMSCl qui a permis d’introduire un nucléophile avec la diastéréosélectivité désirée. Un précurseur du cœur spiroimne hautement fonctionalisé a alors été préparé avec une diastéréoselctivté de 83/17. Dans un second temps, un travail méthodologique nous a également permis de développer pour la première fois une version énantiosélective de la réaction de Mukaiyama-Michael vinylogue entre un silyloxyfurane et un accepteur de Michael cyclique. C’est l’utilisation d’un complexe de cuivre-(II) avec l’iso-propyl bis(oxazoline) qui s’est révélée être le système le plus performant pour accéder aux buténolides. En l’occurrence, nous avons testé la méthode avec un évantail de β-cétoesters α,β-insaturés cycliques aboutissant aux adduits de Michael avec une diastéréosélectivité totale et de bonnes énantiosélectivités pouvant aller jusqu’à 96%. Nous avons également proposé un état de transition de type Diels-Alder avec une approche exo du silyloxyfurane afin de rationnaliser les énantiosélectivités observées. / Gymnodimines, spirolides, pinnatoxines and pteriatoxines constitute a family of marine toxins with complex structures. They are produced in small amounts by marine microorganisms called dinoflagellates. These toxins are known to block the nicotinic acetylcholine receptors (nAChR), but the exact mode of action remains largely unknown. Biological tests have showed that the spiroimine moiety, the common feature of these molecules, is crucial for antagonist activity. A rapid access to this spiroimine core and to larger amount of this natural product could lead to a better understanding of the mode of action of this toxin family. This Ph.D. work has been focused on the synthesis of the spiroimine core of (–)-gymnodimine A, and on to the development of new methodology in order to add enanstioselectively silyloxyfurans to cyclic Michael acceptors. In the first part, the insertion of the side chain of (–)-gymnodimine A in poistion C7 next to the quaternary carbon has been explored by several diastereoselctive approaches. We found out that the use of the Michael addition of an organocopper reagent in the presence of TMSCl on an enone bearing the quaternary center at C22 positon was the only way to reach the expected diastereomer. Thus we obtained a key intermediaite with an interesting 83/17 diastereoselctivity for the synthesis of the spiroimine core of (–)-gymnodimine A. In a second time, a methological work allowed us to develop the first enantioselective vinyloguous Mukaiyama-Michael reaction between a silyloxyfuran and a cyclic Michael acceptor. The expected butenolide could be obtained with excellent diastereoselcetivity and good enantioselectivtities up to 96% by using iso-propyl bis(oxazoline) copper-(II) complex. This method proved to be relevant with various cyclic α,β-unsaturated β-ketoesters. Moreover, we proposed a Diels-Alder type transition state with an exo approach of the silyloxyfuran in order to rationalise the asymmetric induction.