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

This dissertation is devoted to our synthetic studies towards the total synthesis of the natural product Nakadomarin A, and Manzamine A using the Pauson-Khand reaction as the key step. Chapter 1 reviews past work using Pauson-Khand technology. Chapter 2 reviews the N-alkyl piperidine family of natural products. Chapter 3 reviews published total syntheses of Manzamine A and Nakadomarin A. Chapter 4 explores our work using the Pauson-Khand reaction to form the ABC rings of Nakadomarin A and subsequent B ring expansion to form the ABC ring core of Manzamine A. Chapter 5 explores our approaches to the furan portion, as well as, our approaches to the macrocyclic F ring. Finally Chapter 6 contains the description of the experiments performed along with relevant analytical data. / text

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

La thapsigargine (Tg) est une lactone sesquiterpène polyoxygénée appartenant à la famille des guaianolides, isolée de Thapsia (Apiacae), une plante poussant communément dans le basin méditerranéen. Son intérêt dans le traitement du cancer de la prostate est basé sur son potentiel inhibiteur de l’enzyme endo/sarcoplasmique calcium ATPase (SERCA). Ce phénomène conduit à une augmentation de la concentration du calcium dans le lumen du réticulum endoplasmique et engendre une apoptose cellulaire. Dans un premier temps, un modèle 8-desoxy-bicyclo[5.3.0]decadiénone, de structure proche du squelette de la Tg, a été synthétisé par le biais d’une réaction clé de Pauson-Khand allène-yne catalysée par un complexe de rhodium. L’approche directe développée est robuste avec de hautes sélectivités et rendements. Cette voie a ensuite été appliquée à la synthèse du produit naturel. A partir d’un époxyde optiquement enrichi, la partie Sud de la Tg (le motif lactonique) est tout d’abord mise en place. Les centres C6 et C8 sont ensuite construits respectivement par alcynylation/réduction asymétrique et par propargylation énantiosélective. Cette première approche a permis d’isoler un produit énantiopure possédant les centres chiraux C6, C7 et C8 ainsi que du motif lactonique en dix-sept étapes. Une seconde voie a été initiée permettant la mise en place plus rapide de la partie Sud de la molécule incluant les centres asymétriques C6, C7, C8 et C11 par le biais d’une réaction de dihydroxylation. Cette seconde voie a permis d’isoler un produit racémique possédant les centres chiraux C6, C7, C8 et C11 ainsi que du motif lactonique en dix étapes. Parallèlement, une étude méthodologique a été menée sur la réaction de Pauson-Khand allénol-yne intramoléculaire. Treize composés bicycliques ont été synthétisés en série acétal et NTs. / Thapsigargin (Tg) is a highly oxygenated sesquiterpene lactone belonging to the guaianolide family, isolated from the Mediterranean plant species Thapsia (Apiaceae). Its interest towards treatment of prostate cancer is based on the potency of this compound as an inhibitor of the endo/sarcoplasmic calcium ATPase (SERCA) inducing an increase in cytosolic calcium concentration and leading to apoptotic cell death. A straightforward approach to a highly functionalized 8-desoxy-bicyclo[5.3.0]decadienone model close to the Tg framework has been achieved through a key Rh(I) allenic Pauson-Khand reaction (APKR). The synthetic route developed therein is robust and the yields and selectivities are high. This approach was used in the synthesis of the natural compound. Starting from the same chiral epoxide, the bottom portion of the Tg (lactone core) is first built, then C6 and C8 carbons are functionalized respectively by asymmetric reduction and enantioselective propargylation. This first way allowed to synthesize a seventeen steps-enantiopure product with C6, C7, C8 chiral centers and the lactone core. A second way is performed to set up faster the bottom part of the molecule included C6, C7, C8 and C11 asymmetric centers through a dihydroxylation step. This second approach allowed to synthesize a ten steps-racemic product with C6, C7, C8, C11 chiral centers and the lactone core. Meanwhile, a methodological study was conducted on the intramolecular allenol-yne Pauson-Khand reaction. Thirteen bicyclic compounds were synthesized in acetal and NTs series.

Ce mémoire décrit les travaux qui ont été réalisés sur la synthèse de l’hodgsonox, un sesquiterpène tricyclique comportant un éther diallylique dans un cycle tétrahydropyranique. Les approches envisagées sont la formation du cycle à cinq puis la formation du tétrahydropyrane et une autre plus convergente qui implique la synthèse des deux cycles en une seule étape. La première partie du mémoire discute de la synthèse d’un précurseur acyclique du cycle à cinq membres, afin de réaliser une réaction de métathèse de fermeture de cycle. Toutefois, les essais n’ont pas été concluants et cette voie a été abandonnée. Dans la deuxième partie, une nouvelle approche impliquant la synthèse d’un bicycle par une réaction de Pauson-Khand a été étudiée. Le précurseur de la réaction de Pauson- Khand a été préparé en 9 étapes (30% de rendement global) à partir du diéthyle tartrate. Le produit de cyclisation a été également obtenu mais il n’a pas été possible par la suite d’introduire le groupement isopropyle. Dans la dernière partie de ce mémoire, les travaux de Lise Brethous sur la synthèse de l’hodgsonox ont été repris. Celle-ci avait montré que le cycle à 5 membres pouvait être obtenu à partir de l’a-acétyl g-butyrolactone et que la formation du bicycle pouvait être réalisée par une réaction catalytique d’insertion d’un composé diazoïque dans un lien O-H. Certaines de ces étapes ont été optimisées et différents tests ont été effectués pour réaliser les dernières étapes de la synthèse de l’hodgosonox, mais sans succès. / This master thesis describes various strategies towards the total synthesis of (+)- and (-)-hodgsonox, a tricyclic sesquiterpene containing a diallylic ether functionality fused into a tetrahydropyran ring. The first synthetic approach involved the formation of the fivemembered ring followed by the formation of the tetrahydropyran moiety. The second approach consisted in the synthesis of both carbon cycles in a single stage. In the first part, is described the synthesis of an acyclic precursor to assemble the fivemembered ring via a ring-closing metathesis reaction. This approach proved unsuccessful and was not pursued. In the second part, is reported a Pauson-Khand cyclization to produce the bicyclic compound. The Pauson-Khand precursor was synthesized in 9 steps (30% overall yield) from diethyl tartarate. The cyclization was successful, but the isopropyl moiety could not be introduced. A former Lebel’s PhD student, Lise Brethous had also worked on the total synthesis of hodgsonox. She established that the 5-membered ring could be prepared from a-acetyl gbutyrolactone and observed the formation of the tetrahydropyran moiety via an OH-insertion reaction with a diazo intermediate. In the last part of this master thesis, some steps from Brethous’s approach were optimized. Unsuccessful attempts to tackle the last steps of the synthesis are also described.

L’obtenció de lligands quirals eficients i de fàcil accés segueix essent un dels objectius principals en catàlisi. Les fosfines estereogèniques voluminoses han mostrat ser molt eficients en un ampli ventall de reaccions catalítiques. No obstant, la seva síntesis de forma enantiomèricament pura és molt sovint complicada. Podem considerar que els mètodes més efectius per a la construcció de fòsfor estereogènic són els desenvolupats per Jugé i Evans basats en l’obertura d’oxazafosfolidines enantiopures i la desprotonació enantioselectiva de fosfino-borans, respectivament. Aquests mètodes, tanmateix, presenten limitacions i desavantatges. Aquest fet confereix atractiu al desenvolupament de nous processos per a la síntesi de fòsfor estereogènic. En la present tesi doctoral, es va estudiar la condensació de fenil i tert-butilfosfines amb el (cis)-1-amino-2-indanol. Aquestes ens conduí a les corresponents oxazafosfolidines amb bon rendiment i diastereoselectivitats de fins a 18 : 1. La condensació amb aquest aminoalcohol ens proporcionà oxazafosfolidines amb funció NH lliure. Justament aquesta nova funcionalitat s’ha revelat clau en la química d’obertura d’anells d’oxazafosfolidines. Pel que fa l’obertura d’anell de la 2-feniloxazafosfolidina amb organolítics, aquestes transcorregueren amb inversió o retenció depenent de la substitució sobre l’àtom de nitrogen. Quan tenim un grup NH, l’obertura transcorre amb inversió mentre que quan el nitrogen està substituït amb un metil s’observa retenció tal i com havia descrit Jugé i col•laboradors. En la mateixa línia, l’obertura d’anell de la 2-tert-butiloxazafosfolidina amb el grup NH lliure amb organomagnesians té lloc de forma totalment estereoselectiva a temperatures elevades amb inversió. També s’ha desenvolupat una obertura reductiva de la 2-tert-butiloxazafosfolidina mitjançant l’ús combinat d’una font d’hidrur i un magnesià. Aquesta obertura també és totalment estereoselectiva i no té precedents en la literatura. Els productes d’obertura de la 2-feniloxazafosfolidina es van hidrolitzar segons la metòdica descrita per Jugé a les corresponents metoxifosfines amb bons rendiments i elevats ee. Els productes d’obertura de la 2-tert-butiloxazafosfolidina amb grups alquil es van poder trencar de l’auxiliar quiral amb Li/NH3(liq.) obtenint-se les aminofosfines amb ee>99%. Alternativament, es va desenvolupar una seqüència d’eliminació i posterior hidròlisis que permet alliberar les aril-tert-butilaminofosfines amb bons rendiments i ee>99%. Aquests es va derivatitzar la tert-butilaminofosfina en diferents compostos. Finalment també es va descriure una nova família de lligands basats en fosfinosulfonamides. Es van descriure nous complexos de Rh-fosfinosulfonamida els quals es van aplicar a la reacció de cicloaddició [2+2+2] intramolecular de manera exitosa. Aquests complexos ens van permetre superar amb escreix els resultats descrits prèviament. Finalment, es va dissenyar una nova família de lligands que hem anomenat ThaxPHOS. Es van emprar aquests en la reacció de Pauson-Khand intermolecular catalítica enantioselectiva. La desprotecció i complexació amb dicobalt dóna molt bon resultats i bones diastereoselectivitats gràcies a equilibracions tèrmiques. Inicialment, es va dissenyar una estratègia estequiomètrica enantioselectiva per a l’obtenció de l’adducte de Pauson-Khand amb acetilè lliure sense emprar l’acetilè en forma de gas. L’aplicació d’aquests complexos en la reacció catalítica han donat els millors resultats mai descrits en aquest camp. S’ha plantejat un nou mecanisme catalític per justificar els resultats obtinguts. / The synthesis of efficient and easily affordable chiral ligands are one of the main goals in catalysis. Bulky stereogenic phosphine have demonstrated to be excellent ligands in a broad range of catalytic reactions. Furthermore, their synthesis in an optically pure form is usually difficult. We can consider that the method developed independently by Jugé and Evans are the most effective in this field. Nevertheless, these methods have some drawbacks. These downsides need to be improved and new synthetic methodologies need to be developed to obtain stereogenic phosphorus compounds. In this doctoral thesis we studied the condensation of phenyl- and tert-butylphosphines with (cis)-1-amino-2-indanol. These allowed us to obtain the corresponding oxazaphospholidines with excellent yields and diastereoselectivities (up to 18 : 1). These condensations allowed us to get a free NH functionality. We saw as this secondary amine was the key for our ring-opening strategy. Taking advantage of this group, we performed the ring-opening reaction allowing us to obtain the corresponding ring-opened product with inversion of configuration on the phosphorus atom. This reaction was carried out with total diastereoselectivity, and the ring-opened products obtained from 2-phenyloxazaphospholidine were hydrolyzed following the Jugé procedure described in literature. We obtained the corresponding methoxyphosphine with excellent yields and high ee. The ring-opened products obtained from 2-tert-butyloxazaphospholidine with alkyl groups were reductively cleaved with Li/NH3(l) affording the corresponding aminophosphine with ee>99%. Alternatively, we developed a new strategy based on elimination-hydrolysis to free the corresponding aryl-tert-butylaminophosphines with excellent results and optically pure. Subsequently, we described a new ligand family based on phosphinosulfonamide. We described new complexes of Rh-phosphinosulfonamide and we tested them in the intramolecular cycloaddition [2+2+2] significantly improving on the previous results described. Finally, we designed a new family of PnP* ligands called ThaxPHOS. These ligands were used in the enantioselective catalytic intermolecular Pauson-Khand reaction. The deprotection and successive coordination gave excellent yields and diastereoselectivities due to thermal equilibration. We used ThaxPHOS ligands in this reaction and we described the best results ever obtained in this field and we described a new catalytic mechanism to explain our results.

Cette thèse est composée de deux parties distinctes ayant comme thématique commune, la synthèse d’hétérocycles via la catalyse organométallique.Nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à une voie de synthèse permettant un accès rapide au squelette tétrahydrocyclopenta[c]acridine. Ces composés polyfonctionnalisés sont obtenus très efficacement en seulement trois étapes dans des conditions particulièrement douces. L’étape clé de cette synthèse est une réaction de Pauson-Khand intramoléculaire catalysée au cobalt. Certains composés issus de la famille des tétrahydrocyclopenta[c]acridines présentent une activité d’inhibition sélective envers les kinases dépendantes des cyclines (CDKs), et plus particulièrement la CDK2. Un composé chef de file est identifié, puis grâce aux données de co-Cristallisation avec CDK2 et de modélisation moléculaire, suivi de l’étude des relations structure-Activité, la conception rationnelle d’une deuxième génération de molécules est rendue possible. Le composé le plus avancé présente une CI50 de 300 nM envers CDK2/cyclin A et un excellent profil de stabilité métabolique.Dans un deuxième temps, nous avons étudié et développé une réaction tandem d’addition/cyclisation catalysée par l’argent, avec des nucléophiles carbonés sur des substrats ortho-Alcynylbenzaldéhydes. La stratégie de synthèse conduit à des dérivés 1H-Isochromènes par création de deux nouvelles liaisons (C-C et C-O). Une étude approfondie de la réaction tandem nous a permis d’obtenir une large gamme de dérivés d’isochromènes en mettant en évidence l’influence de différents substituants, portés par le groupement alcyne ou le substrat, ainsi que l’utilisation de différents nucléophiles carbonés (alcynes, aromatiques, hétéroaromatiques). Les limitations de la réaction tandem ont également pu être identifiées. / My thesis proJect is organized around two main topics having in common organometallic chemistry and the synthesis of heterocycles.Firstly, we were interested in a methodology for the synthesis of tetrahydrocyclopenta[c]acridines. These compounds are synthesized in three steps from various quinolines. The key step is a cobalt-Catalyzed intramolecular Pauson-Khand reaction. Some compounds of this family exhibit selective Cyclin Dependent Kinases (CDKs) inhibition, particulary against CDK2, in the submicromolar range. A hit compound has been identified, and then using data from co-Crystallization with CDK2 and molecular modeling, followed by the study of structure-Activity relationships, the rational design of a second generation of molecules has been investigated. The most advanced compound has an IC50 of 300 nM against CDK2/cyclin A with an excellent metabolic profile. In the second axis of research, we have studied and developed a new silver-Catalyzed tandem addition/cyclization reaction with carbon nucleophiles. The systems studied are (hetero)aromatics compounds having an aldehyde group and in ortho-Position an alkynyl group. The synthetic strategy leads to 1H-Isochromene derivatives by creating two new bonds. A thorough study of the tandem reaction allowed us to obtain a wide range of isochromene derivatives, highlighting the influence of different substituents carried by the alkyne group or on the (hetero)aromatic substrates; and also to investigate the use of different carbon nucleophiles (alkynes, aromatics and heteroaromatics). The limitations of the tandem reaction have also been identified.