Les héparanes sulfates (HS) sont des polysaccharides linéaires et sulfatés exprimés sur la surface cellulaire où ils interagissent et régulent l’activité de nombreuses proteines, en particulier les cytokines et chimiokines. Ils sont à ce titre de bons candidats médicaments dans des pathologies inflammatoires, autoimmunes ou en oncologie. L’unité répétitive de ce biopolymère est constituée d’un résidu de D-glucosamine lié à un acide uronique par une liaison 1,2-cis. Malheureusement, la formation d’un glycoside 1,2-cis dans la série 2-azido-2-déoxy-D-glucose avec une haute stéréosélectivité reste un des plus grands défis de la glycochimie. Parmi les nombreuses méthodologies permettant d’accéder à la synthèse des fragments d’HS avec de bons rendements et une bonne stéréosélectivité, nous avons été particulièrement intéressés par l’assistance anchimérique d’un groupement protecteur en position 6 du donneur. L’objectif de ce travail était de trouver des groupements protecteurs qui favoriseront la stéréosélectivité 1,2-cis. Nous avons préparés plusieurs donneurs thioglycosides modifiés en position 6 par des différents groupements protecteurs. L’activation des thioglycosides passe par une étape de formation des triflates anomériques. Nous avons élaboré un protocole de suivi de l’activation sur un donneur modèle afin de suivre la formation du triflate anomérique, sa plage de stabilité, ses produits de dégradation ainsi que les produits secondaires d’activation par RMN à basse température. Ensuite, ce protocole d’activation a été utilisé avec tous les donneurs synthétisés afin d’ajuster les conditions de glycosylation. Les tests de glycosylation nous ont permis de décéler plusieurs groupes capables de favoriser la stéréosélectivité 1,2-cis. Certains groupements protecteurs ont manifesté une incompatibilité avec les conditions d’activation des thioglycosides. Pour contourner ce problème, nous avons remplacé les thioglycosides par les donneurs N-phényltrifluoroacétimidates. Après avoir effectué des études d’activation sur ces donneurs toujours par RMN à basse température, les glycosylations ont été effectuées. Finalement, les groupements protecteurs favorisant la stéréosélectivité 1,2-cis ont été testés dans différentes conditions de déprotection afin d’établir la compatibilité de ces groupements protecteurs avec les conditions de synthèse des oligosaccharides d’HS. / Heparin sulfate (HS) are linear and sulfated polysaccharides present at the cell surface. HS interact and regulate activity of numerous proteins, especially cytokines and chemokines. Therefore, HS oligosaccharides are targeted as potential drugs in inflammation, autoimmune disease or tumor treatment. The basic disaccharide unit of HS consists in D-glucosamine residue linked to an uronic acid by 1,2-cis glycosidic linkage. Unfortunately, the formation of highly stereoselective 1,2-cis glycosidic bond in 2-azido-2-deoxy-D-glucose series is still a major concern in glycochemistry. Amongst the numerous methodologies favoring the stereoselective 1,2-cis linkage formation, we were particularly interested in 6-O-anchimeric assistance. Several thioglycoside donors with different protecting groups in position 6 were prepared to find some 1,2-cis stereodirecting protecting groups. Some thioglycoside activation related in literature yields a reactive anomeric triflate intermediate. In order to observe its formation and to determine the limits of its stability and by-product formation, a new low temperature NMR experiment protocol was elaborated. All synthesized donors were tested using this protocol in order to adjust their glycosylation conditions. The glycosylation tests revealed several 1,2-cis stereodirecting protecting groups. Since certain protecting groups were incompatible with thioglycoside activation conditions, corresponding NPTFA donors were used as an alternative. Their activations were monitored by low temperature NMR techniques and followed by their glycosylations. Finally, all 1,2-cis stereodirecting protecting groups were tested in different deprotection conditions to determine the compatibility of chosen protecting groups with our HS oligosaccharide design synthesis.

<p> To investigate the stereochemical requirements for bishomoaromaticity it was necessary to develop a synthetic scheme that would give suitable precursors in which the stereochemistry could be unambiguously assigned. Arguments are presented in this theses to suggest that, if bishomoaromaticity is to be detected when the two methylene bridges are trans with respect to each other, the 1,4-bishomotropylium system is more favourably oriented for cyclic delocalization than the 1,3-bishomotropylium system. </p> <p> By reacting benzotropone ethylene ketal with phenyl mercuric trichloromethane, followed by removal of the chlorines and protecting group, it is possible to synthesize the trans-4,5-benzo-2,3:6,7-bishomotropone. The cis-4,5-benzo-2,3:6,7-bishomotroponewas synthesized by the action of dimethyloxosulfonium methylide on benzotropone. The stereochemistry in the cis and trans isomers was unambiguously established by examining the nmr spectra of the derived alcohols. </p> <p> To determine the effect of the benzene ring in these homoaromatic systems it was necessary to synthesize 4,5-benzo-2,3-homotropone. By reacting benzotropone with dimethyloxosulfonium methylide it was possible to obtain a high yield of 4,5-benzo-2,3-homotropone. </p> <p> The low temperature nmr spectra of protonated 4,5-benzo-2,3-homotropone and derived alcohol clearly showed that the benzene ring did not decrease the homoaromatic nature of these systems. The hydroxy substituent, however, had a marked effect on the homoaromatic nature. </p> <p> The low temperature nmr spectra of the protonated cis and trans-4,5-benzo-2,3:6,7-bishomotropones showed that the trans hydroxy cation could be best interpreted as a cyclopropyl carbinyl delocalized system and the cis hydroxy cation as a bishomoaromatic species. </p> <P> The low temperature nmr spectra of the trans-4,5-benzo-2,3:6,7bishomotropylium cation also supported the cyclopropyl carbinyl delocalization in this system. In contrast to the hydroxy-substituted system, however, the unsubstituted system was not equilibrating between the two possible equivalent boat conformations. This was attributed to the hydroxy substituent effect on the transition state of the boat-boat equilibrium. </p> <p> In conclusion, arguments are presented that would suggest that the trans-1,3-bishomotropylium cation is not a bishomoaromatic cation as previously reported, but that is can be best represented as a cyclopropylcarbinyl delocalized system. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

La grande majorité des sucres existe sous forme de glycanes. Ces polysaccharides ou glycoconjugués se composent d'unités monosaccharidiques assemblées par des liaisons covalentes qui sont formées à l'issue de la réaction de glycosylation. Bien qu'abondamment utilisée en synthèse organique, certains détails du mécanisme de cette réaction, qui trouve de nombreuses applications dans le domaine de la santé et des matériaux, restent encore à élucider.En particulier, la mise en évidence d'intermédiaires réactionnels de la glycosylation tels que le cation glycosyle ou ion glycosyl oxocarbénium, une espèce chimique théorique généralement invoquée dans le mécanisme, constitue un enjeu essentiel pour élucider ce mécanisme de cette réaction à l'échelle atomique permettant d'améliorer par la suite l'efficacité de cette réaction pour la synthèse d'oligosaccharides et/ou de glycoconjugués. Plusieurs équipes dans le monde ont tenté de mettre en évidence et d'étudier ces intermédiaires ioniques en utilisant différentes approches mais la durée de vie estimée de ces espèces de l'ordre de la picoseconde a, à ce jour, rendu leur observation expérimentale impossible.Ce travail de thèse a consisté à développer une nouvelle approche qui repose sur la combinaison de deux chimies, la glycochimie et la chimie superacide, et l'utilisation de deux techniques d'analyse, la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) in situ à basse température et les calculs théoriques afin de générer, identifier et caractériser les cations glycosyles. Après avoir synthétisé une série de donneurs de glycosyle protégés, ces derniers ont été traités en milieu superacide de type HF/SbF5. A partir du B-D-glucose et de la B-D-glucosamine, les ions dioxalénium et oxazolinium correspondants ont été obtenus, caractérisés et leur conformation élucidée. Afin d'accéder au cation glycosyle tant recherché, les dérivés 2-déoxy et 2-bromo du D-glucopyranose ont été préparés et soumis aux conditions superacides pour fournir pour la première fois l'ion oxocarbénium. La qualité des spectres RMN obtenus pour chaque espèce combinée aux calculs théoriques ont permis d'identifier et d'étudier en détail les conformations privilégiées de ces ions. Enfin le piégeage de ces ions par des nucléophiles faibles a également permis de confirmer l'impact de la structure de l'ion oxocarbénium sur l'orientation de la liaison anomérique générée. / A vast majority of biologically and therapeutically active carbohydrates exist as glycans (polysaccharides or complex glycoconjugates) in which monosaccharide units are joined via the glycosylation reaction. But surprisingly the details of the glycosidic bond formation remain relatively poorly understood.Thus, highlighting this ion is a challenging task that could be useful to rationalize the stereochemical outcome of glycosylation reactions. Furthermore, the data associated with this ion could be exploited to improve the synthesis of oligosaccharides and glycoconjugates. Several research groups mainly based in the US and Japan are involved in the quest for the oxycarbenium ion using various approaches. In addition, the exceedingly short life of non-stabilized glycosyl cations in organic solution makes their delicate direct observation.The aim of the project presented in this report is based on the use two chemistries: glycochemistry and superacid and two analytical techniques by low-temperature NMR assisted by computational study to generate, identify and fully characterize the glycosyl cations. After generating transient species in superacid media, the long-lived intermediates as the known dioxalenium and oxazolinium ions are studied by in situ NMR. From peracetylated 2-deoxy and 2-bromoglucopyranose, the glycosyl cation is generated and deeply analysed for the first time in a condensed phase. NMR aided by complementary computations predicts the privileged three-dimensional structural for each intermediate. The trapping by even poor nucleophile further confirms the impact of the structure of the glycosyl cation on the stereochemical outcome.

Cyanoform (tricyanomethane) is one of the strongest carbon-based organic acids reported in text books of organic chemistry, which has evaded synthesis and isolation in its free state, since 120 years. In this dissertation, the acid-free synthesis of cyanoform by an absolutely new approach has been discussed. Generation of the elusive molecule, cyanoform from the photolysis and thermolysis of 2-(azidomethylidene)malononitrile, has been confirmed at very low temperatures by 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR, and the relevant 2D NMR spectroscopic techniques. Moreover, it has been proved that cyanoform is relatively stable, but can be detected only below –85 oC, and not at high temperatures (at –45 oC, as has been reported in literature), because of a rapid equilibration with an another species. Furthermore, the chemistry of cyanoform in the ring enlargement reactions with various highly strained epoxides, azirines, and aziridines, via the highly reactive dicyanoketenimine intermediate, as well as its Michael addition reactions with different α,β-unsaturated carbonyl compounds has been well explored. In addition, the synthesis of N1-substituted 1,2,3-triazoles and study of their rearrangement to the corresponding N2-substituted 1,2,3-triazoles, under thermal and nucleophile-catalyzed reaction conditions, has been well investigated. / Cyanoform (Tricyanomethan) ist eine der stärksten in der Literatur beschriebenen organischen Kohlenstoffsäuren, welche sich seit 120 Jahren einer erfolgreichen Synthese und Isolierung entzogen hat. In dieser Arbeit wird die säurefreie Synthese des Cyanoforms mittels eines neuartigen Ansatzes diskutiert. Die Bildung des schwer fassbaren Moleküls durch Photolyse und Thermolyse von 2 (Azidomethyliden)malonitril ist bei tiefen Temperaturen durch 1H-NMR, 13C-NMR, 15N-NMR und relevante 2D-NMR-Methoden bestätigt worden. Es konnte bewiesen werden, dass Cyanoform relative stabil ist, aber erst unterhalb von –85 °C detektierbar ist und nicht bereits bei hӧherer Temperature (bei –45 °C, wie es in der Literatur beschrieben wurde) bedingt durch die rasche Äquilibrierung mit einer weiteren Species. Des Weiteren wurde die Reaktivität von Cyanoform in Ringerweiterungsreaktionen mit verschiedenen, stark gespannten Epoxiden, Azirinen und Aziridinen untersucht, wobei das hoch reaktive Dicyanoketenimin-Intermediat durchlaufen wird. Auch die Michael-Addition an α,β ungesättigte Carbonylverbindungen wurde ausführlich untersucht. Zusätzlich wurde die Synthese N1 substituierter 1,2,3-Triazole und deren Umlagerung in N2 substituierte 1,2,3-Triazole unter thermischen und nucleophil-katalysierten Bedingungen erforscht.

Cyanoform (tricyanomethane) is one of the strongest carbon-based organic acids reported in text books of organic chemistry, which has evaded synthesis and isolation in its free state, since 120 years. In this dissertation, the acid-free synthesis of cyanoform by an absolutely new approach has been discussed. Generation of the elusive molecule, cyanoform from the photolysis and thermolysis of 2-(azidomethylidene)malononitrile, has been confirmed at very low temperatures by 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR, and the relevant 2D NMR spectroscopic techniques. Moreover, it has been proved that cyanoform is relatively stable, but can be detected only below –85 oC, and not at high temperatures (at –45 oC, as has been reported in literature), because of a rapid equilibration with an another species. Furthermore, the chemistry of cyanoform in the ring enlargement reactions with various highly strained epoxides, azirines, and aziridines, via the highly reactive dicyanoketenimine intermediate, as well as its Michael addition reactions with different α,β-unsaturated carbonyl compounds has been well explored. In addition, the synthesis of N1-substituted 1,2,3-triazoles and study of their rearrangement to the corresponding N2-substituted 1,2,3-triazoles, under thermal and nucleophile-catalyzed reaction conditions, has been well investigated. / Cyanoform (Tricyanomethan) ist eine der stärksten in der Literatur beschriebenen organischen Kohlenstoffsäuren, welche sich seit 120 Jahren einer erfolgreichen Synthese und Isolierung entzogen hat. In dieser Arbeit wird die säurefreie Synthese des Cyanoforms mittels eines neuartigen Ansatzes diskutiert. Die Bildung des schwer fassbaren Moleküls durch Photolyse und Thermolyse von 2 (Azidomethyliden)malonitril ist bei tiefen Temperaturen durch 1H-NMR, 13C-NMR, 15N-NMR und relevante 2D-NMR-Methoden bestätigt worden. Es konnte bewiesen werden, dass Cyanoform relative stabil ist, aber erst unterhalb von –85 °C detektierbar ist und nicht bereits bei hӧherer Temperature (bei –45 °C, wie es in der Literatur beschrieben wurde) bedingt durch die rasche Äquilibrierung mit einer weiteren Species. Des Weiteren wurde die Reaktivität von Cyanoform in Ringerweiterungsreaktionen mit verschiedenen, stark gespannten Epoxiden, Azirinen und Aziridinen untersucht, wobei das hoch reaktive Dicyanoketenimin-Intermediat durchlaufen wird. Auch die Michael-Addition an α,β ungesättigte Carbonylverbindungen wurde ausführlich untersucht. Zusätzlich wurde die Synthese N1 substituierter 1,2,3-Triazole und deren Umlagerung in N2 substituierte 1,2,3-Triazole unter thermischen und nucleophil-katalysierten Bedingungen erforscht.

Gegenstand dieser Arbeit sind Versuche zur Synthese neuer binärer Kohlenstoffnitride im Allgemeinen und von C3N4-Vorläuferverbindungen im Speziellen. Hierbei werden v. a. die Herstellung und die Eigenschaften organischer Polyazide beschrieben, die aufgrund ihrer Gefährlichkeit durch zahlreiche Folgereaktionen in weniger brisante Moleküle überführt werden mussten. Als Derivatisierungsreaktionen kamen hierbei beispielsweise die 1,3-dipolare Cycloaddition mit Norbornen und Cyclooctin, die STAUDINGER-Reaktion mit verschiedenen Phosphinen sowie die Aza-WITTIG-Reaktion zum Einsatz. Es konnten dabei u. a. zehn Röntgeneinkristallstrukturen erhalten und als Strukturbeweis aufgeführt werden. Zahlreiche hochaufgelöste Massenspektren sowie Elementaranalysen und NMR-Daten bestätigten außerdem alle neu erhaltenen Strukturen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit stellen Versuche zur Synthese von monomerem C3N4 dar, dessen Herstellung zwar nicht gelang, für dessen Bildung allerdings neue Möglichkeiten ausgehend von verschiedenen Edukten beschrieben werden. Darüber hinaus wurden bereits bekannte Moleküle auf ihre Eignung als C3N4-Vorläufer untersucht, wobei z. B. durch Azid-Addition an Nitrilgruppen unerwartete neue Produkte erhalten werden konnten.

4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazoles are postulated to be key intermediates in the synthesis of ketones from alkenes on an industrial scale, alkylation of DNA in vivo, decomposition of N-nitrosoureas (potent carcinogens), and are also a subject of great interest for theoretical chemists. In this thesis, formation of the parent compound and decay into secondary products has been studied by NMR monitoring analysis. The elusive properties and the intermediacy of the parent compound, 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole, in the decomposition of suitably substituted N-nitrosoureas using Tl(I) alkoxides as bases, have been confirmed by the characterisation of its decay products viz., ethylene oxide, acetaldehyde, and especially diazomethane, at very low temperatures by 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR, and relevant 2D NMR methods. Moreover, it has been shown that the methylation of nucleophilic molecules by 3-methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazolium salts, which are considered to be activated forms of β−hydroxyalkylnitrosamines, does not involve 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole as an intermediate, as has been reported in literature; instead, nucleophilic substitution leading to synthesis of open-chain products dominates the reaction. / 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazole wurden als Schlüsselintermediate in der industriellen Synthese von Ketonen aus Alkenen, der in vivo Alkylierung von DNA und der Zersetzung von N-Nitrosoharnstoffen (potente Karzinogene) postuliert. Sie sind ebenso von großem Interesse in der theoretischen Chemie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bildung der Stammverbindung und deren Zersetzung in sekundäre Produkte mittels NMR-Verfolgung studiert. Die ausgesprochene Kurzlebigkeit der Stammverbindung 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol wurde durch die Charakterisierung der Produkte bei der Zersetzung geeignet substituierter N-Nitrosoharnstoffe mit Tl(I)-Alkoxiden bestätigt. Die Zersetzungsprodukte Ethylenoxid, Acetaldehyd und besonders Diazomethan wurden bei sehr niedrigen Temperaturen mittels 1H-NMR, 13C-NMR, 15N-NMR und relevanten 2D-NMR-Methoden charakterisiert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Methylierung nucleophiler Spezies mit 3-Methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazoliumsalzen, welchen als aktivierte Äquivalente der β−Hydroxyalkylnitrosamine verstanden werden, nicht zur Bildung von 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol als Intermediat führt, so wie dies in der Literatur berichtet wurde. Stattdessen wird die Bildung offenkettiger Produkte durch nukleophile Substitution bevorzugt.

Gegenstand dieser Arbeit sind Versuche zur Synthese neuer binärer Kohlenstoffnitride im Allgemeinen und von C3N4-Vorläuferverbindungen im Speziellen. Hierbei werden v. a. die Herstellung und die Eigenschaften organischer Polyazide beschrieben, die aufgrund ihrer Gefährlichkeit durch zahlreiche Folgereaktionen in weniger brisante Moleküle überführt werden mussten. Als Derivatisierungsreaktionen kamen hierbei beispielsweise die 1,3-dipolare Cycloaddition mit Norbornen und Cyclooctin, die STAUDINGER-Reaktion mit verschiedenen Phosphinen sowie die Aza-WITTIG-Reaktion zum Einsatz. Es konnten dabei u. a. zehn Röntgeneinkristallstrukturen erhalten und als Strukturbeweis aufgeführt werden. Zahlreiche hochaufgelöste Massenspektren sowie Elementaranalysen und NMR-Daten bestätigten außerdem alle neu erhaltenen Strukturen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit stellen Versuche zur Synthese von monomerem C3N4 dar, dessen Herstellung zwar nicht gelang, für dessen Bildung allerdings neue Möglichkeiten ausgehend von verschiedenen Edukten beschrieben werden. Darüber hinaus wurden bereits bekannte Moleküle auf ihre Eignung als C3N4-Vorläufer untersucht, wobei z. B. durch Azid-Addition an Nitrilgruppen unerwartete neue Produkte erhalten werden konnten.

4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazoles are postulated to be key intermediates in the synthesis of ketones from alkenes on an industrial scale, alkylation of DNA in vivo, decomposition of N-nitrosoureas (potent carcinogens), and are also a subject of great interest for theoretical chemists. In this thesis, formation of the parent compound and decay into secondary products has been studied by NMR monitoring analysis. The elusive properties and the intermediacy of the parent compound, 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole, in the decomposition of suitably substituted N-nitrosoureas using Tl(I) alkoxides as bases, have been confirmed by the characterisation of its decay products viz., ethylene oxide, acetaldehyde, and especially diazomethane, at very low temperatures by 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR, and relevant 2D NMR methods. Moreover, it has been shown that the methylation of nucleophilic molecules by 3-methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazolium salts, which are considered to be activated forms of β−hydroxyalkylnitrosamines, does not involve 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole as an intermediate, as has been reported in literature; instead, nucleophilic substitution leading to synthesis of open-chain products dominates the reaction. / 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazole wurden als Schlüsselintermediate in der industriellen Synthese von Ketonen aus Alkenen, der in vivo Alkylierung von DNA und der Zersetzung von N-Nitrosoharnstoffen (potente Karzinogene) postuliert. Sie sind ebenso von großem Interesse in der theoretischen Chemie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bildung der Stammverbindung und deren Zersetzung in sekundäre Produkte mittels NMR-Verfolgung studiert. Die ausgesprochene Kurzlebigkeit der Stammverbindung 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol wurde durch die Charakterisierung der Produkte bei der Zersetzung geeignet substituierter N-Nitrosoharnstoffe mit Tl(I)-Alkoxiden bestätigt. Die Zersetzungsprodukte Ethylenoxid, Acetaldehyd und besonders Diazomethan wurden bei sehr niedrigen Temperaturen mittels 1H-NMR, 13C-NMR, 15N-NMR und relevanten 2D-NMR-Methoden charakterisiert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Methylierung nucleophiler Spezies mit 3-Methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazoliumsalzen, welchen als aktivierte Äquivalente der β−Hydroxyalkylnitrosamine verstanden werden, nicht zur Bildung von 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol als Intermediat führt, so wie dies in der Literatur berichtet wurde. Stattdessen wird die Bildung offenkettiger Produkte durch nukleophile Substitution bevorzugt.