Les nucléotides naturels sont les monomères constitutifs de l’ADN et de l’ARN, et sont nécessaires à la prolifération des cellules cancéreuses et des virus. L’utilisation d’analogues de nucléosides comme agents anti-cancéreux et/ou antiviraux a rapidement suscité un grand intérêt thérapeutique. Plusieurs analogues comportant un centre quaternaire carboné en position C3' ont été synthétisés par le laboratoire du Dr. Guindon et possèdent d’intéressantes activités biologiques. Une nouvelle approche acyclique a été développée afin d’accéder efficacement et sélectivement à une multitude de nouveaux analogues de nucléosides ciblés. Cette stratégie se distingue par l’élaboration d’une nouvelle réaction d’aldolisation de Mukaiyama énantiosélective à partir d’un alpha-alkoxy aldéhyde protégé et d’un complexe chiral. L’addition stéréosélective de la nucléobase sur un précurseur dithioacétal, suivi d’une cyclisation intramoléculaire de type « SN2-like », permet la synthèse directe des anomères alpha de la série (D)-1',2'-trans porteurs d’un atome de fluor en C2' et d’un centre quaternaire en C3'. La différenciation des deux alcools primaires rend possible la fonctionnalisation sélective sur la position C3' ou C5' en fin de synthèse pour potentiellement conférer une amélioration des propriétés biologiques sur de tels analogues. L’application de cette stratégie a également permis de synthétiser facilement et efficacement une nouvelle famille d’analogues de nucléosides C2'-désoxy porteurs d’un centre quaternaire en C3'. La différenciation des deux alcools primaires en C3' et C5' facilite la séparation des produits de glycosylation suite à la déprotection sélective d’une de ces deux positions. Il a été déterminé que lorsque le précurseur de glycosylation contient une acétylglycine sur la position C3', un effet bêta-directeur est induit. Finalement, de nouveaux analogues C2'-désoxy ont été préparés et sont présentement testés contre une série de virus et d’enzymes polymérases. / Natural nucleotides are the constituent monomers of DNA and RNA, and are necessary for the proliferation of cancer cells and viruses. The use of nucleoside analogues as anti-cancer and/or antiviral agents quickly aroused great therapeutic interest. Several analogues containing an all-carbon quaternary center in the C3' position have been synthesized by the Guindon laboratory and have interesting biological activities. A new acyclic approach has been developed in order to gain efficient and selective access to a multitude of these novel targeted nucleoside analogues. This strategy is distinguished by the development of a new enantioselective Mukaiyama aldol reaction starting from a protected alpha-alkoxy aldehyde and a chiral complex. The stereoselective addition of the nucleobase on an acyclic dithioacetal precursor, followed by an intramolecular SN2-like cyclization, allows the direct synthesis of alpha-anomers in the (D) -1',2'-trans series bearing a fluorine atom at the C2' position and a quaternary center at C3'. The differentiation of the two primary alcohols throughout the synthetic routes is necessary to selectively functionalize the C3' or C5' position at the end of the synthesis to potentially confer enhanced biological properties on such analogues. The application of this strategy has also made it possible to easily and efficiently synthesize a new family of C2'-deoxy analogues bearing a C3' quaternary center. The differentiation of the C3' and C5' primary alcohols facilitates the separation of the glycosylation products through the selective deprotection of one of these two positions. It has been determined that when the glycosylation precursor contains an acetylglycine at the C3' position, a bêta-directing effect is induced. Finally, new C2'-deoxy analogues have been prepared and are currently being tested against a series of viruses and polymerase enzymes.

Les analogues de nucléosides ont reçu une attention particulière en raison de leurs importantes applications anticancéreuses et antivirales. Dans cette thèse, de nouveaux analogues nucléosidiques de type 1′,2′-cis et 1′,2′-trans ribo portant un centre stéréogénique quaternaire fonctionnalisé en position C3′ ont été synthétisés par des réactions de N-glycosylation stéréosélectives, qui ont été contrôlées en installant différents types de groupes protecteurs sur le C2′ substituant hydroxyle. Le précurseur acyclique critique de 2,4-syn diol a été obtenu par réduction diastéréosélective d’une β-hydroxycétone en utilisant la délivrance d'hydrure intermoléculaire. Une approche pour une séparation facile des 2,4-syn et 2,4-anti diols par protection/déprotection acétonide a été établie, de sorte que le 2,4-syn diol pur puisse être rapidement accessible par oxydation allylique successive et protection acétonide. Une stratégie alternative a également été développée pour la préparation d'analogues nucléosidiques en C1′-β de type ribo portant un centre quaternaire C3′ avec un groupe hydroxyle C5′ libre. Dans cette stratégie, les diacétates de type ribo ont servi de donneur de glycosyle qui ont été synthétisés à partir d’une époxydation diastéréosélective d’un précurseur de glycal. La réaction énantiosélective consécutive de Mukaiyama aldol et le transfert d'allyle intramoléculaire de radicaux libres catalysé par photoredox ont été établis et développés dans notre laboratoire pour installer le centre stéréogénique quaternaire. Des nucléosides 5′-triphosphates portant soit une purine soit une pyrimidine ont ensuite été synthétisés et sont testés contre le cancer et les infections virales. De plus, l'analogue L-1′,2′-cis-4′-thionucléoside portant un centre quaternaire stéréogénique fonctionnalisé en position C3′ avec un substituant hydroxyle en C2′ a été synthétisé par une stratégie acyclique avec 1′,2′-syn thioaminal précurseur, qui a subi une cyclisation intramoléculaire de type SN2 de type S1′→C4′. Le 1′,2′-syn thioaminal a été synthétisé par une addition de nucléobase diastéréosélective sur un dithioacétal. / Nucleoside analogues have received extensive attention due to their important anticancer and antiviral applications. In this thesis, novel 1′,2′-cis and trans ribo-like nucleoside analogues bearing an all-carbon C3′ quaternary stereogenic center were synthesized using stereoselective N-glycosylation reactions, which were controlled by installing different types of protecting groups on the C2′ hydroxyl substituent. The critical acyclic 2,4-syn diol precursor was obtained by diastereoselective reduction of a β-hydroxy ketone using intermolecular hydride delivery. An approach for easy separation of the 2,4-syn and 2,4-anti diols through acetonide protection/deprotection was established to rapidly access the pure 2,4-syn diol through successive allylic oxidation and acetonide protection. An alternative strategy was also developed for the preparation of ribo-like C1′-β nucleoside analogues bearing an all-carbon C3′ quaternary center with a free C5′ hydroxyl group. In this strategy, ribo-like diacetates served as the glycosyl donors which were synthesized from a diastereoselective epoxidation of a glycal precursor. A consecutive enantioselective Mukaiyama aldol reaction followed by a photoredox catalyzed free radical intramolecular allyl transfer were established and developed in our lab to install the all-carbon quaternary stereogenic center. Nucleoside 5′-triphosphates bearing either a purine or a pyrimidine nucleobase were then synthesized and are currently being tested against cancer and viral infections. In addition, L-1′,2′-cis-4′-thionucleoside analogues bearing an all-carbon C3′ stereogenic quaternary center along with a C2′ hydroxyl substituent were synthesized using an acyclic strategy from a 1′,2′-syn thioaminal precursor followed by a S1′→C4′ intramolecular SN2-like cyclization. The 1′,2′-syn thioaminal was synthesized by a diastereoselective nucleobase addition onto a dithioacetal.

Le travail présenté dans cet ouvrage porte sur la synthèse diastéréosélective d’analogues de nucléosides et leurs usages thérapeutiques. L’intérêt pour cette classe de molécules comme agents anti-cancer et/ou antiviraux réside dans l’existence d’acides nucléiques (sous la forme d’ADN ou d’ARN) nécessaires à la reproduction des cellules cancéreuses et la réplication virale. Plusieurs cofacteurs enzymatiques importants possèdent également une structure nucléosidique et occupent des rôles clés dans les processus cellulaires. La première partie concerne le développement d’une sonde chimique pour l’inhibition de protéines méthyltransférases (PMTs). Cette famille d’enzymes assure la méthylation de protéines, soit une modification post-traductionnelle qui a été associée récemment à certaines maladies incluant le cancer. Sur la base de la structure du cofacteur naturel S-adénosyl-L-méthionine (SAM) et d’inhibiteurs émergents, de nouveaux nucléosides fluorés ont été conçus et synthétisés pour potentiellement améliorer l’activité inhibitrice vis-à-vis certaines de ces enzymes. En collaboration avec le SGC de Toronto, les analogues de nucléosides ont été testés biologiquement et certains ont présenté une activité intéressante contre la lysine méthyltransférase SETDB1. La seconde partie, quant à elle, porte sur la synthèse d’une nouvelle famille d’analogues de nucléosides C2'-fluorés comportant un centre quaternaire fonctionnalisé en position C3'. Différentes bases azotées ont été introduites diastéréosélectivement et, plus de vingt analogues de nucléosides et pronucléotides ont été préparés. Une collaboration avec le laboratoire de la Pre Mona Nemer à l’Université d’Ottawa a permis de les tester in vitro sur des lignées cellulaires cancéreuses du pancréas, où certains montrent une activité biologique intéressante. / The work presented in this manuscript describes the diastereoselective synthesis of nucleoside analogues and their therapeutic uses. The interest in this important class of molecules as anticancer and/or antiviral agents stems from the administration of modified nucleosides that interfere with cell division and viral replication through incorporation into DNA and RNA and/or inhibition of essential enzymes. These analogues thus compete with their natural counterparts to inhibit the synthesis of nucleotides which is the limiting process in cell proliferation. The first objective of this thesis is the development of a chemical probe with inhibitory properties against protein methyltransferases (PMTs). This enzyme family is responsible for protein methylation, a post-translational modification recently linked to cancer and other diseases. Based on the structure of the natural cofactor, S-adenosyl-L-methionine (SAM), novel fluorinated nucleoside analogues were synthesized in an effort to further improve biological activity. In collaboration with the SGC in Toronto, two of these compounds showed interesting activity toward the lysine methyltransferase SETDB1. The second part of this thesis describes the synthesis of a new family of nucleoside analogues bearing a C2' fluorine and a novel all-carbon quaternary center at C3'. Generation of these molecules required optimization of the glycosylation reaction to incorporate various nucleobases as well as modifications to the substituents on the sugar backbone. This resulted in the synthesis of more than twenty analogues including pronucleotides. The biological activity of these molecules was determined in collaboration with Pre Mona Nemer’s laboratory at the University of Ottawa. Such nucleoside analogues have shown interesting activity against pancreatic cancer cell lines.

La synthèse énantiosélective de la (+)-ambruticine S, un produit naturel antifongique a été effectuée au sein de notre groupe. Trois approches ont été développées pour la synthèse du fragment lactone (cycle A). Ces trois voies d’accès au cycle A ont pour intermédiaire commun le methyl α-D-glycopyranoside déjà porteur du diol requis et disponible commercialement à bon prix. Une désoxygénation de l’hydroxyle en C-4 et l’homologation d’un carbone de la chaine latérale en C-6 ont permis l’obtention du cycle lactonique A. Le deuxième projet est une collaboration entre le groupe Hanessian et ISIS Pharmaceuticals afin de développer de nouveaux oligonucléosides antisens. Les nucléosides antisens [4.3.0]-bicycliques cis et trans ont été synthétisés avec succès à partir d’un monosaccharide naturel commun, L-arabinose, porteur des stéréocentres requis. Un réaction clé d’allylation de Sakurai a permis d’obtenir les diastéréoisomères cis et trans dans des conditions de contrôle de type Felkin-Ahn et de contrôle par chélation respectivement. Les composés bicycliques finaux cibles ont été obtenus par une réaction d’aldol intramoléculaire catalyzéé par la proline, par métathèse de fermeture de cycle et par l’application de la méthode de Vorbrüggen pour la synthèse de nucléosides. / An enantioselective synthesis of the antifungal natural product (+)-ambruticin S has been accomplished in our group. For the synthesis of a ring A lactone fragment, three approaches were developed. They all started from commercially available and inexpensive methyl α-D-glycopyranoside, which already possesses the required diol unit. A deletion of the hydroxyl group at C-4 and a one-carbon homologation of the C-6 side chain furnished the ring A lactone. The second project is an ongoing collaboration between the Hanessian group and ISIS pharmaceuticals to develop new antisense oligonucleosides. The cis- and trans-[4.3.0]bicyclic antisense nucleosides were successfully synthesized from a common natural monosaccharide, L-arabinose, which bears the required stereocenters. A key Sakurai allylation led to the cis- and trans diastereomers under Felkin-Ahn and chelation-controlled conditions respectively. The final bicyclic targets were achieved by a practical proline-catalyzed intramolecular aldol reaction and ring-closing metathesis (RCM) strategy, and application of the Vorbrüggen method for nucleoside synthesis.

Cette thèse décrit deux thèmes principaux: 1) la conception, la synthèse, et l'évaluation biophysique des nucléosides tricycliques, et 2) la synthèse de nagilactone B, un produit naturel norditerpenoïde dilactone de la famille de produits naturels “podolactone”. Le premier chapitre décrit la stratégie de design rationnel des nucléosides nommé “restriction conformationnelle double” basée sur les études de modélisation structurales des duplex ADN–ARN modifiés. Cette stratégie implique un blocage du cycle furanose dans une configuration de type N- ou S, et une restriction de la rotation torsionelle autour de l’angle γ. La première contrainte a été incorporée avec un pont méthylène entre l’oxygène en position 2′ et le carbone 4′ du nucléoside. Cette stratégie a été inspirée par les acides nucléiques bloqués (ou “locked nucleic acid”, LNA). La deuxième contrainte a été réalisée en ajoutant un carbocycle supplémentaire dans l'échafaud de l’acide nucléique bloqué. Les défis synthétiques de la formation des nucléotides modifiés à partir des carbohydrates sont décrits ainsi que les améliorations aux stabilités thermiques qu’ils apportent aux duplex oligonucléïques dont ils font partie. Chapitres deux et trois décrivent le développement de deux voies synthétiques complémentaires pour la formation du noyau de nagilactone B. Ce produit naturel a des implications pour le syndrome de Hutchinson–Gilford, à cause de son habilité de jouer le rôle de modulateur de l’épissage d’ARN pré-messager de lamine A. Ce produit naturel contient sept stereocentres différents, dont deux quaternaires et deux comprenant un syn-1,2-diol, ainsi que des lactones à cinq ou six membres, où le cycle à six ressemble à un groupement α-pyrone. La synthèse a débuté avec la cétone de Wieland-Miescher qui a permis d’adresser les défis structurels ainsi qu’explorer les fonctionnalisations des cycles A, B et D du noyau de nagilactone B. / The present thesis comprises two major themes: 1) the design, synthesis, and biophysical evaluation of conformationally restricted tricyclic nucleosides for antisense applications, and 2) strategic approaches for synthesizing the core of nagilactone B, a norditerpenoid dilactone from the podolactone family of natural products. Guided by structural studies of modified DNA–RNA duplexes, Chapter One focuses on a proposed dual-conformational-restriction strategy, in which two modes of conformational restriction are incorporated into a single nucleotide modification: 1) locking the furanose ring in an N- or S-type configuration and 2) restricting rotation around backbone torsion angle γ. The first constraint was incorporated by way of a 2′,4′-anhydro bridge that is found in the scaffold of locked nucleic acid (LNA), while the second was realized by annealing an additional carbocyclic ring to the modified nucleoside. The synthetic challenges associated with preparing these highly constrained molecules from carbohydrate-derived starting materials are described, in addition to the corresponding improvements in duplex thermal stability they provide to oligonucleotide sequences containing them. Chapters Two and Three describe complementary approaches for the synthesis of the core of nagilactone B, a natural product with implications for Hutchinson–Gilford progeria syndrome, as a consequence of its ability to act as a modulator of splicing events leading to lamin A. This natural product contains seven stereogenic centers overall, including a syn-1,2-diol moiety, a γ-lactone, and a pair of quaternary stereocenters, which are complemented by the presence of an α-pyrone moiety. To address the synthesis of these structural features, the utility of the Wieland–Miescher ketone was explored with an emphasis on synthesizing rings A, B, and D of the core of nagilactone B.

La synthèse énantiosélective de la (+)-ambruticine S, un produit naturel antifongique a été effectuée au sein de notre groupe. Trois approches ont été développées pour la synthèse du fragment lactone (cycle A). Ces trois voies d’accès au cycle A ont pour intermédiaire commun le methyl α-D-glycopyranoside déjà porteur du diol requis et disponible commercialement à bon prix. Une désoxygénation de l’hydroxyle en C-4 et l’homologation d’un carbone de la chaine latérale en C-6 ont permis l’obtention du cycle lactonique A. Le deuxième projet est une collaboration entre le groupe Hanessian et ISIS Pharmaceuticals afin de développer de nouveaux oligonucléosides antisens. Les nucléosides antisens [4.3.0]-bicycliques cis et trans ont été synthétisés avec succès à partir d’un monosaccharide naturel commun, L-arabinose, porteur des stéréocentres requis. Un réaction clé d’allylation de Sakurai a permis d’obtenir les diastéréoisomères cis et trans dans des conditions de contrôle de type Felkin-Ahn et de contrôle par chélation respectivement. Les composés bicycliques finaux cibles ont été obtenus par une réaction d’aldol intramoléculaire catalyzéé par la proline, par métathèse de fermeture de cycle et par l’application de la méthode de Vorbrüggen pour la synthèse de nucléosides. / An enantioselective synthesis of the antifungal natural product (+)-ambruticin S has been accomplished in our group. For the synthesis of a ring A lactone fragment, three approaches were developed. They all started from commercially available and inexpensive methyl α-D-glycopyranoside, which already possesses the required diol unit. A deletion of the hydroxyl group at C-4 and a one-carbon homologation of the C-6 side chain furnished the ring A lactone. The second project is an ongoing collaboration between the Hanessian group and ISIS pharmaceuticals to develop new antisense oligonucleosides. The cis- and trans-[4.3.0]bicyclic antisense nucleosides were successfully synthesized from a common natural monosaccharide, L-arabinose, which bears the required stereocenters. A key Sakurai allylation led to the cis- and trans diastereomers under Felkin-Ahn and chelation-controlled conditions respectively. The final bicyclic targets were achieved by a practical proline-catalyzed intramolecular aldol reaction and ring-closing metathesis (RCM) strategy, and application of the Vorbrüggen method for nucleoside synthesis.

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