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.

Le développement de la thérapie génique dépend des systèmes utilisés pour le transport de gènes vers les cellules eucaryotes. Les systèmes à base de virus sont les plus efficaces. Cependant, il est urgent de trouver une alternative à de tels systèmes viraux pathogènes et oncogènes. Les polymères cationiques sont des vecteurs synthétiques prometteurs ; toutefois, une question cruciale reste en suspens : quelle structure de polymère cationique visée pour une efficacité de transfection élevée et une faible cytotoxicité ? Face à ce questionnement scientifique, de nouveaux polymères cationiques offrant une grande flexibilité en termes de structure et de fonctionnalité sont développés dans cette thèse. Les différents paramètres structuraux pertinents étudiés sont : (i) des entités amines primaire et tertiaire pH-sensibles pour la complexation de l'ADN et pour la libération des polyplexes ADN/polymère, (ii) un groupe alcyne destiné à l’ancragepar chimie click de ligands capables de viser des récepteurs spécifiques de membrane cellulaire pour une reconnaissance efficace des cellules, (iii) des entités polyacrylates à « charge modulable » pour libérer l'ADN et diminuer la cytotoxicité du polymère et (iv) un poly (oxyde d'éthylène) (PEGylation) pour une meilleure stabilité en milieu physiologique et une meilleure biocompatibilté. / The clinical success of gene therapy is really dependent on the development of new efficient gene transfer systems. Viral-based gene transfer systems are remarkably efficient in transfecting body cells. However, viral-based systems raised some concerns in terms of immunogenicity, pathogenicity, and oncogenicity. Cationic polymers are promising candidates as they show low host immunogenicity, are cheaper and easier to produce in a large scale than viral ones. However, a crucial question is still pending: which cationic polymer structures and functionalities give the highest transfection efficiency and the lowest cytotoxicity? In dealing with this scientific issue, new cationic polymers with key structural parameters and functionalities were developped during this PhD thesis. The key structural features studied are : (i) pH sensitive primary and tertiary amine entities for DNA complexation and to ensure the endosomal escape, (ii) an alkyne group to attach ligands capable to target specific cell membrane receptors for an efficient cell recognition and receptor-mediated cellularuptake, (iii) “charge-shifting” amino-based polyacrylates for DNA release and to decrease cytotoxicity and (iv) PEG chains (PEGylation) to achieve high stability, longer circulation in physiological conditions and a better biocompatibility. The synthesis of such multi-structural cationic polymers has been achieved through the combination of RAFT polymerization and thiol-yne click coupling reaction. The structure/complexation and the structure/cells viability relationships have been investigated during this work.

Protein adsorption on solid surfaces is a common yet complicated phenomenon that is not fully understood. Self-assembled monolayers have been utilized in many studies, as well-defined model systems for studying protein-surface interactions in the atomic level. Various strategies, including the use of single component SAMs[1, 2], combinations of long and short alkanethiolates with methyl- and hydroxyl- terminal groups[3, 4], and using mixtures of alkanethiolates with similar chain length and varying terminal functional group [5] have been used to effectively control the surface wettability and determine the effect of surface composition and wettability on protein adsorption. In this dissertation we report key new findings on the effect of surface density of functional groups on protein adsorption phenomenon. In The first phase of this research, we developed a novel approach for preparation of low-density self-assembled monolayers(LD-SAMs) on gold surfaces, based on radical-initiated thiol-yne click chemistry. This approach provides exceptional adsorbate stability and conformational freedom of interfacial functional groups, and is readily adapted for low-density monolayers of varied functionality. The resulting monolayers have two distinct phases: a highly crystalline head phase adjacent to the gold substrate, and a reduced density tail phase, which is in contact with the environment. First, we investigated the feasibility of the proposed chemistry in solution-phase. In this approach, we synthesized “Y” shaped carboxylate-terminated thiol adsorbates via radical-initiated thiol-yne reaction. The LD-SAMs were then prepared through immersion of gold substrates into the solution of synthesized adsorbate molecules in hexane. The chemical structuring and electrochemical properties of resultant LD-SAMs were analyzed and compared with those of analogous traditional well-packed monolayers, using techniques such as Fourier transform infrared spectroscopy, ellipsometry, electrochemical impedance spectroscopy, reductive desorption, and contact angle goniometry. Characterization results indicated that resulting LD-SAMs have a lower average crystallinity, and higher electrochemical stability compared to well-packed monolayers. In addition, using a three-electrode system, we were able to show a reversible change in LD-SAM surface wettability, in response to an applied voltage. This remodeling capacity confirms the low density of the surface region of LD-SAM coatings. The second area of work was focused on using the developed chemistry in solid-phase. The solid-phase approach minimized the required synthesis steps in solution-phase method, and used the photo-initiated thiol-yne click-reaction for grafting of acid-terminated alkynes to thiol-terminated monolayers on a gold substrate to create similar LD-SAMs as what were prepared through solution-phase process. We characterized the resulting monolayers and compared them to analogous well-packed SAMs and the also low-density monolayers prepared through the solution phase approach. The results confirmed the proposed two-phase structure, with a well-packed phase head phase and a loosely-packed tail phase. In addition, the electrochemical studies, indicated that the resultant monolayers were less stable than the monolayers prepared via solution-phase, but they are yet significantly more stable than typical well-packed monolayers. The less stability of these monolayers were attributed to the partial desorption of adsorbates from the gold substrate due to UV irradiation during the grafting process. Building on the established chemistry, we studied the effect of lateral packing density of functional groups in a monolayer on the adsorption of Bovine serum albumin protein. we used surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) and spectroscopic ellipsometry, to evaluate BSA adsorption on carboxylate‑, hydroxyl-, or alkyl- terminated LD-SAMs. It was found that for the LD-SAMs, the magnitude of protein adsorption is consistently higher than that of a pure component, well-packed SAM for all functionalities studied. In addition, it was seen that the magnitude of BSA adsorption the LD-SAMs, was consistently higher than that of a pure component, well-packed SAM for all functionalities studied. The difference of protein adsorption on LD-SAMs and SAMs can not be associated to difference in lateral packing density, unless we eliminate the impact of other contributing factors in protein adsorption such as surface energy. In order to better understand the impact of packing density on protein-surface interactions, we prepared the mixed SAMs of (carboxylate/alkyl) and (hydroxyl/alkyl) with matching surface energy as the carboxylate and hydroxyl terminated LD-SAMs. It was found that the energy-matched mixed SAMs of carboxylate and hydroxyl functionality adsorbed more protein than the LD-SAMs. However, an opposite trend was seen for the alkyl surfaces, where surface energies are comparable for LD-SAMs and pure component SAMs, indicating that BSA proteins have higher affinity for methyl- terminated LD-SAMs than well-packed SAMs.

La mise au point de nouvelles stratégies de synthèse, toujours plus efficaces, générales et si possible respectueuses de l’environnement, ainsi que l’obtention de nouvelles briques moléculaires, permettant in fine la construction de molécules complexes sont d’une importance cruciale en synthèse organique. Dans ce contexte, l’étude de méthodes permettant d’une part la fonctionnalisation directe de liaisons C-H et, d’autre part, le développement de nouvelles transformations chimiques, sont des approches particulièrement attrayantes donnant soit accès à des routes synthétiques bien plus efficaces que celles correspondant à des déconnections plus classiques, soit accès à de nouvelles plateformes moléculaires. C’est dans ce cadre général que ce sont inscrits les travaux réalisés au cours de cette thèse qui nous ont permis de développer de nouveaux procédés de fonctionnalisation directe d’hétérocycles azotés et de mettre au point de nouvelles transformations à partir d’alcynes hétérosubstitués, composés qui se sont avérés être d’excellents précurseurs pour la formation de diverses molécules structurellement plus complexes. Ces différentes réactions permettent d’accéder à des composés d’importance en synthèse organique ou en chimie médicinale et également à des composés inédits dont l’étude de la réactivité semble prometteuse. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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This thesis concerns the development of surface ligation techniques for the preparation of carbohydrate biosensors. Several methodologies were developed based on efficient photochemical insertion reactions which quickly functionalize polymeric materials, with either carbohydrates or functional groups such as alkynes or alkenes. The alkyne/alkene surfaces were then treated with carbohydrate azides or thiols and reacted under chemoselective Cu-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) or photo-radical thiol-ene/yne click chemistry, thus creating a range of carbohydrate biosensor surfaces under ambient conditions. The methodologies were evaluated by quartz crystal microbalance (QCM) and surface plasmon resonance (SPR) flow through instrumentations with recurring injections of a range of lectins, allowing for real-time analysis of the surface interactions. The developed methods were proven robust and versatile, and the generated carbohydrate biosensors showed high specificities and good capacities for lectin binding.  The methods were then used to investigate how varying the glycan linker length and/or a sulfur-linkage affect the subsequent protein binding. The survey was further explored by investigating the impact of sulfur in glycosidic linkages on protein binding, through competition assays with various O/S-linked disaccharides in solution interactions with lectins. / QC 20120309

La première partie de ce travail traite de la macrocyclisation photochimique. Les macrocycles nécessitent de conditions de dilution élevées, avec de grandes quantités de solvant, généralement incompatibles avec les conditions photocatalytiques en raison de l'absorption de la lumière par le solvant. Pour remédier à ce problème, notre groupe a développé un réacteur hybride pour l'oxydation aérobique photocatalytique des thiols en disulfures dans des conditions de flux continu. Les travaux antérieurs comprenaient une etendue de réaction contenant plusieurs exemples utilisant des molécules de liaison “linker” octanediol, PEG et haloaromatiques, ainsi que des peptides macrocycliques contenant jusqu'à quatre acides aminés. L’étendue ne comprenait toutefois pas les linkers dérivés de molécules atropisomères, comme le BINOL, ni de peptides macrocycliques plus grands dérivés de chaînes d'acides aminés plus longues. Le chapitre 1 présentera les concepts de macrocycles et de photochimie, tandis que le chapitre 2 décrira la chimie de flux et les recherches du Dr Émilie Morin sur la macrocyclisation à l'aide du réacteur hybride. Le chapitre 3 traite de la tentative de synthèse, finalement réussie, d'un macrocycle destiné à élargir le champ des macrocycles pouvant être préparés à l'aide du réacteur hybride. La deuxième partie de ce travail traite des réactions thiol-yne des sulfures d'alcynyle. Les réactions thiol-yne ont de nombreuses applications, notamment dans la chimie des polymères et la macrocyclisation. Les réactions thiol-yne peuvent se dérouler par des voies radicalaires rendues possibles par la photocatalyse à la lumière visible. Cependant, les réactions thiol-yne sont généralement réalisées avec des thiols et des alcynes terminaux. Les alcynes internes représentent un plus grand défi en raison de l'absence de régiocontrôle, mais les sulfures d'alcynyle constituent une solution viable au problème en polarisant la triple liaison de l'alcyne et en offrant une réactivité et une régiosélectivité améliorées par rapport à leurs homologues "tout carbone". Le chapitre 4 présentera les réactions thiol-yne et les différents mécanismes qui y sont associés, ainsi que les sulfures d'alkyles et les méthodes de leur synthèse. Le chapitre 5 présentera les recherches effectuées sur les réactions thiol-yne photocatalytiques des sulfures d'alcynyle. / The first section of the present work deals with photochemical macrocyclization. Macrocyclic peptides are important molecules in the pharmaceutical domain for numerous reasons. Macrocyclizations require high dilution conditions, i.e., large amounts of solvent, typically incompatible with photocatalytic conditions due to the absorption of light by the solvent. To remedy the problem, our group developed a hybrid reactor for the photocatalytic aerobic oxidation of thiols into disulfides in flow conditions. Prior work included a scope containing several examples using octanediol, PEG, and haloaromatic linker molecules, and of macrocyclic peptides containing up to four amino acids. Lacking in the scope, however, were linkers derived from atropisomeric molecules like BINOL and larger macrocyclic peptides derived from longer amino acid chains. Chapter 1 will introduce the concepts of macrocycles and photochemistry, while Chapter 2 will describe flow chemistry and the research of Dr. Émilie Morin on macrocyclization using the hybrid reactor. Chapter 3 will discuss the attempted, and ultimately successful, synthesis of a macrocycle intended to further the scope of macrocycles that can be prepared using the hybrid reactor. The second section of the present work deals with thiol-yne reactions of alkynyl sulfides. Thiol-yne reactions have many applications including use in polymer chemistry and in macrocyclization. Thiol-yne reactions can proceed via radical-mediated pathways made possible with visible light photocatalysis. However, thiol-yne reactions are typically accomplished with thiols and terminal alkynes. Internal alkynes would offer a greater challenge due to the lack of regiocontrol, but alkynyl sulfides present a viable solution to the problem by polarizing the triple bond of the alkyne and offering improved reactivity and regioselectivity over “all-carbon” counterparts. Chapter 4 will introduce thiol-yne reactions and different mechanisms associated with them, as well as alkynyl sulfides and methods for their synthesis. Chapter 5 will present the research done on photocatalytic thiol-yne reactions of alkynyl sulfides.

Ce manuscrit présente les travaux effectués à l'Ecole Polytechnique (novembre 2001- septembre 2004) sous la direction du Dr. Joëlle Prunet dans le laboratoire de Synthèse Organique dirigé par le Pr. Samir Zard. Il détaille plusieurs approches de synthèse du tricycle ABC du FR182877, un nouvel agent antimitotique naturel découvert en 1998. Après avoir présenté le FR182877 ainsi que les différents approches de la littérature en vue de sa synthèse totale, la rétrosynthèse envisagée pour construire le système tricyclique ABC selon une stratégie impliquant une réaction de Diels-Alder intermoléculaire et une réaction de métathèse ène-yne sera détaillée (Chapitre I). La réaction de métathèse ène-yne fera ensuite l'objet d'une étude bibliographique (Chapitre II) puis sa mise en place dans le contexte d'une approche de synthèse du cycle A du FR182877 sera décrite (Chapitre III). Le chapitre suivant (Chapitre IV) concerne la seconde étape-clé du schéma rétrosynthétique : la réaction de Diels-Alder intermoléculaire et se concentre sur une étude méthodologique réalisée dans le but de comprendre l'origine d'une sélectivité inattendue dans l'étape de cycloaddition. Le chapitre V expose les résultats obtenus dans le contexte d'une seconde rétrosynthèse du FR182877 fondée sur une réaction d'addition conjuguée de Michael. Enfin, dans la continuité de ces travaux, un accès rapide et original à des systèmes tricycliques fonctionnalisés fondé sur une succession de réactions de métathèse en tandem a été développé et sera exposé dans le dernier chapitre (Chapitre VI). Les protocoles expérimentaux ainsi que la description des produits synthétisés seront présentés dans la partie expérimentale, rédigée en anglais.

Ce projet de recherche mené en collaboration avec le CTP (Centre Technique du papier) a eu comme objectif de mettre en place une stratégie de greffage de polymères sur des fibres de cellulose via « Chimie Click » dans l’eau et dans des conditions douces et respectueuses de l’environnement afin de conférer de nouvelles propriétés mécaniques aux papiers résultants. La première étape a été d’élaborer une fonctionnalisation alcyne des fibres dans des conditions douces – dans l’eau ou dans un mélange eau/isopropanol – permettant à la fois une fonctionnalisation conséquente tout en préservant la cristallinité de la cellulose, la structure fibre et les propriétés mécaniques. Différentes méthodes de microscopie ont été utilisées pour mieux comprendre l’impact de la fonctionnalisation sur les propriétés mécaniques. Afin d’améliorer les propriétés mécaniques du papier, le greffage sur les fibres de polyéthers d’alkyle fonctionnalisés azoture a été réalisé dans l’eau par cycloaddition de Huisgen d’azoture-alcyne catalysée par le cuivre (II) (CuAAC). Plusieurs polymères de natures différentes (poly(éthylène glycol) et poly[(éthylène glycol)-stat-(propylène glycol)]), de différentes masses molaires et fonctionnalités (mono- ou difonctionnels) ont été liés aux fibres de cellulose. L’ajout de chaînes de poly(éthylène glycol) s’est avéré avoir un effet lubrifiant entraînant une légère diminution de l’indice de traction mais une augmentation importante de la flexibilité du papier. De plus, le greffage de polymères difonctionnels a démontré des propriétés originales de résistance à l’eau sans changer la nature hydrophile des fibres de cellulose. Enfin, le couplage Thiol-Yne a permis de fixer de petites molécules hydrosolubles fonctionnalisées thiol sur des fibres modifiées alcyne en s’affranchissant du cuivre nécessaire à la réalisation de la réaction de CuAAC. / This research project, in collaboration with CTP (Centre Technique du Papier), aimed at developing chemical pathway in water to graft polymers on cellulose fibers via “Click Chemistry” in eco-friendly and non-degrading conditions conferring new mechanical properties upon the resulting paper sheets. A first step was to develop a “green” alkyne derivatization method in mild conditions – through pure water or water/isopropanol mixture – allowing for a substantial alkyne functionalization without jeopardizing the cellulose crystallinity, the fiber structure, and maintaining good mechanical properties of the cellulose fibers and resulting paper sheets. To better understand how the functionalization impacts the mechanical properties, several microscopy methods were employed. Then, aiming at improving mechanical properties of the resulting paper, grafting of azidefunctionalized polyoxyalkylenes on alkyne-modified fibers was achieved via Copper(II)-Catalyzed Alkyne-Azide Cycloaddition (CuAAC) in pure water. Water soluble polymers of different nature (poly(ethylene glycol) or poly[(ethylene glycol)-stat-(propylene glycol)]), with different molar mass and functionality (one or two azide groups per macromolecular chain) were successfully attached on cellulose fibers. Grafting of PEG chains involved a slight decrease of the tensile index but a drastic increase of the flexibility of the paper sheet. Interestingly, fibers grafted with difunctional polymers demonstrated an original water resistance maintaining the hydrophilic nature of fibers. Finally, Thiol-Yne reaction was successfully carried out to attach small water soluble thiol-bearing reagents on alkyne-functionalized fibers in water as a metal-free alternative to CuAAC reaction.