Methods and strategies for natural product and drug synthesis
Total synthesis is the science of constructing valuable molecules, usually natural products and medicinal drugs, from simple starting materials or simple fragments. It is supported by retrosynthetic analysis, a problem-solving method that aims at theoretically transforming the complex structure of a target molecule into simple and commercially available starting materials. Target compounds can be prepared for applied research purpose, especially in biology and medicine, in order to solve societal problems. While allowing the preparation useful complex molecules, total synthesis also participates to the progress of organic chemistry, thanks to the development of new reactions (synthetic methodologies). Last but not least, total synthesis contributes to the education of young organic chemists, and to their integration in industrial synthesis labs (pharma, agro), thanks to the transversal knowledge it brings in organic chemistry.
The purpose of this course is to learn students how to deal with chemical reactivity and complexity in organic synthesis. Retrosynthetic principles will be exposed in order to understand how to find the best synthetic strategy depending on the structure of target compounds. Examples from the academic or industrial literature will be used to illustrate these strategies, while the forward synthesis will give an occasion to present useful and modern synthetic methodologies used nowadays.
As natural products are complex synthetic targets made by living organisms (plants, fungi, bacteria, animals), their biosynthetic and enzymatic origins will also be presented. This knowledge is important in the total synthesis point of view since, by inspiring the organic chemist, it can give rise to biomimetic or bio-inspired synthetic strategies.
Motivated students can complete this course with the Drug Sciences course CHI/BIO 567, which offers an additional opportunity to learn about the research and development of small molecules for medicinal purposes, including medicinal chemistry aspects.
Content of the course
- Retrosynthetic analysis, definition of a synthon
- The concept of ideal synthesis
- Carbon-carbon bond formation and functional group inter-conversions
- Problems of chemo-, regio-, diastereo-, and enantioselectivity
- Impact of new reactions on the strategies and tactics of organic synthesis (cascade reactions, metal-catalyzed reactions: metathesis, palladium-catalyzed cross-couplings...)
- Some famous examples of total syntheses.
- The main classes of natural products: polyacetates and polyketides (incl. fatty acids and phenols), metabolites of shikimic acid, polyisoprenoids (terpenes and steroids), metabolites of amino-acids (alkaloids)
- Biosynthesis of natural products, incl. some basic enzymatic reactions
Requirement: We strongly advise that students follow the advanced organic chemistry and organometallic chemistry courses during the first period.
Méthodes et stratégies pour la synthèse de substances naturelles et de médicaments
La synthèse totale est la discipline qui permet de construire des molécules complexes d'intérêt, généralement des produits naturels et des médicaments, à partir de matières premières ou de fragments simples. Elle s'appuie sur l'analyse rétrosynthétique, une stratégie logique qui vise à transformer de manière théorique la structure complexe d'une molécule en fragments plus simples et commercialement disponibles. Les composés ciblés peuvent alors être préparés en vue d'applications particulières, notamment en biologie et en médecine, afin de résoudre des problèmes sociétaux. Tout en permettant la préparation de molécules complexes d'intérêt, la synthèse totale participe également aux progrès de la chimie organique, grâce au développement de nouvelles réactions (méthodologies de synthèse). Enfin, elle contribue significativement à la formation des jeunes chimistes organiciens, et à leur intégration dans les laboratoires de synthèse industriels (pharma, agro), grâce aux connaissances transversales qu'elle apporte en chimie organique.
L'objectif de ce cours est d'apprendre aux étudiants à gérer la réactivité et la complexité chimiques en synthèse organique. Les principes de l'analyse rétrosynthétique seront exposés afin de comprendre comment trouver la meilleure voie de synthèse en fonction de la structure des composés ciblés. Des exemples tirés de la littérature académique ou industrielle seront utilisés pour illustrer ces stratégies, tandis que la description des voies de synthèse sera l'occasion de présenter les réactions et méthodologies de synthèse utiles et modernes utilisées de nos jours.
Les substances naturelles étant des composés complexes issus d'organismes vivants (plantes, champignons, bactéries, animaux), leurs origines biosynthétiques et enzymatiques seront également présentées. Ces connaissances sont importantes du point de vue de la synthèse totale car elles peuvent être une source d'inspiration importante et conduire à des stratégies de synthèse biomimétiques ou bio-inspirées.
Les étudiants motivés peuvent aussi suivre le cours de Sciences des médicaments BIO/CHI 567, qui offre une occasion supplémentaire d'appréhender la recherche et le développement sur les molécules médicinales, y compris les aspects de chimie médicinale.
Contenu du cours
- Analyse rétrosynthétique, définition d'un synthon
- Le concept de synthèse idéale
- Formation de liaisons carbone-carbone et interconversions de groupes fonctionnels
- Problèmes de chimio, régio, diastéréo et énantiosélectivité.
- Impact des nouvelles réactions sur les stratégies et tactiques de la synthèse organique (réactions en cascade, réactions métallocatalysées : métathèse, couplages croisés catalysés par le palladium...)
- Quelques exemples célèbres de synthèses totales.
- Les principales classes de produits naturels : polyacétates et polycétides (y compris acides gras et phénols), métabolites de l'acide shikimique, polyisoprénoïdes (terpènes et stéroïdes), métabolites azotés (alcaloïdes).
- Biosynthèse des produits naturels, y compris quelques réactions enzymatiques de base.
Requis: Nous conseillons vivement aux étudiants de suivre les cours de chimie organique avancée et de chimie organométallique en première période.
- Teaching coordinator: Nay Bastien