Synthèse stéréosélective de la thréonine sélectivement marquée 13CH3

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Modèles chimiques bioinspirés de la photosynthèse pour la photoo datio àdeàl eauà

á tuelle e t,àe vi o à à%àdeàlaà o so atio à o dialeàd’ e gieàestà as eàsu àl utilisatio à de combustibles fossiles, (charbon, pétrole et gaz naturel). Cependant, alors que ceux-ci sont des produits dérivés de la biomasse donc de la photosynthèse, ironie du sort, ceux-ci sont les principales causes de pollutions environnementales et du réchauffement planétaire actuel.18 C estàpou uoi,àilà àaàu ge eà àd veloppe àdesà e giesàalte ativesàp op es,à e ouvela les,à respectueuses de l’environnement et neutres en carbone.
Le soleil fournit chaque heure à notre planète plus d’énergie que la consommation annuelle deà l hu a it .à Eta tà do à ueà laà Natu eà ave à laà photos th seà aliseà laà o ve sio à d e gieàlu i euseàe à e gieà hi i ue,às e ài spi e àest donc une idée séduisante pour concevoir des systèmes moléculaires synthétiques mimant cette fonction.
Compte tenu de la nature intermittente de l’énergie solaire, la conversion de cette énergie en énergie chimique qui pourrait être plus facilement stockable en combustible est une option qui reste intéressante. Ainsi l’utilisation de l’énergie solaire pour convertir l’eau en combustibles solaires, comme le dihydrogène (H2) est un domaine particulièrement étudié. 2H2Oà→àO2 + 2H2
A première vue, cette transformation semble aisée en raison de la simplicité structurelle aussi ie àdeàl eauà ueàdesàp oduitsàfo s.àCepe da t,àelleàseà o poseàdeàdeu àde i-réactions d o do du tio : ii àl o datio àdeàl eauàe àdio g e : 2H2Oà→à H+ + 4e- + O2 (E°= +1,23 V vs ESH) C estàe à alit à etteàde i eà a tio à uiàp se teàleàplusàdeàdiffi ult sà a àelleài pli ueàle transfert de quatre électrons, le réarrangement de multiples liaisons, et finalement la formation de la liaison O-O,àseàt aduisa tàpa àu àΔGà lev à 237 kJ.mol-1) et une barrière d a tivatio à uià l està toutà auta tà E°=à + , à Và vs ESH).∼ Cette réaction étant pas the od a i ue e tà età i ti ue e tà favo a le,à ilà està essai eà d utilise à u à catalyseur.

Photoo datio de l’eau ; une association optimisée chromophore – catalyseur

Concernant cette réaction et notamment le développement de la photoanode, la littérature est particulièrement abondante.18,22 Cependant deux approches principales semblent se dégager selon la nature du photosensibilisateur :
i) Ils peuvent être des semi- o du teu sàtelsà ueàl o deàde nickel(II) (NiO), le dioxyde de titane (TiO2) ou plus récemment le trioxyde de tungstène (WO3) et l’oxyde de fer(III) (Fe2O3).18 Ils jouent alors à la fois un rôle de générateur de séparation de charges et de transporteur de charges.
ii) Ils peuvent aussi être des complexes. Ils sont généralement greffés sur des semi-conducteurs et permette tà laà s pa atio à deà ha gesà suiteà à l a so ptio à lu i euse.à Leà prototype étant le complexe de ruthénium trisbipyridine ([Ru(bpy)3]2+).

Maise d’odatio de l’eau

Afin de mieux comprendre le fonctionnement des WOC, des études mécanistiques ont été réalisées. Le « blue dimer » a été utilisé comme modèle et grâce aux études électrochimiques, spe t os opi uesàetà i ti uesà e es,àaàla ge e tà o t i u à àl lu idatio àduà a is eà catalytique de ces systèmes. Ainsi, deux mécanismes catalytiques ont pu être proposés et implique soit une attaque nucléophile de l’eau (WNA Water Nucleophilic Attack) soit un couplage bimoléculaire de radicaux métal oxo (I2M) (Figure I.14).
Lesàdeu à a is esàd ute tàpa àlaàfo atio àd u à o ple eà tal-aquo (M-OH2). La perte de deux électrons couplée à la perte de deux protons conduit à une espèce métal-oxo (M=O). Celle- iàpeutàsu i àl atta ueà u l ophileàd u eà ol uleàd eauà a is eàWNá à o duisa tà à une espèce hydroperoxo (M-OOH) via la formation de la liaison O-O. Son oxydation ultérieure libère O2 et régénère le catalyseur. Ou alors, deux espèces métal-oxo réagissent entre elles via un processus radicalaire (mécanisme I2M) conduisant à la formation de la liaison O-O puis à la libération du dioxygène. Dans ce dernier mécanisme, dans le cas d’un catalyseur binucléaire la réaction est intramoléculaire, alors que dans le cas d’un catalyseur o o u l ai e,à ilà s agitàd u eà i te a tio à i te ol ulai eà e t eà deu à e tit sà atal ti ues.à
Dans un cas comme dans l’autre, un intermédiaire µ-peroxo est produit (M-O-O-M) qui libère le dioxygène après une dernière oxydation.18,21,22,32

Statgies d’aage hiiues

Lesà hi istesà o tà d velopp à plusieu sà st at giesà pou à alise à l a ageà deà atal seu sà inorganiques au sein de squelette protéique (Figure I.29) :

– Par substitution du métal physiologique par un autre cation métallique.

– Par interactions supramoléculaires entre le complexe et le squelette protéique.

– Par liaisons datives entre le métal et les résidus protéiques.

– Par liaison covalente entre un ligand du complexe et un acide aminé cible de la protéine.

Substitution du cation physiologique

Cetteàst at gieàpeutàse le à t eàlaàplusàsi pleàetàlaàplusài tuitiveàpuis u elleàfûtàlaàpremière st at gieàe plo eàpa àl uipeàdeàKaise àe à .àN a oi sàilà estàpasàsiàais àdeàfai eàu eà telleà odifi atio àauà œu àduàsiteàa tifàd u eàe z eàe à aiso àdeàl’affi it àpa ti uli e e tà élevée pour le métal physiologique (Kd Faible). La première étape consiste à obtenir la protéine sous sa forme apo est-à-dire sans métal. Plusieurs stratégies sont envisageables soit en utilisant un chélatant chargé de capter le métal physiologique pour le déplacer du site actif soit en produisant et purifiant directement la protéine sous sa forme apo. Ensuite, la seconde étape consiste à introduire letalàd ittàpa àtallatio.à

O àpeutà ite àl e e pleàdesàt avau àeffe tu sàsu àlesàa h d asesà a o i uesàpa àlesà uipesà de Kalzlaustas76 et de Soumillion77 qui o tàpuà e pla e àl ato eàdeàzi àph siologi ueàpa àduà a ga seà fo a tà ai sià u eà ouvelleà e z eà apa leà deà alise à l po datio à a tios le tiveàd al esàe àp se eàd eauào g eà Figure I.30).

Cepe da t,à etteà st at gieà p se teà u à e tai à o eà d i o v o eusesàe z esàso tài sta lesàouàp se te tàu à auvaisà eplie p oduitesàsa sàleu à talàph siologi ue.àIlàa iveà gale e tà u ilàsoitài ie ts.à E à effet,à deà e tàlo s u ellesàso tà possi leàde chélater le métal déjà présent ou encore que le nouvel atome métallique ait une affinité trop faible. (2) Liaisons datives

L a ageàpa àliaiso sàdativesà o sisteàe àu àlie àe t eàcertains acides aminés nucléophiles de la protéine (histidine, cystéine, acideàgluta i ueàetàaspa ti ue,àse i e…. àetàu àio à talli ue. U àdesàp e ie sàe e plesàdeà etteàapp o heàaà t à appo t àe à àpa àl uipeàdeàKoku o,à uiàg eàau àl si esàp se tesàda sàl al u i eàs i ueà ovi eà BSá àaàpuàa e àleàtet ao deà d os iu . L h ideàBSá-Os ainsi formé a été en capacité de catalyser en présence de tertbutylhydroperoxyde, la dihydroxylation as t i ueà d al es avec des excès énantiomériques allant jusqu’à 68%.78

Un autre exemple plus récent, rapporté par Ueno, Watanabe et leurs collaborateurs, concerne la ferritine, une protéine de stockage du fer constituée de 24 sous-unités de quatre groupes d h li esà auto-asse l es.à Cha ueà sousà u it à deà l apo-ferritine présente deux sites de fixations spécifiques permettant chacun de lier spécifiquement deux complexes de palladium [Pd η3-C3H5)Cl]2 po ta tàai sià à àleà o eàd ato esàde palladium présents au sein de la ferritine (Figure I.31).

Stratégie bimoléculaire

Cette stratégie est la plus courante. En effet les biologistes l’utilisent essentiellement afin de régénérer les cofacteurs RedOx naturels des enzymes tels que le NAD(P)H ou la ferrédoxine.99 Il est également possible de complètement remplacer ces cofacteurs par des chromophores. Les travaux de l’équipe de Willner utilisent un complexe de [Ru(bpy)3]2+ en remplacement du NAD(P)H pour la glutathion réductase.100 Plus récemment l’équipe de Tron a utilisé ce même complexe avec une laccase afin de réaliser la réduction photocatalytique de O2.101
Et récemment, ils ont montré qu’il était possible d’utiliser des alcènes comme donneur d’électrons sacrificiels, ceci permettant de faire d’une pierre deux coups. L’oxygène libéré par la laccase grâce aux électrons issus des alcènes permet l’oxydations des espèces radicalaires résultantes en époxyde.102
Cette approche a aussi été exploitée par l’équipe de Mahy pour développer des sulfoxydases artificielles.103,104

Stratégie binucléaire

Da sà etteàst at gie,àlesàphotoe z esàa tifi iellesàso tà o pos esàd u eàe z eà atu elleà ou artificielle liée à un chromophore pouvant être soit inorganique soit naturel (généralement le PSI). Leur développement repose sur trois stratégies principales.

Photoenzymes artificielles composée de catalyseur artificiel couplé à un photosensibilisateur naturel : le PSI

Le PSIàestàu à o ple eàp ot i ueàdo tàleà ôleà atu elàestàd assu e àleàt a sfe tàd le t o sà dans la chaine respiratoire de la cellule. Sous irradiation, son centre réactif composé de la chlorophylle P700, entraine via u à p o essusà ‘edO ,à u à t a sfe tà d le trons vers la fe do i eà uià joueà leà ôleà d a epteu à d le t o s.à Laà hlo oph lleà P à està e suiteà g eàpa àu àdo eu àd le t o s,àlaàplasto a i e.
Ce fonctionnement est transposé aux photoenzymes artificielles dans lesquelles la ferrédoxine est e pla eà pa à u à atal seu à d i t tà età où leà do eu à d le t o sà peutà t eà soità laà plastocyanine soit le cytochrome C (CytC) (Figure I.43). Cette stratégie a principalement été utilisée dans le développement de catalyseurs pour laà p odu tio à d h d og eà o eà combustible solaire. Le PSI est alors couplé par des techniques adaptées (ancrage covalent, protéine de fusion, interaction électrostatique ou photodéposition) à des hydrogénases ou à des catalyseurs inorganiques de productio àd h d ogène tels que les cobaloximes ou encore à des métaux nobles comme le platine (Figure I.43).105

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela clepfe.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Introduction bibliographique
I. Modğle d’iŶspiƌatioŶ Ŷatuƌel : La photosǇŶthğse
A. Principes généraux
B. La phase photochimique ou phase claire
C. La phase synthétique ou phase sombre
D. Conclusion
II. Modèles chimiques bioinspirés de la photosynthèse pour la photooǆǇdatioŶ de l’eau
A. La photosynthèse artificielle
1. Principe général de la photosynthèse artificielle
2. PhotooǆǇdatioŶ de l’eau ; une association optimisée chromophore – catalyseur
B. Les complexes de ruthéniuŵ polǇazotĠs eŶ ;photoͿĐatalǇse d’oǆǇdatioŶ de suďstƌats organiques
1. Systèmes mononucléaires
2. Systèmes binucléaire : les dyades
III. La biocatalyse
A. Concept général
B. Amélioration du biocatalyseur par ingénierie génétique – L’approche des biochimistes
1. Conception rationnelle : mutagenèse dirigée
2. Evolution dirigée
3. Ingénierie des voies métaboliques
4. Conclusions
C. Les métalloenzymes artificielles (ArM) – L’approche des chimistes
1. Design des métalloenzymes artificielles
2. Les photoenzymes artificielles
IV. Immobilisation de protéines
A. Immobilisation sur surface
1. Adsorption
2. Liaisons covalente
B. Inclusion
C. Réticulation
D. Conclusions
Chapitre II : Projet de thèse
Chapitre III : Résultats et discussions
I. Préparation des cristaux de Leafy
II. Hybride catalyseur: RuCatLeafy
A. Synthèse des complexes de ruthénium RuCat
1. Synthèse du catalyseur Br-RuCat
2. Synthèse du catalyseur IA-RuCat
B. Etudes du greffage de IA-RuCat-Cl sur Leafy K84C
1. IŶflueŶĐe de la duƌĠe d’iŶĐuďatioŶ suƌ le tauǆ de gƌeffage de IA-RuCat-Cl
2. Quantification du ruthénium et de la protéine au sein des hybrides
3. Etude cinétique du greffage du IA-RuCat-Cl dans les cristaux de Leafy K84C
C. Caractérisation des Hybrides
1. Diffraction des Rayons X
2. Etudes spectroscopiques in cristallo
3. Spectrométrie de masse
D. Conclusion
III. Hybride chromophore: LeafyRuPhot
A. IŶflueŶĐe de la foŶĐtioŶ d’aŶĐƌage
1. Greffage sur les acides glutamiques et aspartiques
2. Greffage sur les lysines
B. Influence du solvant de greffage
C. Influence de la concentration en NHS-RuPhot sur le taux de greffage dans les cristaux de Leafy WT
D. Influence de la concentration en NHS-RuPhot sur le taux de greffage dans les cristaux de Leafy K84C
E. Conclusions
Chapitre IV : Photocatalyses
Conclusion générale et perspectives
Chapitre V : Doctorat-conseil : société NMR-Bio
I. La société NMR-Bio
II. Etudes structurales des protéines par RMN
A. Importance du marquage spécifique des méthyles H, D, 13C pouƌ l’Ġtude de pƌotĠiŶes paƌ RMN
B. Développement des synthèses de précurseurs
1. Marquage stéréospécifique des méthyles de la leucine et de la valine
2. Synthèse stéréosélective de la thréonine sélectivement marquée 13CH3
3. Synthèse stéréosélective de l’alanine sélectivement marquée 13CHD2
III. Conclusion
Partie expérimentale
I. Procédures générales
II. Leafy N-ter
A. Production et purification
B. Cristallisation
C. Quantification de la protéine in cristallo par gel d’électrophorèse
III. Synthèse des complexes de Ruthénium
A. Synthèse IA-RuCat-Cl
B. Synthèse du ClA-RuCat-Cl
C. Synthèse du NH2-RuPhot
D. Synthèse du NHS-RuPhot
IV. Hybrides Leafy-Ru
A. Procédure de greffage de IA-RuCat-Cl sur Leafy en solution
B. Procédure de greffage sur les cristaux de Leafy
1. Hybride IA-RuCat-ClLeafy K84C
2. Hybride NHS-RuPhotLeafy
3. Hybride IA-RuCat-Cl/NHS-RuPhotLeafy K84C
C. Méthodes de caractérisation
1. Spectrométrie de masse
2. ICP/AES
3. ICP/MS
4. Spectroscopie Raman à résonnance in cristallo
V. Procédures générale de catalyses avec les hybrides
VI. Synthèses NMR-Bio
A. SǇŶthğse stĠƌĠosĠleĐtive de l’alaŶiŶe deutĠƌĠe 13CHD2
B. Synthèse de l’aĐĠtoaĐĠtate d’ĠthǇle sĠleĐtiveŵeŶt ŵaƌƋuĠ 13C, D
C. SǇŶthğse ƌaĐĠŵiƋue de l’aĐĠtolaĐtate sĠleĐtiveŵeŶt ŵaƌƋuĠ 13C,D – Procédure générale
1. Alkylation – Procédure générale
2. Hydroxylation – Procédure générale
3. Hydrolyse – Procédure générale
Bibliographie