Synthèse de porphyrines à anse phénanthroline : Nouveaux modèles de cytochrome C oxydase

Synthesis of phenanthroline-strapped porphyrins : New models of cytochrome C oxidase

• Auteur / Autrice : Frédéric Melin
• Direction : Jean Weiss, Maurice Gross
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Strasbourg 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrocatalyse

Chimie biomimétique

Hémoprotéines

Cytochrome-oxydase

Porphyrines

Résumé

Ce travail décrit la mise au point de nouveaux modèles du site actif bimétallique (fer-cuivre) de la cytochrome c oxydase, à partir d’une porphyrine superstructurée à anse phénanthroline synthétisable à l’échelle du gramme en peu de temps. L’originalité de ce système réside dans le fait que le site de coordination prévu pour le cuivre (phénanthroline) et la porphyrine sont maintenus dans une géométrie contrôlée. Quelques informations importantes sur la cytochrome c oxydase (structure, mécanisme postulé pour la réduction tétraélectronique du dioxygène qu’elle catalyse) sont regroupées en début de mémoire. Les principaux modèles structuraux et fonctionnels de la littérature, et les études physicochimiques réalisées au laboratoire sur la porphyrine à anse phénanthroline sont aussi rappelés. La suite du manuscrit décrit en détail les évolutions synthétiques réalisées pour essayer de corriger les défauts de base de la porphyrine à anse phénanthroline. Une méthode de fonctionalisation de la porphyrine a été développée et nous a permis d’obtenir une série de nouveaux composés, différant du système initial par l’encombrement de la porphyrine, l’incorporation d’imidazoles ou leur solubilité. Il a été suggéré que la coordination proximale du système naturel (un résidu Histidine) est importante pour la catalyse et doit donc être reproduite dans les modèles. C’est pourquoi une part importante de ce mémoire est consacrée à l’étude par UV/Visible, RMN, et RPE de la coordination des imidazoles substitués ou non avec les composés synthétisés et métallés au zinc(II) et fer(III). Les structures en phase solide de trois complexes d’inclusion d’imidazoles dans ces édifices ont été obtenues. La dernière partie de ce mémoire est consacrée aux études électrochimiques de l’efficacité de ces composés comme catalyseurs de la réduction du dioxygène. Une très bonne sélectivité vis-à-vis du mécanisme à 4 électrons est obtenue avec les modèles à imidazoles incorporés et métallés au fer(III) seul.

This work describes the development of new models of the bimetallic active site (Fe-Cu) of cytochrome c oxidase based on a superstructurated phenanthroline-strapped porphyrin that is rapidly available on a gram scale. In this original system, the coordination site chosen for copper (phenanthroline) and the porphyrin are maintained in a controlled geometry. The most important features of cytochrome c oxidase (structure, postulated mechanism for the four electron reduction of molecular oxygen) are described in the first part of this report. The main models from the literature and the previously available analytical studies of the phenanthroline-strapped porphyrin are also presented. The synthetic evolutions carried out in order to correct the shortcomings of the starting edifice are discussed in the following parts of this manuscript. A synthetic strategy for the functionalisation of the phenanthroline-strapped porphyrin has been developed, giving access to a series of new compounds. In some of these compounds, the steric hindrance around the porphyrin has been increased; others carry built-in imidazoles, and for one of them, the solubility in organic solvents has been enhanced. The proximal coordination of the natural system (one Histidine) is known to have a strong influence on catalytic efficiency. Therefore, this type of coordination has been reproduced in our models. One important part of this report describes the UV/Visible, NMR and EPR studies of the coordination of imidazoles to zinc(II) or iron(III) porphyrins. The solid-phase structures of three inclusion compounds of imidazoles in our edifices are also presented. The efficiency of our compounds in the reduction of molecular oxygen is discussed in the last part of this report. The electrocatalytic studies have shown that the iron(III) compounds with built-in imidazoles selectively catalyse the four electron reduction of molecular oxygen.