Catalyse biomimétique avec des foldamères à strucure hélicoïdale comportant des motifs oligo-(thio)urées

Bioinspired catalysis using oligourea helical foldamers

• Auteur / Autrice : Diane Bécart
• Direction : Gilles Guichard, Claudio Palomo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique
• Date : Soutenance le 03/11/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Universidad del País Vasco
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie et Biologie des Membranes et des Nanoobjets (Bordeaux ; 2007-....) - Institut européen de Chimie et de Biologie
• Jury : Président / Présidente : Daniel Taton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Taton, Thierry Constantieux, Michael Smietana, Antonia Mielgo Vicente, Martin D. Smith
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Constantieux, Michael Smietana

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oligourées

Organocatalyse

Foldamères

Chimie biomimétique

Mots clés libres

Foldamères

Oligourea

Organocatalyse

Foldamers

Oligourea

Organocatalysis

Résumé

Catalyse et repliement sont deux notions intimement liées dans la Nature à travers les protéines et les enzymes, puis par extension, avec les catalyseurs synthétiques conçus par les chimistes. Des briques élémentaires artificielles ont été développées depuis deux décennies afin de synthétiser de nouvelles architectures moléculaires ayant une forte propension à se replier, appelées foldamères. Dans de nombreux systèmes biomimétiques inspirés par les biopolymères, la stabilisation d’une forme repliée résulte de la formation d’un fort réseau de liaisons H. Ces squelettes repliés apportent plusieurs avantages pour une application en catalyse : ils peuvent offrir un effet coopératif lors de la coordination d’un ligand, une meilleure stabilisation des intermédiaires chargés ainsi qu’une minimisation du coût entropique de la formation de l’état de transition. Ils constituent une nouvelle classe d’organocatalyseurs méritant de plus amples investigations. L’organocatalyse présente un fort intérêt dans la recherche actuelle, dû la simplicité de mise en œuvre des systèmes et l’absence de métaux conduisant à une moindre toxicité. Cependant, des charges importantes (5-20 mol%) en catalyseur sont souvent nécessaires pour réaliser des transformations chimiques avec de bons rendements et de bonnes stéréosélectivités. L’effet synergique apporté par la structure bien définie des foldamères via leur fort réseau de liaisons hydrogène peut jouer en faveur d’une diminution de la charge catalytique du système.Les foldamères à base de motifs oligo(thio)urées sont des analogues des peptides, avec une structure secondaire hélicoïdale, 2.5 résidus par tour et un réseau de liaisons hydrogène fermant des pseudo-cycles à 12 et 14 atomes, et ils présentent un macrodipôle pouvant être renforcé par l’activation avec un groupe électroattracteur au niveau du pôle positif. La liaison d’anions avec des oligourées a été démontrée comme étant site-spécifique et n’ayant aucune influence sur la structure hélicoïdale, illustrant leur fort potentiel de liaison d’espèces chargés négativement. Les urées et les thiourées ont été largement utilisées comme donneurs de liaisons hydrogène pour l’organocatalyse avec des résultats très satisfaisants. Ces concepts posent les bases pour développer un organocatalyseur innovant avec des foldamères oligo(thio)urées, interagissant par activation des substrats par formation de liaisons H. Une étude autour de la relation structure-activité, accompagnée de l’élaboration d’une réaction modèle avec un large panel de substrats, ainsi que des études mécanistiques via des mesures RMN, vont permettre d’établir les principes gouvernant la catalyse avec des foldamères oligo(thio)urées.

Catalysis and folding are two closely interwoven notions in Nature particularly among enzymes, and by extension can be applied to synthetic catalysts designed by chemists. Artificial monomers have been created for two decades to synthesize new oligomeric molecular architectures with a high propensity to fold, which are called foldamers. In many systems, folded structure is stabilized by a strong hydrogen-bonding network, in a similar way to biopolymer structures. These folded backbones may provide significant advantages as catalyst as they could offer cooperativity in ligand binding, a greater stabilization of charged intermediates and then a minimization of entropic cost of the transition state binding. They constitute a class of potential organocatalysts which deserves more investigation. Organocatalysis is an area of strong interest nowadays because of the lower toxicity of the catalysts and meta free procedures, their modularity and easiness to handle them. But generally high loading (5-20 mol%) are needed to perform chemical transformations with good yields and good stereoselectivities. The synergistic effect brought by the well-defined structures of foldamers through the strong hydrogen-bonding network can be in favour of a decrease of the catalyst loading.Oligo(thio)urea foldamers are peptides analogues, with a helical secondary structure, 2.5 residues per turn and 12- and 14-membered H-bond ring and present a macrodipole which can be reinforced through activation with electro-withdrawing group at the positive pole. Binding of anions to oligourea has been studied and was shown to be site specific and not to have any impact on the helical structure thus illustrating the high potential of coordination of negatively charged species to oligourea foldamers. Urea and thiourea small molecules have been widely used as H-bond donors for organocatalysis with very satisfying results. These concepts are the basis of the development of an innovative organocatalyst with oligo(thio)urea foldamers, acting through H-bond activation. A structure-activity relationship study combining an extended substrate scope and NMR mechanistic studies was performed allowing delineation of the principles governing oligourea foldamer-based catalysis.