Étude comparative et développement de sondes photolabiles à base de la plateforme 7-nitroindoline

Comparative study and development of 7-nitroindoline-based photolabile probes

• Auteur / Autrice : Nawel Berqouch
• Direction : Hamid Dhimane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique
• Date : Soutenance le 23/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Médicament, toxicologie, chimie, imageries (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Descartes (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Belmont
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Belmont, Juan Xie, Samir Messaoudi, David Ogden, Peter I. Dalko
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Juan Xie, Samir Messaoudi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photons

Photolyse

Cages moléculaires

Irradiation

Groupements protecteurs (chimie)

Synthèse (chimie)

Mots clés libres

Synthèse

Groupes protecteurs photolabiles

Composés cagés

Irradiation

Mono-Photonique

Bi-Photonique

Syntesis

Photolabile protecting groups

Caged compounds

Irradiation

One-Photon

Two-Photons

Résumé

Les groupes protecteurs photo-activables (GPPs) ont été initialement développés dans le cadre de la synthèse organique, mais ils y ont eu beaucoup moins de succès que les groupes protecteurs sensibles aux variations de pH ou conditions redox, notamment pour des questions d'équipement et d'échelle de travail. Les GPP ont rencontré plus de succès à l'interface de la chimie avec la biologie, où ils sont souvent utilisés pour bloquer une fonction chimique d'une entité moléculaire (ou supramoléculaire), afin de masquer (cager) son activité biologique, activité qui ne pourra être démasquée qu'après photolyse du lien covalent entre la fonction en question et le GPP. Un tel procédé photochimique permet de déclencher des processus biologiques avec une résolution, dans le temps et dans l'espace, assez fine. La résolution spatiale peut être encore nettement améliorée en réalisant des photolyses à deux photons dans le domaine du proche infrarouge (IR), rayonnements moins toxiques que les UV. Beaucoup de progrès ont été réalisés dans ce domaine des produits cagés, plus particulièrement pour des applications en biologie moléculaire, néanmoins, il reste encore des optimisations structurales à réaliser en vue de développer des sondes suffisamment hydrosolubles et inertes, et ayant une bonne section efficace de décageage en mode biphotonique. C'est dans ce cadre que s'inscrivait le projet de cette thèse, dont le travail a consisté à d'abord synthétiser certains GPP connus (à base de coumarine, ortho-nitrobenzyles, quinaldine et nitroindoline), afin de réaliser une étude comparative de leurs efficacités de décageage en mode mono- et bi-photonique. Nous nous sommes ensuite focalisés sur les modifications structurales de la plateforme de la famille des 7-nitroindolines, dans l'objectif d'améliorer l'efficacité de leur photolyse, notamment en mode biphotonique. Ces sondes sont connues pour leur stabilité hydrolytique (dans le noir), mais leur section de décageage à deux photons reste faible. Certaines des cages préparées par nos soins ont permis d'atteindre un rendement quantique de décageage à un photon assez élevé, notamment pour les cages 5-bromo-4-méthoxy-7-nitroindoline, la 5,7-dinitroindoline ainsi que pour la 5-bromo-7-nitroindolin-4-yl-acétate. Cependant leur efficacité à deux photons reste assez faible. Afin d'améliorer l'absorption à deux photons de ces cages, de nouveaux édifices ont été imaginés ; il s'agit des chromophores à base de la quinaldine et de la 7-nitroindoline, sur lesquelles des systèmes ont été greffés, en vue d'augmenter l'étendue de leur conjugaison et par là même l'absorbance de la plateforme. L'emploi de la triphénylamine comme motif d'extension de la conjugaison a permis d'observer une certaine amélioration des cinétiques de photosolvolyses, aussi bien à un photon, qu'à deux-photons, notamment avec la nitroindoline.

Photolabile protecting groups (PPGs) were initially developed mainly in the field of organic chemistry, but they had met less success than protecting groups which are sensitive to pH or oxidation state variations, mainly for reasons dealing with the required equipment and difficulties for scaling up. PPGs met more success in chemistry-biology interface where they are often used to block a chemical function of a molecular or supramolecular entity, in order to mask its biological activity, which can be restored only after photolysis of the covalent link between the considered function and the PPG. Such photochemical method allows triggering biological processes with a high spatio-temporal resolution. The spatial resolution can even be improved by using a near infrared (IR) two-photon (TP) excitation, which shows much less photo-toxicity than the corresponding one-photon (UV) excitation. Significant progresses were realized in the caged compounds development, particularly for their applications in molecular biology, nevertheless, there is still enough room for additional structural optimizations towards the development of probes with improved physico- and photochemical features; mainly high TP uncaging cross-section, and satisfactory hydrosolubility and inertness. Such concerns were the initial aim of this thesis, whose the project consisted, at first in synthesizing some known PPGs (derived from coumarin, nitrobenzyl, quinaldine and nitroindoline), and performing a comparative study of their efficiency both under one-and two-photon irradiations. Then, we focused on the structural modifications of the 7-nitroindoline platforms, in quest of improved efficiency of their photolysis, particularly under TP excitation. These probes are known for their hydrolytique stability (in the dark), but their uncaging cross-section in TP mode remains low. Some of the cages we prepared allowed photo-releasing with improved quantum yield with one photon irradiation in the case of the 5-bromo-4-methoxy-7-nitroindoline, the 5,7-dinitroindoline as well as for the 5-bromo-7-nitroindolin-4-yl-acetate. However their efficiency in two photons remains rather moderate. To improve their TP absorption, new quinaldines and nitroindolines were designed, where these chromophores are connected to additional conjugated-systems, in order to extend their conjugation and thereby their absorbance. The use of the triphenylamine as extension of the conjugation allowed some kinetic improvements during the photosolvolysis of the corresponding acetamides, both, under OP and TP conditions, mainly with the 7-nitroindoline-based chromophore.