Métaux chiraux pour la synthèse énantiosélective de produits pharmaceutiques et la reconnaissance d'acides aminés chiraux

Chiral encoded metals for enantioselective synthesis of pharmaceuticals and recognition of chiral amino acids

• Auteur / Autrice : Banyong Suwankaisorn
• Direction : Alexander Kuhn, Chularat Wattanakit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Vidyasirimedhi Institute of science and technology (Vistec)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Neso Sojic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thidarat Imyen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nantanit Wanichacheva, Serena Arnaboldi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrochimie

Chiralité

Matériaux poreux

Mots clés libres

Synthèse énantiosélective

Reconnaissance énantiosélective

Métaux mésoporeux

Empreinte chirale

Électrochimie

Enantioselective synthesis

Enantioselective recognition

Mesoporous Metals

Chiral Imprinting

Electrochemistry

Résumé

La nourriture et les médicaments sont essentiels au maintien d’une vie saine des organismes, en particulier des humains. Il est bien connu que la plupart d’entre eux contiennent des molécules chirales, qui sont des stéréoisomères non superposables les unes aux autres. En raison de ces caractéristiques spécifiques, les deux formes de molécules chirales peuvent être soit biologiquement actives, soit même toxiques. Dans un processus typique de synthèse de composés chiraux, un racémate des deux molécules chirales est produit. Pour permettre la production de composés pharmaceutiques énantiopurs (EPC), des catalyseurs chiraux doivent être développés pour effectuer la synthèse ou la reconnaissance énantiosélective de ces composés ou pour comprendre les fonctions de chaque molécule chirale. Les catalyseurs chiraux homogènes sont classiquement utilisés pour la synthèse énantiosélective mais souffrent d'une séparation difficile une fois la réaction terminée. Ainsi, des catalyseurs hétérogènes chiraux ont été proposés comme alternative, notamment des électrodes métalliques mésoporeuses à empreinte chirale (CIMM). Ces CIMM ont été élaborés avec succès par électroréduction de sels métalliques en présence simultanée de tensioactifs non ioniques pour créer des structures mésoporeuses et des molécules chirales pour coder les informations chirales, respectivement. Les matériaux présentent d'excellentes efficacités à la fois dans la synthèse énantiosélective et dans la reconnaissance de diverses molécules chirales telles que le phényléthanol, l'acide mandélique et la 3,4-dihydroxy phénylalanine. Plusieurs métaux, telles que Pt, Ni et PtIr, ont été testées avec ces molécules chirales.Cette thèse propose plusieurs stratégies pour contourner certaines limitations qui restent à résoudre pour les CIMM, par exemple, l'utilisation de métaux bon marché pour concevoir des matrices chirales, la synthèse de véritables molécules pharmaceutiques et la reconnaissance sélective de divers types d'acides aminés chiraux. Des métaux de transition tels que Cu et CuNi ont été utilisés pour la conception de CIMM présentant des caractéristiques énantiosélectives dans une première partie du travail.Le deuxième aspect se concentre sur l’impression d’une molécule pharmaceutique, l’épinéphrine (EP), dans des CIMMs PtIr, supportés sur de la mousse de Ni en tant que catalyseurs hétérogènes, et un %ee de plus de 95 % était obtenu.Enfin, le concept des CIMM a été appliqué à l’empreinte d’acides aminés chiraux, tels que la tyrosine et le tryptophane. Il a pu être démontré que les métaux chiraux imprimés avec un énantiomère d'acide aminé permettent la reconnaissance d'autres acides aminés ayant la même configuration chirale. Globalement, ces études ouvrent des perspectives prometteuses pour le développement des CIMMs en tant que candidats potentiels pour la synthèse pharmaceutique industrielle et comme capteurs chiraux.

Food and medicine are essential for maintaining a healthy life of organisms, in particular, humans. It is well-known that most of them contain chiral molecules, which are stereoisomers that are non-superimposable with each other. Due to this specific characteristic, the two forms of chiral molecules can either be biologically active or even toxic. In a typical process to synthesize chiral compounds, a racemate of the two chiral molecules are produced. To allow the production of enantiopure pharmaceutical compounds (EPC), chiral catalysts have to be developed to perform enantioselective synthesis or recognition of these compounds or to understand the functions of each chiral molecule. Chiral homogeneous catalysts are classically used for enantioselective synthesis but suffer from a difficult separation once the reaction is completed. Thus, chiral heterogeneous catalysts were proposed as an alternative, including chiral imprinted mesoporous metal (CIMM) electrodes. These CIMMs have been successfully elaborated by electroreduction of metal salts in the simultaneous presence of non-ionic surfactants to create mesoporous structures, and chiral molecules, to encode chiral information, respectively. The designer materials exhibit excellent efficiencies in both, enantioselective synthesis and recognition of various chiral molecules such as phenyl ethanol, mandelic acid, and 3,4-dihydroxy phenylalanine. Several metal compositions, such as Pt, Ni, and PtIr, were tested along with these chiral molecules.This thesis proposes several strategies to circumvent some limitations that are yet to be solved for CIMMs, for example, the use of cheap metals to design chiral encoded matrices, the synthesis of real pharmaceutical molecules, and the selective recognition of various types of chiral amino acids. Transition metals such as Cu and CuNi have been employed for the design of CIMMs with enantioselective features in a first part of the work.The second aspect is focused on imprinting a pharmaceutical molecule, epinephrine (EP), into PtIr CIMMs supported on Ni foam as heterogeneous catalysts, and an %ee of over 95% could be obtained.Finally, the concept of CIMMs was applied to the imprinting of chiral amino acids such as tyrosine and tryptophan. It could be shown that chiral metals imprinted with one amino acid enantiomer allow recognition of other amino acids with the same chiral configuration. Overall, these studies open up promising perspectives for the development of CIMMs as potential candidates for industrial pharmaceutical synthesis and as chiral sensors.