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Université Joseph-Fourier - Grenoble I (15/12/2010), Stéphane Ménage (Dir.)
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Les oxygénases artificielles : nouveaux outils pour la catalyse asymétrique d'oxydation d'alcènes et de thioéthers dans le cadre de la “chimie verte”
Frédéric Oddon1

Mes travaux de thèse ont consisté en l'élaboration de nouveaux catalyseurs répondant aux critères de la “chimie verte” dans le but de réaliser la catalyse asymétrique d'oxygénation de molécules organiques telles que les thioéthers et les alcènes. Ces nouveaux catalyseurs sont des hybrides bioinorganiques résultant de l'association d'une protéine et d'un complexe de fer. Notre choix s'est porté sur la protéine bactérienne NikA qui est capable de reconnaître le complexe Fe(EDTA). Nous avons synthétisé des complexes de fer possédant des ligands de type N2Py2 (deux amines et deux pyridines), un environnement propice pour avoir une chimie centrée sur le métal. Sur les amines, ont été greffés un ou deux groupements carboxyle pour permettre la reconnaissance avec NikA. Les études catalytiques menées sur ces complexes en oxydation d'alcènes et de thioéthers ont montré que la présence d'un seul groupement carboxyle altère peu l'activité du catalyseur, mais deux groupements carboxyle inhibent totalement la réactivité du complexe. L'obtention de la structure de l'un d'entre eux, ainsi que les analyses spectroscopiques nous ont montré des aspects singuliers de ces complexes, comme la coordination sur l'ion Fe(II) des groupements carboxyle par le carbonyle, et la formation de l'espèce Fe(II)Cl42-, en contre-ion, lorsque les complexes sont préparés à partir de Fe(II)Cl2. Les hybrides ont été testés en catalyse de sulfoxydation montrant une activité accrue sans (ou très peu) de production de sulfone, contrairement aux complexes correspondants avec lesquels autant de sulfoxyde que de sulfone se forme. En outre, nous avons observé au niveau de la structure cristallographique de certains des hybrides des configurations inédites pour ce type de complexes. Malheureusement, nous n'avons obtenu que de très faibles énantiosélectivités (ee = 11%). Pour pallier à ce problème, des expériences de mutagenèse dirigée, basées sur la structure cristallographique des hybrides et des études de docking, sont envisagées. Pour conclure, de nouvelles métalloenzymes artificielles ont été élaborées. Elles serviront de base pour de nouveaux systèmes plus optimisés.
1:  LCBM - UMR 5249 - Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux
Catalyse asymétrique – époxydation – sulfoxydation – complexes de fer – hybrides bio-inorganiques – “chimie verte”.

Artificial oxygenases: new tools for the asymmetric oxidation catalysis of alkenes and thioethers in the context of the “green chemistry”
My thesis works have consisted in elaborating new catalysts, in agreement with the “green chemistry” principles, to promote the catalysis of asymmetric oxygenation of thioethers and alkenes. These new catalysts are bio-inorganic hybrids which result from the association of a protein and an iron catalyst. Our choice for the protein have consisted of the bacterial protein NikA which is able to bind the Fe(EDTA) complex. Then, we have synthesized iron complexes containing N2Py2 ligands (two amine and two pyridine moieties), a favorable environment for metal-based chemistry. On the amino moieties, were added one or two carboxyle groups to allow the recognition with NikA. The catalytic studies of these complexes in alkenes and thioethers oxidation have shown that the presence of one carboxyle moiety alter slightly the reactivity of the catalyst, but two carboxyle groups poisoned totally the catalyst. The obtention of the structure of one complex and several spectroscopic analyses have shown uncommon features for theses complexes, such as the coordination of carboxyle groups by the carbonyl moiety to the iron center, and the formation of the species Fe(II)Cl42-, as counter-ion, when the complexes are prepared with Fe(II)Cl2. The NikA/Fe(N2Py2) hybrids were tested in sulfoxidation catalysis showing an enhanced activity without (or very few) sulfone production, opposite to the corresponding complexes alone which afford both sulfoxide and sulfone. Besides, we have determined cristallographic structure of some hybrids and some novel configurations for this type of complexes have been observed. Unfortunately, we have obtained poor enantioselectivities (ee = 11%). To solve this problem, directed mutagenesis experiences, based on cristallographic structure of the hybrids and on docking studies, are envisaged. To conclude, new artificial metalloenzymes have been designed. They will serve as basis for new more optimized systems.
Asymmetric catalysis – epoxidation – sulfoxidation – iron complexes – bio-inorganic hybrids – “green chemistry”.