Etude de la relation structure-activité de complexes bio-inspirés de la réductase de l'oxyde nitreux

290 Pages·2017·20.97 MB·French

by  Charlène Esmieu

Etude de la relation structure-activité de complexes
bio-inspirés de la réductase de l’oxyde nitreux
Charlène Esmieu
To cite this version:
Charlène Esmieu. Etude de la relation structure-activité de complexes bio-inspirés de la réductase de
l’oxyde nitreux. Bioclimatologie. Université de Grenoble, 2014. Français. ￿NNT: 2014GRENV044￿.
￿tel-01553445￿
HAL Id: tel-01553445
https://theses.hal.science/tel-01553445
Submitted on 3 Jul 2017
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Chimie Inorganique et Bio-Inorganique
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Charlène ESMIEU
Thèse dirigée par Stéphane MENAGE
Co-encadrée par Stéphane TORELLI
préparée au sein du Laboratoire de chimie et biologie des
métaux dans l'École Doctorale de Chimie et Sciences du
Vivant
Etude de la relation structure-
activité de complexes bio-inspirés
de la réductase de l’oxyde nitreux
Thèse soutenue publiquement le 13 novembre 2014, devant le jury
composé de :
Mme Christelle HUREAU,
Chargée de recherche, LCC, Toulouse, Rapporteur
Mme Olivia REINAUD,
Professeur, LCBPT, Université Paris Descartes, Rapporteur
Mme Pascale DELANGLE,
Chercheur CEA, INAC, Grenoble Examinateur
M. Marc FONTECAVE,
Professeur Collège de France, Président du jury
M. Stéphane TORELLI,
Chargé de recherche, LCBM, Grenoble Co-encadrant de thèse
M. Stéphane MENAGE,
Directeur de recherche, LCBM, Grenoble, Directeur de thèse
Mme Maylis Orio
Chargée de Recherche, LASIR, Lille, Membre invitée
Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP

Remerciements
« I feel a very unusual sensation – if it’s not indigestion, I think it must be
gratitude! »
de Benjamin Disraeli

J’ai passé trois années formidables au sein du laboratoire de chimie et biologie des métaux,
tant d’un point de vue personnel que professionnel. J’ai pu m’enrichir auprès de tous ces membres
que je remercie vivement. Je tiens dans un premier temps à remercier Stéphane M. pour son accueil
dans son laboratoire et son équipe. Je tiens à te remercier de m’avoir renouvelé ta confiance après
mon stage de master 2. Je t’exprime dans un second temps toute ma reconnaissance pour
l’encadrement de ma thèse. Tu as toujours fait preuve d’une grande disponibilité, ton investissement
dans tous les projets du laboratoire est remarquable. J’ai vraiment apprécié nos discussions
scientifiques. Comment ne pas évoquer ton humour, comment dire … caustique, pour confidence, il
me manque déjà !
J’adresse tous mes remerciements à Steph. T. qui m’a encadré pendant ces trois années et
appris énormément en matière de chimie de coordination et tant d’autres choses. J’ai vraiment
apprécié ton encadrement, toujours présent en cas de problème mais sans une présence
oppressante. Tu m’as toujours soutenu dans les bons comme dans les mauvais moments. J’ai
également apprécié toutes nos sorties extra-professionnelles, notamment le fameux blind test du
mardi soir.
Je réserve un remerciement chaleureux à tous les membres permanents du groupe BioCe.
Carro, tu m’as fait confiance et permis d’intégrer le laboratoire. Le mot qui me vient quand je pense à
toi c’est générosité, merci. Je souhaite également remercier Laurent, j’admire ta rigueur scientifique,
Olive, Yves et bien sûr Adeline. J’exprime également ma gratitude à toutes les personnes de l’équipe
BioCat avec lesquelles j’ai pu travailler et échanger sur des sujets scientifiques et moins scientifiques,
n’est-ce pas Hamid.
Je remercie toutes les personnes non permanentes qui ont contribué à rendre ces trois
années meilleures. Mes collègues de bureau Lulu, Lolo et Wiss, mais je n’oublie pas Jean-jean, julien,
le grand Nico et Ulrika. J’ai fait de très belles rencontres humaines que je n’oublierais jamais. Lolo je
te remercie particulièrement pour ta gentillesse, ton thé et tes chewing gum.
Mention particulière à Nico pour ton soutien pendant la rédaction, pour la relecture et la
correction du manuscrit. Sans toi tout aurait été différent… J’admire ta ténacité et ton optimisme
(parfois bien caché), merci de m’en faire profiter.
Je remercie également ma famille pour son soutien sans faille.
Je souhaite remercier toutes les personnes qui ont rendu ce travail possible, c'est-à-dire les
collaborateurs Maylis Orio, Jacques Pécaut, Colette Lebrun, Florian Molton et Lionel Dubois.
Je désire finalement exprimer ma profonde gratitude à Christelle Hureau, Olivia Reinaud,
Pascale Delangle et Marc Fontecave pour avoir examiné et évalué mon travail à travers leur
participation à mon jury de soutenance et à la lecture de mon manuscrit.
Table des matières
Abréviations et symboles ............................................................................................................... 7
Introduction générale ....................................................................................................................11
Introduction bibliographique .....................................................................................................17
I. L’oxyde nitreux, un gaz inerte impliqué dans de nombreux processus ................................... 17
A. Un rôle environnemental majeur .......................................................................................... 17
B. Quelques propriétés de l’oxyde nitreux ................................................................................ 20
II. Etat de l’art sur l’activation de N O .......................................................................................... 21
2
A. Milieu hétérogène ................................................................................................................. 22
B. Milieu homogène ................................................................................................................... 23
1. Cas des paires frustrées de Lewis : .................................................................................... 23
2. Cas des carbènes N-hétérocycliques ................................................................................. 24
a. Coupure de la liaison N-O .............................................................................................. 25
b. Coupure de la liaison N-N .............................................................................................. 25
3. Cas des paires frustrées de Lewis incluant un carbène N-hétérocyclique ........................ 26
4. Complexes de métaux de transition et lanthanides .......................................................... 26
a. Voie A - Formation de complexes stables incorporant N O comme ligand .................. 28
2
b. Voie B - Coupure de la liaison N-N ................................................................................ 29
c. Coupure de la liaison N-O .............................................................................................. 32
i. Voie C ......................................................................................................................... 32
ii. Voie D ........................................................................................................................ 37
III. La réductase de l’oxyde nitreux (N OR) : une métalloenzyme à cuivre ................................... 42
2
A. Les métalloenzymes à cuivre ................................................................................................. 42
B. Propriétés de la réductase de l’oxyde nitreux ....................................................................... 45
1. Le centre CuA .................................................................................................................... 46
2. Le centre CuZ ..................................................................................................................... 47
a. Le centre CuZ - [2Cu2+–2Cu+] ......................................................................................... 48
b. Le centre CuZ* - [1Cu2+–3Cu+] ....................................................................................... 50
3. Mécanisme proposé de réduction de N O ........................................................................ 52
2
IV. Complexes bio-inspirés de l’activité N O réductase. ................................................................ 54
2
1
A. Développement de l’approche bio-inspirée pour le centre CuZ ........................................... 56
B. Approche choisie au laboratoire ............................................................................................ 56
V. Références bibliographiques .................................................................................................... 59
Synthèse, caractérisation, spéciation en solution et réactivité d’un complexe
dinucléaire de cuivre bio-inspiré de la réductase de l’oxyde nitreux (N2OR) ..........67
I. Synthèse du ligand LMeMAMS-S et du complexe de cuivre correspondant .............................. 68
II. Caractérisation du complexe .................................................................................................... 70
A. Structure cristallographique et études théoriques ................................................................ 70
B. Etude en solution ................................................................................................................... 73
1. Spectrophotométrie UV-visible et proche infrarouge....................................................... 74
2. RPE ..................................................................................................................................... 77
3. Electrochimie ..................................................................................................................... 79
C. Mise en évidence de la nature des ligands exogènes ............................................................ 80
1. Résonance magnétique nucléaire du 19F ........................................................................... 80
2. Titrage acide-base ............................................................................................................. 83
a. UV-visible ....................................................................................................................... 83
b. RPE ................................................................................................................................. 85
D. Mise en évidence de la labilité des ligands exogènes ........................................................... 87
1. Electrochimie ..................................................................................................................... 87
2. UV-visible, RPE ................................................................................................................... 88
E. Etude théorique de la stabilité relative de tous les différents systèmes :
[Cu (LMeMAMS)(H O)(OTf)](OTf), [Cu (LMeMAMS)(H O) ]2+ et [Cu (LMeMAMS (OTf) ] ................. 89
2 2 2 2 2 2 2
III. Réactivité vis-à-vis de la réduction de N O............................................................................... 91
2
A. Evaluation de la réactivité...................................................................................................... 91
B. Etude mécanistique ............................................................................................................... 97
C. Calcul du mode fixation de N O ........................................................................................... 100
2
D. Cinétique .............................................................................................................................. 101
IV. Conclusion .............................................................................................................................. 104
V. Références bibliographiques .................................................................................................. 106
2
Table des matières
Effet de la nature des ligands exogènes du cuivre sur les propriétés
spectroscopiques et la réactivité vis-à-vis de N2O .............................................................111
I. Synthèse du complexe de cuivre sans contre-ion coordinant ............................................... 111
II. Caractérisation du complexe .................................................................................................. 111
A. Structure cristallographique et études théoriques .............................................................. 111
B. Etude en solution ................................................................................................................. 113
1. Spectrométrie de masse .................................................................................................. 114
2. RPE ................................................................................................................................... 114
3. UV-visible ......................................................................................................................... 118
a. Effet du solvant d’étude .............................................................................................. 118
b. Titrage .......................................................................................................................... 121
c. Discussion .................................................................................................................... 123
i. Cas de l’acétone ...................................................................................................... 123
ii. Cas de l’acétonitrile ................................................................................................. 125
4. Propriétés électroniques des complexes à valence mixte : ............................................ 127
a. Classe I ......................................................................................................................... 127
b. Classe II ........................................................................................................................ 128
c. Classe III ....................................................................................................................... 129
d- Détermination expérimentale du paramètre de couplage électronique V dans les
AB
systèmes de classe II ou III. ................................................................................................. 129
5. Electrochimie ................................................................................................................... 131
III. Réduction de N O ................................................................................................................... 133
2
IV. Conclusion .............................................................................................................................. 139
V. Références bibliographiques .................................................................................................. 140
Etude de la stabilité de liaisons disulfures en présence d’un sel cuivrique .............143
I. Cas du ligand disulfure LMePipeS-S ........................................................................................... 146
A. Synthèse ............................................................................................................................... 146
B. Structure cristallographique ................................................................................................ 147
C. Propriétés spectroscopiques ............................................................................................... 148
3
D. Etude mécanistique ............................................................................................................. 150
II. Cas du ligand LMeMAMS-S ........................................................................................................ 151
III. Cas du ligand LMeBPAS-S ........................................................................................................... 154
A. Synthèse ............................................................................................................................... 154
B. Description et caractérisation des complexes ..................................................................... 155
1. Complexe [Cu (LMeBPAS-S)](OTf) .................................................................................... 155
4 8
a. Structure cristallographique ........................................................................................ 155
b. Propriétés spectroscopiques. ...................................................................................... 157
2. Caractérisation des complexes de type [Cu (LMeBPASO2)]3+ (1), (2) et (3) ....................... 158
2
a. Structures cristallographiques ..................................................................................... 158
b. Propriétés spectroscopiques des complexes sulfinato ............................................... 161
3. Caractérisation du complexe [Cu (LMeBPASO3)]3+............................................................. 163
2
C. Etude mécanistique ............................................................................................................. 164
1. En milieu anhydre et anaérobie ...................................................................................... 167
2. En présence d’eau en milieu anaérobie .......................................................................... 168
3. En condition aérobie et anhydre ..................................................................................... 171
4. En présence d’eau en milieu aérobie .............................................................................. 173
D. Discussion ............................................................................................................................ 175
IV. Conclusion .............................................................................................................................. 178
V. Références bibliographiques .................................................................................................. 179
Conclusions et perspectives .......................................................................................................185
Partie expérimentale ...................................................................................................................191
I. Généralités ............................................................................................................................. 191
A. Chromatographie ................................................................................................................. 191
1. Analytique ....................................................................................................................... 191
2. Séparative ........................................................................................................................ 191
B. Spectrophotométrie UV-visible et proche infrarouge ......................................................... 191
C. RPE ....................................................................................................................................... 192
D. RMN ..................................................................................................................................... 192
4
Table des matières
E. Spectrométrie de masse ...................................................................................................... 193
F. Diffraction des RX ................................................................................................................ 193
G. Electrochimie ....................................................................................................................... 193
H. Analyses élémentaires ......................................................................................................... 193
I. Expérience type de réduction de N O.................................................................................. 193
2
J. Expériences de GC-MS ......................................................................................................... 194
K. Mesures de cinétique : ........................................................................................................ 194
L. Calculs théoriques ................................................................................................................ 195
II. Synthèse des ligands et complexes ........................................................................................ 196
III. Références bibliographiques .................................................................................................. 211
Annexe : données cristallographiques ...................................................................................215
Publication .......................................................................................................................................274

5