Les énamides constituent des groupes fonctionnels importants présents dans plusieurs produits naturels possédant des activités biologiques diverses. Quelques méthodes concernant la préparation de ces énamides sont rapportées dans la littérature. Toutefois, à notre connaissance il n'existe que très peu de méthodes rapides et efficaces pour préparer des énamides β-fonctionnalisés. Pourquoi s'intéresser à ces énamides β-fonctionnalisés? Parce qu'on peut leur ajouter un groupement oxyallylique en position β. Cet ajout conduit à la formation de β-allyloxyénamides susceptibles de subir un réarrangement de Claisen et ainsi conduire à la synthèse stéréosélective de composés carbonylés Y, δ-insaturés qui conduisent ultimement à la formation d'acides aminés non naturels. La synthèse des énamides β-fonctionnalisés revêt donc un intérêt synthétique important. Nous avons mis au point une nouvelle méthode pour la synthèse stéréosélective de β-iodoénamides. Le couplage entre le diiodoéthène et les amides fournit des β-iodoénamides avec des rendements allant de bons à excellents de façon stéréospécifique. L'atome d'iode en position β permet l'insertion d'autres fragments moléculaires simplifiant la construction des structures plus complexes. Cet attribut nous a permis de confirmer la faisabilité d'un deuxième couplage avec les alcools allyliques. Les réactions de couplage catalysées par l'iodure de cuivre entre les amides et le diiodoethène suivi par l'insertion d'un fragment oxyallylique constituent le premier exemple d'un double couplage hétéreoatomique effectué sur une double liaison carbone-carbone. Nos résultats préliminaires concernant le réarrangement de Claisen de β-allyloxyénamides démontrent que ceux-ci sont susceptibles de subir ce réarrangement. Ce travail a permis de confirmer la viabilité globale de la stratégie de synthèse conçue pour préparer de façon stéréosélective des intermédiaires synthétiques forts utiles comme les composés carbonylés Y, δ-insaturés. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Acide aminé, Catalyse, Couplage, Cuivre, Énamide, Radicaux, Réarrangement de Claisen.

Les composés carbonylés y, δ - insaturés constituent des groupes fonctionnels important présents dans plusieurs produits naturels possédant des activités biologiques diverses. Quelques méthodes de préparation de composés carbonylés y, δ - insaturés obtenues par des réactions type réarrangement [3,3] sont rapportées dans la littérature. Cependant, à notre connaissance il n'existe aucun exemple de réarrangement de Claisen [3,3] sur des composés type B-allyloxyénamides. Pourquoi s'intéresser aux composés carbonylés y, δ - insaturés? Parce que l'on peut obtenir des acides aminés non naturels par oxydation et hydrolyse de ces derniers. Les composés carbonylés y, δ - insaturés sont obtenus par un réarrangement de Claisen [3,3], de composés type B-allyloxyénamides. Ces derniers ont pu être synthétisés dans le cadre de travaux préliminaires dans notre laboratoire, par couplage cuivré entre des alcools allyliques et des B-iodoénamides. En outre, les B-iodoénamides ont été synthétisés grâce à une méthodologie de couplage cuivré, entre un amide et du (E)-diiodoéthène. Cette méthodologie a été développée et optimisée dans notre laboratoire, et cela dans le cadre d'une étude précédant celle-ci. Nous avons optimisé la synthèse des B-allyloxyénamides, et ainsi nous avons pu décrire une méthode générale permettant l'obtention de ces derniers, avec des rendements allants de bons à excellents. Nous avons également développé une méthodologie permettant la synthèse de composés carbonylés y, δ - insaturés, en effectuant un réarrangement de Claisen [3,3] des B-allyloxyénamides. Nous avons montré via cette étude, que l'on pouvait obtenir de manière diastéréosélective, des composés carbonylés y, δ - insaturés, avec de bons rendements, et cela notamment par l'emploi des micro-ondes. Ce travail a permis de confirmer la viabilité globale de la stratégie de synthèse conçue pour préparer de façon diastéréosélective des composés très prisés par l'industrie pharmaceutique, tels que les acides aminés. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : acides aminés, couplage, cuivre, réarrangement de Claisen, micro-ondes

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’élaboration de nouveaux oligomères capables de mimer les propriétés des protéines naturelles est devenue un domaine de recherche très important, non seulement du point de vue structural mais aussi médicinal. Les peptides comportant des acides β-aminés ont été extensivement étudiés tandis que les recherches dans le domaine des γ-peptides sont plus récentes. Néanmoins, ces derniers montrent déjà des propriétés structurales uniques ainsi que des activités biologiques prometteuses.Dans notre laboratoire nous nous intéressons au développement d’une synthèse générale de nouveaux acides β,γ-diaminés à partir d’acides ∝-aminés naturels, notamment à la 3-déoxyaminostatine, et à leur utilisation dans la synthèse peptidique pour obtenir des peptides non-naturels afin d’étudier leurs propriétés conformationnelles. La stratégie de synthèse élaborée dans notre laboratoire et améliorée au cours de ces travaux a permis d’élargir la gamme des acides β,γ-diaminés. Deux diastéréomères cis et trans issus de la L-leucine, de la L- et D-phénylalanine ont été obtenus et engagés dans la synthèse de nouveaux peptides hybrides α/γ. Deux séries de peptides hybrides α/γ ont été étudiées. Les analyses structurales de la série comportant des acides ∝-aminés de configuration L montrent une capacité à adopter des structures secondaires bien définies, stabilisées par des liaisons hydrogènes intramoléculaires, impliquant notamment l’azote situé en β. De plus, une voie de synthèse vers un analogue d’un antibiotique naturel, le gramicidine S, a été proposée. Dans cet analogue, le motif D-Phe-L-Pro est remplacé par l’acide β,γ-diaminé issu de la D-phénylalanine. / The design of a new oligopeptides, capable to mimic the properties of natural proteins, is an important field not only for structural studies but also in the developpement of new efficient drugs. The peptides featuring β-amino acids have been extensively explored, whereas the research in γ-peptides is more recent. The studies of γ-peptides show their ability to adopt stable secondary structures and also to have a promising biological activity. Our laboratory is interested in the synthesis of new β,γ-diaminoacids.The aim of this work is a developpement of new synthetic route starting from different natural α -amino acids and to use obtained β,γ-diaminoacids to access novel unnatural peptides having specific conformational properties.The synthetic strategy, developed and optimized in our laboratory during this work, gives access to diastereomers cis and trans from L-leucine, L- and D-phenylalanine which were used in the synthesis of a new hybrid α/γ-peptides. The structural studies were performed on two series of hybrid α/γ-peptides consisting of β,γ-aminoacid from L-leucine and L- or D-α-amino acids. In the first case, the peptides are able to adopt stable secondary structures stabilized by intramolecular hydrogen bonds involving the nitrogen on the β-position. In addition, we present the synthesis of an analogue of gramicidine S, a naturally occuring antibiotic cyclic peptide. The dipeptide pattern D-Phe-L-Pro has been replaced with the β,γ-diaminoacid synthesized from D-phenylalanine.

Malgré son implication importante dans de nombreux processus environnementaux, la matière organique naturelle (MON) reste mal caractérisée, principalement à cause du caractère réfractaire des structures dans lesquelles elle est impliquée. Si des fonctions amides ont été mises en évidence dans la MON, la structure moléculaire des unités associées est encore inconnue. La pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse et à la spectrométrie de masse (Py-GC-MS) en présence de Tetra-Methyl-Ammonium Hydroxyde (TMAH) est a priori un outil pertinent pour l'analyse de ces structures. Pour mieux comprendre le comportement des structures azotées de la MON au cours de la Py-GC-MS/TMAH, nous avons étudié par cette méthode, les 20 acides aminés protéiques, 17 dipeptides, 4 polypeptides et une protéine, la Sérum Albumine Bovine (SAB). Cette étude a permis de mettre en évidence les principaux mécanismes de pyrolyse des acides aminés (méthylation directe, cyclisation, dimérisation, homolyse, décarboxylation, et déamination), et l'influence de la liaison peptidique sur ces mécanismes. La Py-GC-MS/TMAH des dipeptides et des polypeptides a montré l'importance des produits de cyclisation, en particulier des diketopiperazines et de structures plus complexes basées sur 3 acides aminés, et des produits d'homolyse pour les acides aminés aromatiques. De plus, cette étude a permis d'établir une base de données des produits de pyrolyse des acides aminés et des 17 dipeptides. Enfin, la pyrolyse de la SAB en mélange avec les deux principales macromolécules présentes dans la biomasse (lignine et cellulose) montre que les coefficients de réponse sont défavorables à la protéine.

Chirality is the property of objects, including molecules, which are not superimposable on their materialized mirror image. Chiral molecules are omnipresent in living organisms and the constituents of biological macromolecules (proteins and nucleic acids) are chiral. Amino-acids (constituting proteins), ribose and 2-deoxy-ribose (the only chiral constituent of RNA and DNA nucleotides respectively) are furthermore generally present in living organisms only under one of their enantiomeric forms. This is referred to as the homochirality of the living world. The origin of this homochirality is still unexplained, even if many partial scenarios have been proposed in the literature. All scenarios involve the creation of a small enantiomeric excess for certain molecules, amplification of this excess and chirality transfer to other chiral molecules. The origin of homochirality on Earth is closely related to the origin of life, and is currently supposed to have preceded life. As no-one will ever be able to directly observe the phenomena which lead to homochirality, and life, on our planet, the only scientific approach to try and help explain how this occurred is to build scenarios, and test them taking into account all available information on the physical and chemical conditions on the primitive Earth (Earth before life appeared). In our work, we investigated three scenarios related to the origin of homochirality on Earth. One of these scenarios also relates to a very precise step of the origin of life: the selection of beta-d-ribofuranose as component of RNA nucleotides. Enantiomeric excesses (up to 15 %) of alpha-methylated alpha-amino-acids have been detected in meteorites which fell on Earth during the 20th century. No enantiomeric excess is detected for the corresponding alpha-hydroxy-acids in the same meteoritic samples and small (2% at most) or no enantiomeric excesses have been measured for non-methylated alpha-amino-acids. In the first part of our work, we investigated if photolysis by circularly polarized light (CPL) in space could be at the origin of the presence (or absence) of an enantiomeric excess for these compounds. Experiments to reproduce UV-CPL photolysis are difficult to undertake: they require high-energy circularly polarized photons, hence the use of a synchrotron. In our work, we used quantum mechanical calculations to obtain the electronic circular dichroïsm (ECD) spectra of two -methylated -amino-acids, their corresponding alpha-hydroxy-acids and one non-methylated alpha-amino-acid. Differences are observed between these spectra, and we propose a scenario to explain the experimental measurements reported here above: the enantioselective photolysis, in the gas phase at low temperatures (20K at most), of the alpha-amino-acids by UV-CPL with lambda>210 nm. Under these conditions no photolysis of the alpha-hydroxy-acids would occur. This scenario concerns the first step in the origin of homochirality on Earth: the creation of a small enantiomeric excess for some chiral molecules. The second scenario that we investigated relates to the enantiomeric amplification step of the origin of homochirality on Earth, for which the role of the alpha-amino-acid serine has been suggested in the literature. Serine clusters have been observed in the gas phase by mass spectrometry. Among these clusters the octamer has been shown to be a magic number cluster and to have a preference for homochirality. An enantiomeric amplification via cycles of formation and dissociation of the octamer has been suggested. No complete scenario has however been proposed in the literature to explain how this could have occurred on the primitive Earth, but any scenario would most probably include an aqueous phase. We aimed at determining if the homochiral preference of serine octamers also exists in solution and therefore we first investigated if serine octamers exist in solution. For this study, we used nuclear magnetic resonance and infrared spectroscopies, which are well-adapted to the study of molecular assemblies in solution. We were able to demonstrate that most probably serine clusters are not present in solution, and if they are it could only be in extremely low concentration. The scenario suggested in the literature is discussed in the light of our results and of literature data on serine clusters. As last hypothesis, we investigated a possible scenario for the selection of beta-d-ribofuranose as component of RNA nucleotides. The currently known prebiotic synthesis pathways to ribose also lead to the formation of many other carbohydrates, and ribose is only a minor product of these syntheses. Our hypothesis is that beta-d-ribofuranose could have been selected through favorable interactions with -amino-acids already present on the primitive Earth under one enantiomeric form. Indeed, it is plausible that a peptidic world emerged before the presence of RNA and that homochiral -amino-acids were present on Earth when RNA was synthesized. Under this hypothesis, we investigated the role that alpha-l-amino-acids could have played in the selection of alpha-d-ribofuranose as component of RNA nucleotides. This work is related to the last step of the origin of homochirality: chirality transfer. Our scenario was investigated via nuclear magnetic resonance studies of the interaction between alpha-amino-acids and carbohydrates. We were able to show that, in the systems that we studied, when an interaction occurs it is very weak (affinity constant less than 1M−1) and non enantioselective. Our results most probably discard the role that alpha-amino-acids alone could have played in the selection of beta-d-ribofuranose as component of RNA nucleotides, but does not discard the role that peptides could have played in this selection.

Le tripeptide GPE possède une activité neuroprotectrice intéressante in-vitro et in-vivo pour différents types de dommage neuronaux. L'objectif de cette thèse est de mettre au point des méthodes de couplage peptidique pour les acides aminés trifluorométhylés et de réaliser des analogues trifluorométhylés du GPE.Au cours de cette thèse, la synthèse d'acides aminés trifluorométhylés cycliques énantiopurs (proline, pseudoproline) a été réalisée à l'échelle du gramme.Ensuite, une étude méthodologique de l'incorporation de ces acides aminés trifluorométhylés dans des peptides a été effectuée.Des expériences RMN ont été menées pour étudier la conformation cis/trans de la liaison amide de ces peptides trifluorométhylés.Enfin, des analogues du tripeptides GPE ont été synthétisé en remplaçant le motif proline par une proline ou pseudoproline trifluorométhylé. Des tests biologiques sont actuellement en cours pour évaluer leur activité sur divers troubles neuronaux.

Les travaux décrits dans ce manuscrit concernent la synthèse, l’étude structurale et l’évaluation biologique d’oligopeptides abiotiques incorporant le gamma-aminoacide hétérocyclique nommé ATC (acide-4-Aminométhyl-1,3-Thiazole-5-Carboxylique). Les ATCs sont construits autour d’un noyau thiazole et présentent deux points de diversité structurale. De précédents travaux ont déterminé que la présence du noyau thiazole entre les positions alpha et béta bloquait l'angle zéta autour de 0°, structurant les homo-oligomères de poly-(S)-ATCs en une hélice 9 droite et les faisant ainsi entrer dans le domaine des foldamères. Dans une première partie, nous avons entrepris de développer une voie de synthèse simple, flexible et énantiosélective permettant d’obtenir les ATCs stéréochimiquement purs sur une échelle de plusieurs grammes à partir d'alpha-aminoacides commerciaux. L’introduction de la diversité chimique est réalisée via deux étapes-clés que sont la condensation croisée de Claisen et la réaction de cyclisation de Hantzsch. Puis l’identification des marqueurs de structuration RMN et IR-TF des oligomères d'ATCs a été mise à profit pour caractériser le repliement d’hétéro-oligomères combinant ATCs et alpha-aminoacides. Ainsi, une étude structurale par RMN, IR-TF, cristallographie RX et dichroïsme circulaire a démontré que l’enchaînement 1:1 (L)-alpha:(S)-ATC se structurait en un ruban, stabilisé par un réseau intramoléculaire de liaisons hydrogène bifides formant des pseudocycles à 9 et 12 chaînons. La distribution des chaînes latérales le long du squelette principal présente une forte analogie avec l’hélice alpha, ce qui pourrait constituer un atout majeur pour le développement de composés à finalité thérapeutique. La dernière partie de ce travail a porté sur la conception de pseudo-peptides amphipatiques pour des applications en temps qu'antimicrobiens. / This manuscript describes the synthesis, the structural study and the biological evaluation of abiotic oligopeptides incorporating the heterocyclic gamma-amino acid ATC (4-Aminomethyl-1,3-Thiazole-5 Carboxylic acid). This original block is built around a thiazole ring and displays two lateral chains. Previous work in our laboratory highlighted that the presence of the thiazole ring between the positions alpha and beta implied that zeta angle was blocked around 0°, thus structuring poly-(S)-ATCs homo-oligomers in a right-handed 9-helix foldamer. First, development of a simple, flexible and enantioselective synthesis on a few grams scale has allowed to get access of a highly diverse ATC library from commercial alpha-amino acids. Introduction of the chemical diversity occurs via two key steps implying a cross-Claisen condensation and a Hantzsch cyclization. Then identification of NMR and FT-IR structural markers of ATC-containing oligomers was used to characterize the folding propensity of hybrid α:ATC oligomers. We demonstrated that 1:1 (L)-alpha:(S)-ATC heterochiral oligomers are structured in solution in a new ribbon-like shape stabilized by a bidentate intramolecular hydrogen bond network forming 9- and 12-membered pseudorings. The distribution of lateral chains along the main skeleton shows a high analogy with alpha-helix thus constituting a major advantage for potential medicinal applications. The last part of this work has focused on the design of amphipathic ATC-containing pseudo-peptides as antimicrobial agents.

L’addition nucléophile des réactifs de Grignard sur les nitriles conduit généralement aux cétones après hydrolyse acide. La double addition, menant à des carbinamines tertiaires après traitement, est beaucoup plus difficile et ne s’effectue habituellement qu’avec les organomagnésiens allyliques. Dans ce contexte, nous avons découvert que les organomagnésiens peuvent effectuer une double addition sur la fonction nitrile des acylcyanhydrines, pour fournir des hydroxyamides. Cette réaction est originale par le fait qu’une large gamme d’organomagnésiens peut être utilisée, dans des conditions particulièrement douces. Cette réaction a été appliquée à la synthèse de différents acides α-aminés α,α-disubstitués, par oxydation de la fonction alcool et hydrolyse du motif amide. La divinylglycine a notamment pu être préparée avec un bon rendement. L’addition successive de deux organomagnésiens différents a aussi pu être réalisée, après optimisation des conditions de réaction, pour accéder à des hydroxyamides disymétriques, précurseurs d’acides aminés quaternaires chiraux. Enfin, l’addition des réactifs de Grignard sur les 3-cyano iminocoumarines N-éthoxycarbonylées a été étudiée. Malgré la présence de nombreux sites électrophiles, la réaction est très chimiosélective, et des chromènes originaux substitués en position 4 ont été obtenus. Les propriétés antifongiques et antibactériennes de ces derniers ont été évaluées. / The nucleophilic addition of Grignard reagents on nitriles generally leads to ketones after acidic hydrolysis. The double addition, providing tertiary carbinamines after work-up, is more difficult and usually occurs only with allylic Grignard reagents. In this context, we discovered that Grignard reagents can perform a double addition on the nitrile function of acyl cyanohydrins, to provide hydroxyamides. This reaction is original by the fact that a wide range of Grignard reagents can be used, in particularly mild conditions. This reaction has been applied to the synthesis of different α,α-disubstituted α-aminoacids, by oxidation of the alcohol functionality and hydrolysis of the amide moiety. Especially, divinylglycine has been prepared in good yield. The successive addition of two different Grignard reagents was also carried out, after optimization of reaction conditions, to access unsymmetrical hydroxyamides, which are precursors of chiral quaternary aminoacids. Finally, the addition of the Grignard reagents on N-ethoxycarbonyl 3-cyano-iminocoumarines was studied. Despite the presence of several electrophilic centers, the reaction is highly chemoselective, and novel chromenes displaying substituent on position 4 were obtained. The antifungal and antibacterial properties of these compounds have been evaluated.

Dans la communauté scientifique, la glycosylation suscite un vif intérêt tant les relations existantes entre les sucres et les protéines sont étroites et sont impliquées dans de nombreux processus biologiques. De nombreuses méthodologies de synthèse ont été développées pour permettre la production de glycoprotéines sous forme homogènes nécessaires pour leur étude. Les formes S-glycosidiques sont d’un intérêt particulier grâce notamment à la réactivité de l’atome de soufre qui permet le couplage spécifique sucre – acide aminé et qui confère à la liaison une relative résistance à l’hydrolyse acido/basique et enzymatique. Dans le cadre de ce projet nous avons souhaité utiliser des outils biocatalytiques pour proposer une nouvelle voie d’accès aux protéines S-glycosylées en s’appuyant sur le concept des thioglycoligases. Pour répondre à ce challenge, nous nous sommes intéressés à la production d’une banque de glycosidases natives à partir du génome de la bactérie thermophile Dictyoglomus thermophilum. Trois protéines originales ont pu être produites, caractérisées et criblées en activité transglycosylase. Parmi ces dernières la β-glycosidase DtGly s’est révélée être un biocatalyseur efficace en favorisant la synthèse d’une variété de glycosides d’alkyle et de glycosyl glycérol. Par la suite, neuf mutants thioglycoligases ont été produits par mutagénèse dirigée à partir des glycosidases natives. A l’issue de leur criblage en activité thioligase, le mutant de DtGly E159Q a été retenu pour la synthèse de S-glycoconjugués. Une étude de relation structure/activité menée sur l’enzyme mutée nous a conduit à la synthèse d’un acide aminé non-naturel, la Thiotyrosine. L’essai de glycosylation de l’analogue estérifié de cette Thiotyrosine par DtGly E159Q a été suivi par LC-MS et a permis de mettre en évidence la formation du produit de thioglucosylation. Ce premier résultat préliminaire s’avère très prometteur pour la validation du concept de S-glycosylation d’un acide aminé catalysée par une thioglycoligase. / Glycosylation, one of the most complex co- and post-translationnal modifications of proteins, is of utmost importance for the scientific community as carbohydrates and proteins are closely related and involved in numerous diseases. The need to access homogeneous glycoproteins allows the development of a wide range of synthetic methods. Among them S-glycosidic forms have been attractive thanks to the reactivity of sulfur atom which allows the specific sugar – amino acid conjugation and confers a relative resistance through acido/basic or enzymatic hydrolysis. In this project we attempt to take advantage of natural tools to develop an enzymatic methodology to prepare S-glycosylated proteins through the thioglycoligase concept. In order to take up this challenge we first generate an enzymatic pool of wild type glycosidases from the thermophilic bacteria Dictyoglomus thermophilum. Activity screening of the three proteins produced and characterized allows the isolation of the β-glycosidase DtGly with good transglycosylation activity, thus affording a variety of alkyl glycosides and glyceroglycosides. Next we generate nine thioglycoligase mutants through site-directed mutagenesis and after screening of activity, the variant DtGly E159Q was selected to produce S-glycoconjugates. Finally, DtGly E159Q relation structure/activity studies led us to synthesize the unnatural amino acid Thiotyrosine. Enzymatic thioglucosylation assay catalyzed by DtGly E159Q was monitored by LC-MS and gave converging evidence of the successful formation of the S-glucosylated Thiotyrosine. This tremendous preliminary result is promising for further investigations of enzymatic S-glycosylation of amino acid using thioglycoligases as toolbox.