Les nouveaux aspects économiques et écologiques de la chimie moderne (à savoir la gestion des déchets, l’économie d’atome) font de la réduction de liaisons polarisées C=X (X = O, N) catalysée par des complexes organométalliques, une réaction importante en chimie organique. De plus, ces complexes permettent le contrôle de la stéréo-, régio- et chimiosélectivité de ces réactions. Les complexes de fer tricarbonyle à ligand cyclopentadiènone ont montré ces dernières années une excellente réactivité pour les hydrogénations de liaisons C=O et C=N. Grâce à de précédents travaux réalisés au laboratoire, nous avons envisagé l’approche de ces réductions polarisées via l’utilisation de métalloenzymes artificielles incorporant un complexe de fer cyclopentadiènone. Parallèlement à cette étude, une optimisation des performances catalytiques de complexes de fer a été réalisée et a permis de développer l’alkylation de cétones par les alcools, la méthylation d’amines par le méthanol et la réduction de liaisons C=C pour les cétones ,-insaturées. Enfin, grâce à un nouveau complexe aminocyclopentadiènyle de fer, les réactions d’amination réductrice étudiées précédemment au laboratoire ont pu être améliorées. / Environmental and economic concerns within modern chemistry (waste management, atom economy), lead metal-catalyzed reduction of polarized C=X bonds (X= O, N) with organometallic complexes an important reaction in organic chemistry. Additionally, stereo-, regio- and chemoselective reductions can be involved in organometallic catalysis. In the past decade, cyclopentadienone iron tricarbonyl complexes were reported as efficient for the hydrogenation of C=O and C=N bonds. According to previous investigations in the group, we developed a new approach within artificial metalloenzyme involving iron complexes for the hydrogenation of polarized bonds. Simultaneously, we described new reactivities of the complex prepared in the group for ketone alkylation and amine methylation through auto-hydrogen borrowing process, and chemoselctive C=C bonds of enones. We developed as well a new aminocyclopentadienyl iron complex for the enhancement of reductive amination previously described.

Dans l’industrie chimique, de nombreux composés organiques sont issus d’étapes d’oxydation, pouvant être énantiosélectives et mettant en jeux des conditions dangereuses et polluantes, comme par exemple l’emploi du tétraoxide d’osmium comme oxydant. Dans un souci de respect de l’environnement, il est alors nécessaire de repenser les procédés de synthèse vers un développement de la chimie verte et durable.Dans cet objectif, mes travaux de thèse consistent à développer des nouveaux catalyseurs d’oxydation de molécules organiques en rassemblant les mondes de la catalyse inorganique et de la biocatalyse par la conception de Métalloenzymes artificielles. Ces hybrides catalytiques développés en ancrant un complexe inorganique au sein d’une protéine hôte permettent ainsi des catalyses d’oxydation de façon douce et propre. Premièrement, nous avons développé et caractérisé une métalloenzyme artificielle à centre ruthénium (II) scorpionnate ancrée dans la protéine bactérienne NikA. Nous nous sommes ensuite intéressés à sa réactivité en oxydation asymétrique d’alcène en milieu aqueux en présence de diacétate d’iodobenzène. Ceci a permis de mettre en évidence une activité singulière de l’hybride par la formation de de produit d’oxydation de type chlorhydrine. Enfin, l’énantiosélèctivité de cette activité catalytique a été étudiée en fonction d’un panel de substrat et de l’influence de la cavité protéique.Dans un second temps mes travaux de thèses ont consisté à concevoir et caractérisé une nouvelle oxygénase artificielle FeLn (III)-NikA. La seconde étape fut ensuite de vérifier la capacité de cet hybride catalytique à activer l’oxygène moléculaire en présence de réducteur, Puis d’étudier son aptitude à le transférer à un substrat exogène en condition de catalyse d’oxydation d’alcène aromatique. En parallèle, nous avons développé un système de réduction photocatalytique associé à cette nouvelle métalloenzyme artificielle sous apport de source lumineuse bleue et en présence de photosensibilisateur (chlorure de ruthénium (II) ) couplé à un donneur d’électron sacrificiel (triéthanolamine). / Dans l’industrie chimique, de nombreux composés organiques sont issus d’étapes d’oxydation, pouvant être énantiosélectives et mettant en jeux des conditions dangereuses et polluantes, comme par exemple l’emploi du tétraoxide d’osmium comme oxydant. Dans un souci de respect de l’environnement, il est alors nécessaire de repenser les procédés de synthèse vers un développement de la chimie verte et durable.Dans cet objectif, mes travaux de thèse consistent à développer des nouveaux catalyseurs d’oxydation de molécules organiques en rassemblant les mondes de la catalyse inorganique et de la biocatalyse par la conception de Métalloenzymes artificielles. Ces hybrides catalytiques développés en ancrant un complexe inorganique au sein d’une protéine hôte permettent ainsi des catalyses d’oxydation de façon douce et propre. Premièrement, nous avons développé et caractérisé une métalloenzyme artificielle à centre ruthénium (II) scorpionnate ancrée dans la protéine bactérienne NikA. Nous nous sommes ensuite intéressés à sa réactivité en oxydation asymétrique d’alcène en milieu aqueux en présence de diacétate d’iodobenzène. Ceci a permis de mettre en évidence une activité singulière de l’hybride par la formation de de produit d’oxydation de type chlorhydrine. Enfin, l’énantiosélèctivité de cette activité catalytique a été étudiée en fonction d’un panel de substrat et de l’influence de la cavité protéique.Dans un second temps mes travaux de thèses ont consisté à concevoir et caractérisé une nouvelle oxygénase artificielle FeLn (III)-NikA. La seconde étape fut ensuite de vérifier la capacité de cet hybride catalytique à activer l’oxygène moléculaire en présence de réducteur, Puis d’étudier son aptitude à le transférer à un substrat exogène en condition de catalyse d’oxydation d’alcène aromatique. En parallèle, nous avons développé un système de réduction photocatalytique associé à cette nouvelle métalloenzyme artificielle sous apport de source lumineuse bleue et en présence de photosensibilisateur (chlorure de ruthénium (II) ) couplé à un donneur d’électron sacrificiel (triéthanolamine).

Studies and development of artificial metalloenzymes have developed into vibrant areas of research. It is expected that artificial metalloenzymes will be able to combine the best of enzymatic and homogenous catalysis, that is, a broad catalytic scope, high selectivity and activity under mild, aqueous conditions. Artificial metalloenzyme consist of a host protein and a newly introduced artificial metal center. The host protein merely functions as ligand controlling selectivity and augmenting reactivity, while the metal center determines the reactivity. Potential applications range from catalytic production of fine chemicals and feedstock to electron transfer utilization (e.g. fuel cells, water splitting) and medical research (e.g. metabolic screening). Particularly modern asymmetric synthesis is expected to benefit from a successful combination of the power of biocatalysis (substrate conversion via multi-step or cascade reactions, potentially immortal catalyst, unparalleled selectivity and optimization by evolutionary methods) with the versatility and mechanism based optimization methods of homogeneous catalysis. However, so far systems are either limited in structural diversity (biotin-avidin technology) or fail to deliver the selectivities expected (covalent approaches). This thesis explores a novel strategy based on the site-selective incorporation of unnatural, metal binding amino acids into a host protein. The unnatural amino acids can either serve directly as metal binding centers can be used as anchoring points for artificial metallo-cofactors. The identification expression, purification and modification of a suitable protein scaffolds is fundamental to successfully develop this field. Chapter 2 and 3 detail a rational approach leading to a highly engineered host protein. Starting with fluorescent proteins, which combine high thermal and pH stability, high expression yields, and fluorescence for ease of quantification and monitoring an efficient and fast purification protocol was developed first. The purification protocol uses a combination of heat precipitation and three-phase-partitioning (TPP). It provides high yield and purity without requiring any tag. Building on the favourable properties of fluorescent proteins, the non-metal binding, highly stable host-scaffold mTFP* was generated through rational design. The incorporation of artificial metal binding sites, the allowed the selective formation of artificial metalloenzymes, which show catalytic activity and moderat to good chiral induction in the Diels-Alder Cyclization and Friedl-Crafts Acylation Chapter 4 of the thesis describes the use of UAA incorporation to generate artificial metal binding sites. Computational studies and homology modelling successfully highlighted several positions in mTFP*, which are particularly suitable for UAA incorporation without any disruption of the protein structure. Application of a functional orthogonal aaRS/tRNA pair developed by P.G. Schultz and co-workers allowed the site-specific incorporation of UAAs in the host protein framework. Changes in fluorescence intensity revealed preferences of varieous UAAs for specific incorporations sites. The three UAAs, pIF, pAzF, and pEynF were incorporated into mTFP* in good yields, while pBF does only deliver low protein yields. A successfully established on-protein MIYAURA borylation reaction allows convert well-incorporated pIF into pBF circumventing the problem of low expression yields. Chapter 5 details the use of the azide-functionality of pAzF for the bioconjugation of artificial metal-binding cofactors through CuAAC. The triazole ring formed during this reaction serves as an additional moderate σ -donor/π –acceptor ligand of the metal binding site. We demonstrated the potential of site-specific modifications within the protein host with a versatile subset of artificial cofactors. Following transition metal binding, the newly created metal sites show catalytic activities that nature does not provide. The proof of concept study highlights the potential of the present mTFP* based catalysts in asymmetric Tsuji Trost allylation reactions and Diels-Alder cycloadditions. Dual anchoring of the cofactor lead to increased enantioselectivities, which is a direct result of a better-defined orientation of the catalytic center on the protein surface. Following the utilization of the CuAAC click reaction for the generation of artificial metalloenzymes, the last chapter of this thesis reports the development of a heterogeneous catalyst system for this reaction, which overcomes limitations of homogenous protocols. The recyclable core-shell structured Cu2O/Cu-nanowire catalyst is highly active, does not lead to protein precipitation, can be filtered off after the reaction and provides copper free bioconjugation products.

Le développement d’une nouvelle génération de catalyseurs dits biohybrides est basé sur l’association d’un complexe métallique et d’une protéine. D’un côté, le complexe métallique est responsable de l’activité catalytique ; de l’autre côté, la protéine protège le complexe métallique vis-à-vis de la dégradation en milieu aqueux et fournit également un environnement chiral propice à une catalyse énantiosélective. Ces catalyseurs fonctionnant de manière sélective en milieu aqueux s’inscrivent tout à fait dans les préceptes de la chimie verte.Une nouvelle famille de protéines artificielles, nommée αRep, a été récemment décrite. Toutes les protéines de la bibliothèque αRep présentent le même repliement en solénoïde incurvé, mais diffèrent à la fois en taille (nombre de motifs répétés) et dans la nature de 5 acides aminés par motif répété. Une surface variable est ainsi générée sur la surface concave du solénoïde. Ces protéines sont extrêmement stables et modifiables. La modularité de ces protéines ouvre la voie à un panel varié d’ingénierie des protéines, notamment la conception de catalyseurs artificiels.Au sein de la bibliothèque αRep, le variant αRep-A3 est une protéine homodimérique pour laquelle les surfaces concaves de chaque monomère génèrent une crevasse. Les résidus formant cette crevasse peuvent être modifiés sans affecter la structure tridimensionnelle de la protéine. Le but de cette thèse a été d’évaluer la capacité de la protéine αRep-A3 à procurer une architecture rigide pour l’incorporation de complexes de métaux de transition. Pour cela, différents ligands de métaux de transition (phénanthroline, terpyridine, porphyrine) ont été couplés covalemment à des variants de αRep-A3 à différentes positions. Des résultats encourageants concernant la réaction de Diels-Alder entre azachalcone et cyclopentadiène suggèrent que ce type d’architecture pourrait fournir une base intéressante pour la création de nouvelles classes de métalloenzymes entièrement artificielles. Des pistes pour l’amélioration des catalyseurs basés sur les αRep par des méthodes d’évolution dirigée sont alors avancées sur la base de ces résultats. / The development of a new generation of so-called biohybrid catalysts is based on the association of a metal complex and a protein. On the one hand, the metal complex is responsible for the catalytic activity; On the other hand, the protein protects the metal complex from degradation in aqueous medium and also provides a chiral environment conducive to enantioselective catalysis. These catalysts, which function selectively in an aqueous medium, fit perfectly into the precepts of green chemistry.A new family of artificial proteins, called αRep, has recently been described. All proteins in the αRep library exhibit the same curved solenoid folding, but differ in size (number of repeating units) and in the nature of 5 amino acids per repeat unit. A variable surface is thus generated on the concave surface of the solenoid. These proteins are extremely stable and modifiable. The modularity of these proteins paves the way for a varied panel of protein engineering, including the design of artificial catalysts.Within the αRep library, the variant αRep-A3 is a homodimeric protein for which the concave surfaces of each monomer generate a crevice. The residues forming this crevice can be modified without affecting the three-dimensional structure of the protein. The aim of this thesis has been to evaluate the ability of the αRep-A3 protein to provide a rigid scaffold for the incorporation of transition metal complexes. To this end, various transition metal ligands (phenanthroline, terpyridine, porphyrin) have been covalently coupled to variants of αRep-A3 at different positions. Encouraging results regarding the Diels-Alder reaction between azachalcone and cyclopentadiene suggest that this type of scaffold could provide an interesting basis for the creation of new classes of fully artificial metalloenzymes. From these results, lines of improvement for αRep-based catalysts by means of directed evolution are then advanced.

Ce travail de thèse est consacré à la conception de métalloenzymes artificielles. Un tel concept permet de combiner les avantages des catalyseurs enzymatiques et organométalliques, tels que la sélectivité catalytique élevée et l'efficacité des systèmes enzymatiques et la large portée de substrats des catalyseurs des métaux de transition. Notre approche repose sur l’utilisation de complexes de métaux de transition avec un ligand prochiral hémilabile, qui une fois insérés dans la protéine hôte sera forcé d’adopter une configuration spécifique. La chiralité sera ainsi amenée au plus près du centre métallique et permettra d’augmenter l’énantioselectivité des réactions catalysées. Dans cette thèse, nous rapportons la synthèse de nouveaux complexes de palladium à ligands pinces NCN hémilabiles prochiraux et l’étude de leurs propriétés structurales. De plus, l’ancrage supramoléculaire de ces complexes dans la β-lactoglobuline (β-LG) bovine a été étudié expérimentalement et théoriquement par modélisation moléculaire. Ces constructions ont montré une activité catalytique dans la condensation d’aldol dans l’eau, et permettent d’obtenir, dans certains cas, le produit Cis. Cette diastéréosélectivité inhabituelle résulte de la seconde sphère de coordination apportée par l'hôte protéique. Dans une deuxième partie, on rapporte la synthèse de nouveaux complexes semi-sandwich de ruthénium avec des ligands β-aminothioéther hémilabiles, ainsi que l'étude de leur insertion dans la protéine. Les hybrides catalysent l'hydrogénation par transfert d'arylcétones avec une énantiosélectivité élevée. L'amélioration de la sélectivité a été attribuée au transfert de chiralité de la protéine vers le complexe et à son tour vers le produit de réaction. / This PhD work focused on the development of artificial metalloenzymes. Such a concept allows to combine typical advantages of both enzymatic and organometallic catalysts, such as high catalytic selectivity and efficiency of enzymatic systems and wide substrate scope of transition metals catalysts. Our approach consists in the utilization of transition metal complexes with a prochiral hemilabile ligand, once embedded within the protein host, could be forced to adopt a specific stereoconfiguration. This would in turn make possible to bring the chirality centers closer to the catalytic metal center and, therefore, to increase the enantioselectivity of catalyzed reactions.In this thesis, we report the synthesis of new palladium complexes of prochiral hemilabile NCN pincer ligands and the study of their structural properties. Furthermore, the supramolecular anchoring of these complexes to bovine β-lactoglobulin (β-LG) was studied both experimentally and theorically by computational calculation. These constructs were shown to catalyze aldol condensation reactions in aqueous media, affording, in some cases, the less-favorable cis product. This unusual diastereoselectivity was ensued by the second sphere of coordination brought by the protein host. In a second part, the synthesis of new half sandwich ruthenium complexes of prochiral hemilabile β-aminothioether ligands is reported as well as the study of their insertion in the protein. The hybrids catalyzed the transfer hydrogenation of arylketones with high enantioselectivity. The enhancement of selectivity was attributed to chirality.

Dans une thématique de plus en plus importante qui est celle du développement durable, il est aujourd’hui nécessaire d’adapter les réactions chimiques aux contraintes écologiques. Le développement de catalyseurs existe depuis le début de la chimie. Cependant, la compréhension des mécanismes mis en jeu lors des réactions chimiques est beaucoup plus récente, et ce, grâce à l’apparition de techniques d’analyse qui permettent de sonder les systèmes à différentes étapes des réactions. De nombreux catalyseurs moléculaires ont été développés, avec de très bons résultats au niveau des nombres de cycles catalytiques et de la sélectivité des réactions. Toutefois, ces catalyseurs sont souvent constitués d’un centre métallique de type iridium, ruthénium, palladium, rhodium ou platine, qui sont des métaux chers non biocompatibles. D’autre part, les oxydations sont des transformations chimiques très importantes. Des conditions de réactions dures, avec des oxydants stœchiométriques, souvent toxiques ou nocifs, sont généralement utilisées. Au contraire, des systèmes biologiques sont capables d’effectuer l’oxydation de molécules organiques en utilisant le dioxygène de l’air, en présence uniquement de protons, d’électrons, dans des conditions physiologiques. Quel grand défi pour les chimistes que d’arriver à développer des systèmes capables de mimer les systèmes biologiques, avec des catalyseurs composés de métaux biocompatibles tels que le cuivre, le manganèse et le fer. Le développement de ces catalyseurs biomimétiques demande une très bonne compréhension des systèmes biologiques, où les première et seconde sphères de coordination sont primordiales pour l'efficacité et la sélectivité des réactions. De nombreux complexes de fer(II) ont été développés comme catalyseurs dans notre équipe lors de thèses précédentes. L’interaction d’oxydants chimiques avec ces complexes a été étudiée, et une partie de mon projet a été de modifier les ligands pour augmenter la stabilité des catalyseurs, permettant l’augmentation de la sélectivité et les rendements de l’oxydation du cyclohexane et de l’anisole. Deux autres projets ont nécessité la fonctionnalisation d’un ligand utilisé communément au laboratoire pour son greffage covalent sur une électrode d’or ou dans une protéine. Afin de contrôler l’apport d’électrons au centre métallique pour réaliser l'activation réductrice du dioxygène, le complexe fonctionnalisé a été greffé sur des électrodes d’or. Le greffage sur électrode d’or a permis de mettre en avant la formation d’une monocouche homogène. Les premiers tests de réactivité de la SAM avec le dioxygène ont été également effectués. D’autre part, dans le but d’améliorer les rendements ainsi que la sélectivité des réactions en catalyse d’oxydation, un autre complexe fonctionnalisé a été greffé covalemment dans une protéine. Le greffage du complexe dans la β-lactoglobuline a permis de développer une nouvelle méthode de dosage du complexe de fer au sein de la protéine. Il a été possible de générer un intermédiaire réactionnel Feᴵᴵᴵ-peroxo, et les premiers tests en catalyse d’oxydation du thioanisole ont montré que la métalloenzyme artificielle permet d’observer une énantiosélectivité intéressante par rapport au complexe en solution. / According to sustainable development it is necessary to adapt chemical reactions to ecologic constraints. Oxidation reactions are useful transformations. Nevertheless, reaction conditions used are frequently harsh, with oxidants used in stoichiometric amount (often harmful or toxic), and lead to products formation with low selectivity. Biological systems such as metalloenzymes, are able to perform small organic molecule oxidation following O₂ activation. These reactions are achieved in physiological conditions, and with a high selectivity. Deciphering the reaction mechanism of these biological catalysts has stimulated the development of synthetic analogues such as non heme iron(II) complexes bearing amine/pyridine ligands. Reaction of these Fe(II) precursors with H₂O₂ or a single oxygen atom leads to formation of Fe(III)-OOH, Fe(III)-(O₂) and Fe(IV)=O, identified as potent oxidizing species in biological systems such as cytochromes P450. In this work, ligands were functionalized to graft iron(II) complexes on gold surface or in the β-lactoglobuline protein in order to use O₂ as oxidant or to improve yields and selectivity, respectively. Complexes grafted on gold surface were characterized by cyclic voltammetry, AFM and XPS. It has been demonstrated that it is possible to exchange exogenous ligands of the iron complex grafted on gold electrode. Preliminar reactivity tests using this grafted complex and O₂ were performed. A new artificial metalloenzyme was synthesized by covalent grafting of a functionalized iron(II) complex on β-lactoglobuline. The system was characterized, and a new method of iron(II) titration in the protein was devised. Using hydrogen peroxide, an Fe(III)-(η²-O₂) intermediate was generated and indentified in the biohybrid system, and catalytic thioanisole oxidation was observed. Interestingly, the sulfoxide product formation was shown to be enantioselective under these conditions.