L'imagerie de biomolécules, et plus particulièrement des glycanes, au sein d'organismes vivants, représente un incroyable challenge. Cependant, des progrès significatifs ont été réalisés ces dix dernières années grâce au développement de la stratégie du rapporteur chimique bioorthogonal. Cette technique implique, dans un premier temps, l'incorporation d'une fonctionnalité chimique non native (rapporteur) au sein de biomolécules complexes. Ce rapporteur peut ensuite réagir sélectivement avec une sonde moléculaire spécifique permettant ainsi la détection de la biomolécule ciblée. Afin d'imager ces biomolécules en temps réel, les sondes fluorogènes, des réactifs non fluorescents qui deviennent fluorescents après réaction avec le rapporteur chimique, ont été récemment développées. Ces dernières années, la cycloaddition 1,3-dipolaire sans métaux, entre les cylooctynes et les azotures, a été élégamment employée comme réaction bioorthogonale pour l'imagerie de biomolécules au sein d'organismes vivants. Cependant, l'azoture présente certaines limitations, notamment il peut être réduit par les thiols cellulaires. En conséquence, nous avons étudié l'utilisation de 1,3-dipôles plus stables, en tant que nouveaux rapporteurs chimiques bioorthogonaux pour l'imagerie de biomolécules par fluorescence. De plus, nous avons aussi développé de nouvelles sondes fluorogènes bioorthogonales ayant de bonnes propriétés de fluorescence, telles que de hautes valeurs de rendement quantique et des longueurs d'ondes d'émission déplacées dans le rouge, pour une potentielle application chez l'animal. / Imaging biomolecules, such as glycans, in living systems remains a formidable chemical challenge. However, significant progress has been made over the past ten years, with the ground-breaking development of the bioorthogonal chemical reporter strategy. In this context, complex biomolecules are fitted with a non-native chemical functionality (reporter) that can react selectively with a complementary bioorthogonal probe for detection. In order to image these biomolecules in real time, fluorogenic probes, non fluorescent reagents that produce highly fluorescent products, have recently been developed. This last decade, the metal-free 1,3-dipolar cycloaddition between cyclooctynes and azides have been elegantly employed for biomolecules imaging in living systems. However, azides suffer from limitations such as their reduction by endogenous cellular thiols. Consequently, we have investigated the use of more stable 1,3-dipoles as new chemical reporters for fluorescent biomolecule imaging. In addition, we also developed novel bioorthogonal fluorogenic probes with improved fluorescence properties such as high quantum yields and red-shifted fluorescence emission for potential applications in living animals.

Ce travail de thèse décrit la synthèse d’iminosucres bicycliques comportant un carbone quaternaire en jonction de cycle à partir de cétonitrones polyalcoxylées. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude de l’addition nucléophile d’a-diazoesters sur des nitrones. Des β-N-hydroxyamino α-diazoesters ont ainsi été obtenus avec succès en employant le bis(triméthylsilyl)amidure de lithium comme base dans le THF à -78 °C. Le traitement de ces hydroxylamines par différents catalyseurs métalliques a conduit à la formation de cétonitrones inédites par migration 1,2 d’hydrure. Le triflate d’argent et le tétrakis acétonitrile hexafluorophosphate de cuivre ont été les catalyseurs les plus performants et ont permis de préparer dix nouvelles cétonitrones cycliques α-alcoxyméthylcarbonylées. Leur réactivité vis-à-vis de divers dipolarophiles a été explorée. Les cycloadduits résultant de la réaction de ces cétonitrones avec l’alcool allylique et l’alcool homoallylique ont été convertis en pyrrolizidines et en indolizidines par réduction de la liaison N-O en employant le molybdène hexacarbonyle. Des modifications fonctionnelles (réduction de la fonction ester et hydrogénolyse des éthers benzyliques) ont permis d’accéder à six nouveaux iminosucres bicycliques comportant un carbone quaternaire en jonction de cycle. L’évaluation biologique de ces molécules en tant qu’inhibiteurs de glycosidases a révélé que parmi elles, deux indolizidines étaient des inhibiteurs puissants et sélectifs d’α-glucosidases. / This manuscript reports the synthesis of bicyclic iminosugars bearing a quaternary carbon at their ring junction from polyalkoxylated ketonitrones. Firstly we have studied the nucleophilic addition of α-diazoesters to nitrones. The expected β-N-hydroxyamino α-diazoesters were successfully obtained by using lithium bis(trimethylsilyl)amide as base in THF at -78 °C. Treatment of these hydroxylamines with different metal catalyst induced 1,2-hydride shift and lead to unprecedented ketonitrones. To promote this transformation, silver triflate and tetrakis acetonitrile copper hexafluorophosphate were the most effective catalyst and ten new α-alkoxymethylcarbonyl cyclic ketonitrones were prepared. Their reactivity as 1,3-dipoles in cycloaddition reactions with various dipolarophiles was investigated. Cycloadducts obtained from the reaction between these ketonitrones and allyl alcohol or homoallyl alcohol were coverted into the corresponding pyrrolizidines or indolizidines by a molybdenum-catalyzed N-O bond cleavage. Subsequent modifications (ester reduction and benzylic ethers hydrogenolysis) gave acess to six new bicyclic iminosugars which are substituted at their ring junction. Among these molecules, the inhibitory activity evaluation revealed two potent and selective inhibitors of α-glucosidases.

Notre équipe a récemment décrit la synthèse de nouveaux iminosucres de type indolizidines et quinolizidines, qui se sont avérés être de puissants inhibiteurs sélectifs d’α-glucosidases (IC50 nanomolaires). Ces molécules, de structure originale, ont la particularité de posséder un centre quaternaire en jonction de cycles et une configuration D-gluco. Dans le but de mieux comprendre le mode d’interaction de ces molécules avec les glycosidases, nous nous sommes intéressés à la synthèse de leurs analogues comportant un motif aziridine, inclus dans un squelette 1 azabicyclo[4.1.0]heptane.L’approche synthétique que nous avons choisie pour accéder aux aziridinyl iminosucres implique une cycloaddition 1,3-dipolaire régio- et stéréoselective de cétonitrones dérivées de sucres avec des alcynes pour former des isoxazolines et un réarrangement de Baldwin stéréosélectif en 2 acylaziridines. Pour les acylaziridines polybenzylées la conversion en aziridinyl iminosucres a été effectuée par réduction diastéréosélective de leur fonction cétone et déprotection dans des conditions réductrices de Birch. Pour les acylaziridines polyacétylées les iminosucres finaux ont été obtenus par réduction en présence d’hydrures métalliques.Grâce à cette stratégie de synthèse originale, efficace, et économique en atomes, nous avons préparés 7 aziridinyl iminosucres, et 5 isoxazolines polyhydroxylées. Tous ces nouveaux iminosucres ont été évalués comme inhibiteurs de glycosidases, et se sont avérées être des inhibiteurs moyens (IC50 micromolaires) mais sélectifs des α-glucosidases. L’obtention de complexes cristallins avec une α-glucosidase bactérienne a permis de montrer par cristallographie leur mode d’interaction avec cette enzyme, à l’échelle moléculaire. / Our team has recently described the synthesis of new indolizidine and quinolizidine iminosugars, which revealed to be potent and selective α-glucosidase inhibitors (nanomolar IC50). These original molecules exhibit a quaternary center at the ring junction and a D-gluco configuration. With the aim to define the mode of interaction of these molecules with glycosidases, we engaged in the synthesis of analogues containing an aziridine moiety included in a 1-azabicyclo[4.1.0]heptane scaffold.Our synthetic approach towards aziridinyl iminosugars involves a stereoselective 1,3-dipolar cycloaddition between carbohydrate-derived cyclic ketonitrones and alkynes, and a stereoselective Baldwin rearrangement into 2-acylaziridines. The latter (if polybenzylated) were converted into aziridinyl iminosugars through diastereoselective reduction of their ketone function and deprotection under Birch conditions. In the case of polyacetylated acylaziridines, the final iminosugars were obtained by reduction with hydrides.Using this strategy, we have prepared 7 aziridinyl iminosugars, and 5 polyhydroxylated isoxazolines. All these new iminosugars were evaluated as glycosidase inhibitors, and they revealed to be modest (micromolar IC50) but selective inhibitors of α-glucosidases. Their complexes with a crystalline bacterial α-glucosidase allowed crystallographic elucidation of their mode of interaction with this enzyme at the molecular level.