La radiothérapie et la photothérapie consistent à cibler spécifiquement les cellules cancéreuses. Les cellules et tumeurs cancéreuses absorbent davantage les porphyrines que le tissu normal. Bien que quelques photosensibilisateurs aient été approuvés en clinique, aucun radiosensibilisateur n'a été approuvé jusqu'à présent. D'intenses efforts de recherche se dévouent à améliorer l'efficacité et à minimiser les effets secondaires des photo- et radiosensibilisateurs. Les halogènes et le métal central dans les porphyrines modifient la durée de leur état excité. Plus l'état excité dure longtemps, plus d'espèces réactives sont générées pour médier l'élimination thérapeutique des cellules cancéreuses. Le but de cette étude: comparer par une étude structure-activité les propriétés photo- et radiosensibilisatrices de porphyrines cationiques bromées. Méthodes : Une série de porphyrines cationiques ont été synthétisées avec des bromes en position [beta]- ou N-allyl. La survie métabolique des cellules cancéreuses a été mesurée par un essai MTT après une thérapie photodynamique en utilisant tout le spectre visible. D'autre part, la survie globale des cellules a été mesurée par un essai clonogénique après une irradiation de 0 à 6 Gy avec des rayons gamma provenant de sources de [indice supérieur 60]Co. La microscopie confocale à fluorescence a montré la localisation cellulaire des porphyrines cationiques. Résultats : À une concentration de 1[micro]M, le sensibilisateur le plus efficace à la fois comme photo- et radiosensibilisateur portait huit bromes en position N-allyl. La microscopie confocale à fluorescence a révélé un ciblage spécifique des mitochondries et un peu au noyau. Discussion : L'augmentation des propriétés radio- et photosensibilisantes par l'ajout de bromes en position N-allyl sur des porphyrines cationiques pourrait être exploitée pour développer de nouveaux agents radio- et photosensibilisants pour traiter le cancer en combinaison avec la radiothérapie ou en thérapie photodynamique.

Devant la nécessité de préservation de l’environnement, la chimie devra de plus en plus devenir « verte ». Le développement de catalyseurs bio-hybrides est une voie prometteuse vers une chimie verte. En effet, ces catalyseurs combinent à la fois les avantages de la catalyse homogène (large gamme de réactivité) et ceux de la catalyse enzymatique (réaction en milieux aqueux, optimisation possible par génie biotechnologique). Ces nouveaux types de catalyseurs éco-compatibles semblent être à ce jour une alternative intéressante à la catalyse chimique classique.Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides appelés Hémozymes, basés sur l’insertion non covalente de complexes métalliques hydrosolubles (responsables de l’activité catalytique), au sein d’une protéine hôte : la Xylanase A (pouvant induire une régio/stéréo/chimio-sélectivité).Pour cette étude, nous avons synthétisé différents complexes métalliques de taille variable (porphyrines, salens et salophens) métallés soit par du fer soit par du manganèse. L’étude de leur association avec la Xln A ainsi que les essais de leur activité catalytique nous ont permis d’aboutir à des résultats intéressants, d’une part pour la réaction d’oxydation du thionanisole par le peroxyde d’hydrogène, d’autre part pour l’oxydation d’alcènes aromatiques par l’oxone (KHSO5). Nous avons ainsi obtenu deux métalloenzymes artificielles remarquables, l’une capable de catalyser l’oxydation énantiosélective du thioanisole par le peroxyde d’hydrogène (84% de rendement, 40% d’excès énantiomérique en faveur de l’isomère S), l’autre capable de catalyser l’époxydation asymétrique du paraméthoxy-styrène par KHSO5 (17% de rendement, 80% d’excès énantiomérique en faveur de l’isomère R). Enfin, de nouvelles stratégies pour concevoir des catalyseurs bio-hybrides ont également été envisagée comme le greffage covalent de complexes métalliques au sein d’une protéine hôte, ou encore l’utilisation d’une forte affinité ligand-protéine (comme les interactions de type inhibiteur) pour enfouir un cofacteur métallique au sein d’une protéine. / In those days, the preservation of the environment is a huge challenge, so chemistry has to become more "Green". The development of bio-hybrid catalysts is a promising way towards a green chemistry. Indeed, these catalysts both combine the benefits of homogeneous Catalysis (wide range of reactivity) and those of enzyme catalysis (reaction in aqueous media, possible optimization by biotechnological engineering). These new kind of eco-compatible catalyst seem to be an interesting alternative to classical chemical catalysis to this day.For this study, we have synthesized various complexes with various size (porphyrins, salens and salophens) metalled by iron or manganese. The study of their association with Xln A and the catalytic activity assays allowed us to achieve interesting results, on the one hand to the oxidation of the thionanisole by hydrogen peroxide, on the other hand for the oxidation of aromatic alkenes by the oxone (KHSO5).This thesis is about the development of new bio-hybrid catalysts called Hemozymes, based on the non-covalent insertion of water-soluble metal complexes (responsible for the catalytic activity), inside a host protein: Xylanase A (which can induce a regio/stereo/chemo-selectivity).We have thus obtained two remarkable artificial metalloenzymes, one able to catalyze the enantioselective oxidation of thioanisole by hydrogen peroxide (84% yield, 40% of enantiomeric excess for the S isomer), the other able to catalyze the asymmetric epoxidation of paramethoxy-styrene by KHSO5 (17% yield, 80% enantiomeric excess for the R isomerFinally, new strategies to develop bio-hybrid catalysts have also been considered, such as covalent linkage of metal complexes within a host protein or the use of a high ligand-protein affinity (such as the interactions of inhibitor with proteins) to introduce the metal cofactor inside the protein pocket.

La conception et le développement de biocapteurs pour la détection directe de biomarqueurs dans un échantillon de fluide biologique constituent un véritable défi dans la recherche pour leur application dans le système de point de soins en diagnostic. Mon projet est axé sur l'élaboration d'une nouvelle plateforme de décomposition biologique composée de graphène qui présente une surface électroactive et spécifique élevée permettant de greffer de nombreux biomolécules avec des métalloporphyrines en tant que nouveau marqueur redox pour suivre le processus de reconnaissance biologique obtenu dans le cas d'un capteur d'ADN. Le concept sera de démontrer que les métalloporphyrines où le potentiel d'oxydo-réduction pourrait être contrôlé par la nature des ions métalliques pourraient être appliquées dans une plate-forme de biocapteurs électrochimique multidétection. L'association de la métalloporphyrine avec le graphène offrira de nombreux avantages, comme la promotion de la réaction de transfert d'électrons et ayant une grande surface pour l'immobilisation des protéines. La détection de la cible présente sera réalisée suite à l'activité redox des métalloporphyrines greffées à la surface. Nous avons déjà synthétisé différentes métalloporphyrines modifiées et caractérisées par des techniques habituelles de spectrométrie telles que la RMN, les UV et la MS. Le biocapteur d'ADN a été construit par le composite de graphène et métalloporphyrine et sonde d'ADN comme biorécepteur suivant l'approche d'attachement covalent et l'optimisation de la construction de biocapteur pour améliorer la stabilité et la reproductibilité. Et nous avons déjà fait une détection de l'ADN cible par diverses méthodes électrochimiques, y compris la voltamétrie cyclique, la voltampérométrie à onde carrée et la spectroscopie d'impédance. Cette stratégie a été réalisée d'abord avec la porphyrine Mn insérée puis généralisée à divers complexes métalliques pour une approche multidétection. Parallèlement, les nanomatériaux hybrides combinant les caractéristiques du graphène (haute conductivité et grande surface spécifique) et des porphyrines (propriétés physiques et chimiques et capacité de transfert d'électrons), tels que la tétraphénylporphyrine portant un et quatre groupes carboxyliques nommés H₂TPP-nCP (n = 1, 4) et la tétraphénylporphyrine incorporant du manganèse (III) (MnTPP-1CP) ont été synthétisés avec succès. L'interaction entre H₂TPP-nCP (n = 1, 4) et l'oxyde de graphène chimiquement réduit (CRGO) a été étudiée dans mon travail de thèse. Pour étudier les propriétés caractéristiques des nanomatériaux préparés, la microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie à force atomique (AFM), les spectres UV-visible, les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FT-IR) et les spectres de photoélectrons X. Afin d'éliminer l'absorption non spécifique, la modification de l'électrode par le PEA a également été appliquée et obtenir une excellente application pour la détection de la cible d'ADN. / The design and development of biosensors for direct detection of biomarkers in biological fluid sample is real challenge in research for their application in point of care system in diagnostic. My project is focus on the elaboration of a new platform for biological detaction composed of graphene which exhibits a high electroactive and specific surface suitable for grafting numerous biomoleculer with metalloporphyrins as a novel redox marker for following biological recognition process obtained in the case of DNA sensor. The concept will be to demonstrate that the metaloporphyrines where there redox potential could be controlled by the nature of metal ions could be applied in multidetection electrochemical biosensor platform. The association of metalloporphyrin with graphene will offer numerous advantages, as promoting electron transfer reaction and having a large surface for protein immobilization. The detection of target present will be performed following redox activity of the metalloporphyrins grafted on the surface. We have already synthesized various modified metalloporphyrins and characterizatized by usual spectrometry techniques such as NMR, UV and MS. The DNA biosensor has been constructed by the composite of graphene and metalloporphyrin and DNA probe as bioreceptor following covalent attachment approach and optimization of the biosensor construction for improving stability and reproducibility. And we have already done some detection of DNA Target by various electrochemical methods including cyclic voltammetry, square wave voltammetry and impedance spectroscopy. This strategy was performed firstly with on Mn inserted porphyrin and then generalized to various metal complex for multidetection approach. Meanwhile, the hybrid nanomaterials which combined the features of both graphene (high conductivity and large specific surface area) and porphyrins (physical and chemical properties and electron transfer ability), such as tetraphenylporphyrin bearing one and four carboxylic group named H₂TPP-nCP(n=1, 4) and tetraphenylporphyrin incorporating manganese (III) (MnTPP-1CP) were successfully synthesized. The interaction modes between H₂TPP-nCP(n=1, 4) and chemically reduced graphene oxide (CRGO) was studied in my thesis work. To investigate the characteristic properties of as-prepared nanomaterials, scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), UV-visible spectra, Fourier Transform infrared spectra (FT-IR), X-ray photoelectron spectra (XPS). In order to eliminate the non-specific absorption, the modification of the electrode by monolayer PEA was also applied and obtain excellent application for the detection of DNA target.

Une nouvelle famille de porphyrines chirales bridées a été mise au point dans le but d'accéder à des systèmes présentant un processus redox irréversible, lié à une bistabilité conformationnelle, dans le but de les appliquer dans le domaine des mémoires moléculaires. Ces nouvelles porphyrines sont constituées de deux brides ancrées sur les quatre positions meso par des groupes cyclohexyle. Une amine secondaire a été insérée au centre des brides dans le but d'obtenir des métalloporphyrines présentant une seule conformation à l'équilibre pour une longueur de bride, un métal et un degré d'oxydation donnés et pour favoriser un changement conformationnel en fonction du degré d'oxydation d'un métal comme le manganèse. Pour cela, une nouvelle voie de synthèse des porphyrines bridées par pré-fonctionnalisation du dialdéhyde autour de la fonction amine a été conçue. Les porphyrines ont été caractérisées par spectroscopie RMN, spectroscopie UV-Visible et dichroïsme circulaire. Les conformations des bases libres, des complexes de zinc(II) et de nickel(II) ont été déterminées par RMN proton. Pour une longueur de bride de 9 atomes avec une amine secondaire, les conformations des complexes de zinc(II) et de nickel(II) sont respectivement αααα et ααββ. En partant de ce modèle, les complexes de manganèse(II) et de chloromanganèse(III) ont été synthétisés et caractérisés par spectroscopie UV-Visible, dichroïsme circulaire et RMN du carbone 13 afin d'étudier si des changements de conformation en fonction du degré d'oxydation du métal ont lieu. / A new family of chiral bridled porphyrins was designed in order to access systems presenting an irreversible redox process linked to a conformational switch. Such systems could be of high interest in the field of molecular memories. These new porphyrins are made of two bridles anchored to the four macrocycle meso positions through cyclohexyl groups. The first objective is to introduce a secondary amine in the centre of the bridles in order to allow metalloporphyrins with defined bridle length and specific metal with a given oxidation degree to be only under one conformation at equilibrium. The second objective is to favor a conformational switch dependent on the oxidation state of a redox metal such as manganese. To reach these goals, a new porphyrin synthetic pathway was established. The key steps of this new protocol were the synthesis of the bridle built around the central amine with two terminal aldehyde functions required for the macrocyle formation. Porphyrins were studied by NMR, UV-Visible and circular dichroism spectroscopies. The conformations of free base porphyrins, zinc(II) complexes and nickel(II) complexes were determined by 1H NMR. For a bridle with a chain length of 9 atoms including the secondary amine, the zinc(II) complex presents only an αααα conformation and nickel(II) complex an ααββ conformation. From these structural models, manganese(II) and chloromanganese(III) complexes were synthesised and characterised by UV-Visible spectroscopy, circular dichroism and 13C NMR in order to study the possible conformational switches dependent on the Mn redox state.

La mission centrale de la chimie verte est d'inventer de nouveaux procédés non polluants pour remplacer les technologies peu favorables à l'environnement. L'emploi de métaux de transition relativement non toxiques en quantités catalytiques associés à des ligands chiraux a permis de réaliser une avancée dans le domaine de la synthèse asymétrique. Dans ce travail, nous avons mis en évidence la possibilité de l'utilisation du peroxyde d'hydrogène, un oxydant vert et économique, en association avec des métalloporphyrines hydrosolubles (Fe, Mn) pour effectuer des réactions d'oxydation asymétrique (sulfoxydation, époxydation et hydroxylation). Ces systèmes représentatifs d'un modèle de l'effet " shunt " des enzymes monooxygénases dérivées de la famille cytochrome P450 sont très efficaces. Ils conduisent dans certains cas à des excès énantiomériques élevés (82%). D'autre part, nous avons développé les réactions de transfert de carbènes dans l'eau (insertion N-H et cyclopropanation asymétrique) catalysées par des porphyrines de fer. L'utilisation du fer comme métal a permis de surmonter plusieurs limites souvent rencontrées avec d'autres métaux (Ru, Rh) lors des réactions de transfert de carbènes dans l'eau. Comme application de la réaction d'insertion N-H, nous avons réalisé la bio-conjugaison régiosélective de l'insuline avec une conversion très élevée (90%).

Ce travail constitue une contribution à la synthèse de porphyrines, portant un groupement phosphonate attaché directement au macrocycle porphyrinique, et leurs complexes.Les méso-diéthoxtphosphorylporphyrines ont été préparées avec un bon rendement (55-70%) par une réaction de couplage pallado-catalysée du 10-bromo-5,15-diarylporphyrines avec la diéthyle phosphite. Par la suite, les conditions de leur complexation par les ions métalliques divalents, trivalents et tétravalents ont été développées. Leur transformation en composés appropriés pour la préparation de matériaux hybrides organiques-inorganiques (en acides phosphoniques, leurs monoesters d’alkyles et leurs diesters silyliques) a aussi été mise en œuvre.L'auto-assemblage supramoléculaire de ces métallporphyrines en solution et à l’état solide a été exploré et comparé à celui des porphyrinyldiphosphonates de type trans-A2B2. La structure de sept complexes a été déterminée par diffraction des rayons X sur mono-cristal.Ensuite, ces métalloporphyrines ont été greffées sur une surface d'oxyde de titane mésoporeux pour préparer des matériaux hybrides organiques-inorganiques. Cette stratégie d'immobilisation des porphyrines est particulièrement intéressante pour la préparation de matériaux photoactifs et de catalyseurs hétérogènes recyclables. Comme premier exemple, un catalyseur réutilisable dans l’oxydation de composés insaturés par l’oxygène en présence d’isobutanal a été mis en œuvre dans ce travail.En parallèle, l'immobilisation de tétra(4-diéthoxyphosphorylphenyl)porphyrine dans une matrice d'oxyde de titanium par voie sol-gel a été étudiée pour comparer ces propriétés de surfaces avec celles des matériaux obtenus par le greffage de porphyrines sur la surface de titane mésoporeux. / A family of porphyrins bearing the meso-diethoxyphosphoryl group directly attached to the porphyrin macrocycle was prepared in fairly good yields (55-70%) according the Pd-catalyzed coupling of 10-bromo-5,15-diarylporphyrins with diethyl phosphite. Experimental procedures for their complexation with different metal ions (Zn(II), Mg(II), Ni(II), Cu(II), Pd(II), Ru(II), Pt(II), Ga(III), In(III), Mn(III), Sn(IV)) have been developed. Next, their selective hydrolysis into meso-porphyrinylphosphonic acids or their monoesters has been investigated. Saponification of the diesters proceeds selectively in THF/MeOH mixture at 60 °C affording corresponding monoesters in high yields. To prepare porphyrinylphosphonic acids, the most convenient route is a two-step, one-pot procedure involving the treatment of porphyrins with TMSBr followed by addition of MeOH.The structures of seven complexes were characterized by single-crystal X-ray diffraction. In the solid state, both alkyl and dialkyl porphyrinylphosphonates form supramolecular assemblies through the axial coordination of the phosphoryl oxygen atom of one porphyrin molecule to the metal center of adjacent molecule. The influence of the nature of metal ions and substituents at the tetrapyrrolic macrocycles on the crystal organization was explored and several unusual biomimetic supramolecular systems were obtained. Structural studies of self-assemblies in solution by means of NMR spectroscopy revealed that Sn(IV) complexes with monoester of meso-porphyrinylphosphonic acids form stable dimeric species through M…OP(O)(OEt) binding of two laterally shifted porphyrin molecules.Next, synthetic approaches to hybrid organo-inorganic materials based on porphyrins bearing phosphonate anchoring groups have been investigated. Covalent grafting of Ru(II), Mn(III) and Sn(IV) complexes with porphyrins onto a surface of mesoporous titanium dioxide through phosphonate anchoring group was developed. The catalytic properties of titania-supported Mn(III) porphyrin in the epoxidation of alkenes by molecular oxygen in the presence of isobutiraldehyde was explored. The possibility of catalyst recycling was demonstrated using the oxidation of cyclooctene as a model reaction.Porous molecular hybrid materials based on titanium dioxide and 5,10,15,20-tetrakis[p-(diethoxyphosphoryl)phenyl]porphyrins have been also prepared by the sol-gel process in organic solvents. The hybrid material based on the metal free porphyrin change the colour in air due to the protonation of the tetrapyrrolic macrocycle by the traces of water.

Une large série d’imidazo[4,5-b]porphyrines a été synthétisée par condensation acido catalysée du 2,3-dioxo-5,10,15,20-tétraarylchlorines avec des aldéhydes aromatiques. Les propriétés stériques et électroniques des substituants méso-aryle sur le macrocycle tétrapyrrolique ont une influence importante sur le rendement en produit qui peut varier de 18% à 90%. L'analyse par diffraction des rayons X de la structure cristalline du 5,10,15,20-tétramésityl-2-(4-pyridyl)-1H-imidazo[4,5-b]porphyrinate de zinc(II) a montré qu'à l'état solide ce complexe forme des polymères de coordination. Ensuite, différentes méthodes de greffage des imidazoporphyrines sur la surface de TiO2 et ZrO2 mésoporeux ont été étudiées pour évaluer l'intérêt de ces matériaux hybrides en catalyse. La photo-oxydation en milieu homogène des sulfures en sulfoxydes par l'oxygène de l'air en présence de 5,10,15,20-tétramésityl-2-(4-diéthoxyphosphorylphényl)-1H-imidazo[4,5-b]porphyrinate d'indium(III) a été mis en œuvre. Il a été ainsi montré que le complexe supporté par le TiO2 pouvait être recyclé plusieurs fois malgré un lessivage partiel (1%) du catalyseur en solution. Puis, le 5,10,15,20-tétramésityl-2-(4-diéthoxyphosphorylphényl)-1H-imidazo[4,5-b]porphyrinate de manganèse(III) supportée par TiO2 a été utilisé comme catalyseur pour l'oxydation de sulfures en sulfoxydes par l'oxygène moléculaire en présence d'isobutyraldéhyde. Une large série de sulfoxydes a été préparée avec des rendements élevés (> 89%). Le catalyseur a été recyclé 7 fois sans perte de son efficacité et de sa sélectivité. Dans les conditions mises en jeu le lessivage du catalyseur en solution n'a pas été observé. / A broad series of functionalized imidazo[4,5-b]porphyrins was synthesized by the acid-catalyzed condensation of 2,3-dioxo-5,10,15,20-tetraarylchlorins with aromatic aldehydes. Both steric and electronic features of meso-aryl substituents influence on the product yield ranging from 18% to 90%.Single-crystal X-ray diffraction analysis of the structure of zinc(II) 5,10,15,20-tetramesityl-2-(4-pyridyl)-1H-imidazo[4,5-b]porphyrinate showed that this compound forms 1D coordination chains in the solid state.The post-synthetic modifications of imidazo[4,5-b]porphyrins were investigated by performing the Suzuki-Miyaura coupling reaction, preparing water-soluble imidazoporphyrins and linear/angular bis(imidazo)porphyrins.Several methods of grafting of imidazoporphyrins on the surface of mesoporous TiO2 and ZrO2 were investigated to prepare hybrid materials for catalysis.Then, it was demonstrated that indium(III) 5,10,15,20-tetramesityl-2-(4-diethoxyphospho-rylphenyl)-1H-imidazo[4,5-b]porphyrinate catalyzes the photooxidation of sulfides to sulfoxides by oxygen from air. This complex grafted on TiO2 surface was efficient as a reusable catalyst in spite of partial (1%) leaching of imidazoporphyrin in solution. TiO2-supported manganese(III) 5,10,15,20-tetramesityl-2-(4-diethoxyphosphoryl-phenyl)-1H-imidazo[4,5-b]porphyrinate was employed for catalytic oxidation of a broad range of sulfides by pure oxygen in the presence of isobutyraldehyde. All sulfoxides were obtained in high yields (>89%). The catalyst was reused in 7 consecutive cycles without loss of its efficiency and selectivity. Leaching of the catalyst was not observed under studied conditions.

La mission centrale de la chimie verte est d'inventer de nouveaux procédés non polluants pour remplacer les technologies peu favorables à l'environnement. L'emploi de métaux de transition relativement non toxiques en quantités catalytiques associés à des ligands chiraux a permis de réaliser une avancée dans le domaine de la synthèse asymétrique. Dans ce travail, nous avons mis en évidence la possibilité de l'utilisation du peroxyde d'hydrogène, un oxydant vert et économique, en association avec des métalloporphyrines hydrosolubles (Fe, Mn) pour effectuer des réactions d'oxydation asymétrique (sulfoxydation, époxydation et hydroxylation). Ces systèmes représentatifs d'un modèle de l'effet « shunt » des enzymes monooxygénases dérivées de la famille cytochrome P450 sont très efficaces. Ils conduisent dans certains cas à des excès énantiomériques élevés (82%). D'autre part, nous avons développé les réactions de transfert de carbènes dans l'eau (insertion N-H et cyclopropanation asymétrique) catalysées par des porphyrines de fer. L'utilisation du fer comme métal a permis de surmonter plusieurs limites souvent rencontrées avec d'autres métaux (Ru, Rh) lors des réactions de transfert de carbènes dans l'eau. Comme application de la réaction d'insertion N-H, nous avons réalisé la bio-conjugaison régiosélective de l'insuline avec une conversion très élevée (90%). / The goal of green chemistry is to promote the research and the development of innovative chemical technologies in order to reduce the contamination of environment. Significant progress in this field has been made by using relatively non toxic transition metal and chiral ligands to catalyze enantioselective transformations. In this work, we have reported the combination of hydrogen peroxide as environmentally benign and atom-economically oxidant with water-soluble metalloporphyrins (Fe, Mn) for the asymmetric oxidation of sulfides, alkenes and C-H bonds. These catalytic systems widely studied as models of cytochrome P450, gave high enantiomeric excesses (ee up to 82%). In the other hand, we have developed carbene transfer reactions in water as « green » solvent catalyzed by water soluble iron porphyrins. This metal (Fe) has been found to overcome many limitations related to the use of other metals (Ru, Rh) in aqueous media. As an application of N-H insertion reaction, the regioselective bio-conjugation of insulin has been demonstrated with high conversion (90%).