Mimicking the structure and even the function of an ??-peptide with artificial chainmolecules such as ??-peptides, ??-peptides and other unnatural oligomers has shown early success.The structural similarities between natural peptides and oligoureas lead to the belief that C2-symmetric oligoureas could be a good candidate for peptidomimicry. Molecular modelingindicates that both homochiral (all monomers have the same absolute configuration) andalternate chiral (absolute configuration of the residues alternate) C2-symmetric oligoureas canform helix- and sheet-like structures in solution conditionally.Several C2-symmetric 1,2-diamines were chosen as the building blocks for the synthesisof chiral oligoureas, and all diamines except for one were prepared in lab. Homochiral andheterochiral oligoureas based on the same diamine or mixed diamines were synthesized in thesolution phase, growing a chain by adding one unit at a time to one terminus or two units at atime to both termini with 4-nitrophenoxycarbonyl (PNP)- activated and t-butoxycarbonyl (Boc)- protected diamines as the intermediates. All the chiral oligoureas were purified by eitherrecrystallization and /or column chromatography and/ or HPLC and characterized by NMR andMALDI-MS. For some oligoureas, crystal structures were obtained. Fragment condensation wasattempted to improve the efficiency of the synthesis, but this approach led to cyclized oligoureasinstead of the desired concatenated residues.Conformational studies of chiral oligoureas were done in both the solid state and thesolution state. The crystal structures of some homochiral oligoureas and some alternate chiraloligoureas indicate that both helix-like structures and extended structures exist for these C2-symmetric oligoureas. NMR and Circular Dichroism (CD) were used to study the conformationof oligoureas in solution, but the conformational study by NMR was not conclusive. CD studyshowed that these oligoureas have multiple conformations in solution and that some of theconformations are sensitive to solvents and temperature. Also, short homochiral and alternatechiral oligoureas based on trans-1,2-diaminocyclohexane (DACH) exhibit signs of cooperativebehavior in solution as gauged by a series of experiments.

Ce travail de thèse est consacré à la synthèse et la caractérisation structurale par spectroscopies RMN, IR, CD et RX de nouveaux oligomères non naturels qui s'inscrivent dans la famille des foldamères. Ils sont construits en particulier à partir d'un β-aminoacide bicyclique chiral original: l'acide (S)- ou (R)-aminobicyclo[2.2.2]octane-2-carboxylique ((S)- et (R) ABOC) que nous avons développé. Ce motif est issu d'une synthèse stéréocontrollée, dont l'étape clef est une réaction de Diels-Alder asymétrique. Après avoir montré que ce motif est un mime de coude peptidique il a été utilisé pour la synthèse de plusieurs séries d'oligomères. Deux grandes familles ont été développées: des oligourées et des oligoamides. A l'intérieur de ces familles, des homo- et des hétéro-oligomères ont été synthétisés et leur préférence conformationnelle a été définie. Les analyses RMN et les études cristallographiques ont permis de montrer qu'en fonction de leur séquence ils sont capables d'adopter plusieurs types d'hélices. Les homo-oligourées d'ABOC et des hétéro-oligourées alternant l'ABOC et des β3-aminoacides ont conduit à des hélices-12/14. Les oligoamides construits par des alternances d'ABOC et de β3-aminoacides dans un rapport 1/1 et des alternances d'ABOC et d'α-aminoacides dans un rapport 1/1 ou 1/2 ont conduit respectivement à des hélices 10/12, 16/18 et 12/14. / This thesis is devoted to the synthesis and FT-IR, CD, NMR and X-ray structural characterization of new unnatural oligomers belonging to the family of foldamers. In particular they are constructed from an original chiral bicyclic β-amino acid: (S)- and (R)-aminobicyclo[2.2.2]octane-2-carboxylic acid ((S) - and (R) ABOC ) that we have developed. This motive was obtained via a stereocontrolled synthesis using an asymmetric Diels-Alder reaction as key step. Firstly, this motive was shown to induce turn in peptide sequence and then it was used for the synthesis of several series of oligomers. Two main families were developed: oligoureas and oligoamides. Within these families, homo-and hetero-oligomers were synthesized and their conformational preferences were defined. NMR analysis and crystallographic studies have shown that depending on their sequence they are able to adopt several types of helices. ABOC homo-oligoureas and hetero-oligoureas containing both ABOC residue and β3-amino acid favor a 12/14-helix. Oligoamides with 1/1 alternation of ABOC and β3-amino acids, and heterogeneous backbones with 1/1 and 1/2 ABOC/α-amino acid residue patterns adopt 10/12-, 16/18- and 12/14-helix, respectively.

Les travaux présentés dans cette thèse ont eu pour objectif la valorisation d’une structures bicyclique bifonctionnelle à géométrie contrainte, celle de l’acide 2-aminobicyclo[2.2.2]octane 1-carboxylique (ABOC). La contrainte conformationnelle est une caractéristique particulièrement recherchée dans la conception d’agent chiraux pour la synthèse asymétrique ainsi que dans la synthèse de macromolécules se structurant spontanément (foldamères). Un travail sur la synthèse de petits peptides incorporant le (R) ou (S)-ABOC, a dans un premier temps conduit à l’identification d’un nouvel organocatalyseur bifonctionnel de la réaction d’aldolisation. Ce tripeptide incorporant en plus de l’ABOC un résidu proline en position N-terminale et un résidu Asp-OMe en position C-terminale a permis l’obtention d’excès énantiomérique élevés (jusqu’à 87%). Les analyses structurales ainsi que des calculs théoriques ont montré l’importance du bicycle de l’ABOC induisant la formation d’un coude dans la molécule et permettant la proximité des fonctions acide carboxylique (Asp) et amine secondaire (Pro) intervenant dans la catalyse. Dans un second temps, l’optimisation de la synthèse du (R) ou (S)-1,2-diaminobicyclo[2,2,2]octane (DABO) a permis de mettre en évidence l’impact important d’une double liaison endo-cyclique dans la réactivité de l’amine en tête de pont lors du réarrangement de l’acide carboxylique de l’ABOC en amine primaire. En effet, seules les conditions d’Hofmann appliqué au substrat présentant une insaturation dans le squelette bicyclique ont permis d’obtenir la diamine chirale avec de bon rendement. Cette nouvelle diamine vicinale chirale contrainte par un bicycle carboné a d’abord permis la synthèse de composés thiourée-amine autour du bicycle pour l’organocatalyse de la réaction d’addition de Nitro-Michael asymétrique. Cependant, et malgré les nombreux efforts d’optimisation, l’utilisation de ces molécules n’a jamais permis l’obtention d’excès énantiomériques supérieurs à 39%. En revanche, la synthèse de nouveaux ligands chiraux salen, salan et diamines secondaires basés sur le DABO et l’application des complexes de cuivre correspondants dans la catalyse de la réaction de nitroaldolisation asymétrique a abouti à l’obtention de bons rendements et d’une stéréosélectivité allant jusqu’à 86% d’excès énantiomériques. Le complexe donnant les meilleurs résultats a fait l’objet d’une étude DFT approfondie permettant de proposer la structure de l’état de transition le plus stable et de rationaliser la stéréosélectivité observée. Enfin la synthèse du DABO a permis d’entreprendre la synthèse de nouvelles oligourées mixtes homochirales se structurant en hélice-12/14 stables, alors qu’aucune structuration n’avait été observée lors de l’étude d’oligourées mixtes homochirales synthétisées à partir de l’ABOC. / The work presented in this thesis was aimed at the valorisation of a bicyclic bifunctional structure with constrained geometry, the 2-aminobicyclo[2.2.2]octane 1-carboxylic acid (ABOC). Conformational restriction is a particularly sought characteristic in chiral agent designed for asymmetric synthesis as well as in the synthesis of spontaneously structuring macromolecules (foldamers). A work on the synthesis of small peptides incorporating (R) or (S)-ABOC, initially led to the identification of a novel bifunctional organocatalyst for the aldolization. This tripeptide incorporating in addition to ABOC a proline residue in the N-terminal position and an Asp-OMe residue in the C-terminal position allowed to obtain high enantiomeric excess (up to 87%). Structural analysis as well as theoretical calculations showed the importance of the ABOC bicycle, inducing the formation of a turn in the molecule and allowing the proximity of the carboxylic acid (Asp) and secondary amine (Pro) functions involved in catalysis. The optimization of the synthesis of (R) or (S)-1,2-diaminobicyclo[2,2,2]octane (DABO) allowed to demonstrate the important impact of an endo-cyclic double bond in the reactivity of the bridgehead amine during the rearrangement of the carboxylic acid of the ABOC to the primary amine. Indeed, only the Hofmann conditions applied to the substrate exhibiting unsaturation in the bicyclic skeleton allowed to obtain the chiral diamine in good yield. This novel chiral vicinal diamine conformationally restricted by a carbon bicycle first allowed the synthesis of thiourea-amine compounds around the bicycle for the organocatalysis of the asymmetric nitro-Michael addition. However, despite many optimization efforts, the use of these molecules has never led to enantiomeric excesses greater than 39%. On the other hand, the synthesis of new chiral salen, salan and secondary diamines ligands based on DABO and the application of the corresponding copper complexes for the catalysis of the asymmetric nitroaldolization reaction resulted in good yields and a stereoselectivity up to 87% enantiomeric excess. The best-performing complex was subjected to a DFT study to propose the structure of the most stable transition state and to rationalize the high stereoselectivity. Finally, the synthesis of DABO allowed to undertake the synthesis of new homochiral mixed oligoureas structuring as stable 12/14-helices, while no structure had been observed during the study of homochiral mixed oligoureas synthesized from the ABOC.

La fonction d’une protéine dépend dans une large mesure de sa structure tridimensionnelle, c’est pourquoi de nombreux chercheurs se sont passionnés pour la synthèse des foldamères, molécules de synthèse, bioinspirées, capables d’adopter des structures repliées bien définies. Parmi les différentes classes de foldamères, les oligourées aliphatiques étudiées dans notre laboratoire s’organisent pour former des structures hélicoïdales voisines de l’hélice α des polypeptides naturels. Pour développer des hélices fonctionnelles mimes de structures biologiques, il est intéressant de mieux comprendre les règles de leur repliement, par exemple en modifiant la nature des unités monomériques. Au cours de cette thèse, nous avons donc testé la compatibilité de la géométrie de l’hélice d’oligourée avec des résidus comportant de fortes contraintes stériques comme des groupements gem-diméthyles et des cycles pyrrolidines. En utilisant les résidus pyrrolidine, nous avons ensuite développé une nouvelle stratégie de synthèse par condensation de segments permettant de concevoir des hélices de grande taille (jusqu’à 4 nm). Grâce à cette nouvelle stratégie de synthèse et aux informations obtenues sur la stabilité des hélices nous avons pu concevoir des architectures plus complexes (structures quaternaires) résultant de l’assemblage programmé d’hélices hydrosolubles. / The biological functions of proteins are mainly correlated to their tridimensional structure. For this reason a large number of chemists are interested in the synthesis of foldamers, which are bioinspired artificial molecules possessing well-defined folded conformations. In particular, in our laboratories we focused on the study of oligourea foldamers, which form well-defined and remarkably stable helical structures, analogous to the natural polypeptides α-helix. In order to develop artificial functional helices able to mimic biological structures, it is interesting to understand the rules governing their folding, for example by comparing different residues substitution patterns. During this thesis we have investigated the compatibility of the helix geometry with residues containing steric constraints, such as gem-dimethylated units or pyrrolidine cycle. We have developed a new segment condensation strategy based on these residues, which enabled the facile synthesis of long helical segments (up to 4 nm). The use of this novel approach, combined with the information acquired on helical stability allowed us to produce more complex architectures (quaternary structures) resulting from the controlled assembly of water soluble helices.