High-valent iron-oxo intermediates play central roles as active oxidants in enzymatic and synthetic catalytic oxidations. Many transition metal catalysts are designed for biomimetic studies of the predominant oxidation catalysts in Nature, the cytochrome P450 enzymes. In this work, a new photochemical method to generate high-valent iron-oxo porphyrin models was discovered. As controlled by the electronic nature of porphyrin ligands, iron(IV)-oxo porphyrin radical cations (Compound I model) and iron(IV)-oxo porphyrin derivatives (Compound II model) were produced. These observations indicate that the photochemical reactions involve a heterolytic cleavage of O-Br in precursors to give a putative iron(V)-oxo intermediate, which might relax to Compound I through electron transfer from porphyrin to the iron or undergo rapid comproportionation reaction with residual iron(III) to afford the Compound II derivative. Furthermore, visible light photolysis of bis-porphyrins-dimanganese(III)-μ-oxo complexes, [MnIII(Por)]2O, was studied in three porphyrin systems. Direct conversion of manganese(III)-μ-oxo dimers to manganese(IV)-oxo porphyrins [MnIV(Por)(O)] and manganese(III) products was observed in benzene solution upon light irradiation. The spectral signature of [MnIV(Por)(O)] was further confirmed by production of the same species in the reported reaction of the [MnIII(Por)Cl] with PhI(OAc)2. Continuous irradiation of bis-porphyrins-dimanganese(III)-μ-oxo complexes in the presence of pyridine or triphenylphospine gave rise to the formation of [MnII(Por)(Py)] or [MnII(Por)(PPh3)], which are stable to be detected. A photo-disproportionation mechanism similar to that for bis-porphyrins-diiron(III)-μ-oxo complex was proposed to explain above photochemical behaviors of bis-porphyrins-dimanganese(III)-μ-oxo complexes. With iodobenzene diacetate [PhI(OAc)2] as the oxygen source, manganese(III) porphyrin complexes exhibit remarkable catalytic activity towards the selective oxidation of alkenes and activated hydrocarbons. Conspicuous is the fact that the readily soluble PhI(OAc)2 in the presence of a small amount of water is more efficient oxygen source than the commonly used PhIO under same conditions. High selectivity for epoxides and excellent catalytic efficiency with up to 10,000 Turnovers (TONs) were achieved in alkene epoxidations. A manganese(IV)-oxo porphyrin was observed in the oxidation of the manganese(III) porphyrin and PhI(OAc)2. However, catalytic competition and Hammett studies suggested that the more reactive manganese(V)-oxo intermediate was favored as the premier active oxidant, even it is too short-lived to be detected in the catalytic reaction.

Les oxydations sur les bases nucléiques constituent l'une des sources principale d'apparition de lésions sur l'ADN, qui peuvent être mutagènes ou létales pour les cellules en l'absence de réparation de l'ADN. La Formamidopyrimidine-ADN glycosylase (Fpg), une enzyme procaryote du système de réparation de l'ADN par excision de base (BER), initie la réparation d'un large panel de lésions de ce type via ses activités ADN glycosylase (excision de la base oxydée) et AP lyase (clivage du site abasique par β,δ-élimination). Nous avons réalisé des études fonctionnelles par des techniques biochimiques et structurales par cristallographie des rayons X afin de préciser la spécificité de substrat et le mécanisme catalytique de Fpg. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence des déterminants structuraux permettant à cette enzyme d'accommoder des lésions de tailles très différentes dans son site actif, en l'occurrence des résidus 2,6-diamino-4-hydroxy-5-formamidopyrimidine (FapyG) substitués ou non en N7 par des adduits encombrants. D'autre part, nous avons caractérisé structuralement et fonctionnellement la reconnaissance et l'excision par Fpg d'une lésion pyrimidique, la 5-hydroxy-5-méthyle-hydantoïne (Hyd). Ainsi, nous avons montré que cette lésion appariée à une cytosine était un bon substrat pour l'enzyme, et nous avons précisé structuralement le mode de reconnaissance de l'Hyd par Fpg. D'autre part, nous avons mis en évidence un comportement inattendu de l'enzyme sur ce substrat. En l'occurrence, nous avons montré biochimiquement et structuralement qu'un pontage covalent se formait en quantités non négligeables entre Fpg et l'Hyd dans des conditions physiologiques. Mots clés : Réparation de l'ADN; Réparation par excision de base; Formamidopyrimidine-ADN glycosylase; 2,6- diamino-4-hydroxy-5-formamidopyrimidine; 7,8-dihydro-8-oxo-guanine; 5-hydroxy-5-méthyle-hydantoïne.

Macrocyclic ligand-complexed transition metal-oxo intermediates are the active oxidizing species in a variety of important biological and catalytic oxidation reactions. Many transition metal catalysts have been designed to mimic the predominant oxidation catalysts in nature, namely the cytochrome P450 enzymes. Iron porphyrin complexes have been the center of research as catalysts. In this study 5,10,15,20- tetramesitylporphyrin (H2TMP) and its corresponding iron complexes FeIII(X)TMP (X= Cl, ClO4, ClO3, NO3, NO2, and BrO3) have been successfully synthesized and fully characterized by UV-vis and NMR spectroscopies. For the catalytic selective oxidation of organic sulfides, the potential of iron(III) porphyrin complexes with iodobenzene diacetate [PhI(OAc)2] have been investigated. Iodobenzene diacetate was found to be an efficient oxygen source in the iron(III) porphyrin-catalyzed oxidation of sulfides to sulfoxides. Iron(III) porphyrin catalysts show an excellent conversion and selectivity for the sulfoxidation reactions. Reaction conditions and environments that effect the catalytic sulfoxidation including solvent, catalytic amount, axial ligand, water, and thioanisole substrates, have been investigated to identify the optimal conditions and the substrate scope. Under optimized conditions, excellent substrate conversions (up to 100%) as well as product selectivies (sulfoxide:sulfone > 95:5) have been achieved. To probe the nature of the oxidizing species in above catalytic sulfoxidations, iron(IV)-oxo porphyrin radical cations model of Compound I were chemically produced from the corresponding iron(III) tetramesitylporphyrin precursors with excess amounts of PhI(OAc)2 (20-50 equivalents) in CH3CN solvent. All O=FeIV(X)TMP·+ (X= Cl, ClO4, ClO3, and NO3) show weaker Soret band and broader Q band that are characteristic of Compound I analogues. A new photochemical method that led to generation of the iron(IV)-oxo porphyrin radical cations was also successfully developed. Iron(IV)-oxo porphyrin radical cations were generated by irradiation of iron(III) porphyrin chlorate or bromate complexes that result in heterolytic cleavage of the O-X bond in the axial ligand.

Les oxydations sur les bases nucléiques constituent l'une des sources principale d'apparition de lésions sur l'ADN, qui peuvent être mutagènes ou létales pour les cellules en l'absence de réparation de l'ADN. La Formamidopyrimidine-ADN glycosylase (Fpg), une enzyme procaryote du système de réparation de l'ADN par excision de base (BER), initie la réparation d'un large panel de lésions de ce type via ses activités ADN glycosylase (excision de la base oxydée) et AP lyase (clivage du site abasique par ß,d-élimination). Nous avons réalisé des études fonctionnelles par des techniques biochimiques et structurales par cristallographie des rayons X afin de préciser la spécificité de substrat et le mécanisme catalytique de Fpg. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence des déterminants structuraux permettant à cette enzyme d'accommoder des lésions de tailles très différentes dans son site actif, en l'occurrence des résidus 2,6-diamino-4-hydroxy-5-formamidopyrimidine (FapyG) substitués ou non en N7 par des adduits encombrants. D'autre part, nous avons caractérisé structuralement et fonctionnellement la reconnaissance et l'excision par Fpg d'une lésion pyrimidique, la 5-hydroxy-5-méthyle-hydantoïne (Hyd). Ainsi, nous avons montré que cette lésion appariée à une cytosine était un bon substrat pour l'enzyme, et nous avons précisé structuralement le mode de reconnaissance de l'Hyd par Fpg. D'autre part, nous avons mis en évidence un comportement inattendu de l'enzyme sur ce substrat. En l'occurrence, nous avons montré biochimiquement et structuralement qu'un pontage covalent se formait en quantités non négligeables entre Fpg et l'Hyd dans des conditions physiologiques.

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Le domaine de la science des matériaux et plus particulièrement celui des matériaux hybrides suscite un intérêt croissant en raison de leurs nombreuses applications. Dans ce travail, deux stratégies synthétiques ont été considérées pour la synthèse de matériaux hybrides.Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à une approche de synthèse directe en faisant réagir des ligands organiques de type oligophénylène avec de l’isopropoxyde de titane. Malheureusement, ces réactions ont conduit à la précipitation de solides amorphes ne permettant pas la caractérisation de ces produits.Dans une seconde partie, une approche de synthèse séquentielle qui consiste à synthétiser un objet précondensé pouvant s’auto-Assembler dans un second temps avec des ligands organiques a été proposée. Cette approche nous a conduits à synthétiser une nouvelle brique de formule Ti10O12(cat)8(pyr)8 et de trois dérivés de formules analogues Ti10O12(cat)8(pyr’)8 (pyr’ = pyridines substituées) obtenus par échange de ligands. Ces complexes, qui présentent des propriétés d’absorption dans le visible, ont été étudiés par spectroscopie d’absorption UV-Vis et grâce à des calculs théoriques. Puis nous avons utilisé le motif [Ti10O12(cat)8] pour générer des matériaux hybrides via des substitutions de ligands par des molécules polytopiques comme la 4,4’-Bipyridine et la poly(4-Vinylpyridine). / In the field of materials science, hybrid materials are of crucial importance due to their numerous applications. In this work, two strategies were considered to synthesize such hybrid materials.In a first part, we have tackled a one step synthetic approach by reacting resorcinol-Based oligophenylene organic ligands with titanium isopropoxide. Unfortunately, these reactions led to amorphous solids and no further structural information concerning these precipitates was obtained.In a second part, we have described a sequential approach which first concerns the preparation of pre-Ordered systems that are, in a second step, self-Assembled with organic linkers. Thus, our approach deals with the preparation of a new building block formulated as Ti10O12(cat)8(pyr)8 and three derivatives formulated as Ti10O12(cat)8(pyr’)8 (pyr’ = substituted pyridine) obtained by ligands exchange. These complexes exhibit visible light absorption properties that were studied through UV-Vis absorption spectroscopy and theoretical calculations. Then, the [Ti10O12(cat)8] motif was used to generate hybrid materials via ligands substitutions with polytopic ligands such as 4,4’-Bipyridine and poly(4-Vinylpyridine).

La métalloprotéine PerR (Peroxyde resistance Regulator), homodimère de 2 fois 16,5 kDa, est un facteur de la transcription. PerR est le senseur du peroxyde d'hydrogène chez plusieurs microorganismes. PerR de Bacillus subtilis a été isolée sous sa forme apo avec la présence d'un ion Zn2+ par monomère. Dans des conditions de culture non contrôlées, PerR est en partie oxydée de manière aléatoire. La spectrométrie de masse et la spectroscopie RPE nous ont permis de relier la capacité de fixation du métal régulateur (Fe2+ ou Mn2+) et l'oxydation de PerR. Notre travail a permis de mettre au point un protocole d'expression conduisant de manière reproductible à une forme totalement réduite. Ceci a permis la détermination précise de l'affinité de la protéine pour le métal régulateur et l'ADN. La forme apo-PerR-Zn a été cristallisée et cette structure révèle un site structural à zinc avec une coordination tétraédrique par les quatre cystéines de la protéine (motif Zn(Cys)4). Ce site verrouille le domaine de dimérisation, favorisant ainsi la stabilité du dimère. Le rôle structural de ce site a été confirmé par des expériences biochimiques qui mettent en évidence une réactivité faible vis-à-vis d'H2O2. Des études en spectroscopie de fluorescence ont montré des changements conformationnels de PerR en solution après métallation et fixation à l'ADN. La formation du complexe ADN-PerR a été étudiée de manière détaillée et a permis de mettre en évidence deux nucléotides et trois acides aminés essentiels dans cette interaction. Enfin, nos travaux sur la forme oxydée de PerR ont mis en évidence que le résidu 2-oxo-histidine est le marqueur biologique de l'oxydation de PerR.

Tyrosine Hydroxylase (TyrH) is a pterin-dependent mononuclear non-heme iron oxygenase. TyrH catalyzes the hydroxylation reaction of tyrosine to dihydroxyphenylalanine (DOPA). This reaction is the first and the rate-limiting step in the biosynthesis of the catecholamine neurotransmitters. The active site iron in TyrH is coordinated by the common facial triad motif, 2-His-1-Glu. A combination of kinetic and spectroscopic techniques was applied in order to obtain insight into the catalytic mechanism of this physiologically important enzyme. Analysis of the TyrH reaction by rapid freeze-quench Mossbauer spectroscopy allowed the first direct characterization of an Fe(IV) intermediate in a mononuclear nonheme enzyme catalyzing aromatic hydroxylation. Further rapid kinetic studies established the kinetic competency of this intermediate to be the long-postulated hydroxylating species, Fe(IV)O. Spectroscopic investigations of wild-type (WT) and mutant TyrH complexes using magnetic circular dichroism (MCD) and X-ray absorption spectroscopy (XAS) showed that the active site iron is 6-coordinate in the resting form of the enzyme and that binding of either tyrosine or 6MPH4 alone does not change the coordination. However, when both tyrosine and 6MPH4 are bound, the active site becomes 5-coordinate, creating an open site for reaction with O2. Investigation of the kinetics of oxygen reactivity of TyrH complexes in the absence and presence of tyrosine and/or 6MPH4 indicated that there is a significant enhancement in reactivity in the 5-coordinate complex in comparison to the 6-coordinate form. Similar investigations with E332A TyrH showed that Glu332 residue plays a role in directing the protonation of the bridged complex that forms prior to the formation of Fe(IV)O. Rapid chemical quench analyses of DOPA formation showed a burst of product formation, suggesting a slow product release step. Steady-state viscosity experiments established a diffusional step as being significantly rate-limiting. Further studies with stopped-flow spectroscopy indicated that the rate of TyrH reaction is determined by a combination of a number of physical and chemical steps. Investigation of the NO complexes of TyrH by means of optical absorption, electron paramagnetic resonance (EPR) and electron spin echo envelope modulation (ESEEM) techniques revealed the relative positions of the substrate and cofactor with respect to NO, an O2 mimic, and provided further insight into how the active site is tuned for catalytic reactivity upon substrate and cofactor binding.

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