La liaison réversible NCO appliquée aux domaines de l'inhibition d'enzymes et des oligomères bio ...

194 Pages·2015·5.98 MB·French

N° attribué par la bibliothèque : 2015ENSL0983

THESE
en vue d’obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Lyon, délivré par l’Ecole Normale Supérieure de Lyon
Spécialité : Chimie
Laboratoire de Chimie, UMR 5182
Ecole doctorale de Chimie, ED 206
Présentée et soutenue publiquement le 06/03/2015
par Monsieur Guillaume GROS

Titre :
La liaison réversible NCO appliquée aux domaines de l’inhibition
d’enzymes et des oligomères bio-mimétiques

Directeur de thèse : Jens HASSERODT

Après avis de : Monsieur Joseph MORAN
Monsieur Julien LEGROS
Devant la commission d’examen formée de :
Monsieur Jens HASSERODT, Membre/Directeur
Monsieur Joseph MORAN, Membre/Rapporteur
Monsieur Julien LEGROS, Membre/Rapporteur
Monsieur Franck DENAT, Membre
Monsieur Julien LECLAIRE, Membre

La chance sourit aux audacieux.
« Fortes fortuna juvat. » Virgile
Remerciements
Je tiens tout d’abord à exprimer ma très grande reconnaissance à Jens Hasserodt, mon
directeur de thèse, pour la confiance et la liberté qu’il m’a accordées tout au long de ces quatre années.
Durant toute cette aventure, qui a commencé par mon stage de M2, il a su me guider, m’orienter, me
conseiller tout en me laissant une très grande autonomie, ce qui m’a permis de m’investir et de
m’épanouir dans ma recherche. Je n’oublierai jamais les longues discussions d’égal à égal que nous
avons eues, d’avoir cru et de m’avoir poussé à poursuivre mes idées et initiatives.
Je tiens ensuite à remercier très chaleureusement Dr. Moran et Dr. Legros, mes rapporteurs,
pour avoir accepté la lourde tâche de juger et relire chaque ligne de ce manuscrit. Merci également aux
Pr. Denat et Pr. Leclaire d’avoir répondu favorablement à notre invitation pour examiner mon travail
et faire partie de mon jury.
J’aimerais ensuite remercier tous les membres passés et présents de l’équipe de Chimie Bio-
Organique et plus particulièrement Maxime pour sa gentillesse, ses conseils, sa bonne humeur et sa
drum'n'bass ; Jacek, notre petit Polak, pour son énorme cœur, sa générosité sans borne, sa vodka et les
soirées Colons de Catane ; Fayçal, pour les discussions scientifiques et personnelles de haut vol,
Oliver pour ses jeux de société et sa Vegemite ; Anna et Monica pour leur gentillesse et l’atmosphère
hispanique qu’elles ont fait régner dans le bureau ; Jinping pour ses petites attentions et les quelques
mots de chinois qu’on a pu échanger ; Pauline pour sa bonne humeur et ses talents de bricoleuse ; et
Corentin pour nos discussions scientifiques et son amitié. Je tiens également à remercier mes deux
stagiaires canadiennes Paula et Emma qui m’ont aidé sur une partie de cette thèse.
Je suis reconnaissant à tous les membres du Laboratoire de Chimie de l’ENS Lyon, dont sa
directrice Chantal Andraud, sans qui ces quatre années n’auraient pas été aussi agréables. Je
souhaiterais tout d’abord remercier mon coloc’ et ami Martin pour ces six années passées ensemble,
nos discussions sportives, son soutien face aux joueuses qui trichent, sa bonne humeur, son pays
basque ; Philippe, mon encadrant de stage de M2, pour son aide, son amitié marseillaise, et toutes les
discussions qu’on a pu avoir ; Laure-Lise, pour ses talents de pâtissière, sa bonne humeur permanente,
nos interminables discussions ; Benjamin, pour ses macarons, sa bonne humeur et sa musique dans le
labo ; Aline, pour son amitié et toutes nos pauses ; Christophe K., pour ses organisations de sorties
Ninkasi ; Sandrine, pour toutes les discussions et les expériences exotiques qu’on a pu mettre en place
en RMN ; Delphine et Jean-Christophe, pour leur gentillesse et leurs conseils ; Kevin, Anne-Gaëlle et
Marie-Françoise, sans qui le laboratoire n’aurait pas aussi bien tourné ; Christian, pour nos discussions
et son aide pour le site-web ; Laure, pour sa patience et son courage de s’occuper du LCMS ; Maëlle,
ma dernière co-bureau, pour sa gentillesse ; et tous les autres que j’espère ne pas vexer pas en ne les
citant pas ici – mais la liste commence à être longue – pour leur bonne humeur qui a fait que je
n’oublierai jamais les bons moments passés ici.
J’aimerais également remercier Lorena Martinez et le Dr. Pierre Falson d’avoir accepté de
collaborer avec nous et permis de tester nos candidats à l’inhibition de la protéase du VIH-1 sur un
nouveau système in cellulo. Merci surtout à toi, Lorena, qui as effectué une montagne de travail en un
temps tout simplement record. J’aimerais aussi remercier le Pr. Franck Denat, sans qui je n’aurais
jamais eu l’idée de développer mon troisième projet et d’avoir accepté avec Frédéric Boschetti de nous
rencontrer. J’espère que la collaboration que nous sommes en train d’initier portera ses fruits.
Merci au Service juridique de l’ENS, et plus particulièrement à Justine, pour leurs conseils
lors du dépôt du brevet. Et surtout à Christian Chapelle, notre responsable valorisation, qui nous a
accompagnés tout au long de cette longue procédure et donné de très précieux conseils lorsque je
cherchais à bâtir mon futur projet professionnel.
Je voudrais ensuite adresser un énorme Merci à tous mes amis, à Lyon, à Paris, à Singapour ou
ailleurs qui ont de loin assisté à cette folie et qui m’ont encouragé à leur manière. Merci notamment à
mes colocs Antoine, Camille, Pauline et Martin avec qui je garderai des souvenirs inoubliables, mes
amis de l’ENS, mes amis de Ginette, mes amis singapouriens.
Je tiens évidemment à remercier ma famille pour leur immense soutien. Merci à vous qui avez
pris le temps de relire tout ou en partie ce manuscrit pour corriger mon pauvre français. Merci à tous
pour votre patience, vos encouragements, vos efforts pour essayer de comprendre ce que j’ai fait
pendant quasiment quatre ans. Merci également de m’avoir aidé à réfléchir à ma reconversion et de
m’avoir poussé et soutenu dans mes choix.
Et enfin je voudrais te remercier, Anne-Laure, pour ta présence à mes côtés et ton soutien sans
faille tout au long de cette thèse. Merci pour avoir su, malgré la distance, me pousser à finir ce
manuscrit et pour m’avoir aidé dans les moments difficiles. Merci de m’avoir écouté lorsque je
t’exposais mes idées auxquelles tu ne comprenais rien! Cette thèse se finit en partie grâce à toi.
Détails pratiques
Ces travaux de thèse (01/09/2011 – 06/03/2015) se sont déroulés sous la direction du Professeur Jens
Hasserodt, au sein de l’équipe de Chimie Bio-Organique, dans le Laboratoire de Chimie de l’Ecole
Normale Supérieure de Lyon, 46 Allée d’Italie, 69007 Lyon, France. Tous les travaux expérimentaux
rapportés dans ce manuscrit relèvent de mon travail personnel, sauf mention explicite du contraire. Les
résultats rapportés dans le chapitre 4 ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration avec Lorena
Martinez sous la direction du Docteur Pierre Falson, au sein de l’équipe Mécanisme et Modulation de
la Résistance aux Médicaments, à l’Institut de Biologie et Chimie des Protéines, 7 Passage du Vercors,
69007 Lyon, France. Certaines des synthèses rapportées ont également été réalisées par les deux
stagiaires encadrées lors de cette thèse : Paula Adler (05/2012 – 07/2012) et Emma Fowler (09/2012 –
12/2013) toutes deux de l’Université d’Ottawa, Canada. Ces travaux sont répertoriés dans les cahiers
de laboratoire n° E32354, E32314, E44675, E002584, E75373, E44678, et E003471.
Ces travaux de thèse ont été financés par une bourse du Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la
Recherche.
i

Table des matières
Résumé .................................................................................................................................................. vi
Abstract ................................................................................................................................................ vii
Liste des abréviations ......................................................................................................................... viii
Introduction ........................................................................................................................................... 1
1. Design d’inhibiteurs de la protéase VIH-1 .................................................................................. 1
2. Conception d’un nouvel oligomère ............................................................................................. 2
Chapitre 1. L’interaction amine tertiaire – carbonyle (ou NCO) ...................................................... 5
1. Premières observations ................................................................................................................ 5
1.1. Réactivité ............................................................................................................................. 7
1.2. Influence de la pré-organisation et des substituants ............................................................ 8
2. Analyses spectroscopiques ........................................................................................................ 10
2.1. IR ....................................................................................................................................... 10
2.2. RMN .................................................................................................................................. 11
3. Effet du solvant et équilibre conformationnel ........................................................................... 12
4. Application : Angle de Bürgi-Dunitz ........................................................................................ 13
Partie I : La liaison réversible NCO appliquée au domaine de l’inhibition d’enzymes ................ 17
Chapitre 2. La protéase VIH-1 : une cible de choix ......................................................................... 19
1. Protéases .................................................................................................................................... 19
2. Protéases aspartiques ................................................................................................................. 20
3. Protéase VIH-1 .......................................................................................................................... 23
4. Inhibiteurs de protéases aspartiques .......................................................................................... 24
5. Inhibiteurs présentant un motif NCO ........................................................................................ 27
Chapitre 3. Développement d’une synthèse modulaire : vers une bibliothèque d’inhibiteurs ..... 31
1. Objectif du projet ....................................................................................................................... 31
2. Résultats de synthèse ................................................................................................................. 33
2.1. Modifications apportées à la synthèse de Waibel .............................................................. 33
2.2. Modification de la partie acide aminé ............................................................................... 34
2.3. Modification de l’hydrazine .............................................................................................. 37
ii

2.4. Tétrasubstitution de l’urée et introduction de substituants ................................................ 39
2.5. Tentatives d’obtention d’hydroxy-cétones ........................................................................ 44
2.6. Synthèse d’α-méthyle acide aminés .................................................................................. 47
3. Conclusion et perspectives ........................................................................................................ 49
Chapitre 4. Mesures biologiques ........................................................................................................ 51
1. Inhibition vis-à-vis de la protéase VIH-1 .................................................................................. 52
1.1. Tests in cellulo ................................................................................................................... 52
1.2. Tests FRET ........................................................................................................................ 54
2. Les transporteurs membranaires, responsables malgré eux de résistances aux médicaments. .. 57
2.1. Tests de transport .................................................................................................................... 57
2.2. Inhibition des pompes de transports ....................................................................................... 59
3. Conclusion et perspectives ............................................................................................................ 60
Partie II : Conception d’un nouvel oligomère bio-mimétique basée sur la liaison réversible NCO
............................................................................................................................................................... 61
Chapitre 5. Les foldamères : vers des structures secondaires prédéfinies ..................................... 63
1. Notion de repliement et moyens de caractérisation ................................................................... 65
1.1. Réaction de repliement ...................................................................................................... 65
1.2. Moyens de caractérisation ................................................................................................. 67
2. Aperçu des différents types de foldamères et de leurs applications potentielles ....................... 70
2.1. Différents types de structures ............................................................................................ 70
2.2. Vers des séquences hétérogènes ........................................................................................ 71
2.3. Applications ....................................................................................................................... 71
3. Vers des foldamères hydrosolubles ........................................................................................... 72
3.1. Formation d’un macrocycle ............................................................................................... 72
3.2. Rigidification de la chaîne oligomérique........................................................................... 73
3.3. Utilisation d’une interaction favorisée en milieu aqueux : la liaison NCO ....................... 73
Chapitre 6. Conception et synthèse d’un nouveau foldamère ......................................................... 77
1. Objectif du projet : nouvelle stratégie ....................................................................................... 77
2. Analyse rétrosynthétique ........................................................................................................... 79
iii

3. Synthèse des différents monomères .......................................................................................... 81
3.1. Synthèse à partir de la 5-chloro-2-pentanone .................................................................... 81
3.2. Synthèse à partir de l’acide lévulinique ............................................................................. 81
3.3. Synthèse inspirée de celle de l’acide δ-aminolévulinique ................................................. 82
3.4. Synthèse à partir du chlorure de 4-chlorobutyryle ............................................................ 83
3.5. Synthèse à partir de la β-valérolactone .............................................................................. 84
3.6. Synthèse à partir de l’oxopimelate d’éthyle ...................................................................... 86
4. Test de couplage ........................................................................................................................ 88
4.1. A partir du monomère A .................................................................................................... 89
4.2. A partir du monomère B .................................................................................................... 90
4.3. A partir du monomère C .................................................................................................... 91
5. Test de déprotection .................................................................................................................. 93
6. Conclusion et perspectives : vers la synthèse sur support solide .............................................. 95
Partie III : Développement d’un procédé de synthèse ..................................................................... 97
Chapitre 7. Une petite histoire autour de la synthèse et de la dérivatisation du 1,4,9-
triazacyclononane (TACN) ................................................................................................................. 99
1. Préparation de la plateforme TACN ........................................................................................ 100
2. N-alkylations ........................................................................................................................... 102
2.1. Contrôle de l’alkylation ................................................................................................... 102
2.2. Par formation d’un intermédiaire orthoamide ................................................................. 103
2.3. Par formation d’un intermédiaire aminal ......................................................................... 104
2.4. Par mono ou diprotection ................................................................................................ 104
3. C-alkylations ........................................................................................................................... 105
3.1. Par la synthèse de Richman et Atkins ............................................................................. 105
3.2. Par alkylation d’un sel d’imidazo[1,2-a]pyrazin-4-ium .................................................. 106
Chapitre 8. Mise au point d’un accès direct à des TACNs présentant une substitution 2R /R 109
a b
1. Etude théorique du bicycle et analyse rétrosynthétique .......................................................... 110
2. Par formation du bicycle nu .................................................................................................... 112
3. Par formation directe du bicycle bi-substitué .......................................................................... 113
iv

4. Clivage des groupements PMB pour la synthèse de DPTACN ............................................... 115
5. Conclusion et perspectives ...................................................................................................... 117
5.1. Vers des dérivés du NOTA/NODAGA ........................................................................... 118
5.2. En partant d’autres polyéthylènepolyamines ................................................................... 120
5.3. Autres perspectives .......................................................................................................... 121
Partie expérimentale – Experimental part ...................................................................................... 123
Chemistry ........................................................................................................................................ 123
Procedures for Part I ........................................................................................................................ 123
Procedures for Part II ...................................................................................................................... 141
Procedures for Part III ..................................................................................................................... 155
Biological Methods ......................................................................................................................... 161
1. Test FRET : ......................................................................................................................... 161
2. ABC pumps transport inhibition ......................................................................................... 162
Annexes .............................................................................................................................................. 164
Cytométrie de Flux .......................................................................................................................... 164
Etude d’impuretés et d’intermédiaires réactionnels ........................................................................ 166
Bibliographie ...................................................................................................................................... 164
Publications ........................................................................................................................................ 175