Activation de petites molécules par des complexes bio-inspirés à liaison métal-thiol

par Deborah Brazzolotto

Thèse de doctorat en Chimie inorganique et bio inorganique

Sous la direction de Carole Duboc.

Soutenue le 05-10-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Département de chimie moléculaire (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Dominique Luneau.

Le jury était composé de Carole Duboc, Marcello Gennari, Franc Meyer, Vincent Artero.

Les rapporteurs étaient Elodie Anxolabéhère-Mallart, Bruno Guigliarelli.


  • Résumé

    L’objectif de ma thèse était d’améliorer les connaissances sur le rôle des liaisons métal-thiolates au sein des métalloenzymes en utilisant une approche bio-inspirée par l’étude des propriétés structurales, électroniques et/ou magnétiques de modèles chimiques ainsi que de leur réactivité.Dans ce contexte, nous avons synthétisé deux complexes de NiFe, modèle structuraux et fonctionnels de l’hydrogénase [NiFe], capables de produire H2 efficacement de manière électrocatalytique de H2. Des espèces intermédiaires ont été synthétisées et caractérisées par différentes techniques spectroscopiques. L’inhibition réversible de l’activité catalytique de ces catalyseurs en présence de CO a été étudiée et discutée.Nous décrivons également un nouvel exemple de complexe de Mn-thiolate, dont l’un des thiolates coordonné à un Mn est protoné. Ce complexe est capable d’activer l’oxygène moléculaire (O2) et de le réduire de manière catalytique par un processus à deux électrons en présence d’une source de protons et d’un agent de réduction. L’activation et la réduction de l’oxygène ont été étudiées en conditions stœchiométriques et catalytiques. Des complexes de Mn à hauts degrés d’oxydation résultant de l’activation d’O2 ont été isolés et caractérisés. Leur réactivité vis-à-vis de l’hydrogène (HAT) et de l’oxygène (OAT) a été évaluée.Une série de complexes métal-halogénure pentacoordinés, MIIIX (M = Mn ou Co ; X = Cl, Br, I) a été étudiée pour comprendre le rôle du métal dans la conversion disulfure/thiolate. Il a été montré que cette conversion est réversible pour les deux ions métalliques mais que le processus est plus rapide et quantitatif dans le cas du système à base de Co par rapport à celui du Mn. Ce travail nous a permis de comprendre comment les propriétés redox et électroniques du métal peuvent intervenir sur l’efficacité de cette interconversion.Enfin les propriétés magnétiques de la série des complexes de CoIII contenant un halogénure ont été étudiées. Ces complexes présentent un spin S = 1 intermédiaire et leur anisotropie magnétique est sensible à la nature de l’halogénure de manière inattendue : la plus grande valeur de D a été mesurée pour le complexe chloré et la plus petite pour le composé iodé. Ce comportement a été rationalisé au travers d’une étude théorique.

  • Titre traduit

    Activation of small molecules by bio-inspired complexes containing metal-thiol bond


  • Résumé

    The aim of my thesis was to improve the knowledge on the role of metal-thiolate bonds in metalloenzymes using a bio-inspired approach by investigating the structural, electronic and/or magnetic properties of chemical models as well as their reactivity.In this context, we report the synthesis and analysis of two heterodinuclear NiFe complexes, structural and functional models of the active site of [NiFe] hydrogenase, which produce H2 electrocatalytically at high rates. Intermediate species have been generated and characterized by different spectroscopic techniques. The reversible inhibition of the catalytic activity by CO has been also investigated and discussed.We also describe the synthesis and characterization of a new manganese-thiolate complex, bearing a pendant thiol group bound (in its -SH form) to one MnII ion. This complex is capable of activating dioxygen, and is an active catalyst for selective 2-electron O2 reduction in the presence of a one-electron reducing agent and a proton source. The O2 activation and reduction pathways have been studied under both stoichiometric and catalytic conditions. Several high valent Mn complexes resulting from O2 activation have been isolated and characterized and their reactivity toward hydrogen or oxygen atom transfer (HAT or OAT, respectively) has been evaluated.A series of pentacoordinated metal-halide complexes MIIIX (M = Co and Mn ; X = Cl, Br, I) has been investigated with the aim of understanding the role of the metal ion in disulphide/thiolate interconversion. While such conversion is reversible in the presence of both Co and Mn, the process becomes much faster and quantitative for the Co–based system with respect to the Mn one. Besides, this work has allowed improving the understanding of how the electronic and redox properties of the metal centers should be fine-tuned to permit a disulphide/thiolate (inter)conversion, mediated by metal ions, to occur efficiently.Finally, the magnetic properties of the series of mononuclear CoIIIX complexes have been investigated. They display a rare intermediate S = 1 spin state and their magnetic anisotropy is sensitive to the nature of the halide in an unexpected way: the largest D-value has been measured for the chloride compound and the smallest for the iodide one. This behavior has been rationalized through a theoretical study.


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