Projet ANR-12-JS07-0007 – BIOXICAT : Catalyseurs d’oxydation bio-inspirés pour une chimie plus respectueuse de l’environnement
Programme : JCJC - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (JCJC SIMI 7)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Frédéric Avenier (Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay)
Partenaires : Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay
Montant : 169520.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Catalyseurs d'oxydation bio-inspirés pour une chimie plus respectueuse de l'environnementLes procédés de catalyse d'oxydation sont d'une importance fondamentale pour l'industrie chimique, et le développement de nouveaux catalyseurs d'oxydation bio-inspirés capable d'utiliser directement le dioxygène de l'air dans des conditions douces est donc un enjeux majeur. Ce projet propose de développer de nouveaux catalyseurs d'oxydation macromoléculaires inspirés des monooxygénases à fer et capables d'activer O2 pour réaliser diverses catalyses d'oxydation dans l'eau.
Activation réductrice du dioxygène et procédés d’oxydation éco-compatiblesDans le contexte actuel d’un développement soutenable, l’industrie chimique fait face au défis majeur de remplacer l’ensemble de ses procédés actuels par de nouvelles méthodes plus respectueuses de l’environnement. Ainsi, les procédés d’oxydation, qui utilisent des oxydants puissants, dans des solvants organique et dans des conditions particulièrement énergivores, doivent être remplacés par des procédés plus doux, qui pourraient s’inspirer des processus biologiques. En effet, la nature a déjà développé des métallo-enzymes capables d’activer le dioxygène de l’air et de catalyser des réactions d’oxydation sélectives dans des conditions douces. Parmi ces monooxygénases, on retrouve les cythochromes P450 possédant un cofacteur héminique au sein de leur site actif, mais aussi d’autres enzymes binucléaires à fer comme la méthane monooxygénase, ou mononucléaires à fer comme les Rieske dioxygénases. Même si certains catalyseurs bio-inspirés fonctionnent avec H2O2 à la place du dioxygène, il s’avère encore impossible de les faire fonctionner avec O2 à cause de l’impossibilité de leur fournir les électrons nécessaires à son activation réductrice. Ce problème constitue un verrou scientifique majeur, et le développement de systèmes artificiels capables de fournir un tel flux d’électrons aux catalyseurs, pourrait permettre une avancée majeur dans le développement de procédés d’oxydation éco-compatibles.
Systèmes artificiels capables de fournir des d’électrons aux catalyseurs métalliques bio-inspirésPour activer le dioxygène au niveau de leurs centres métalliques, les enzymes décrites ci-dessus sont fournies en électrons par d’autres protéines, dites réductases, qui possèdent un cofacteur de type flavinique (FMN ou FAD) capables de collecter et transférer des électrons à partir de molécules en solution (NAD(P)H). Notre projet s’articule donc autour de l’incorporation de cofacteurs flaviniques au sein de polymères hydrosolubles dans le but de développer des « réductases artificielles » capables de transférer des électrons vers les centres métalliques de catalyseurs d’oxydation bio-inspirés déjà connus dans la littérature. Le polymère choisi est un polyethylèneimine multi-branché hydrosoluble que l’on peut modifier avec des groupements alkyle, de façon à lui conférer une certaine hydrophobicité, ainsi qu’avec des groupements guanidinium, susceptibles d’interagir spécifiquement avec le groupement phopshate de la FMN et/ou des groupements carboxylates permettant l’incorporation de complexes métalliques capable d’activer le dioxygène. La co-localisation du cofacteur redox (FMN) et du catalyseur (complexe métallique) au sein de l’environnement hydrophobe du polymère pourrait alors permettre un transfert d’électron efficace et l’activation du dioxygène en phase aqueuse pour catalyser des réactions d’oxydation de façon éco-compatible.
Résumé de la soumission : L’objectif principal de ce projet est de créer des catalyseurs d’oxydation capables d’utiliser directement le dioxygène de l’air et de fonctionner de façon catalytique dans des conditions douces. Les procédés d’oxydation exploités actuellement dans l’industrie chimique utilisent des conditions particulièrement dures en termes de température et de pression, combinées avec des oxydants puissants et des catalyseurs potentiellement nocifs pour l’environnement. Ainsi, dans le contexte actuel d’un développement durable, les industries sont obligées de revoir leurs procédés d’oxydation et de développer de nouveaux procédés plus respectueux de l’environnement. Par ailleurs, la nature a développé un élégant procédé pour catalyser ces réactions d’oxydation. Elle utilise des systèmes enzymatiques dont la sous-unité catalytique permet l’activation réductrice de l’oxygène moléculaire au niveau d’ion(s) ferreux, et dont la sous-unité réductrice apporte les électrons nécessaires à la régénération des ions ferreux à chaque cycle catalytique. La création de catalyseurs bio-inspirés, mimant l’activité de ces enzymes, permettrait le développement de nouveaux procédés d’oxydation éco-compatibles qui permettraient aux industries de s’inscrire dans une politique de développement durable.	De nombreuses recherches ont déjà été menées pour essayer de reproduire l’activité de ces enzymes, et les complexes de fer ainsi synthétisés ont permis de mieux comprendre l’activation réductrice du dioxygène. Cependant, la création de catalyseurs capable de produire de nombreux cycles catalytique reste inachevée due à l’absence d’apport régulier et précis d’électron au centre métallique. C’est dans ce contexte que nous envisageons de développer des systèmes catalytiques prenant en considération les deux caractéristiques principales de ces enzymes : (i) l’activation réductrice du dioxygène et (ii) l’apport d’électrons au centre métallique. Pour ce faire, nous prévoyons de nous inspirer des systèmes biologiques en développant des catalyseurs macromoléculaires composés de complexes de fer, pour activer le dioxygène, et de cofacteurs rédox permettant un apport d’électrons régulier et spécifique vers ces complexes de fer. Ces deux cofacteurs seront maintenus en proximité par interaction avec un polymère soluble dans l’eau, qui générera également un environnement localement hydrophobe comparable celui trouvé au niveau de la poche enzymatique.	Le polymère que nous avons choisi est un polyethylèneimine, soluble dans l’eau, qui peut être facilement fonctionnalisé par des chaines aliphatique et des groupements ioniques organiques. L’incorporation des complexes de fer, par interaction électrostatique avec ce polymère, devrait générer des catalyseurs macromoléculaires, dont l’étude de la réactivité avec H2O2 devrait fournir des informations importantes sur l’effet du micro-environnement au cours de la catalyse d’oxydation. La substitution du polymère par des groupements chiraux pour raégalement conduire à la création de catalyseurs macromoléculaires stéréosélectifs de nouvelle génération. Par la suite, l’incorporation de groupements rédox, de type flavinique, au sein du polymère devrait permettre  un approvisionnement régulier en électron et ainsi permettre au système de réaliser de multiples cycles catalytiques. Ces systèmes seront enfin évalués sur différents substrats et devraient constituer, à terme, de bons candidats pour le développement de nouveaux procédés éco-compatibles.
Résultats : La première stratégie envisagée, pour permettre l’activation réductrice du dioxygène, a été de coupler un complexe binucléaire de fer(III), capable de réagir avec O2 à l’état réduit bis-Fe(II), avec un complexe de ruthénium photo activable. Nous avons ainsi montré que l’irradidation du complexe de ruthénium, en présence d’un donneur d’électrons sacrificiel, permettait de réduire le complexe de Fe(III) en complexe de Fe(II) et d’activier le dioxygène. Par ailleurs, de façon à travailler en solution aqueuse, nous avons utilisé un autre cofacteur rédox que le complexe de ruthénium, tel qu’un cofacteur flavinique comme la FMN. Dans ce cas, l’incorporation de la FMN dans le PEI modifié avec des groupement alkyle et guanidinium, a permis de collecter des électrons à partir de NADH et de réduire un cofacteur métallique, tout comme le font les réductases naturelles associées aux cythochromes P450. Ce qui n’est pas le cas en absence de PEI modifié. Une fois réduit, le complexe métallique peut alors réagir avec le dioxygène pour catalyser l’oxydation de petites molécules organiques.
Perspectives : Une fois que la catalyse d'oxydation aura été évaluée dans l'eau en présence et en absence des polymères modifiés il faudra incorporer les cofacteurs rédox tels que les complexes de ruthenium et étudier la réduction photo-assistée des complexes de fer pour étudier leur activité concernant l'activation réductrice du dioxygène. Ce concept a déjà été validé en solvant organique, mais le travail dans l'eau risque de nous poser des problèmes encore insoupçonnés. Il nous faudra évidemment étudier ce système avec les différents complexes de fer synthétisés au préalable tels que les complexes mononucléaire de fer, binucléaires de fer et porphyrique.
Publications et brevets : Le projet ayant été structuré en plusieurs taches successives, telles que l’élaboration des polymères, la synthèse des catalyseurs métalliques, l’incorporation des catalyseurs et des cofacteurs redox dans le polymère, puis les aspects fonctionnel du système, nous avons publié régulièrement les avancées correspondantes. Une première preuve de concept, impliquant un complexe de fer comme catalyseur et un complexe de ruthénium comme cofacteur rédox, a été publiée (Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 13, 3634–3637). La synthèse d’autres complexes de fer a permis la publication projets connexes associés à cette ANR dans des journaux spécialisés en chimie (Dalton Trans. 2015, 44, 5966-5968 and J. Mol. Catal. A. Chem. 2015, 396, 40-46) et les résultats majeurs du projet, présentant le plus fort impact scientifique et sociétal, ont quant à eux été publiés dans un journal généraliste (Nature Communications 2015, 6, 5809). Finalement, ce projet ANR a également permis de faire de nombreuses recherches bibliographiques qui ont conduit à la publication récente d’une revue (Coord. Chem. Rev. 2016, 322, 142–158). Les résultats associés à cette ANR ne sont pas encore tous publiés et trois articles supplémentaires sont en cours de rédaction.