Enzymes Artificielles dans le Monde de la Synthèse Organique – ARTENOSYN
Enzymes artificielles pour la chimie organique de synthèse
Flavoenzymes artificielles pour la catalyse d’oxydation et la chimie radicalaire
Vers de nouveaux procédés catalytiques plus respectueux de l’environnement
Dans le contexte actuel d’un développement soutenable, l’industrie chimique est confrontée au défi de repenser la plupart de ses procédés historiques pour les remplacer par de nouveaux procédés moins polluants. La nature a déjà la solution pour cette transition vers une chimie fonctionnant en conditions douces et en phase aqueuse grâce à ses catalyseurs hautement sophistiqués que sont les enzymes. Malheureusement, l’utilisation de ces dernières dans les procédés industriels de type bioconversion n’est pas toujours facile et souvent limitée par des problèmes pratiques liés au clonage de leurs gènes, ainsi qu’à l’expression et à la stabilité des protéines. Le développement de catalyseurs bio-inspirés mimant ces activités enzymatiques constitue donc un défi majeur dans le but de tirer parti à la fois de la spécificité de l’activité enzymatique et de la robustesse des catalyseurs traditionnels. L’utilisation de tels catalyseurs pourrait permettre de se débarrasser en partie de l’utilisation des solvant organiques souvent source de pollution, ainsi que de l’utilisation de métaux lourds toxiques souvent utilisés comme catalyseurs dans les procédés actuels. De plus, l’utilisation du dioxygène à la place des peroxydes ou des peracides dans les procédés d’oxydation serait une avancée majeure en termes de chimie verte.
Les flavoenzymes sont des catalyseurs biologiques impliqués dans différentes voies métaboliques avec la particularité de catalyser deux types de réactions très différentes grâce au même cofacteur flavinique incorporé dans des structures protéiques différentes. Dans les deux cas, le cofacteur flavinique collecte deux électrons à partir de NAD(P)H et soit ils activent le dioxygène pour catalyser des réactions comme les sulfoxidations, les epoxidations ou les oxydations de type Baeyer-Villiger via l’activation réductrice du dioxygène, alors que les flavoreductases délivrent un flux d ‘électrons célibataires à un partenaire catalytique. Nous avons donc incorporé un cofacteur flavinique naturel (FMN) au sein d’une matrice polymérique de type polyéthylèneimine modifié mimant le micro-environnement hydrophobe et localement polarisé retrouvé au sein des sites actifs enzymatiques. Ce système catalytique a ensuite été étudié pour la catalyse d’oxydation en conditions d’aérobiose, ainsi que pour la chimie radicalaire en conditions d’anaérobiose. En présence d’oxygène, ce dernier pourrait ainsi être activé par la FMN préalablement réduite par NAD(P)H pour catalyser des réactions d’oxydation alors qu’en absence d’oxygène, la FMN réduite pourrait délivrer des électrons célibataires en solution pour catalyser diverses réactions radicalaires.
En termes de catalyse d’oxydation, les meilleurs résultats ont été obtenus pour la réaction de Baeyer-Villiger avec de bons rendements allant jusqu’à 70 % et une excellente chimio sélectivité. Il s’agit du premier exemple de flavoenzyme artificielle capable d’activer le dioxygène en solution aqueuse pour catalyser la réaction de Baeyer-Villiger. (Angew. Chem. Int. Ed. 2018) Le remplacement de la source naturelle d’électrons (NADH) par l’ascorbate de sodium (beaucoup moins onéreux) a également permis d’obtenir des résultats similaires, mais surtout d’observer pour la première fois un intermédiaire radicalaire instable de la FMN en milieux et en dehors de sa structure protéique. Toujours dans le but d’économiser NADH au cours de la catalyse, les flavoenzymes artificielles ont été combinées avec une formiate deshydrogénase, enzyme naturelle qui permet de recycler NADH en cours de catalyse. Nous avons ainsi réussi à recycler NADH jusqu’à sept fois au cours du processus de catalyse, montrant un réel potentiel à développer ce concept de catalyse hybride en cascade.
Dans un deuxième temps, des réactions de réduction de sels de diaryliodonium en condition anaérobie ont été explorées. Cette étude a montré qu’un radical phényl est formé pour être ensuite piégé par une molécule de pyrrole. Des études mécanistiques ont été réalisées, dans le cadre de la mise en évidence d’espèces radicalaires par spectroscopies UV-Vis et RPE telles que FMNsqH° et Ph°.
Une ouverture sur la photocatalyse a été menée sur la fin du projet. Une réaction de photocatalyse par photosensibilisation de la FMN a été réalisée avec succès sur une diènone. De plus, une réaction redox en conditions oxydantes a été proposée avec l’oxydation du xanthène. Cette réaction tend à prouver qu’ici, la réaction est bien de nature radicalaire.
1) Aerobic Baeyer-Villiger Oxidation Catalyzed by a Flavin-Containing Enzyme Mimic in Water
Y. Chevalier, Y. Lock Toy Ki, D. le Nouen, J.-P. Mahy, J.-P. Goddard, F. Avenier.
Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 16412-16415
2) Characterization in Aqueous Medium of an FMN Semiquinone Radical Stabilized by the Enzyme-Like Microenvironment of a Modified Polyethyleneimine.
Y. Chevalier, Y. Lock Toy Ki, C. Herrero, D. le Nouen, J.-P. Mahy, J.-P. Goddard, F. Avenier.
Org. Biomol. Chem. 2020, 18, 4386-4389.
Le projet ARTENOSYN présenté ici, a pour but de développer des catalyseurs bioinspirés capables de catalyser des réactions d'oxydation dans l'eau, dans des conditions douces et en utilisant des molécules peu onéreuses et non nocives pour l'environnement telles le dioxygène. Dans ce but, nous prévoyons de mimer les deux activités catalysées par les enzymes flaviniques, qui sont capables de catalyser soit des réactions de réduction, en délivrant des électrons à leurs partenaires biologiques, soit des réactions d'oxydations par activation réductrice du dioxygène; et cela avec le même cofacteur flavinique, mais dans un environnement protéique différent. Ce projet est basé sur les intéressants résultats obtenus récemment par le partenaire 1, qui démontrent que l'incorporation de FMN dans l'environnement localement hydrophobe d'un polymère hydrosoluble de type polyethyleneimine, peut générer ue réductase artificielle capable de collecter des électrons en solution à partir de NADH et de transférer des électrons de façon séquentielle à un partenaire redox comme une porphyrie de manganèse. Par conséquent, en conditions anaerobie, ce même système doit être capable de transférer séquebtiellement des électrons vers des molécules organiques préalablement sélectionner pour engendrer des réactions radicalaires. Le partenaire 2 dans ce projet est un expert en chimie radicalaire ce qui permettra d'évaluer l'activité d'un tel système pour de nombreux exemples de réaction radicalaires en condition aqueuse. Alternativement, en condition aérobie, la FMN préalablement réduite par NADH pourra réagir avec le dioxygène pour générer un peroxo organique connu pour catalyser des réactions d'oxydation telles que Baeyer-Villiger, sulfoxydations et epoxydations. La première tache du projet consistera à la synthèse de bibliothèque de polyéthylène modifiés par different groupements chimiques, dans le but de mieux comprendre comment le microenvironnement hydrophobe du polymère peut influencer les paramètres cinétiques et thermodynamiques de ces enzymes artificielles. Ensuite, les deux types de réactions envisagée (radicalaire et oxydation) seront étudiées en détail et éventuellement associées dans un système tandem. Enfin, des polymères choraux seront synthétisés et les deux types de réactions seront évaluées en catalyse asymétriques.
Coordination du projet
Frédéric Avenier (Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay UNIV PARIS11I)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
LCBM UHA Laboratoire de Chimie Biologique et Moléculaire
ICMMO - UNIV PARIS 11 Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay UNIV PARIS11I
Aide de l'ANR 394 160 euros
Début et durée du projet scientifique :
septembre 2016
- 42 Mois
