Nouveaux développements en électrosynthèse et en réactions multicomposantes – ELMER

Pour développer une chimie plus propre et plus efficace, le projet ELMER s’est appuyé sur une méthode de travail claire et bien structurée. Trois grands axes ont guidé les recherches, chacun correspondant à une étape importante du projet.

1. Comprendre ce qui se passe

Avant de lancer des réactions chimiques, les chercheurs ont pris le temps de comprendre en détail comment les molécules réagissent au courant électrique. Ils ont utilisé des outils de mesure pour savoir à quel moment les molécules s’activent, quelles transformations elles subissent, et comment éviter les réactions indésirables. Cela leur a permis de choisir les bonnes conditions de travail (type d’électrode, tension, solvant...) pour rendre les réactions plus efficaces et plus fiables.

2. Créer des molécules complexes en une seule étape

Le projet a ensuite exploré des réactions appelées "multicomposants", qui permettent de combiner plusieurs petites molécules en une seule étape. En utilisant l’électricité pour activer certaines molécules simples, comme des amines ou des alcools, les chercheurs ont pu générer des formes très réactives. Ces formes ont ensuite été associées à d’autres éléments pour construire des structures plus complexes, utiles notamment dans la fabrication de médicaments. Cette méthode permet de gagner du temps, d’utiliser moins de solvants, et de produire moins de déchets.

3. Fabriquer la bonne version des molécules

Dans certains cas, une molécule peut exister sous deux formes qui se ressemblent mais n’ont pas les mêmes effets, comme les mains droite et gauche. C’est ce qu’on appelle la chiralité. L’un des objectifs du projet a été de produire sélectivement la « bonne » version de ces molécules, en utilisant des catalyseurs organiques spéciaux combinés à l’électricité. Cette approche, encore peu explorée, pourrait permettre de fabriquer des produits très précis, tout en évitant les étapes chimiques longues et polluantes utilisées habituellement.

Un travail d’équipe

Le projet a été mené en collaboration entre deux laboratoires universitaires aux compétences complémentaires. En réunissant des spécialistes de l’électrochimie et de la chimie organique, ELMER a pu tester de nouvelles idées tout en gardant une base scientifique solide. Cette approche collective a permis de poser les bases de nouvelles méthodes de fabrication plus durables, adaptées aux besoins de demain.

Tout au long du projet ELMER, nous avons montré qu’il est possible de repenser la chimie de manière plus propre, plus rapide et plus efficace grâce à l’électricité. En utilisant le courant comme déclencheur de réactions, sans avoir recours à des métaux lourds ou à des oxydants polluants, le consortium de recherche a mis au point plusieurs méthodes innovantes pour fabriquer des molécules complexes à partir de matières premières simples.

Nous avons notamment développé des réactions dites multicomposants électrochimiques, qui permettent d’assembler plusieurs fragments moléculaires en une seule étape. Parmi elles, une version électro-induite de la réaction de Passerini, utilisant directement des alcools courants et un catalyseur doux (le TEMPO), a donné d’excellents résultats. Une autre avancée majeure a été la réaction d’Ugi électrochimique à quatre composants, également à partir d’alcools, offrant un accès rapide à des composés multifonctionnels en une seule opération.

Nous avons aussi réussi à activer directement certaines liaisons chimiques difficiles, comme les liaisons C–H benzyliques, pour y insérer des isonitriles de manière sélective. Cette stratégie nous a permis de créer des dérivés originaux, potentiellement bioactifs, tout en évitant l’utilisation de réactifs agressifs. De plus, nous avons mis au point une méthode d’électrolyse « convergente » permettant de réaliser des arylations (liaisons avec des noyaux aromatiques) propres et efficaces, menant à des structures appelées biarylméthanes.

Dans un autre axe du projet, nous avons exploité la chimie radicalaire pour construire des architectures plus complexes. Par exemple, grâce à un catalyseur à base de ferrocène, nous avons obtenu des structures semblables à des diterpénoïdes naturels à partir de malonates insaturés. Cette méthode a ensuite été adaptée à la synthèse de γ-lactones — des composés présents dans de nombreux produits naturels —, sans générer de déchets dangereux.

Toutes ces réactions ont été réalisées dans des conditions douces, compatibles avec un large éventail de molécules, et pilotées par des générateurs électriques standards, ce qui les rend accessibles et transposables.

Un des objectifs initiaux, la formation d’amidines à partir de styrènes, n’a pas pu être atteint sous conditions électrochimiques. Nous avons toutefois contourné cette difficulté en développant une méthode alternative, reposant sur l’énergie lumineuse (photoredox), qui nous a permis d’atteindre le même but, toujours dans une démarche durable.

Enfin, bien que des progrès aient été réalisés, le couplage entre électrosynthèse et organocatalyse asymétrique — destiné à obtenir la forme chirale souhaitée des molécules — reste un défi. Ce travail sera poursuivi au-delà du projet, car il représente un enjeu important pour les applications pharmaceutiques.

En résumé, ELMER a permis de créer une véritable boîte à outils de réactions chimiques plus respectueuses de l’environnement, montrant qu’une autre manière de f

Le projet ELMER a ouvert la voie à une chimie plus respectueuse de l’environnement, et les résultats obtenus offrent de nombreuses perspectives pour les années à venir.

Les réactions développées, notamment les variantes électrochimiques des réactions de Passerini et d’Ugi à partir d’alcools simples, se sont révélées très efficaces. Forts de ces succès, nous envisageons d’étendre ces méthodes à d’autres substrats comme les éthers, thioéthers ou amides, pour accéder à des structures plus complexes, utiles en conception de médicaments ou de matériaux.

Nous avons également montré qu’il est possible de fonctionnaliser des liaisons C–H benzyliques grâce à l’électrochimie. Nous souhaitons aller plus loin dans cette voie, en nous intéressant à la fonctionnalisation, encore plus ambitieuse, des liaisons C–H présentes sur des cycles aromatiques. Cela pourrait nous permettre de préparer rapidement des amides aromatiques, une fonctionnalité fréquemment rencontrée dans les molécules biologiquement actives.

Une autre piste importante consiste à améliorer les procédés appelés « électrolyses convergentes », qui permettent d’optimiser à la fois l’efficacité chimique et l’usage du courant électrique. Nous envisageons, par exemple, d’utiliser des courants alternatifs pour surmonter certaines limitations techniques, notamment liées au déplacement des molécules dans la cellule électrochimique. Par ailleurs, la lumière pourrait compléter l’action de l’électricité : nous avons montré que la catalyse photoredox, qui utilise des sources lumineuses pour activer des réactions chimiques, est dans certains cas très complémentaire à l’électrosynthèse. Cette combinaison pourrait ouvrir de nouvelles possibilités, tout en s’inscrivant dans une logique de chimie durable.

Les résultats obtenus dans le cadre des réactions de polycyclisation ou de formation de cycles catalysées par le ferrocène ont également ouvert des perspectives intéressantes. Nous avons réussi à construire des structures carbonées complexes à partir de molécules simples. Nous souhaitons maintenant exploiter ces réactions dans des projets plus ambitieux, comme la synthèse totale de molécules naturelles ou bioactives.

Enfin, un grand défi reste à relever : rendre ces procédés électrochimiques capables de produire des molécules chirales de manière énantiosélective. Bien que nos premiers essais n’aient pas encore abouti à des résultats pleinement satisfaisants, ils nous ont permis de mieux comprendre les verrous à surmonter et de poser des bases solides pour la suite. Il nous faudra identifier de meilleurs catalyseurs et ajuster les conditions expérimentales pour rendre ces transformations véritablement efficaces.

Dans l’ensemble, ces perspectives s’inscrivent dans une volonté claire : continuer à faire évoluer la chimie vers des méthodes plus propres, plus sélectives, et potentiellement applicables à grande échelle.

Le projet ELMER a pour objectif de développer de nouvelles méthodes de synthèses durables pour la préparation de molécules organiques hautement fonctionnalisées en un minimum d’étapes. Pour cela, le consortium ChimieParisTech/ICMMO, basé sur les expertises de chacun de ses membres, s’intéressera à de nouvelles approches dans lesquelles l’électrosynthèse sera combinée à des processus multicomposants et à l’organocatalyse énantiosélective. En utilisant des techniques avancées d’électrochimie et de chimie analytique, les études mécanistiques qui seront réalisées en collaboration tout au long de ce projet joueront un rôle clé pour l’optimisation des conditions réactionnelles des transformations étudiées. Celles-ci offriront de nouvelles opportunités pour explorer plus encore la complexité de l’espace moléculaire et pour accéder à des molécules d’intérêt en biologie.