Développement de colorants textiles biosourcés par une approche hybride théorique et expérimentale – THEOBIODY

L'industrie textile est responsable de 4 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Parmi l'ensemble du processus de fabrication, les étapes de teinture sont parmi celles qui ont le plus d'impact : chaque année, plus de 100 millions de tonnes de fibres sont teintes, nécessitant env. 2 millions de tonnes de colorants. La fabrication des colorants se déroule en deux phases : 1) la synthèse des intermédiaires polyaromatiques à forts tonnages et 2) leur fonctionnalisation avec des groupes auxochromes ou solubilisants, dans des conditions de réaction très dures et polluantes.
À ce jour, l'entreprise privée PILI a apporté une réponse à la phase 1 et est propriétaire d'une souche de micro-organisme recombinant capable d'exprimer de manière hétérologue la voie de biosynthèse d'un chromophore anthraquinone (AQ) simple à des titres sans précédent. Les bactéries issues de la bio-ingénierie de PILI représentent une avancée majeure dans le domaine de la production de colorants AQ à bas coût : remplacer les intermédiaires de colorants pétrosourcés par des intermédiaires biosourcés réduit les émissions de CO2 et la demande énergétique cumulée d'un facteur 9. Néanmoins, pour la deuxième phase de la production de colorants consistant en la fonctionnalisation des AQ, aucune solution durable n'est disponible à ce jour et les réactions de nitration/réduction et de sulfonation hautement polluantes jouent toujours un rôle prépondérant dans la synthèse des colorants.
Notre projet vise à fournir des solutions durables pour la deuxième phase de la production de colorants en utilisant des approches théoriques pour optimiser la fonctionnalisation des AQ produits de manière biosynthétique par PILI. La modélisation et le criblage en chimie quantique seront combinés aux récentes avancées de la chimie verte : photocatalyse et chimie en flux, afin de produire des colorants AQ aux couleurs ciblées de manière rationnelle et respectueuse de l'environnement.
Dans le cadre du projet THEOBIODY, nous mettrons d'abord en place des protocoles de calcul permettant la prédiction de toutes les propriétés tinctoriales d’AQs fonctionnalisés qui seront utilisés pour cribler de manière efficace en termes de coût, de temps et d'environnement les meilleurs candidats colorants (WP1).
Une fois les colorants ciblés, le second objectif de ce projet est d'optimiser leurs voies de synthèse en combinant des approches théoriques et expérimentales (Phase 2 de la fabrication des colorants, WP2 et WP3). En effet, le comportement photosensibilisateur bien connu des AQ et la tendance des groupes auxochromes oxygénés, aminés ou thiolés à générer des radicaux permet d’envisager une approche photocatalytique comme voie de synthèse polyvalente et respectueuse de l'environnement vers une grande variété de produits. La photocatalyse ouvre un accès atome-économique à la chimie radicalaire sans réactifs toxiques stœchiométriques. Elle peut utiliser des colorants organiques inoffensifs pour l'environnement comme photocatalyseurs et est aujourd'hui mise à l'échelle efficacement grâce au flux continu.
Néanmoins, sa régiosélectivité reste un problème majeur et les mécanismes réactionnels associés à ces transformations sont difficiles à optimiser avec une pure approche expérimentale. Le projet THEOBIODY vise à utiliser une approche théorique préalable pour identifier et optimiser les voies de synthèse régiosélectives possibles pour les colorants cibles. Cet objectif est un défi tant du point de vue théorique qu'expérimental et requiert l'expertise complémentaire des trois partenaires : iCLeHS (théorie), PILI (voies industrielles et biosynthétiques) et CNAM (photocatalyse et chimie des flux).
Le succès du projet THEOBIODY permettra d'ouvrir la voie à un accès totalement respectueux de l'environnement et compétitif en termes de coûts aux colorants textiles biosourcés, du criblage théorique à l'optimisation dans un contexte de production préindustrielle.