Blanc SIMI 7 - Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique

Contrôle cavitaire de la réactivité redox d’un ion métallique (Cu) dans un environnement biomimétique – cavity-zyme(Cu)

Contrôle cavitaire de la réactivité redox de Cu biomimétique

Enzymes are fascinating biological green catalysts <br />A need for small chemical models <br />Supramolecular redox control and reactivity. <br />Our focus: cavity-controlled mono-copper sites, modeling mono-copper enzyme active sites

Controle supramoléculaire de l'activité redox d'un ion métallique

Widen the field of exploitation of the cavity-zyme concept: new ligands, new caps, new platforms, new cavities, maintaining the possible comparison with the classical ligands, and thus biomimetic systems (organic and inorganic synthesis, spectroscopy, electrochemistry…). <br />- Reactivity with O2: preliminary results relative to the oxygenation of guest substrates are promising (vide infra): this must be obviously further explored. <br />- Reactivity with PROS. <br />- Effect of the control of solvent and proton access to the {CuI/(O2 or PROS)/substrate} onto the guest, redox and reactivity properties. <br />- Catalysis: our ambition is to evidence some catalytic processes, the functioning of which is subordinated to the presence of the half-open pocket surrounding the metal center and explore their specificities and particularities. <br />- Open our studies to other media and conditions of studies: grafted electrodes, SECM. <br />

- synthesis of cavity-ligands presenting a biomimetic coordination core
- explore the coordination chemistry of Cu in various solvents (aquous vs organic) using various spectroscopies
- evaluate their redox properties through electrochemistry
- evaluate their reactivity in solution vs O2 and Pros
- grafting of the complexes onto a surface
...

? Premiers complexes cavitaires hydrosolubles : mise en évidence de deux propriétés remarquables liées à l’effet cavitaire dans l’eau :
=> complexation des amines primaires dans l’eau à pH physiologique (Chem Science)
=> stabilisation de Cu(I) et Cu(II) dans l’eau avec maintien d’une sphère de coordination ouverte prône à l’interaction intra-cavité avec des molécules exogènes. Mise en évidence d’un shift de potentiel de 500 mV par effet cavitaire (Org Lett, OR, YLM)

? Reductive electrografting of calix[4]arenediazonium salts to form covalently-bound monolayers onto surfaces: Anchoring of versatile platforms for spatially-controlled functionalization (PH,IJ,OR): un brevet + un article à Nature com.

? Développement d’une plateforme polyvalente permettant le greffage sur surface par « self-induced electroclick » (Chem. Eur. J., YLM OR)

? Premiers résultats sur les « Bowl Complexes » avec Cu (EurJIC + 3 articles en prep., YLM, OR) => comparaisons des concepts « Bowl vs. Funnel » : mise en évidence d’effets cavitaires spécifiques

? Développement de la méthode de fonctionnalisation des calixarenes par « covalent capture » et effet « cup and bowl » (2 Chem. Eur. J., Tet. Lett. YLM OR, 1 article en prep. avec IJ)

Reactivity with O2 and PROS.
- Effect of the control of solvent and proton access to the {CuI/(O2 or PROS)/substrate} onto the guest, redox and reactivity properties.
- Catalysis: our ambition is to evidence some catalytic processes, the functioning of which is subordinated to the presence of the half-open pocket surrounding the metal center and explore their specificities and particularities.
- Open our studies to other media and conditions of studies: grafted electrodes, SECM.

Multipartenaire:
8 articles, 1 chapitre d'ouvrage, 1 brevet
Monopartenaire:
12 articles, 2 chapitre d'ouvrage

17 conférences à l'étranger et 18 en France

- Un domaine en plein développement: la chimie bioinorganique supramoléculaire redox.
La fonctionnalité des cupro-enzymes est basée sur le couple redox CuII/CuI. Chez les mammifères, ces enzymes catalysent diverses transformations oxydantes qui ont un rôle clé dans le système nerveux central. Ce sont des enzymes non-héminiques dont site de coordination mononucléaire est constitué de résidus d’acides aminés. Comme de nombreuses enzymes, elles sont caractérisées par une excellente sélectivité et efficacité mais aussi une grande fragilité.
- Un besoin de composés modèles et de méthodes électrochimiques adaptées. L’élaboration de composés modèles offre de nombreuses perspectives : ils sont robustes, facilement adaptables et permettent ainsi la caractérisation d’intermédiaires réactionnels dont les propriétés peuvent être étudiées. La stratégie classique pour contraindre un site métallique dans un environnement mono-nucléaire est de jouer sur son encombrement stérique. L’inconvénient de cette approche est la diminution de l’accessibilité du métal qui défavorise son interaction avec le substrat. Ainsi, si la plupart des études réalisées ont permis la caractérisation spectroscopique d’espèces de type peroxo ou superoxo, l’élucidation de leurs propriétés oxydantes intrinsèques et de leur réactivité reste un véritable défi. Ceci s’explique par le difficile contrôle du centre mono-Cu aux degrés d’oxydation I ou II par un simple ligand tripodique. Par ailleurs, très peu de modèles ont permis d’associer un ion métallique avec une cavité hydrophobe. Afin d’évaluer de tels effets de confinements sur la réactivité du métal, le modèle doit associer une cavité à un site de coordination biomimétique de manière à ce qu’une fois coordinné, le site métallique soit inclus ou orienté vers la cavité. De par la plus petite taille de ces modèles, l’étude de leurs propriétés redox par une approche électrochimique devient possible, mais demande néanmoins une analyse fine des réponses transitoires et dans notre cas, du développement de méthodologies spécifiques.
- Objectif général du projet: Contrôler et étudier la réactivité de complexes mono-Cu par un effet cavitaire, modélisant ainsi le site actif des mono-oxygénases. Ces dernières années, 4 équipes ont combiné leurs efforts afin d’explorer différents aspects supramoléculaires de la réactivité redox de complexes biomimétiques mononucléaires de Cu (ANR “calix-zymes” 2005-08). Une importante synergie a été crée par cette association pluridisciplinaire (synthèse organique, chimie de coordination, supramoléculaire et électrochimie). Des résultats essentiels ont ainsi été obtenues dont notamment, la validation du concept de contrôle cavitaire pour un centre redox ainsi que de nombreux développements méthodologiques en électrochimie, modélisation des réponses obtenues ou en synthèse permettant aujourd’hui d’aborder de nouveaux champs d’investigations dans le présent projet. Alors que les effets de confinement du métal sur les propriétés hôte-invité lors du transfert d’électron sont mieux compris, des questions fondamentales de réactivité peuvent être abordées dans ce projet. Elles concernent les propriétés du centre métallique isolé vis à vis de O2, d’espèces partiellement réduites de O2 (PROS), de la réactivité des intermédiaires ainsi formés vis à vis d’un substrat et tout ceci en prenant en compte le milieu : organique, aqueux (accessibilité des protons), ou liquide ionique (non-compétition solvant/invité substrat). La modification de surfaces afin d’obtenir des interfaces fonctionnalisées par ces systèmes supramoléculaires est un autre enjeu majeur qui sera abordé. De nouveaux systèmes, différents de ceux basés sur des calix[6]arènes qui contraignent le métal à un seul site réactif, seront considérés. Ces nouveaux systèmes basés sur des résorcinarènes présentant une forme de bol, ce qui rend accessible un deuxième site de coordination. Ceci permettra d’étendre le champ d’application du concept.

Coordinateur du projet

UNIVERSITE DE PARIS V - RENE DESCARTES (Laboratoire public)

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.

Partenaire

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE BRETAGNE ET PAYS- DE-LA-LOIRE
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE BRETAGNE ET PAYS- DE-LA-LOIRE
UNIVERSITE DE PARIS V - RENE DESCARTES

Aide de l'ANR 639 999 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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