De nouveaux biocatalyseurs hétérogènes pour des réactions d'oxydation : des cristaux de métalloenzymes artificielles

New heterogeneous biocatalysts for oxidation reactions : crystals of artificial metalloenzymes

• Auteur / Autrice : Sarah Lopez
• Direction : Caroline Marchi-Delapierre, Christine Cavazza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie inorganique et bio inorganique
• Date : Soutenance le 12/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie et biologie des métaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Carole Duboc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Marchi-Delapierre, Marc Fontecave
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Mahy, Sylvain Caillol

Mots clés

Mots clés libres

Catalyse hétérogène

Métalloenzymes artificielles

Réaction d'oxydation

Chimie tandem

Technologie CLEC

Heterogenous catalysis

Artificial metalloenzymes

Oxidation reaction

Tandem chemistry

CLEC technology

Résumé

Depuis la révolution industrielle, la chimie ne cesse de prospérer en développant des procédés de plus en plus performants souvent aux dépens de l’environnement. Dans le cadre du développement d’une chimie durable, des procédés catalytiques dans le domaine de la chimie d’oxydation sont mis en place en utilisant des métaux physiologiques et des oxydants doux. En combinant les avantages de la catalyse homogène et de la biocatalyse, de nouveaux catalyseurs bio-inspirés ont émergé, les métalloenzymes artificielles. Elles sont constituées d’un complexe inorganique, choisi en fonction de la réaction visée, qui est ancré au sein d’une protéine, qui apporte la sélectivité de la réaction. Au cours des travaux de cette thèse, de nouvelles métalloenzymes artificielles ont été créées par ancrage de divers complexes de Fe ou de Ru au sein de la protéine NikA. Dans un premier temps, l’hybride NikA/Ru-bpza a été synthétisé pour réaliser l’hydroxychloration d’alcènes en présence d’un iode hypervalent. Bien que d’excellentes propriétés catalytiques aient été obtenues, l’amélioration de la stabilité de ce type de catalyseurs, en particulier pour des réactions d’oxydation, reste un challenge important à relever pour leur utilisation au niveau industriel. Une des solutions originale est basée sur le développement de la catalyse hétérogène, en utilisant de cristaux de métalloenzymes artificielles grâce à la technologie CLEC (Cross-Linked Enzyme Crystals). Cette technologie permet, d’une part, d’améliorer la stabilité et la recyclabilité des catalyseurs, et d’autre part, d’élargir les conditions réactionnelles utilisées (solvants, pH, températures). Trois réactivités ont été développées à base de CLEC NikA/FeL : (i) la sulfoxydation de thioéthers, (ii) l’hydroxychloration d’alcènes en présence d’Oxone® et de chlore et (iii) la coupure oxydante d’alcènes par activation d’O2. Ces résultats ont permis d’explorer de nouvelles réactivités en chimie cascade soit en combinant les CLEC mis au point, soit en combinant différents catalyseurs homogènes.

Since the industrial revolution, chemistry has continually thriven by developing new efficient processes at the expense of the environment. As an example, oxidation reactions are performed under harsh conditions with the use of toxic oxidants. With the emergence of green chemistry, catalytic processes using physiological metals and soft oxidants are privileged. Combining the advantages of biocatalysis and homogeneous catalysis, the design of novel bioinspired catalysts, consisting on the synthesis of artificial enzymes has recently emerged. These hybrids are composed of an inorganic complex, driving the reactivity of the enzyme, inserted into a protein, which drives the reaction selectivity. The thesis described new developments in original artificial metalloenzymes, based on the use of the NikA protein and Fe or Ru catalysts. First, a new hybrid has been developed by anchoring the Ru-bpza complex to NikA to catalyze alkene hydroxychloration with hypervalent iodine. Although excellent catalytic efficiencies were obtained, the stability improvement remains a major challenge for the industrial use of these catalytic processes, especially when oxidation chemistry is concerned. One possible strategy is based on the development of heterogeneous catalysis, by using a crystal/solution version of the artificial metalloenzymes thank to the cross-linked enzyme crystals (CLEC) technology. On the one hand, this technology allows to increase the stability and the recyclability of the catalysts. On the other hand, catalysis can be performed under a various reactions conditions (organic solvent, temperature, pH). Three reactivities have been developed with NikA/FeL-CLEC catalysts: (i) thioether sulfoxidation with NaOCl, (ii) alkene hydroxychloration with Oxone® and chloride source and (iii) oxidative cleavage of alkenes by O2 activation. To go further, new reactivities in cascade reactions have been explored combining either NikA-based CLEC developed, or different homogenous catalysts.