Organocatalyse douce et bio-inspirée en gouttelettes aqueuses de type coacervats

Bio-inspired soft organocatalysis in aqueous coacervate droplets

• Auteur / Autrice : Charline Dechamps
• Direction : Valérie Desvergnes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Organique
• Date : Inscription en doctorat le 31/08/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mergny
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CHEMBIOPHARM: Molecular and supramolecular chemistry of nucleic acid for health

Mots clés

Mots clés libres

Chimie dans l'eau

Chimie bio-inspiré

Carbène

Organocatalyse

Coacervat

Chemistry in water

Bio-inspired chemistry

Carbene

Organocatalysis

Coacervate

Résumé

Ces dernières années, une chimie de synthèse plus douce et s'inspirant de la nature, visant à réduire l'impact sur l'environnement, est en plein développement. La formation de liaisons C-C qui nécessite souvent l'utilisation de métaux et de solvants organiques est une question centrale en chimie organique. Nous avons récemment rapporté la création de liaisons C-C dans l'eau via la réaction de Stetter ; réaction bio-inspirée organocatalysée par des carbènes N-hétérocycliques (NHC), analogues structuraux du cofacteur thiamine. Les substrats organiques, peu solubles dans l'eau, forment des gouttelettes organiques et cet environnement hydrophobe favorise la réaction de Stetter malgré la sensibilité des NHC à l'hydrolyse. Ce projet propose d'étudier cette réaction au sein de microgouttelettes aqueuses riches en polymères appelées ''coacervats'', considérés comme des modèles primitifs des premières cellules vivantes. Des résultats préliminaires ont confirmé que l'intérieur de ces gouttelettes, plus hydrophobe que la phase aqueuse environnante, permettait la séquestration spontanée de molécules organiques, dont les précurseurs de carbènes, et leur réactivité. Les coacervats pourraient ainsi servir de microréacteurs pour la synthèse chimique. Notre but sera de concevoir de nouveaux organocatalyseurs dérivés d'azolium pour étudier l'influence de la structure du catalyseur sur la réactivité, la cinétique et la sélectivité de la réaction modèle de Stetter. Nous explorerons le mécanisme moléculaire, vraisemblablement de type ''on water'' et rationaliserons l'impact de la polarité interne des coacervats sur la réaction. Ce projet explorera également le potentiel de réactions tandem chemio-biocatalysées au sein de coacervats. Ces résultats devraient ouvrir des perspectives nouvelles pour une chimie bio-inspirée plus douce et durable. De plus, la synthèse chimique de molécules dans les coacervats pourrait également mettre en lumière les mécanismes à l'origine de la vie.

Advances in modern synthetic chemistry must comply with the need for a lower environmental impact, which has led to the development of a softer chemistry drawing inspiration from Nature in recent years. The formation of C-C bonds, which often requires the use of metals and organic solvents, is a central issue in organic chemistry. We recently reported the creation of C-C bonds in water via the Stetter reaction; a bio-inspired organocatalyzed reaction using N-heterocyclic carbenes (NHCs), structural thiamin cofactor mimics. Due to their low water solubility, organic substrates form water-separated organic droplets and this hydrophobic environment promotes the Stetter reaction despite the NHC sensitivity to hydrolysis. The aim of this proposal is to study the Stetter reaction in polymer-rich aqueous microdroplets called “coacervates”, which represent primitive models of the first living cells. Preliminary results have confirmed that the inner core of these droplets, which is more hydrophobic than the surrounding aqueous phase, allows the spontaneous uptake of organic molecules, including carbene precursors, and their reactivity. The coacervates could thus serve as microreactors for chemical synthesis. We will here design new azolium-derived organocatalysts to study the influence of catalyst structure on the reactivity, kinetics and selectivity of the Stetter model reaction. We will explore the “on-water”-like molecular mechanism of the reaction, and rationalize the impact of coacervates' internal polarity on the kinetics, yield and selectivity of the reaction. This project will also explore the potential of chemo-biocatalyzed tandem reactions within coacervates. These results should open new perspectives for a softer and more sustainable bio-inspired chemistry. Moreover, the chemical synthesis of molecules in coacervates could also shed light on the mechanisms at the origin of life.