Les systèmes chimiques oscillants sont présents dans presque toutes les expositions populaires sur la chimie, en particulier celles qui présentent des changements de couleur frappants. Mais jusqu’à présent, il existe très peu d’utilisations pratiques pour ces types de réactions au-delà de la chronométrage. Dans la nature, en revanche, de nombreux processus vitaux importants, tels que la division cellulaire et les rythmes circadiens, impliquent des oscillations.
Des scientifiques de l’Université de Groningue ont développé un système oscillant contenant un catalyseur et présentant une activité catalytique périodique : cet oscillateur chimique synthétique peut faire plus que simplement garder le temps. Une description de ce comportement complexe créé à partir de molécules simples a été publiée dans Nature le 6 septembre.
La manière conventionnelle d’effectuer des réactions chimiques complexes consiste en un processus étape par étape de réactions uniques, avec des purifications entre les étapes. Le système conçu dans le laboratoire de Syuzanna Harutyunyan, professeur de catalyse homogène à l’Université de Groningue, adopte une approche totalement différente, plus similaire à ce qui se passe dans les cellules vivantes. Différents composants sont mélangés dans une Flow Cell où toutes les réactions ont lieu en même temps.
« En combinant des boucles de rétroaction positives et négatives, nous avons fait fonctionner toutes les réactions ensemble pour produire un système oscillant », explique Matthijs ter Harmsel, ancien doctorant. étudiant du groupe Harutyunyan. L’afflux de produits chimiques frais est régulé de telle manière que le système reste hors d’équilibre.
Molécule déclencheur
Ter Harmsel a conçu un système composé de cinq réactions chimiques différentes se produisant toutes dans le même flacon où chaque composant chimique a son objectif unique. En son cœur se trouve la pipéridine, combinée à un groupe protecteur fluorényl méthoxycarbonyle (Fmoc). Ce groupe protecteur base-labile est largement utilisé en synthèse organique. Une molécule déclencheur élimine le groupe protecteur et la pipéridine résultante agit comme un catalyseur pour sa propre formation. Deux acétates différents agissent comme inhibiteurs, un rapide et un lent. L’inhibiteur lent élimine de manière irréversible la pipéridine du mélange.
L’ensemble du processus se déroule dans un réacteur à cuve agité en continu avec une entrée de réactifs et une sortie de produits de réaction. « En combinant des boucles de rétroaction positives et négatives, nous avons produit une impulsion, seul composant d’un système oscillant », explique Ter Harmsel. « Ensuite, j’ai utilisé un modèle contenant la vitesse de toutes les réactions chimiques à l’intérieur du réacteur, ce qui m’a permis de déterminer à quelles concentrations le système oscillerait. »
Deux ans pour créer le système
Avec l’aide d’Oliver Maguire du laboratoire Huck de l’Université Radboud de Nimègue, les conditions idéales pour le système oscillant ont été trouvées. En collaboration avec Ter Harmsel, Maguire a mis en œuvre avec succès le réseau de réaction oscillant dans un réacteur à flux, permettant au système d’atteindre la phase oscillatoire.
Comme l’espèce oscillante clé est un organocatalyseur à petites molécules, les chercheurs ont estimé qu’en lui faisant accélérer des réactions chimiques distinctes, elles pourraient également être amenées à osciller. Ceci, à son tour, conduirait à une sélectivité chimique accrue dans les systèmes couplés, favorisant une réaction par rapport à l’autre dans un mélange de réactions.
En raison des oscillations, la quantité de produits chimiques, y compris l’organocatalyseur pipéridine, augmente et diminue régulièrement.
« Il nous a fallu deux ans pour créer le système, qui contient un réseau de treize composants différents », explique Syuzanna Harutyunyan. « Une fois que nous avons eu une première impulsion dans la formation de notre organocatalyseur, nous avons su que nous pouvions le faire osciller. »
Le chercheur Wilhelm Huck observe : « Il s’agissait d’une collaboration multidisciplinaire très passionnante, où la chimie de synthèse, la catalyse, la chimie organique physique et la théorie ont toutes contribué à faire fonctionner un système chimique. »
Pinceaux en polymère
Le nouvel oscillateur n’est pas conçu pour de jolis changements de couleur, mais pour effectuer un travail réel, comme une synthèse périodique autonome et contrôlée par le temps. Cela ne surprendrait pas les biologistes, car de nombreux systèmes biologiques présentent des oscillations avec des processus couplés. Ter Harmsel déclare : « Cependant, pour les chimistes organiques ou ceux qui travaillent dans le domaine de la catalyse, c’est un concept étrange. » Ter Harmsel s’intéresse à la chimie des systèmes, un domaine qui s’apparente davantage à la biologie.
Le système oscillant pourrait également avoir des applications pratiques, et pourrait par exemple être utilisé pour synthétiser des polymères, explique Sofiya Runikhina, postdoctorante du groupe : « Nous y travaillons en ce moment. Nous voulons ajouter des billes au réacteur sur lesquelles les polymères peuvent « . À chaque oscillation, des monomères sont ajoutés à la chaîne de croissance. C’est une façon très intéressante de faire pousser des brosses en polymère dense. »
Une animation expliquant le système oscillant. Crédit : Université de Groningue
Applications possibles
D’autres applications, ajoute Ter Harmsel, pourraient concerner l’administration de médicaments. « De nombreux médicaments ont des structures ressemblant à la pipéridine. Certaines hormones peuvent agir comme des déclencheurs, comme celles que nous utilisons pour déclencher les oscillations. »
De plus, le système pourrait être utilisé comme un filtre, dans lequel les produits indésirables réagissent rapidement et disparaissent, tandis que la molécule souhaitée n’a pas le temps de réagir lors des courtes salves où le catalyseur est présent et sera donc présente dans l’efflux du réacteur. .
« Nous avons démontré qu’il est possible de créer un système complexe combinant oscillations et catalyse avec des molécules très simples, présentes dans presque tous les laboratoires de chimie organique », conclut Harutyunyan. Cela ouvre toutes sortes de possibilités. « Un système comme celui-ci n’a jamais été décrit, nous prévoyons donc de nombreux nouveaux développements. Il pourrait y avoir des applications potentielles auxquelles nous n’avons même pas encore pensé. »
Plus d’information:
Matthijs ter Harmsel et al, Un oscillateur catalytiquement actif fabriqué à partir de petites molécules organiques, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-06310-2. www.nature.com/articles/s41586-023-06310-2