S’inspirant des enzymes, des chimistes de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont développé un catalyseur pour simplifier la synthèse des éthers, composants fonctionnels clés de nombreux médicaments, aliments, produits de soins personnels et autres biens de consommation. Le catalyseur place les deux ingrédients chimiques à la bonne proximité et dans la bonne position pour se réunir, évitant ainsi les étapes et les quantités requises dans les protocoles de synthèse standard.
Dirigés par la professeure de chimie de l’Université de l’Illinois, M. Christina White, les chercheurs ont publié leur résultats dans le journal Science.
« Les éthers sont des molécules très importantes, présentes dans tout, et notre approche simplifie réellement le processus de fabrication et nous permet de fabriquer des éthers que nous ne pouvions pas fabriquer auparavant », a déclaré M. White. « Nous sommes toujours inspirés par la nature. Les enzymes nous ont montré comment réaliser ces réactions de manière plus efficace, plus simple et plus efficace. »
L’association idéale d’ingrédients pour fabriquer un éther est un alcool et un hydrocarbure appelé alcène, mais ils ne réagissent pas d’eux-mêmes s’ils sont mélangés, a déclaré l’étudiant diplômé Sven Kaster, premier auteur de l’étude. Le protocole classique consiste à extraire un proton de l’alcool, ce qui le rend réactif, mais donne un cocktail de produits à partir duquel l’éther souhaité doit être extrait. Il faut également de grandes quantités d’ingrédients pour produire suffisamment d’éther pour être utile, ce qui n’est pas pratique pour des composants complexes et précieux.
« Nous avons adopté une approche différente pour résoudre le problème », a déclaré Kaster. « Nous ne voulions pas activer l’alcool et nous ne voulions pas avoir à utiliser de grandes quantités de partenaires de réaction. »
Les chercheurs ont développé des catalyseurs à petites molécules auto-assemblables contenant du palladium, un métal capable de rompre la liaison entre le carbone et l’hydrogène dans un alcène pour le faire réagir avec l’alcool. Ils ont baptisé ces catalyseurs SOX. Cependant, rendre les alcènes réactifs ne suffisait pas à produire les éthers recherchés par les chercheurs.
Crédit : Université de l’Illinois à Urbana-Champaign
Ils se sont tournés vers la biologie pour trouver l’inspiration, en étudiant la manière dont les enzymes catalysent des réactions complexes dans la nature : en plaçant les partenaires de réaction à proximité les uns des autres et dans la bonne orientation pour réagir, a expliqué White. Ils ont produit une version du catalyseur SOX, Sven-SOX, avec une géométrie et des propriétés électroniques spécifiques afin que l’alcène activé et l’alcool s’alignent parfaitement pour produire les éthers souhaités.
« C’est comme si deux personnes voulaient se tenir la main, elles devaient être proches l’une de l’autre. Mais pour le faire confortablement, elles devaient aussi être tournées dans la bonne direction », a déclaré White. « Nous avons réuni ces deux fonctions, la proximité et la position, et avons en quelque sorte construit notre propre « enzyme » auto-assemblante, mais avec des composants simples. »
Le catalyseur Sven-SOX a fonctionné sur un large spectre de réactions génératrices d’éther. Les chercheurs ont produit plus de 130 éthers, dont des éthers complexes et volumineux qui étaient jusqu’à présent difficiles à produire par d’autres moyens.
« Le principal avantage de notre approche est sa généralité. Nous pouvons fabriquer de nombreux éthers qui n’ont jamais été fabriqués auparavant et qui peuvent avoir des fonctions nouvelles ou utiles », a déclaré Kaster. « Nous pouvons fabriquer des éthers à partir de composants très volumineux et normalement difficiles à assembler. Notre réaction se déroule également dans des conditions très douces, ce qui nous permet de tolérer des groupes très sensibles qui, normalement, selon la méthode classique, subiraient des réactions que nous ne souhaitons pas. Un autre avantage est que nous fabriquons ces éthers plus efficacement, en utilisant moins de matériaux et moins d’étapes. C’est une procédure qu’un collégien pourrait suivre. »
Les chercheurs prévoient ensuite d’explorer d’autres catalyseurs à petites molécules qui pourraient avoir des caractéristiques similaires à celles des enzymes pour fabriquer d’autres classes de produits chimiques. Ils continueront également d’explorer les réactions à l’éther et la façon de les optimiser.
« Cela met vraiment en évidence l’importance de la science fondamentale et la capacité des petites molécules à agir comme une enzyme », a déclaré White. « Ces travaux nous ont montré comment concevoir de tels catalyseurs à l’avenir et comment utiliser les outils que les enzymes utilisent dans la nature. Nous voulons intégrer cela dans la conception de futurs catalyseurs pour résoudre des problèmes importants en chimie, en médecine et dans l’industrie. »
Plus d’informations :
Sven HM Kaster et al, Couplage croisé catalysé par le palladium d’alcools avec des oléfines par réglage de position d’un contre-anion, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado8027