L’action tic-tac de l’oscillateur chimique catalyse une réaction régulière comme sur des roulettes
Un oscillateur à base de pipéridine a été conçu pour catalyser périodiquement une réaction indépendante sans perdre ses propriétés oscillantes.1 Cette découverte pourrait être utilisée pour construire des réseaux complexes de réactions qui autrement interféreraient les unes avec les autres, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités en synthèse chimique.
« La catalyse et les oscillations sont deux processus essentiels se produisant dans les cellules vivantes », explique Syuzanna Harutyunyan de l’université de Groningen aux Pays-Bas, qui a dirigé l’étude. «Nous avons réussi à coupler ces deux processus pour la première fois dans un système synthétique afin de construire un oscillateur catalytiquement actif.» Bien que les réactions oscillantes soient courantes dans de nombreux processus biologiques importants, notamment la division cellulaire et la régulation du rythme cardiaque, le développement d’oscillateurs synthétiques dotés de fonctions supplémentaires reste un défi.
« Il n’existait pas d’exemples dans lesquels l’une des espèces oscillantes était un organocatalyseur », note Harutyunyan. Elle explique que le principal problème de l’introduction d’une fonction secondaire dans un oscillateur est que les composants de l’oscillateur doivent participer à la nouvelle fonction sans compromettre son rôle de chronométreur. « Nous avons estimé que si la fonction secondaire est la catalyse, cela devrait être possible car le composant oscillateur est impliqué de manière transitoire dans la fonction secondaire. »
L’équipe a conçu un système modulaire composé de réactions simples et facilement réglables et a réalisé l’arrangement grâce à une analyse mécanistique, des études cinétiques et des simulations informatiques. « Unir nos forces avec le groupe de Wilhelm Huck était essentiel pour trouver rapidement les conditions oscillatoires de notre système », explique Harutyunyan.
«Notre oscillateur est basé sur des réactions autocatalytiques de déprotection et d’acétylation du 9-fluorénylméthoxycarbonyle (Fmoc)», ajoute Matthijs ter Harmsel, qui a construit l’oscillateur catalytique. « En plaçant ces réactions dans un flux et en ajustant les conditions, nous pouvons faire osciller le système. »
Irving Epstein de l’Université Brandeis aux États-Unis, qui n’a pas participé à l’étude, explique que dans le nouvel oscillateur, la pipéridine agit comme catalyseur de plusieurs réactions. «Les chercheurs montrent que lorsque les substrats d’une réaction catalysée par la pipéridine sont introduits dans leur système, des produits sont générés de manière oscillatoire et les caractéristiques de l’oscillation (période et amplitude) ne sont que légèrement perturbées», dit-il.
Les scientifiques ont surveillé les concentrations des composants de l’oscillateur à l’aide de la spectroscopie IR in situ et ont observé que le catalyseur n’était disponible que par rafales environ toutes les deux heures, en fonction de la concentration de pipéridine. «Nous avons réalisé que nous pouvions utiliser cela pour obtenir une sélectivité dans un mélange de réactifs», note ter Harmsel. Pour tester cela, l’équipe a mené des expériences en utilisant deux substrats différents pour la condensation de Knoevenagel – une modification de la réaction aldolique – et a découvert que seul le substrat le plus réactif était converti lors des pics de concentration des catalyseurs.
«L’oscillateur catalytiquement actif favorise les réactions chimiques synchronisées dans le temps, améliorant la pureté du produit en supprimant les réactions concurrentes lentes à mesure que les produits se forment et en arrêtant les réactions de dégradation après l’apparition de niveaux élevés du produit souhaité», commente Alexander Scheeline de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign dans les Etats Unis. «L’utilisation de réactions oscillantes pour améliorer la synthèse chimique suscite depuis un certain temps un intérêt, mais ce travail est – à ma connaissance – le premier où des améliorations utiles ont été réellement réalisées», ajoute-t-il.
Sergey Semenov, de l’Institut des sciences Weizmann en Israël, souligne que les nouvelles découvertes démontrent que les principes de conception d’oscillateurs utilisant deux inhibiteurs qui ont été décrits par lui et ses collègues en 2016 pour la chimie des thiols2 peut être appliqué à d’autres chimies. «Maintenant, les oscillations ont été couplées à des réactions organocatalytiques», dit-il. «Une nouvelle étape passionnante pourrait être le couplage des oscillations à des réactions catalysées par des métaux de transition.»
Harutyunyan estime que l’approche modulaire pourrait également être utilisée pour fabriquer d’autres oscillateurs à base d’amines. «À condition que les amines soient suffisamment basiques pour effectuer une déprotection autocatalytique de leurs homologues protégées par Fmoc», note-t-elle. « En utilisant les principes généraux de conception présentés dans nos travaux, il devrait être possible, en théorie, de prendre n’importe quel catalyseur connu et de construire un oscillateur autour de lui. » Mais le facteur limitant est qu’il faut une réaction autocatalytique, ajoute-t-elle. «Si nous voulons aller au-delà des oscillateurs catalytiques fonctionnant selon un mécanisme base/amine/énamine, nous devons d’abord développer de nouvelles réactions autocatalytiques.»
