Des gouttelettes bio-inspirées au service de la catalyse

Dans une cellule, les réactions biochimiques ne se déroulent pas au hasard : elles sont confinées dans des compartiments à l’intérieur desquels se crée un environnement favorable à certaines transformations chimiques. Inspirés par ce modèle naturel, les scientifiques cherchent depuis quelques années à créer des milieux réactionnels qui contiendraient des « microgouttes » artificielles capables de jouer un rôle semblable. Les coacervats sont de telles gouttelettes formées par l’association de polyélectrolytes, des polymères chargés positivement ou négativement.  Ces gouttelettes offrent des milieux denses où les molécules se concentrent et réagissent différemment que dans l’eau.

Une équipe de scientifiques du Centre de recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) et du laboratoire ARNA (CNRS/INSERM/Université de Bordeaux) a conçu un tel microréacteur aqueux capable de promouvoir une réaction clé en chimie : la formation d’une liaison carbone-carbone. Surprise : en présence de coacervats et sans ajout de base pour générer l’espèce active, la réaction dite de Stetter se déroule simplement dans l’eau, alors qu’elle échoue dans les solvants classiques. Les gouttelettes ne se contentent donc pas d’héberger la réaction : elles l’activent.

Au cœur de cette découverte se trouve un catalyseur spécifiquement conçu de type carbène N-hétérocyclique (NHC), normalement sensible en milieu aqueux. En partant d’une version inactive de ce catalyseur (un précatalyseur) insensible à l’eau et d’un polyanion (polymère chargé négativement), l’équipe a montré que l’interaction électrostatique entre ces deux molécules entraîne la formation de coacervats au cœur desquels se regroupent les réactifs organiques. Ces gouttelettes ne servent pas qu’à concentrer les réactifs : à leur interface se créent surtout les conditions favorables à la génération de l'espèce active (le carbène) qui catalyse la réaction. De façon dynamique et évolutive, une fois la réaction terminée et le catalyseur désactivé, le coacervat disparaît tout simplement comme il s’était formé.

Cette découverte, parue dans le JACS, révèle une approche originale pour moduler la réactivité chimique dans des milieux aqueux structurés. En utilisant l’organisation particulière qui apparaît à l’interface des coacervats, il devient possible d’influencer le déroulement d'une réaction. Directement inspirée des principes d’auto-organisation observés dans la nature, cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de systèmes catalytiques plus performants, plus spécifiques et plus respectueux de l'environnement car dépourvus de métaux et solvants organiques.

Rédacteur : AVR