La nature est incroyable. Elle a développé chez les organismes vivants la capacité de réguler des processus biochimiques complexes avec une efficacité remarquable. Les enzymes, catalyseurs naturels, jouent un rôle central dans cette régulation, assurant la satisfaction des différents besoins physiologiques tout au long de la vie d'une cellule.
De plus, des molécules organiques spécifiques et des ions métalliques se lient aux enzymes, modulant leur activité catalytique à la hausse ou à la baisse. Cette interaction d'activateurs et d'inhibiteurs maintient harmonieusement l'ordre dans une cascade de processus chimiques au sein des cellules.
La catalyse enzymatique incite continuellement les scientifiques à imiter la nature pour contrôler divers processus dans de nombreux domaines, depuis la petite échelle du laboratoire jusqu'à la fabrication industrielle à grande échelle de nombreux composés chimiques. Cependant, malgré la grande efficacité des catalyseurs synthétiques, l'alternance entre accélération et inhibition ne les empêche pas complètement de fonctionner ou se limite à l'utilisation de produits chimiques supplémentaires.
Cette limitation devient particulièrement critique dans la gestion de processus simultanés et séquentiels, où des réactions parallèles indésirables peuvent persister malgré les tentatives de modulation. Par conséquent, de nombreux efforts de recherche sont en cours sur les méthodes permettant de contrôler des transformations complexes de manière efficace et respectueuse de l'environnement, en réduisant l'utilisation de produits chimiques supplémentaires, avec un accent particulier sur l'alternance du démarrage et de l'arrêt de réactions sélectionnées.
Est-il possible? Un nouveau concept décrit dans la revue ACS Catalysis jette une lumière claire sur cette question.
Une nouvelle approche proposée par des chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IPC PAS), dirigés par le professeur Volodymyr Sashuk, a démontré un contrôle facile des processus catalytiques utilisant la lumière, ce qui pourrait constituer une alternative à la régulation chimique typique de enzymes. Sur la base du concept proposé, il serait possible de ralentir ou d'accélérer sélectivement les réactions chimiques de manière entièrement contrôlée sans dégrader le catalyseur utilisé lui-même. Comment ça marche ?
"Nous démontrons que la catalyse peut être contrôlée en cachant le catalyseur dans une monocouche organique qui enveloppe la surface de la plupart des nanoparticules inorganiques. Grâce à cela, une suppression complète de l'activité catalytique peut être obtenue", affirme le professeur. Volodymyr Sashuk.
Les chercheurs se sont concentrés sur l'activation/la désactivation des réactions à l'aide du matériau nanostructuré, la catalyse pouvant être activée ou désactivée en utilisant une longueur d'onde spécifique, agissant un peu comme un « interrupteur de lumière ». Le matériau était basé sur des nanoparticules d'or (Au NP) d'une taille d'environ 3 nm décorées sur leur surface avec des complexes de carbène organique N-hétérocyclique (NHC) à base de ruthénium via une forte liaison Au-S entre les AuNP et les ligands thiol.
Le caractère unique du matériau proposé réside dans sa composition, dans laquelle un thiol volumineux (PT) crée un obstacle stérique, tandis qu'un thiol contenant de l'azobenzène (SAT) supporte un complexe de ruthénium Hoveyda-Grubbs, appelé précatalyseur, qui initie le processus catalytique en réagissant avec le substrat.
Le nanosystème conçu est photosensible à une gamme spécifique de lumière, permettant au précatalyseur de changer de position au sein de la monocouche organique et de contrôler l'accès au substrat et à la catalyse grâce à une stimulation électromagnétique.
En présence de lumière visible ou dans l'obscurité, le précatalyseur à base de ruthénium est exposé à la solution, déclenchant et entretenant la réaction de métathèse. À l'inverse, lorsque le système est soumis à une irradiation ultraviolette, le ligand azoïque subit une isomérisation, agissant comme un « bouton-poussoir » pour empêcher l'activation du précatalyseur.
Ceci est facilité par une conception matérielle dans laquelle les anneaux phényle des ligands PT obstruent l'accès au précatalyseur, le dissimulant de la solution et inhibant efficacement le processus catalytique. La faisabilité de ce mécanisme est étayée par des simulations théoriques menées par des scientifiques de l'Université de Trieste, en Italie.
Le professeur Paola Posocco explique en outre :"Nos calculs ont démontré que la surface des nanoparticules d'or recouvertes de fragments phényle est mieux protégée des molécules entrantes que celle contenant uniquement des chaînes aliphatiques. Clairement, cela se traduit par l'arrêt observé du catalyseur."
La méthode proposée permet une désactivation rapide et très efficace du catalyseur sans utiliser de produits chimiques supplémentaires et permet de contrôler la vitesse de réaction. Les chercheurs pensent que leur approche non conventionnelle de la manipulation photoinduite de la position du précatalyseur dans le matériau proposé contribuera à fournir de nombreux catalyseurs fonctionnels qui trouveront des applications dans divers domaines, notamment dans le domaine de l'amélioration de la sélectivité chimique. En même temps, ils soulignent le rôle de l'interdisciplinarité au cours de la recherche.
Plus d'informations : Mykola Kravets et al, Poursuite de l'état OFF complet dans la catalyse photoswitchable, Catalyse ACS (2023). DOI :10.1021/acscatal.3c04435
Fourni par l'Académie polonaise des sciences
