Soutenance mémoire
Biocatalyse et chimie verte
L’utilisation de la « catalyse enzymatique», où encore la «biocatalyse» a été connue depuis l’antiquité. Les premières civilisations (ancien Babylon, de Rome, Grèce, Egypt, Chine et l’Inde) ont utilisés des enzymes issues des microorganismes pour la production du vinaigre et dans les procédés de fermentation (alcools, bières, fromages et pain) . Le diagramme cidessous représente l’évolution chronologique de la biocatalyse, qui était très tôt exploitée par rapport à l’énoncé des douze principes de la chimie verte.
Au début de la millénaire, l’application industrielle de cette biotechnologie a connu une évolution importante, 134 procédés de bioconversions industrielles ont été enregistrées et étaient répartis entre l’industrie agroalimentaire, les détergents, le textile, papeterie, teintures, et d’une grande part dans l’industrie pharmaceutique . Malheureusement, cette tendance a connue certaines limitations telles que : la stabilité des enzymes et leurs coûts. Cette problématique est actuellement remédiée grâce aux progrès spectaculaires dans le séquençage (méta) génomique, la bio informatique moderne et la modélisation informatique assistée par l’ingénierie enzymatique (Frances Arnold, Prix Nobel en 2018, pour le développement de l’ingénierie enzymatique) . Actuellement, plusieurs centaines de procédés de bioconversions sont implantées dans divers secteurs industries et particulièrement dans l’industrie pharmaceutique.
Généralités sur les enzymes
L’utilisation des enzymes en tant que biocatalyseurs doués d’une haute spécificité a constitué une véritable révolution pour la préparation de nouvelles molécules organiques d’intérêt potentiel. La facilité de mise en œuvre de ces catalyseurs, ainsi que l’exploitation de méthodes d’immobilisation des enzymes libres (ou sous forme sauvage) , facilite leur récupération par simple filtration et autorise une éventuelle réutilisation, ce qui permet de classer ce type de catalyse comme hétérogène. Elle est considérée comme complémentaire à la catalyse homogène par bien des aspects tels que : la reconnaissance d’un seul énantiomère, la grande stéréo- sélectivité des enzymes, et un TON (Number of turn over) élevé.
Définition et structure
Les enzymes sont des biocatalyseurs (d’origine animale, végétale ou microbienne) essentielles pour toutes les cellules vivantes. Dans leurs majorité, elles sont de nature protéique elles résultent de la condensation d’acides α-aminés de la série L avec formation d’une liaison amide entre le groupe carboxyle d’un acide aminé et le groupe amine d’un autre acide aminé et ainsi de suite, de proche en proche, pour constituer une protéine (polypeptide de masse moléculaire élevée). Les masses moléculaires des enzymes varient de 10 000 Da à 1 000 000 Da environ. L’ordre, dans lequel sont arrangés les acides aminés constitue la structure primaire est la séquence dans lequel les acides aminés sont disposés linéairement dans la chaîne protéique. Dès que la structure primaire s’enroule sur elle-même elle constitue la structure secondaire formant principalement des hélices α et feuillets β.
Facteurs influençant l’activité enzymatique
Il est connu que la température, le pH et la concentration du substrat sont les principaux facteurs qui influencent l’activité enzymatique en milieu aqueux tout comme en milieu non aqueux. Le pH et la température agissent en synergie sur la conformation de l’enzyme et sa structure tridimensionnelle modifiant ainsi son activité autour de sa température et son pH optimaux. La concentration du substrat est également un paramètre très important car elle influence la vitesse de la réaction. D’une part, l’augmentation de cette concentration peut entraîner l’augmentation de la vitesse de la réaction compte tenu de la loi de vitesse. D’autre part, un substrat en excès peut dans certains cas inhiber l’enzyme et la vitesse de la réaction s’en trouve alors diminuée. De la même façon, l’enzyme peut être également inhibée par le produit de la réaction. Par ailleurs, d’autres paramètres jouent un rôle très important dans la modulation de l’activité enzymatique : l’activité de l’eau et la pression. Pour maintenir son action catalytique, notamment en milieu non aqueux, l’enzyme nécessite la présence d’une certaine activité d’eau. Cette dernière peut agir de plusieurs façons sur l’activité enzymatique : en modifiant sa structure par organisation et/ou désorganisation des liaisons non covalentes et des liaisons hydrogène au sein de la protéine, en influençant de façon plus ou moins favorable la diffusion des réactifs et en modifiant l’équilibre de la réaction. D’autre part, la pression agit essentiellement par le changement de l’état d’hydratation des enzymes principalement en modifiant l’organisation des molécules d’eau au sein de ces enzymes. En effet, la pression peut modifier par rupture ou par formation des liaisons non covalentes notamment les liaisons hydrogène qui lient la protéine aux molécules d’eau.
Les lipases
Parmi les six classes d’enzymes, la classe des hydrolases à sérine est de loin le plus utilisé en synthèse organique avec environ les deux tiers des applications . Par le bien de leur haute stéréosélectivité, leur stabilité, disponibilité et facilité de manipulation. Elles ne sont pas onéreuses et ne nécessitent pas de cofacteurs pour leur fonctionnement. Particulièrement, les lipases, appelées encore : triacylglycérol acyl-hydrolase (E.C.3.1.1.3). Elles sont utilisées comme biocatalyseurs performants pour mener des réactions d’estérification et de transestérification des acides organiques et d’alcools dans les solvants organiques et les réactions d’hydrolyse dans les milieux aqueux . Elles sont de plus en plus sollicitées pour la synthèse de molécules chirales énantiomériquement pures ou enrichies telles que : les acides carboxyliques , les aminoacides, les alcools10 les amines et les amides. Leur utilisation permet la limitation de la formation de produits secondaires en réduisant les opérations de traitement et de purification. Les lipases sont stables, disponibles, faciles à utiliser, elles sont peu onéreuses et ne nécessitent pas de cofacteurs pour leur fonctionnement.
La biocatalyse et la chimie verte
Le concept de Chimie Verte est apparu en 1991 aux Etats-Unis, et s’inscrivait pleinement dans le cadre de la loi de prévention de la pollution adoptée en 1990. L’objectif étant de prévenir la pollution en concevant des produits et procédés chimiques permettant de réduire ou d’éliminer à la source d’utilisation et la synthèse de substances dangereuses, plutôt que de se limiter au traitement de déchets produits.
|
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PREMIÈRE PARTIE : MISE AU POINT BIBLIOGRAPHIQUE
INTRODUCTION DE LA PREMIÈRE PARTIE
CHAPITRE I : Biocatalyse et Chimie verte
I-1-Introduction
I-2-Généralités sur les enzymes
I-2-1- Définition et structure
I-2-2- Classification des enzymes
I-2-3- Fonctionnement des enzymes
I-2- 4- La cinétique de la catalyse enzymatique
I-2-5- Facteurs influençant l’activité enzymatique
I-2-6- Les lipases
I-3-La biocatalyse et la chimie verte
I-4- Applications industrielles de la biocatalyse
I-5- Accès aux molécules à visée thérapeutique par biocatalyse
I-6- Conclusion
CHAPITRE II : Dédoublement cinétique enzymatique
II-1- Introduction
II-2- Le Dédoublement cinétique enzymatique
II-2-1- Principe
II-3- Paramètres d’évaluation d’un DCE irréversible
II-4- Variations des excès énantiomérique en fonction de la conversion
II-5- Règles empiriques d’énantiopréférence des lipases
II-6-Mode d’action des lipases
II-7- Paramètres influant sur la réaction du DCE
II-7-1- Nature de l’enzyme
II-7-2- Nature du solvant
II-7-3- Nature du donneur /accepteur d’acyle
II-7-4- Nature de substrat
II-8- Conclusion
CONCLUSION DE LA PREMIERE PARTIE
DEUXIEME PARTIE : RESULTATS ET DISCUSSIONS
INTRODUCTION DE LA DEUXIEME PARTIE
CHAPITRE III : Dédoublement cinétique via amidation enzymatique de l’Ibuprofène
III-1- Introduction
III-2- Aperçu bibliographique
III-3- Dédoublement cinétique via amidation enzymatique de l’Ibuprofène
III-3-1-Choix des modèles de l’étude
III-3-2-Synthèse des racémiques
III-3-3-DC via amidation enzymatique de l’Ibuprofène : effet du solvant
III-3-4-DC via amidation enzymatique de l’Ibuprofène : effet de la structure de l’amine
III-4- RX du N-(4-Iodophényl)-2-(4-isobutylphényl) propanamide (rac-1-A3)
III-5- Conclusion
CHAPITRE IV : Synthèse éco-compatible d’amides à haute valeur ajoutée catalysée par la CAL-B
VI-1- Introduction
VI-2- Etat de l’art
VI-3- Aperçu bibliographique sur la réaction d’amidation par voies catalytiques
VI-3- 1-En utilisant des catalyseurs non-métalliques (L’organocatalyse)
VI-3-2-En utilisant des catalyseurs métalliques (Métallocatalyse)
VI-3-3-En utilisant des enzymes (Biocatalyse)
VI-4- Objectifs de l’étude
VI-5-Amidation des acides carboxyliques rac-1-4 catalysée par la CAL-B
VI-5-1- Discussion des résultats de l’amidation biocatalytique
VI-5-2- Amidation enzymatique de l’acide 2-phénoxypropionique (rac-4) par le biais de la p-CF3- aniline
VI-6-Amidation de la L-Boc-Proline catalysée par la CAL-B versus amidation chimique classique par le DCC
VI-7- Conclusion
CHAPITRE V : O-Acylation enzymatique du 1- phényléthanol versus N-Acylation enzymatique du 1-phényléthanamine : Impact d’acides gras comme agents acylants verts
V-1- Introduction
V-2- Problématique posée et Objectifs visés
V-3- Quelques exemples de la littérature
V-4- Intérêts des substrats choisis et esters et des amides
V-5- O-Acylation enzymatique du 1-phényl éthanol : Voie de synthèse éco-compatible d’esters à haute valeurs ajoutée
V-5-1- O-Acylation enzymatique du 1-phényl éthanol : Effet du solvant
V-5-2- O-Acylation enzymatique du 1-phényl éthanol : Profil cinétique
V-5-3- Influence de la structure de l’AC sur la réactivité et la sélectivité lipasique
V-6- N-Acylation enzymatique du 1-phényléthanamine : Voie de synthèse éco-compatible d’amides à haute valeurs ajoutée
V-6- 1- Synthèse des amides racémiques
V-6- 2- DC par acycylation du rac-7 par le biais de la CAL-B
V-7- Conclusion
CONCLUSION GENERALE
