Association de polymères de coordination poreux et d’enzymes transaminases pour la production chimioenzymatique d’amines

Association of Metal-Organic Framework and Transaminase for chemoenzymatic production of amines

• Auteur / Autrice : Priyanka Gairola
• Direction : Claude Jolivalt, Julien Reboul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité de surface (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Durupthy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Rousselot-Pailley
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Mahy, Aude Demessence

Mots clés

Mots clés contrôlés

Enzymes immobilisées

Biocatalyse

Catalyse hétérogène

Metal-organic frameworks

Mots clés libres

Catalyse hétérogène

Chimioenzymatique

Oxydation d'alcool

Immobilisation

Amination

Metal organic-frameworks

Heterogeneous catalysis

Chemoenzymatic

Alcohol oxidation

Immobilization

Amination

Metal organic-frameworks

Résumé

Du fait de la raréfaction des ressources fossiles, l’industrie chimique doit aujourd’hui évoluer pour se tourner vers de nouvelles sources de matière première. A cela s’ajoutent les pressions environnementales toujours croissantes qui imposent une réduction de l’impact écologique et énergétique des procédés. Répondre à ces enjeux technologiques majeurs implique la conception de nouveaux procédés chimiques rendant notamment possible la transformation massive des ressources chimiques d’origine naturelle (cellulose, lignine, algues...etc) en produits chimiques à haute valeur ajoutée et répondant aux critères dits de « chimie verte ». , Dans ce contexte, la catalyse hétérogène est un outil incontournable puisqu’elle permet d’accélérer les réactions chimiques, dans des conditions durables, en rendant possible le recyclage des phases actives. Le développement de procédés toujours plus adaptés aux enjeux industriels et environnementaux actuels nécessite cependant l’élaboration de nouveaux catalyseurs, notamment capables de réduire toujours davantage la consommation d’énergie, de faire des économie d’atomes et de réduire autant que possible les quantités de réactifs et de solvants utilisés ainsi que les déchets produits. Pour ce faire, les catalyseurs hétérogènes capables de catalyser plusieurs réactions chimiques en une seule étape « en cascade » sont particulièrement prometteurs. [...] L’objectif global de [ma] thèse était de fabriquer un système chimioenzymatique capable de réaliser une cascade de deux réactions permettant la transformation d’alcools en amines. Pour cela il était proposé d’immobiliser sur un matériau hybride organique-inorganique poreux cristallin appelé MOF (Metal-Organic Framework), un catalyseur chimique, responsable d’une première étape d'oxydation d'alcool en composé carbonylé, et une enzyme transaminase catalysant l’étape ultérieure de transfert d'amine. La mise en œuvre d'un tel système sophistiqué était un réel défi, notamment parce qu’il s’agissait de trouver des conditions de réaction (solvant, température, pH, et choix des réactifs chimiques) qui soient compatibles avec les conditions de travail des transaminases (températures de réaction douces ≤ 60 ° C, solvants au moins partiellement aqueux). Ceci était un pré-requis nécessaire à la réalisation des synthèses "one-pot", où les deux réactions visées devaient être catalysées consécutivement par le catalyseur chimique et l’enzyme dans le même milieu réactionnel sans isolement du carbonylé intermédiaire. Il fallait également s’assurer de la stabilité du MOF dans le milieu réactionnel, et notamment de l’intégrité de sa structure dans des solvants contenant les solutions tampons aqueuses nécessaires à la stabilité des enzymes. [...]

Due to the scarcity of fossil resources, the chemical industry must today evolve to turn to new sources of raw material. Added to this are the ever-increasing environmental pressures that impose a reduction in the ecological and energy impact of the processes. Responding to these major technological challenges involves the design of new chemical processes making it possible, in particular, for the massive transformation of natural chemical resources (cellulose, lignin, algae, etc.) into high value-added chemicals that meet the so-called "Green chemistry" i, ii. In this context, heterogeneous catalysis is an essential tool since it makes it possible to accelerate the chemical reactions under sustainable conditions by making it possible to recycle the active phases ii. The development of processes that are increasingly adapted to today's industrial and environmental challenges, however, requires the development of new catalysts, in particular capable of reducing energy consumption even more, of saving atoms and of reducing as much as possible the quantities of reagents and solvents used as well as the waste produced. To do this, heterogeneous catalysts capable of catalyzing several chemical reactions in one step "in cascade" are particularly promising. [...] The overall goal of this thesis was to build a chemoenzymatic system capable of carrying out a cascade of two reactions allowing the transformation of alcohols into amines. For that it was proposed to immobilize on a crystalline organic-inorganic hybrid material called MOF (Metal-Organic Framework), a chemical catalyst, responsible for a first step of oxidation of alcohol to carbonyl compound, and a transaminase enzyme catalyzing the subsequent amine transfer step. The implementation of such a sophisticated system was a real challenge, especially because it was a question of finding reaction conditions (solvent, temperature, pH, and choice of chemical reagents) that are compatible with the working conditions of transaminases (mild reaction temperatures ≤ 60 ° C, at least partially aqueous solvents). This was a prerequisite for carrying out "one-pot" syntheses, where the two targeted reactions were to be catalyzed consecutively by the chemical catalyst and the enzyme in the same reaction medium without isolation of the intermediate carbonyl. It was also necessary to ensure the stability of the MOF in the reaction medium, and in particular the integrity of its structure in solvents containing the aqueous buffer solutions necessary for the stability of the enzymes. [...]