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Équipe Catalyse Bioinorganique et Environnement

Publié le 25 juin 2020
Responsable

Dr Stéphane Ménage
Directeur de Recherche au CNRS
Laboratoire Chimie et Biologie des Métaux
CEA-Grenoble
17 avenue des Martyrs
38 054 Grenoble Cedex 09
Tel. : (33) 4 38 78 91 03
Fax : (33) 4 38 78 91 24


La catalyse est présente à tous les niveaux de notre vie. Elle est un outil pour la création de tous nos objets de la vie courante mais aussi dans la chimie de notre corps humain ; transformant le pétrole en divers plastiques ou dans notre alimentation changeant le lait en yaourt et en favorisant votre digestion.

La catalyse accélère une réaction chimique en diminuant la consommation d’énergie de la voie réactionnelle. Elle est donc un pilier de la chimie durable puisqu’elle permet d’économie de l’énergie et d’éviter l’utilisation de quantité importantes de produits nocifs. Elle implique la mise au point de molécules ou assemblées de molécules sur une surface en s’appuyant sur la compréhension de son action au niveau moléculaire. De leurs structures dépendent leurs activités. L’équipe BioCE s’inspire du vivant et des biocatalyseurs, les enzymes, pour construire des catalyseurs chimiques très efficaces et très stables pour favoriser une chimie durable.


Notre projet scientifique

Le projet scientifique "Catalyse BioInOrganique et Environnement" est basé sur une approche bottom-up du catalyseur moléculaire aux (bio)matériaux fonctionnalisés pour le développement de processus catalytiques durables et bio-inspirés. Notre activité scientifique s'inscrit dans la chimie bioinorganique mêlant expertise en synthèse organique, synthèse inorganique, spectroscopie physique et chimie analytique, afin de développer de nouvelles approches sur la catalyse bioinspirée. Le cœur du projet de l'équipe repose alors sur la conception de complexes inorganiques discrets, de catalyseurs inspirés de la structure des sites actifs des métalloenzymes (comme HAP dioxygénases, N2O réductase) et la catalyse ciblée s'étend des oxydations énantiosélectives à l'activation de petites molécules. Désormais, nous nous tournons vers la catalyse hétérogène et la biologie synthétique pour une économie circulaire dans le domaine de l'environnement, de la santé et de l'énergie, afin de synthétiser des médicaments chiraux, d'utiliser des processus catalytiques durables et de développer une nouvelle catalyse pour l'énergie (conversion du CO2, réduction de l'O2).


Notre stratégie

La connaissance du rôle des métaux en biologie offre une variété d'innovations ou d'avancées scientifiques dans le domaine de la chimie synthétique. Premièrement, elle peut représenter une grande source d'inspiration pour créer de nouvelles molécules ou pour imiter des processus chimiques complexes originaux (chimie bio-inspirée). Deuxièmement, elle fournit les outils permettant de détourner les processus naturels pour la synthèse de nouvelles molécules (biologie synthétique). Dans l'équipe BioCE, la stratégie basée sur ces connaissances est illustrée dans le domaine de la catalyse. Si la biocatalyse représente la meilleure alternative pour une chimie durable, elle souffre d'un répertoire limité de produits de départ et de réactions. À l'inverse, la catalyse à base de métaux offre un large panel de réactifs, mais elle manque de réactions complexes, telles que les processus en cascade ou en dominos. Une combinaison de ces deux approches catalytiques, si elle est contrôlée, devrait alors fournir des solutions innovantes. En gardant cela à l'esprit, l'équipe BioCE a participé à des études de validation de concepts pour de nouvelles stratégies catalytiques basées sur des catalyseurs inorganiques originaux, depuis les réactions d'oxydation/réduction jusqu'aux réactions de transfert d'oxygène au cours de la dernière décennie. Au fil du temps, la complexité de la structure des objets catalytiques a été augmentée, avec l'introduction de nouvelles fonctions ou propriétés, afin de gagner en sélectivité et en efficacité catalytique ou de complexifier les réactions chimiques.

Notre approche consiste à :
i) déchiffrer les mécanismes (bio)catalytiques par la conception de mimes chimiques ;
ii) imiter l'organisation biologique pour réaliser des réactions abiotiques ;
iii) transférer la catalyse de conditions homogènes à des conditions hétérogènes en utilisant des matériaux solides biodégradables ;
iv) utiliser la biodiversité pour la dégradation des polluants ;
v) développer des biomatériaux pour de nouvelles technologies pour les énergies.

Des questions fondamentales ont ensuite été remises en question : le mode d'action de l'activation des gaz (O 2, N2O), les ligands soufrés pour une catalyse d’oxydation contrôlée par le cuivre, le contrôle du transfert d'électrons pendant une photocatalyse, les aspects moléculaires de la sélectivité catalytique pour les enzymes artificielles et le contrôle de l'auto-assemblage des macromolécules biologiques.




Nos projets

Quatre grands projets sont actuellement développés dans l’équipe BioCE :
1. Complexes de cuivre à environnements N/S pour l’activation bio-inspirée de l’oxyde nitreux et du dioxygène
2. Enzymes artificielles
3. photocatalyse , biohybrides et pour la catalyse. Applications à la degradation des plastiques
4. Matériaux macromoléculaires ou supramoléculaires pour l’(bio)électro(photo)catalyse