SUPRAMOLÉCULAIRE (CHIMIE)

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La catalyse supramoléculaire

Des récepteurs moléculaires portant des groupes fonctionnels appropriés peuvent fixer un substrat, réagir avec lui et relâcher les produits. On pourrait parler de catalyse supramoléculaire, une catalyse au sein d'une supramolécule. L'élaboration de catalyseurs moléculaires efficaces et sélectifs peut nous éclairer sur les mécanismes mis en jeu dans les étapes élémentaires de la catalyse, conduire à de nouveaux types de réactifs chimiques et fournir des modèles, les enzymes artificielles, qui mettent en évidence les facteurs contribuant à la catalyse enzymatique.

Catalyse supramoléculaire

Dessin : Catalyse supramoléculaire

Représentation schématique du processus de catalyse supramoléculaire. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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C'est ainsi que l'on a pu observer des vitesses accrues pour le transfert d'un hydrogène des chaînes latérales 1, 4-dihydropyridyle attachées au récepteur macrocyclique d'ammonium 16 vers le substrat pyridinium fixé, comme le montre la formule. Cette réaction interne au complexe est inhibée par addition d'un cation complexable qui déplace le substrat.

Réactions 31 à 37

Diaporama : Réactions 31 à 37

 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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On a pu provoquer la coupure d'une liaison ester avec le dérivé tétra-(L)-cystéinyle du composé 16 qui fixe les esters p-nitrophényle (P.N.P.) des acides aminés et réagit avec l'espèce fixée, relâchant le P.N.P. avec une vitesse variable. Cette réaction interne au complexe présente une sélectivité vis-à-vis du substrat, avec un accroissement marqué de la vitesse en faveur des esters dipeptides fixés tels que le glycylglycine-O.P.N.P. dans le complexe 33. Elle est inhibée par un cation métallique complexable, comme K+, et présente une grande capacité de reconnaissance chirale entre les énantiomères d'esters dipeptides Gly-(L)Phe-O.P.N.P. et Gly-(D)-Phe-O.P.N.P., le premier réagissant au moins cinquante fois plus vite que le second.

La mise au point de récepteurs moléculaires d'anions permet de réaliser une catalyse moléculaire sur des substrats anioniques d'intérêt chimique ou biologique. Ainsi, on a montré que les polyamines macrocycliques catalysent l'hydrolyse de l'A.T.P., le composé (24)-N6O2 protoné, 12 étant particulièrement efficace. Il fixe fortement l'A.T.P. et accélère sensiblement son hydrolyse dans une vaste gamme de pH, probablement par une combinaison de catalyses acide, électrostatique et nucléophile. Cette dernière réaction passe par un intermédiaire N-phosphoryle qui est ensuite hydrolysé, un processus qui rappelle la réaction de catalyse enzymatique de type phosphatase.

Cocatalyse : catalyse de réactions de synthèse. Une étape ultérieure consiste à élaborer des systèmes capables d'induire la formation d'une liaison plutôt que la coupure d'une liaison, effectuant ainsi des réactions de synthèse par rapport aux réactions de dégradation. Pour cela, la présence de plusieurs sites de fixation et de réaction est essentielle. Tel est le cas des corécepteurs moléculaires, dans lesquels des sous-unités peuvent coopérer pour la fixation du substrat et sa transformation. Ils devraient être capables de réaliser une cocatalyse en mettant ensemble substrat(s) et cofacteur(s) et en étant actifs dans des réactions entre eux à l'intérieur de la structure supramoléculaire. Des quantités appréciables de pyrophosphate se forment quand on utilise le composé 12 pour catalyser l'hydrolyse de l'acétylphosphate. Un intermédiaire macrocyclique N-phosphorylé est à nouveau produit, qui est capable de transférer son groupe phosphoryle à un substrat phosphate maintenu à proximité, réalisant ainsi la synthèse de pyrophosphate inorganique. On peut considérer que le macrocycle 12 présente dans ce processus une activité de type kinase.

Cocatalyse

Dessin : Cocatalyse

Cocatalyse : synthèse de pyrophosphate par transfert de phosphoryle catalysé par le macrocycle 12. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Ces systèmes possèdent un nombre de propriétés que devrait présenter la catalyse supramoléculaire, c'est-à-dire les propriétés d'une enzyme abiotique (protoase) : fixation sélective du substrat, réaction à l'intérieur du complexe supramoléculaire, augmentation de la vitesse, inhibition par des espèces en compétition pour le site de fixation, sélectivité structurale et reconnaissance chirale.

On pourrait imaginer de nombreux autres processus et des travaux ont été effectués dans de multiples laboratoires. D'un intérêt particulier est la mise au point de catalyseurs capables de réaliser des réactions de synthèse, processus de formation de liaison plutôt que de rupture de liaison. Pour cela, la présence au sein du catalyseur moléculaire de plusieurs sites de fixation et de réaction est essentielle. Ainsi, les corécepteurs ouvrent la voie à la conception de cocatalyseurs moléculaires artificiels de type ligase, métallocatalyseur et enzyme-coenzyme, qui agissent sur deux ou plusieurs substrats fixés et orientés dans l'espace.

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Pour citer l’article

Jean-Marie LEHN, « SUPRAMOLÉCULAIRE (CHIMIE) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/supramoleculaire-chimie/