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Complexes du cuivre

collaboration Dr. Y. Le Mest pour les études électrochimiques

publié le , mis à jour le

Introduction


Enzymes mononucléaires à Cuivre (ou binucléaires non couplées)

La dopamine β-hydroxylase (DβH) et la peptidyl α-hydroxylating monooxygénase (PHM) sont des enzymes clé dans le contrôle du niveau de neurotransmetteurs du système nerveux central. La DβH catalyse l'oxydation de la dopamine en norepinéphrine, et la PHM catalyse la dernière étape de bio activation de neuropeptides. Ces deux enzymes catalysent l'hydroxylation stéréosélective de liaisons C-H. De structures voisines, elles présentent deux ions cuivre non couplés distants de plus de 10Å. L'un est le centre actif et est responsable de l'activation du dioxygène et de la transformation du substrat tandis que l'autre transfère un électron.
La nature de l'espèce réactive (un complexe Cu(II)-superoxyde ou Cu(II)-hydroperoxyde) n'est aujourd'hui pas identifiée et un débat subsiste quant au rôle du transfert électronique. La caractérisation et l'étude de la réactivité de complexes mononucléaires Cu/O2 et dérivés partiellement réduits sont nécessaires pour une meilleure compréhension du cycle catalytique et font actuellement l'objet de nombreux de travaux.

Trois générations de complexes modèles cuivreux et cuivriques ont ainsi été développées.

Complexes de première génération


  • Complexation de Cu(I)
  • Historiquement, la complexation des ions cuivreux a été la première explorée. Ainsi, la caractérisation du premier complexe dit « entonnoir » ou « funnel complex » date-t-elle de 1998 (publiée dans Angew. Chem.). Ces dernières années ont permis d'étudier de manière détaillée certains aspects très particuliers et originaux de ces complexes.
    • Comportement dynamique des complexes Cu-CO : les systèmes « dansent » (ref. )
    • La petite taille du mono-oxyde de carbone permet à la structure calixarène d'adopter différentes conformations en équilibre dynamique. Celles-ci peuvent être contrôlées par les substituants placés sur le petit col du calixarène qui transmettent « l'information » à l'ensemble de l'édifice et engendrent soit une valse à trois temps soit une danse à deux temps.
    • Modèles du couloir d'accès au site actif des enzymes (ref. )
    • L'accès à la cavité est en partie contrôlé par la nature des substituants présents sur le grand col. Ainsi une étude comparée d'un système présentant six groupes tBu sur le grand col avec un autre n'en présentant que trois met en évidence un changement radical du comportement thermodynamique et cinétique des complexes.
    • Premier complexe cuivreux hydrosoluble présentant un site de coordination labile (ref. )
    • Les ions aqua-cuivreux se dismutent spontanément dans l'eau. Classiquement, deux ligands bidentes sont nécessaires pour les stabiliser, saturant ainsi leur sphère de coordination. Un calix-tris(imidazole) sulfonaté a permis, à l'image des cupro-enzymes de complexer les ions cuivreux dans l'eau tout en laissant un accès libre pour coordiner une petite molécule telle CO.
  • Complexation de Cu(II)(ref. )
  • Alors que les ions cuivreux complexés par les ligands calix-N3 sont tri- ou tétra-coordinés, les ions cuivriques sont invariablement dans un environnement penta-coordiné grâce à une molécule organique sélectivement liée et échangeable à l'intérieur de la cavité du calixarène et une molécule d'eau coiffant l'édifice, située à l'extérieur. Ainsi, le changement d'état rédox des complexes du cuivre est associé à une importante réorganisation de la sphère de coordination. Ce phénomène a également été mis en évidence par voltamétrie cyclique à vitesse variable. Ces études ont aussi montré que le potentiel rédox Cu(II)/Cu(I) est déterminé par la nature des bras azotés coordinants : de 0,2V (vs Fc+/Fc) pour le ligand tris-imidazole à presque 0,8V pour le ligand tris-pyridine.

Complexes de deuxième génération


Modèle structural et fonctionnel de la galactose oxydase avec les ligands N3ArO (ref.)


Tirant parti du 5ème site de coordination accessible, des complexes cuivriques de 2ème génération ont été obtenus avec les ligands N3ArOH. Le complexe phénate cuivique peut être oxydé en une nouvelle espèce présentant un ion cuivrique lié à un radical phénoxyl. Celui-ci oxyde stoechiométriquement l'alcool benzylique en benzaldéhyde, démontrant ainsi une activité oxydante sélective à deux électrons contrôlée par la cavité. Par contre, le complexe radicalaire au zinc obtenu avec le même ligand est d'une stabilité exceptionnelle.
Ce système constitue donc un modèle supramoléculaire de galactose oxydase intégrant une cavité qui contrôle la réactivité des complexes métalliques.

Complexes de troisième génération


Trois calix[6]cryptands ont été synthétisés grâce à la collaboration avec le groupe du Pr I. Jabin (ULB, Bruxelle)
  • Complexation de Cu(II) (ref. )
  • La coordination de Cu(II) aux calix[6]cryptands conduit à la formation de complexes dicationiques très stables. Dans chaque cas, une molécule invitée coordinante (H2O, ROH, RCN ou un amide) complète la sphère de coordination de l'ion métallique.
    Les spectres RPE témoignent de géométries variées bien que contraintes, essentiellement trigonales bipyramidales plus ou moins distordues.
    Des études spectroscopiques d'absorption UV-vis-NIR et RPE montrent que les complexes cuivriques basés sur les ligands tren ou PN3 sont très sélectifs vis à vis de molécules invitées neutres et ne coordinent pas du tout les anions (halogénures, HO-, N3- etc...) même à forte concentration.
    Par contre, le complexe basé sur le ligand TMPA s'est révélé très sensible aux bases (même fables) et à divers anions, qu'il coordine au coeur de la cavité. Ce comportement, s'il est relativement classique en comparaison avec les ligands non-calixaréniques, est totalement atypique pour les calix[6]ligands. Il s'explique par la conformation très particulière adoptée par le calixarène, du fait de la grande rigidité du "chapeau " tmpa. Dans ce dernier cas, les trois atomes d'oxygène du calix reliés au chapeau sont expulsés vers l'extérieur et n'orientent donc pas leur doublet non-liant (dipôle répulsif pour les anions invités vers le site de coordination intern e du métal.
  • Complexation de Cu(I)
  • The tren-based cuprous complex revealed itself very stable in solution under an inert atmosphere, but extremely sensitive to O2 in solution as well as in the solid state. Therefore, its binding properties towards non-redox ligands have been studied in detail (RCN, CO). The electron-rich metal center displays moderate affinity for nitrilo-ligands compared to the calix[6]tris-pyridine ligand (1rst generation). Indeed, the binding enthalpy with acetonitrile is only - 30 kJ.mol-1, whereas it is - 72 kJ.mol-1 with the tris-pyridine system. In contrast, CO binding is relatively strong due to important -back donation from the metal center, as evidenced by the CO stretch, which was found to be less energetic (2075 cm-1) than that measured for ligands based on aromatic donors such as imidazole or pyridine. The conformational and dynamic properties of this calix-system have also been studied in detail. With an empty cavity or with the very small CO guest-ligand, the calix-core undergoes partial self-inclusion leading to dissymmetrical conformations. In contrast, nitrilo ligands act as “shoe-trees” that maintain the calix-core in a C3v symmetrical cone conformation. Very interestingly, the variable T study relative to the ligand exchange process highlighted a two-step dissociative pathway, where Cu-N bond cleavage/formation is differentiated from the nitrilo guest expulsion/ inclusion from/into the calixarene cavity.
  • Comportement redox

collaboration Drs Y. Le Mest, B. Douziech, N. Le Poul, Univ. Bretagne Occ., Brest

Les propriétés redox des complexes basés sur le ligand Calix[6]tren ont été les premières étudiées en présence de divers ligands L potentiellement invités. Cyclic voltammetry studies showed irreversible redox processes in CH2Cl2 when L is an oxygen-donor due to the redox-driven ejection of the guest at the Cu(I) level. In the presence of MeCN, a pseudo-reversible process was obtained owing to a fast equilibrium between a 4- and a 5-coordinate Cu(I) species. Most interestingly, a redox-driven ligand interchange of DMF for MeCN at the Cu(I) state allowed the trapping of the thermodynamically less stable Cu(II)-MeCN adduct. Hence, this system represents an important step towards the elaboration of a functional supramolecular model for redox mono-copper enzymes, coined as redox calix-zymes.