Enantioselective enzymatic resolution of racemic alcohols

Ce travail rentre dans le cadre général du développement de procédés chimiques éco- compatibles, respectant au mieux les règles et les impératifs de ce qui est appelé actuellement chimie verte. Dans ce cadre général et dans celui plus restreint de la biocatalyse et l’accès à la chiralité, thème de recherche de notre laboratoire, nous avions comme objectif de rechercher des voies biocatalytiques innovantes par l’utilisation de moyens et/ou de milieux non conventionnels par rapport aux enzymes utilisés. Nous avons ainsi fait appel aux ultrasons et à des solvants classés « verts » que nous avons utilisés dans la résolution de quelques alcools racémiques en présence de différentes lipases. Le travail réalisé est présenté en deux parties distinctes.

Dans la première partie, l’impact des ultrasons sur la résolution énantiosélective du (R,S)-1- phenyléthanol, (±)-menthol et (R,S)-2-pentanol a été évalué. Les expériences ont été réalisées selon différentes approches : ultrasons pendant la réaction, prétraitement de la lipase par ultrasons avant la réaction et en absence des ultrasons au cours de la réaction. Toutes les lipases étudiées ont présenté une activité plus élevée sous l’effet des ultrasons. Ce comportement peut être expliqué par l’amélioration du transfert de masse dans le système réactionnel par la destruction des agrégats protéiniques sous l’effet de l’énergie générée par le phénomène de cavitation. Il semble, cependant, que les ultrasons n’ont pas un effet systématique sur l’énantiosélectivité. En effet, seule la CALB a vu son énantiosélectivité nettement améliorée en passant de E=48 à E=1010 lors de l’acylation du 1-phényléthanol. Nous avons également montré qu’en milieu solvant organique et sous ultrasons, les lipases gardent la même préférence pour des solvants hydrophobes que sous agitation classique. L’influence de la longueur de la chaine du donneur d’acyle a révélée que l’activité enzymatique est inversement proportionnelle avec celle-ci, cela peut être expliqué par l’accès facile au site actif de l’enzyme par un donneur d’acyle à chaine courte.

La seconde partie de cette étude a consisté à étudier pour la première fois deux solvants respectueux de l’environnement, MeTHF et CPME, en tant que milieu réactionnel pour les lipases dans la résolution énantiosélective du (±)-menthol, (±)-sulcatol et (±)-α-cyclogeraniol. Il a été montré la compatibilité des lipases utilisées avec ces deux solvants. Au-delà de leur qualité de « solvants verts », il a été montré qu’ils pouvaient participer à l’amélioration du fonctionnement des lipases dans les deux volets activité et énantiosélectivité. Ainsi, la lipase AK a donné la meilleure énantiosélectivité dans la résolution du menthol racémique mais a montré une faible activité. La CALB s’est avérée être le meilleur choix pour la résolution du sulcatol racémique dans le MeTHF et le CPME, grâce à son excellente énantiosélectivité et son taux de réaction élevé. Nous avons également observé que le CPME a donné de meilleurs résultats par rapport au MeTHF, à la fois en termes d’activité catalytique enzymatique et d’énantiosélectivité. D’une manière générale, les résultats obtenus ont montré que le CPME et le MeTHF peuvent être considérés comme d’excellents substituts pour les solvants organiques très nocifs à l’environnement. Ce travail de thèse a permis de mettre en avant d’une part, les potentialités des ultrasons comme outil efficace pour activer l’acylation des alcools racémiques par voie enzymatique comparées à l’agitation classique. L’effet des ultrasons est intéressant sur l’activité des lipases mais également dans certains cas sur l’énantiosélectivité. D’autre part, les caractéristiques intéressantes du MeTHF et du CPME offrent l’opportunité de les appliquer comme alternatifs aux solvants organiques conventionnels pour des processus industriels durables à grande échelle.

Comme perspectives, il est intéressant d’élargir cette étude on faisant intervenir d’autres substrats d’intérêt biologique et d’autres biocatalyseurs bénéficiant de l’efficacité des ultrasons pour accélérer les biotransformations et la non-toxicité de solvants verts. Il serait également intéressant de faire une étude théorique par la modélisation moléculaire pour mieux comprendre l’influence de ces solvants verts au niveau structurel de la lipase.