Le prix Nobel de chimie 2021 récompense Benjamin List (Allemagne) et David Mac Millan (États-Unis) pour le développement de l’organocatalyse asymétrique, un outil clé de la chimie verte. © Niklas Elmehed, Nobel Prize Outreach
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Le prix Nobel de chimie 2021 pour un « outil simple et ingénieux », l’organocatalyse asymétrique

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[EN VIDÉO] Qu'est-ce que la chimie verte ?  Également qualifiée de chimie durable, la chimie verte a vu le jour dans les années 1990. Son objectif : réconcilier l’innovation scientifique, la demande des consommateurs, l’efficacité économique et les contraintes environnementales. Stéphane Sarrade, directeur de recherche en chimie et génie des procédés, nous en propose une définition en vidéo. 

Ce matin, le prix Nobel de chimie 2021 a été décerné à Benjamin List (Allemagne) et David MacMillan (États-Unis) pour le développement de l'organocatalyse asymétrique, un outil clé de la chimie verte. Leur idée : utiliser des molécules organiques pour encourager des réactions chimiques. Un concept inspiré de la nature et qui a l'avantage d'être simple, bon marché et respectueux de l'environnement.

Dans la nature, il y a des atomes. Beaucoup d'atomes différents. Et plus encore de molécules différentes. Formées à partir de ces atomes. Au fil des siècles, les scientifiques sont même parvenus à en fabriquer quelques nouvelles. En encourageant des réactions qui sont le cœur de la chimie. Cette science dont le but est d'étudier la matière et ses transformations. C'est donc aujourd'hui un peu comme un retour aux sources que nous propose le comité Nobel en attribuant son prix Nobel de chimie 2021 à Benjamin List (Allemagne) et David MacMillan (États-Unis) pour le développement de l'organocatalyse asymétrique. Un concept « aussi simple qu'ingénieux », selon Johan Åqvist, président du comité Nobel de chimie.

Avant de rentrer dans les détails de leurs travaux, rappelons d'abord un fait que nous avons souvent tendance à oublier un peu trop vite : la nature est d'une efficacité redoutable. Elle a, par exemple, inventé les enzymes. Pour déclencher la construction des complexes moléculaires de la vie. Les chercheurs, eux, sont longtemps restés en admiration devant cette précision et cette ingéniosité. Lorsqu'ils s'essayaient à produire de nouvelles molécules, ils se retrouvaient généralement avec une quantité de sous-produits non désirés.

Mais, depuis 1901, plusieurs prix Nobel de chimie ont récompensé des travaux qui ont participé à rendre les scientifiques aussi un peu plus efficaces dans leur manière de fabriquer des molécules. Jusqu'à celui décerné aujourd'hui à Benjamin List et David MacMillan. Un prix Nobel dont l'intitulé appelle sans nul doute quelques explications.

Des catalyseurs pour fabriquer des molécules

Et comme la science s'écrit dans le temps, remontons d'abord au XIXe siècle. C'est à cette époque que les chimistes -- un certain Jacob Berzelius (Suède) en tête -- ont découvert le principe de la catalyse. Comme « une nouvelle force qui peut générer une activité chimique ». Ils avaient ainsi noté qu'en mettant de l'argent dans un bécher rempli de peroxyde d'hydrogène (H2O2), ils pouvaient obtenir la décomposition de ce dernier en eau (H20) et en oxygène (O2) sans que l'argent soit affecté.

Aujourd'hui, de nombreux catalyseurs différents sont employés tout autant pour assembler que pour découper des molécules. Dans des secteurs aussi divers que celui de l'industrie pharmaceutique, de la parfumerie ou de la production de plastiques. Pas moins de 35 % du PIB mondial dépendrait même de la catalyse. Et avant l'an 2000, tous les catalyseurs, absolument tous, étaient soit des métaux, soit des enzymes.

Si les métaux s'avèrent efficaces en la matière, ils présentent tout de même quelques inconvénients. Ils sont sensibles à l'oxygène et à l'eau. Ils nécessitent donc d'être manipulés dans des environnements contrôlés. C'est compliqué dans l'industrie. Et les catalyseurs métalliques correspondent souvent à des métaux lourds. Leur emploi peut donc être néfaste pour l'environnement.

Les enzymes, c'est la voie choisie par la nature que nous évoquions déjà plus haut. Les enzymes sont capables de construire des molécules complexes -- parmi lesquelles le cholestérol, la chlorophylle ou la strychnine -- avec une précision étonnante. Et asymétrique. Comprenez qu'elles ne produisent que l'une des deux images miroirs généralement possibles lors d'une réaction chimique. C'est pourquoi les chercheurs ont commencé à s'y intéresser dans les années 1990.

Dans la nature, de nombreuses molécules existent sous la forme de deux images miroirs l’une de l’autre. C’est le cas, par exemple du limonène (C10H16). L’une des variantes a une odeur de citron, l’autre, d’orange. © Johan Jarnestad, Académie royale des sciences de Suède

Des acides aminés pour catalyseurs

Benjamin List travaillait alors sur ceux que les chimistes appellent les anticorps catalytiques. Vous le savez, après des mois de pandémie de Covid-19, les anticorps, ce sont ces petites choses qui aiment se fixer sur les virus ou les bactéries. Mais des chercheurs du Scripps Research Institute (États-Unis) avaient eu l'idée de les repenser pour les amener à entraîner des réactions chimiques. C'est alors que les pensées de Benjamin List se sont égarées. Lorsqu'il s'est aperçu que les enzymes catalysent les réactions chimiques grâce à un ou quelques-uns de leurs acides aminés seulement.

Il s'est alors souvenu de travaux menés au début des années 1970, plus de 25 ans plus tôt. Des chercheurs avaient testé l'efficacité comme catalyseur d'un acide aminé nommé proline. Et même s'il imaginait que cela n'avait pas dû fonctionner -- puisque les travaux avaient été interrompus --, Benjamin List a tenté sa chance. Sur une réaction importante pour la chimie organique : l'aldolisation. Une réaction qui consiste à lier entre eux deux atomes de carbone de deux molécules différentes.

Ça a non seulement fonctionné, mais Benjamin List a même pu observer une catalyse asymétrique. Des deux images miroirs possibles dans la réaction, l'une apparaissait beaucoup plus couramment que l'autre. Et le chimiste allemand a alors compris qu'il tenait entre ses mains un outil révolutionnaire. Un catalyseur simple, bon marché et respectueux de l’environnement.

Lorsque Benjamin List a testé les capacités de catalyseur de la proline, les résultats ont tout de suite été au rendez-vous. © Johan Jarnestad et Agnes Moe, Académie royale des sciences de Suède

La naissance de l’organocatalyse

David MacMillan, de son côté, travaillait sur la catalyse métallique asymétrique. Mais il s'était rendu compte que l'outil n'était pas exploitable par l'industrie. Pas réellement utile, donc. C'est pourquoi il a commencé à concevoir des molécules organiques -- des structures à base de carbone, dotées de groupes chimiques actifs faits d'oxygène, d'azote, de soufre ou de phosphore -- simples qui pourraient temporairement -- à l'image de ce que font les métaux -- fournir ou accueillir des électrons.

Pour qu'une molécule organique catalyse les réactions qui intéressaient David MacMillan, elle devait être capable de former un ion iminium. Car celui-ci contient un atome d'azote qui présente une affinité inhérente pour les électrons. Le chimiste a testé plusieurs molécules. Avec succès. Certaines molécules se révélant même excellentes en catalyse asymétrique. Sur les deux images miroirs possibles pour la réaction, l'une représentait plus de 90 % du produit !

Conscient du potentiel de la méthode pour sa généralisation, le chimiste lui invente un nom. L'organocatalyse était née. Découverte indépendamment et en parallèle par Benjamin List et David MacMillan, tous deux récompensés aujourd'hui fort justement par un prix Nobel de chimie.

David MacMillan a conçu des catalyseurs organiques capables de former les ions iminium. Certains se sont révélés d’excellents catalyseurs asymétriques. © Johan Jarnestad, Académie royale des sciences de Suède

Une révolution pour l’industrie pharmaceutique

Fort justement parce que, depuis la publication de leurs travaux en 2000, dans le domaine, c'est un peu comme la ruée vers l'or. Mais les deux chimistes ont réussi à garder leur leadership. Ils ont conçu de nombreux organocatalyseurs stables et bon marché destinés à diverses applications.

En 2011, l'organocatalyse a, par exemple permis, de rendre la fabrication de la strychnine 7.000 fois plus efficace. Comment ? Grâce à une réaction en cascade -- c'est ainsi que les chimistes décrivent ce qu'il se passe lorsque plusieurs étapes d'un processus se déroulent dans une séquence ininterrompue -- qui a fait passer le nombre de réactions chimiques nécessaires de 29 à seulement 12 !

Dans le secteur de la pharmacie, l'organocatalyse asymétrique revêt une importance encore plus particulière. Vous vous souvenez du scandale de la thalidomide ? Ce sédatif anti-nauséeux avait été largement prescrit à des femmes enceintes dans les années 1950 et 1960. Il avait causé de graves malformations sur des milliers d'embryons en développement. En cause : une image miroir du produit de la molécule active qui avait été produite, faute de catalyse asymétrique.

Aujourd'hui, le procédé permet de fabriquer de grands volumes de molécules. Ou de produire des substances qui ne pouvaient, auparavant, qu'être isolées en petites quantités à partir de plantes rares ou d'organismes des grands fonds. Il est, par exemple, employé pour produire la paroxétine qui agit sur l'anxiété et la dépression, ou l'oseltamivir, un antiviral utilisé pour traiter les infections respiratoires.

Bravo donc à Benjamin List et David MacMillan pour avoir su dépasser les idées préconçues et trouver une solution ingénieuse à un problème avec lequel les chimistes se débattaient depuis des décennies. Pour le plus grand bien de l'humanité. Cela vaut bien un prix Nobel de chimie...

Pour en savoir plus

Le prix Nobel de chimie 2021 revient à Benjamin List et David MacMillan

Après le prix Nobel de médecine ce lundi et celui de physique hier, c'est aujourd'hui au prix Nobel de chimie 2021 d'être dévoilé. Le comité Nobel a choisi de récompenser Benjamin List (Allemagne) et David Mac Millan (États-Unis) pour le développement de l'organocatalyse asymétrique, un outil clé de la chimie verte.

Article de Nathalie Mayer paru le 06/10/2021

Le prix Nobel de chimie 2021 vient d’être attribué à Benjamin List (Allemagne) et David Mac Millan (États-Unis) pour le développement de l’organocatalyse asymétrique, un outil clé de la chimie verte. © Kalawin, Adobe Stock

Les lauréats ont été informés dans la matinée. Et pour nous, le suspens a pris fin il y a quelques minutes. Le prix Nobel de chimie 2021 est décerné à Benjamin List (Allemagne) et David MacMillan (États-Unis) pour le développement de l'organocatalyse asymétrique. Un drôle de nom pour un outil ingénieux qui permet de fabriquer des molécules.

Parce que fabriquer des molécules, ce n'est pas simple. Pourtant, beaucoup de secteurs de l'industrie dépendent de nos capacités à y parvenir. Les chercheurs ont pris l'habitude de compter pour cela sur des catalyseurs qui favorisent les réactions. Parmi les catalyseurs les plus connus, il y a les enzymes et les métaux. Et ce qui vaut aujourd'hui à Benjamin List et David MacMillan la récompense suprême, c'est qu'ils ont, indépendamment l'un de l'autre, développé un troisième type de catalyse.

Une efficacité redoutable

L'organocatalyse asymétrique s'appuie sur de petites molécules organiques. Dans un concept « aussi simple qu'ingénieux », explique Johan Åqvist, président du comité Nobel de chimie. Notamment parce que les catalyseurs organiques, faits d'atomes de carbone, d'oxygène, d'azote, de soufre ou encore de phosphore, sont respectueux de l'environnement. Et bon marché.

Le procédé s'est développé très rapidement depuis le début des années 2000. Grâce à son côté asymétrique aussi, très recherché par l'industrie pharmaceutique. Les réactions de construction de molécules produisent en effet classiquement deux molécules, images miroir l'une de l'autre. Et l'industrie a tendance à ne s'intéresser qu'à l'une de ces images.

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