Calix[6]arene-based models for mono-copper enzymes: a promising supramolecular system for oxidation catalysis

A novel supramolecular system that mimics the mono-copper site of enzymes is described. It is based on a calix[6]arene presenting either three pyridine (Py) or three imidazole (Im) groups that coordinate the copper center. Whereas Cu(I) is tetrahedral, Cu(II) is 5-coordinate. In both cases however, the Cu complexes possess a labile site located inside the calixarene cavity. A comparative study of the Py- and Im-based systems is presented in terms of chemical behaviour, electrochemistry and reactivity in the presence of hydrogen peroxide. Hence, the Py-based Cu(II) complex appears as the most interesting catalyst for the oxidation of aromatics and alcohols Version française abrégée – Complexes dérivés de calix[6]arènes comme modèles de cupro-enzymes à site mono-nucléaire : des systèmes supramoléculaires prometteurs pour la catalyse d'oxydation.Introduction. Les métallo-enzymes sont des usines naturelles remarquables, capables de transformer des molécules organiques avec une haute efficacité et sélectivité. Un bon système modèle est une clé pour mieux comprendre les processus chimiques impliqués dans le cycle catalytique et peut conduire à l'élaboration de nouveaux outils utiles pour le chimiste de synthèse [1], [2]. Parmi la grande variété de cupro-enzymes, une intéressante sous-famille présente un site actif mononucléaire, dans lequel un ion cuivre est coordonné à des résidus histidine dans une cavité hydrophobe. Certaines présentent une activité mono-oxygénasique, d'autres sont des oxydases [3], [4], [5], [6]. À ce jour, rares sont les systèmes modèles capables de reproduire un cycle catalytique à un site mononucléaire à cuivre [7], la principale difficulté étant liée à la dimérisation des complexes [8], [9], [10] (figure 1). Ainsi, nous proposons et présentons une stratégie basée sur une nouvelle famille de ligands supramoléculaires tripodaux : un calix[6]arène [11], [12], [13], [14], [15], fonctionnalisé par trois groupements pyridine (Py) ou trois imidazoles (Im), présente un site de coordination N3 associé à une cavité hydrophobe, mimant ainsi le site actif des cupro-enzymes.Conception du système supramoléculaire basé sur un calix[6]arène. Les deux ligands correspondants, respectivement X6Me3Pic3 [17] et X6Me3Imme3 [16], ont été synthétisés suivant le schéma 1. Un modèle moléculaire [21] de X6Me3Pic3 est présenté sur la figure 2. Les complexes de formule générique [Cu(X6Me3N3)L]+ et [Cu(X6Me3N3)(H2O)L]2+ sont obtenus par réaction avec les sels de cuivres appropriés, selon le schéma 1. Les complexes cuivreux présentent une géométrie tétraédrique (figure 2), tandis que Cu(II) est pentacoordonné. Dans les deux cas, cependant, le métal est lié aux trois bras azotés du calixarène et possède un ligand labile situé à l'intérieur de la cavité, qui peut être sélectivement échangé [16], [17], [18], [19], [20], [24]. Une nouvelle structure déterminée par diffraction des rayons X d'un complexe cuivrique (figure 3) montre que la géométrie des systèmes Cu(II) (intermédiaire entre trigonale bi-pyramidale et pyramidale à base carrée) [23] est en partie contrôlée par l'interaction entre le ligand inclus et la poche du calixarène [22]. Bien que maintenus dans une conformation de type cône, les systèmes sont structurellement souples et mobiles. La comparaison des complexes obtenus avec les ligands X6Me3Pic3 et X6Me3Imme3 met en évidence des propriétés électroniques différentes. Dans les deux cas, les complexes cuivreux sont insensibles à la présence de dioxygène, mais seul X6Me3Imme3 permet de stabiliser un adduit Cu(I)CO et seul X6Me3Pic3 confère à Cu(I) une réactivité vis-à-vis des solvants chlorés. De même, alors que les complexes (X6Me3Imme3)Cu(II) sont stables, les complexes (X6Me3Pic3)Cu(II) sont, en solution, facilement réduits en Cu(I). De plus, ils sont très réactifs vis-à-vis des phénols. Avec PhOH, un nouvel adduit est formé [25], tandis que les crésols, pF- ou pClPhOH réduisent le centre métallique [26].Électrochimie. Les propriétés électrochimiques des divers complexes ont été étudiées. Dans MeCN, un comportement quasi réversible est observé pour les couples redox Cu(II)/Cu(I). Les systèmes sont cependant chimiquement totalement réversibles. Le pouvoir oxydant des complexes cuivriques corrèle les caractéristiques électroniques des bras coordinants : EPox(Py)=0.9 V et EPox(Im)=0.2 V. Ainsi, le choix du ligand azoté permet de moduler les propriétés redox des complexes. Les systèmes cuivriques obtenus avec le ligand X6Me3Pic3 oxydent stœchiométriquement les phénols (PhOH, pF- et pClPhOH, crésols). Les études voltamétriques et électrolytiques ont mis en évidence un comportement de type électrocatalytique (figure 4) [26].Oxydations catalytiques avec H2O2. Enfin, les réactions d'oxydation catalysées par les complexes cuivriques selon la voie du « shunt peroxydasique » (formation directe d'un intermédiaire hydroperoxo-Cu(II)) a été explorée avec H2O2. Les premiers résultats indiquent que l'éthanol est catalytiquement converti en acétaldéhyde et en acide acétique et que le benzène est oxydé en p-benzoquinone via le phénol et l'hydroquinone (schéma 2). Les résultats rassemblés dans le tableau I montrent à nouveau le meilleur pouvoir oxydant du complexe issu du calixarène présentant un site tris(pyridine). En conclusion, les ligands basés sur des calix[6]arènes fonctionnalisés par trois bras azotés confèrent au cuivre un environnement mimant le site mononucléaire des cupro-enzymes. L'étude de la réactivité chimique et électrochimique des complexes cuivriques montre leur capacité à oxyder divers substrats exogènes dérivés du benzène et de l'éthanol. Ces résultats sont préliminaires et les études sont activement poursuivies afin d'élucider les mécanismes des réactions d'oxydation, d'en optimiser les conditions et d'explorer la chimio- et régiosélectivité induite par un tel système en présence de divers oxydants.