L'avenir est aux complexes

L'hémoglobine, molécule de notre sang, est un des plus célèbres représentants de ces complexes chimiques que l'on nomme organométalliques. Un grand nombre de ces composés ont et vont jouer un rôle de plus en plus important dans l'industrie. Une des applications issue des travaux de l'unité de recherche CNRS D0415, dirigée par Pierre Dixneuf sur le campus de Beaulieu à Rennes, témoigne des propriétés étonnantes de ces composés : une société vient
de développer, à partir de l'un d'eux, un indicateur coloré d'oxygène : placé dans l'emballage d'un aliment sous vide, il révèle, par sa couleur, s'il a été ou non en contact avec l'air. Un plus pour le  consommateur. 

Les complexes organométalliques sont caractéristiques par leur structure : constitués d'atomes métalliques associés à des molécules organiques (1), ils ont des propriétés propres à ce mariage, qu'individuellement ils n'auraient pas. Leur composition leur confère des qualités qui intéressent chercheurs et industriels : particulièrement réactifs en présence d'oxygène, catalyseurs de réactions chimiques ou substituts de produits hautement toxiques, ils possèdent aussi des propriétés qui pourraient être mises à profit dans le domaine de l'optique non linéaire.

L'hémoglobine est une molécule présente dans les globules rouges du sang. Elle joue un rôle majeur dans la respiration : lors de son passage dans nos poumons, elle collecte l'oxygène et le distribue ensuite dans l'ensemble de notre corps. La structure de cette substance est aujourd'hui connue : elle est constituée d'atomes de fer complexés (l'hème) associés à une protéine organisée en une chaîne d'acides aminés. Les recherches menées actuellement dans le laboratoire des organométalliques de
Rennes 1, visent à comprendre le fonctionnement des relations entre l'hème et la protéine. En effet, le fer sans son associée, la protéine, n'est pas actif dans la réaction de transport de l'oxygène ; par contre, lorsqu'il lui est associé, les observations confirment que la réaction se produit bien à son niveau : le rôle du métal est donc bien prépondérant. Dès que sera expliqué précisément comment se déroule le processus de fixation de l'oxygène, il sera possible de construire des modèles synthétiques ayant des propriétés analogues pour le transport d'oxygène ou pour l'oxydation d'hydrocarbures (dérivés du pétrole), produits à valeur ajoutée très prisés par les industriels.


Economiques et sûrs

Depuis plus de 50 ans, l'industrie chimique utilise les complexes organométalliques pour leurs capacités de catalyseurs, c'est-à-dire leur pouvoir de participer à la transformation de produits naturels dans des réactions utilisant un minimum d'énergie. Comme dans le cas de l'hémoglobine, le rôle joué par la partie métallique du complexe est majeur. L'hydroformylation par exemple, procédé qui consiste à transformer les dérivés du pétrole, met en jeu un complexe où le métal réactif est le cobalt. Pour transformer le méthanol (alcool) en acide acétique, l'agent métallique est le rhodium, alors que pour obtenir du polyéthylène (plastique), c'est le titane qui est impliqué dans le processus. L'équipe de Pierre Dixneuf tente de mettre au point des complexes capables de nouvelles performances.

Mais les industriels de la chimie ne se bornent plus à penser seulement en terme d'économie d'énergie. Ils sont sensibles aussi aux mouvements qui agitent l'opinion en matière d'environnement. Le laboratoire vient récemment de passer un contrat avec une de ces firmes : certains médicaments et polymères (2) sont fabriqués à partir de composés dangereux : les isocyanates. Les scientifiques planchent donc sur la conception d'un produit qui pourrait avantageusement remplacer ces substances.

Le même type de problème se pose avec le phosgène. Naguère utilisé comme gaz de combat, ce composé réactif très toxique, à base de chlore et d'oxyde de carbone, sert aujourd'hui à la fabrication de produits destinés à l'agriculture. Les chimistes ont réfléchi aux possibilités de remplacer dans ces réactions, le phosgène par le gaz
carbonique (C0₂) et d'utiliser pour ce faire des complexes organométalliques. Le choix du gaz carbonique comme produit de base s'explique simplement : ce gaz est présent en surabondance sur la planète puisqu'il est un produit final de toutes les combustions : nous inspirons de l'air et rejetons du CO₂, les moteurs brûlent de l'essence et produisent du C0₂... Il semble donc logique d'entreprendre des recherches sur les possibilités de valorisation de ce gaz.


Et pour un électron de plus

Généralement, lors de réactions chimiques, les produits mis en présence peuvent, selon leur structure, procéder entre eux à des transferts d'électrons. En fabriquant des composés organométalliques insaturés en électrons, les chercheurs leur confèrent la propriété d'être capables de réagir avec l'oxygène. Et deux applications industrielles sont déjà issues de ces travaux menés par le laboratoire des organométalliques : la première est un capteur d'oxygène : cette capsule contenant un organométallique est introduite dans l'emballage d'un produit alimentaire que l'on souhaite mettre à l'abri de l'air mais non sous vide. Le contenu de la capsule va absorber tout l'oxygène de l'air présent dans l'enveloppe, et supprimer les risques de dégradation du produit.

Le second développement industriel est un indicateur coloré détecteur d'oxygène. Placé dans l'emballage du produit mis sous vide, cette capsule orange prend une couleur bleue si elle est mise au contact de l'air durant quelques heures. Par un simple coup d'œil, le consommateur peut ainsi vérifier l'étanchéité de l'emballage. Ces développements qui ont fait l'objet de dépôts de brevets illustrent une tendance actuelle de la recherche publique. Selon Pierre Dixneuf, la mission première de son unité reste la recherche fondamentale mais si certains de ses résultats donnent lieu à des applications, les moyens qu'elles peuvent procurer ne feront que contribuer à son avancée.


Des complexes très complets

II est aussi un domaine dans lequel ces désormais fameux complexes organométalliques font une entrée remarquée : c'est l'optique non linéaire. Organisés en molécules et polymères non saturés (3), ils peuvent devenir des matériaux qui utilisent les propriétés non linéaires de la lumière pour émettre des rayonnements d'énergie différente et bien déterminée. Ces recherches font l'objet d'une collaboration avec le CNET de Montrouge.

Si le terme de chimie a été associé depuis longtemps à "source de bien des maux", cette incursion dans les laboratoires de "Chimie de coordination organique" laisse présager à une industrie plus performante et donc plus "propre". Et que nous aurons l'occasion d'évoquer de nouveau pour vous tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur les complexes organométalliques, sans jamais oser le demander !

Notes :

(1) Organique qualifie les composés du carbone, corps contenu dans tous les êtres vivants.

(2) Un Polymère est une très grande molécule résultat de la combinaison d'un ensemble de plus petites molécules dites monomères.

(3) Non saturés signifie qu'ils ont des disponibilités d'association électroniques avec d'autres produits mais aussi la capacité d'absorber la lumière.

Autoclaves et Régulateurs pour réactions catalytiques sous pression de C02.