I. Introduction Générale ... 182
Contexte... 182
Vers la synthèse de complexes biomimétiques des enzymes a cuivres... 182
La Galactose oxydase ... 182
Connexion directe de la galactose oxydase sur électrode d’or... 182
Complexes bio-inspirés de la galactose oxydase... 183
La polyphenol oxydase... 183
Connexion directe de la polyphénol oxydase dans une matrice de NTCs ... 183
Complexes bio-inspirés de la PPO... 184
Greffage de complexes de cuivre bio-inspirés sur électrodes pour l’ORR... 184
Objectifs... 185
Cadre du projet de recherche... 185
Les différents ligands synthétises... 185
Objectifs... 186
II. Immobilisation de complexes de cuivre mononucléaire pour l’ORR... 187
Introduction... 187
Caractérisation de surface... 188
Microscopie électronique a balayage et edx ... 188
Spectrométrie photoélectronique X ... 189
Spectrométrie par résonance paramagnétique électronique (RPE)... 190
Principe... 190
Résultats obtenus ... 191
Caractérisations électrochimiques en absence d’oxygène ... 192
Influence du pH... 192
Complexe [Cu(t-Bu,Me)]2+... 192
Complexe [Cu(t-Bu,CF3)]2+... 193
Influence de la vitesse de balayage... 194
Complexe [Cu(t-Bu,Me)]2+... 194
Complexe [Cu(t-Bu,CF3)]2... 196
+... 196
Caractérisations électrochimiques en présence d’oxygène ... 197
Electrocatalyse de réduction de l’oxygène... 197
Calcul du nombre d’électrons par expérience d’électrode a disque tournant198 Principe... 198
Résultats obtenus ... 198
Détection de la quantité d’intermédiaire réactionnel formee ... 199
Principe... 199
Résultats obtenus ... 200
Comparaison des deux complexes et discussion... 201
III. Immobilisation de complexes de cuivre dinucleaires sur NTCs pour l’ORR 203 Introduction... 203
Caractérisation de surface... 204
Caractérisations électrochimiques en absence d’oxygène ... 205
Influence du pH... 205
Complexe [Cu(H,Me)]2+... 206
Influence de la vitesse de balayage... 207
Caractérisations électrochimiques en présence d’oxygène ... 208
Electrocatalyse de réduction d’O2... 208
Calcul du nombre d’électrons par expérience d’électrode a disque tournant209 Détection de la quantité d’intermédiaires réactionnels formees ... 210
Comparaison des catalyseurs bio-inspires et discussion... 211
IV. Elaboration d’une pile biomimétique ... 213
Introduction... 213
Cathode bio-inspirée à base de complexes de cuivre dinucléaires... 213
Résultats obtenus ... 214
I. INTRODUCTIONGENERALE
CONTEXTE
VERS LA SYNTHESE DE COMPLEXES BIOMIMETIQUES DES ENZYMES A CUIVRES
Dans le chapitre 3, nous avons travaillé sur la connexion enzymatique directe par liens covalents d’enzymes Lac3 sp.30 sur électrode de nanotubes de carbone, afin de réaliser la réduction de l’oxygène en eau. Même si leur activité catalytique est excellente, ces enzymes sont produites dans un champignon, puis purifiées : la concentration finale obtenue est souvent inférieure au millimolaire et la stabilité de la solution enzymatique est de l’ordre d’un ou deux mois. De ce fait, la synthèse de complexes biomimétiques des MCOs, présentant une activité comparable, mais pouvant être produit rapidement en plus grande quantité, est un enjeu majeur.
Dans le but de concevoir de nouvelles cathodes sans platine, actives vis-à-vis de l’ORR, nous avons cherché à développer de nouveaux catalyseurs à base d’un ou de deux centres cuivre, bio-inspirés des enzymes galactose oxydase (GaOx) et polyphénol oxydase (PPO). Bien que les MCOs aient des performances catalytiques supérieures, la complexité de leur site actif reste encore un frein à la synthèse de mimes fonctionnels. Immobilisées sur électrodes, la GaOx et la PPO ont démontré une activité vis-à-vis de l’ORR.245,248 Nous avons donc cherché à développer des catalyseurs mono- et bimétalliques bio-inspirées de ces enzymes et possédant un ligand phénoxo.
LAGALACTOSE OXYDASE
Connexion directe de la galactose oxydase sur électrode d’or
Le site actif de la GaOx est composé d’un centre cuivre (II) mononucléaire coordonné par deux histidines et deux tyrosines (Erreur ! Source du renvoi i ntrouvable.A). Son potentiel est de l’ordre de +0,45 V vs SHE.113 Cette enzyme catalyse l’oxydation stéréospécifique des alcools primaires en aldéhydes couplée à la réduction de l’oxygène en péroxyde d’hydrogène.
La seule évidence de TED a été publiée en 2009 par Schiffrin.245L’enzyme a été immobilisée sur une SAM, comportant des nanoparticules d’or fonctionnalisées par des groupements carboxylates, directement coordonnés au cuivre II mononucléaire. Le potentiel électrochimique du couple CuII/CuIa été mesuré par voltampérométrie cyclique à -0,1V vs SCE. La réduction de l’oxygène en péroxyde d’hydrogène est
observée à un potentiel de 0,2V vs SCE. Toutefois, l’enzyme immobilisée n’oxyde pas les alcools primaires en aldéhyde.
Complexes bio-inspirés de la galactose oxydase
De par la simplicité du site actif de la galactose oxydase, de nombreux complexes bio-inspirés ont été étudiés, afin de proposer un mécanisme catalytique (voir Chapitre I/III.2.B.). Le premier a été synthétisé par de Whittaker en 1993.114,156
En 2002, notre collaborateur sur ce projet de recherche, le Pr. Fabrice Thomas, synthétise l’un des premiers modèle structural et fonctionnel (Figure chap.IV-1B) capable d’oxyder l’alcool benzylique en présence d’O2et d’une quantité catalytique de KOH.157Des analogues structuraux de ce complexe de cuivre (II) mononucléaire ont été synthétisés au cours de ce projet de recherche, afin d’être greffés sur électrodes de NTCs.
Figure chap.IV-1 : (A) Site actif de la Galactose Oxydase (GaOx). (B) Exemple de complexe de cuivre (II) mononucléaire, [CuII(LH)(OAc)], mimant le site actif de la GaOx.157
LA POLYPHENOL OXYDASE
Connexion directe de la polyphénol oxydase dans une matrice de NTCs
La polyphénol oxydase (PPO) ou tyrosinase comporte un site actif, dont la structure est proche du site T3 des MCOs. Il s’agit d’un complexe dinucléaire, comportant deux cuivres (II), CuAet CuB, chacun coordonné à trois histidines, selon la nature de l’enzyme (Erreur ! Source du renvoi introuvable.A). Le potentiel redox du centre métallique est de +0,36V vs NHE.106La PPO oxyde les substrats phénols en quinone en présence d’oxygène, qui est alors réduit en eau. Le mécanisme catalytique est complexe et est présenté dans le chapitre I (voir section III.2.A)
L’utilisation de la PPO en tant que biocathode enzymatique est peu étudiée. En effet, le potentiel redox est d’environ 400 mV plus faible que pour les MCOs et
l’observation d’un TED reste difficile à cause de l’enfouissement de son site actif. Récemment, la connexion directe de cette enzyme au sein d’une pastille de NTCs a été mise en évidence. La biocathode réduit le dioxygène en eau à un potentiel de 0,3 V vs SCE et conserve 50 % de son efficacité catalytique après 8 jours.248
Complexes bio-inspirés de la PPO
Des modèles structuraux de divers états d’oxydations du site actif ont été proposés depuis plus d’une trentaine d’années.160–162
Figure chap.IV-2 : (A) Site actif de la PPO. (B) Exemple de complexe de cuivre (II) dinucléaire, mimant le site actif de la PPO.359
En 2002, notre collaboratrice le Dr. Catherine Belle synthétise plusieurs complexes dinucléaires Cu(II) : le dérivé µ-OH, présenté en Figure chap.IV-2B, est le seul à oxyder les catéchols en présence d’O2. De la même manière que pour le complexe mononucléaire, un analogue de ce dernier a été synthétisé afin d’être immobilisé sur électrode de NTCs et étudié en présence d’O2.
GREFFAGE DE COMPLEXES DE CUIVRE BIO-INSPIRES SUR ELECTRODES POUR L’ORR L’utilisation de complexes de cuivre mono- et dinucléaires en catalyse supportée a été étudiée à partir de la fin des années 2000.288Les supports d’électrodes sont variés, allant de la simple adsorption sur électrode de graphite pyrolytique à l’immobilisation covalente sur graphène oxydé. Ces catalyseurs réduisent l’oxygène en eau dans des conditions neutres et basiques (pH5 à 14) à des surtensions comprises entre 300 et 800 mV.289–291,293,295,296A l’heure actuelle et malgré un pH de catalyse élevé (pH = 14), le complexe dinucléaire [Cu2(TADPy)4]4+, synthétisé par Liu en 2015 et immobilisé sur électrode de graphène oxydé, présente la surtension minimale la plus faible, de l’ordre de 300 mV (Eonset= 0,94 V vs RHE).293Par ailleurs, en 2011, le complexe dinucléaire [Cu2(bistripic)(NCMe)2](PF6) immobilisé dans une encre de carbone vulcan et de nafion, est l’un des premiers complexes bio-inspiré à réduire l’oxygène en eau à pH1, mais à une surtension minimale élevée de 900 mV (Eonset= 0,4 V vs RHE).291Pour de
plus amples informations, la section IV.5.B du chapitre I est consacrée à ces catalyseurs.
Afin d’essayer d’améliorer les performances catalytiques en diminuant le pH optimum et la surtension, nous avons étudié pour la première fois l’immobilisation, par une méthode de synthèse « bottom-up » sur NTCs, de nouveaux complexes de cuivre mono- et dinucléaires, bio-inspirés respectivement du site actif de la GaOx et de la PPO.
OBJECTIFS
CADRE DU PROJET DE RECHERCHE
Le projet de recherche décrit dans ce chapitre a été réalisé en collaboration avec l’équipe CIRE de notre institut (DCM) grâce au travail de Doti Serre, du Dr. Jennifer Molloy, du Dr. Catherine Belle et enfin du Pr. Fabrice Thomas. Pour ce faire, nous nous sommes basés sur leurs précédents travaux.157,158,359 Ces derniers ont été impliqués dans la synthèse et la caractérisation spectroscopique des différents ligands, qui ne seront pas détaillés ici (pour de plus amples informations, se reporter à la partie expérimentale de ce manuscrit).
LES DIFFERENTS LIGANDS SYNTHETISES
Les différents ligands étudiés dans ce manuscrit sont présentés en Figure chap.IV-4. Dans chaque cas, le groupement N1-(pyrèn-1-ylméthyl)butane-1,4-diamine a été additionné par amination réductrice au précurseur tripode aldéhyde CHOLH (Figure chap.IV-3). Différents dérivésCHOLH ont ensuite été synthétisés pour conduire aux ligands (t-Bu,Me), (t-Bu,CF3) et (H,Me).
Figure chap.IV-3 : Amination réductrice entre le groupement aldéhyde de LHCHO et amine du pyrène pour former le ligand (t-Bu,Me).360
La variation de ces différents groupements chimiques a pour objectif de modifier : (1) la contribution électronique au niveau de la sphère de coordination du
cuivre (II) ; (2) l’encombrement stérique des ligands afin de générer des espèces dinucléaires. En effet, la gêne stérique au niveau du ligand phénol a une influence sur la dimérisation de ce type de complexes.157,158Ceci peut engendrer des comportements électrochimiques différents et sera étudié en détail dans ce manuscrit. Les ligands A, B et C conduisent à des complexes analogues à la molécule [CuII(LH)(OAc)]157 , bio-inspirés du site actif de la galactose oxydase. Le ligand D comporte deux entités tripodes en ortho du phénol, ce qui promeut la formation d’un complexe de cuivre dinucléaire, bio-inspiré du site actif de la PPO.
Figure chap.IV-4 : Différents ligands synthétisés. (A) à (C) les structures chimiques varient en ortho du phénol et de l’une des pyridines du ligand tripode. (D) Deux entités tripodes sont présentes en ortho du phénol, d’où la nomenclature bis-tripode (BTP), utilisée. Les atomes correspondants sont en rouges et définissent la nomenclature utilisée dans le manuscrit pour chaque dérivé.
La complexation de ces différents ligands avec un sel de cuivre de type [CuCl2].2H2O ou [Cu(ClO4)2].6H2O permet l’obtention de complexes de cuivre immobilisés sur NTCs, que ce soit par synthèse bottom-up, après greffage du ligand pyrène sur électrode de NTCs ou par greffage du complexe préalablement formé en solution
OBJECTIFS
Dans un premier temps, l’immobilisation des complexes de cuivre mononucléaires[Cu(t-Bu,Me)]2+et[Cu(t-Bu,CF3)]2+sur électrodes de NTCs sera réalisée par synthèse « bottom up ». Ces derniers seront caractérisés par une étude électrochimique approfondie sous argon et O2. Dans un second temps, le complexe dinucléaire [Cu2(BPT)]4+ sera construit de la même manière, puis les résultats électrochimiques obtenus seront comparés au complexe [Cu(H,Me)]2+. Enfin la première pile bio-inspirée H2/air à base de catalyseurs moléculaires sera présentée.
II. IMMOBILISATION DE COMPLEXES DE CUIVRE MONONUCLEAIRE POUR
L’ORR
INTRODUCTION
Figure chap.IV-5 : Synthèse bottom-up des complexes mononucléaires (A) [Cu(t-Bu,Me)]2+et (B) [Cu(t-Bu,CF3)]2+après modification des électrodes NTC/(t-Bu,Me) et NTC/(t-Bu,CF3) par le sel de cuivre [CuCl2].2H2O.
Les électrodes de carbone vitreux sont modifiées par un film de NTC multifeuillet selon la procédure décrite dans les précédents chapitres. Les ligands (t-Bu,Me) et (t-Bu,CF3) (3 mM dans MeCN) ont été immobilisés grâce à l’interactionπ-π
entre les systèmes π-conjugués du pyrène et des NTCs. Après rinçage, l’électrode est plongée dans une solution aqueuse de sel de cuivre [CuCl2].2H2O (0,3 mM) pendant 45 minutes, puis rincée à l’eau ultra-pure. Les deux complexes mononucléaires, [Cu(t-Bu,Me)]2+ et [Cu(t-Bu,CF3)]2+ sont ainsi obtenusFigure chap.IV-5). D’après les précédents travaux sur ce type de complexes,157,158 le cuivre forme un complexe pyramide à base carrée entre les 3 atomes d’azotes du ligand tripode, le radical phénoxy et une molécule de solvant.
Dans un premier temps, les électrodes de NTCs seront caractérisées par diverses techniques microscopiques et spectroscopiques. Dans un second temps, une étude électrochimique approfondie en absence et en présence d’oxygène sera menée. Enfin, les résultats obtenus pour les deux catalyseurs seront discutés.
CARACTERISATION DE SURFACE
Les électrodes de NTCs fonctionnalisées par le complexe de cuivre mononucléaire sont analysées par diverses techniques de caractérisation de surface : MEB, RPE et XPS. Etant donné que la seule différence entre les deux catalyseurs est la substitution du groupement –Me et par le –CF3en ortho de la pyridine, les résultats seront présentés pour un seul des deux catalyseurs.
MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE ET EDX
La microscopie électronique à balayage du film de NTC multifeuillet (Figure chap.IV-6A) démontre un réseau nanométrique dense, homogène et poreux. Afin de déterminer la présence du complexe[Cu(t-Bu,Me)]2+à la surface, la spectrométrie à dispersion d’énergie X a été utilisée. Cette technique consiste à analyser qualitativement la composition chimique de la surface en détectant les rayons X émis par l’échantillon, soumis au faisceau d’électrons du microscope électronique. Ce phénomène est traduit sous forme de spectre dans lequel chaque variation d’énergie est attribuée à un élément chimique (Figure chap.IV-6B).
Sur le spectre du film de NTC, les pics des éléments oxygène et carbone sont détectés respectivement autour de 0,5 et 0,25 keV. Lorsque le complexe [Cu(t-Bu,Me)]2+est présent à la surface, les pics caractéristiques du cuivre et de l’azote apparaissent à 1 et 0,75 keV. Cette méthode est une manière simple de détecter des éléments atomiques, mais ne renseigne pas sur l’environnement chimique autour du cuivre, pouvant être libre ou coordonné.
Figure chap.IV-6 : (A) Microscopie électronique à balayage de l’électrode NTC/[Cu(t-Bu,Me)]2+, (B) couplée à la spectrométrie à dispersion d’énergie X (EDX) du film de NTC fonctionnalisé (courbe rouge) ou non (courbe grise).
SPECTROMETRIE PHOTOELECTRONIQUEX
Les échantillons ont été obtenus par filtration d’une suspension de MWCNT dans l’EtOH absolue sur une électrode de GDL. De fines bandelettes de 1*2cm sont ensuite découpées afin que le ligand, puis le sel de cuivre soient immobilisés par synthèse bottom-up. Les résultats de spectrométrie photoélectronique X ont été obtenus et traités au sein de l’ICMG de l’Université de Montpellier 2 par Valérie Flaud.
Figure chap.IV-7 : (A) Spectre de spectrométrie photoélectronique X complet de l’électrode NTC/[Cu(t-Bu,CF3)]2+. Zoom sur les spectres des orbitales (B) Cu2p, (C) F1s, (D) N1s
Le spectre complet de l’électrode NTC/[Cu(t-Bu,CF3)]2+ est présenté en Figure chap.IV-7A. Ce dernier révèle qu’aucune impureté métallique n’est présente dans le film de NTC. Ainsi, les éléments chimiques les plus abondants sont le carbone et l’oxygène : la paroi des nanotubes de carbone est en effet souvent oxydée, ce qui entraîne la formation de résidus de type quinone, phénol, cétone ou acide carboxylique.361
Une signature est obtenue pour les orbitales 2p du cuivre. Ainsi, les orbitales Cu2p1/2et Cu2p3/2observées respectivement à 965 et 935 eV correspondent à un degré d’oxydation (I). Il est courant qu’en cas de faible abondance de l’élément chimique à la surface, le cuivre II soit réduit en cuivre I ou cuivre (O) par le faisceau d’électrons X. Par ailleurs, les pics obtenus respectivement à 690 et 400 eV correspondent aux orbitales F1s et N1s. La très faible quantité de cuivre à la surface du film de NTC, ainsi que la réduction du Cu(II) en Cu(I) par le faisceau d’électrons, empêchent de calculer un ratio Cu/N favorable. Au même titre que la spectrométrie à dispersion d’énergie X, les résultats XPS obtenus ne nous permettent pas de conclure quant à la nature de l’état de coordination du centre métallique.
SPECTROMETRIE PAR RESONANCE PARAMAGNETIQUE ELECTRONIQUE(RPE)
Principe
La spectrométrie par résonance paramagnétique électronique s’applique aux électrons non appariés (= électrons célibataires) présents dans une molécule, telles que les espèces radicalaires ou les métaux de transition. Un électron célibataire possède un spin électronique, qui placé dans un champ magnétique B subit une interaction suivant l’effet Zeeman, conduisant à deux niveaux énergétiques avec un nombre quantique de spin mségale à +1/2 ou -1/2 (Figure chap.IV-8).
Figure chap.IV-8 : Transition entre deux niveaux Zeeman.
La RPE induit une transition entre ces deux niveaux lorsque le photon est absorbé à une énergie hv, égale à la différence d’énergie ΔE entre les deux niveaux quantiques ms = +1/2 et ms = -1/2. Le signal RPE enregistré n’est pas le signal d’adsorption comme en UV ou RMN, mais sa dérivée première. La mesure d’un spectre se fait par variation de la valeur du champ magnétique B (en gauss ou tesla), représenté en abscisse sur le spectre. De plus, la fréquence de résonance du spectromètre reste stable, on parle de bande X à 9,4 GHz et Q à 35 GHz. Le facteur de Landé, g, est caractéristique de l’élément magnétique, donc d’un atome donné.
Si l’électron célibataire est au voisinage d’un ou plusieurs noyaux dont le spin nucléaire I ≠0, un champ magnétique local est émis entre le moment magnétique
électronique et le moment magnétique nucléaire. Cela se traduit par un couplage hyperfin, modifiant l’allure du spectre RPE. Ainsi, plusieurs raies apparaissent et sont quantifiées selon l’équation suivante : 2nI + 1 avec n le nombre de noyaux de spin nucléaire I avec le(s)quel(s) l’électron interagit.