Un catalyseur sépare des molécules énantiomères au laboratoire

Tenez un gant gauche et un gant droit côte à côte. Mêmes matériaux, même taille, et pourtant l'un ne va pas à l'autre main. Les molécules peuvent se comporter de la même façon, et pour les chimistes, c'est un véritable casse-tête. Les molécules images l'une de l'autre, appelées énantiomères, se ressemblent tellement que les méthodes de séparation classiques peinent à les démêler. Une équipe japonaise annonce désormais, dans la revue Science Advances, avoir séparé un mélange à parts égales de ces molécules miroir, obtenues en remplaçant l'hydrogène par du deutérium dans l'une des formes.

Le deutérium est un cousin plus lourd de l'hydrogène : son noyau contient un proton et un neutron. Remplacer l'hydrogène par du deutérium peut légèrement modifier les propriétés d'une molécule, ce qui rend ces molécules marquées utiles dans le développement de médicaments et l'ingénierie des matériaux. La difficulté tient à ce que les deux formes miroir restent presque identiques. Les outils disponibles étaient peu efficaces. La spectroscopie, qui recourt à la résonance magnétique nucléaire (RMN), permet de distinguer ces molécules, mais les auteurs soulignent que ces méthodes sont avant tout analytiques et n'offrent aucune voie pratique pour les séparer. La chromatographie spécialisée donnait une séparation médiocre, et une tentative plus concluante a nécessité 65 passages dans un système de chromatographie à recyclage. Les chercheurs ont donc surtout fabriqué ces molécules par une synthèse soigneusement contrôlée, plutôt que de trier des mélanges existants.

L'idée de l'équipe était d'exploiter l'unique différence qu'introduit le deutérium. Une liaison carbone-deutérium est plus difficile à rompre qu'une liaison carbone-hydrogène, et les auteurs qualifient cette différence de « seul levier énergétique disponible » pour distinguer les deux formes. Ils l'ont combinée à la préférence d'un catalyseur pour une orientation moléculaire donnée. Le résultat est un catalyseur à base de ruthénium qui réagit plus vite avec une forme miroir qu'avec l'autre. Lors d'essais sur le 2-éthylnaphtalène, avec une réaction qui ajoute un groupe contenant de l'azote, le produit récupéré contiendrait plus de 99,9 % d'une des deux formes. Dans un test avec une autre molécule, une forme a réagi 83 fois plus vite que l'autre.

Ces chiffres ont des limites réelles. La plupart des valeurs d'enrichissement ont été déduites des produits de réaction, et non mesurées directement sur les molécules récupérées. Seule vérification indépendante, un échantillon converti puis analysé par RMN a donné un rapport mesuré de 93:7, contre un rapport prévu de 94:6, une concordance étroite qui appuie les estimations. Les performances varient aussi fortement selon la structure moléculaire, et certains composés se séparent moins bien. La méthode constitue un point de départ, et non un procédé de production abouti.

Pour la recherche pharmaceutique, le gain pratique serait un approvisionnement plus rapide en briques marquées par des isotopes, ces éléments de départ que les chimistes assemblent pour fabriquer des médicaments. L'une des molécules testées sert à la fabrication du tofogliflozine, un médicament contre le diabète, et elle a été séparée avec succès lors de ces essais. Les auteurs estiment que la méthode doit encore être testée, et l'article ne donne aucun calendrier quant à l'adoption possible de cette technique par les laboratoires. Pour l'heure, le changement est concret pour les chimistes : une voie susceptible de remplacer une partie de la synthèse lente et contrôlée sur laquelle ils s'appuient aujourd'hui, une fois qu'elle aura fait ses preuves au-delà de ces exemples de laboratoire.