Modelling the active site of NiFe hydrogenases : new catalysts for the electro-production of H2 and mechanistic studies
Nouveaux catalyseurs inspirés du site actif des hydrogénases NiFe : électro-production d'hydrogène et mécanisme catalytique
Résumé
NiFe hydrogenases are unique metalloenzymes that catalyze H+/H2 interconversion with remarkable efficiency close to the thermodynamic potential. Their active site consists of a heterobimetallic complex containing a nickel ion in a sulphur-rich environment connected by two thiolates bridges to an organometallic cyano-carbonyl iron moiety. In order to improve the understanding of the enzymatic mechanism and to obtain new base-metal electrocatalysts for H2 production, we synthesized a series of bio-inspired low molecular weight model complexes with the butterfly structure Ni(µ-S2)M (M= Ru, Mn and Fe). All these compounds displayed a catalytic activity of hydrogen production. Modulating the electronic and steric properties of the ruthenium center allowed optimizing the catalytic performances of these compounds in terms of stability, catalytic rate and overpotential. Mechanistic studies of the catalytic cycle of the Ni-Ru complexes have also been carried out. They allowed us to suggest a bio-relevant bridging hydride as the catalytic intermediate. Finally, we synthesized one of the first Ni-Fe complexes that is both a structural and a functional model of NiFe hydrogenases.
Les hydrogénases NiFe sont des métalloenzymes capables de catalyser efficacement la production et l'oxydation du dihydrogène à des potentiels proches de l'équilibre thermodynamique. Leur site actif est constitué d'un complexe hétérobimétallique comportant un atome de nickel en environnement soufré relié par deux ponts thiolates à un motif organométallique fer-cyano-carbonyle. Afin d'obtenir des catalyseurs de production d'hydrogène alternatifs au platine actuellement utilisé dans les électrolyseurs et pour approfondir la compréhension du mécanisme catalytique de l'enzyme, nous avons élaboré plusieurs modèles de faible poids moléculaire inspirés de la structure du site actif de ces enzymes : il s'agit de complexes dinucléaires possédant le motif papillon Ni(µ-S2)M (M= Ru, Mn et Fe). Les propriétés électrocatalytiques de ces composés ont été évaluées : ils s'avèrent tous actifs en production d'hydrogène. La modification de la densité électronique et de l'encombrement stérique au niveau du centre ruthénium des complexes Ni-Ru synthétisés a permis d'optimiser les performances de ces catalyseurs en termes de stabilité, de vitesse de catalyse et de surtension. Une étude mécanistique du cycle catalytique des complexes Ni-Ru a également été menée : en combinant mesures électrochimiques et calculs théoriques (DFT), elle a permis de proposer un intermédiaire catalytique hydrure de nature pontante entre les deux métaux Ni et Ru. Enfin, le complexe dinucléaire Ni-Fe synthétisé constitue l'un des premiers modèles à la fois structural et fonctionnel des hydrogénases NiFe.