Complexes Hétérométalliques Fe/Cu comme Modèles de Cytochrome c Oxidase pour la Réaction de Réduction Electrocatalytique de O2 // Fe/Cu Heterometallic Complexes as Cytochrome c Oxidase Models for the Electrocatalytic Reduction of O2

Contexte. La cytochrome c oxydase (CcO) est l'enzyme terminale de la chaîne respiratoire qui catalyse la réduction à 4 électrons et 4 protons de l'O2 en H2O avec une sélectivité supérieure à 99% (c'est-à-dire moins de 1% d'espèces oxygénées partiellement réduites telles que H2O2). Son site actif bimétallique est constitué d'un hème ferrique avec un ion cuivre distal lié à trois histidines et à un groupe tyrosine voisin jouant le rôle de source locale de protons.[1] Plusieurs modèles biomimétiques ont été rapportés dans la littérature, dont les travaux pionniers de J. P. Collman basés sur une porphyrine en palissade.[2] L'un des modèles les plus récents rapporté en 2025 est basé sur une porphyrine à bipyridine (C).[3] Ces travaux et d'autres[4] ont montré que plusieurs caractéristiques structurelles sont importantes pour obtenir un composé modèle efficace: (i) la porphyrine de Fe(III) doit être aussi plane que possible ; (ii) une certaine flexibilité de l'espaceur organique est nécessaire afin d'ajuster la distance Fe(III)-Cu(I) (~4,4-5,3 Å) et (iii) la présence d'une fonction acidobasique proche des deux sites métalliques pouvant fixer des protons (groupements phénol, par exemple) et donc favoriser le processus de transfert de protons couplés au transfert d'électrons (PCET) et la formation de H2O.

Objectifs du travail de thèse. Ce projet de thèse vise à concevoir des modèles biomimétiques de CcO et à étudier leurs propriétés électrocatalytiques pour réaliser la réaction de réduction de O2 (ORR) à 4 électrons et 4 protons en H2O tout en limitant la libération d'espèces oxygénées partiellement réduites telles que H2O2. Nous proposons ici de synthétiser des composés modèles à partir d'une porphyrine de Fe(III) possédant un complexe de Cu(I) situé en position apicale et lié à un ligand de type carbène N-hétérocyclique (NHC).[5] L'originalité du projet repose sur l'utilisation de ce type de ligand qui apportera une stabilité supplémentaire au complexe de Cu(I). Enfin, un ou plusieurs sites acidobasiques lié au ligand NHC seront utilisés comme sources locales de protons pour assurer le PCET. L'espaceur organique entre la porphyrine et le NHC sera choisi afin d'assurer le positionnement du complexe NHC-CuI() en position apicale. Il sera également plus ou moins flexible afin d'ajuster la distance Fe(III)-Cu(I). Les propriétés électrocatalytiques des composés modèles de CcO et leur sélectivité pour réduire O2 en H2O seront étudiées par la méthode de l'électrode tournante à disque et à anneau (RRDE). Cette méthode permet de mesurer la réduction de O2 au niveau du disque et la détection de H2O2 au niveau de l'anneau. Les électrodes tournantes seront préparées à partir d'encres contenant les composés modèles de CcO formulées et déposées selon des méthodes décrites dans la littérature.[6,7] Les analyses de Koutecký-Levich permettront de déterminer le nombre d'électrons impliqués dans la réduction de O2 et des constantes cinétiques. Enfin, des expériences contrôles seront réalisées ainsi que l'étude de la stabilité des catalyseurs sur plusieurs cycles électrocatalytiques.
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Context. Cytochrome c oxidase (CcO) is the terminal enzyme in the respiratory chain that catalyzes the reduction of O2 to H2O with 4 electrons and 4 protons with a selectivity greater than 99% (i.e., less than 1% partially reduced oxygen species such as H2O2) . Its bimetallic active site consists of a ferric heme with a distal copper ion bound to three histidines and a neighboring tyrosine group acting as a local source of protons. [1] Several biomimetic models have been reported in the literature, including the pioneering work of J. P. Collman based on a palisade porphyrin.[2] One of the most recent models reported in 2025 is based on a bipyridine porphyrin (C). [3] This work and others[4] have shown that several structural features are important for obtaining an effective model compound: (i) the Fe(III) porphyrin must be as flat as possible; (ii) a certain flexibility of the organic spacer is necessary in order to adjust the Fe (III)-Cu(I) distance (~4.4-5.3 Å) and (iii) the presence of an acid-base function close to the two metal sites that can bind protons (phenol groups, for example) and thus promote the process of proton transfer coupled with electron transfer (PCET) and the formation of H2O.

Thesis objectives. This thesis project aims to design biomimetic models of CcO and study their electrocatalytic properties to achieve the reduction of O2 (ORR) to H2O with 4 electrons and 4 protons while limiting the release of partially reduced oxygen species such as H2O2. We propose to synthesize model compounds based on an Fe(III) porphyrin with a Cu(I) complex located in the apical position and bound to an N-heterocyclic carbene (NHC) ligand.[5] The originality of the project lies in the use of this type of ligand, which will provide additional stability to the Cu(I) complex. Finally, one or more acid-base sites linked to the NHC ligand will be used as local sources of protons to ensure PCET. The organic spacer between the porphyrin and the NHC will be chosen to ensure the positioning of the NHC-CuI() complex in the apical position. It will also be more or less flexible in order to adjust the Fe(III)-Cu(I) distance. The electrocatalytic properties of CcO model compounds and their selectivity for reducing O2 to H2O will be studied using the rotating ring-disk electrode (RRDE) method. This method allows the reduction of O2 to be measured at the disk and the detection of H2O2 at the ring. The rotating electrodes will be prepared from inks containing the CcO model compounds formulated and deposited according to methods described in the literature.[6,7] Koutecký-Levich analyses will be used to determine the number of electrons involved in the reduction of O2 and the kinetic constants. Finally, control experiments will be carried out and the stability of the catalysts will be studied over several electrocatalytic cycles.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

459 Sciences Chimiques Balard

Le(la) candidat(e) devra posséder un Master, de préférence avec une spécialisation en chimie organique ou en chimie organométallique. Une expérience pratique des techniques de synthèse organique et/ou organométallique et des méthodes de caractérisation standard est requise. Des connaissances sur les techniques électrochimiques qui seront utilisées ou en électrocatalyse seraient appréciées. Le(la) candidat(e) doit démontrer une grande motivation et la capacité de travailler efficacement dans un environnement collaboratif au sein de l'Institut. De solides compétences en communication écrite et orale sont nécessaire pour mener à bien ce projet.
The candidate must hold a Master's degree, preferably with a specialization in organic chemistry or organometallic chemistry. Practical experience in organic and/or organometallic synthesis techniques and standard characterization methods is required. Knowledge of the electrochemical techniques that will be used or of electrocatalysis would be appreciated. The candidate must demonstrate strong motivation and the ability to work effectively in a collaborative environment within the Institute. Strong written and oral communication skills are necessary to carry out this project.