Chimie théorique et étude du devenir de composés organiques dans l'environnement grâce à l'outil TyPol
Résumé
Le nombre et la diversité des composés organiques (pesticides, hydrocarbures aromatiques polycycliques HAP, polychlorobiphényles PCB, médicaments...) susceptibles d’être pré-sents dans l’environnement étant très élevés, il est impossible de réaliser des expériences pour117caractériser pour chacun d’entre eux leur devenir et leurs impacts. Ainsi, des méthodes de pré-diction se développent depuis de nombreuses années et, parmi elles, des méthodes basées surl’hypothèse que la structure des molécules conditionne leurs propriétés physico-chimiques, etpar voie de conséquence leurs effets biologiques et leur comportement dans l’environnement.Dans le cadre du réseau d’animation scientifique «Ecodynamique des Micropolluants»du département AgroEnv et du réseau d’écotoxicologie d’INRAE, nous avons développé uneméthodologie basée sur une approche in silico avec le calcul des descripteurs moléculaires decomposés organiques, suivi de leur classification selon leurs comportements dans l’environnement. Ces classes sont construites à partir d’une analyse statistique des propriétés intrinsèquesdéduites des caractéristiques structurales des molécules et des propriétés comportementales.L’outil TyPolA développé pour ce classement permet comprendre et de prédire le comportementdes composés composés organiques dans l’environnement et leurs impacts écotoxicologiques.Soulignant l’intérêt d’utiliser des descripteurs moléculaires, propriétés intrinsèques des substances, et des relations de type QSAR pour ce genre d’approches, notre objectif est de classerles composés organiques non pas par familles chimiques, mais selon des propriétés directementliées aux processus d’intérêt environnemental : rétention irréversible, transformation biotiqueou abiotique, transfert vers l’air ou les eaux, bioaccumulation dans les organismes vivants ouencore impacts écotoxicologiques.Les domaines d’application de cet outil sont très divers. Ainsi par exemple, des développements de TyPol ont été réalisés pour suivre la filiation entre composé parent et produitsde transformation. Cette approche a été récemment utilisée pour explorer différentes voies dedégradation prédictive du chlordécone.C L’utilisation de ces descripteurs dans la classificationTyPol a permis de classer les produits de transformation potentiels du chlordécone dans desgroupes de comportements différents : selon leur dégradabilité et aussi leur aptitude à la rétention, mobilité et bioconcentration.Un autre développement concerne le calcul des descripteurs moléculaires quantiques(moment dipolaire, polarisabilité...) qui permettent d’approcher la réactivité des composés organiques. La méthode AM1 avait été choisie au démarrage du projet pour son coût en temps decalcul particulièrement bas. Aujourd'hui, la méthode doit allier précision et efficience calculatoire. Pour explorer de la façon la plus exhaustive possible la surface d’énergie potentielle, larecherche conformationnelle a été améliorée pour déterminer la conformation de plus basseénergie grâce à un calcul de dynamique moléculaire. Pour le calcul des propriétés, la comparaison de différentes méthodes (AM1, DFTB, DFT) est en cours sur 107 molécules.TyPol a aussi été utilisé pour sélectionner des pesticides représentant des comportementstype, dans le cadre d’un projet de recherche en chimie théorique en essayant d'identifier pourles processus environnementaux « Dissolution » et « Adsorption » un pesticide par groupes decomposés. Nous avons ainsi travaillé avec l'atrazine, la métamitrone et le fenhexamide en interaction avec la fraction minérale d’un sol modélisée par une argile.La démarche adoptée pour cette étude de l'interaction pesticide/argile est une démarcheprogressive. La complexité des systèmes étudiés va croissant. Pour commencer, le pesticideseul en phase gazeuse est étudié par une analyse conformationnelle détaillée. L'étude se poursuitpar l’exploration de la complexation de ce pesticide par un puis deux cations du type Na+ ouCa2+. Lorsque l'interaction pesticide/cation est mieux comprise, le pesticide est déposé sur uneCa-montmorillonite modèle. Le solvant eau est ajouté pour étudier la désorption du pesticidede la montmorillonite hydratée. A chaque étape, nous évaluons les changements ou constantesobservés après ajouts au modèle utilisé pour ces calculs théoriques : pesticide + cation + argile+ eau. Cette démarche permettra de mieux comprendre le rôle de chaque composante et desinteractions correspondantes dans le processus d’adsorption.