Semi-empirical study of the molecular interaction of paracetamol with lignosulfonated ammonium, sulfur, calcium and sodium in acidic and basic aqueous environments

Chaque jour, les stations de traitement des eaux travaillent sans relâche pour rendre nos rivières et nos robinets sûrs, pourtant un défi persistant et invisible demeure. Lorsque les gens prennent des analgésiques courants, le corps humain n'absorbe pas chaque molécule. Les restes passent à travers les reins et entrent dans le système des eaux usées. Ces minuscules fragments chimiques, connus sous le nom de substances pharmacologiquement actives, sont trop petits pour être capturés par les filtres standards et trop stables pour se décomposer naturellement à la lumière du soleil. Ils échappent au processus de traitement, réintègrent l'environnement et finissent par circuler à nouveau dans l'approvisionnement alimentaire et hydrique, où ils peuvent perturber le comportement et la reproduction de la vie aquatique et potentiellement affecter la santé humaine. Parmi ces résidus, le paracétamol est l'un des plus courants, présent dans tout, des médicaments contre le rhume aux simples antidouleurs. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen de piéger ces molécules avant qu'elles ne s'échappent dans la nature, à la recherche de matériaux qui pourraient agir comme un filet pour les capturer.

L'un de ces matériaux est la lignosulfonate, un sous-produit de l'industrie papetière déjà largement utilisé comme agent de liaison dans tout, de l'alimentation à la construction. C'est une grosse molécule complexe dérivée du bois, et les chercheurs se sont demandé si sa structure unique pourrait être adaptée pour saisir les résidus de médicaments dans l'eau. Une équipe de scientifiques de l'Université de Cauca en Colombie a entrepris de tester cette idée en utilisant des simulations informatiques. Ils n'ont pas mélangé de produits chimiques dans un bécher de laboratoire ; au lieu de cela, ils ont construit des modèles numériques du paracétamol et de diverses formes de lignosulfonate, les plaçant dans des environnements virtuels qui imitaient différents types d'eau, de l'eau pure à des solutions acides et basiques. Leur objectif était de voir si ces molécules dérivées du bois s'attacheraient naturellement aux molécules de médicaments et, si c'était le cas, quelle serait la force de cette liaison.

Les chercheurs ont commencé par cartographier le comportement de base de la molécule de paracétamol elle-même. Ils ont découvert que dans le vide, la molécule agit comme un isolant électrique, ce qui signifie qu'elle ne conduit pas l'électricité, mais son comportement change considérablement lorsqu'elle est entourée d'eau. Les simulations ont montré que le paracétamol a une forte affinité pour l'eau, devenant beaucoup plus stable lorsqu'il est immergé dedans. Cependant, la molécule n'est pas également réactive partout. Les parties les plus actives de la molécule sont situées autour de ses atomes d'azote et d'oxygène. Lorsque la molécule gagne ou perd une charge électrique, ces zones réactives s'étendent, rendant la molécule plus susceptible d'interagir avec son environnement. Cette compréhension de l'endroit où la molécule est la plus « vivante » chimiquement a fourni la base pour tester son interaction avec la lignosulfonate.

Ensuite, l'équipe a introduit les molécules de lignosulfonate, qui se présentent en différentes variétés selon les ions métalliques qui leur sont attachés, tels que l'ammonium, le soufre, le calcium ou le sodium. Ils ont simulé l'interaction entre le médicament et ces différentes versions du sous-produit du bois, tant dans l'espace vide qu'en présence d'eau. Les résultats ont révélé une différence distincte dans le comportement de ces matériaux. Les versions contenant de l'ammonium ou du soufre avaient tendance à s'aligner le long de la molécule de paracétamol, comme deux livres placés côte à côte. Bien qu'elles s'en approchent, elles n'enveloppaient pas le médicament. En revanche, les molécules de lignosulfonate contenant du calcium ou du sodium se comportaient différemment. Ces versions avaient tendance à se replier vers l'intérieur, entourant efficacement la molécule de paracétamol. Les atomes de calcium et de sodium agissaient comme des points de connexion, tirant la grande structure de la lignosulfonate autour de la plus petite molécule de médicament d'une manière qui ressemblait à une étreinte.

Les simulations ont montré que cette « étreinte » n'était pas seulement une curiosité visuelle, mais le signe d'une liaison chimique forte. Lorsque les chercheurs ont calculé l'énergie nécessaire pour maintenir ces paires ensemble, ils ont trouvé que la combinaison du paracétamol et de la lignosulfonate à base de calcium était la plus stable. Cette stabilité augmentait encore davantage lorsque l'eau de la simulation était rendue acide, spécifiquement en ajoutant de l'acide sulfurique. Dans cet environnement acide, la lignosulfonate à base de calcium non seulement enveloppait le paracétamol, mais provoquait également le regroupement serré des molécules d'eau environnantes autour de la paire. Cela suggère que les conditions acides aident le sous-produit du bois à rassembler le médicament et l'eau en un groupe unique et stable. La lignosulfonate à base de soufre a également montré des promesses, formant un alignement serré avec le médicament, mais la version au calcium a systématiquement démontré la plus forte tendance à capturer et à retenir la molécule.

L'étude a conclu que bien que les lignosulfonates puissent interagir avec le paracétamol, l'efficacité dépend fortement des ions métalliques attachés au sous-produit du bois et de la nature chimique de l'eau. La version à base de calcium s'est avérée la plus efficace pour envelopper la molécule de médicament, un comportement qui était accentué dans les conditions acides. Les chercheurs ont noté que les lignosulfonates à base de calcium sont déjà disponibles commercialement et utilisés en toute sécurité dans l'industrie alimentaire, ce qui suggère que l'utilisation de ces matériaux pour nettoyer les eaux usées pourrait être une solution pratique et abordable. En ajoutant ce matériau aux bassins de décantation où l'eau est traitée, il pourrait être possible de piéger ces résidus de médicaments insaisissables avant qu'ils n'entrent dans l'écosystème. Ce travail reste une simulation, un regard détaillé sur la façon dont ces molécules se comportent dans un monde virtuel, mais il pointe vers un matériau spécifique et réel qui pourrait aider à résoudre un problème croissant de gestion de l'eau.