CHAPITRE 3 Organisations moléculaires en liquide ionique
I- 4.3 Caractérisation par Microscopie Electronique à Transmission
I-4.5. Essai de caractérisation par Diffusion de Neutrons aux Petits Angles 116
I-5. Conclusion 116
II. Microémulsions en liquides ioniques 117
II-1. Choix des Composants 117
II-1.1. Liquides ioniques 117
II-1.1.a) Synthèse du bis(trifluorométhylsulfonyl) amidure de (R)-1 ou
(S)-1-phényléthyl pyridinium. 118
II-1.1.b) Synthèse du bis(trifluorométhylsulfonyl) amidure de
benzylpyridinium (BnPyrNTf2) 119
II-1.1.c) Température de transition vitreuse de BnPyrNTf2 120
II-1.1.d) Densité de BnPyrNTf2 120
II-1.2. Tensioactif 121
II-1.3. Huile 121
II-2. Construction du diagramme ternaire 122
II-2.1. Recherche du domaine monophasique 122
II-2.1.a) Détermination des solubilités des mélanges binaires à 27°C 122
II-2.1.b) Recherche de la ligne de démixtion 123
II-2.2. Recherche des phases organisées dans le domaine monophasique 123
III. Identification et caractérisation des microémulsions 128
III-1. Synthèse du liquide ionique deutéré 128
III-2. Analyse par Diffusion Dynamique de la Lumière 130
III-3. Analyse par Diffusion de Neutrons aux Petits Angles 133
III-3.1. Principe et description 133
III-3.1.a) Fonctionnement : source et détection 133
100
III-3.1.c) Gammes de vecteurs de diffusion 136
III-3.2. Analyses des microémulsions 136
III-3.2.a) Paramètres 136
III-3.2.b) Détermination de la diffusion incohérente 138 III-3.2.c) Détermination des rayons de giration 139
III-3.2.d) Microémulsions 140
III-3.3. Autres phases 144
III-3.3.a) Zone bicontinue 145
III-3.3.b) Zone riche en liquide ionique 146
III-3.3.c) Micelles de triton en liquide ionique BnPyrNTf2 ? 147
IV. Conclusion 148
Introduction
Les liquides ioniques, de part leurs multiples propriétés physico-chimiques et leur caractère hautement structuré (chapitre 1 I.1) sont considérés comme des solvants cohésifs, pouvant induire à ce titre des organisations moléculaires qui ont été décrites dans le chapitre 1.
Nous allons donc nous intéresser dans ce chapitre à la formation et la caractérisation de deux types de phases organisées en liquides ioniques :
- des liposomes de glycérophospholipides ;
- et des microémulsions liquide ionique dans l’huile. Pour cela, deux liquides ioniques ont été choisis, un chiral et son homologue achiral.
Seront détaillés le mode de préparation de ces objets ainsi que leurs caractérisations par différentes techniques physico-chimiques (diffusion dynamique de la lumière, microscopies optique et électronique, diffusion des neutrons aux petits angles).
Dans le cas des microémulsions, nous nous attacherons à décrire l’obtention du diagramme de phases. Le domaine de microémulsions inverses sera particulièrement décrit en vue d’être utilisé dans le chapitre 4 comme milieu confiné de réaction (nanoréacteurs).
102
I. Vésicules en liquides ioniques
I-1. Choix du tensioactifNous avons choisi d’utiliser un glycérophospholipide, le 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3- phosphatidylcholine, plus communément appelé DPPC.
En effet, les glycérophospholipides et plus particulièrement le DPPC, sont très utilisés pour former des liposomes en milieu aqueux, et particulièrement en tant que modèles de membranes biologiques.
Nous avons voulu voir si des vésicules de DPPC en milieu liquides ioniques pouvaient être formées.
I-2. Choix des liquides ioniques
Trois différents solvants ioniques en série imidazolium ont été retenus et sont représentés dans la figure III-1. Il s’agit des tétrafluoroborate et hexafluorophosphate de 1- butyl-3-méthylimidazolium et le bis(trifluorométhylsulfonyl amidure) de 1-éthyl-3- méthylimidazolium. N N Bu Me BF4 N N Bu Me PF6 N N Et Me NTf2
Figure III- 1: Solvants ioniques choisis
Le tableau III-1 présente certaines de leurs propriétés physiques telles que le point de fusion, la viscosité, la masse volumique ainsi que la tension de surface.
solvant Tfusion (°C) 20 (centipoises) 30 (g.cm-3) (mN / m)
30°C 65°C
BmimBF4 -82 233 1,17 42,5 43
BmimPF6 -61 312 1,37 43,2 nd
EmimNTf2 -3 52 1,52 35,6 36,5
tableau III-1: Différentes propriétés des trois solvants ioniques choisis : point de fusion, viscosité, masse volumique et tension de surface (nd : non déterminée)
Utilisant ces trois liquides ioniques, nous avons tout d’abord recherché s’il existait des concentrations d’agrégation critiques.
I-3. Détermination de la concentration d’agrégation critique (CAC)
Un phénomène d’agrégation et plus particulièrement la concentration à partir de laquelle ces objets se forment, peut être mis en évidence par l’existence d’un point d’inflexion sur le tracé d’une propriété physico-chimique en fonction de la concentration en tensioactif. Différentes propriétés peuvent être mesurées telles que la tension de surface, la conductivité électrique, l’absorption UV …
La tensiométrie est la technique la plus classiquement utilisée pour déterminer la concentration d’agrégation critique (CAC) qui dans le cas de micelles est appelée CMC.
Tout d’abord, nous avons déterminé visuellement la température de Krafft du DPPC dans les trois liquides ioniques choisis. Pour cela, nous avons préparé des solutions très saturées (en limite de saturation) en DPPC dans chacun des liquides ioniques puis chauffé ou refroidi ces solutions jusqu’à disparition ou apparition d’un trouble indiquant la température de Krafft. Les valeurs obtenues sont données dans le tableau III-2.
solvant T krafft (°C)
BmimBF4 64,4
BmimPF6 55
EmimNTf2 72
tableau III-2 : Valeurs des températures de Krafft du DPPC dans trois solvants ioniques
Afin de déterminer les CAC, nous avons suivi l’évolution de la tension superficielle (TS) en fonction du logarithme décimal de la concentration en DPPC dans chaque liquide ionique. Ces tensions de surface ont été mesurées en utilisant un tensiomètre à goutte. Les trois tracés obtenus sont présentés dans la figure III-2.
104 (m N/m ) Log C 20 25 30 35 40 -2,4 -2,2 -2 -1,8 -1,6 -1,4 BmimBF4 BmimPF6 EmimNTf2 6,43 x 10-3 2,35 x 10-2 7,25 x 10-3
figure III-2 : Détermination de la CAC du DPPC dans les liquides ioniques BmimBF4,
BmimPF6 et EmimNTf2
L’adsorption des tensioactifs à l’interface air-liquide se traduit par la diminution de la tension de surface pour les plus faibles concentrations en TA suivie par un changement de pente. Ce point de rupture permet de montrer qu’il existe un phénomène d’agrégation à partir d’une concentration critique, la CAC. Les valeurs obtenues sont indiquées dans le tableau III- 3.
solvant CAC (mol.L-1)
BmimBF4 6,43 x 10-3
BmimPF6 7,25 x 10-3
EmimNTf2 2,35 x10-2
tableau III-3 : Valeurs des CAC obtenues pour le DPPC dans trois solvants ioniques
Cependant, la tension superficielle ne reste pas constante au delà la CAC puisqu’elle continue à décroître, avec une pente plus faible, pour les hautes concentrations. Pour les micelles, où un palier est atteint au dessus de la CMC, leur formation à partir de monomères implique un équilibre association-dissociation, rapide et dynamique. Ainsi, au dessus-de la cmc, la concentration en micelles augmente approximativement linéairement et la concentration en TA libre est essentiellement constante induisant une valeur fixe de la tension de surface.
Le comportement particulier obtenu montre la formation d’agrégats autres que des micelles indiquant un changement d’organisation à partir des CAC. Cette même allure de courbe est généralement obtenue dans le cas de formation de vésicules.1
Nous constatons que les valeurs de CAC obtenues dans les liquides ioniques sont très largement supérieures (au minimum 200 fois) par rapport à celles obtenues dans l’eau.2 L’agrégation des molécules de DPPC est rendue possible grâce à des propriétés telles qu’une grande polarité des solvants, un grand pouvoir de solvatation ou un pouvoir structurant élevé.
Nous avons voulu comparer l’ordre des valeurs des CAC obtenues avec la polarité des solvants ioniques utilisés. Nous avons ainsi essayé d’élaborer une échelle de polarité à partir de différents travaux de la littérature. En effet, le groupe de Seddon3 a établi une échelle de polarité pour les liquides ioniques incluant les composés BmimBF4 et BmimPF6, par
solubilisation d’un colorant, le rouge de Nile. Ce dernier est un colorant solvatochrome qui lorsqu’il est dissout dans des milieux de plus en plus polaires, conduit à un effet bathochrome sur sa longueur d’onde d’absorption maximale dans le visible. Le groupe de Bartsch4 a également évalué l’effet sur la polarité de la longueur de la chaîne alkyle d’une série de liquides ioniques triflylamidure de 1-alkyl-3-méthylimidazolium. Plus récemment, une revue présente les énergies de transition molaire d’un grand nombre de liquides ioniques, déterminés à partir de sondes solvatochromes.5
A partir des valeurs des énergies de transition molaire du colorant ET(30) mesurées dans
les liquides ioniques (selon l’équation III-1) que nous avons relevées dans les différents articles de la littérature, nous avons pu construire une échelle de polarité présentée dans la figure III-3. 6 max 10 ) 30 ( A T hcN E
équation III-1 : Expression de l’énergie des transitions molaires du colorant
ET(30) (kcal.mol-1) BmimNTf2 butan-1-ol éthanol BmimPF6 BmimBF4 méthanol
Polarité Croissante Eau 50,2 51,9 52,5 55,5 63,1 EmimNTf2 50 52,3 52,6 PmimNTf2
figure III-3 : Echelle de polarité incluant les solvants ioniques étudiés et des solvants organiques courants 3, 6, 7
L’ordre des CAC obtenues (tableau III-3) suit l’ordre de polarité relative de chaque solvant ionique. La CAC la plus importante étant celle du DPPC dans l’EmimNTf2, le plus
106
Cependant, selon cette logique, en utilisant de l’eau, nous devrions trouver une CAC encore plus élevée. Ceci montre qu’il doit exister d’autres phénomènes qui se produisent ici.
Connaissant maintenant les concentrations d’agrégation critiques, nous avons préparé selon le protocole établi, des vésicules de DPPC en liquides ioniques puis avons étudié leurs caractéristiques par différentes techniques physico-chimiques.
I-4. Préparation de vésicules en solvants ioniques
Afin de former d’éventuelles vésicules dans les liquides ioniques, nous avons utilisé le protocole classiquement décrit pour la préparation de vésicules multilamellaires dans l’eau. 8 Ce protocole comprend quatre grandes étapes :
- La formation d’un film de phospholipides le plus fin possible. Ainsi, une quantité définie de DPPC est dissoute dans un mélange Chloroforme/Méthanol (9/1) puis un certain volume de cette solution est introduit dans un tube à essai. A l’aide d’un courant d’azote, le solvant est évaporé et cette technique consiste à former un film de DPPC sur une grande surface. Les tubes sont placés dans un dessicateur, sous vide pendant au moins 2 heures, pour enlever toute trace résiduelle de solvant.
- L’hydratation de celui-ci à une température supérieure à celle de la transition de phase du phospholipide utilisé.
- L’agitation plus ou moins vigoureuse pour former les vésicules multilamellaires polydisperses.
- Puis une attente de 24 heures permettant de réduire la polydispersité des MLV (par coalescence).
Ce principe est schématisé dans la figure III-4.
solvant Film de DPPC Vésicules multilamellaires hydratation hydratation agitation agitation
Il est possible de préparer différents types de vésicules en fonction de la puissance de l’agitation au cours de la troisième étape (vortex ou sonde à ultrasons) ou en utilisant un extrudeur (figure III-5). Par un phénomène de sonication ou par extrudage à travers une membrane de taille et pore définis, il est possible de former des vésicules unilamellaires de tailles plus contrôlées.
Vésicules multilamellaires
Hydradation
Film sec de lipide Solvant d’hydratation
Sonication - Homogénéisation Extrudage MLV LUV SUV Agitation
Petites Vésicules unilamellaires Grandes Vésicules unilamellaires
30-50 nm 100-200 nm
figure III-5: Schéma récapitulatif de la manière d’obtention des différentes vésicules9
En vue de préparer des vésicules multilamellaires de DPPC dans les deux solvants ioniques BmimBF4 et EmimNTf2, nous avons utilisé ce protocole en l’adaptant aux liquides
ioniques. L’étape d’hydratation a été réalisée à une température de 75°C, supérieure aux températures de transition de phase du DPPC dans ces deux solvants. L’étape d’agitation a été menée à l’aide d’une sonde à ultra-sons en réalisant des cycles de 8 minutes à une puissance de 20 watts (puissance classiquement utilisée pour la formation de vésicules dans l’eau). L’extrudage n’a pas été choisi vu la température de transition de phase très élevée et également à cause de la viscosité des liquides ioniques.
Les échantillons d’éventuelles vésicules de DPPC formées en liquides ioniques, ont été analysés et caractérisés par différentes techniques physico-chimiques. Nous les avons comparées avec des vésicules de DPPC formées dans l’eau selon le même protocole.
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Cependant aucune technique ne se suffit à elle-même pour caractériser les phases. C’est la complémentarité des renseignements qui permet d’identifier sans ambiguïté les différentes phases organisées. Nous nous sommes attachés à détecter les échanges de chaleur associés aux transitions de phase par Analyse Enthalpique Différentielle (AED) et à observer ces phases par microscopie optique et microscopie électronique.
I-4.1. Caractérisation par Analyse Enthalpique Différentielle
Afin de déterminer les valeurs de transitions de phases du DPPC dans EmimNTf2 et
dans BmimBF4, nous avons effectué des analyses enthalpiques différentielles sur des
solutions vésiculaires dans ces solvants, en s’inspirant des quantités nécessaires décrites dans la littérature pour ce type d’analyse.10
L’analyse enthalpique différentielle (AED) est une technique déterminant la variation de flux thermique émis ou reçu par un échantillon lorsqu’il est soumis à une programmation de température, sous atmosphère contrôlée. On applique un programme de température identique à deux cellules, une généralement vide et une contenant l’échantillon. Lorsqu'un phénomène de transition survient dans l'échantillon, ce dernier ne peut plus suivre le programme de température et une différence de température est détectée entre les 2 cellules (toute transformation intervenant dans un matériau est accompagnée d’un échange de chaleur). L'appareil apporte alors la quantité de chaleur nécessaire pour maintenir les 2 cellules à la même température. Ce sont ces compensations de puissance calorifique qui sont enregistrées en fonction du temps ou de la température. Nos analyses ont été effectuées sur un appareil à compensation de température, ne présentant qu’un seul four contenant les deux cellules d’analyse.
Cette technique est la plus adaptée pour mesurer les variations d’enthalpie associées à des transitions de phases de l’organisation lipidique.11
Le thermogramme de vésicules de DPPC formées dans l’eau, présentent deux pics qui correspondent pour la température de 35,8°C à la pré-transition et pour 41,6°C à la transition principale.12 La pré-transition représente le passage d’une phase gel à une phase gel-ondulé (rippled-gel), alors que la transition principale exprime le passage de cette phase gel-ondulé à une phase cristal liquide lamellaire (fig III-6).
Gel non ondulé Gel-ondulé Cristal liquide
Tm Pré-transition
L’b P’ b La
T C
35,8 41,6
De récentes études ont été menées pour modéliser la structure moléculaire de la phase gel-ondulé P’b .13 Cette phase peut être visualisée comme deux bicouches de longueur et
d’épaisseur différentes reliées par un coude. Il est supposé que l’inclinaison d’une partie des chaînes palmitoyles pourrait être à l’origine de cette torsion. (figure III-7).
choline
phosphate
glycérol palmitoyl
méthyl
figure III-7 : Représentation par modélisation moléculaire de la phase gel-ondulé avec 256 molécules de DPPC et 23 molécules d’eau par lipide (reproduit de de Vries et coll.) 13
Les échantillons de DPPC dans les deux liquides ioniques et dans l’eau, placés dans des capsules scellées, ont été analysés par AED. Les thermogrammes ont été enregistrés en effectuant des cycles de températures entre 0 et 120°C à différentes vitesses de balayage (entre 2 et 20 °C/min). Les valeurs des températures au sommet du pic sont déterminées pour chaque vitesse de chauffe et sont données dans le tableau III-4.
V de balayage
(°C/min) 2 5 10 15 20
BmimBF4 62,323 63,326 64,855 66,487 nd
EmimNTf2 58,267 59,634 61,647 63,493 65,329
tableau III-4 : Valeurs des températures au sommet du pic de transition déterminées en montée de températures à différentes vitesses de chauffe (nd : non déterminé)
Nous avons extrapolé pour chaque liquide ionique les valeurs des températures de transitions de phases à la vitesse nulle (0 °C/min) (figure III-8).
110 y = 0,318x + 61,70 R² = 0,999 y = 0,389x + 57,62 R² = 0,998 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 0 5 10 15 20 25 T e m p é ra tu re a u s o m m e t d u p ic ( C)
Vitesse de balayage ( C/min)
figure III-8 : Régression linéaire des températures au sommet du pic des transitions de phases de vésicules de DPPC dans BmimBF4 (■ ) et dans EmimNTf2 (
).
La transition de phase pour chaque liquide ionique est observée à une température plus élevée que la transition principale des vésicules aqueuses. La présence de cette transition permet de penser qu’il existe une organisation du DPPC dans les liquides ioniques.
La pré-transition, dont le signal est extrêmement faible dans l’eau, est absente dans les systèmes liquides ioniques et les thermogrammes ne montrent pas de changement de pente avant la température de transition gel-cristal liquide et une seule transition de phase est observée.
Les profils de pré-transition et de transition obtenus par AED montrent des pics bien définis et les valeurs des températures extrapolées à vitesse nulle ainsi que des variations enthalpiques sont regroupées dans le tableau suivant.
Solvant T(°C) L’b P’b H (kcal/mol) T(°C) P’b Lα H (kcal/mol)
EmimNTf2 / / 57,6 0,045
BmimBF4 / / 61,7 0,620
H2O 36,5 0,004 44,4 0,250
tableau III-5 : Températures de transition et variations enthalpiques des vésicules dans les liquides ioniques EmimNTf2 et BmimBF4, ainsi que dans l’eau
Pour les systèmes aqueux, les valeurs obtenues sont conformes à celles de la littérature.14 Une propriété physico-chimique intéressante du solvant ionique BmimBF4 est qu’il est
regarder l’évolution des transitions observées dans des systèmes contenant à la fois de l’eau et du liquide ionique BmimBF4 et ceci, en fonction du taux de liquide ionique.
Nous avons ainsi préparé des solutions de vésicules multilamellaires avec différentes proportions volumiques d’eau et de liquide ionique. Les thermogrammes obtenus pour chaque solution sont regroupés et présentés dans la figure III-9.
60 70 80 90 100 110 120 130 20 30 40 50 60 70 0.1 1.99 2.98 20.8 25.75 75.25 80.2 90.1 95.5 98.2 99.1 100 20 30 40 50 60 70 0/100 1/99 2/98 20/80 25/75 75/25 80/20 90/10 95/5 98/2 99/1 100/0 Proportions H2O/BmimBF4 60 70 80 90 100 110 120 130 20 30 40 50 60 70 0.1 1.99 2.98 20.8 25.75 75.25 80.2 90.1 95.5 98.2 99.1 100 20 30 40 50 60 70 0/100 1/99 2/98 20/80 25/75 75/25 80/20 90/10 15/5 98/2 99/1 100/0 Proportions H2O/BmimBF4 Température C V ariat ion Endot herm ique
figure III-9 : Thermogrammes des vésicules formées dans H2O, dans BmimBF4, et dans des
mélanges H2O/BmimBF4 analysées en montée de température à la vitesse de 10 °C/min
En observant l’allure des thermogrammes, on remarque rapidement qu’une toute petite quantité de liquide ionique dans l’eau modifie énormément l’organisation des phospholipides et crée un déplacement de la transition observée vers les hautes températures (1% vol de LI déplace la transition de 44,4 à 59,7°C). Par contre, jusqu’à une quantité de 20% volumique d’eau dans le liquide ionique, aucun changement significatif n’est observé.
Cependant, les analyses des systèmes de pourcentages volumiques intermédiaires montrent l’apparition de pré- et post-transitions (épaulements) laissant penser qu’il existerait très certainement d’autres types d’organisation. L’AED, cependant, ne donne aucune information sur la structure ou sur les changements conformationnels qui pourraient se produire dans l’échantillon. D’autres techniques, comme la diffusion de neutrons ou la diffraction des rayons X permettraient de donner des indications précises de structure.
112
Il existe également une autre technique pour déterminer ces températures de transitions vitreuses, la décrite par Michel et coll. utilisant la diffusion dynamique de la lumière, permettant d’atteindre des précisions à 1/10ème de degré.15
La présence d’une transition de phase dans les systèmes de DPPC dans les liquides ioniques laisse penser que les liquides ioniques sont capables d’induire la formation d’agrégats de phospholipides. Afin de caractériser ces objets, notamment la détermination de leurs tailles, deux techniques de microscopie, la microscopie optique et la MET ont été utilisées ainsi que la diffusion dynamique de la lumière.
I-4.2. Caractérisation par Microscopie Optique
Les différents échantillons de vésicules concentrés de DPPC sont observés au microscope polarisant. Ce dernier comporte un polariseur et un analyseur croisés, disposés respectivement au dessous et au dessus de la préparation. Les échantillons sont placés entre lame et lamelle sur une platine chauffante et subissent des variations de température à des vitesses variables. Les phases organisées sont des milieux biréfringents (la lumière polarisée ne se propage pas à la même vitesse le long ou perpendiculairement à l’axe du directeur). Entre polariseur et analyseur croisés, l'image transmise révèle une transparence ou une réflectivité du matériau qui dépend de l'orientation des domaines cristal-liquide. L'échantillon présente une juxtaposition de microdomaines de dimensions variables dont les frontières sont à l'origine des textures observées au microscope polarisant (défauts de phase). L'analyse en température des échantillons donne une première indication sur la nature des phases organisées (par l’examen des textures) et précise les températures de transition. Cependant, les différentes textures observées ne sont, hélas, pas toujours caractéristiques d'une seule phase et, en outre, chaque phase peut se présenter sous plusieurs textures.
Nous avons donc observé des échantillons dans deux solvants ioniques EmimNTf2 et
BmimBF4 avec une lumière incidente normale et entre analyseur et polariseur croisés. Les
solutions ont été préparées à deux fois la CAC de l’EmimNTf2, soit 4,7.10-2 mol.L-1.
Les clichés de microscopie optique pour l’EmimNTf2 sont présentés dans la figure III-10 et
ceux du BmimBF4 dans la figure III-11. Ils ont été réalisés à deux grossissements x 100 et x
x 200 x 100
figure III-10 : Observation des défauts de phase de DPPC dans EmimNTf2 à 4,7.10-2 mol.L-1
x 100
figure III-11 : Représentation de défaut de phase de DPPC dans BmimBF4 à 4,7.10-2 mol.L-1
Ces textures identiques sont observées, sous lumière polarisée, pour des températures allant de l’ambiante à 60°C et à 57°C respectivement pour les échantillons dans le BmimBF4