Choix des réactifs pour l’élaboration des MIPs

former un complexe polymérisable. La structure de ce complexe sera par la suite « figée » par copolymérisation avec un agent réticulant de façon à générer des cavités empreintes à l’issue de l’extraction de la molécule cible lors d’une étape de lavage. Tout comme pour l’approche semi-covalente, la reconnaissance sera ensuite réalisée via des interactions non-covalentes. Celles-ci sont des interactions intermoléculaires comme les liaisons de type hydrogène, van der Waals, π-π, ou éventuellement ioniques.

Cette approche a été initiée en 1981 par K.Mosbach qui a élaboré des polymères réticulés incorporant des monomères fonctionnels choisis pour interagir via des interactions faibles avec des colorants organiques à savoir la rhodanile bleue ou la safranine-O, utilisées comme molécules cibles12. La mise en évidence de la reconnaissance sélective de ces molécules par les polymères ainsi synthétisés a ouvert la voie à cette nouvelle approche. Celle-ci est à l’image des systèmes naturels faisant appel aux mêmes interactions lors de la reconnaissance. Compte-tenu de sa simplicité de mise en œuvre (pas de modification chimique préalable de la molécule cible), elle peut s’appliquer à un vaste choix de molécules à imprimer13–15. L’intérêt pour cette approche n’a fait que croître depuis 1981, et c’est actuellement la plus utilisée.

1.1.2 Elaboration des MIPs

L’élaboration de MIPs aux propriétés de reconnaissance optimisées passe par un choix approprié des différents réactifs mis en jeu, à savoir la molécule cible, le(s) monomère(s) fonctionnel(s) et l’agent réticulant, ainsi que de leurs proportions respectives. D’autres composés chimiques interviennent également : le solvant, qui joue également le rôle de porogène et l’amorceur de polymérisation.

1.1.2.1 Choix des réactifs pour l’élaboration des MIPs

1.1.2.1.1 La molécule cible

La molécule cible est au cœur de la synthèse des polymères à empreintes. Elle est bien évidemment choisie en fonction de son intérêt (activité biologique, polluant…) et de la difficulté à l’extraire, à la détecter, ou à la quantifier dans des matrices complexes. Toutefois, la molécule cible doit respecter un certain nombre de règles pour ne pas être altérée lors de la synthèse du polymère :

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Elle doit présenter une stabilité thermique et/ou aux irradiations UV16. Elle ne doit pas réagir avec les autres réactifs de synthèse.

Elle doit former un complexe polymérisable le plus stable possible avec le monomère fonctionnel, mais qui puisse toutefois être dissocié lors de l’étape de lavage.

Il peut arriver que la molécule d’intérêt ne soit pas compatible avec la préparation de MIPs, en particulier si elle est toxique ou instable dans les conditions de synthèse. Parfois, des difficultés de lavage des MIPs compliquent aussi leur utilisation en raison du risque de relargage de la molécule cible lors de l’utilisation des MIPs. La solution dans ces conditions est l’utilisation d’une cible « factice » (« dummy template » en anglais)17–19. Il s’agit d’une molécule de remplacement permettant la synthèse d’un MIP et dont la structure chimique est suffisamment proche de celle de la molécule réellement ciblée pour permettre la reconnaissance de cette dernière par le MIP. Ainsi en cas de relargage, il n’y a pas d’interférences, et les problèmes de toxicité et de stabilité peuvent également être évités. Ce procédé a déjà été utilisé dans la communauté des MIPs à l’image des travaux de H.Zhang et X.Feas avec l’utilisation de l’acide phénoxyacétique et de l’azatadine comme cibles factices pour la synthèse des MIPs pour les herbicides de type phénoxyacétiques20 et pour la cycloheptadine21, respectivement. Dans ces études, ces auteurs ont montré que les MIPs synthétisés à partir de ce procédé arrivaient à retenir de manière sélective leur cible. Toutefois, comme pour la molécule cible, certaines contraintes s’imposent également dans le choix de cette cible factice :

Sa structure doit être relativement semblable à celle de la cible, notamment en présentant des groupements fonctionnels similaires et/ou dans des positions analogues22.

Elle doit également répondre aux mêmes critères que la molécule cible afin d’obtenir un MIP avec une reconnaissance optimisée.

1.1.2.1.2 Les monomères fonctionnels

Les monomères fonctionnels sont des composés essentiels pour l’élaboration des MIPs puisqu’ils sont responsables des interactions spécifiques au sein des cavités empreintes qui permettront de reconnaitre la molécule cible. Un ou plusieurs

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monomères fonctionnels sont ainsi choisis pour être complémentaires de la molécule cible en termes de groupements fonctionnels, ceci de façon à générer un maximum d’interactions spécifiques.

Il existe un grand nombre de monomères utilisés pour synthétiser des MIPs. H.Kempe a dressé une liste regroupant les monomères les plus rencontrés8. Les différents monomères peuvent être répartis en trois différents groupes : acides, neutres et basiques (Tableau 1-1).

Les monomères acides peuvent mettre en jeu principalement des interactions hydrogène et ionique avec des cibles basiques. Ainsi le travail de D.Spivak et K.Shea montre à quel point un monomère acide tel que l’acide méthacrylique peut former des complexes stables avec des bases nucléiques à travers des interactions hydrogènes spécifiques23. Ces interactions hydrogènes peuvent être renforcées par des interactions ioniques comme discuté par B.Claude dans sa thèse en 200724

(Figure 1-4). Pour ces groupes de monomères acides, la force de l’interaction augmente avec celle de l’acide ou de la base comme cela a été démontré par le groupe de J.Matsui25.

Figure 1-4. Interactions hydrogène (…...) et ionique ( ) entre un polymère à empreinte moléculaires à base d’acide méthacrylique et la guanine23.

Pour ce qui est de l’interaction entre un monomère basique avec une cible acide, il est possible de citer le travail d’A.G.Strikovsky et al. qui ont travaillé sur les interactions ioniques fortes entre un monomère fonctionnel de N,N′-diéthyl(4-vinylphényl)amidine (DEVPA) avec le phosphonate26.

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Ensuite, il y a les monomères neutres, qui peuvent aussi former des interactions hydrogènes à l’image de l’étude menée par C.Yu et K.Mosbach concernant la synthèse d’un polymère à empreintes à base d’acrylamide dans l’acétonitrile pour une gamme de cibles27. Ces interactions se sont même révélées plus fortes que les interactions induites par l’acide méthacrylique dans le même milieu. L’explication apportée est basée sur le moment dipolaire de la fonction amide dont la valeur est supérieure à celle de l’acide carboxylique. Ces interactions fortes ont été utilisées dans le cadre d’une extraction directe des flavonoïdes dans les feuilles de gingko (utilisé dans la médecine chinoise) à l’aide des MIPs pour la quercétine avec un taux de recouvrement de la cible d’environ 90% lors de l’extraction28.

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Tableau 1-1. Quelques monomères fonctionnels utilisés dans la synthèse des polymères à empreintes moléculaires.

Nature du

monomère ^{Nom Structure Références}

Ac id e Acide méthacrylique O OH ^23,29 Acide acrylique ^O OH ²¹ Acide 2-(trifluorométhyl)acrylique O OH F₃C ²⁵ Acide 4-vinylbenzoïque O OH 30 Neu tre Méthacrylate de méthyle (MMA) O O ³¹ Acrylamide O NH₂ ²⁷ Styrène 32 2-hydroxyéthyl méthacrylate (HEMA) O O OH ³³ B asi qu e ^{4-Vinylpyridine (4-VP)} N 34 N-(2-aminoéthyl)méthacrylamide O HN NH₂ 35

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1.1.2.1.3 L’agent réticulant

Les agents réticulants sont les poutres de l’édifice basé sur la molécule cible et les monomères fonctionnels. Ils assurent la stabilité du réseau afin de maintenir stable les cavités formées qui sont spécifiques de la cible. Les agents réticulants les plus utilisés sont le diméthacrylate d’éthylène glycol (EDMA), le divinylbenzène (DVB) et le triméthacrylate de triméthylolpropane (TRIM) (Figure 4). La nature de l’agent réticulant peut potentiellement diminuer ou accroître le caractère hydrophile ou hydrophobe d’un polymère. Ce qui veut dire qu’il est possible de le choisir de façon stratégique en fonction du milieu dans lequel les MIPs résultant seront utilisés.

Plus précisément, le caractère hydrophobe croissant de l’EDMA au TRIM36 peut être un atout pour la reconnaissance de certaines cibles en milieu aqueux. En milieu aqueux, la formation d’interactions hydrogènes n’est pas aussi aisée qu’en milieu organique. Un agent réticulant peut donc potentiellement diminuer l’hydrophilie d’un polymère pour favoriser des interactions hydrophobes qui peuvent faciliter la reconnaissance de la cible comme expliqué par J.Xie pour une extraction de la quercétine 37.

Figure 1-5. Agents réticulants couramment utilisés pour la synthèse des MIPs.

1.1.2.1.4 Le solvant porogène

Le solvant, quant à lui, joue également un rôle très important dans la préparation des polymères à empreintes. Il permet, d’une part, de solubiliser les réactifs de polymérisation dont le monomère, la cible, l’agent réticulant et l’amorceur. D’autre part, étant donné qu’il est important d’obtenir des matériaux poreux, c’est le solvant

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qui en sera également responsable au sein du réseau polymère et permettra de contrôler la surface spécifique de ce dernier.

Par ailleurs, son choix peut être basé sur sa nature polaire (acétonitrile), non polaire ou peu polaire (toluène, dichlorométhane) en fonction du type d’interactions spécifiques mises en jeu entre la cible et le polymère imprimé, de façon à éviter que le solvant n’affaiblisse ces interactions24. Toutefois, le besoin de solubiliser les réactifs peut primer lors du choix du solvant. Dans ce cas, des interactions non spécifiques fortes peuvent être induites avec un solvant polaire24 et il est possible d’utiliser un modificateur donneur ou accepteur de liaisons hydrogène, acide (acide acétique) ou basique (diéthylamine) afin d’optimiser la reconnaissance spécifique du polymère par élimination de ces interactions non-spécifiques lors de la phase de reconnaissance de la cible38.

1.1.2.1.5 L’amorceur de polymérisation

Le dernier élément des réactifs de polymérisation est l’amorceur. Son choix se fait en fonction des conditions de polymérisation. Il existe trois types d’amorceurs selon les différents amorçages possibles dans une polymérisation radicalaire : amorceurs thermiques, photochimiques et redox. Le choix pourra se faire en fonction du mode de polymérisation (polymérisation en masse, en suspension...) et de la température de polymérisation. L’amorceur le plus couramment utilisé est l’azobisisobutyronitrile (AIBN) dont la température d’amorçage se situe entre 60 et 80°C. L’azobisvaléronitrile (ABDV) peut être utilisé pour synthétiser des MIPs à plus basse température (entre 50 et 75°C).