Etudes photophysiques

A. Principe

L'insertion de groupements pyrène sur les amines libres de l'ISAC 104 a permis d'obtenir un nouveau récepteur moléculaire fluorescent 107.

Les récepteurs moléculaires fluorescents répondent à une grande demande en chimie analytique, de part le grand nombre d'analytes pouvant être détectés incluant les cations (H+, Li+, Mg2+, Pb2+ et … , les anions (citrates, carboxylates et …), ainsi que certaines molécules. Le succès de ces détecteurs fluorescents est lié à leur sensibilité, leur sélectivité et leur temps de réponse.

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Trois classes de détecteurs moléculaires fluorescents peuvent être distinguées (Figure 70).204 Les fluorophores qui subissent une extinction par collision avec un analyte ; les fluorophores pouvant lier un analyte de manière réversible et les fluorophores liés, via un espaceur ou non, à un récepteur moléculaire pouvant lier de manière réversible un analyte formant un fluoroionophore.

Figure 70 : trois classes de récepteurs moléculaires

Cette dernière classe relève à la fois de la chimie supramoléculaire et de la photophysique. Les fluoroionophores, caractéristiques de cette dernière classe, sont constitués d'une partie ionophore, nécessaire à la reconnaissance, et d'une partie fluorophore, nécessaire au signal (Figure 71).

La partie ionophore, qui relève de la chimie supramoléculaire, est formée par le récepteur moléculaire. Cette partie doit répondre aux critères de reconnaissance, en termes de sélectivité et d'affinité, grâce à sa structure, sa forme et sa taille. Ces critères sont dépendants des caractéristiques de l'ion hôte, comme son diamètre et sa charge. Cependant, la partie ionophore est aussi influencée par les contraintes externes telles que le solvant, la température et la concentration de l'ion ciblé.

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La partie fluorophore permet le déclenchement du signal suite à la complexation. Les modifications des propriétés photophysiques, entraînant l'extinction ou la formation d'excimères ou d'exciplexes, sont provoquées par la complexation. Cette complexation induit différentes interactions, comme le transfert de charges, d'énergie ou d'électrons.

Figure 71 : aspects des fluoroionophores

Les fluoroionophores à base de noyaux pyrènes et possédant un site allostérique, ont été largement étudiés grâce aux émissions distinctes de leurs bandes monomère et excimère. La bande excimère résulte de la collision entre une molécule à l'état excitée et une molécule à l'état fondamental, l'effet batochrome, par rapport à la bande monomère, permet la distinction nécessaire aux analyses (Figure 72).205

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Figure 72 : représentation des bandes monomère et excimère

A titre d'exemple, Chang s'est intéressé à l'étude photophysique de cyclames, fonctionnalisés par des noyaux pyrène, comme détecteurs sélectifs du mercure (II) (Figure 73).185

Figure 73 : cyclame fonctionnalisé par les noyaux pyrènes

Après la mise au point des conditions optimales d'analyse, les spectres d'émission ont été effectués dans un mélange dioxane/eau (1:9) à pH = 4,8, avec une longueur d'onde d'excitation de 340 nm, en présence de Zn (II), de Pb (II), de Ca (II), de Cd (II), de Cu (II) et de Hg (II) à concentrations égales ([M] = 0,1 mM, Figure 74).

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Figure 74 : étude de complexation de métaux par fluorescence185

Lorsque le cyclame est mis en présence de Zn (II), Pb (II), Ca (II) et Cd (II), il n'y a pas de modification d'intensité de fluorescence de la bande excimère par rapport au cyclame seul. La présence de cuivre (II) entraîne une légère perte de fluorescence. En revanche, lorsque le cyclame est mis en présence de mercure (II), la bande excimère est pratiquement éteinte, ce qui illustre la sélectivité du cyclame 4.5 pour le mercure par rapport aux autres métaux (Figure 74).

Dans sa forme libre, les noyaux pyrène du fluoroionophore sont proches l'un de l'autre. Lorsqu'un ion est chélaté par la partie ionophore, la distance entre les fluorophores est modifiée entraînant une extinction de la bande excimère. L'existence d'interactions entre les carbonyles des amides, liant les noyaux pyrène, avec le cation hôte, force l'éloignement des fluorophores et donc l'extinction de la bande excimère (Schéma 137).

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B. Résultats

Une étude par fluorimétrie de l'ISAC 107 a été effectuée en collaboration avec le Pr Xie de l'ENS de Cachan.

Figure 75 : ISAC 107 fluorescent

Dans un premier temps, les conditions d'observation optimales des bandes monomère et excimère ont été mises au point. Les études ont été effectuées avec une concentration d'ISAC de 5 µM et une longueur d'onde d'excitation de 341 nm.

Afin d'effectuer les études de complexation par fluorimétrie dans les meilleures conditions, une étude de solvatochromisme a été effectuée. Cette étude permet de déterminer l'influence de différents solvants sur l'intensité de fluorescence de l'ISAC 107. Le mélange méthanol/eau (1:1) permet une meilleure observation de la bande excimère. La bande monomère est observée dans le méthanol, le dichlorométhane et l'acétonitrile (Figure 76).

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Suite à cette étude de solvatochromisme, les études de complexation ont été effectuées dans l'acétonitrile et dans un mélange 1:1 de méthanol et d'eau.

La première étude dans l'acétonitrile met en avant la bande monomère. Cette étude a été effectuée en présence de cuivre (II), d'argent (I), de mercure (II), de zinc (II) et de cadmium (II) à des concentrations de 0,2 mM (Figure 77).

Figure 77 : études de complexation dans l'acétonitrile

L'intensité de fluorescence est influencée par la présence des différents cations. La présence du cuivre (II) et du mercure (II) réduit nettement cette intensité, ce qui suggère que l'ISAC 107 chélate sélectivement les cations Cu2+ et Hg2+.

La deuxième étude a été effectuée dans le mélange méthanol/eau (1:1) permettant d'observer la bande excimère. L'ISAC a été mis en présence des cations Ag+, Cu2+ Zn2+, à une concentration de 0,2 mM, et en présence de Hg2+, avec une concentration de 40 µM (Figure 78).

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Figure 78 : études de complexation dans un mélange méthanol/eau 1:1

La nette diminution d'intensité de la bande excimère pour le mercure, malgré une concentration cinq fois plus faible, montre une sélectivité certaine de l'ISAC 107 pour ce cation par rapport aux autres métaux.

IV. Conclusion

Ces travaux ont permis de concevoir des structures hybrides inédites : les iminosucres- aza-couronnes. Ces nouvelles structures permettent d'ouvrir le champ d'applications des iminosucres jusqu'à présent cantonnées à leurs propriétés thérapeutiques potentielles.

Deux voies de synthèse ont été explorées pour accéder à ces édifices. La première repose sur les travaux réalisés dans l uipe du professeur J. Xie et portant sur la synthèse d ho ooligo-C-glycoaminoacides cycliques et de sucres-aza-couronnes (SAC). Le processus de macrocyclisation repose ici sur une réaction de type Staudinger/Aza-Wittig et a permis d'obtenir l'ISAC, possédant deux amines libres, avec un rendement global de 9 % à partir du précurseur azido allyle (Schéma 138).

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La deuxième stratégie repose sur le couplage itératif d'un azido aldéhyde et d'un amino allyle. Le dimère ainsi formé a été cyclisé via une réaction Staudinger/Aza-Wittig et a permis d'obtenir l'ISAC, possédant ses quatre amines protégées, avec un rendement global de 2 % (Schéma 139).

Schéma 139 : synthèse par couplage itératif

Les deux voies de synthèse mises en place ont permis d'accéder aux iminosucre-aza- couronnes cibles. Cependant elles doivent être améliorées.

Malgré les faibles quantités d'ISAC obtenues, les capacités de complexation de ces nouveaux édifices ont pu être évaluées selon deux méthodes nécessitant de disposer de deux types d'ISAC. La première étude de complexation par RMN a nécessité une déprotection complète de l'ISAC. La seconde méthode d'analyse photophysique a nécessité la formation d'un nouvel ISAC, de type fluoroionophore, grâce à l'introduction de deux groupements pyrène.

Les résultats préliminaires montrent que l'ISAC semble préorganisé pour chélater des dications et qu'une sélectivité pour l'ion Hg2+ est observée. Ces travaux sont actuellement poursuivis pour mieux comprendre le comportement de ces nouveaux ligands.