4-aminoazobenzène avec les différents macrocycles dans l’eau
2.1 État de l’art et objectifs
2.3.3 Isomérisation de la molécule invitée
Pour étudier l’isomérisation cis-trans du 4AA nous avons testé une version modifiée du champ de forces GAFF classique qui permet de mieux prendre en compte la bar-rière énergétique pour l’isomérisation de l’azobenzène [148–150]. La différence entre ces deux versions du champ de forces GAFF réside dans la valeur du potentiel de l’angle dièdre C-N=N-C (figure 2.10a). Ces paramètres sont détaillés dans l’annexe B.3 et une représentation en est donnée en figure2.10b. La forme de ces deux potentiels différe signi-ficativement. On observe que la barrière énergétique permettant le passage de l’isomère trans à l’isomère cis passe de 15 kJ mol−1 dans la version GAFF classique à 100 kJ mol−1 dans la version GAFF modifié (figure 2.10b) [149]. Cependant, les travaux de Heinz et
4. Comme on regarde l’écart entre les atomes et CMH, on s’attend à trouver une valeur nulle à 0 même en cas d’association, aucun atome ne se trouvant exactement sur le centre de masse.
Table 2.3 – Énergie de Lennard-Jonesa et coulombiennea des as-sociations (hôtes, 4AA) étudiées.
Hôtes Lennard-Jonesb Coulombienb pH=7.2 β-Cd -93.1±1.3 -20 ±2 C4S -1.2±2.0 -2 ±2 C6S -51.1±5.3 28 ±17 pH=1 β-Cd -97.9±3.0 -26±16 C4S -64.2±0.3 -553±5 C6S -107.2±4.7 -913±30
a :Ces valeurs sont obtenues en considérant uniquement les interac-tions à courtes distances. Le cutoff choisi est de 14 Å ; b :kJ.mol−1
al. [149], qui ont permis l’obtention de ce champ de forces, ont été testés sur l’azobenzène. Or le processus d’isomérisation différe énormément selon la nature des substituants des cycles benzéniques [47]. Ceci est particulièrement vrai pour les molécules de type ami-noazobenzène dont même le spectre d’absorption diffère de celui des molécules de type azobenzène du fait de la présence d’un groupement amine sur ces molécules [47]. Le sol-vant et le pH joue également un rôle sur le processus d’isomérisation [52]. N’ayant pas à notre disposition un champ de forces spécifique pour le 4-aminoazobenzène, nous avons entrepris de tester les deux champs de force (GAFF classique et GAFF modifié) pour modéliser au mieux le processus d’isomérisation.
En premier lieu, l’isomérisation du 4AA seul en solution a été étudié. La figure 2.10c
présente les distributions de l’angle dièdre à pH neutre et acide. En milieu neutre, les deux champs de forces donnent un pic centré autour de 180◦. Il correspond à l’isomère trans. Ce résultat est parfaitement cohérent puisque l’isomère trans est plus stable thermodyna-miquement que l’isomère cis [47,155]. En milieu acide, les résultats sont différents. Avec le champ de forces classique, on observe l’apparition de deux nouveaux pic situés à 70◦ et 280◦ respectivement, en plus du pic à 180◦. Cela suggère la présence des deux isomères cis et trans en milieu acide. Ce résultat confirme les mesures de spectroscopie d’absorption réalisées en fonction du pH par Dunn et al [52]. Avec le champ de forces GAFF modifié, seul l’isomère trans est observé.
Nous avons ensuite étudié en détail la conformation prise par le 4AA lorsqu’il est inséré dans la cavité du macrocycle en utilisant les deux modèles. Les distributions de l’angle dièdre obtenues pour chacune des associations étudiées, à pH acide, sont reportées en figure 2.10d.
Concernant l’association avec la β-Cd, nous notons la présence d’un pic unique à 180◦ pour les deux champs de force. Ce résultat confirme ceux trouvés dans la littérature, à savoir que l’interaction entre le trans-azobenzène et la β-Cd est plus favorable que celle
Figure 2.10 – a) Représentation de l’angle dièdre considéré pour le 4AA. b) Energie de l’angle dièdre en fonction du champ de forces utilisé c) Distribution de l’angle dièdre du 4AA libre en solution en fonction du pH. d) Distribution de l’angle dièdre en fonction de l’association (hôte, invité) considérée.
avec le cis-azobenzène [57,58,65].
En revanche, les distributions obtenues pour l’assocation (CnS, 4AA) montrent une différence bien marquée selon le champ de forces utilisé. En effet, pour le (C6S, 4AA), avec le champ de forces GAFF classique, nous observons deux pics centrés à 70◦ et à 280◦ alors que le GAFF modifié n’en donne qu’un centré à 180◦. De même, pour le (C4S, 4AA),
nous avons aussi observé des différences selon le champ de forces utilisé. Avec le GAFF classique, trois pics ont été trouvés indiquant la présence des deux isomères trans et cis dans la cavité du C4S alors que avec le GAFF modifié, seul l’isomère trans est présent.
Du fait de la très forte barrière énergétique du champ de forces GAFF modifié, ausune isomérisation n’a été mise en évidence. Le 4AA reste sous forme trans dans tous les cas étudiés. À contrario, une barrière énergétique très faible (GAFF classique) permet d’avoir des états où les deux isomères coexistent. C’est ce que nous avons obtenu en milieu acide pour le 4AA seul et pour le (C4S, 4AA). Nous obtenons même principalement l’isomère cis pour le (C6S, 4AA).
Le choix du champ de forces pour l’étude de ce processus d’isomérisation est donc essentiel. Le champ de forces GAFF modifié semble mieux reproduire la barrière énergé-tique de l’isomérisation [148–150], nous avons donc décidé de le conserver pour la suite de notre étude.
Afin de vérifier que nos premiers résultats sur l’analyse microscopique des systèmes ne sont pas modifiés par la prise en compte de cette correction, nous avons reporté dans le tableau2.2les valeurs obtenues pour l’insertion du 4AA dans la cavité de l’hôte ainsi que la désolvatation de l’hôte et de l’invité à pH = 1. Nous n’observons pas de différences sur le processus d’association en utilisant ce champ de forces modifié. Les mêmes résultats en ce qui concerne le nombre d’atomes insérés ou la désolvatation sont obtenus (tableau2.2).
2.4 Conclusion
En premier lieu nous avons déterminé par UV-visble les grandeurs thermodynamiques d’association de plusieurs molécules hôtes (β-cyclodextrine et p-sulfonatocalix-[n]arène) avec le 4-aminoazobenzène dans l’eau. En milieu neutre, aucune association n’a pu être mise en évidence entre les CnS et le 4AA. En milieu acide nous obtenons des associations du même ordre de grandeur pour les différents macrocycles étudiés en terme de ∆rG avec des comportements très différents pour les contributions enthalpiques et entropiques.
Nous avons ensuite complété ces expériences par des calculs de dynamique moléculaire. L’étude structurale a mis en évidence une perte de degré de liberté pour les CnS du fait de l’association. Aucun changement visible de la flexibilité de la β-Cd n’a été observé. Pour la désolvatation, le 4AA perd jursqu’à 6 H2O lors du processus d’association avec le C6S. Cette forte désolvatation se traduit par un gain entropique en partie compensé par la perte de degré de liberté de la cavité C6S.
Le nombre d’atomes insérés dans la cavité a ensuite été étudié en fonction du macro-cycle. Pour le complexe (β-Cd, 4AA) nous avons mis en évidence une corrélation entre le nombre d’atomes insérés et les valeurs de ∆rH obtenues pour ce système.
En milieu neutre, nos calculs sur les complexes (CnS, 4AA) sont en parfait accord avec l’expérience puisque nous montrons que le 4AA ne s’insère pas dans la cavité des CnS.
Seuls les calculs de PMF sur ces systèmes pourront permettre de vérifier notre hypothèse sur la formation de complexe à sphère externe.
Enfin, nous avons mis en évidence l’importance du choix du champ de forces pour l’étude de l’isomérisation du 4AA. Nous avons alors décidé d’utiliser pour la suite des calculs un champ de forces GAFF modifié qui prend plus en compte la barrière énergétique pour le passage cis → trans du 4AA.
Au vu de l’ensemble de ces résultats, nous avons décidé de réaliser le calcul des gran-deurs d’associations en utilisant les PMF afin de compléter cette analyse structurale.