Chapitre II : Matériel et méthodes
II.2 Modèles synthétiques de la CcO
II.2.1 Préparation des échantillons
2.1.1 Complexes de Fe(III)
Toutes les solutions de Fe(III) sont obtenues en dissolvant une masse de l’ordre de 0.35-0.45 mg de composé dans 1 ml de dichlorométhane (Sigma Aldrich > 99.9 %) à l’exclusion
des porphyrines 4C2-NO2 et 4C2-diNO2, qui sont solubles uniquement dans un mélange de
dichlorométhane et d’éthanol.
2.1.2 Complexes de Fe(II)
La difficulté de la préparation d’une porphyrine de Fe(II) réside dans le fait qu’elle est très sensible à l’oxygène de l’air. Exposée à l’air, elle s’oxyde spontanément en quelques secondes en porphyrine de Fe(III), en dimère μ-oxo... C’est pourquoi, pour toutes les synthèses décrites ci-après, le milieu réactionnel est toujours conservé sous atmosphère inerte (argon) et les solvants utilisés sont systématiquement dégazés.
Le choix du réactif adéquat pour réduire le Fe(III) en Fe(II) est gouverné par plusieurs critères. Ce réactif doit être commercial ou aisément synthétisable et posséder un pouvoir réducteur adapté tel qu’il puisse réduire l’ion ferrique sans endommager la porphyrine. En effet, le macrocycle porphyrinique est potentiellement réductible.
Nous avons essayé l’amalgame de zinc (ZnHg), appelé réducteur de Jones, qui répond à ces critères et présente l’avantage d’être utilisé en milieu hétérogène. La réduction devrait, dans ces conditions, être douce et le réducteur facile à séparer de la porphyrine par filtration.
2.1.2.1 Tentative de réduction par ZnHg
La synthèse de réducteur de Jones199 nécessite de faire percoler sur des copeaux de zinc (1
g) une solution aqueuse d’acide sulfurique à 25 % (50 cm3) afin de décaper la fine couche
d’oxyde de zinc qui les recouvre. Les granules de zinc prennent alors une teinte métallique brillante. Une solution de mercure (100 g) est ensuite versée sur ces copeaux brillants ce qui a pour effet de les rendre gris foncé. Le mélange est ensuite maintenu sous agitation pendant toute la nuit. L’amalgame obtenu est filtré afin d’éliminer la phase d’acide et subit ensuite des cycles de lavage avec de l’eau distillée jusqu’à atteindre un pH neutre. Puis une solution de mercure (5 ml) est ajoutée. L’amalgame résultant est filtré sur un papier filtre et lavé avec une solution distillée de THF. Après un séchage sous flux d’argon pendant une nuit, les copeaux sont prêts à l’emploi pour la réduction.
Nous procédons ensuite à la réduction du complexe de Fe(III) en solution dans le dichlorométhane avec quelques gouttes de zinc amalgamé. La réaction attendue est la suivante :
2 FeIII(2Pyporphen)Cl + Zn0 2 FeII(2Pyporphen) + ZnCl2
Le milieu réactionnel est agité sous flux d’argon pendant 20 min. La couleur de la solution du complexe considéré passe de brun au vert dans le cas du modèle 2Pyporphen. Ce produit vert ne montre plus la bande de Soret sur le spectre UV-visible et les bandes caractéristiques de la porphyrine sur le spectre IR. Il y a eu probablement une réduction du complexe porphyrinique. Dans le cas des modèles HI, la couleur passe du brun au rouge-brun.
Nous avons varié les conditions opératoires de la réaction entre le complexe
FeIII(2Pyporphen)Cl et ZnHg. Nous avons aussi essayé de réduire trois autres modèles sans
succès. Il s’avère qu’en définitive la réaction donne systématiquement lieu à la réduction en Fe(II) immédiatement suivie d’une réduction du macrocycle porphyrinique. La méthode de réduction par la dithionite de sodium a donc été utilisée.
La réduction de l’espèce Fe(III) par l’amalgame Zn/Hg n’a pas permis d’obtenir le complexe porphyrinique de Fe(II).
2.1.2.2 Tentative de réduction par la dithionite de sodium
Les complexes porphyriniques de Fe(III) sont dissous dans le dichlorométhane. Cette solution est congelée dans l’azote liquide et dégazée sous vide. Nous avons ensuite procédé à une réaction sous flux d’argon en milieu biphasique avec dans la phase aqueuse la dithionite
et dans la phase organique (dichlorométhane) la porphyrine de Fe(III). L’ensemble est agité vigoureusement pendant 20 min pour réduire tout le fer de la porphyrine. La couleur de la solution évolue du brun au rouge pourpre. La phase aqueuse est alors canulée vers l’extérieur.
2.1.3 Complexes de Fe(II)-Cu(I)
L’insertion du cuivre est effectuée par un mélange, sous atmosphère inerte, d’une solution de porphyrine de Fe(III) dans le dichlorométhane avec une solution désoxygénée de cuivre (I)
(Cu(CH3CN)4 PF6) dissous dans l’acétonitrile (Sigma Aldrich > 99.9 %). Les deux solutions
sont refroidies à -78° C (mélange carboglace/acétone) puis dégazées chacune par trois cycles successifs de vide d’argon pour enlever toute trace d’oxygène. Une fois revenue à température ambiante, un équivalent de la solution de cuivre(I) est ajouté à la solution de porphyrine de fer(III) qui se trouve dans le Schlenk. Le complexe fer(II)-cuivre(I) est obtenu par un transfert de la solution d’hydrosulfite de sodium via une canule à la solution préparée précédemment (porphyrine de fer(III)-cuivre(I)).
2.1.4 Complexes de Fe(II)-
16O
2/
18O
2Dès que l’échantillon est réduit, la phase aqueuse est canulée vers l’extérieur puis la solution de la porphyrine est transférée dans un autre schlenk contenant du sulfate de
magnésium anhydre (MgSO4) afin de sécher les traces d’eau. Le dioxygène (16O2 ou 18O2) est
ajouté directement par courant gazeux (bullage) dans la solution pendant une minute environ.
2.1.5 Complexes de Fe
II-CO et [Fe
II-Cu
I]-CO
Les échantillons de modèles de la CcO utilisés lors des expériences ATR-IRTF et de photolyse destinées au suivi du transfert de ligand doivent être réduits afin de pouvoir fixer le ligand CO.
Dans un premier temps, le fer de l’hème est réduit par de la dithionite en excès, selon la même procédure décrite précédemment, puis le complexe porphyrinique considéré Fe(II) ou Fe(II)-Cu(I) est exposé à un flux de CO pendant 3 minutes environ.
II.2.2 Méthodes spectroscopiques
2.2.1 Spectroscopie ATR-FTIR
Les spectres de tous les composés modèles étudiés sont enregistrés à température ambiante avec un spectromètre IRTF Bruker Vertex 70 couplé à une unité ATR (Harrick unit).
Le détecteur et la séparatrice dépendent de la gamme de fréquence étudiée. Le détecteur MCT (Mercure-Cadmium-Tellure), refroidi à l’azote liquide, et la séparatrice KBr permettent
d’obtenir des données IR dans la gamme spectrale de 4000 à 400 cm-1. Le détecteur DTGS
(Deuterated Tri-Glycine Sulfate) ainsi que la séparatrice Silicium permettent d’accéder à des
fréquences IR plus basses (400-50cm-1).
Pour chaque échantillon, 2 µl ont été déposés sur le cristal en diamant de la cellule ATR et séchés à l’air libre ou sous atmosphère d’argon dans le cas des complexes de Fe(II) en utilisant un sac à gants placé sur l’unité de l’ATR (Figure 40).
Figure 40 : une photo du montage expérimental utilisé lors des mesures des spectres de complexes Fe(II), FeII-CuI, FeII-O2 et FeII-CO.
Le sac à gants est aménagé de manière à laisser passer un fin tuyau en caoutchouc qui sert d’arrivée pour la circulation du courant d’argon. Le maintien strict de l’ensemble du montage sous atmosphère d’argon pendant le temps de mesure permet d’éviter les réactions parasites avec le dioxygène de l’air.
Lorsque le sac à gants est purgé de toute trace de dioxygène (au bout de 30 min environ), on réalise les spectres de références jusqu’à l’obtention d’un spectre sans humidité. On dépose alors l’échantillon de complexe de Fe(II) concentré sur le diamant grâce à une seringue.
Chaque spectre enregistré est le résultat de 256 scans à une résolution de 2 cm-1 pour les
mesures en MIR et 128 scans à une résolution de 4 cm-1 pour celui effectué à basse
fréquences. Selon la qualité du rapport signal/bruit, on réalise ensuite une moyenne de 2 à 6 spectres afin d’obtenir le spectre moyen final. On réalise également un enregistrement de la chambre du spectromètre à vide, ce qui permet d’obtenir le spectre de la vapeur d’eau.
2.2.2 Spectroscopie IRTF couplée à la photochimie à basse température
La technique est basée sur la rupture de la liaison entre le fer de la porphyrine et son ligand CO induite par l’absorption d’un photon. Les études de photochimie ont été réalisées en collaboration avec le Docteur Aurélien Trivella, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire.
Montage expérimental
Le complexe FeII-CO ou [FeII-CuI]-CO est déposé entre deux fenêtres de fluorure de
calcium (CaF2) placées dans un sac à gants sous atmosphère argon puis fixées au porte
échantillon du cryostat (modèle DE-202 AE, Advanced Research Scientific, Allentown, PA, USA) permettant de réaliser des spectres à des températures comprises entre 10K et 300K. Le cryostat est composé d’un compresseur, d’un cryogénérateur et d’un système de pompage.
- Le compresseur est refroidi par de l’eau et fonctionne en circuit fermé. Environ 15 bar d’hélium purifié se détendent dans la tête froide via des lignes puis sont renvoyés vers le système de compression.
- Le cryogénérateur utilisé produit du froid par compression et détente de gaz. La durée de fonctionnement nécessaire à l’obtention de la température minimale est de 1h. La température est mesurée par une diode de silicium calibrée avec une précision de 0,5 K fixée sur le porte échantillon.
- Le groupe de pompage est constitué d’une pompe (PFEIFFER VACUUM) pré-pompé par
une pompe à palettes. Ce système permet de maintenir un vide secondaire (P ≤ 10-7 mbar)
dans l’enceinte cryostatique. Le pompage permet d’éviter la présence de l’oxygène et de limiter les échanges de chaleur entre la paroi métallique du cryostat et la surface de dépôt. La température de la surface de dépôt peut être réglée par l’intermédiaire d’un contrôleur de température (modèle 9700-1-1 Scientific Instruments West palm Beach, FL, USA). Pour
nos expériences, nous avons travaillé dans une plage de température comprise entre 15 et 150 K.
La source d’excitation étant un laser Nd :YAG (grenat d’yttrium-aluminium dopé au
néodyme) émettant à 1064 nm et provenant du Modèle MiniliteTM , Continuum, Central
Expressway, Santa Clara. Il est pulsé à 10 Hz délivrant des trains d’impulsions nanosecondes. La longueur d’onde de l’impulsion est modifiée de sorte qu’elle puisse exciter spécifiquement l’échantillon. Dans le cas des modèles étudiés, le maximum de l’impulsion est choisi à 532 nm, cette longueur d’onde est la plus favorable pour exciter préférentiellement les porphyrines. La puissance moyenne reçue par les échantillons étudiés est comprise entre 200-250 mW.
Les spectres IR sont enregistrés en mode transmission sur des échantillons orientés à l’aide d’un spectromètre Bruker Vertex 70. L’acquisition des spectres est effectuée entre 4000 et
1200 cm-1 en moyennant 256 scans à une résolution de 2 cm-1 et 10 kHz pour la vitesse de