V. Études photophysiques et photolyses des triades coopératives
V.2. Propriétés de photolibération par excitation mono- et biphotonique
Les expériences de photolyse comparative par excitation monophotonique ont été menées selon un protocole semblable à celui décrit dans le chapitre II, mais sur un montage d’irradiation différent (cf. annexe expérimentale). Pour exploiter le phénomène de transfert d’énergie inhérent à nos systèmes, l’excitation de la triade 450T4 est réalisée à 365 nm, dans la bande d’absorption du quadrupôle A4. Une référence de photolyse compatible avec cette longueur d’onde d’excitation doit alors être utilisée pour s’affranchir des paramètres de la source lumineuse. Pour cela, la cinétique de photolibération de la triade sera comparée à la DEAC dont le u est rapporté dans la littérature. L’acide acétique étant, là aussi, la molécule libérée au cours de l’excitation, le contrôle du taux de conversion est réalisé par RMN 1H. L’irradiation des échantillons en solution dans le dichlorométhane deutéré, préparés à densité optique constante, est réalisée directement dans le tube RMN en quartz.
Le tracé des droites log(1/1-)) = f(t) a permis de vérifier l’obtention d’une cinétique de premier ordre pour les deux composés DEAC-[Ac] et 450T4-[Ac]. Comme illustré sur la figure III.6, la cinétique d’apparition de l’acide acétique est largement supérieure dans le cas de la
400 450 500 550 600 650 700 0 100000 200000 300000 400000 500000 Emi ssi on in te nsi ty (nm) Em MK465 in CH2Cl2 Fit Peak 1 Cumulative Fit Peak
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triade, pour laquelle 70% de conversion sont enregistrés en seulement 2 minutes. Dans le cas de la référence DEAC-[Ac], cette valeur n’est atteinte qu’après 45 minutes. Finalement, le rapport des constantes de vitesses apparentes correspondantes permet d’affirmer que la photosensibilité à un photon de la triade 450T4 est 25 fois supérieure à celle de la DEAC pour la libération d’un acide carboxylique dans le dichlorométhane.
Figure III.6 : Lois de vitesse d’ordre 1 dérivées des expériences de photolyse à 365 nm de DEAC-[Ac] et de 450T4-[Ac].
Le rapport de ces constantes de vitesse permet alors de déterminer le rapport Qu/uref
caractérisant la triade coopérative 450T4, ainsi que ses photosensibilités à un et à deux photons. Les valeurs relatives aux composés étudiés sont rassemblées dans le tableau III.4.
D’après les mesures réalisées, la triade 450T4-[Ac] possède un rendement quantique de photolibération 4,9 fois supérieur à la référence DEAC-[Ac] dans les mêmes conditions d’excitation. En extrapolant cette valeur à une photolyse réalisée en milieu aqueux comme décrit par Hess et al. pour la DEAC (uref = 12%),[156]le rendement quantique de la triade par mesure relative atteindrait une valeur de 59%. Cet excellent rendement quantique de photolibération, supérieur aux 39% rapportés par Ellis-Davies et coll. pour la DEAC450, traduit pour la première fois une influence positive des interactions mises en jeu dans notre système coopératif sur ce paramètre. La photosensibilité sous excitation monophotonique u de la triade est estimée à 62 000 M-1.cm-1 au maximum de sa bande d’absorption.
y = 0,0105x R² = 0,9976 y = 0,262x R² = 0,9972 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 10 20 30 log(1 /( 1 -x)) t (min) DEAC-OAc Triade
177 Chapitre III
Tableau III.4. Propriétés d’absorption à deux photons, et de photolibération à un et deux photons de la triade et de ses sous-unités correspondantes dans CH2Cl2.
Composé Qu/uref absmax [nm] 2PAmax [nm] 2max [GM][a] maxQu [M-1.cm-1][b] u [GM][c] DEAC-[Ac] 1 379 760 42 2.3 103 - Asp-DEAC450-[Ac] - 438 840 96 9.8 103 0.5[d] (HQ)A4 - 387 700 1030 - - 450T4-[Ac] 4,9 388 438 700 900 1110 83 62 103 650
[a] Section efficace d’absorption à deux photons à la longueur d’onde 2PAmax dans CH2Cl2, dérivée d’expériences de TPEF (1 GM = 10-50 cm4 s-1) [b] Photosensibilité sous excitation à un photon, déduite d’expériences de photolyses comparatives
à 365 nm en utilisant une valeur de u = 0,12 pour DEAC-[Ac] [c] Photosensibilité sous excitation à deux photons (u= 2maxQu). [d] Photosensibilité à deux photons en milieu physiologique rapportée dans la référence [162].
La cinétique très rapide de l’expérience de photolyse rend les mesures de spectres d’absorption à deux photons de la triade 450T4 par TPEF délicates. Malgré le très faible volume d’excitation induit par l’absorption à deux photons, la réaction de photolibération se produisant au cours de l’excitation par le laser est susceptible de modifier continuellement le rendement quantique de fluorescence du mélange, ce qui empêche une détermination fiable des valeurs de 2 déduites de la brillance 2f. Le spectre d’absorption à deux photons de la triade 450T4 (figure III.7) est donc donné à titre essentiellement qualitatif. La courbe présente une allure très similaire à celle du quadrupôle A4, avec un maximum d’absorption situé dans la bande de plus haute énergie, fortement autorisée dans les systèmes centrosymétriques. Une seconde bande est observée à 820 nm, correspondant à la transition interdite des modules quadrupolaires, à laquelle s’ajoute la contribution du module DEAC450. Les valeurs de 2 mesurées sont toutefois largement inférieures à ce qui serait attendu pour un système à deux antennes, et se rapprochent de la valeur mesurée pour A4 isolé. Cette observation peut être le résultat de deux phénomènes : une baisse de fluorescence liée à la formation de photoproduits jouant le rôle de quancheurs, ou bien des effets anti-coopératifs sur la 2PA qui atteindraient ici presque 50%.
Les mesures du coefficient d’extinction molaire du composé 450T4 ont mis en évidence des effets coopératifs négatifs abaissant la valeur de max d’environ 27%. Aussi, si l’on applique ce facteur correctif au 2 théorique d’un système à deux antennes (2060 GM), le 2max de 450T4 serait de l’ordre de 1500 GM. Compte tenu de cette estimation et des valeurs minorées issues des expériences de TPEF, il semble cohérent d’évaluer le 2 de la triade entre 1110 et 1500 GM. Ainsi, grâce à l’efficacité du FRET et à l’augmentation du u par des interactions
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coopératives, le u estimé de notre système coopératif serait compris entre 650 à 880 GM à 700 nm ; une valeur exceptionnelle et largement supérieure aux décageurs rapportés jusqu’à présent.
Des expériences de photolyse comparative par excitation biphotonique ont été menées pour confirmer l’efficacité de nos systèmes par excitation dans le PIR. Pour cela, la triade 450T4 en solution dans le dichlorométhane a été excitée avec une puissance de 1 W dans les deux bandes observées, à 820 puis 700 nm. Le taux de conversion après 4 h d’irradiation a été déterminé par RMN 1H, et comparé respectivement à celui de (Asp)DEAC450-[Ac] et DEAC-[Ac], photolysées dans des mêmes conditions identiques. La figure III.7, a) confirme la rapidité de la réaction de photolyse pour la triade 450T4-[Ac] puisque, malgré une excitation localisée uniquement dans le volume focal de la cuvette, les 4 h d’irradiation suffisent à photolyser 49% et 63% du composé, respectivement à 820 et 700 nm. Dans les mêmes conditions d’irradiation, les références atteignent à peine 4% de conversion après 4 h. Cette observation confirme bien que les mesures de TPEF doivent être fortement altérées par la réaction de photolibération et que la valeur de u est probablement supérieure à 650 GM.
Figure III.7 : a) Spectre d’absorption à deux photons issu d’expériences de TPEF de la triade (bleu), de l’antenne (HQ)A4
(vert}, de la DEAC450 (noir) et de la DEAC (rouge) dans CH2Cl2. b) Diagramme comparatif représentant le taux de conversion après 4h d’irradiation à 820 et 700 nm (1W).
VI. Conclusions
La conception de dyades synergiques à base de modules décageurs de nouvelle génération, possédant une absorption décalée vers le rouge et un rendement quantique de photolibération supérieur à 10%, bien que théoriquement prometteuse, s’est avérée beaucoup plus délicate que prévu. Au-delà des nombreuses difficultés rencontrées sur la majorité des étapes de synthèse, des incompatibilités chimiques entre les modules et la plateforme P1 ont empêché le greffage envisagé initialement, et la formation d’analogues directs aux dyades
a)
179 Chapitre III
NVD1-NVD4 et NID2-NID4 présentées dans le chapitre II. Malgré la synthèse de modules décageurs alternatifs pouvant potentiellement régler les problèmes de solubilité et d’activation du phénol, la synthèse des cibles n’a pas pu être achevée, et l’échec de double fonctionnalisation de P1 en dernière étape n’a pas été entièrement rationnalisée.
Face aux difficultés de synthèse rencontrées, la recherche d’alternatives a toutefois permis d’acquérir une solide expertise sur les substrats de la famille des coumarines utilisés, et d’aboutir à une voie de synthèse robuste et optimisée sur chaque étape. Celle-ci a permis d’obtenir un panel de décageurs greffables fonctionnalisés par diverses fonctions chimiques (cf. annexe). L’analyse des difficultés nous a poussés à abandonner les dyades coopératives et à adopter un changement de stratégie. Un système tandem de la famille des triades, comportant une cage DEAC450 pour deux antennes quadrupolaires, a alors été mis au point, et sa synthèse finalement réalisée avec succès. Les études photophysiques réalisées sur le composé 450T4 montrent, comme dans le cas des dyades, des interactions entre modules influençant la capacité d’absorption du composé ; des effets anti-coopératifs d’environ 30% étant constatés dans le cas présent. Surtout, en concevant un système dans lequel la courbe d’absorption du module accepteur recouvre très nettement l’émission du donneur quadrupolaire, une efficacité de FRET de 96% a pu être mesurée. L’efficacité de la photolyse à un photon est alors multipliée par 25 par rapport à la référence utilisée, ce qui valide notre stratégie modulaire.
Les mesures de TPEF réalisées sur notre nouveau système tandem ont permis de déterminer une valeur minorée de 1100 GM de la triade 450T4, conduisant à une photosensibilité à deux photons exceptionnelle supérieure à 650 GM pour une excitation à 700 nm dans le dichlorométhane. Les expériences de photolyse réalisées à 700 et 820 nm ont également démontré une accélération remarquble de la photolyse par rapport aux coumarines de référence. Cette valeur minorée de u est plus de 30 fois supérieure à celle obtenue pour la dyade NID4 dans le chapitre précédent, ce qui confirme qu’une combinaison appropriée de sous-unités peut donner naissance à des décageurs à très haute performances.
Sur la base de ces résultats très encourageants, nous avons souhaité rendre nos systèmes compatibles avec une utilisation en milieu biologique. Dans cette optique, nous avons remplacé l’acide acétique modèle par des neurotransmetteurs et molécules cytotoxiques anticancéreuses. Notre approche modulaire a, dans la même logique, été adaptée à la conception de systèmes comportant des motifs hydrosolubilisants.
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Chapitre IV.
Vers des systèmes tandems hydrophiles pour la
libération de principes actifs
183 Chapitre IV