Chapitre 2 : Techniques de caractérisation des polymères supramoléculaires de
A- Spectrométrie UV et RMN
2- Détermination des paramètres thermodynamiques de la formation des PSM ... 64 B- Calorimétrie de titrage isotherme (ITC – Isothermal Titration Calorimetry) ... 67 C- Dichroïsme circulaire ... 69 1- Principe ... 69 2- Mise en évidence de complexes CD/invité ... 70 3- Caractérisation de la structure hélicoïdale des PSM ... 71 II- Détermination de la masse molaire des PSM ... 72 A- Viscosimétrie ... 72 1- Mesure de la viscosité relative ... 72 2- Détermination de la masse molaire ... 74 B- Osmométrie à pression de vapeur (VPO – Vapor Pressure Osmometry) ... 75 C- Diffusion statique de la lumière (SLS) ... 77 D- Spectrométrie de masse par MALDI-TOF (Matrix-Assisted Laser Desorption / Ionisation- Time-Of-Flight) ... 78 III- Détermination des dimensions des PSM ... 79 A- La diffusion ... 80 1- Diffusion translationnelle et coefficient de diffusion translationnelle ... 80 a- Loi de Stokes-Einstein ... 80
d- Relation entre Dt et concentration ... 82 2- Diffusion rotationnelle et coefficient de diffusion rotationnelle ... 83 B- Spectroscopie RMN DOSY (Diffusion Ordered two-dimensional SpectroscopY) ... 84 C- Diffusion dynamique de la lumière (DLS – Dynamic Light Scattering) ... 87 1- Principe et mesure de la diffusion dynamique de la lumière ... 87 2- Distribution de tailles de particules ... 89 3- Applications de la DLS à la caractérisation des CDs... 90 D- Dispersion de Taylor (TDA – Taylor Dispersion Analysis) ... 90 1- Phénomènes mis en jeu au cours de l’élution du soluté ... 91 2- Détermination du coefficient de diffusion ... 94 a- Equation de Taylor-Aris ... 94 b- Approche chromatographique de l’équation de Taylor ... 97 c- Conditions d’application de l’équation Taylor-Aris ... 98 3- Détermination du rayon hydrodynamique ... 99 4- Exemples d’applications de la TDA pour la caractérisation des CDs ... 100 IV- Détermination des dimensions et de la forme des PSM ... 101 A- Diffusion des neutrons aux petits angles (SANS – Small Angle Neutrons Scattering) ... ... 102 B- La microscopie ... 104 V- Conclusion ... 106 Bibliographie ... 108
L’interaction CD/invité, impliquée dans la formation de polymères supramoléculaires (PSM) de CDs en solution, entraine la modification de différentes propriétés physico-chimiques de la molécule invitée et du milieu environnant. En conséquence, diverses méthodes d’analyse permettant la mesure de ces propriétés peuvent être utilisées pour mettre en évidence et caractériser les propriétés des PSM formés et des interactions CD/invité qui les composent. Les informations obtenues par ces méthodes peuvent être complétées par des analyses de microscopie qui permettent, cette fois, une observation directe des structures formées. Cependant, la nature dynamique des PSM de CDs peut rendre difficile le choix d’une méthode d’analyse adaptée et rendre nécessaire l’ajustement des conditions d’analyses. Afin d’éclairer le choix des techniques d’analyses qui ont été utilisées durant ce projet, le principe et les limitations des principales méthodes utilisées pour caractériser les PSM de CDs seront présentées, dans ce chapitre, en fonction du type d’informations qu’elles permettent d’obtenir.
I- Mise en évidence et détermination des paramètres
thermodynamiques de l’association CD/invité
A-Spectrométrie UV et RMN
La mise en évidence des complexes CD/invité se fait communément par spectrométrie RMN
1
H et ROESY en suivant la variation du déplacement chimique (δ) de protons sensibles à la complexation. Ces analyses permettent également de connaitre la position de l’invité dans la cavité de la CD. Dans le cas où l’un des deux partenaires absorbe en UV, l’interaction hôte/invité peut être mise en évidence par la mesure de son absorbance UV (A) si elle est modifiée lors de la formation du complexe.
1- Détermination de la stœchiométrie des complexes CD/invité
La stœchiométrie des complexes CD/invité est généralement déterminée en réalisant un Job plot. Pour cela, des solutions ayant une concentration totale en hôte (H) et invité (G) constante mais des fractions molaires en hôte (XH) croissantes sont analysées par spectrométrie UV ou
(∆Aobs) dans le cas d’analyses UV ou la variation de déplacement chimique (∆δobs) dans le cas
d’analyses RMN. Cette méthode n’est cependant pas valable si l’hôte et/ou l’invité s’agrègent en solution, quand plus d’un complexe est présent1 ainsi qu’en cas de système anti-coopératif2.
Figure 1 : Exemples de Job plots réalisés pour deux systèmes hôte (H)/invité (G) permettant
la mise en évidence de complexes hôte/invité 1:1 et 1:2 (figure issue de la réf. 3).
2- Détermination des paramètres thermodynamiques de la
formation des PSM
Ces deux techniques permettent également de déterminer les paramètres thermodynamiques de l’interaction en réalisant une expérience de titrage. Pour cela, dans le cas de l’étude de complexes CD/invité, la concentration de l’une des espèces est maintenue constante pendant que des quantités fixes de l’autre espèce sont ajoutées progressivement. Dans le cas de l’étude de PSM, l’analyse de solutions comportant une concentration croissante en PSM est réalisée. Le suivi de la variation d’absorbance (∆Aobs) ou du déplacement chimique (∆δobs) de protons
Figure 2 : Isotherme tracée à partir de mesures de RMN 1H, lors de l’interaction entre l’hydroxypropyl-β-CD (HPβCyD) et de l’halopéridol, modélisée par le modèle hôte/invité 1:1 (figure issue de la réf. 4).
Sachant que la concentration en complexes formés est reliée à la variation de déplacement chimique (∆δobs) par l’équation (1), dans le cas où l’invité est l’espèce suivie, ou à la variation d’absorbance (∆Aobs) par l’équation (2)1,4 :
Dans le cas de mesures RMN :
[ ]
[ ]
⋅ ∆ = ∆ 0 G HG HG obsδ
δ
(1)Dans le cas de mesures d’absorbance UV : ∆Aobs =∆
ε
HG⋅l⋅[ ]
HG (2)Avec :
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
0 0 2 0 0 0 0 1 1 4 2 1 HG G H K H G K H G + ⋅ + + − + + ⋅ = (3)pour un modèle d’association hôte/invité 1:11
[HG] concentration en complexe hôte/invité [G]0 concentration totale en invité
[H]0 concentration totale en hôte
K constante d’association du complexe
∆δobs variation du déplacement chimique de l’invité observée (δobs - δG) lors de la formation du complexe (ppm)
∆Aobs variation de l’absorbance de l’invité observée (Aobs - AG) lors de la formation du complexe (L/mol.cm)
∆εHG variation du coefficient d’absorption molaire de l’invité (εHG - εG) lors de la formation du complexe (L/mol.cm)
l largeur de la cellule (cm)
Il est ensuite possible de déterminer la constante d’association K du couple CD/invité étudié, après avoir modélisé l’isotherme expérimentale par le modèle d’association adapté à l’équilibre étudié. Dans le cas de l’exemple présenté (Figure 2), le modèle d’association hôte/invité 1:1 a été utilisé. Il a permis en utilisant l’équation (3) de déterminer la constante d’association (K) faisant le mieux correspondre ∆δobs et [HG], i.e. les points expérimentaux et l’isotherme modèle.
Des constantes d’association allant jusqu’à 109 M-1 et 105 M-1 peuvent être déterminées respectivement par spectrométrie UV et spectrométrie RMN1.
Dans le cas où aucun des partenaires du couple CD/invité n’absorbe en UV, il est possible de déterminer la constante d’association en effectuant une expérience de compétition avec une molécule compétitrice invitée comportant un chromophore. D. Landy et al.5 ont procédé ainsi pour l’étude du complexe adamantanol/β-CD. En effet, cet invité n’absorbe pas en UV et sa faible solubilité ne permet pas non plus son étude par RMN ou ITC. Pour remédier à cela, ils ont donc effectué une expérience de compétition en utilisant du méthyl-orange (MO) comme agent compétiteur. En suivant la perturbation du complexe CD/MO par l’ajout d’adamantanol, ils ont pu déterminer une constante d’association adamantanol/β-CD de 34500 M-1 en accord avec les valeurs de constantes d’association entre β-CD et dérivés d’adamantane trouvées dans la littérature 6.
Dans le cas de l’analyse de PSM, les constantes d’association déterminées par RMN ou UV permettent ensuite de déterminer le degré de polymérisation moyen en nombre (DPn) ou en poids (DP ) du PSM formé pour un modèle d’association et une concentration initiale en
∆S entropie (J/mol) T température (K)
ℜ constante des gaz parfaits (8.314 J/K.mole)