thèse approche semi-covalente pour la préparation de...

Thse Approche semi-covalente pour la prparation de polymres

imprims par la technique de polymrisation en mini-mulsion

Prsente en vue de l'obtention du grade de

Docteur de l'Universit de Strasbourg

Spcialit : Chimie Organique

Par

Pasquale Curcio

Soutenue le 26 juin 2009 devant la commission d'examen : Prof. Jean-Franois NIERENGARTEN (Universit de Strasbourg)Rapporteur interne

Prof. Karsten HAUPT (Universit de Technologie de Compigne) Rapporteur externe

Prof. Stphane VINCENT (Universit de Namur) Rapporteur externe

Dr. Rachid BAATI (Universit de Strasbourg) Membre invit-Encadrant

Dr. Alain WAGNER (Universit de Strasbourg) Directeur de thse

Dr. Charles MIOSKOWSKI (Universit de Strasbourg) Directeur de thse

Remerciements

Le travail scientifique dcrit dans ce manuscrit a t ralis au sein du Laboratoire de

Chimie des Systmes Fonctionnels de la Facult de Pharmacie de Strasbourg sous la

direction du Dr. Charles Mioskowski puis du Dr. Alain Wagner. Cette thse a fait parti du

projet europen IBAAC (Integrated Biomimetic Approach to Asymmetric Catalysis) sous le

numro de contrat: MCRTN-CT-2003-505020. Je voudrais en premier remercier l'Union

Europenne qui par le biais de ce projet IBAAC, a soutenu le financement de cette thse.

Je tiens galement remercier les professeurs Karsten Haupt, Jean-Franois

Nierengarten et Stphan Vincent de m'avoir fait l'honneur de juger mon travail.

Ensuite, cest avec une certaine motion et beaucoup de sincrit que je voudrais

remercier toutes les personnes suivantes qui ont donn beaucoup de leur temps et de leur

expertise pour le dveloppement, les tests, la mthodologie et la gestion de ce travail de

thse.

Je tiens d'abord rendre hommage Miko et lui exprimer ma profonde reconnaissance

pour m'avoir accueilli dans son laboratoire. Je garderai toujours avec moi le souvenir des

discussions scientifiques passionnes et chaleureuses que jai eu avec lui. Ainsi le souvenir

dune personne dune grande crativit, nhsitant pas aborder des sujets nouveaux et

parfois difficiles, autant de qualits qui dfinissent les grands chercheurs.

Je voudrais remercier le Dr. Alain Wagner qui a pris avec le mme enthousiasme montr

par Miko, le poste de directeur du laboratoire. Mon sujet de thse tant dj dans un

stade avanc, il a t en mesure d'apporter des ides novatrices et trs importantes pour

la russite de ce travail.

J'exprime ma profonde gratitude au Dr. Rachid Baati. J'ai partag avec Rachid la totalit

de ce projet de thse. Je le remercie pour son aide mon arrive ici Strasbourg, pour

ces encouragements constants pendant toutes les annes de thse ainsi que pour la

correction de ce manuscrit.

Je remercie galement le Dr. Stphane Meunier pour son aide et son professionnalisme

mais surtout pour les nombreuses signatures de papiers dont j'ignore la signification

encore aujourd'hui. Un grand merci Michel Mosser, notre habile permanent, dont la

prsence est d'une extrme importance dans la vie du laboratoire.

Je souhaite remercier le service d'analyse de la Facult de Pharmacie. Cyril pour les

analyses RMN et pour son prcieuse aide dans l'interprtation des spectres des

monosaccharides. Patrick et Pascale pour les analyses de masse de mes composs.

Je tiens remercier Nathalie, Marianne et notre "sicilienne" Liliane pour leur gentillesse

et disponibilit, ainsi que pour toutes les dmarches administratives.

Au cours de ce travail de thse, j'ai eu l'occasion de discuter et de collaborer avec de

nombreuses personnes l'extrieur du laboratoire. J'exprime ma gratitude au Dr. Patrick

Schultz et Mme Christine Ruhlmann (IGBMC, Strasbourg) pour le service de microscopie

transmission lectronique, le Dr. Cline Cakir-Kiefer pour son aide concernant l'utilisation

du logiciel Prism, le Dr. Dominique Bgin (ECPM, Strasbourg) pour les mesures de surface

spcifique.

Il est maintenant temps de remercier tous les collgues du laboratoire. Au cours de ces

annes de travail, j'ai eu le plaisir de rencontrer beaucoup de gens, et aujourd'hui cest

avec regrets que je me rends compte que je ne peux pas tous les citer. La premier place du

podium (et croyez-moi ca narrive pas souvent) est occupe par Cdric, mon grand ami ainsi

que colocataire pendant ma dernire anne Strasbourg. Merci Cdric davoir partag

toutes les difficults rencontres au cours de cette thse, aussi bien dans le travail que

dans la vie quotidienne. Je n'oublie pas non plus ta disponibilit dans la ralisation des

photos de microscopie lectronique.

Un remerciement particulier Christelle, Beln, Stefan avec qui jai eu le plaisir de

collaborer et travailler sur le sujet des polymres imprims. Sans oublier Corinne ma

premire guided'CLHP. Ensuite, jembrasse fort fort fort Cynthia, Olivier, Ghyslain, Manu,

"la portoghese" Sylvie, Graldine, Cdric, qui mont apport leur aide pendant tout le cours

de la thse. Je tiens galement les remercier pour tous les bons moments passs

ensemble hors du laboratoire : les diners, les soires, les nombreuses sorties dans

Strasbourgque de bons souvenirs que je garderai toujours avec moi.

Merci aussi aux les immigrs du labo, le grand (en taille) Damien, le "rital" manqu Jeremy,

"il montagnolo" Cyril, Renaud, Carine et Vanessa, pour tous les bons moments passs

ensemble. Pour Jeremy: je pas oubli ton injection d'acide actique" stai attento che la

vendetta un piatto che va servito freddo!!!"

Je ne peux pas oublier et donc adresser un remerciement tous les amis rencontrs

Strasbourg. Vous nimaginez pas combien il est difficile de tous les citer. Merci merci

beaucoup Pauline (peut-tre un jour je te pardonnerai !!!), Irene la lucana super la

mode qui nest pas mal non plus la cuisine !!! Puis je tiens citer tous mes amis espagnols

qui ont t toujours prt faire la fte et me faire changer les ides.

Je ne peux pas oublier les nombreuses dfaites mais galement les innombrables victoires

sur les terrains de foot dIllkirch. Pour cette raison, que je remercie tous mes amis

footballeurs.

Puis un remerciement chaleureux est adress une personne rencontre il n'y a pas

longtemps, mais qui est dj trs spciale pour moi. Merci infiniment Laurence pour ton

prcieuse aide dans la rdaction de ce manuscrit. Ti sei meritata tanti tanti bacini, pi di

40 milioni !

Le dernier remerciement est ddi ma famille qui pendant toutes ces annes passes loin

de la maison, a toujours t prs de moi, et qui na pas manquer dencouragements dans les

moments difficiles et qui a trouv chaque fois que cela t ncessaires les mots justes

pour me rconforter.

Grazie infinitamente a tutti quanti.

Pasquale.

Leonardo da Vinci

" Meglio la piccola certezza che la gran bugia"

SOMMAIRE

ABRVIATIONS 13

INTRODUCTIONGENERALE 15

PUBLICATIONS 17

PRINCIPEETAPPLICATIONSDESPOLYMERESIMPRIMES 19

1. Principegnraletapplicationsdespolymresimprims 21

1.1. Introduction 21

1.2. Principegnraldesempreintesmolculaires 21

1.3. Mthodespourlintroductiondessitesd'interactionsdanslescavitsdereconnaissance 23

1.3.1. Approchecovalente 23

1.3.2. Approchenoncovalente 24

1.3.3. Approchesemicovalente 25

1.3.4. Approcheavecdesliaisonsdecoordination 27

1.4. FacteursintervenantdanslasynthsedesMIPs 28

1.4.1. Influencedelagentderticulation 28

1.4.2. Influencedusolvant 30

1.4.3. Influencedelatempraturedepolymrisation 31

2. Polymrisationenminimulsion 32

2.1. Delapolymrisationenbulklapolymrisationenminimulsion 32

2.2. Principesgnrauxdelapolymrisationenminimulsion 35

2.2.1. Etudessurl'homognisationdelaminimulsion 36

2.3. Prparationdesempreintesmolculairesvialapolymrisationenminimulsion 38

3. valuationdespropritsdesMIPs 40

3.1. Descriptiondelamthodedubatchprocess 40

3.2. Analysedel'effetd'empreinteetdelaslectivitdanslespolymresimprims 41

3.3. Lescourbesisothermesdecomplexation 42

4. Introductiondestravauxdethse 46

NOUVELLEAPPROCHEPOURLASYNTHESEDESEMPREINTESMOLECULAIRES 49

5. Combinaisondelapprochesemicovalenteaveclamthodedepolymrisationenminimulsiononestage 51

5.1. Descriptionsduprocdd'impressionmolculaire 51

5.2. AntcdentbibliographiquedesMIPsprparsavecdestemplatesphosphors 53

5.2.1. Ractionsd'hydrolysed'esters 53

5.2.2. MIPscommercepteursd'analytesphosphors 56

5.3. SynthsedestemplatephosphorsT1T3 58

5.3.1. SynthsedutemplatetensioactifT1 58



5.4. Prparationdespolymresimprims 64

5.4.1. Dfinitiondescomposantesdusystmedepolymrisation 64

5.4.2. Formulationdumlangedepolymrisation 64

5.4.3. Procduredeprparationdelaminimulsion 66

5.4.4. Extractiondelamolculetemplate 67

5.4.5. Prparationdespolymresdecontrle 68

5.5. CaractrisationdespolymresimprimsIPT1T3etdescontrlesCPT1T3 70

5.5.1. Analyseslmentairesduphosphore 71

5.6. Testdereconnaissancemolculaireparlamthodedubatchprocess:Evaluationdelacapacitdu

polymreimprimcomplexerlesanalytes,effetd'empreinte,slectivit 72

5.7. EvaluationdespropritsdereconnaissancemolculairedupolymreimprimIPT1 74

5.7.1. Capaciteteffetd'empreinte 74

5.7.2. tudedelaslectivitdupolymreimprimIPT1 76







5.10.TestdereconnaissancedupolymreimprimsIPT1aveclanalyte4 84

5.11.ApplicationdespolymresimprimsIPT1T3 85

6. ApplicationdepolymresimprimsIPT1T3commecatalyseursasymtriques 86

6.1. Introduction:chiralitetcatalyseasymtrique 86

6.2. MIPscommecatalyseurdanslarductiondesctones 88

6.3. Rductionnantioslectivedesctonesprochirales 90

6.3.1. Dfinitiondelachiralitendeuxdimensions 90

6.3.2. Tentativedeconceptiondespolymresimprimschirauxpourlarductionasymtriquedesctones

91

6.4. TestsdereconnaissancemolculairedesctonesC1etC2parlespolymresimprimsIPT1etIPT2 94

6.5. Prparationd'unpolymreimprimpourlareconnaissancemolculairedelactoneC2 95

6.5.1. TestsdereconnaissancemolculairedupolymreIPMAAetCPMAAaveclactoneC2 98

6.6. SynthsedutemplateT2chchiral 99

6.7. SynthsedupolymreimprimavecletemplatechiralT2ch 101

6.8. TestsprliminairesderductionasymtriqueaveclepolymreimprimIPch 102

6.9. Conclusionpremirepartie 104

UTILISATIONDEPOLYMERESIMPRIMESCOMMERECEPTEURSARTIFICIELSDE

SUCRES 107

7. MIPcommercepteursartificielsdesmonosaccharides 109

7.1. Introduction:lessucresdanslemondebiologique 109

7.2. DescriptiondediffrentesapprochespourlaprparationdesMIP 110

7.2.1. Approchecovalente 110

7.2.2. Approchenoncovalente 111

7.2.3. Approcheavecdesliaisonsdecoordination 115

7.3. Polymreshydrogelscommercepteursartificielsdemonosaccharide 117

PREPARATIONDERECEPTEURSARTIFICIELSDEMONOSACCHARIDESPAR

POLYMERISATIONENMINIEMULSIONENUTILISANTLAPPROCHESEMI

COVALENTE 119

8. Introduction 121

8.1. StructuredutemplatepolymrisabletensioactifT4basedeglucose 121

8.2. SynthsedutemplatetensioactifT4 122

8.3. PrparationdespolymresimprimsavecletemplateT4 123

8.3.1. FormulationdespolymresimprimsIPT4T5 123

8.3.2. Procduredeprparationdelaminimulsion 124

8.3.3. ExtractiondelamolculetemplateT4 125

8.3.4. PrparationdupolymredecontrleCPT4 128

8.4. CaractrisationdespolymresimprimsIPT4T5etdupolymredecontrleCPT4 128

8.5. EvaluationdespropritsdereconnaissancedespolymresimprimsIPT4etIPT5. 130

8.5.1. Capaciteteffetd'empreintedespolymresimprimsIPT4etIPT5 130

8.5.2. Inhibitiondelareconnaissancemolculaireparestrificationdesfonctionsacides 132

8.5.3. EvaluationdelaslectivitdupolymreimprimIPT4 133

8.6. EtudecintiquepourlepolymreimprimIPT4 135

8.7. Caractrisationdel'homognitdessitesd'interactiondupolymreimprimIPT4 136

8.8. ApplicationdesmodlesLangmuiretFreundlichaupolymreimprimIPT4 138

8.9. Conclusionsdeuximepartie 141

PARTIEEXPERIMENTALE 147

BIBLIOGRAPHIE 189

Abrviations

13

Abrviations

Ac : actyle

Acry : mthacrylate

AIBN : azoisobutyronitrile

AMBN : 2,2'-azobis(2-mthylbutyronitrile)

C : degr celsius

CCM : chromatographie sur couche mince

CLHP : chromatographie liquide haute performance

DCM : dichloromthane

DDQ : 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone

DMAP : 4-dimthylaminopyridine

DMF : N,N-dimthylformamide

DVB : divinylbenzne

EA : actate d'thyle

EGDMA : thyleneglycoldimthacrylate

eq : quivalent

h : heure

KD : constante de dissociation

IR : infrarouge

M : molaire

mg : milligramme

min : minute

ml : millilitre

MeOH : mthanol

MIP : polymres imprimes

MMA : acide mthacrylique

mM ou mmol : millimole

PMB : p-Methoxylbenzyl

ppm : partie par million

SDS : dodcylsulfate de sodium

TA : temprature ambiante

TBAF : fluorure de ttra-n-butylammonium

THF : ttrahydrofurane

l : microlitre

mol : micromole

Introductiongnrale

15

Introduction gnrale

Limpression molculaire est une technique permettant de prparer des rcepteurs artificiels dans

une matrice polymrique rticule. Cette technique a connu un dveloppement remarquable au

cours des dernires dcennies, et compte aujourd'hui un grand nombre d'applications potentielles,

notamment lutilisation de ces polymres comme phase stationnaire de colonnes

chromatographiques, comme support dans l'extraction sur phase solide (SPE), comme

nanoracteurs pour la synthse et comme catalyseurs chimiques. Les polymres imprims

(Molecular Imprinted Polymers: MIP) sont des matriaux prpars partir de monomres

fonctionnels, qui sorganisent autour de la molcule template pour former un complexe de pr-

polymrisation. Celui-ci co-polymrise avec les diffrents monomres et agents de rticulation

prsents. Par la suite, lextraction de la molcule template, conduit la formation de sites ayant en

thorie une complmentarit de forme et/ou de fonction avec la dite molcule. ce jour, diffrentes

molcules templates ont t utilises pour prparer des polymres imprims telles que des acides

amins, des peptides, des protines, des composs biologiquement actifs, ainsi que des mono et

oligosaccharides. La qualit des empreintes molculaires dpend en grande partie de la force et

de la spcificit des interactions entre les monomres fonctionnaliss et le template avant l'tape de

polymrisation. La nature de ces interactions dans le complexe de pr-polymrisation permet de

classer les diffrentes approches de fabrication des empreintes molculaires. Deux approches bases

sur des interactions covalentes et non-covalentes se distinguent. Dans limpression covalente le

template est li de faon covalente la matrice polymrique par un ou plusieurs groupes

polymrisables, prsents sur le template. Aprs extraction de la molcule cible par rupture de ces

liaisons, la reconnaissance s'effectue galement par des interactions de type covalentes entre

l'empreinte et la molcule cible. Dans l'approche non-covalente les interactions entre les monomres

et la molcule cible sont des liaisons faibles de type liaisons hydrogne, liaisons ioniques, -

stacking, liaisons de Van Der Waals et interactions hydrophobes. Aprs extraction de la molcule

imprime, la reconnaissance s'effectue galement par des interactions non-covalentes entre

l'empreinte et la molcule cible. Une troisime approche, appele semi-covalente, a t dveloppe

pour combiner les avantages des deux approches prcdentes. La mthode consiste utiliser un

template ayant des groupements polymrisables (par exemple des esters mthacryliques), lis de

faon covalente au polymre la fin de la co-polymrisation. Ensuite, l'hydrolyse des esters

mthacryliques laisse dans les cavits du polymre des fonctions acides carboxyliques capables de

former des interactions non-covalentes (liaisons hydrogne) avec le template. Ces approches,

Introductiongnrale

16

covalente, non-covalente et semi-covalente sont utilises pour la synthse des polymres imprims

gnralement par une technique de polymrisation en masse ou polymrisation en bulk. la fin

du procd, le polymre est rcupr sous la forme dun bloc, ncessitant une tape de broyage et

de tamisage afin dobtenir une poudre prte lutilisation. Une consquence de ce procd est que

la forme des particules est trs irrgulire et que la distribution des tailles est large. Cette

htrognit est gnralement avance comme principale cause de la large polydispersit des

constantes daffinit observes. De plus certains auteurs estiment que seulement 20% des sites de

reconnaissance sont conservs aprs ltape de broyage. Pour circonscrire ces limitations,

diffrentes techniques de polymrisation ont t rcemment dveloppes. Ainsi, les polymrisations

par prcipitation et en mulsion ont t utilises pour obtenir des empreintes molculaires avec un

meilleur contrle de la taille des particules, des sites dinteraction mieux dfinis et ayant une

meilleure affinit.

Ainsi, dans le cadre de mes travaux de thse nous avons dvelopp une nouvelle mthode qui

combine lapproche semi-covalente et la mthode de polymrisation en mini-mulsion one-stage.

Cette combinaison permet dobtenir des nanosphres imprimes en surface, avec un faible indice de

polydispersit et surtout avec une population de sites daffinit trs homogne. De plus, l'impression

molculaire en surface des nanosphres prpares par polymrisation en mini-mulsion

one-stage, devrait assurer une meilleur accessibilit et extraction du template aprs

polymrisation, qui reste ce jour, l'un des principaux inconvnients de l'approche semi-covalente.

Dans la premire partie de nos travaux de thse, nous avons dcid d'tudier davantage les

phnomnes qui rgissent cette nouvelle technique d'impression molculaire. Nous nous sommes

intresss linfluence de laugmentation du nombre dacides carboxyliques, capables de faire ou

de donner des liaisons hydrogne l'intrieur des sites de reconnaissance, sur la slectivit.

La srie des MIP synthtise a t caractrise par des mesures physico-chimiques telles que

lanalyse infrarouge, la dtermination de la surface spcifique (BET), la mesure de la polydispersit

(par diffusion de la lumire) et la microscopie lectronique transmission (MET).

Dans la deuxime partie de mes travaux de thse, nous avons dcid dappliquer la nouvelle

technique de polymrisation, dcrite ci-dessus, pour la prparation de nouveaux MIP capables de

lier spcifiquement des monosaccharides, en particulier des drivs du glucose.

Les glucides constituent une vaste famille de composs impliqus dans un grand nombre de

processus biologiques, et la prparation de rcepteurs artificiels pour ce type de composs

reprsente lheure actuelle un challenge synthtique important.

Publicationsetcommunicationsorales

17

Publications

a) Pasquale Curcio, Christelle Zandanel, Alain Wagner, Charles Mioskowski and Rachid Baati Semi-Covalent Surface Molecular Imprinting of Polymers by One-Stage Mini-emulsion Polymerization: Glucopyranoside as Model Analyte. Macromol. Biosci., 2009, 9, (N.A.). DOI: 10.1002/mabi.200900056.

b) Pasquale Curcio, M. Beln Surez Jimnez, Rachid Baati, Charles Mioskowski and Alain Wagner H-bond effect on the selectivity of MIPs synthesized by miniemulsion/semi-covalent imprinting approach. J. Mol. Recognit (en cours de rdaction).

Communications orales

1) Molecular Imprinted Polymer as Synthetic Receptors for Glucose. IBAAC Meeting- Strasbourg 2004. Universit Louis Pasteur, Strasbourg, France, 23-24 mai 2005.

2) Molecular Imprinted Polymer Nanospheres as Synthetic Receptors.

IBAAC Meeting - Oxford 2005. Oxford University, Royaume-Uni, 8-9 dcembre 2005.

3) Synthetic Receptors and Stereoselective Reactions of Planar Compounds via MIP.

IBAAC Meeting - Ljubljana 2006. National Institute of Chemistry, Slovenia, 1-2 juin 2006.

4) Development of Molecular Imprinted Polymers for 2D-3D Chirality Transfer: Application

to the Stereoselective Reduction of Planar Compounds. IBAAC Meeting- Bologna 2006. Universit de Bologne, Italie, 1-2 dcembre 2006.

5) Development of Molecular Imprinted Polymers for 2D-3D Chirality Transfer: Application to the Stereoselective Reduction of Planar Compounds.

IBAAC Meeting- Mlheim 2007. Max-Planck Institute, Allemagne, 24-25 mai 2007.

Introduction

Principe et applications des polymres imprims

Principeetapplicationsdespolymresimprims

21

11..PPrriinncciippeeggnnrraalleettaapppplliiccaattiioonnssddeessppoollyymmrreessiimmpprriimmss

1.1.Introduction

Le nombre darticles publis ces vingt dernires annes concernant la prparation de polymres

imprims ou empreintes molculaires (notation: MIP, du terme anglais Molecular Imprinted

Polymers) et leurs applications montre lintrt croissant port par le monde scientifique ce

domaine de recherche (Figure 1)1.

Figure 1. Nombre de publications parues sur les empreintes molculaires depuis 1930 jusqu'en 2003 (d'aprs la rfrence 1).

Les premiers travaux sur les empreintes molculaires ont t rapports dans la littrature par le

chimiste sovitique M.V. Polyakov2. Ces travaux pionniers dcrivent l'adsorption de substances la

surface de particules de silice. Il a ainsi dmontr que la matrice de silice tait en mesure d'adsorber

diffrents composs tels que le benzne, le tolune ou le xylne utiliss comme template

Suite cette dcouverte, le concept dempreinte molculaire a beaucoup volu et il inclut

aujourdhui une grande varit de polymres organiques prpars selon diffrentes techniques de

polymrisation.

1.2.Principegnraldesempreintesmolculaires

Les empreintes molculaires sont des polymres prpars partir de monomres fonctionnels

polymriss autour dune molcule, galement appele template. Cette dernire sert de gabarit pour

la formation de sites de reconnaissance prsentant une complmentarit de forme avec la molcule

imprime (Figure 2). L'extraction de la molcule template laisse vacant des sites de reconnaissance

haute affinit pour la molcule cible. La forme et la taille de l'empreinte ainsi que la disposition

Nom

bre

de p

ublic

atio

ns

Anne de publication


22

spatiale des groupes fonctionnels l'intrieur de la cavit de reconnaissance sont complmentaires

la molcule template (Figure 2).

Figure 2. Reprsentation schmatique du concept d'empreinte molculaire.

De nos jours, diffrentes molcules sont utilises comme template pour synthtiser des empreintes

molculaires : des mono et oligosaccharides, des acides amins, des peptides, des protines, des

composs biologiquement actifs tels que la thophylline et le diazpam, la morphine, la leu-

enkephalin et la nicotine notamment. Cette diversit de substrats ainsi que la stabilit et la facilit

de prparation des MIPs ont rendu ces rcepteurs artificiels extrmement attractifs pour rsoudre les

problmes de sparation chimique3, d'extraction sur phase solide (SPE)4 et de dtection des

molcules d'intrt biologique5. De plus, leur capacit liminer des composs indsirables dans les

aliments ou dans les fluides biologiques6 a t dmontre.

Un rsum de toutes les applications potentielles des MIP est reprsent dans la figure 37.

Figure 3. Applications des empreintes molculaires (d'aprs la rfrence 7).

Rcepteurs artificiels (dveloppement de mdicaments)

Criblage de chimiothques Synthse dirige

Chimie combinatoire d i

Sparation Sparation chirale

Prparation d'chantillons

Anticorps artificiels Biocapteurs

Tests immunologiques

Synthse organique et catalyses Groupements protecteurs Dplacement d'quilibre

Enzymes artificiels

Biomdicale Lent relargage des mdicaments

Systmes extracorporelles Elimination de toxines

Mdicaments polymriques

monomres fonctionnels

agent de rticulation

+

complexe de

pr-polymrisation

template

polymrisation+ template

- template

empreinte molculaire


23

1.3.Mthodespourlintroductiondessitesd'interactionsdanslescavitsdereconnaissance

Comme reprsent dans la figure 2, le principe des empreintes molculaires repose sur les

interactions entre les monomres fonctionnels et le template avant ltape de polymrisation. La

nature des interactions dans le complexe de pr-polymrisation, permet de dfinir diffrentes

approches pour la conception dempreinte molculaire. Ces approches sont soit covalentes, non-

covalentes, semi-covalente ou bases sur des liaisons de coordination.

1.3.1.Approchecovalente

Dans ce type d'approche8,9, le template est li de faon covalente la matrice polymrique grce

la prsence d'un ou de plusieurs points d'ancrages prsents sur le template (Figure 4). Aprs

extraction de ce dernier par rupture des liaisons covalentes, des sites d'interactions restent dans la

cavit et la reconnaissance du template s'effectue alors par la formation de liaisons covalentes entre

les fonctions chimiques dans l'empreinte et la molcule cible (Figure 4).

HO

HO

OOO

polymrisation

OO

OHOH-T

+T

Monomre fonctionnel Template (T)

agent de rticulation

Templatepolymrisable

Figure 4. Exemple de prparation de polymre imprim bas sur des interactions covalentes.

La mthode classique dimpression covalente repose donc sur la formation de liaisons covalentes

rversibles entre le monomre template et la matrice polymrique. Les plus utilises sont les bases

de Schiff10, les actals/ctals11,12 et les esters boroniques13,14,15. Cette approche prsente deux

principaux avantages. Premirement, les interactions entre le template et les monomres sont

beaucoup moins sensibles la polarit des solvants et la temprature au cours du processus de

polymrisation1. Deuximement, les groupements fonctionnaliss sont uniquement situs

l'intrieur de la cavit et non statistiquement rpartis sur toute la matrice de polymre, comme dans

le cas de lapproche non-covalente o un grand excs de monomre fonctionnel doit tre

utilis16,17,18. Les interactions non-spcifiques sont ainsi minimises. De plus, rcemment, le groupe

de Munz-Olivas a montr une grande homognit des cavits formes pour des polymres

imprim prpars par voie covalente, avec une affinit leve de ces dernires pour la molcule

empreinte19.


24

Toutefois, le nombre de composs pouvant tre imprims par cette mthode reste limit (alcools,

aldhydes, ctones, amines et acides carboxyliques). La sensibilit leau des liaisons covalentes

entre le monomre fonctionnel et le template (imine, esters boroniques), peut poser problme car

elle rend cette approche non envisageable dans des procds de polymrisation en mulsion ou par

prcipitation.

1.3.2.Approchenoncovalente

L'approche non-covalente a t rapporte pour la premire fois par le groupe de Mosbach20,21 en

1981. Dans cette mthode dimpression, les interactions entre les monomres et le template dans le

complexe de pr-polymrisation (Figure 5), sont des interactions faibles par rapport l'nergie des

liaisons covalentes. Ces interactions sont de type liaison hydrogne, liaison ionique, - stacking,

liaison de Van Der Waals. L'tude et la comprhension des phnomnes d'interactions entre les

monomres et le template est trs important pour obtenir des cavits ayant une bonne affinit pour

la molcule cible. Ainsi, diffrents techniques spectroscopiques ont t dveloppes pour

caractriser ces interactions, tels que la spectroscopie UV-VIS22, les expriences de titrage RMN23,

la spectroscopie FT-IR24, la spectroscopie de fluorescence et la calorimtrie25.

Figure 5. Reprsentation schmatique de limpression non-covalente dun dipeptide par liaisons hydrognes avec lacide mthacrylique (d'aprs la rfrence 21).

Aprs polymrisation du complexe template-monomre en prsence d'un agent de rticulation et

extraction du template par lavage avec un solvant appropri (Figure 5), la reconnaissance

molculaire s'effectue galement par des interactions non-covalentes entre les fonctions chimiques

dans l'empreinte et la molcule cible.

Du fait de sa mise en uvre aise et du grand nombre de monomres fonctionnaliss

commerciaux26 disponibles, cette mthode reste la plus utilise dans la synthse dempreintes

molculaires.

polymrisation extraction

complexe de

pr-polymrisation


25

Les principales limites de lapproche non-covalente sont lies la formation du complexe de pr-

polymrisation entre les monomres et le template (Figure 5)26. Tout dabord, les sites de

reconnaissance sont trs htrognes du fait de l'utilisation d'une grande quantit de monomres

fonctionnels pour la formation du complexe de pr-polymrisation. Cette htrognit se traduit

par une large gamme des valeurs de constantes daffinit (KD)73,74 et elle est galement l'origine

des pics larges et asymtriques dans les applications chromatographiques27.

Le deuxime problme est la quantit de monomre fonctionnalis dispers de faon alatoire dans

la matrice polymrique en dehors de la cavit de reconnaissance, en raison de l'excs de monomre

utilis pendant la polymrisation. Cet excs entrane un grand nombre d'interactions non-

spcifiques avec la molcule cible.

Beaucoup d'efforts ont t accomplis ces dernires annes pour tenter de surmonter les problmes

d'interactions entre les monomres fonctionnaliss et le template dans l'approche non-covalente26.

En plus de l'acide mthacrylique, dautres monomres fonctionnaliss26 ont t impliqus dans la

tentative d'augmenter la force d'interaction avec la molcule template. Cette augmentation permet

l'utilisation d'une quantit contrle de monomre fonctionnel, qui se traduit par une diminution des

interactions non spcifique.

Dans l'approche non-covalente stoechiomtrique28, la force des interactions entre les monomres

fonctionnaliss et le template est trs grande et conduit la formation d'un complexe trs stable

(Ka de l'ordre de 103 M-1)28. Dans ce cas, la quasi-totalit des monomres fonctionnaliss interagit

avec la molcule template, et donc seulement un faible pourcentage est plac de faon alatoire

dans la matrice polymrique. Cette approche a t bien tudie par le group de Wulff, avec

l'introduction d'amidines polymrisables capable d'interagir fortement avec des acides

carboxyliques et avec des acides phosphoriques29. De plus, ce dernier groupe des monomres

s'avrent particulirement efficaces dans la prparation de polymres imprims utiliss comme

catalyseurs dans les ractions d'hydrolyse29,30.

1.3.3.Approchesemicovalente

Cette approche vise combiner les avantages des deux mthodes prcdentes (covalente et non-

covalente)26b. Dans un premier temps, le template polymrisable est li de faon covalente au

polymre. Suite l'extraction de ce dernier par rupture des liaisons covalentes, on forme des

fonctions chimiques (comme des acides carboxyliques) pouvant par la suite reconnaitre la molcule

cible via des interactions non covalentes comme des liaisons hydrognes. Notons par ailleurs

qu'tant donn que le template est initialement li de faon covalente la matrice polymrique, le

clivage de ce dernier permet de laisser des groupes de reconnaissance situs uniquement


26

lintrieur des empreintes formes. Par consquent, la distribution de ces groupes est plus uniforme

que dans le cas de lapproche non-covalente. Cela induit une diminution de la reconnaissance non

spcifique du polymre26,31.

Deux variantes de cette approche sont dcrites dans la littrature :

(i) le template et les monomres polymrisables sont directement lis entre eux. Cette mthode a t

rapporte par Sellergren et Andersson pour limpression du p-aminophnylalanine thyle ester32

(Figure 6).

Figure 6. Exemple dimpression molculaire par l'approche semi-covalente dans laquelle le template polymrisable est li directement au polymre (d'aprs la rfrence 32).

(ii) le template et les monomres sont lis par lintermdiaire dun groupement dit espaceur.

Whitcombe et Coll. ont mis en place lapproche via un espaceur de type carbonate pour

limpression du cholestrol33. Lhydrolyse du polymre qui en rsulte, avec NaOH dans le

mthanol, libre la molcule modle (cholestrol) avec la perte simultane de l'espaceur sous la

forme de CO2 (Figure 7). Ceci permet de raliser une empreinte avec un espace plus grand que la

dimension du template, favorisant gnralement la recomplexation de la molcule cible.


27

Figure 7. Exemple dimpression par l'approche semi-covalente dans laquelle le template et les monomres sont lis par un groupe espaceur (d'aprs la rfrence 33).

Le plus grand inconvnient de lapproche semi-covalente est ltape dhydrolyse du template aprs

polymrisation. Dans le cas des fonctions esters, les conditions dhydrolyse sont trs drastiques

(MeOH / NaOH conc. reflux pour plusieurs jours)32,34, et dans certains cas, elles ne suffisent pas

cliver la liaison entre le template et la matrice polymrique. Pour surmonter ce problme, le clivage

est parfois ralis en conditions rductrices (utilisation de LiAlH4)35,36, ce qui entrane la formation

des fonctions alcools dans lempreinte.

1.3.4.Approcheavecdesliaisonsdecoordination

De nombreux processus de reconnaissance biologique utilisent des mtaux de transition

(oligolments) pour former des liaisons de coordination avec les molcules cibles37. Le mme

principe est appliqu pour la synthse dempreintes molculaires. Les complexes fonctionnaliss

sont alors composs dun ion mtallique et dun ligand polymrisable, formant un complexe

ternaire via des liaisons de coordination avec la molcule cible imprimer (Figure 8).

Le premier exemple utilisant cette approche a t rapport par Fujii et Coll.38 dans limpression

molculaire daminoacides avec du cobalt (III). Diffrents mtaux et ligands polymrisables de

types styrniques ont t tests par le group dArnold et de Striegler dans des matrices organiques et

des supports solides39,40,41,44. Les ions cuivriques (Cu2+) sont utiliss pour la synthse dempreintes

molculaires capables de reconnatre slectivement les sucres comme le glucose42,43,44.


28

Figure 8. Exemples de complexes ternaires dans le cas du Cu2+ (a) et du Ni2+ (b).

Les liaisons de coordination sont en gnral plus fortes que les interactions non-covalentes (liaisons

hydrognes, - stacking, liaison de Van Der Waals) utilises dans les empreintes molculaires. La

stabilit des complexes de mtaux de transitions permet d'obtenir des sites dinteractions sans

utiliser un excs de monomre fonctionnel, ce qui permet une diminution des interactions non-

spcifiques45. Enfin, diffrents mtaux de transition sont utiliss tant pour leurs proprits de

complexation des analytes que pour leurs proprits catalytiques pour des ractions chimiques39,46.

1.4.FacteursintervenantdanslasynthsedesMIPs

1.4.1.Influencedelagentderticulation

Les agents de rticulation sont des molcules organiques possdant plusieurs groupements

polymrisables, capables dapporter une structure tridimensionnelle plus ou moins rigide la

matrice polymrique. La structure rigide de la matrice est ncessaire pour maintenir larrangement

spatial de la cavit aprs extraction du template77b. Les polymres doivent galement avoir une

certaine flexibilit pour permettre au ligand daccder aux cavits avec des cintiques dquilibre

rapides. Donc, un bon compromis entre rigidit et flexibilit de la matrice polymrique est

ncessaire pour obtenir un matriau avec une bonne slectivit et une bonne cintique de

a

b


29

reconnaissance. Des travaux doptimisation du ratio monomre/agent de rticulation utilis ont t

ralises en comparant les slectivits obtenues avec diffrents polymre imprims. Par exemple,

Wulff et coll. ont montr que, pour des MIP prpars par lapproche covalente, la slectivit

augmente avec la quantit dagent de rticulation47 (Figure 9a). Dans cette tudie des polymres

imprims ont t prpars avec diffrents rapports entre les agents de rticulation tel que le

dimthacrylate butane diol (BDMA), le dimthacrylate dthylne glycol (EGDMA), le

divinylbenzne (DVB) et des monomres fonctionnels de mme nature (le mthacrylate de mthyle

et le styrne respectivement). Les rsultats ont montr que les polymres base dacrylates sont

plus performants que les polymres dorigine styrnique (Figure 9a).

Pour lapproche non-covalente, Sellergren a tudi linfluence du rapport entre le monomre

fonctionnel et lagent de rticulation pour des polymres prpars avec une quantit fixe de

template48. Initialement, la slectivit des polymres augmente avec le pourcentage de monomre

fonctionnel, pour diminuer lorsque le taux de monomre dpasse environ 25% par rapport la

quantit dagent de rticulation (Figure 9b). Deux principales raisons peuvent expliquer ce

phnomne. Tout dabord, un excs de monomre fonctionnel augmente la reconnaissance non-

spcifique, abaissant la moyenne gnrale de slectivit des MIPs. Deuximement, une certaine

quantit dagent de rticulation est ncessaire pour maintenir une structure dfinie des sites

dinteractions, ainsi la diminution du taux de rticulation conduit une moins bonne stabilit

physique des cavits dans le polymre imprim.

Figure 9. Influence de la quantit dagent de rticulation sur la slectivit pour des polymres imprims prpar avec une approche covalente (a) et une approche non-covalente (b) (d'aprs la rfrence 77b).

a b

% de l'agent de rticulation % du monomre fonctionnel

Fact

eur d

e s

para

tion

Fact

eur d

e s

para

tion


30

1.4.2.Influencedusolvant

Dans la synthse des empreintes molculaires, le solvant joue un rle trs important pour la

formation des macropores lintrieur de la matrice polymrique49,50. Selon la nature du solvant

(appel dans ce cas porogne), diffrentes dimensions et structures de pores peuvent tre obtenues

mais ces diffrences n'ont pas beaucoup d'influence sur la slectivit des MIPs. Les meilleurs

rsultats en terme de slectivit sont souvent obtenus lorsque du chloroforme est utilis comme

porogne, ce qui conduit la formation de polymres avec un faible indice de porosit et surface

spcifique77b. Gnralement, les polymres prpars en absence de porogne sont trs denses et les

sites de reconnaissance rsultants ne sont pas facilement accessibles par les analytes50a.

La nature du solvant joue galement un rle important dans la complexation des monomres

fonctionnels avec le template, surtout dans le cas dune approche non-covalente, o la formation du

complexe de pr-polymrisation est influence par la polarit du solvant. Une tude ralise par

Sellergren and Shea51 a permis de corrler la polarit du solvant la slectivit du polymre final

(Tableau 1).

Les solvants peu polaires comme le chloroforme et le benzne favorisent les interactions de type

liaison hydrogne et liaison de coordination avec un mtal de transition, entre le monomre

fonctionnel et le template dans l'tape de formation du complexe de pr-polymrisation.

Quant aux solvants polaires et protiques, ils dfavorisent les interactions (liaisons hydrognes et

liaisons de coordination avec un mtal de transition) dans le complexe de pr-polymrisation,

entranant la formation d'un polymre moins slectif, du fait de la diminution des interactions avec

le template dans les cavits du polymre imprim.

Tableau 1. Effet de la polarit du solvant sur la slectivit (d'aprs la rfrence 51).

Entre Solvant Facteur de separation Force de la liaison hydrogne 1 Acide actique 1.9 Forte

2 Dimethylformamide 2.0 Modre

3 Ttrahydrofurane 4.1 Modre

4 Chloroforme 4.5 Faible

5 Actonitrile 5.8 Faible

6 Benzne 6.8 Faible


31

1.4.3.Influencedelatempraturedepolymrisation

La temprature de polymrisation est un facteur qui influence la slectivit des MIP77b. Les matrices

rticules formes aprs polymrisation sont, quant elles, trs stables thermiquement, jusqu

200C dans certains cas52. Les tempratures de polymrisation dpendent de linitiateur de radicaux

utilis. LAIBN (azoisobutyronitrile) est linitiateur radicalaire de polymrisation le plus employ

dans la synthse des MIPs, et sa temprature de dcomposition est de 65C. Autre initiateur de la

mme famille que le prcdent, lABDV (2,2-azo-bis-(2,4-dimthylvalronitrile) prsente une

temprature de dcomposition plus basse de 40C. Enfin, les initiations photochimiques permettent

la formation de polymre temprature ambiante voire 0C53. Il a t dmontr que les

empreintes molculaires prpares basse temprature taient plus slectives que celles prpares

plus haute temprature53,54. En effet, surtout dans le cas de lapproche non-covalente, la stabilit du

complexe de pr-polymrisation tant dfavorise hautes tempratures.

Polymrisationenminimulsion

32

22..PPoollyymmrriissaattiioonneennmmiinniimmuullssiioonn

2.1.Delapolymrisationenbulklapolymrisationenminimulsion

Les diffrents types dapproche pour la prparation des empreintes molculaire peuvent tre adapts

aux diffrentes mthodes de polymrisation. La plus utilise, pour sa simplicit et sa facilit de mise

en uvre, est la polymrisation en masse (ou bulk ). Les monomres, lagent de rticulation et le

template sont mlangs en prsence dun initiateur radicalaire et dans certain cas, dun solvant

organique. La polymrisation est initie thermiquement ou photochimiquement selon le type

d'initiateur radicalaire utilis67,68. A la fin du processus, le polymre est rcupr en un bloc

monolithique qui ncessite une tape de broyage et de tamisage avant dtre utilis. Pour cette

raison, la forme des particules est trs irrgulire et prsente une large distribution de taille (Figure

9a) ainsi que la rupture de certaines cavits. Il est estim que seulement 20% des sites de

reconnaissance sont conservs aprs ltape de broyage55. Lune des plus importantes limitations de

la polymrisation en bulk est la grande quantit de template restant dans la matrice polymrique

sans pouvoir en tre extraite dans le cas de lapproche covalente56.

Dautres mthodes ont t utilises pour obtenir des empreintes molculaires avec un meilleur

contrle de la taille des particules et une distribution plus homogne de la forme des sites. Par

exemple, la polymrisation en suspension permet la formation de particules monodisperses de taille

micromtrique (5-50 m)57,58. Comme son nom lindique, le polymre est obtenu en suspension

dans le solvant. Les liquides perfluors sont beaucoup utiliss pour leur capacit disperser les

particules formes, vitant ainsi la formation dun bloc comme dans le cas de la polymrisation en

masse. Ces solvants peuvent facilement tre recycls par distillation afin de diminuer le cot de la

polymrisation, qui reste lun des principaux inconvnients50,59. Quant la taille des particules, elle

est contrle par la vitesse dagitation et la quantit de stabilisant utilise.

Une autre mthode pour obtenir des particules de taille micromtrique est la polymrisation par

prcipitation. Cette technique, applique aux empreintes molculaires, a t rapporte pour la

premire fois par Ye et Mosbach60,61 et permet dobtenir des microsphres de taille comprise entre

0.3-10 m (Figure 9b). Le principe est bas sur la prcipitation des particules de polymre, qui

lorsquelles atteignent une certaine taille ou une certaine masse molaire deviennent insolubles dans

le solvant et prcipitent. La forte dilution des monomres (le solvant reprsentant 95% du milieu

ractionnel) avec une bonne quantit dagent de rticulation permet lobtention de chanes

polymriques plus courtes et empche le phnomne de coalescence.


33

Figure 10. Microscopie lectronique transmission (MET) pour un polymre prpar par polymrisation en bulk (a), et pour un polymre prpar avec la polymrisation par prcipitation (b).

La mthode de polymrisation en mulsion62,63 a galement t tudie pour la prparation des

empreintes molculaires. Elle permet dobtenir des particules de forme et de taille plus homognes

que celles obtenues par la polymrisation en masse. De plus, il est possible dobtenir des

nanosphres fonctionnalises en surface70, ce qui permet une amlioration au niveau de lextraction

du template aprs polymrisation et des phnomnes de diffusion de la molcule cible vers les sites

de reconnaissance. Whitcombe et coll. ont prpar des empreintes molculaires du cholestrol avec

une mthode de polymrisation core-shell en mulsion64. Cette polymrisation seffectue en deux

tapes. Dans la premire, un latex de particules sphriques est prpar avec diffrentes varits de

monomres fonctionnels, comme par exemple le styrne, le divinylbenzne (DVB), ou les alkyles

acrylates. Les particules formes ont gnralement une taille comprise ente 50 nm et 1 m de

diamtre. Le latex ainsi obtenu est mlang avec une certaine quantit de monomres

fonctionnaliss et de template lors de la seconde tape de polymrisation. La taille, la

morphologie et les proprits physico-chimiques des particules finales sont contrles par la

composition, la structure des monomres et les conditions ractionnelles64.

Pour amliorer la mthode et avoir un contrle du processus dimpression uniquement la surface

des nanosphres, le mme groupe de recherche a synthtis des empreintes molculaires avec un

monomre tensioactif (PS) et un template tensioactif (TS)65. Ce type de template a t envisag

pour se positionner la surface des nanoparticules formes dans la premire tape de

polymrisation. Suite la deuxime tape de polymrisation et lextraction du template, des

cavits hydrophobes sont obtenues la surface hydrophile des nanosphres (Figure 11).

a b


34

NH SO

OO O

O O

O

NH

TS

PScontre ionpyridinium

groupesulfate

longue chanehydrophobe

groupe hydrolysable

partie fonctionnalise

TS - template surfactantGP - groupe polymrisable

SO

OO O

O O

O

Figure 11. Reprsentation schmatique de la formation des cavits hydrophobes la surface des nanosphres avec lutilisation dun template tensioactif (TS) (d'aprs la rfrence 65)

Carter et Rimmer ont rcemment rapport la prparation dempreintes molculaires avec une

polymrisation core-shell, pour la reconnaissance slective de la cafine dans leau66. Aprs

polymrisation, 100% du template est extrait de la matrice polymrique, ce qui reprsente un gros

avantage compare la prparation habituelle des empreintes par polymrisation en bulk.

SO

O

O

O

OO

O

SO

O

OO

OO

O

SO

O

OO

OO

O

SO

O

O

O

OO

O

SO

O

OO

OO

O

OH

OH

latex imprim en surface

ultrafiltration

hydrolyse, lavages et ultrafiltration

longue chane sulfate sur la surface

cavits hydrophobes

cavits hydrophobes

Groupes alcools benzyliques la surface


35

Un cas particulier de la polymrisation en mulsion est la technique de polymrisation en

mini-mulsion67 qui permet galement d'obtenir des nanoparticules monodisperses, trs rgulires

en forme, et avec des tailles de particules comprises entre 50 et 500 nm.

2.2.Principesgnrauxdelapolymrisationenminimulsion

La formulation et l'application des nanoparticules de polymre bnficient d'une grande popularit

dans le monde de la recherche et de l'industrie67,68. Une des mthodes pour obtenir des

nanoparticules consiste en une procdure de polymrisation particulire: la polymrisation en mini-

mulsion. Dans la procdure de prparation d'une mini-mulsion huile dans l'eau, deux phases

liquides non miscibles sont fortement agites (Figure 12).

Figure 12. Procdure pour la formation de nanoparticules via mini-mulsification et photos de nanosphres de polymre prises par microscopie lectronique transmission (d'aprs la rfrence 67a)

L'une organique contenant les monomres fonctionnels, un initiateur radicalaire de polymrisation

et un agent hydrophobe (pour viter le phnomne du mrissement dOstwald)68a, et l'autre aqueuse

contenant un tensioactif. Pendant l'agitation et grce cette dernire, la phase organique se disperse

dans l'eau sous forme de gouttelettes (Figure 12). La taille des micelles varie entre 200 nm et 1m.

1 m 100 nm

Agitation vigoureuse

Ultrasonication

phase organique

phase aqueuse

Taille : 200 1 m Taille : 20 200 nm

Formation de micelles

Formation denano-micelles

Polymrisation Lavage

Nanoparticules de polymre

monomreagent de rticulation

tensioactif


36

Aprs traitement par ultrasonication60,68, elles deviennent plus homognes du point de vue de leur

forme, et leur diamtre est rduit entre 20-200 nm (nano-micelles).

Les nano-gouttelettes ainsi formes, stabilises par l'agent hydrophobe, sont ensuite polymrises

par initialisation thermique ou photochimique, pour obtenir un latex de nanoparticules (Figure 12).

La forme et la taille de ces nanosphres ne changent pas aprs polymrisation comme le montrent

les photographies prises au microscope lectronique (Figure 12) et ce contrairement la

polymrisation en mulsion. En effet, dans ce cas, la taille des particules est tablie par la cintique

des processus dagitation, par la temprature ou la quantit de l'initiateur69. Ces facteurs ont peu

d'importance dans la polymrisation en mini-mulsion o la taille des particules est essentiellement

dtermine par le processus de dispersion de la phase organique dans l'eau, et par la stabilit des

micelles69.

2.2.1.Etudessurl'homognisationdelaminimulsion

Le processus d'homognisation par ultrasonication (US) de la mini-mulsion est initi par agitation

de l'chantillon, afin dobtenir une taille des gouttelettes qui est dix fois plus grande que la taille des

gouttelettes finales aprs ultrasonication (Figure 13)68a.

Au cours de lultrasonication, la taille des gouttelettes diminue constamment jusqu' atteindre un

quilibre. Au dbut de l'homognisation, la polydispersit des gouttelettes est encore assez leve,

mais par une srie de fusions et fissions, la valeur de polydispersit diminue. La mini-mulsion

atteint un tat stable appel tat stationnaire o la valeur de polydispersit devient constante

(Figure 13).


37

Figure 13. Rappresentation schmatique du processus d'homognisation par ultrasons (US)68a.

Le processus dhomognisation peut tre suivi par diffrentes mthodes, comme par exemple, la

mesure de la turbidit et de la tension superficielle. Avec l'augmentation du temps dultrasonication,

la taille des gouttes diminue et, par consquent, l'ensemble de l'interface micellaire augmente. La

tension superficielle qui est sensible la variation de la surface l'interface huile / l'eau, augmente

avec le temps dultrasonication pour atteindre une valeur de saturation correspondant ltat

stationnaire (Figure 13). L'homognisation de la distribution des tailles des micelles est atteinte

aprs environ 1000 s. (Figure 13). Aprs le processus dhomognisation, les trs petites

gouttelettes formes ne sont pas dans un tat thermodynamique stable, donc elles essaient

d'augmenter leur taille par deux mcanismes : croissance par mrissement dOstwald et croissance

par coalescence68a. La suppression de ces deux processus est ncessaire pour la ralisation d'une

mini-mulsion stable. La coalescence peut tre contrle par l'usage efficace d'un agent tensioactif.

Le mrissement dOstwald peut tre supprim de manire efficace par l'ajout d'un agent

hydrophobe68a.

Diffrentes molcules peuvent tre utilises comme hydrophobe pour supprimer le mrissement

dOstwald. La molcule standard la plus utilise est lhexadcane (HD). Les silanes, les siloxanes,

tat stationnaire

tat stationnaire


38

les isocyanates, les polyesters, les alcanes fluors et de nombreux autres se sont rvls trs

efficaces dans la suppression du mrissement dOstwald (Tableau 2).

Tableau 2. Exemples de molcules utilises comme hydrophobe en mini-mulsion68a.

Hydrophobe Diamtre (nm) Tension

Superficielle Hydrophobe Diamtre

(nm) Tension

Superficielle

H3C CH2 CH314

102 67.2

F F FF F

FFF

FFF

FFF

FF

FF

88 68.7

Oligostyrene: Mw = 1000

96 68.2

78 68.4

F

F

FF

F

F

86 69.2

Si

CH2CH3

CH2CH3

CH2CH3H3CH2C

99 68.2 Huile dolive 80 52.8

SiO

O

Si

Si

OSi

O

109 58.9 Polyester 82 50.1

2.3.Prparationdesempreintesmolculairesvialapolymrisationenminimulsion

La polymrisation en mini-mulsion est bien adapte pour la prparation de nanosphres imprimes

par approche covalente ou non-covalente (Figure 14)70,71.

La prparation des nanosphres via la polymrisation en mini-mulsion a t pour la premire fois

tudie par le groupe de Tovar70. Plusieurs formulations de particules ont t prpares en utilisant

diffrents rapports entre lagent de rticulation (EGDMA) et le monomre fonctionnalis (acide

mthacrylique, MMA), tout en faisant varier le template. Aprs polymrisation en mini-mulsion en

prsence dun agent tensioactif (SDS), et dhexadcane pour prvenir le mrissement dOstwald, le

latex rsultant est caractris par plusieurs analyses physico-chimiques: analyse

thermogravimtrique, la mesure de la polydispersit (par diffusion de la lumire), mesure de la

surface spcifique (BET) et microscopie lectronique transmission (MET)70b.


39

Figure 14. Prparation des nanosphres imprimes par la polymrisation one-stage en mini-mulsion (d'apres la reference 70).

Les mesures spcifiques de surface (BET) ont montr une valeur presque identique (55 m2g-1)

entre les polymres prpars en prsence et en absence de template. Lextraction du template

entrane une augmentation de la surface des nanoparticules pour atteindre une valeur de 80 m2/g70.

Laugmentation de la surface spcifique, dans le cas du polymre imprim, est interprte comme

une indication de la formation de nanopores suite l'extraction du template aprs polymrisation.

De plus, dans les tudes rapportes par Tovar, la quantit de template extraite est contrle par

spectroscopie UV. Ainsi, le fait que plus de 95% du template initial soit extrait de la matrice

polymrique met en vidence une extraction plus efficace du template dans ce systme face celui

de la polymrisation en bulk.

Rcemment, la polymrisation en mini-mulsion a t utilise par le groupe de Tong pour

limpression de certaines protines71. Ltude a permis de comprendre et de caractriser les

interactions entre le tensioactif et les protines utilises pour raliser lempreinte molculaire. En

tudiant ces types dinteractions par la technique du dichrosme circulaire, il a t constat qu'un

certain degr d'interaction entre la protine-template et les micelles formes par le tensioactif est

ncessaire pour maintenir les protines la surface des particules. Il a galement t constat que

quune interaction protine-template/surfactant trop importante entraine un changement

conformationnel ou une dnaturation de ces mmes protines. Cette tude a permis de dfinir des

paramtres importants requis pour la prparation des polymres imprims pour la reconnaissance

des protines via la polymrisation mini-mulsion.

PolymrisationExtraction

Reconnaissance

Monomres fonctionnels

Agent de rticulation

Template

EvaluationdespropritsdesMIP

40

33..vvaalluuaattiioonnddeesspprroopprriittssddeessMMIIPPss

La capacit des polymres imprims reconnaitre les molcules partir desquelles ils ont t

prpars, est la proprit la plus importante de ces matriaux77a. Compte tenu de la nature solide des

MIPs, l'usage de ces polymres comme phase stationnaire en chromatographie est une des

applications les plus importantes pour valuer les proprits de capacit et de slectivit. Des

quations rgissant le processus de reconnaissance molculaire permettent de dterminer les valeurs

de la constante d'affinit, du facteur de sparation et du facteur dimpression des polymres

prpars (la dfinition de ces paramtres sera explique en dtail au cours de ce paragraphe).

Comme il a t dcrit et dmontr par le groupe de Wulff72, et plus rcemment par le groupe de

Shimizu31,73 et Sellergren74, les MIPs prsentent une distribution de sites dinteraction, avec des

sites haute et dautres de basse affinit. La mthode chromatographique, mme en restant la plus

simple mettre en uvre pour ces types de systmes, ne permet pas d'valuer en dtail

l'htrognit des sites d'interactions des MIP77b.

La mthode d'valuation la plus utilise pour dterminer les constantes d'affinits et de la slectivit

des polymres imprims est la mthode de binding appele batch process .

3.1.Descriptiondelamthodedubatchprocess

Cette mthode implique lanalyse du mlange htrogne MIP / solution de lanalyte75. Une

quantit connue de polymre imprim est ajoute une solution de concentration connue de

molcules template (Figure. 15).

Figure 15. Equilibre de complexation par la mthode du batch process.

t = 0 t = x

MIP

Concentration initial d'analyte (I)

Concentration libre d'analyte (F)

Concentration d'analyte reconnue (B)

quilibre


41

Aprs un certain temps dincubation, l'quilibre MIP / template est atteint, et une certaine quantit

danalyte est complexe par le polymre imprim (B). Le polymre peut tre donc spar par

filtration ou centrifugation, et la quantit danalyte non reconnue qui reste en solution (F) est

mesure et quantifie par les mthodes classiques danalyse comme la CLHP ou par toutes autres

techniques de dosage quantitatif77a. La concentration de template reconnu par le MIP (B) est

facilement calculable par la diffrence entre la concentration initiale de l'analyte t = 0 (I) et la

concentration libre (F) aprs lincubation avec le polymre (B = I F). Les valeurs des

concentrations mentionnes prcdemment permettent deffectuer une tude dtaille de la capacit

et de la slectivit, ainsi que de l'homognit des sites de reconnaissance des MIP. Cette mthode

permet galement de raliser les isothermes de reconnaissance molculaire pour dterminer

l'homognit de la distribution des sites d'interaction et les constantes d'affinit KD.

3.2.Analysedel'effetd'empreinteetdelaslectivitdanslespolymresimprims

Le phnomne de reconnaissance molculaire des polymres imprims peut tre rsum par

l'quation suivante, similaire celle qui rgit les phnomnes de reconnaissance entre un enzyme et

son substrat75 :

MIP + S = [MIP-S]

La quantit de substrat partitionn entre le MIP et la solution est donne par le coefficient de

partition KP :

KP = B / F

La slectivit pour un polymre est donne par la diffrence en nergie libre dadsorption dun

substrat par rapport un autre. Lnergie libre dadsorption est dfinie par lquation :

G = -RT ln KP

La diffrence peut donc tre crite de la faon suivante :

G = G1 G2 = -RT ln KP2 - (-RT ln KP1) = -RT ln (KP2 / KP1)

Donc, le rapport entre les coefficients de partition correspond la slectivit du polymre imprim

entre deux substrats. Cette valeur est normalement dfinie comme le facteur de sparation () ou,

dans certains cas, comme le facteur de slectivit :

= (KP2 / KP1)

Le facteur de sparation indique combien de fois le substrat 2 sest li au polymre par rapport au

substrat 1. Ceci est particulirement intressant pour comparer les nantiomres du mme compos,


42

qui ont les mmes proprits mais une disposition spatiale diffrente. Pourtant, la valeur du , ne se

limite pas seulement aux nantiomres, et toutes les molcules peuvent tre compares par rapport

au mme polymre.

Une meilleure faon pour comparer leffet d'impression de deux composs, est de prendre en

compte le facteur d'impression ou effet d'empreinte (I)34. Cette grandeur est une modification du

coefficient de partition (KP), et peut tre obtenue en effectuant le rapport entre le coefficient de

partition dun compos avec le polymre imprim (KMIP), et le coefficient de partition du mme

compos avec le polymre de contrle (KNP) :

I = (KMIP / KNP)

Dans ce cas, le facteur d'impression (I) permet dvaluer combien de fois le compos 1 est reconnu

par le polymre imprim par rapport au polymre de contrle. De cette faon, les interactions non

spcifiques avec le polymre sont enleves, et on ne prend en compte que la quantit relle de

template reconnu par le polymre imprim. A partir du rapport entre deux facteurs d'impression (I1

pour le compos 1 et I2 pour le compos 2) nous pouvons obtenir le facteur de slectivit

spcifique :

S = (I1 / I2)

Il est clair que pour deux nantiomres la valeur KNP est la mme et que par consquent, la valeur

de la slectivit spcifique S est rduite au facteur de slectivit .

Une autre manire, tout fait comparable la prcdente, pour calculer le facteur de slectivit a

t propose par le groupe de Striegler43,76. Ils ont dfini le facteur de slectivit i,j pour deux

analytes i et j comme :

i,j = (ci,j=i ccontrle,i) / (ci,j ccontrle,j) (1)

o ci,j est la concentration dun carbohydrate j reconnue par un polymre imprim i.

3.3.Lescourbesisothermesdecomplexation

Les proprits de reconnaissance et les distributions des sites dinteractions peuvent tre calcules

partir des courbes isothermes de complexation correspondantes77. Les courbes sont une mesure du

comportement de la reconnaissance molculaire des MIPs par rapport la variation de

concentration de lanalyte. Elles sont reprsentes comme la concentration reconnue par le

polymre (B) en fonction de la concentration libre danalyte en solution (F) (Figure 16). premire

vue, la ligne courbe dans lisotherme du polymre imprim indique la prsence de sites de liaisons


43

spcifiques l'intrieur du MIP, tandis qu'une ligne droite dans le cas du polymre de contrle,

indique seulement l'existence de fixations non spcifiques de lanalyte77b.

Figure 16. Courbes isothermes de complexation pour un polymre imprim et un polymre de contrle.

Diffrentes corrlations mathmatiques ont t tablies pour mettre en relation la quantit danalyte

reconnue par le polymre (B) et la quantit libre en solution (F). En gnral, ces corrlations sont

bases sur deux modles daffinit : homogne et htrogne. Le modle daffinit homogne

suppose que les sites d'interaction l'intrieur de la matrice de polymre ont seulement une certaine

forme, avec une seule srie de paramtres de reconnaissance (le nombre total des sites de

reconnaissance N, la constante d'affinit K). Dans le deuxime cas, le modle daffinit htrogne,

on suppose l'existence de deux ou plusieurs types de sites d'interactions, chacun avec une constante

daffinit diffrente (Ki). Les deux types de modles sont discuts brivement.

Le modle daffinit homogne est le mme que celui utilis dans les structures homognes des

enzymes, des anticorps et des rcepteurs artificiels78 et, il est facilement applicable pour la

caractrisation des MIPs, gnralement sous la forme de droites de Scatchard. Lquation

mathmatique du Scatchard plots est directement drive de lisotherme de Langmuir :

KN KB

o N et K ont respectivement t dfinis comme le nombre total de sites de reconnaissance et

comme la constante d'affinit.

Le premier essai, consiste dterminer l'volution du rapport B/F en fonction de la concentration

reconnue par le polymre (B). Tous les systmes dempreintes molculaires qui correspondent une

rgression linaire comme celui illustr dans la figure 17a, sont caractriss par un modle

homogne de sites daffinit.

Polymre imprim

Polymre decontrle

B

F


44

Figure 17. Scatchard plots pour un polymre imprim contenant des sites dinteraction homognes (a) et pour un polymre imprim contenant de sites dinteraction htrognes (b).

La pente de la ligne correspond la constant daffinit (K) et la valeur x intersection correspond

au nombre total des sites de reconnaissance N.

Malheureusement, la plupart des MIPs ne suivent pas le modle homogne de sites daffinit

(Figure 17a). Cela peut tre attribu au fait que les sites dinteraction des polymres imprims,

contrairement aux enzymes ou aux anticorps, prsentent de grandes diffrences dans la taille, la

forme, la rigidit et l'affinit. Le graphique du Scatchard plots ressemble celui de la figure 17b, o

deux lignes droites peuvent tre diffrencies : une correspondant des sites haute affinit et

lautre des sites faible affinit. Cependant, ce dernier moyen danalyse est trop simple pour

caractriser avec prcision lhtrognit des polymres imprims, et est trop difficile utiliser

lorsqu'on veut comparer deux polymres diffrents avec diverses concentrations de l'analyte23. Pour

surmonter ce problme, les courbes isothermes ont rcemment t analyses avec lquation de

Freundlich31,73,74 :

B = aFm

Tout d'abord, la reconnaissance du polymre est reprsente sous la forme de log B en fonction de

log F (Figure 18a). La ligne droite obtenue correspond lquation de Freundlich sous sa forme

logarithmique :

log B = m log F + log a

o m et a sont respectivement deux paramtres correspondants la pente et la valeur de

10(y-intersection). Ces deux variables permettent de calculer le nombre des sites dinteractions (Ni) qui

ont une certaine constante daffinit (Ki), par l'quation suivante (Figure 18b) :

Ni = 2.3 am (1 - m2) Ki-m

B/F

(m

ol/g

* L

/mm

ol)

B (mol/g)

pente = -K x intersection = N

a

B/F

(m

ol/g

* L

/mm

ol)

B (mol/g)

b

sites haute affinit

sites faible affinit


45

Le minimum (Kmin) et le maximum (Kmax) de la distribution de constante d'affinit sont donns

dans la pratique, par les limites de concentration de l'analyte, utiliss lors des essais d'incubation

avec le polymre imprim :

Kmin = 1 / Fmax Kmax = 1/ Fmin

Figure 18. Reprsentation de lquation Freundlich (a) et de la distribution des constantes daffinits (b et c) (d'aprs la rfrence 77a)

La courbe de la figure 18b, peut galement tre reprsente sous forme logarithmique (Figure 18c).

De cette faon, une ligne droite est obtenue, et la pente reprsente le paramtre m vu

prcdemment. Cette variable, gnralement appele indice dhtrognit, est une mesure de

l'htrognit du systme et sa valeur est comprise entre 0 et 1. Plus la valeur est proche de 1 plus

le systme est considr comme homogne, avec une distribution des constantes daffinit plus

troite.

log

B (

mol

/g)

log F (mmol)

N (K

) (m

ol/g

)

log K (1/M)

log B = m log F + log a Ni = 2.3 am (1 - m2) Ki-m

log

N (

mol

/g)

log K (1/M)

log N vs log K

pente = -m

Kmin Kmax

(a) (b)(c)

Introductiondestravauxdethse

46

44..IInnttrroodduuccttiioonnddeessttrraavvaauuxxddeetthhssee

Ltude des rsultats publis dans la littrature sur la polymrisation en mini-mulsion, montrent

que grce cette technique, nous pouvons obtenir des particules de polymre sphriques, avec un

bon contrle du processus et des cintiques de polymrisation67,68. Les nanosphres formes

montrent un haut degr dhomognit compar aux particules obtenues par polymrisation en

masse. La technique a t aussi utilise pour synthtiser des MIP, dans lequel les sites de

reconnaissance sont localiss sur la surface, avec donc une amlioration significative des

pourcentages d'extraction du template aprs polymrisation, et de laccessibilit des sites par la

molcule cible70.

Outre cette amlioration dans la prparation des MIP, lapproche semi-covalente qui combine

l'avantage des stratgies covalente et non-covalente, a galement t dveloppe pour amliorer le

contrle de la micro-impression de polymres26b. Le rsultat est une diminution nette des

interactions non spcifiques qui gnralement, en particulier dans une approche non-covalente,

provoquent un faible effet d'impression.

Dans le cadre de mes travaux de thse nous avons dvelopp une nouvelle mthode d'impression

molculaire qui combine lapproche semi-covalente et la mthode de polymrisation en

mini-mulsion one-stage. L'association des deux concepts devrait conduire des MIP avec des

proprits de reconnaissance molculaire probablement amliore, avec un faible indice de

polydispersit et surtout avec une population de sites daffinit plus homogne compar la

polymrisation en bulk . De plus, l'impression molculaire en surface des nanosphres prpares

par polymrisation en mini-mulsion one-stage, devrait assurer une meilleure accessibilit et

extraction du template aprs polymrisation, qui reste ce jour, l'un des principaux inconvnients

de l'approche semi-covalente.

Pour la ralisation de la nouvelle mthode d'impression molculaire deux systme de templates ont

t tudis: les molcules phosphores et les monosaccharides. Le chapitre 1 de ce de ce manuscrit

dcrira la synthse de nouveaux templates tensioactifs phosphors, et leur utilisation pour permettre

de contrler le "design" des empreintes molculaires la surface des nanoparticules. En effet, grce

ces molcules phosphores il a t possible de mettre en place plusieurs points d'ancrage dans les

sites de reconnaissance des polymres imprims. Nous nous sommes intresss linfluence de

laugmentation du nombre des points d'ancrage sur la capacit et la slectivit des MIP.

Par ailleurs, nous nous sommes employs la prparation de polymres imprims comme

rcepteurs artificiels des monosaccharides, en particulier des drivs du glucose. Avant de dcrire la

synthse de ces rcepteurs artificiels, nous avons ralis dans le chapitre 2, un tat de l'art sur tout

Introductiondestravauxdethse

47

ce qui a t consacr, jusqu' aujourd'hui, limpression des monosaccharides avec les diffrentes

approches d'impression molculaire.

Dans le chapitre 3, nous expliquerons la prparation des empreintes molculaires laide dun

template tensioactif bas sur le glucose. Les rsultats obtenus lors des tests de complexation du

glucose, en termes de capacit et de slectivit vis--vis des autre pimres, ont t compars aux

donnes de la littrature. Dans ce chapitre, nous discuterons galement de l'application de diffrents

modles mathmatiques (Bi-Langmuir et Freundlich), afin d'obtenir des informations sur le degr

d'homognit des sites d'interactions forms avec la nouvelle mthode d'impression molculaire.

Enfin, aprs une conclusion gnrale sur ce travail de thse, les dernires sections de ce manuscrit

seront consacres la partie exprimentale et aux notes bibliographiques.

Chapitre 1

Nouvelle approche pour la synthse des empreintes molculaires

Nouvelleapprochepourlasynthsedesempreintesmolculaires

51

55..CCoommbbiinnaaiissoonn ddee llaapppprroocchhee sseemmiiccoovvaalleennttee aavveecc llaa mmtthhooddee ddeeppoollyymmrriissaattiioonneennmmiinniimmuullssiioonnoonneessttaaggee

5.1.Descriptionsduprocdd'impressionmolculaire

La nouvelle approche tudie et mise au point consiste copolymriser un template polymrisable

tensioactif (T) (Schma 1), caractris par la prsence simultane dune partie polymrisable

hydrophobe et dune tte polaire soluble dans leau. Pendant le processus de mini-mulsification

huile dans l'eau en prsence de l'agent de rticulation, d'un tensioactif (SDS) et d'un initiateur

radicalaire de polymrisation (AMBN), un ensemble de micelle ayant un diamtre compris entre 50

et 500 nm est obtenu. Compte tenu de sa nature, le template T va se positionner sur la surface de

ces micelles linterface entre la phase organique et la phase aqueuse (Schma 1). Les micelles sont

ensuite polymrises pour obtenir un latex de nanoparticules. Aprs rupture des liaisons covalentes

(esters mthacryliques) et extraction du template, les sites de reconnaissance devraient tre situs

la surface des nanosphres (Schma 1). La reconnaissance molculaire du template a lieu grce

des interactions non-covalentes (liaisons hydrogne) entre les fonctions alcools prsentes sur la

molcule modle et les acides carboxyliques prsents dans les cavits des nanosphres imprimes

(Schma 1). Dans la premire partie de mes travaux de thse, nous avons tudi les phnomnes qui

rgissent cette nouvelle technique d'impression molculaire. Nous nous sommes intresss

linfluence de laugmentation du nombre dacides carboxyliques, prsents l'intrieur des sites de

reconnaissance, sur la capacit et la slectivit de MIPs. Ainsi, une srie de templates base

doxyde de phosphine fonctionnaliss (tensioactifs et polymrisables, T1-T3, Figure 19), a t

synthtise avec aucune (T1), une (T2) ou deux (T3) fonctions esters mthacryliques.

P

O

OSO39 HN

P

O

OSO39

HNO

OP

O

OSO310

O

O

O

O

HN

T1 T2 T3

P

O

OP

O

O

OH P

O

O

OH

HO

P

O

O

2 431

Figure 19. Structures des templates phosphors T1-T3 et des analytes 1-4


52

Schma 1. Description du procd de prparation des nanosphres fonctionalises et imprimes en surface par lapproche semi-covalente, en utilisant la mthode de polymrisation en mini-mulsion.

Template polymrisable et tensioactif (T)

HN

O

O

O

O O

O

OSO3

1. Design du template:

2. Mini-mulsification et prparation des nanosphres imprimes en surface:

3. Reconnaissance molculaire de l'analyte par liaisons hydrognes:

OH O OHO

HO

OH HO

HOO

HO

OHHO

Template

Nanosphres

OH O OH O

HO O

Complexe MIP-Template

O

O

O

O

OO

O3SO

phase aqueuse

Template polymrisable et tensioactif (T)

Monomre / Agent de rticulation

Tensioactif: SDS

a) Mini-

mulsification

Mini-mulsion stable Taille de gouttelettes : 30-500 nm

b) Polymrisation

c) Lavages

d) Clivage et extraction

Latex de nanoparticules

Nanosphres imprimes en surface

HO O

O H O

O H O

phase organique

Initiateur radicalaire de polymrisation


53

Ce type de templates phosphors (T1-T3) a t choisi pour deux raisons principales. La premire,

est que latome de phosphore permet de quantifier exactement le template introduit et extrait du

polymre grce lanalyse lmentaire du phosphore du matriau; la seconde, est que limpression

des esters phosphoriques a dj t utilise pour la formation de rcepteurs artificiels pour la

dtection des phosphates dans leau79, pour la catalyse des ractions dhydrolyse d'esters

carboxyliques80 et des ractions de transestrifications81 bases sur le principe de la stabilisation de

ltat de transition (TSA). Ces travaux nous permettrons de comparer nos rsultats avec ceux dcrit

pour dautres systmes de polymres imprims, au niveau de leur capacit et slectivit.

La prparation de polymres dans les conditions de mini-mulsion (styrne, divinylbenzne,

AMBN, SDS, H2O) avec les templates T1, T2 ou T3, suivie de lavages (extraction) dans le premier

cas (T1), ou dune tape dhydrolyse des fonctions esters dans les deux autres (T2-T3), a conduit

la formation de MIP dont les sites de reconnaissance correspondants possdent respectivement

aucun (IPT1), un (IPT2) ou deux (IPT3) acides carboxyliques. Diffrents tests de reconnaissance

croiss avec les analytes 1-4 (Figure 19) ont t raliss afin de mettre en vidence la relation entre

la structure du site de reconnaissance des MIPs et leur capacit et slectivit.

Avant de dcrire nos rsultats, une analyse bibliographique sur l'utilisation des templates

phosphors employs dans la prparation des polymres imprims est ncessaire pour faciliter la

comparaison avec les rsultats obtenus avec les polymres synthtiss au laboratoire.

5.2.AntcdentbibliographiquedesMIPsprparsavecdestemplatesphosphors

5.2.1.Ractionsd'hydrolysed'esters

Comme cela a t rappel prcdemment, l'une des principales applications de molcules template

contenant du phosphore (V) repose sur leur utilisation pour la prparation des polymres imprims

possdant une activit catalytique dans les ractions dhydrolyse d'esters carboxyliques80. La

gomtrie ttradrique de l'atome de phosphore dans les esters phosphoriques a t utilise pour

mimer l'tat de transition de l'hydrolyse d'ester (TSA)80c. Pour cette raison, les cavits d'un

polymre imprim prpar avec un template base d'ester phosphorique, est capable de stabiliser

l'tat de transition d'hydrolyse d'une fonction ester et donc prsenter des proprits hydrolytiques.

Un des premiers exemples sur ce concept t report par le groupe de Mosbach en 198980a. Dans

cette rfrence, les auteurs ont synthtiss le p-nitrophnol mthyl phosphonate comme template

mimant l'analogue de l'tat de transition (TSA) de la raction d'hydrolyse du p-nitrophnyle actate.

Le polymre imprim prpar avec ce template a montr une activit catalytique de 60% plus

importante que celle observe avec le polymre de contrle. Le plus grand inconvnient de cette


54

mthode a t la forte inhibition de sites catalytiques par l'tat de transition d'hydrolyse de l'ester.

Cette observation a donn la preuve que les cavits formes sont tout fait complmentaires l'tat

de transition de la raction.

Quelques annes plus tard, le mme groupe de recherche a rapport un autre exemple d'hydrolyse

catalytique d'ester82. Dans ce cas, le template phosphor montr dans la figure 20a, est complex

avec le monomre fonctionnel N,N'-diethyl (4-vinylphnyl)amidine (DEVPA), pour assurer des

fortes interactions avec le template dans le complexe de pr-polymrisation. Aprs polymrisation

et extraction du template, le polymre imprim est utilis pour catalyser la raction d'hydrolyse

reprsente dans la figure 20b.

N

NEt

Et

H

HO

O

PO

O O

H HN N

Et Et

1) Polymrisation

2) Extraction du templateMIP

catalytique

complexe de pr-polymrisation

O

OH

O

O

MIPcatalytique

H2OO

OH

O

OH HO

a

b

Figure 20. a)Prparation d'un polymre imprim utilisant un acide phosphonique mono-ester comme mime de l'tat de transition; b) Hydrolyse catalytique d'un ester (d'aprs la reference 82).

L'activit catalytique du polymre imprim est 5 fois plus grande que celle avec le polymre de

contrle. Ainsi la raction d'hydrolyse conduite avec le polymre imprim est acclre d'un facteur

100 par rapport la raction conduite en solution homogne sans catalyseur. Par contre, mme dans

ce dernier exemple, les auteurs ont constat un taux d'inhibition important due l'acide

carboxylique form aprs l'hydrolyse. Le problme d'inhibition par le produit d'hydrolyse a t

ensuite tudi par le mme groupe de recherche83. L'tude a t consacr l'hydrolyse de diphnyl


55

carbonate et carbamate qui la diffrence de l'hydrolyse d'un ester, ne produit pas de produits

d'hydrolyses qui inhibe les sites catalytiques l'intrieur du polymre imprim. La constante

cintique Michaelis-Menten dans ce type de systme catalytique est augmente d'un facteur 588

dans le cas de l'hydrolyse du carbonate et d'un facteur 1435 dans le cas du carbamate, par rapport

la mme raction conduite en solution. En comparaison, la raction mene avec le polymre de

contrle l'activit catalytique est augmente d'un facteur 10. Cette tude a galement montr que

l'activit catalytique est plus grande pour un polymre imprim prpar par polymrisation en

suspension par rapport au polymre synthtis par polymrisation en masse. Ce dernier rsultat

suggre donc que la morphologie du polymre une importance fondamentale pour une bonne

slectivit et activit catalytique84.

Sellergren et Shea ont galement mens des tudes sur l'hydrolyse nantioslective d'ester catalyse

par des polymres imprims (Figure 21)80b,80c.

OH

O

PO

OO

NNH

HNO

O

O

OO

O

PO

OO

NNH

HNO

O

H O

O

HO

O

HO

NNH

H O

O

HO

O

MMA EGDMA

Polymrisation

Extraction

MIP

Figure 21. Hydrolyse nantioslective de l'ester phnylalanine catalyse par les MIP (d'aprs la rfrence 80b).

O R

NHO

O

O

MIP

H2O

OHHNO

O

O

ROH

Raction d'hydrolyse tudie'


56

Une srie de template phosphors (chiraux et polymrisables) ont t synthtiss. Aprs

copolymrisation avec de l'EGDMA et de l'acide mthacrylique, le template est extrait par

hydrolyse pour gnrer une fonction phnol, imidazole et acide carboxylique dans le site de

reconnaissance du polymre (Figure 21). Les polymres imprims ont montrs une activit

catalytique 10 fois plus importante compare la raction en solution homogne.

5.2.2.MIPscommercepteursd'analytesphosphors

Les pesticides organophosphors sont largement utiliss pour augmenter les rendements des

cultures85. Le phosphate qui se libre par dcomposition de ces pesticides provoque durant la saison

d't, la prolifration des algues et des mauvaises odeurs dans les eaux des rivires, des lacs et des

rservoirs. Il est donc important de dvelopper des systmes pour la rcupration et l'limination du

phosphate dans les milieux aqueux86.

Au cours des dernires annes le dveloppement de rcepteurs artificiels pour les molcules

phosphores a t concentr sur l'utilisation des structures contenant le groupement thioure. Cette

fonction semble avoir des fortes interactions avec les phosphates et de nombreux groupes de

recherche ont dcrit la prparation de rcepteurs artificiels pour des analytes phosphors en utilisant

cette unit87. Le groupe de Kugimiya a tudi la prparation des polymres imprims slectifs pour

les phosphates, contenant le groupe thioure (Figure 22)79.

Figure 22. Reprsentation schmatique de la prparation de polymres imprims pour la reconnaissance des phosphates en prsence de 1-allyl-2-thiourea comme monomre fonctionel (d'aprs la rfrence 79).

EGDMA

Polymrisation

Lavages

Reconnaissance molculaire

Lavages


57

Le compos 1-allyl-2-thioure et le diphnyl phosphate ont t utiliss comme monomre

fonctionel et comme template respectivement. Les polymres imprims ont t prpars en prsence

de EGDMA comme agent de rticulation par polymrisation en masse. Aprs extraction du

template, le polymre a t valu dans la reconnaissance des phosphates par chromatographie

liquide haute performance. Les polymres imprims ont montr une capacit exprimentale de 256

mol par g de polymre et une constate de dissociation KD de 10,3 mol.

Par la suite, la fonction ure a t trs largement tudie dans la complexation d'autres

phosphates88,89. Dans un exemple rapport par Sellergren88, les polymres imprims ont t

prpars en utilisant le monomre fonctionel prsent dans la figure 23. Ce monomre a t utilis

en quantit stchiomtrique (approche non-covalente stchiomtrique) et avec en excs pour

complexer les templates phosphors (Figure 23). Les polymres imprim

thèse approche semi-covalente pour la préparation de...

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