Complexation des actinides et des lanthanides avec les nucléotides d'adénosine phosphate

par Sarah Mostapha

Thèse de doctorat en Chimie séparative matériaux et procédés

Sous la direction de Christophe Den Auwer.

Soutenue le 18-12-2013

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut de Chimie Séparative de Marcoule (laboratoire) .


  • Résumé

    Les composés organophosphorés sont des molécules importantes aussi bien dans le domaine de l'industrie nucléaire que pour les systèmes vivants. En effet, plusieurs extractants à la base de procédés du cycle de retraitement du combustible sont des molécules organophosphorées (TBP, HDEHP par exemple) et dans le domaine biologique les nucléotides sont des organophosphates qui jouent un rôle très important dans différents processus métaboliques.Si la littérature concernant les interactions des phosphates inorganiques avec les actinides est abondante, les études publiées avec des composés organophosphates se limitent généralement à des approches macroscopiques et/ou physiologiques. L'objectif de cette thèse est d'étudier la structure des plusieurs molécules organophosphorées avec des actinides pour affiner la compréhension et développer de nouveaux édifices spécifiques. La famille de molécules retenue pour cette approche est composée de 3 nucléotides d'adénine mono, bi et triphosphate (AMP, adénosine monophosphate – ADP, adénosine diphosphate - ATP, adénosine triphosphate) et d'un aminoalkylphosphate (AEP, O-phosphoryléthanolamine). La synthèse en milieu aqueux et faiblement acide (2,8-4) de plusieurs lanthanides représentants des actinides(III) (Lu, Yb, Eu) et d'actinides (U(VI), Th(IV) et Am(III)) a été réalisée. Plusieurs techniques analytiques et spectroscopiques ont été employées pour décrire la structure des complexes obtenus: les analyses spectrométriques réalisées par FTIR et RMN ont permis d'identifier les groupes fonctionnels impliqués dans la complexation, les analyses par ESI-MS et par titrage pH-métrique ont permis d'affiner la spéciation en solution et les analyses par EXAFS réalisées sur la ligne MARS du synchrotron SOLEIL, ont permis de décrire l'environnement proche des cations, tant pour des composés solides que pour des solutions. Quelques approches théoriques par DFT pour identifier des structures stables ont complété les approches expérimentales.Tous les complexes solides (AMP, ADP, ATP et AEP) présentent des organisations polynucléaires, alors que les complexes d'ATP en solution sont mononucléaires. Dans tous les complexes synthétisés, l'interaction prépondérante entre les cations et les groupes phosphates des ligands a été démontrée. Les complexes avec les ligands monophosphatés (Lu-AMP, Lu-AEP et Th-AMP) s'organisent de manière identique avec des phosphates pontants indiquant que la partie organique n'a pas un effet important sur leurs structures.Les complexes solides d'ADP et d'ATP (avec les deux ions métalliques sphéroïdes Lu et Th) présentent beaucoup de similitudes au niveau de l'environnement local indiquant que la présence d'un troisième groupe phosphate n'a pas d'effet important sur l'organisation des complexes au niveau local. La structure fine de ces complexes n'a cependant pas pu être déterminée précisément, malgré les approches théoriques qui ont été menées.Les complexes de lanthanides et d'actinides avec l'ATP ont un comportement similaire au niveau macroscopique suggérant une structure identique au niveau moléculaire.Avec l'uranyle, le complexe U-AMP à pH acide montre une organisation moléculaire différente de celui préparée à pH basique mais avec les mêmes sites de coordination: phosphates et hydroxyles du sucre.

  • Titre traduit

    Complexation of actinides and lanthanides with adenosine phosphate nucleotides


  • Résumé

    Organophosphorus compounds are important molecules in both nuclear industry and living systems fields. Indeed, several extractants of organophosphorus compounds (such as TBP, HDEHP) are used in the nuclear fuel cycle reprocessing and in the biological field, the nucleotides are organophosphates which play a very important role in various metabolic processes. If the literature on the interactions of actinides with inorganic phosphate is abundant, published studies with organophosphate compounds are generally limited to macroscopic and / or physiological approaches. The objective of this thesis is to study the structure of several organophosphorus compounds with actinides to refine a better understanding and develop new specific buildings blocks. The family of the chosen molecules for this approach consists of three adenine nucleotides mono, bi and triphosphate (AMP, adenosine monophosphate - ADP, adenosine diphosphate - ATP, adenosine triphosphate) and an aminoalkylphosphate (AEP O-phosphorylethanolamine). Complexes Synthesis was conducted in aqueous medium and weakly acidic (2.8-4) for several representatives of lanthanides considered as actinides (III) (Lu, Yb, Eu) and actinides (U (VI), Th (IV) and Am (III)). Several analytical and spectroscopic techniques have been used to describe the organization of the synthesized complexes: spectrometric analysis performed by FTIR and NMR were used to identify the functional groups involved in the complexation, analysis by ESI-MS and pH-metric titration were used to determine the solution speciation and EXAFS analyzes were performed on Mars beamline of the SOLEIL synchrotron, have described the local cation environment, for both solution and solid compounds. Some theoretical approaches of DFT were conducted to identify stable structures in purpose of completing the experimental approaches. All solid complexes (AMP, ADP, ATP and AEP) have polynuclear structures, while soluble ATP complexes are mononuclear. For all synthesized complexes, it has been demonstrated that the dominant interaction is between the cations and the phosphate groups of the ligands. Complexes with monophosphate ligands (AMP-Lu, Lu-Th-AEP and AMP) show similar organizations with bridging phosphates indicating that the organic part does not have a significant effect on their structures. ADP and ATP solid state complexes (with two spheroid metal ions: Lu and Th) show several similarities in terms of local environment indicating that the occurrence of a third phosphate group has no significant effect on the local organization of the complex. However, despite the theoretical approaches that have been conducted, the fine structure of these complexes has not been accurately determined, Complexes of lanthanides and actinides with ATP behave similarly at macroscopic level suggesting an identical structure at the molecular level for these complexes.With uranyl, U-AMP complexe synthesized at acidic pH show different behavior at molecular level than that observed at alkaline pH but the same coordination sites (phosphates and hydroxyls ribose groups) have been demonstrated for both complexes.


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