Synthèse et étude de récepteurs moléculaires fluorescents pour la détection de molécules neutres

par Charlotte Remy

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Isabelle Leray.

Le président du jury était Jean-Pierre Mahy.

Le jury était composé de Isabelle Leray, Jean-Pierre Mahy, Isabelle Gosse, Olivier Mongin, Olivia Reinaud, Clémence Allain.

Les rapporteurs étaient Isabelle Gosse, Olivier Mongin.


  • Résumé

    La détection de molécules toxiques pour l’Homme et son environnement est d’une importance cruciale et fait partie des préoccupations majeures de la société actuelle. Les résidus de pesticides tels que l’atrazine ainsi que la mélamine font notamment partie de ces molécules dangereuses pour la santé humaine. Ces deux molécules sont principalement dosées par des techniques lourdes et coûteuses comme la spectrométrie de masse, la chromatographie ou l’électrochimie. De même, la détection des amines biogéniques représente un intérêt sociétal. Elles sont produites par des bactéries durant la décarboxylation des acides aminés dans les cellules. Leur détection permet ainsi d’évaluer la contamination microbiologique et la dégradation potentielle d’un aliment. Elles sont aujourd’hui dosées par chromatographie en phase liquide ou en en phase gaz, par électrochromatographie capillaire et par spectroscopie UV-visible. Quelques exemples de détection par fluorescence ont déjà été décrits dans la littérature mais la nécessité de développer de nouveaux récepteurs fluorescents efficaces est bien réelle.La fluorescence est une technique qui offre de multiples avantages tels que la sensibilité, la sélectivité et un faible coût. De nombreuses sondes fluorescentes capables de détecter des métaux lourds ont été développées au laboratoire PPSM. Cependant, la détection de molécules neutres par fluorescence représente un défi supplémentaire en raison de la nature plus faible de l’interaction, comparée à celle entre espèces chargées.La première étape de cette thèse a été de concevoir et de synthétiser un ensemble de sondes moléculaires fluorescentes, aussi bien pour la détection de l’atrazine, de ses produits de dégradation et des dérivés de la mélamine que pour la détection des amines biogéniques. Des fluorophores dérivés de la molécule de maléimide, de naphthalimide et de l’acide barbiturique ont ainsi été développés pour sonder les dérivés de triazine en exploitant leur système de trois liaisons hydrogène pour la reconnaissance moléculaire. De même, un calix[6]arène fluorescent a été conçu pour déceler la présence des amines biogéniques qui provoqueront une réponse fluorescente par encapsulation dans le calixarène.La deuxième étape a consisté à étudier les propriétés photophysiques de ces sondes. La sonde Naphth-AlcyneOMe possède un rendement quantique élevé, s’est révélée fortement solvatochrome. Elle est de plus sensible à la déprotonation de sa fonction imide. Des études RMN et de modélisation moléculaire ont également été menées afin de caractériser les sondes de manière plus approfondie et de comprendre plus précisément leur réactivité. La spectroscopie RMN a confirmé l’interaction par liaison hydrogène entre les sondes maléimide et naphthalimides et la molécule d’atrazine. Elle a aussi mis en évidence l’encapsulation de l’heptylamine dans le calix[6]arène. Pour sa part, la modélisation moléculaire nous a permis de mieux comprendre la photophysique de la sonde Naphth-TriazoleOMe.Enfin, la capacité des sondes à détecter les divers analytes cibles par fluorescence a été évaluée lors de la dernière étape de ce projet. La sonde TPA-BARB a présenté une forte exaltation de fluorescence en présence des dérivés de mélamine alors que le calix[6]arène-quinoléine Calix-Quino est capable de détecter les amines aliphatiques par fluorescence.

  • Titre traduit

    Synthesis and spectroscopic studies of fluorescent probes for the detection of neutral molecules


  • Résumé

    The detection of molecules toxic for man and his environment is one of the major concerns of our society. Melamine and the pesticide residues such as atrazine are some of these dangerous molecules. These two molecules are usually measured with time-consuming and costly techniques like mass-spectrometry, chromatography or electrochemistry. In the same way, the detection of biogenic amines is of the greatest importance. They are produced by some bacteria during the decarboxylation of amino acids in the cells. So their detection allows to assess the microbiologic contamination and the potential degradation of a food. Today they are measured by chromatography in the liquid or gas phase, capillary electrochromatography and UV-visible spectroscopy. Some examples of detection by fluorescence have been described in scientific literature, but it is really necessary to develop some new efficient fluorescent receptors.Fluorescence is a technique which offers many advantages such as sensitivity, selectivity and a low cost. A lot of fluorescent probes able to detect heavy metals have been developed in PPSM laboratory. However the detection of neutral molecules by fluorescence represents an additional challenge as the interaction is weaker than with charged species.The first step of this thesis was to design and synthesize a set of fluorescent molecular probes designed to detect atrazine, the products of its degradation and melamine derivatives as well as biogenic amines. Some fluorophores based on maleimide, naphtalimide and barbituric acid moieties have been developed for the detection of the triazines derivatives by exploiting their three hydrogen bonds for molecular recognition. In order to detect the presence of biogenic amines, a fluorescent calix[6]arene which lead to a fluorescent change upon encapsulation in the calixarene cavity has been designed.The second step consisted in studying the photophysical properties of these probes. Naphth-AlcyneOMe probe which has a high quantum yield turned out to be highly solvatochromic. Moreover it is sensitive to the deprotonation of its imide function. NMR studies and molecular modeling were conducted in order to deepen the characteristics of the probes and better understand their reactivity. NMR spectroscopy confirmed the interaction through hydrogen bonding between maleimide and naphtalimide probes and the atrazine molecule.It highlighted the encapsulation of heptylamine in the calix[6]arene. Molecular modeling enabled us to better understand the photophysics of Naphth-TriazoleOMe probe.Finally the capacity of probes to detect the various analytes by fluorescence was assessed in our last part. TPA-BARB probe presented a high exaltation of fluorescence in presence of melamine derivatives whereas the calix[6]arène-quinoleine Calix-Quino is able to detect aliphatic amines by fluorescence.


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