Supramolecular artificial water channels : from molecular design to membrane materials

par Istvan Kocsis

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Mihai Barboiu.

Soutenue le 05-10-2017

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut Européen des membranes (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était André Ayral.

Le jury était composé de Mihai Barboiu, André Ayral, Pierre Aimar, Andreea Pasc, Ion Grosu, Françoise Bonnete.

Les rapporteurs étaient Pierre Aimar, Andreea Pasc.

  • Titre traduit

    Canaux d'eau artificielle supramoléculaires : de la conception moléculaire aux matériaux de membrane


  • Résumé

    Le travail décrit dans cette thèse couvre une étude fondamentale sur des canaux artificiels d'eau et sur des matériaux membranaires incorporant ces canaux. Structuré en quatre chapitres, la thèse commence par une présentation de l'état de l’art sur les systèmes biomimétiques de transport d'eau et des membranes biomimétiques. Au centre de tous ces travaux de recherche sont les protéines biologiques hautement efficaces et sélectives, les Aquaporines. Le deuxième chapitre présente les canaux artificiels d'eau à base d'imidazole-quartet. Les similitudes structurelles et fonctionnelles avec les Aquaporines sont discutées et caractérisées par plusieurs méthodes expérimentales. Les structures à l'état solide obtenues à partir de monocristaux présentent une organisation très similaire des I-quartets avec leurs homologues biologiques. Le biomimétisme fonctionnel du transport de l'eau a été démontré par des expériences cinétiques de transport à travers des systèmes vésiculaires. Le mécanisme de translocation de l'eau et l'organisation confinée dans des environnements lipidiques a été confirmé par des simulations dynamiques moléculaires, tandis que la preuve physique de l'eau orientée dipolaire dans les canaux intégrés aux lipides a été fournie par des expériences de spectroscopie IR polarisée. Le troisième chapitre présente de nouveaux canaux d'eau artificiels en utilisant une stratégie d'auto-assemblage. De nouveaux composés à base de diol, de tétrazacrown et de tryarilamine capables de transporter l'eau sont décrits. Le dernier chapitre décrits le passage du niveau moléculaire aux matériaux membranaires macroscopiques incorporant des canaux d'eau artificiels. Deux configuration membranaires différentes ont été décrites: des membranes en couche mince par l'incorporation de nanoparticules à base d'imidazole dans des polymères de polyamide et des membranes de la cellulose régénérée chimiquement greffée par des monomères de canaux d'eau artificiels. Les membranes ont été caractérisées par diverses méthodes d'imagerie et d'analyse et leurs performances ont été testées dans des expériences d'osmose inverse et de filtration d'osmose directe. La thèse est conclue avec une partie de conclusion générale, comprenant des perspectives pour les développements futurs.


  • Résumé

    The work described in this thesis covers an in depth fundamental study of artificial water channels and of membrane materials incorporating these channels. Structured in four chapters, the thesis begins with a presentation of the state of the art in the field of biomimetic systems and membranes for water transport. The center of the described research work is the family of highly efficient and selective biological water transporter proteins, the Aquaporins. The second chapter presents the description of imidazole-quartet supramolecular artificial water channels. Structural and functional similarities with Aquaporins are discussed and based on several experimental methods. Single-solid state structures present very similar organization of confined water wires as found in their biological counterparts. Functional mimicry of water transport has been proved through stopped flow experiments in vesicular systems. Further characterization concerning water translocation mechanism and confined organization in lipid environments have been obtained through molecular dynamic simulations, while physical evidence of dipolar oriented water in lipid embedded channels has been provided by sum frequency generation experiments. The third chapter presents novel artificial water channels. New diol, tetrazacrown and tryarilamine based compounds have been described, with a main focus on design, synthesis, self-assembly and water transport properties. The last chapter makes the transition from the molecular systems to macroscopic membrane materials incorporating artificial water channels. Two different approaches have been described: thin film nanocomposite membranes based on the incorporation of imidazole-quartet nanoparticles in polyamide polymers and chemically grafted regenerated cellulose membrane through the use of custom monomers for the obtaining of artificial water channels. The membranes have been characterized through various imaging and analytical methods and their performances have been tested in reverse and forward osmosis experiments. The thesis is concluded with a general conclusion part, including perspectives for future developments.


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