Analyse de mélanges de composés organiques par RMN via la diffusion de spin (MIXDIFF)

par François Pedinielli

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Jean-Marc Nuzillard.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences Fondamentales et Santé (Reims, Marne) , en partenariat avec ICMR - Institut de Chimie Moléculaire de Reims (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    L'identification des molécules organiques en mélange constitue un enjeu central dans la grande majorité des activités humaines en relation avec la chimie (santé-beauté, énergie, matériaux, etc.). Les processus qui conduisent à la transformation des ressources naturelles, tant issues de l'industrie pétrolière que de l'exploitation de la biomasse, vers des produits d'usage à fort tonnage ou de spécialité à forte valeur ajoutée produisent rarement des composés chimiquement purs, même si les chimistes ont pour objectif de créer des procédés à la fois propres et écologiquement responsables. Dans l'état actuel des connaissances, l'analyse des mélanges, associée à la conduite des processus de transformation chimique de la matière, reste une nécessité et les moyens efficaces pour l'effectuer restent à développer. Le projet MIXDIFF propose aux chimistes une méthodologie innovante et prometteuse dans l'analyse de mélanges de composés organiques en solution par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) qu'ils soient issus de la synthèse organique ou du fractionnement d'extraits naturels en provenance des secteurs académiques (Universités et autres organismes publics de recherche) et industriels (industrie dermo-cosmétique, pharmaceutique, etc.). Les méthodes d'analyse proposées reposent sur l'utilisation du phénomène de diffusion de spin et ne requièrent aucune séparation physique des constituants du mélange étudié. L'observation de la diffusion de spin en RMN des liquides pour l'étude de molécules organiques de taille modérée nécessite un solvant (ou un mélange de solvants) visqueux. En effet, l'utilisation de ces solvants visqueux à une température adéquate ralentit suffisamment les mouvements de rotation intramoléculaire des composés en mélange permettant simplement et rapidement via une expérience RMN NOESY 1D ou 2D à chaque molécule de transférer son aimantation sur l'ensemble de ses noyaux via la diffusion de spin. En conséquence, les déplacements chimiques des noyaux d'une même molécule sont tous corrélés entre eux, il devient alors possible d'individualiser le spectre RMN de chaque composé en mélange. Le projet MIXDIFF s'articule autour de 3 tâches : 1) la recherche de nouveaux solvants (ou mélanges de solvants) visqueux efficaces afin de répondre aux trois exigences suivantes : solubilisation des molécules du mélange en fonction de leur polarité relative, résolution spectrale de qualité et diffusion de spin efficace permettant le transfert d'aimantation intramoléculaire, 2) la mise au point de nouvelles méthodes d'acquisition originales de spectres de RMN améliorant l'efficacité du transfert d'aimantation par la diffusion de spin, 3) la mise au point de méthodes de traitement automatisé des spectres de RMN pour l'extraction des spectres individuels des éléments d'un mélange. La simplicité de la mise en œuvre des méthodes est au cœur du projet MIXDIFF de manière à assurer sa large diffusion auprès de la communauté scientifique des milieux académiques et industriels.

  • Titre traduit

    Chemical analysis of organic compound mixtures by NMR using spin diffusion


  • Résumé

    The identification of organic molecules in mixture is a crucial issue in the vast majority of human activities related to chemistry (healthcare, energy, materials, etc.). Transformation processes that lead from natural resources, either from fossil carbon industry or biomass exploitation, to low-value products in large amounts or to high-value speciality products including pharmaceutical and cosmetic active ingredients, rarely produce chemically pure compounds. In the current state of knowledge, mixture analysis remains a necessity and effective means to carry it out remain to be developed. In this context, the goal of the MIXSPINDIFF project is to provide the academic and industrial actors of organic synthetic and natural product chemistry with an innovative and promising analytical tool based on the spin-diffusion phenomenon and dedicated to mixture analysis of small molecules by means of liquid-state NMR, without resorting to any physical separation of mixture components. Applications concern mainly the pharmaceutic, chemistry and cosmetic industries. This project is based on the development of analytical methods suitable for the structural characterization of organic compounds of low molecular weight in a mixture, either obtained by synthesis (products of interest or by products) or extraction from natural or biotechnological resources since the structural characterization of these compounds is a mandatory step for establishing their structure-property and/or structure-function relationships. The MIXSPINDIFF project is structured into three task packages: 1) the search for new efficient viscous solvents or solvent blends suitable for mixture analysis, 2) the design of new NMR experimental methods for the production of mixture component spectra suitable for structure determination and 3) application of our analytical methods to the investigation of essential oils in viscous media for assessing its effectiveness and robustness. The MIXSPINDIFF project will be undertaken at the Reims Institute of Molecular Chemistry (ICMR, UMR 7312 CNRS) of the University of Reims-Champagne-Ardenne (URCA) which hosts research teams in various aspects of molecular chemistry. Dr. Pedro Lameiras, hired in 2009 as an associate professor in the “Chimie des Substances Naturelles (CSN)” team at ICMR, will be the coordinator of the project MIXSPINDIFF and will have the opportunity to increase his responsibility level inside ICMR by building up his own research team. The MIXSPINDIFF project will address several issues in mixture analysis by means of NMR and will have scientific impact in physical chemistry, analytical chemistry and chemical synthesis. All the methods developed throughout the project will be available to the scientific community in the form of user-friendly downloadable protocols. These methods will also be available through the ”PlAneT” analytical facility, at the University of Reims-Champagne-Ardenne, for users from both academia and the private sectors. The new promising tools elaborated during this project will be suitable for a broad range of applications in the study of small molecules in mixture by NMR spectroscopy.