Exploration de nouvelles voies d’enrichissement d'acides carboxyliques en oxygène-17 grâce à la mécanochimie et application à des études RMN haute résolution

Exploration of new 17O-labeling strategies for carboxylic acids using mechanochemistry and application to high resolution NMR analyses

• Auteur / Autrice : Jessica Spackova
• Direction : Danielle Laurencin, Thomas-Xavier Métro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Myrtil Kahn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Danielle Laurencin, Thomas-Xavier Métro, Myrtil Kahn, Melinda J. Duer, Krunoslav Užarević, Céline Crauste, David Touboul, Pau Bernadó
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Melinda J. Duer, Krunoslav Užarević

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène

Isotopes -- Séparation

Mécanochimie

Mots clés libres

Oxygène-17

Oxygène-18

Mécanochimie

Enrichissement isotopique

Nmr

Ms

Oxygen-17

Oxygen-18

Mechanochemistry

Isotopic labeling

Nmr

Ms

Résumé

L’oxygène est un élément omniprésent dans notre environnement, qui se trouve dans un grand nombre de composés organiques, inorganiques et hybrides. Il a trois isotopes stables: l’oxygène-16 (99.76 % d’abondance naturelle), l’oxygène-17 (0.04 %) et l’oxygène-18 (0.20 %). Les techniques analytiques qui reposent sur la signature d'isotopes stables dans des composés comprenant de l’oxygène peuvent fournir des informations intéressantes concernant leur structure et/ou leur réactivité. Malheureusement, l’abondance naturelle des isotopes 17O et 18O est très faible, et l’enrichissement en 17O/18O des composés peut être nécessaire pour pouvoir utiliser ces techniques.Dans cette thèse, des voies d’enrichissement d’acides carboxyliques ont été développées, basées majoritairement sur la mécanochimie, et en utilisant de l’eau enrichie en 17O/18O. Toutes les réactions mécanochimiques ont été réalisées à température et la pression ambiantes, et ont fourni des produits enrichis en 17O/18O rapidement, facilement et d’une manière peu coûteuse. Particulièrement, des acides gras ont été enrichis par deux protocoles mécanochimiques différentes: i) un protocole fondé sur l’activation de la fonction acide carboxylique à l’aide de CDI (1,1-carbonyldiimidazole) suivi d’une hydrolyse et ii) un protocole basé sur une saponification. Des acides aminés ont également été enrichis par la saponification mécanochimique, et ces protocoles ont été comparés à ceux par échange d’oxygènes en catalyse acide. Tous les produits enrichis ont été isolés purs avec des rendements corrects à élevés, et des taux d’enrichissement élevés. Ils ont été caractérisés par DRX, IR, MS et RMN multinucléaire, y compris par RMN solide 17O.Afin d’illustrer l’intérêt de ces nouvelles approches, l’acide oléique enrichi en 17O a été utilisé pour la préparation de matériaux: de l’oléate de zinc et des nanoparticules d’oxyde de zinc fonctionnalisées par de l’acide oléique. La structure et la réactivé de ces composés sous irradiation UV ont été étudiées par RMN solide 17O. Pour ce qui concerne les acides aminés enrichis en 17O/18O, ils ont été protégés par le groupe Fmoc et utilisés dans la synthèse des peptides RGD et GRGDS enrichis en 17O/18O, qui ont été caractérisés, entre autres, par RMN solide 17O.

Oxygen is a ubiquitous element present in many inorganic, organic and hybrid compounds. It has three naturally stable isotopes: 16O (99.76 % natural abundance), 17O (0.04 %) and 18O (0.20 %). Using analytical techniques that rely on the minor oxygen isotopes can bring additional information regarding the structure and reactivity of oxygen-containing compounds. Unfortunately, due to the very low natural abundance of 17O/18O, such analyses often require to work with compounds enriched 17O/18O.In this thesis, new labeling schemes for 17O/18O-enrichment of carboxylic acids based on mechanochemistry were developed using enriched water as a source of 17O/18O-isotopes. All mechanochemical reactions were performed at room temperature and atmospheric pressure providing 17O/18O-labeled products rapidly, in a user-friendly way and a cost-efficient manner. In particular, two different mechanochemical protocols were developed for 17O/18O-labeling of fatty acids: a CDI-activation/hydrolysis approach and a saponification approach. For the labeling of amino acids, the mechanochemical saponification was applied and the results were compared to the acid-catalysed oxygen exchange approach. All the enriched products were isolated pure in moderate to high yields, and characterized by various analyses, including 17O solid-state NMR spectroscopy.In addition, 17O-enriched oleic acid was used for the synthesis of two materials systems: zinc oleate and oleic acid-grafted ZnO nanoparticles. Oxygen-17 solid-state NMR was then used to explore their structure and to describe their reactivity under UV light irradiation. In parallel, the 17O/18O-enriched amino acids were Fmoc-protected and used for the synthesis of the 17O/18O-labeled peptides RGD and GRGDS, which were also characterized by solid-state 17O NMR.