Etudes des cinétiques et thermodynamiques de l’isomérisation par Tandem IMS-MS

Study of isomerization kinetics and thermodynamics by Tandem IMS-MS analysis

• Auteur / Autrice : Aurélien Le Fèvre
• Direction : Fabien Chirot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Analytiques
• Jury : Président / Présidente : Rodolphe Antoine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Chirot, Pascal Gerbaux, Hélène Lavanant, Sarah Cianférani-Sanglier, Isabelle Compagnon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Gerbaux, Hélène Lavanant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Innovation

Spectroscopie -- Instruments

Cinétique chimique

Isomérisation

Spectrométrie de masse

Spectroscopie de mobilité ionique

Conformation

Gaz

Mots clés libres

IMS

Tandem IMS

Développement instrumental

Isomérisation

Cinétique

Thermodynamique

Activation

IMS

Tandem IMS

Instrument development

Isomerization

Kinetics

Thermodynamics

Activation

Résumé

L’étude des conformations de composés moléculaires, ainsi que des différents chemins par lesquels ces composés peuvent en changer, est d’une importance fondamentale pour la compréhension et l’utilisation de leurs propriétés. Au cours des dernières décennies, de nombreuses techniques ont été développées et appliquées à la caractérisation des conformations et de leurs changements : calorimétrie, spectrométrie Raman, spectroscopie infrarouge et UV/visible, dichroïsme circulaire et spectroscopie à Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), pour ne mentionner que celles-ci. Pour ce qui est de l’analyse des conformations en phase gaz, la Spectrométrie de Mobilité Ionique (IMS – Ion-Mobility Spectrometry) connaît une expansion importante comme outil de caractérisation structurale, en particulier en combinaison avec la Spectrométrie de Masse (MS – Mass Spectrometry). Ce travail s’inscrit dans la suite de récents développements visant à utiliser l’IMS non seulement comme un outil « statique », donnant une image à l’instant t de l’état conformationnel de l’analyte, mais aussi comme un outil d’exploration des chemins reliant les différents conformères. Pour cela, nous utilisons un dispositif de Tandem IMS-MS, permettant de sélectionner une population par une première séparation en IMS, et de la soumettre à un traitement contrôlé avant une seconde séparation en IMS et une détection par spectrométrie de masse. Ainsi, nous cherchons à mettre en évidence d’éventuels changements de conformations. En particulier, nous avons cherché à suivre la cinétique de réactions d’isomérisation, en piégeant les ions sélectionnés pendant une durée variable et contrôlée avant la seconde analyse. Ces expériences ont été réalisées en fonction de la température dans la zone de piégeage, donnant ainsi accès à l’évolution de la cinétique d’isomérisation en fonction de la température. En parallèle, nous avons réalisé des expériences complémentaires consistant à suivre des cinétiques d’isomérisation en solution. Dans ce cas, la mesure d’IMS sert à sonder les populations présentes en mélange dans la solution. Nous avons appliqué cette méthode à deux types de systèmes : d’abord, un système synthétique de type MOlecular Solar Thermal System (MOST) ; et ensuite, un peptide, le Glu-fibrinopeptide B. Pour le MOST, nous avons étudié sa capacité à stocker de l’énergie par photoisomérisation, via irradiation dans l’UV, et à restituer cette énergie par relaxation vers son état fondamental. Nos résultats démontrent l’intérêt de l’approche en phase gaz pour des systèmes présentant des temps de relaxation longs (plusieurs dizaines d’heures) à température ambiante : en permettant une étude à des températures significativement plus élevées que celles accessibles en solution, nous avons pu caractériser la relaxation de ce composé sur des durées beaucoup plus courtes, inférieures à la seconde. Ces résultats ont aussi été utilisés pour tenter d’interpréter des expériences d’isomérisation induites par collisions sur le même système, dans le but d’estimer le transfert d’énergie ayant lieu lors de ce type d’expériences, plus communes que les mesures en tandem. Dans le cas du Glu-fibrinopeptide B, nous avons montré que ce peptide existait sous deux formes conformationnelles différentes, capables d’interconversions spontanées à température ambiante. Nous avons pu déterminer les caractéristiques thermodynamiques de cette bi-stabilité, qui a ensuite pu être interprétée à l’aide de simulations de dynamique moléculaire avec le champ de forces AMOEBA.

The study of molecular conformations and isomerization (aka conformation changes, structural modifications) pathways is of critical importance to better understand and utilize their properties. During the last decades, the characterization of structures and structural changes has driven the development and use of various techniques, such as calorimetry, Raman spectrometry, infrared and UV/vis spectroscopy, circular dichroism or Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR), among others. As for analysis in the gas-phase, Ion-Mobility Spectrometry (IMS) is rapidly growing as a staple tool for structural characterization, especially when coupled to Mass Spectrometry (MS). This work builds on many recent developments, whose goal are to use IMS not only as a “static” tool, capable of taking an instant, fixed picture of the conformational state of the analyte, but more so as a tool for the exploration of isomerization pathways. As such, we use a Tandem IMS-MS setup, which allows us to select a population after a first IMS separation, before subjecting it to a controlled treatment before a second IMS separation and the MS detection. More specifically, we followed isomerization kinetics by trapping selected ions for a controlled time before the second analysis. We repeated these experiments by varying the temperature in the trapping zone, which allowed us to measure the isomerization kinetics’ evolution as a function of temperature. We also followed isomerization kinetics in solution: in this case, we only used the IMS as a probe of the populations present in the solution mixture. We used this method to look at two different systems: a synthetic molecule called MOlecular Solar Thermal System (MOST), and a peptide called Glu-fibrinopeptide B. We studied the MOST’s capability to store energy through photoisomerization by UV irradiation and to return this energy by relaxation to its ground state. We demonstrate the advantages of gas-phase analysis for molecular systems with long relaxation times (dozens of hours) at ambient temperature. The gas-phase allows us to conduct experiments at much higher temperatures than those accessible in solution. Therefore, we were able to characterize the relaxation of the molecule at much smaller timescales (less than a second). We used these results to interpret experiments measuring the isomerization induced by collisions on the same MOST system, with the goal of estimating the energy transfer happening during the collisional activation timescale. As for Glu-fibrinopeptide B, we showed that this peptide exists as two different conformations that can experiment spontaneous interconversions at ambient temperature. We determined the thermodynamical characteristics of this bistability, which we interpreted using molecular dynamics’ simulations with the AMOEBA forcefield.