Récepteurs et matériaux rédox- actifs pour l’activation et la signalisation d’interactions moléculaires Charles DEVILLERS Laboratoire d’Electrochimie Organique et de Photochimie Rédox UMR CNRS-UJF 5630, ICMG-FR CNRS 2607 Université Joseph Fourier, Grenoble, France Laboratoire d’Etudes Dynamiques et Structurales de la Sélectivité UMR CNRS-UJF 5616
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Récepteurs et matériaux rédox-actifs pour l’activation et la signalisation
Récepteurs et matériaux rédox-actifs pour l’activation et la signalisation d’interactions moléculaires. Charles DEVILLERS. Laboratoire d’Electrochimie Organique et de Photochimie Rédox UMR CNRS-UJF 5630, ICMG-FR CNRS 2607. Laboratoire d’Etudes Dynamiques et Structurales de la Sélectivité - PowerPoint PPT Presentation
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Récepteurs et matériaux rédox-actifs
pour l’activation et la signalisation d’interactions moléculaires
Charles DEVILLERS
Laboratoire d’Electrochimie Organique et de Photochimie RédoxUMR CNRS-UJF 5630, ICMG-FR CNRS 2607
Université Joseph Fourier, Grenoble, France
Laboratoire d’Etudes Dynamiques et Structurales de la SélectivitéUMR CNRS-UJF 5616
Récepteur moléculaire informatif
Reconnaissance ≠ détection : elle doit s’accompagner d’une modification claire et mesurable d’une propriété physico-chimique du récepteur
SSComplexationComplexation
Reconnaissance Reconnaissance (interactions au (interactions au
niveau niveau moléculaire)moléculaire)
SubstratSubstratRécepteurRécepteur
Site de complexationSite de complexation
+SS
Greffage d’une unité signalétique (activité rédox ou optique) sur le récepteur
Site de reconnaissanceSite de reconnaissance Sous-unité rédoxSous-unité rédox
Prérequis : Interaction sélective « hôte-invité » Activité rédox stable, accessible et bien définie Communication entre site de complexation et l’unité signalétique à travers l’espace ou/et des liaisons (conjuguées)
S
Différentes interactions mises en jeu lors de lareconnaissance moléculaire d’une espèce cible
Interactions électrostatiques
Interactionshydrophobes
Coordinationmétal-ligand
Liaisons hydrogèn
eInteractions de type transfert
de charge
InteractionsAcide-basede Lewis
Interactionsélectrostatiques
E (KJ/mole)10050100,2-2
Liaisons de Van der Waals
Liaisons hydrogène Liaisons de
coordination Liaisons
covalentes
15
Cations
Espèces neutres
Anions
Détection électrochimique n’est pas neutre :
selon l’état rédox de la sonde, activation ou
désactivation des interactions
ClˉNH
NH
HNHN
S
S
S
S SPr
SPr
Beer et al., Inorg. Chem. 1997, 36, 5880
Nielsen et al., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 2444
Ge et al., J. Org. Chem., 2000, 65, 8831
Exemples de récepteurs rédox-actifs
Reynes et al., J. Organomet. Chem. 2001, 637-639, 356
H3CO O O OCH3
H3CO O
OHN
NH
O
O
NH
HNO
NH
O
HN
OFe
FeFe
N
O
O
H N
O
O
H N
N
Pr
N
Pr
O
O
H
H
+ e-
+ diaminopyridine
E1/2(1) = -1,15 V E1/2(2) = -1,93 V
(vs Ag/Ag+, CH3CN/CH2Cl2)
E1/2 = 0,23 V (vs Ag/Ag+, DCE)
E1/2 = 0,28 V (vs Ag/Ag+, CH3CN)
1,8-naphthalimide
Na+
H2P04ˉ
Plan de l’exposé
Récepteurs de type RAFT-Fc
Détection électrochimique d’anions en milieu homogène
Détection électrochimique d’anions en phase supportée
Caractérisation d’un processus d’adhésion cellulaire
Récepteurs de type conjugués Ferrocène–Porphyrines
Propriétés physico-chimiques des précurseurs dithiolane-ferrocène-porphyrineProcessus dynamique « on-off » de détection d’espèces neutresDétection électrochimique d’anions
Introduction
Plan de l’exposé
Récepteurs de type RAFT-Fc
Détection électrochimique d’anions en milieu homogène
Détection électrochimique d’anions en phase supportée
Caractérisation d’un processus d’adhésion cellulaire
Récepteurs de type conjugués Ferrocène–Porphyrines
Propriétés physico-chimiques des précurseurs dithiolane-ferrocène-porphyrineProcessus dynamique « on-off » de détection d’espèces neutresDétection électrochimique d’anions
Introduction
NH N
HNNH
NH HN
N HNH
H
S042ˉBucher et al.,
Chem. Comm., 2006, 3891
Exemples de macrocycles à base de pyrrole
Calixpyrrole Porphyrine Calixphyrine
Cyclooctapyrrole
Burrell et al., J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 4690
HN
NH
NH
HN
R8
R7
R6
R5
R2
R1
R3
R4
HN
N
NH
N
R3
R2 R1
R4
N
NH
N
HN
R3
R2
R1
R2
R1
R3
N N
N
N
NU
O
O
UO2
Applications potentielles des Ferrocène-Porphyrines
Reconnaissance électrochimique moléculaire
Systèmes photosynthétiques artificiels
Portes logiques optoélectroniques,Stockage moléculaire de l’information
Electronique moléculaire
Séparation de charge photoinduite et transfert d’électron intramoléculaire
Wei et al., J. Org. Chem., 2004, 69, 1461
Ar = 3,5-(t-Bu)2C6H3
Imahori et al.,Chem. Eur. J., 2004, 10, 3184
Beer et al., J. Chem. Soc., Chem Commun., 1995, 1187
N
N N
N
Ar
Ar
NH
OZn
N
N N
N
Ar
Ar
ZnHN
NO H3CN
N N
N
Ar
Ar
ZnFe
N
N N
N
SSAAcc
SSAAcc
SSAAcc
Fe
Zn
N
N N
N
HN
HN
NHO
O
O
NH
O
Fe
Fe
Fe
Fe
ZnUnique exemple de la littérature
Porphyrines à piquets rédox :signalisation/activation d’interactions moléculaires
Optimisation du transfert d'information
Multiplication des points d'ancrages ou greffage, solubilisation
Multiples possibilités de fonctionnalisation : sélectivité, renforcement des interactions…
Sources de détections multiples et complémentaires
Plateforme synthétique
Système π-électronique délocalisé
N
N N
NM
FeFe
R
R
N
N N
NM
FeFe
R
R
S
S
UV-visible, Electrochimie, RMN…
Site actif modulable : nature du métal
Précurseurs Dithiolane-Ferrocène-Porphyrine
+
NH HN
FeCHO
S
S
1) TFA
2) p-chloranile
13 %
10 % 6 %
<1 %
N
NH
NHN
Fe
S
S
N
NH
NHN
Fe
S
S
Fe
S
S
N
NH
NHN
Fe
S
S
Fe S
S
N
NH
NHN
Fe
S
S
Fe
S
S
Fe S
S
+
1) TFA2) p-chloranile
20 %
Fe
CHO
S
S
HN
N
NH
NHN
Fe
S
S
Fe
S
S
Fe S
S
FeS
S
Structure RX de PZn(FcS2)2(Tol)2
N
N
N
N
Fe
Fe
S
S
S
S
Zn
d(Fe-Fe) = 13,3 Å
Caractéristiques spectroscopiques UV-visible et RMN
Cas des bases libres
-2,6-1,8-1,0-0,2(ppm)
375 400 425 450 475 5000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
(nm) (CH2Cl2, 298 K)
RMN 1HUV-visibleNH
Diminution du caractère aromatique avec l’augmentation du nombre de ferrocènes
Bandes de Soret
Effet électronique des ferrocènesEffet stérique (déformation du macrocycle)
FcFc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
×10
5 (L
.mol
-1.c
m-1)
N
N N
N
R
R
R
RH
H
N
N
N
N
Fe
Fe
Fe
Fe
Zn
Atropoisomère
Distorsion importante du macrocycle porphyrinique
d(Fe-Fe) ~ 11,6 Å
d(Fe-Fe) ~ 10 Å
Structure RX de PZn4Fc
Angle dièdre Porphyrine-cyclopentadiène ~ 45°
5 µA
0,1 V
Communication entre ferrocènes à travers le macrocycle porphyrinique
-G-P-K-A-K-G-P-K-A-K-FmocBoc- Boc- Boc- Boc- (i) (ii)
(iii) (iv) (v)
46 %
90 % 94 %
76 % 90 %
(*) Dumy, P.; Eggleston, I.; Servigni, S.; Sila, U.; Sun, X.; Mutter, M., Tetrahedron Lett. 1995, 36, 8, 1255.
(*)
KG
PK
A
A
K
K G
Boc
Boc
Boc
Boc
P
KG
PK
A
A
K
K G
P
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
BocHNO
ONHBoc ONHBoc
ONHBoc
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
H2NO
ONH2 ONH2
ONH2
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
N
N
FeFe
FeFe
Caractérisation électrochimique
4 transferts d’électron successifs
Centres rédox n’interagissant pas entre eux
(*) CV ( = 100 mV.s–1) électrode de carbone vitreux (diam. 3 mm) d’une solution à 2,5 10–4 mol.L–1 dans 0,1 M TBAP CH3CN/H2O 70/30 (v/v) électrode de référence Ag/Ag+.
-1.10-5
-5.10-6
0
5.10-6
1.10-5
-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4
I / A
E / V
expérimentalthéorique
Epa
Epc eˉ eˉ eˉ eˉ
+ + + + ++ ++++
Voltampérogramme
théorique :
Potentiels inchangés pour des vitesses de balayage < 400
mV.s–1
Comportement Nerstien(transfert d’électron rapide et réversible)
Courbe
expérimentaleEp
= Epa Epc = 75 mV
Ep = Epa Epc = 58 mV
Une seule vague d’oxydation
Réponse électrochimique en présence d’anions H2PO4ˉ en milieu
homogène
(2,5.10–4 mol.L–1, CH3CN, 0,1 mol.L–1 TBAP)
+ H2P04ˉ
- 4 eˉ
-( = )
Comportement « à deux vagues »
Kox = Kred exp(nFE/RT)
Kox / Kred = 2,7.107
E = -110 mV
0,45-0,15 -0,05 0,05 0,15 0,25 0,350
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Potentiel (V vs Ag/Ag+)
Cou
rant
(µ
A)
DPV 0 à 4 équivalents H2PO4ˉ
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
NN
FeFe
FeFe
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
NN
FeFe
FeFe
-
-
-
-
(i) (ii) (iii)
(iv) (v) (vi) (vii)
(i) Pd(PPh3)4, PhSiH3, CH2Cl2, 1 h ; (ii) FmocCys(S-t-Bu)OH, PyBOP, DIPEA, DMF, 1 h ; (iii) TFA/CH2Cl2 (50/50) (v/v), 1 h ; (iv) BocNHOCH2CO-NHS, DIPEA, DMF, 1 h ; (v) DMF/piperidine (80/20) (v/v), 30 min ; (vi) TFA/CH2Cl2/TIS/H2O (50/40/5/5) (v/v),1 h ; (vii) Fc-CHO, tampon phosphate (0,1 mol L-1, pH = 4,6)/CH3CN (50/50) (v/v), 7 h
Vers des monocouches autoassemblées de peptides rédox
Electrochimie : modification du voltampérogramme après adhésion des cellules positives
Perspectives
Modification des sites de reconnaissance, autre méthode de greffage…
Conclusion générale
Communication électronique efficace entre les ferrocènes à travers le macrocycle
Architectures moléculaires cyclopeptide-ferrocène
Illustration/application : caractérisation de processus d’adhésion cellulaire à partir d’assemblages organisés de gabarits cyclopeptidiques
Porphyrines à piquets rédox
Intérêt de la multiplication des sites de reconnaissance sur un même récepteur
Transfert milieu homogène/surface
Intérêt marquage rédox
Optimisation du transfert d'information
Sources de détections multiples et complémentaires
Renforcement des interactions, sélectivité
Signalisation efficace des interactions
Intérêt de l’électrochimie et du marquage rédox pour l’activation et la signalisation d’interactions
moléculaires
Amélioration des propriétés de reconnaissance
N
N
N
N
Fe
Zn
NH
N
N
N
N
Fe
Zn
N
BF4
N
N
N
N
Fe
Zn
NH
O
O
O
O O
N
N
N
N
N
N
Fe
Zn
BF4
N
N
N
N
Fe
Zn
Fe
N
N
BF4
BF4
NON
H
HN
HN
O
H3N
NH
O
S
O
H3N
S
CF3COO
CF3COO
N
N
N
N
Fe
Zn
Exemples de porphyrines à piquets rédox synthétisées
Coordination base azotéeDécompression stérique
N
N N
NZn
Fe
HN
N
Tol
Tol
Emax = 92 mV
N
N
N N
NZnTol
Tol
Fe
Emax = 20 mV
Comparaison P(Zn)-Fc-amine/P(Zn)-Fc
Processus dynamique :
Pourquoi cette différence ?
Déplacement de l’amine
A-/L
E1/2/V
0 1 2 3-0,15-0,1
0,05E / V
0,1 mA
1
0,20
Récepteurs rédox-actifs d’anions
Analyse thermodynamique de la complexation d’anionsAnalyse thermodynamique de la complexation d’anions
E = Ec°- El°
E = (RT/nF)ln(Kred/Kox)KredKox
Lox
Lox•Aˉ
Lred
+ Aˉ
+ eˉ
+ Aˉ
+ eˉ
El°
Lred•AˉEc°
Kred < Kox E < 0
Modification des voltampérogrammesModification des voltampérogrammes
Comportement « à deux vagues »
0
0,4
0,8
1,2
0 1 2
A-/L
Ip/Ipmax
E / V
0,1 mA
0,20
1
Comportement « à une vague »
0-0,05
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
-2 -1 0 1 2 3 4 5
Ipa,Epa,Ipc etc en fonction vitesse
Ea-E0Ec-E0
Ea
-E0
log v
Calcul de ktr :
En utilisant les équations de Laviron (J. Electroanal. Chem., 101 (1979) 19-28), où l’on trace la surtension (Epa (ou Epc) – E0, E0 étant assimilé à E1/2 pour des valeurs de vitesses faibles) en fonction de log , avec vitesse de balayage. Pour des valeurs de Epa – Epc supérieures à 200 mV, on peut considérer que le système est irréversible et dans ce cas on trace deux droites fittant les deux parties linéaires de la courbe (une en oxydation, l’autre en réduction). La pente de ces droites permet de déterminer et l’ordonnée à l’origine permet de calculer ktr. Il est à noter que dans notre cas, la mesure de Epa devient très difficile à haute vitesse, rendant le fit pratiquement impossible. Par conséquent, on déterminera ces 2 constantes à partir des valeurs de Epc dans la majorité des cas.
-0,4
-0,35
-0,3
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4 4,1
Ec-E0
y = 0,91598 - 0,31808x R= 0,99983
Ec-
E0
log vEn ce qui concerne la partie cathodique
α = -2,3RT/(anF) avec pente du fit.
ktr = α/(((RT)/(nF))exp((-bαnF)/(RT)) avec b ordonnée à
l’origine.
Dans cet exemple, α = 0,19 et ktr = 6355.
Récepteurs à plusieurs sonde rédox
Molécules à n centres rédox chimiquement identiques, indépendants, en l’absence de réorganisation moléculaire ou de changement de solvatation :