Soutenance mémoire
Echange H /D
Le deutérium est l’isotope stable de l’hydrogène non radioactif. Son noyau atomique contient un neutron et un proton ce qui lui procure une masse atomique de 2.0 u (unités de masse atomique). Le deutérium a été découvert en 1932 par Harold Clayton Urey et son abondance naturelle est de 0.015%. Représenté par le symbole H ou D, il se trouve sous forme diatomique D2 à l’état de corps simple. Ce dernier est un gaz incolore pouvant être obtenu par électrolyse de l’eau lourde (D2O) ou par distillation du dihydrogène liquide. L’incorporation du deutérium dans certaines molécules a conduit à plusieurs applications dans différents domaines qui résultent notamment de l’effet isotopique cinétique ou de la recherche d’un effet de masse.
Deutération et importance des molécules marquées
Effet isotopique cinétique KIE
L’effet isotopique cinétique du deutérium appelé également KIE ou DIE (Deuterium Kinetic Isotope Effect) se traduit par le changement de vitesse d’une réaction en remplaçant un hydrogène d’un des réactifs par un deutérium. Ce changement de vitesse est dû au changement de masse atomique de la molécule, ce qui induit à une énergie de dissociation C-D plus grande que C-H et une fréquence de vibration inférieure. La valeur de l’énergie du point zéro est donc inférieure à celle de la liaison C-H . L’équation traduisant l’énergie de vibration En est donnée par l’Équation 1.
Cet effet de vitesse est exprimé par le rapport KH/KD qui traduit le rapport du taux de dissociation des liaisons C-H vs C-D. Lorsque ce rapport KH/KD est inférieur à la valeur de 1, il s’agit d’un KIE normal et lorsqu’il est supérieur à la valeur de 1, il s’agit d’un KIE normal inverse. Le KIE a un grand impact sur le mécanisme de différentes réactions, ce qui a fait évoluer le nombre d’applications des molécules marquées pour comprendre et suivre certaines réactions organométalliques.
Intérêt des molécules marquées
Durant ces dernières années, l’utilisation des isotopes de l’hydrogène a augmenté, pour des applications dans différents domaines . D’une part, les composés deutérés sont d’une grande importance en pharmacologie et dans la recherche de nouveaux médicaments. En effet, l’effet isotopique cinétique peut améliorer les propriétés pharmacocinétiques de certains médicaments ou même réduire leur toxicité. On peut aussi utiliser les molécules marquées en tant que traceurs pour suivre et comprendre des études mécanistiques en chimie organique ou organométallique. D’autre part, les molécules deutérées sont utilisées en tant que standards internes notamment pour la spectroscopie de masse ou en résonance magnétique nucléaire.
Pour l’étude de mécanismes de réactions
L’effet isotopique est très utilisé pour étudier et comprendre le mécanisme de réactions, en mettant en évidence les étapes et produits déterminants de ces dernières. La position des isotopes dans un composé est déterminée généralement par RMN. Par GC/MS et LC/MS sont détectés les changements de masses du composé. Plusieurs réactions faisant intervenir des additions oxydantes et des éliminations réductrices impliquant des liaisons H-H et C-H ont été étudiées en utilisant les effets cinétiques isotopiques après substitution par le deutérium.
En pharmacologie
Le KIE peut affecter la pharmacocinétique et le métabolisme de certains médicaments. Plusieurs exemples illustrent l’effet isotopique en pharmacologie dont on cite le tamoxifen qui est un médicament dédié au traitement du cancer du sein. Cependant, il possède plusieurs effets secondaires et notamment la formation d’adduits avec l’ADN pouvant conduire à un cancer du foie. Le tamoxifen-d5, isotopomère avec l’incorporation de 5 deutériums permet de réduire la formation de ces adduits.
Un autre exemple mettant en relief l’effet de la deutération dans le monde des médicaments est l’efavirenz. Dans cet exemple, l’incorporation d’un seul atome de deutérium a le pouvoir de réduire la formation d’un métabolite responsable de la néphrotoxicité (mauvais fonctionnement des reins) de 28.1 ± 13.0 µg/mL à 4.0 ± 1.1 µg/mL . Comme les liaisons C-D sont plus stables que les liaisons carbone-hydrogène correspondantes, elles se clivent plus lentement. Ainsi, les médicaments impliquant ce clivage dans leur métabolisation vont rester plus longtemps dans le corps humain lorsqu’ils sont deutérés. Cela augmente la demi-vie des médicaments et minimise la fréquence de leurs prises ce qui minimise encore les effets secondaires.
Par ailleurs, la sécurité du corps humain doit être prise en compte pour le devenir in vivo des médicaments. En effet, un corps humain contient environ 1 g de deutérium, sous forme d’eau lourde ou semi lourde. Des études ont montré que des doses de D2O supérieures à 25% pouvaient être toxiques. Ainsi l’incorporation dans le corps humain de faibles doses de deutérium qui seront excrétées par les reins sous dix jours n’est pas dangereux. L’introduction de deutérium peut permettre d’éviter la formation de sous-produits indésirables lors de la synthèse des médicaments. On peut citer comme exemple la synthèse du Norzoanthanthamine qui passe par la formation d’un sous-produit non désiré à 30% et qui peut être réduit à 9% en utilisant le même produit de départ contenant deux atomes de deutérium .
En protéomique
Les effets des isotopes et notamment du deutérium sont largement étudiés dans le monde des protéines (protéomique). Par exemple, une étude en 1987 sur l’interaction de la caféine et ses isotopomères avec les albumines du corps humain (HSA) a montré une grande différence de réactivité entre la HSA et la caféine deutérée en comparaison avec la caféine. Cette étude a prouvé l’importance des effets isotopiques dont il faut tenir compte dans le monde de la biologie moléculaire.
En tant que standard interne
L’utilisation de composés deutérés en tant que standards internes est très importante. Par spectroscopie de masse, il est possible de faire une analyse quantitative par l’intermédiaire d’isotopes stables utilisés en tant que standards internes. Par exemple, Salvatore el al. ont effectué en 2003, une analyse quantitative de protéines en protéomique. En effet, les erreurs dues aux procédures expérimentales ou aux variations des analyses en spectroscopie de masse, notamment la compensation des effets de matrice, peuvent être minimisées en utilisant des standards internes. Une spécification requise pour ces dernières est la ressemblance des propriétés physico-chimiques à celles des analytes à analyser. Une analyse quantitative est possible si la différence de masse entre les deux est assez grande pour qu’il n’y ait pas de chevauchement de pics et si après deutération, il ne reste pas de produit non marqué (moins de 0.5%). Cela a été expliqué et étudié par Atzrodt et al. dans le but de préparer des standards internes pour la MS à Sanofi-Aventis.
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Table des matières
Introduction gérérale
Chapitre I – Etude bibliographique
1-Echange H /D
1-1-Deutération et importance des molécules marquées
1-2-Méthodes classiques de l’échange H/D
1- 3-Echange H/D catalysé par les nanoparticules
2-Synthèse de nanoparticules métalliques
2-1- Généralité sur les méthodes de synthèse
2-2- Etapes de nucléation et croissance
2-3-Stabilisation des nanoparticules
2-4- Paramètres importants pour la synthèse
2-5-Caractérisation des nanoparticules
3-Conclusion et objectifs de la thèse
Chapitre II – Nanoparticules de Ru
1-Deuteration des alcanes
1-1- Synthèse de NPs de Ru@dppb
1-2- Différence de réactivité entre le cyclopentane et le cyclohexane
1-3-Tentatives d’explications
1-4- Conclusion
2-Echange H/D régiosélectif sur des composés azotés
2-1- Oligonucléotides
2-2- Hétérocycles azotés
3- Limitations de l’échange H/D catalysé par des NPs de Ru
4- Transposition en catalyse hétérogène
4-1- Synthèse de NPs de Ru/C avec différents pourcentages massiques de Ru
4-2- Echange H/D en milieu aqueux sur la L-lysine
4-3- Echange H/D en milieu organique
5-Conclusion
Chapitre III – Nanoparticules bimétalliques de RuPt
1- Etat de l’art sur les NPs bimétalliques et leur intérêt
2-Mise en évidence de la problématique
3- En milieu aqueux
3-1-Synthèse de NPs de RuPt hydrosolubles avec différent précurseurs de platine
3-2-Caractérisations des NPs de RuPt hydrosolubles
3-3- Résultats catalytiques avec les NPs de RuPt hydrosolubles
4- En milieu organique
4-1-Synthèse de NPs de RuPt
4-2-Réaction catalytique sur la 2-phenylpyridine
5-Transposition des résultats en catalyse hétérogène
5-1- Synthèse de NPs de RuPt/C
5-2-Caractérisations des NPs de RuPt/C
5-3-Résultats catalytiques
6-Conclusion
Chapitre IV – Nanoparticules de Ni
1-En milieu organique
1-1-NPs de Ni stabilisées par des NHCs
1-1-1-Synthèse des NPs de Ni
1-1-2-Caractérisations des NPs de Ni@NHCs
1-2-Echange H/D
1-2-1-Effet du ligand
1-2-2- Effet de l’oxygène
1-2-3-Cas de l’éthylbenzène
1-2-4- Extension de la réaction à d’autres substrats
1-3-Conclusion
2-En milieu aqueux
2-1-NPs de Ni hydrosolubles
2-1-1 Synthèse des NPs de Ni
2-1-2 Caractérisations des NPs de Ni
2-2-Calalyse en milieu aqueux
2-2-1-Cas de la phénylalanine
2-2-2-Extension de la réaction à d’autres substrats
3- Transposition en catalyse hétérogène par des NPs de Ni/C
3-1- Synthèse de NPs de Ni/C
3-2- Réactions catalytiques
4-Conclusion
Chapitre V – Nanoparticules d’Ir
1-Synthèse de NPs d’Ir@NHCs
2-Caractérisations des NPs
2-1-Analyse de la structure
2-2- Etude de surface
3-Echange H/D
3-1-Sur la 2-phenypyridine
3-2-Sur d’autres substrats
3-3-Extension de la réaction à des anilines
4-Détermination de la source de deutérium
5-Conclusion
Conclusion générale
