Soutenance mémoire
Généralités
La Nature procure à l‘Homme une grande source de produits pharmaceutiques différents. Les infusions de certains végétaux sont utilisées depuis longtemps par l‘Homme comme traitement pour diverses maladies, par exemple le colchique (Colchicum autumnale) utilisé à partir du Vème siècle contre la goutte ou encore l‘armoise de Chine (Artemisia annua) qui fut utilisée il y a plus de deux mille ans pour lutter contre le paludisme.
Si ces méthodes ont longtemps permis aux Hommes de lutter contre certaines maladies, nous ne pourrions plus aujourd‘hui les employer car elles présentent de nombreux désavantages. Le premier étant que l‘infusion de la plante extrait toutes sortes de molécules présentes, or nous savons aujourd‘hui qu‘en réalité seules certaines molécules contenues dans la plante sont utiles pour soigner la maladie, alors que les autres peuvent provoquer des effets secondaires sur d‘autres organes du corps. Le deuxième inconvénient est la destruction des végétaux et l‘impossibilité d‘avoir assez de principe actif car les rendements de son extraction et purification sont en général très faibles.
Actuellement, un des enjeux majeurs consiste en la synthèse de matériaux intelligents capables d‘émettre des signaux différents selon leur environnement. Parmi les différents exemples, nous pouvons citer les sondes fluorescentes dont les propriétés photophysiques dépendent de la polarité du solvant, du pH du milieu. L‘utilisation de fluorophores s‘est très développée dans les disciplines biologiques afin d‘effectuer entre autre de l‘imagerie médicale. Il existe d‘ores et déjà des fluorophores naturels mais il est nécessaire, afin de moduler notamment leur propriétés photophysiques selon les besoins requis, de synthétiser et/ou de fonctionnaliser de nouveaux fluorophores.
La fluorescence
La luminescence
La lumière qui provient du soleil permet la vie sur terre en donnant aux végétaux, en particulier aux algues, aux plantes terrestres et aux arbres la source d‘énergie nécessaire à la photosynthèse. L‘origine de cette lumière est thermique, on parle alors de lumière chaude. Il existe également des phénomènes d‘émission de lumière suite à une excitation athermique, on parle alors de phénomène de luminescence, nommé aussi lumière froide. La luminescence est l‘émission d‘une lumière dans le domaine ultraviolet, visible, infrarouge suite au retour à l‘état fondamental d‘une espèce excitée.
On peut classer les espèces luminescentes en 4 groupes selon leur nature :
– Composés organiques : composés aromatiques (naphtalène, anthracène, phénanthrène, pyrène, pérylène, …), fluorescéine, rhodamine, coumarine, oxazines, polyènes, acides aminés (tryptophane, tyrosine, phénylalanine), etc. (vide infra)
– Composés inorganiques : ion uranyle (UO2+), surfaces dopées avec divers éléments métalliques (Nd, Mn, Ce, Sn, Cu, …), nanocristaux (ou Quantum Dots (QD‘s) à base de ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, GaS, …), etc.
– Composés organométalliques : complexes de ruthénium ([Ru(bipy)3]2+ par exemple), complexes de lanthanides (Eu3+, Tb3+ , …), etc.
– Biomolécules (protéines, oligonucléotides, …).
Le mode d‘excitation concerné par notre étude est la photoluminescence, c‘est-à-dire lorsque l‘état excité est atteint par l‘absorption d‘un photon. En fonction de la nature de l‘état excité on parlera de fluorescence ou de phosphorescence. La chimiluminescence et la bioluminescence résultent d‘un état excité atteint grâce à une réaction chimique ou biochimique.
Durant ces vingt dernières années, la fluorescence s‘est considérablement développée notamment grâce à ses applications dans les domaines de la biologie et la biochimie. Citons par exemple la détection de divers analytes (métaux, ADN, sucres, enzymes), la mesure de la distance entre deux biomolécules et la détermination de leurs structures, le séquençage de l‘ADN, l‘analyse génétique, etc. Tout comme les méthodes d‘imagerie par résonnance magnétique nucléaire et radiochimiques, la fluorescence est une méthode d‘une grande sensibilité. Elle présente en outre l‘avantage d‘être beaucoup moins onéreuse et plus facile à mettre en œuvre que ses concurrentes, en revanche son utilisation in vivo implique l‘emploi de longueurs d‘ondes adaptées à la pénétration des tissus vivants.
La fluorescence et la phosphorescence sont des cas particuliers de luminescence. Elles possèdent le même mode d‘excitation par l‘absorption d‘un photon qui amène une espèce à un état électronique excité qui revient à l‘état fondamental en émettant de la lumière. Mais la différence est que la fluorescence est issue d‘un état excité possédant le même état de spin qu‘à l‘état fondamental alors que la phosphorescence passe par un changement de spin à l‘état excité. Bien que en énergie, le changement de spin permet d‘avoir une émission bien plus longue, propre à la phosphorescence.
Nous présenterons dans un premier temps les différentes grandeurs (déplacement de Stokes, τ, ΦF, ε, B) spécifiques à chaque fluorophore, qui permettent de déterminer la qualité de l‘émission de fluorescence. Puis nous discuterons d‘éléments présents dans l‘environnement qui influencent la qualité de l‘émission de fluorescence. Enfin nous détaillerons les multiples familles de fluorophores et donnerons quelques exemples de leurs applications.
Les paramètres de la fluorescence
Le diagramme de Perrin-Jablonski
Perrin et Jablonski ont réalisé un diagramme représentant les niveaux électroniques et vibrationnels d‘une molécule ainsi que les transitions radiatives ou non pouvant se produire lors d‘un phénomène de fluorescence .
L‘état excité singulet (Sn), obtenu par l‘absorption d‘un photon, est suivi d‘une prompte conversion interne qui est une transition non radiative entre deux états électroniques ayant la même multiplicité de spin. S‘ensuit en solution, une relaxation vers le niveau vibrationnel de l‘état électronique final (S1) le plus bas. C‘est cet état excité qui est commun aux espèces qui subissent un processus de désexcitation car le temps de conversion interne est plus rapide (~ 10⁻¹² s) que le temps de vie à l‘état excité (~ 10⁻⁸ s, vide infra). Plusieurs formes de désexcitation sont possibles :
– Retour non radiatif : c‘est un processus de conversion interne entre l‘état excité (S1) et l‘état fondamental singulet (S0), peu privilégié car il y a une différence d‘énergie plus forte entre S1 et S0 par rapport au passage de Sn à S1.
– La fluorescence : c‘est le passage de S1 à S0 assorti d‘une émission de photons. L‘émission s‘effectue toujours à des énergies plus basses à cause de la relaxation vibrationnelle à l‘état excité qui occasionne une perte d‘énergie. C‘est pour cela que l‘on obtient des longueurs d‘ondes de fluorescence plus grandes que celles de l‘excitation. En revanche, quelle que soit la longueur d‘onde d‘excitation on obtient toujours la même longueur d‘émission de fluorescence car elle dépend uniquement de l‘état excité S1.
– Conversion singulet (S1) – triplet (T1) : c‘est un processus non radiatif entre deux systèmes vibrationnels ayant des états électroniques de multiplicités différentes, il est appelé aussi passage ou croisement intersystème. Théoriquement ce passage intersystème est interdit, mais il peut être rendu possible par le couplage spin orbite entre le moment magnétique orbital et le moment magnétique de spin. Cela est surtout favorisé par la présence d‘atomes de la famille des halogènes, ce phénomène est appelé effet d‘atome lourd (ou « heavy atom effect »).
– Désexcitation à partir de T1 : la désexcitation non radiative entre T1 et S0 est en principe interdite. Mais si la molécule est en solution et à température ambiante elle devient possible via des chocs entre l‘espèce excitée et les molécules de solvant. Réciproquement, dans un environnement rigide et/ou à basse température, les collisions sont impossibles et l‘émission de lumière peut être observée : c‘est la phosphorescence. Ce processus étant lent, on peut observer la lumière émise longtemps après l‘irradiation.
– Inhibition de fluorescence (« quenching ») : cela peut être dû aux collisions de l‘espèce excitée avec d‘autres molécules ou atomes présents dans l‘environnement comme l‘oxygène, le solvant, des amines, des halogènes ou encore d‘autres fluorophores. Une concentration trop forte du fluorophore peut amener à une auto-inhibition de la fluorescence, liée à l‘augmentation du nombre de collisions entre les molécules (« quenching dynamique ») et/ou à la formation d‘agrégats et de complexes non fluorescents (« quenching statique »).5,3
– Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) : c‘est un transfert d‘énergie à un accepteur qui va soit dissiper l‘énergie de manière non radiative ou émettre à sa propre longueur d‘onde. C‘est un phénomène de transfert dipôle-dipôle à courte distance. De nombreuses applications en découlent, nous verrons un cas présent dans la nature ultérieurement.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Introduction Générale
I. Généralités
II. La fluorescence
1. La luminescence
2. Les paramètres de la fluorescence
3. Les paramètres qui influencent la fluorescence
III. Les imidazolones
1. Imidazolones 4-arylidènes
4. Imidazolones 4,4’-dialkylées
IV. Protéine Fluorescente Verte : GFP
1. Découverte et caractérisation de la GFP
5. Protéines fluorescentes mutantes issues de la GFP
6. Protéines fluorescentes anthozoaires
7. Conclusion
V. Projet de thèse
CHAPITRE II
I. Introduction
1. Etude bibliographique des voies de synthèses menant aux imidazolones 2-Aryl-4-arylidènes analogues de la GFP
2. Etude bibliographique des voies de synthèses menant aux imidazolones 2-vinyl-4- arylidènes analogues de la protéine Kaede
3. Etude bibliographique des voies de synthèses menant aux imidazolones 2-H-4-arylidènes
4. Etude bibliographique des voies de synthèses menant aux spiroimidazolones 2-Aryl-4,4’- dialkylées
5. Etude bibliographique des voies de synthèses menant aux spiroimidazolones 2-H-4,4’- dialkylées
6. Conclusion
II. Développement d’une nouvelle méthodologie de synthèse de spiroimidazolones 4,4’- dialkylées et d’imidazolones 2-(phényl, vinyle)-4-arylidènes par déshydratation-cyclisation d’un diamide
1. Déshydratation-cyclisation d’un diamide pour l’obtention de spiroimidazolones 2-H et 2- (aryle, alkyle)-4,4’dialkylées : Une nouvelle méthodologie rapide et efficace
2. Déshydratation de diamides par le BSA : Extension à la synthèse d’imidazolones 2-(aryl, vinyl)-4-arylidènes
3. Synthèse d’imidazolones 4-arylidènes par une synthèse innovante « one-pot » domino assistée par le BSA
4. Extension de la réaction de cyclisation de diamides assistée par le BSA aux cycles à six chainons
5. Conclusion
III. Développement de deux nouvelles méthodologies de synthèses d’imidazolones 2-H-4- arylidènes en procédures « one-pot »
1. Synthèse d’imidazolone en procédure « one-pot » passant par un diamide cyclisé en présence de BSA
2. Synthèse d’imidazolones 2-H-4-arylidènes en procédure « one-pot » à partir de bromures d’aryles sans BSA
IV. Développement d’une nouvelle gamme de fluorophores dérivés des cyanines
1. Contexte
2. Résultats et discussions
3. Conclusion
V. Synthèse de méta-amino imidazolones
1. Contexte
2. Résultats et discussions
3. Conclusion
CHAPITRE III
I. Etude bibliographique du couplage croisé directe pallado-catalysé d’hétérocycles avec les dérivés halogénés
1. Présentation bibliographique du principe de la fonctionnalisation directe catalytique des hétérocycles catalysée par le palladium sans et avec assistance au cuivre
2. Etude bibliographique de la fonctionnalisation directe métallo-catalysée du système Nacylamidine d’hétérocycles
3. Conclusion
II. Etude bibliographique des réactions de fonctionnalisation directe de la liaison C-H catalysés par le palladium d’hétérocycles non aromatiques
III. Développement d’une nouvelle méthodologie de fonctionnalisation directe de la liaison CH, Pd/Cu-catalysé, de spiroimidazolones et d’imidazolones 2-H-4-arylidènes
1. Contexte général
2. Fonctionnalisation directe de la liaison C-H de spiroimidazolones
3. Fonctionnalisation directe de la liaison C-H d’imidazolones 2-H-4-arylidènes
CONCLUSION GENERALE
