Récepteurs et matériaux rédox-actifs

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1 Récepteurs et matériaux rédox-actifs
pour l’activation et la signalisation d’interactions moléculaires Charles DEVILLERS Merci monsieur le président. J’ai donc passé trois années de thèse dans le cadre d’une collaboration entre l’équipe reconnaissance et activation électrochimique du LEOPR et l’équipe Ingénierie Moléculaire et Chimie Bioorganique du LEDSS. Ma thèse a concerné la reconnaissance électrochimique moléculaire. Je vais pour commencer faire quelques brefs rappels sur …. 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 UMR CNRS-UJF 5616 Université Joseph Fourier, Grenoble, France

2 Reconnaissance (interactions au niveau moléculaire)
Récepteur moléculaire informatif S Complexation Reconnaissance (interactions au niveau moléculaire) Substrat Récepteur Site de complexation + Greffage d’une unité signalétique (activité rédox ou optique) sur le récepteur Connexion Unité signalétique « Signal » Détection Reconnaissance ≠ détection : elle doit s’accompagner d’une modification claire et mesurable d’une propriété physico-chimique du récepteur …les récepteurs moléculaires informatifs. L’événement de reconnaissance (interactions au niveau moléculaire) a lieu lors de la complexation d’un substrat sur le site de complexation du récepteur. Cet événement de reconnaissance ne signifie pas nécessairement qu’il y a détection, il doit s’accompagner d’une modification claire et mesurable d’une propriété physico-chimique du récepteur. Une solution consiste à associer une unité signalétique au récepteur pour le doter d’une activité physico-chimique spécifique (rédox ou optique par exemple) et qui va permettre de détecter le substrat.

3 Site de reconnaissance
Reconnaissance électrochimique moléculaire Récepteur rédox Site de reconnaissance Sous-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) Je vais maintenant vous parler plus particulièrement de la reconnaissance moléculaire à partir d’une unité signalétique rédox. Le site de reconnaissance est donc dans ce cas connecté à une sous-unité rédox. Quelles sont les prérequis à remplir pour avoir une reconnaissance électrochimique moléculaire efficace. Il faut : … Les applications potentielles sont notamment les capteurs chimiques. Application: Détection sélective d’espèces moléculaires Capteurs chimiques

4 Détection électrochimique n’est pas neutre :
Différentes interactions mises en jeu lors de la reconnaissance moléculaire d’une espèce cible Interactions électrostatiques Cations Liaisons hydrogène Interactions de type transfert de charge Anions S Espèces neutres Interactions Acide-base de Lewis Interactions hydrophobes Détection électrochimique n’est pas neutre : selon l’état rédox de la sonde, activation ou désactivation des interactions Coordination métal-ligand j’ai rassemblé ici les différentes interactions mises en jeu lors d’un processus de reconnaissance moléculaire? sur le bas du transparent, j’ai représenté sur cette échelle, la force de ces interactions. Dans le cas des cations (métalliques), interactions de type coordination qui sont des interactions fortes, dans le cas des anions de rayon ionique généralement plus important majoritairement interactions de type liaisons hydrogène, électrostatiques, mais d’autre interaction peuvent intervenir, Ac-B de Lewis coordination et transfert de charge interaction hydrophobes et dans le cas des espèces neutres, les interaction électrostatiques ne vont pas être impliquées.. Il faut bien avoir à l’esprit que l’électrochimie n’est pas neutre dans le processus de reconnaissance et de détection puisque l’oxydation ou la réduction de la sonde rédox peut modifier la balance des interactions mises en jeu. Liaisons hydrogène Liaisons de Van der Waals Interactions électrostatiques Liaisons de coordination Liaisons covalentes 0,2-2 10 15 50 100 E (KJ/mole)

5 Exemples de récepteurs rédox-actifs
Na+ Clˉ N H S S P r S N H H N H S S S P r N E1/2 = 0,23 V (vs Ag/Ag+, DCE) E1/2(1) = -1,15 V E1/2(2) = -1,93 V (vs Ag/Ag+, CH3CN/CH2Cl2) Nielsen et al., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 2444 Beer et al., Inorg. Chem , 36, 5880 P r H C O O O 3 H C O O O 3 + e - O C H O O H N 3 H2P04ˉ O O + d i a m i n o p y r i d i n e très rapidement, Voici quelques exemples de récepteurs rédox-actifs permettant la détection substrat cationique anionique ou neutre à partir de sondes rédox organique telle que ce fragment tétrathiafulvalène ou métallocénique comme les ferrocènes . Dans cette exemple : la complexation du sodium dans la cavité de l’éther couronne est renforcée par création de charge négatives supplémentaires lors de la réduction des unités quinone. Ceci est une bonne illustration du caractère non innocent de la détection électrochimique puisqu’elle s’accompagne d’une modulation de la force de complexation du récepteur. Parler accessibilité potentiel : réduction ou oxydation des sondes rédox à des potentiels plus ou moins accessible, le ferrocène est intéressant car accessible, forme oxydée stable en milieu orga et dans l’eau. O H N N H N H N H N H N O O H N N H H N H N 1,8-naphthalimide O O O O F e P r F e F e Ge et al., J. Org. Chem., 2000, 65, 8831 E1/2 = 0,28 V (vs Ag/Ag+, CH3CN) Reynes et al., J. Organomet. Chem. 2001, , 356

6 Plan de l’exposé Récepteurs de type conjugués Ferrocène–Porphyrines
Introduction Propriétés physico-chimiques des précurseurs dithiolane-ferrocène-porphyrine Processus dynamique « on-off » de détection d’espèces neutres Détection électrochimique d’anions Récepteurs de type RAFT-Fc Après cette brève introduction je vais maintenant vous présenter une partie de mes résultats obtenus au cours de ce travail de thèse…. Détection électrochimique d’anions en milieu homogène Détection électrochimique d’anions en phase supportée Caractérisation d’un processus d’adhésion cellulaire

7 Plan de l’exposé Récepteurs de type conjugués Ferrocène–Porphyrines
Introduction Propriétés physico-chimiques des précurseurs dithiolane-ferrocène-porphyrine Processus dynamique « on-off » de détection d’espèces neutres Détection électrochimique d’anions 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

8 Exemples de macrocycles à base de pyrrole
H N R 8 7 6 5 2 1 3 4 H N R 3 2 1 4 N H R 3 2 1 Porphyrine Calixphyrine Calixpyrrole N H S042ˉ N U O UO2 Il existe une grande variété de macrocycles à bases de pyrrole de conjugaison, géométrie et taille variée qui peuvent être adapté à la complexation d’anions ou de oxyde métallique comme dans le cas de ces deux exemples à cinq ou huit pyrroles qui présentent respectivement un anion sulfate et un cation au sein de leur cavité. Dans le cas particulier des macrocycles tétrapyrrolique, on trouve trois types d’architectures : les calixpyrroles qui sont de bons complexants d’espèces anioniques , où les 4 carbones méso sont hybridés sp3, les porphyrines connues pour leur propriété de complexation de nombreux métaux de transition, pour lesquelles les quatres carbones méso sont hybridés sp2, et enfin les calixphyrines qui possèdent à la fois des at de carbone hybridé sp2 et sp3 et qui présentent des propriétés de complexation d’anion et de cation métallique Durant ma thèse, je me suis plus particulièrement intéressé à des récepteurs à base de calixphyrines et de porphyrines sur lesquelles nous avons introduit une ou plusieurs sondes rédox de type ferrocène. Dans cet exposé, je présenterai uniquement les résultats obtenus à partir de conjugués porphyrines-ferrocènes. Bucher et al., Chem. Comm., 2006, 3891 Burrell et al., J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 4690 Cyclooctapyrrole

9 Applications potentielles des Ferrocène-Porphyrines
Systèmes photosynthétiques artificiels Séparation de charge photoinduite et transfert d’électron intramoléculaire A r A r A r Imahori et al., Chem. Eur. J., 2004, 10, 3184 N N N N N N N H H N F e Z n Z n Z n N O N N N N O N N H 3 C A r A r A r S A c Electronique moléculaire N N S A c Portes logiques optoélectroniques, Stockage moléculaire de l’information Z n F e N N N H O F e Z n S A c Wei et al., J. Org. Chem., 2004, 69, 1461 Quelles sont les applications potentielles des ferrocènes-porphyrines. Je vous présente ici trois exemples significatifs tirés de la littérature. Une des applications concerne le transfert d’électron intramoléculaire. Voici un exemple de système photosynthétique artificiel. Les porphyrines sont la partie photosensible, le fullerène est ici l’accepteur d’électron et le ferrocène est utilisé comme donneur d’électron. Un autre domaine d’application est l’électronique moléculaire où les porphyrines-ferrocènes sont utilisées comme portes logiques optoélectroniques ou pour le stockage moléculaire de l’information . Dans ce type d’assemblage, les propriétés optiques de la porphyrine peuvent être moduler selon l’état d’oxydation du ferrocène. Le dernier domaine concerne la reconnaissance électrochimique moléculaire et le seul exemple décrit dans la littérature est un dérivé de la tétraaminophénylporphyrine fonctionnalisé par quatre fragment rédox ferrocène que Beer a utilisé pour la détection d’espèces anioniques. Reconnaissance électrochimique moléculaire Unique exemple de la littérature Beer et al., J. Chem. Soc., Chem Commun., 1995, 1187

10 Porphyrines à piquets rédox :
signalisation/activation d’interactions moléculaires N M F e R Plateforme synthétique Site actif modulable : nature du métal Multiples possibilités de fonctionnalisation : sélectivité, renforcement des interactions… Multiplication des points d'ancrages ou greffage, solubilisation S Système π-électronique délocalisé N M F e R S Nous avons voulu habiller le macrocycle porphyrinique par des piquets rédox de manière à réaliser une lecture électrochimique d’un phénomène de complexation qui peut avoir lieu au centre ou en périphérie . La porphyrine est une véritable plateforme synthétique, de géométrie bien définie et ses multiples possibilités de fonctionnalisation et de métallation vont permettre d’être plus ou moins sélectif vis-à-vis d’une espèce cible, sélectivité qui peut également être renforcée par la fonctionnalisation du ferrocène puis peut également modifier les propriétés de solubilisation, greffage sur électrode…. L’optimisation du transfert d’information est réalisée grâce à la connexion directe et de manière conjugué du Fc avec la porphyrine. Ainsi l’oxydation de la sonde ferrocène permettra de moduler les interactions avec une espèce cible par création d’une charge positive supplémentaire et activera également le site de complexation en le rendant plus électrophile. Cette assemblage offre de multiple possibilité de détection physicochimique UV-visible (porphyrine) et électrochimique (Porph et Fc). Transition : Je vais vous présenter dans la suite cet exposé l’intérêt de ces conjugués ferrocène en reconnaissance électrochimique d’espèces neutres puis d’anions à travers deux exemples de récepteurs mais je commencer par vous présenter la synthèse de leur précurseur Optimisation du transfert d'information Sources de détections multiples et complémentaires UV-visible, Electrochimie, RMN…

11 Précurseurs Dithiolane-Ferrocène-Porphyrine
13 % 10 % 6 % <1 % N H F e S + 1) TFA 2) p-chloranile 20 % F e C H O S N N H 1) TFA 2) p-chloranile + F e C H O S Nous avons utilisé une stratégie inspiré du travail de collman qui procède par condensation en milieu acide d’un tolyldipyrrométhane sur le ferrocènedicarboxaldéhyde dont une des deux fonctions a préalablement été masquée . l’oxydation des intermédiaires formés de types porphyrinogènes conduit à un mélange de porphyrines associée à 1 2 ou trois fragments ferrocène en position méso. La même stratégie conduite à partir de pyrrole permet d’obtenir la porphyrine substituée par quatre ferrocène. Trans :Nous avons étudié en détail les caractéristiques physicochimiques des bases libres et des complexes métallés

12 Structure RX de PZn(FcS2)2(Tol)2
les ferrocènes sont opposés par rapport au plan de la porph d(Fe-Fe) = 13,3 Å

13 Caractéristiques spectroscopiques UV-visible et RMN
Cas des bases libres UV-visible RMN 1H NH 3,5 Fc -2,6 -1,8 -1,0 -0,2 (ppm) 3,0 Bandes de Soret 2,5 Fc 2,0 Fc e×105 (L.mol-1.cm-1) 1,5 1,0 Fc 0,5 Fc 0,0 375 400 425 450 475 500 l (nm) (CH2Cl2, 298 K) Nous avons étudiés en détail l’influence du nombre de ferrocène sur les caractéristique UV-vis, RMN et rédox des porph-Fc bases libres. Voici les caractéristiques spectroscopiques UV-vis et RMN des ces précurseurs.. J’ai représenté sur la gauche les spectres d’absorption UV-visible centrés sur la bande de Soret. On s’aperçoit que plus le nombre de ferrocène augmente sur la porphyrine, plus l’intensité de la bande de Soret diminue et plus elle subit un déplacement bathochrome. A droite est représenté les spectres de RMN 1H des ferrocène porphyrine centré sur le signal correspondant aux protons NH de la cavité porphyrinique. Et l’on voit très clairement que plus le nombre de ferrocène augmente, plus le signal correspondant aux protons NH est déblindé. Ainsi, ces évolutions révèlent une diminution progressive du caractère aromatique de la porphyrine au fur et à mesure que le nombre de ferrocènes augmente. Cela est dû à l’effet électronique des ferrocènes qui sont directement connectés au système pi de la porphyrine mais aussi à l’effet stérique qui entraîne une déformation du macrocycle. N R H Diminution du caractère aromatique avec l’augmentation du nombre de ferrocènes Effet électronique des ferrocènes Effet stérique (déformation du macrocycle)

14 Angle dièdre Porphyrine-cyclopentadiène ~ 45°
Structure RX de PZn4Fc N F e Z n d(Fe-Fe) ~ 11,6 Å d(Fe-Fe) ~ 10 Å L’influence stérique des ferrocènes est très bien illustré sur cette structure cristallographique de la tétra ferrocènyl porphyrine de zinc qui présente une déformation importante présentant une conformation en forme de selle de cheval. On peut également noter que la distance entre deux atome de fer est comprise entre 10 et 12 Å et que l’angle dièdre porphyrine-cyclopentadiène est d’environ 45°C Transition : Il était également intéressant d’étudier les prop rédox de ces dérivés pour évaluer en particulier la communication électronique entre les Fc et la P Atropoisomère a,b,a,b Distorsion importante du macrocycle porphyrinique Angle dièdre Porphyrine-cyclopentadiène ~ 45°

15 Communication entre ferrocènes à travers le macrocycle porphyrinique (bases libres)
CV des ferrocènes : Fc Fc Fc 5mA 5 mA 5mA 0,1V E°(1) = 0,635 V E°(2) = 0,690 V 0,1 V E°(1) = 0,640 V 0,1V E°(1) = 0,630 V E°(2) = 0,740 V DE° = 55 mV DE° = 110 mV Fc Littérature : Fc Voici les voltamogrammes correspondant à l’oxydation et à la réduction des groupements ferrocène. porphyrine à un Fc, une seul vague d’oxydation et de réduction. porphyrines substituées par plusieurs Fc, on aperçoit plusieurs vagues d’oxydation et de réduction. si pas d’interaction entre deux sondes rédox chimiquement équivalent 35,6 mV. dans le cas du dérivé trans, .... Prenons en particulier le cas de la porphyrine substituée par deux ferrocènes en position trans : on voit deux vagues d’oxydation et de réductions successives ce qui signifie que l’oxydation du premier ferrocène rend plus difficile l’oxydation du deuxième. La différence de potentiel entre ces deux oxydations a pu être déterminée par simulation et l’écart de 110 mV est bien supérieur à l’écart de 35,6 mV, valeur théorique dans un système avec deux groupes rédox ne communiquant pas entre eux. Cela montre clairement qu’il y a une communication efficace entre les deux ferrocène de ce dérivé. La qualité de la communication dépend également de la position relative des sondes rédox puisque dans le cas de la porphyrine substituée par deux ferrocènes en position cis, l’écart entre les deux potentiels n’est que de 55 mV. Etant donné la distance importante entre les ferrocènes (structure RX angstrom), la communication ne peut avoir lieu qu’à travers le macrocycle. La meilleur communication dans le dérivé trans peut s’expliquer par la plus faible déformation du macrocycle pour des raisons stériques. Les résultats de la littérature montrent que la communication entre les ferrocènes et porphyrine dépendent de différents facteurs comme en particulier la présence ou non d’un métal dans le macrocycle mais aussi le degré de liberté du ferrocène. c’est pourquoi nous avons déterminé l’énergie de rotation autour de la liaison Fc-P DE° dépend de : - métallation du macrocycle 5 mA 5 µA 0,1 V 0,1 V E°(1) = 0,610 V E°(2) = 0,655 V E°(3) = 0,715 V - degré de liberté du ferrocène

16 Etude dynamique conformationnelle
Z n F e H a ' RMN en température variable Dynamique ab initio Calculs DFT Fonctionnelle BLYP Ha, Ha’ 302,9 K Profil d’énergie libre Energie libre (Kcal/mol) - 250 200 150 100 50 16 14 12 10 8 6 4 2 Minimum final Premier minimum 10 kcal/mol Barrière d’énergie Angle (degré) cette étude a été réalisée par RMN 1H en température variable, ainsi par des calculs DFT. Les signaux les plus affectés par la rotation du ferrocène devraient être les protons béta pyrrolique Ha et Ha’ qui sont les plus proches du groupement ferrocène. C’est effectivement ce que l’on observe puisque lors de la descente en température, le signal correspondant à ces deux protons décoalesce. La quantification de l’énergie nécessaire à la rotation du ferrocène peut ainsi être calculée à partir de l’écart en fréquence entre les deux nouveaux signaux et correspond à une énergie de 9,2 kcal/mol. Cette valeur a pu être corrélée avec une étude de dynamique ab initio réalisé par Anne Milet de l’équipe chimie théorique du LEDSS. A partir de calculs DFT en utilisant la fonctionnelle BLYP, la barrière d’énergie à franchir pour réaliser une rotation complète du ferrocène est d’environ 10 kcal/mol et donc en très bon accord avec la valeur obtenue par RMN. Transition : Je vais maintenant vous montrer l’intérêt des conjugués ferrocène-porphyrine en reconnaissance électrochimique à travers deux exemples. 185,3 K Ha Ha’ Tc ~ 215 K dn = 936 Hz ΔG≠ = RTc(22,96 + ln(Tc/dn)) ΔG≠(Tc) = 38,4 kJ/mol = 9,2 kcal/mol

17 Porphyrine-ferrocène-amine : vers la détection d’espèces neutres
1) CH3(CH2)5NH2 2) NaBH4 (80%) N H F e (70 %) AgNO3, NCS N H F e C O Signaux < 0 ppm : effet du courant de cycle sur le bras amine -3 5 4 3 2 1 -1 -2 -4 -5 NH (CDCl3, 500 MHz) e d c b a f g h i k j (ppm) Processus de coordination Zn(OAc)2 (90 %) f e d c b a g h i k j N F H Z n Le premier, qui est un dérivé porphyrine ferrocène amine qui nous a permis de développer une stratégie originale de détection d’espèces neutres. nous partons donc du dérivé monoferrocénique. On va régénérer l’aldéhyde,le fonctionnalisé par une chaîne hexylamine et le métallé. Le premier spectre de RMN obtenu est plutôt surprenant puisqu’on note la présence de signaux < 0 ppm qui traduit l’effet du courant de cycle de la porphyrine sur le bras amine. Il y a donc un processus de coordination de l’amine sur le zinc d’une porphyrine

18 Association inter ou intramoléculaire ?
Spectroscopie UV-Visible lmax = f(C) intermoléculaire Cette association est elle de type inter- ou intramoléculaire ? osmométrie espèces majoritaire Osmométrie (V.P.O.) M = 1957 g/mol Spectrométrie de masse électrospray Dimère Monomère, dimère, trimère, tétramère, pentamère Majoritaires

19 Insight-II discover molecular modeling program

20 Signature électrochimique de P(Zn)-Fc-amine
RDE F e N N Z n N N 10 µA 0,1 V CH2Cl2 0,1 M TBAP Référence : DMFc/DMFc+ E1/2 = 0,61 V Ep = 0,91 V Ep = 1,18 V Ep = 1,45 V CV Mécanisme rédox proposé : [PFc-PFc+] + eˉ [PFc-PFc] [PFc+-PFc+] + eˉ [PFc-PFc+] 1er vague [P+•Fc+] + [PFc+] + eˉ [P+•Fc+] + eˉ [PFc+-PFc+] [PFc+] 2ème vague Dans le cas d’une porphyrine ferrocène on s’attend à avoir l’oxydation du ferrocène suivi par deux oxydations de la porphyrine. La courbe de voltammétrie cyclique est plus complexe que celle attendue puisque l’on observe quatre vagues d’oxydations. On observe également un épaulement sur le deuxième pic d’oxydation qui est la conséquence du processus d’auto assemblage mis en évidence par RMN. Nous proposons donc le mécanisme suivant :….Mais ce mécanisme est assez hypothétique étant donné les problèmes d’adsorption à l’électrode lors de l’expérience de RDE qui rend impossible le comptage des électrons mais également compte tenu de la faible stabilité des espèces oxydées observées par spectroélectrochimie. le nombre d’électron impliqué dans les deux premiers processus d’oxydation a pu être évaluer par voltammétrie à l’électrode tournante. Par contre des phénomènes d’adsorption n’ont pas permis d’exploiter cette expérience pour confirmer le nombre d’e- impliqués dans les troisièmes et quatrièmes processus d’oxydation. la coordination de l’amine sur l’at de zinc qui rend le voltammogramme complexe. [P2+Fc+] + eˉ [P2+Fc+Nu] [P+•Fc+] [P2+Fc+] + Nu 3ème vague [P2+Fc+Nu]+ + eˉ [P2+Fc+Nu] 4ème vague

21 Effet de la quaternisation de l’amine
Z n B 4 N T o l F e H Z n 1) MeI, THF 2) BF4¯, IRA 96 CH3CN Ep = 1,45 V E1/2 =1,19 V Ep = 1,18 V E1/2 = 0,94 V Ep = 0,91 V E1/2 = 0,65 V Nous avons voulu vérifier que le signal complexe observé était bien la conséquence d’un processus d’auto-association, et en effet, si l’on quaternise l’amine, ce qui a pour conséquence de casser l’assemblage, on nobserve une grande simplification du voltamogramme avec la disparition de l’épaulement. E1/2 = 0,61 V P•+/P2+ P•+/P2+ P/P•+ P/P•+ Fc/Fc+ Fc/Fc+ 10 µA 0,1 V CH2Cl2 0,1 M TBAP Référence : DMFc/DMFc+

22 Détection électrochimique de bases azotées
via un processus dynamique « on / off » N « Off » Z n F e H R N Z n F e H R « On » 450 470 490 510 530 550 570 590 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Equivalents molaires E1/2(Fc/Fc+) (V) vs DMFc/DMFc+ 130 7,56 N H 126 6,65 N H 92 DEmax (mV) 5,29 pKa N 118 7,33 N Après avoir clairement identifiés les processus observés en solution, nous avons mis à profit la coordination du bras amine sur le zinc pour réaliser la détection électrochimique de bases azotées via un processus dynamique original on – off où la forme « on » correspondant à l’auto association de deux monomères et évolue vers la forme off par ajout successif de bases azotées et correspond à la coordination axiale de la base qui s’accompagne de la décoordination du bras hexylamine. Ce processus dynamique a pu être suivi par un titrage potentiométrique réalisé avec la pyridine, le1 Me Im, l’Im et le 2MeIm. Ce graphe représente l’évolution du potentiel d’oxydation du ferrocène en fonction du nombre d’équivalents de bases ajoutées. Les différences de potentiel maximales entre le récepteur libre et le récepteur complexé sont d’autant plus importante que le pKa de la base est élevé. par exemple Pyridine et 2 Me Im. Déplacement de potentiel importants par rapport à la littérature, grâce à une combinaison d’effets stériques et électroniques qui accompagne le processus de coordination / décoordination. Exemple particulièrement remarquable de détection életrochimique d’espèces neutres,

23 Porphyrine(Zn)-ferrocène-ammonium : vers la détection d’anions
Interactions électrostatiques E (mV) I (mA) Fc/Fc+ P/P•+ P•+/P2+ Deux sites de détection électrochimique R 2 + R 1 N Interactions Acide-base de Lewis R 1 Aˉ R F e N N R Z n N N R Sonde ferrocène NO3ˉ HSO4ˉ 10 20 30 40 50 540 560 580 600 620 640 660 E p (Fc/Fc + ) (en mV) Equivalents d'anions Sonde porphyrine NO3ˉ HSO4ˉ -10 10 20 30 40 50 60 750 775 800 825 850 875 900 925 950 E p (P/P .+ ) (en mV) Equivalents d'anions Je vais maintenant vous montrer les propriétés intéressantes de reconnaissance électrochimiques d’anions d’une porphyrine-ferrocène ammonium qui a été obtenue simplement par quaternisation de l’amine vu précédemment. Ce récepteur peut interagir avec un anion par des interactions électrostatiques entre l’anion et l’ammonium et des interactions acide-base de Lewis entre l’anion et l’atome de zinc. Comme je l’ai déjà évoqué, les conjugués porphyrine présentent deux sites de détection électrochimique : le ferrocène et la porphyrine. On va voir dans cet exemple l’intérêt d’avoir deux sites de détection complémentaire. Ainsi, on observe la même évolution du potentiel d’oxydation du ferrocène en présence de nitrate ou d’hydrogénosulfate. Par contre, le potentiel d’oxydation de la porphyrine est beaucoup moins affectée par la présence de nitrate que d’hydrogénosulfate en raison de la plus grande basicité de ce dernier. Ces résultats démontrent clairement l’intérêt de posséder deux sites de détection complémentaire sur un même récepteur.

24 DPV : 0 à 1 équivalent de Clˉ
Détection Electrochimique d’anions : cas des halogénures Kox L+ [L+]+ [LA]+ e- LA Kred E1 E2 A- N Z n F e R 2 1 Aˉ Schéma carré DE = (nF/RT) ln(Kred/Kox) DPV : 0 à 1 équivalent de Clˉ LCl/[LCl]+ L+/[L+]+ E (V) 0,4 0,5 0,6 0,7 I (µA) 1 2 3 5 4 6 7 8 9 (*) DE = 130 mV L+ Spectroscopie UV-Visible l (nm) 0,0 400 420 440 460 480 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Abs (**) LCl Des résultats très intéressants ont également été obtenus lors du dosage des halogénures. et je vais vous décrire plus particulièrement le cas des anions chlorure. Voici l’évolution (comportement à deux vagues) du voltammogramme par voltammétrie à impulsion dérivées entre 0 et 1 équivalent d’anion chlorure. Le signal correspondant à l’oxydation du ferrocène dans le récepteur libre décroît au profit d’un nouveau signal qui atteint son intensité maximum après l’ajout d’1 équivalent de chlorure. Les différents équilibres mis en jeu lors de la détection électrochimique d’anions sont représentés sur ce schéma carré horizontalement équilibre de complexation entre la forme libre et complexé et verticalement les équilibre rédox entre les récepteurs à l’état réduit et oxydé. On peut extraire de ce schéma carré une expression qui permet de relier la constante de complexation à l’état réduit Kred à celle de l’état oxydée Kox. Connaissant l’écart de potentiel d’oxydation du ferrocène entre l’état libre et complexé, et en calculant la constante d’association à l’état réduit, par spectroscopie UV-visible par exemple, il est possible de déterminer la constante Kox d’association à l’état oxydé. Ainsi le dosage par spectroscopie UV-visible , en suivant l’évoluion de la bande de soret conduit à une constante d’association à l’état réduit Kred de 104 M-1 environ ce qui permet de calculer la constante d’association à l’état oxydé Kox qui est donc de 1,7.106 M-1. Fort renforcement des interactions à l’état oxydé qui est responsable du phénomène de reconnaisance efficace Kred = 104 M-1 Kox = 1,7.106 M-1 (*) vs DMFc/DMFc+, carbone vitreux, M, CH2Cl2 0,1 M TBAP (**) CH2Cl2 0,1 M TBAP, l = 1 cm

25 Après l’ajout de 1 équivalent de Clˉ :
Intérêt de la présence de deux interactions complémentaires Après l’ajout de 1 équivalent de Clˉ : + N Z n F e R 2 1 + N F e DE = 5 mV N Z n Tol F e DE = 130 mV DE = 50 mV Comportement à « 2 vagues » Comportement à « 1 vague » (Déplacement progressif du signal)

26 Evolution entre 0 et 1 équivalent d’halogénure :
Sélectivité pour la reconnaissance des halogénures Evolution entre 0 et 1 équivalent d’halogénure : DE = 130 mV E (V) 0,4 0,5 0,6 0,7 I (µA) 1 2 3 5 4 6 7 8 9 (*) 0,3 Fluorure Bromure Chlorure DE = 152 mV DE = 112 mV Il est intéressant de noter que l’ajout d’un équivalent d’anion chlorure ne provoque qu’un déplacement de -5 mV dans le cas de ce ferrocène ammonium et de -50 mV dans le cas de la simple ferrocène porphyrine avec dans ces deux cas un comportement à une vague. Si l’on réalise les mêmes dosages voltampérométrique avec les anions bromures et fluorures, on obtient également un comportement à deux vagues avec un déplacement de potentiel après l’ajout de 1 équivalent d’halogénure qui est dicté par la basicité de l’anion dosé. Il faut préciser que dans notre cas, la liaison métal-halogénure empêche l’oxydation catalytique des halogénures et que le signal rédox du ferrocène reste stable et réversible lors du dosage. Comportement à « 2 vagues » Potentiel du nouveau pic d’oxydation est spécifique de chaque halogénure (*) vs DMFc/DMFc+, carbone vitreux, M, CH2Cl2 0,1 M TBAP

27 Conclusion sur les conjugués ferrocène-porphyrine
Précurseurs Dithiolane-Ferrocène-Porphyrine Influence du nombre et de la position relative des ferrocènes sur les propriétés physico-chimiques des précurseurs, Communication électronique efficace entre les ferrocènes et la porphyrine Intérêt des systèmes conjugués ferrocène-porphyrine pour la détection électrochimique N Z n F e H R Porphyrine-ferrocène-amine : détection originale d’espèces neutres via un phénomène dynamique « on-off » Porphyrine-ferrocène-ammonium : intérêt pour la détection d’anions Perspectives Multiplication des sondes rédox ferrocène Greffage (monocouche auto-assemblée, film de polypyrrole…) Habillage des récepteurs

28 Plan de l’exposé Récepteurs de type conjugués Ferrocène–Porphyrines
Propriétés physico-chimiques Processus dynamique « on-off » de détection Détection électrochimique d’anions Récepteurs de type RAFT-Fc Détection électrochimique d’anions en milieu homogène Je vais vous présenter des résultats obtenus à partir de récepteur construit sur la base de cyclopeptide RAFT. Nous avons en particulier pu réaliser la détection électrochimique d’anions en milieu homogène puis en phase supportée. Pour terminer, je présenterai des résultats préliminaires et prometteurs concernant la caractérisation de processus d’adhésion cellulaire à partir de matériaux biomoléculaire rédox-actifs. transition : Les assemblages peptidiques jouent un rôle essentiel dans un grand nombre de processus biologiques, en raison de leur propriétés de transport ou de reconnaissance spécifique, qui repose essentiellement sur des interaction de type liaisons H. Nous nous sommes donc intéressés aux marquages rédox d’architectures moléculaires peptidiques dans le but de contrôler ou et de détecter des interactions moléculaires ou biomoléculaires. Dans la suite de cette exposé, je vous montrerai l’intérêt de polypeptide rédox pour la reconnaissance électrochimique d’anions et également pour la caractérisation de processus de reconnaissance spécifique peptide –protéine Détection électrochimique d’anions en phase supportée Caractérisation d’un processus d’adhésion cellulaire

29 Architecture moléculaire RAFT-Fc
D K f G N O RGD : peptide reconnu spécifiquement par l’intégrine avb3 (adhésion cellulaire) F e Sonde rédox ferrocène O N RAFT Regioselective Adressable Functional Template - Donneur/accepteur de liaisons H - Deux faces sélectivement adressables K G P A H N NH Les récepteurs que nous avons synthétisées sont basées sur un squelette cyclodécapeptidique nommé RAFT. Cette plateforme peptidique est potentiellement donneur/accepteur de liaisons hydrogène (intéressant pour la reconnaissance d’anion) et possède deux faces sélectivement adressables . dans un premier temps, nous avons introduit sur la face supérieur, quatre sonde rédox ferrocène, et étudié les propriétés de cet assemblage en reconnaissance électrochimique d’espèces anioniques. Par la suite nous avons introduit une dimension de reconnaissance supplémentaire en fonctionnalisant chaque fragment rédox par un cyclopeptide RGD, reconnu spécifiquement par une protéine surexprimée à la surface de cellules de lignée tumorale. Comme je vous l’ai dit précédemment, le squelette RAFT présente deux faces sélectivement adressable et nous avons mis à profit cette séléctivité pour introduitre un groupement dissulfure permettant l’élaboration de monocouches auto-assemblée. O N H 2 S t B u Pont disulfure : -Monocouches autoassemblées sur or

30 Récepteur rédox polypeptidique pour la détection d’anions : synthèse du RAFT-4Fc
K G P A B o c -G-P-K-A-K-G-P-K-A-K-Fmoc Boc - (i) (ii) K G P A 90 % 94 % F e F e F e K G P A H N O 2 F e K G P A H N O B o c N O N O N N O O O O (iii) L’intermédiaire clé de cette synthèse, qui présente quatre groupements oxyamine sur la face supérieure du RFAT, a été élaboré selon une procédure décrite dans la littérature. Brièvement, le décapeptide linéaire élaboré sur résine est cyclisé puis les fonctions amine des lysines préalablement déprotégées permettent d’introduire les fonctions d’accrochage oxyamine. La condensation de cet intermédiaire sur un excès de ferrocènecarboxaldéhyde conduit au récepetur visé avec un rendement de l’ordre de 50 %. Trans : Ce dérivé présente quatre sondes rédox chimiquement équivalentes et nous nous sommes intéressés et à priori électrochimiquemet indépendante. Nous avons vérifier cette hypothèse … (iv) (v) O H N O H N N H N H 76 % K 90 % 46 % G A K P K (*) K P A G (i) PyBOP, DIPEA, DMF,1h; (ii) 50% TFA/CH2Cl2 (v/v), 1 h; (iii) BocNHOCH2CO-NHS, DIPEA, DMF, 1 h; (iv)TFA/CH2Cl2/TIS/H2O (50/40/5/5) (v/v), 1 h; (v) Fc-CHO, acetate buffer (0.1 mol L-1, pH 4.6)/CH3CN (50/50) (v/v), 7 h; (*) Dumy, P.; Eggleston, I.; Servigni, S.; Sila, U.; Sun, X.; Mutter, M., Tetrahedron Lett. 1995, 36, 8, 1255.

31 Caractérisation électrochimique
-1.10 -5 -5.10 -6 5.10 1.10 -0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 I / A E / V expérimental théorique Epa Epc Voltampérogramme théorique : 4 transferts d’électron successifs Centres rédox n’interagissant pas entre eux eˉ + DEp = Epa  Epc = 58 mV Une seule vague d’oxydation … par voltammétrie cyclique. Voici représenté en noir la courbe de voltammétrie cyclique obtenue dans un mélange acétonitrile eau. En théorie, si les quatre sondes rédox n’interagissent pas entre elles et que les électrons sont transférés successivement, on devrait observer une seule vague d’oxydation caractérisé par un écart entre les potentiels de pic d’oxydation et de réduction de 58 mV. Expérimentalement on observe une valeur comparable à la valeur théorique ce qui est en accord avec l’absence d’interaction entre les quatre sondes rédox. Il faut également noter que les potentiels restent inchangés ce qui correspond à un comportement nerstien cad un transfert rapide des électrons. Courbe expérimentale : DEp = Epa  Epc = 75 mV Potentiels inchangés pour des vitesses de balayage n < 400 mV.s–1 Comportement Nerstien (transfert d’électron rapide et réversible) (*) CV (n = 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+.

32 Kox = Kred exp(nFDE/RT)
Réponse électrochimique en présence d’anions H2PO4ˉ en milieu homogène K G P A H N O F e - F e F e F e F e N O N O N N O O O O O H N O H N + H2P04ˉ ( = ) N H N H - K K G A P - 4 eˉ K K P A G DPV 0 à 4 équivalents H2PO4ˉ 0,45 -0,15 -0,05 0,05 0,15 0,25 0,35 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Potentiel (V vs Ag/Ag+) Courant (µA) Comportement « à deux vagues » Kox = Kred exp(nFDE/RT) Kox / Kred = 2,7.107 DE = -110 mV Compte tenu des caractéristiques électrochimiques intéressantes du RAFT-4Fc, nous avons étudié la réponse électrochimique de ce récepteur en présence d’anion dihydrogénophosphate en milieu homogène. Voici l’évolution du voltammogramme par voltammétrie à impulsion dérivée entre 0 et 4 équivalents de phosphate. ferrocènes. Le pic initiale correspondant à l’oxydation des ferrocènes dans le récepteur libre disparaît au profit d’un nouveau signal qui apparaît à plus bas potentiel correspondant à l’oxydation des ferrocènes dans l’espèce totalement complexée par le phosphate et qui atteint une intensité maximale après l’addition de 4 équivalents de dihydrogénophosphate. L’écart de 110 mV entre ces deux vagues permet de calculer le rapport Kox/Kred qui d’environ 2,7.107 ce qui montre l’intérêt des processus d’oxydation dans la reconnaissance électrochimique d’anions. (2,5.10–4 mol.L–1, CH3CN, 0,1 mol.L–1 TBAP)

33 Vers des monocouches autoassemblées de peptides rédox
K G P A B o c l K G P A B o c K G P A B o c O N H ( F m ) S t u K G P A O N H ( F m o c ) S t B u 91 % 79 % 93 % (*) O N H 2 S t B u K G P A F e O N H ( F m o c ) S t B u K G P A O N H 2 S t B u K G P A o c O N H 2 S t B u K G P A 77 % 79 % 70 % 49 % Nous avons ensuite introduit sur la face inférieure du RAFT un pont disulfure afin de greffer notre récepteur sur électrode d’or. (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 (*) Boturyn, D.; Coll, J.-L.; Garanger, E.; Favrot, M.-C.; Dumy, P., J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5730.

34 Caractérisation par microbalance à quartz du phénomène d’auto-assemblage sur or du RAFT-Fc
Electrode Au Quartz 1/f (Dfn/n) = 5,5 Hz Cinétique d’adsorption : < 1 min. Densité surfacique : 1 molécule/384 Å2 Fréquence Normalisée Dfn/n (Hz) Temps (min) 2 4 6 8 10 12 RAFT Solvant Df7/7 n = 7 6 4 2 Film rigide Sauerbrey : Dans un premier temps nous avons étudié la cinétique d’adsorption du thiol-RAFT-4Fc pour former des monocouches autoassemblées sur or par QCM-D. je rappelle brièvement le principe de la QCM-D : L’introduction d’une solution de RAFT à une concentration milli molaire dans la cellule de mesure entraîne une diminution rapide de la fréquence de résonnance du quartz suivi d’une stabilisation. Cette évolution révèle donc un processus d’autoassemblage très rapide du RAFT sur or. L’introduction de solvant permet ensuite de laver la surface d’or et la différence de fréquence entre l’état initial et final permet d’estimer la quantité de molécule immobilisée à la surface du quartz d’or grâce à la formule de Sauerbrey qui permet de relier une variation de fréquence à une masse dans le cas d’un film rigide. on peut donc en déduire une molécule occupe une surface de 384 Å2.

35 Pas d’interaction entre les ferrocènes
Modélisation moléculaire 30 30 Å 15 Å < d(Fe-Fe) < 30 Å Pas d’interaction entre les ferrocènes 24-25 Å 5-6 Å Ellipsométrie : Epaisseur du film 23,1 ± 1,6 Å 14-15 Å Voici la modélisation moléculaire du thiol-RAFT-4Fc où l’on voit les quatre ferrocènes, le RAFT et le pont disulfure. les dimensions du RAFT sont d’environ 5 fois 15Å et donc la surface couverte par un thiol-RAFT-Fc est comprise entre 5 fois 15 et 30 fois 30 Å car la distance entre deux ferrocènes peut aller jusqu’à 30 Å. On n’a donc pas d’interactions électrostatiques entre les ferrocènes. De plus, la distance entre les ferrocènes et le pont disulfure est d’environ 24 Å en très bon accord avec la valeur trouvée par ellipsométrie (23 Å)

36 Etude cinétique du transfert d’électron
500 V/s 1 V/s 10 V/s 100 V/s 1000 V/s 5000 V/s O N H 2 S K G P A F e Au eˉ Informations à partir des voltamogrammes : n(ferrocènes) n(RAFT) densité surfacique : 1 RAFT/260 Å2 Intégration de la vague de réduction : quantité d’électrons transférés Compte tenu de la distance importante entre les ferrocènes et la surface d’or, nous avons réaliser une étude cinétique du transfert d’électron afin de déterminer son efficacité. J’ai représenté ici les voltamogrammes cyclique enregistrées sur microélectrode d’or modifiée dans l’eau à différentes vitesses de balayage. Quelle type d’information peut on extraire de ces courbes ? par intégration de la charge sous la vague …L’allure et les potentiels de pic restent inchangés jusqu’à 1 V/s, …. Vitesse de transfert d’électron ktr qui est d’environ 6000 s-1 cad transfert d’e- efficace Allure et potentiel de pics inchangés jusqu’à 1 V.s–1 Vitesse de transfert d’électron ktr~ 6000 s–1 transfert d’électron rapide et efficace à travers l’espaceur peptidique

37 SAMs rédox pour la détection de H2PO4ˉ
DE = 200 mV 7,5.10 -5 M 5,4.10 -4 M 2,10 -4 M I (échelle arbitraire) -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Les électrodes modifiées par le thiol raft Fc ont ensuite était trempée dans des solutions organiques de différentes concentrations en phosphate et l’évolution est similaire à celle observée pour l’analogue non immobilisé cad que le signal correspondant à l’oxydation des ferrocènes dans le récepteur libre décroit au profit d’un nouveau signal qui apparaît à plus bas potentiel et qui correspond à l’oxydation des ferrocène dans l’espèce complexée par les anions dihydrogénophosphate. l’écart en potentiel de -200 mV correspond à un rapport entre la constante d’association à l’état oxydé et réduit de 3, Pour rappel, Kox/Kred =2,7.107 dans le cas du récepteur RAFT-Fc non immobilisé. La constante d’association augmente donc d’un facteur 106 en confinant le récepteur sur la surface de l’électrode. Trans : Nous avons donc valider le concept du greffage du RAFT Fc par une liaison covalente S-Au en réalisant la détection électrochimique de l’anion dihydrogénophosphate. Nous avons voulu étendre ce concept à la détection d’un processus d’adhésion cellulaire E (V) DEp = 200 mV Kox/Kred = 3,3.1013 Kox = Kred exp(nFDE/RT) Kox/Kred = 2,7.107 en phase homogène Augmentation de la constante d’association en confinant le récepteur sur la surface de l’électrode

38 -RGD- séquence peptidique spécifique de l’intégrine
Matériaux moléculaires pour la caractérisation de processus d’adhésion cellulaire membrane cellulaire Récepteur de la membrane cellulaire : intégrine avb3 = -RGD- séquence peptidique spécifique de l’intégrine = O N F e K G P A H N O 2 S Or Nous venons donc d’illustré l’intérêt de monocouches autoassemblées de peptides rédox en reconnaissance électrochimique d’anions. Comme je l’ai dit dans l’introduction de cette deuxième partie, nous avons par ailleurs introduit une dimension de reconnaissance supplémentaire en fonctionnalisant chaque fragment rédox par un cyclopeptide RGD, reconnu spécifiquement par l’intégrine alpha v beta 3 surexprimée à la surface de cellules de lignée tumorale. A partir d’une monocouche autoassemblée de ces monomères, nous avons caractérisé le processus d’adhésion cellulaire entre la séquence RGD et ce récepteur protéique de la membrane cellulaire. Les type d’interactions engagées sont électrostatiques, …. et liaisons H. Electrostatique Coordination Liaisons hydrogène Intéractions de type :

39 Synthèse thiol-RAFT-4Fc-4RGD
K f G O N C H R D K f G O H 2 N (i) F e C H O + R D K f G O N H 2 S E t P A F e 44 % (ii) O N H 2 S E t K G P A SEt S 38 % (i) tampon phosphate (0,1 mol L-1, pH = 4,6)/CH3CN (50/50) (v/v), 0,5 h (ii) tampon phosphate (0,1 mol L-1, pH = 4,6)/CH3CN (50/50) (v/v), 1 h

40 Caractérisation du processus d’adhésion cellulaire : expérience de QCM-D
cellule positive S 18 min : milieu de culture 89 min : cellules positives 38 min : cellules négatives 68 min : milieu de culture -40 -80 -120 -160 F3/3 (Hz) 40 80 120 20 60 100 140 D3 (10-6) nous avons étudié par QCM-D l’interaction entre une monocouche autoassemblée du RAFT Fc RGD avec des cellules négatives cad ne surexprimant pas l’intégrine et des cellules dites positives surexprimant l’intégrine. On constate sur ce graphique que l’introduction de cellule négative dans la cellule de mesure ne provoque aucun changement de fréquence et de dissipation alors que l’introduction de cellules positives s’accompagne d’une variation importante de la fréquence de résonance du quartz et de la dissipation. Cette évolution significative met en évidence le phénomène d’adhésion résultant de l’interaction spécifique entre le ligand RGD et le récepteur intégrine alpha v beta 3. l’accrochage des cellules entraine en particulier une variation de masse et de viscosité à la surface du quartz. Adhésion spécifique des cellules positives 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Temps (minutes)

41 Quartz d’or modifié après l’expérience de QCM-D
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 -20 20 40 60 avant expérience de QCM-D après expérience de QCM-D Courant (µA) Potentiel (V) Voici une vue de la surface du quartz après fixation des cellules positives. La forte concentration de cellules (qui ont une taille de l’ordre de 10 µm) révèle l’efficacité du processus de reconnaissance. En guise de conclusion, j’ai représenté sur ce transparent l’évolution de la signature électrochimique de la monocouche avant et après fixation des cellules positives. Ce résultat préliminaire permet en particulier d’envisager une lecture électrochimique du phénomène d’adhésion grâce à la profonde modification de l’environnement des sondes rédox. Ces résultats encourageants que nous n’avons pas eu le temps de développer davantage doivent être confirmés mais ouvrent de larges perspectives dans le domaine de la reconnaissance électrochimique biomoléculaire. 80 µm Densité de cellules très importante : reconnaissance des cellules (+) efficace Modification du voltamogramme après l’adhésion des cellules

42 Résumé et perspectives
RAFT-4Fc Détection électrochimique efficace des anions H2PO4ˉ en milieu homogène Thiol-RAFT-4Fc Transfert des propriétés de reconnaissance de la phase homogène à la phase supportée Amplification considérable du phénomène de reconnaissance électrochimique Thiol-RAFT-4Fc-4RGD QCM-D : processus d’adhésion cellulaire sélectif des cellules surexprimant l’intégrine avb3 Electrochimie : modification du voltampérogramme après adhésion des cellules positives Perspectives Modification des sites de reconnaissance, autre méthode de greffage…

43 Conclusion générale Porphyrines à piquets rédox Communication électronique efficace entre les ferrocènes à travers le macrocycle Optimisation du transfert d'information Intérêt de la multiplication des sites de reconnaissance sur un même récepteur Renforcement des interactions, sélectivité Sources de détections multiples et complémentaires Signalisation efficace des interactions Architectures moléculaires cyclopeptide-ferrocène Intérêt marquage rédox Transfert milieu homogène/surface Amélioration des propriétés de reconnaissance Illustration/application : caractérisation de processus d’adhésion cellulaire à partir d’assemblages organisés de gabarits cyclopeptidiques Intérêt de l’électrochimie et du marquage rédox pour l’activation et la signalisation d’interactions moléculaires

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47 Exemples de porphyrines à piquets rédox synthétisées
F e Z n B 4 N F e Z n B 4 N F e Z n H N O H 3 S C F e Z n N F e Z n H O N F e Z n B 4 qui diffèrent par le nombre de sondes rédox connectés à la porphyrine et par l’habillage du piquet rédox adapté à la complexation d’une espèce cible. Citons en particulier les dérivés de type ferrocène ammonium ou ferrocène-peptide élaboré pour la reconnaissance électrochimique anionique ou ferrocène-éther couronne potentiellement adapté à la complexation simultanée d’une espèces anionique et cationique. dans cette 1ere partie de ma présentation je détaillerai la synthèse et les propriétés en reconnaissance électrochimique moléculaire des récepteurs PFc-amine et ammonium. Je vais maintenant vous présenter la stratégie de synthèse que nous avons mise au point pour accéder à ces dérivés

48 Comparaison P(Zn)-Fc-amine/P(Zn)-Fc
H Tol DEmax = 92 mV N Z n Tol F e DEmax = 20 mV Pourquoi cette différence ? Processus dynamique : Il est intéressant de noter que la coordination d’un excès de pyridine sur la porphyrine-ferrocène-amine provoque un déplacement de potentiel maximum de -92 mV alors qu’elle ne provoque qu’un très faible déplacement de -20 mV dans le cas de la porphyrine ferrocène sans bras hexylamine. Comment expliquer cette diférence ? Dans le cas de la porphyrine-ferrocène amine, la coordination de la base entraîne une décompression stérique du dimère induisant probablement une modification de l’angle d’ouverture du métallocène ce qui améliore nettement la sensibilité de la détection. Déplacement de l’amine Coordination base azotée Décompression stérique

49 Récepteurs rédox-actifs d’anions
Analyse thermodynamique de la complexation d’anions Kred Kox Lox Lox•Aˉ Lred + Aˉ + eˉ El° Lred•Aˉ Ec° DE = Ec°- El° DE = (RT/nF)ln(Kred/Kox) Kred < Kox DE < 0 Modification des voltampérogrammes Comportement « à deux vagues » Comportement « à une vague » Ip/Ipmax E / V 0,1 mA 1 0,20 DE1/2/V 1,2 0,1 mA 0,05 0,8 E / V 0,20 0,4 -0,05 A-/L 1 -0,1 A-/L 1 2 -0,15 1 2 3

50 ktr = α/(((RT)/(nF))exp((-bαnF)/(RT)) avec b ordonnée à l’origine.
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 n, avec n 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. En ce qui concerne la partie cathodique α = -2,3RT/(anF) avec a 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.

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52 Récepteurs à plusieurs sonde rédox
Molécules à n centres rédox chimiquement identiques, indépendants, en l’absence de réorganisation moléculaire ou de changement de solvatation : E1/2obs E1F-EnF (mV) n = 2 35,6 n = 3 57,0 n = 4 71,2

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54 Structure RX de PZn(FcS2)2(Tol)2
Macrocycle porphyrinique plan d(Fe-Fe) = 13,3 Å Angle dièdre porphyrine-cyclopentadiène ~ 53°

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