Reconnaissance de gaz par des molécules cages en solution – GHOST

Le projet GHOST concerne l'étude fondamentale de la reconnaissance supramoléculaire des gaz dissous en milieu aqueux par des molécules-cages. Deux familles de récepteurs moléculaires, les cryptophanes et les cucurbiturils, qui possèdent une cavité hydrophobe capable d'encapsuler de petites molécules apolaires ont été choisis pour cette étude. Ces récepteurs devront être modifiés chimiquement pour permettre leur solubilisation en milieu aqueux et pour disposer de récepteurs différemment fonctionnalisés. Des calculs de chimie théorique aideront les chimistes dans la conception de leurs récepteurs cibles. Des études par résonance magnétique nucléaire permettront d'étudier la capacité d'encapsulation des cages synthétisées en présence de gaz choisis. Le but ultime de GHOST sera de mieux comprendre l'influence de la taille, de la forme, et des propriétés électroniques des deux familles de cavités sur les propriétés d'encapsulation et de reconnaissance des gaz. Cette étude permettra d'établir les relations et les règles qui gouvernent l'encapsulation des gaz par des molécules cages. Ce projet présente un grand intérêt compte tenu de l'importance des gaz notamment dans les domaines touchant à la santé et à l'environnement, et du fait que leur reconnaissance par des récepteurs moléculaires a été très peu étudiée. Les lois régissant les interactions réversibles gaz-récepteurs, responsables de la sélectivité de la complexation et de l'action biochimique des gaz sont encore très peu connues. Comprendre ces phénomènes de reconnaissance et de complexation reste donc un challenge. La solvatation est un phénomène dominant qui gouverne l'encapsulation des gaz dans les molécules-cage solubles dans l'eau. D'autres interactions hydrophobes interviennent également, tout comme les liaisons hydrogène. L'étude de la reconnaissance moléculaire des gaz est non seulement intéressante par elle-même, mais les gaz peuvent aussi servir de modèle pour une meilleure compréhension de l'effet hydrophobe. D'un point de vue expérimental, il est relativement aisé d'utiliser les petites molécules volatiles, qui peuvent être facilement ajoutées ou retirées, pour comparer sur un même échantillon différents effets influant sur l'encapsulation. De plus, le faible nombre d'atomes rend la compréhension et l'interprétation des interactions observées plus aisées. Nous proposons d'étudier ces processus d'encapsulation avec deux types de récepteurs: les cryptophanes, composés aromatiques, et les cucurbiturils, dérivés construits avec des unités urées. Ces molécules constituent deux familles de récepteurs moléculaires modèles qui, comme nous l'avons mis en évidence ces dernières années, présentent par exemple avec le xénon, des propriétés de complexation très intéressantes, où la polarisabilité est un facteur important pour la stabilité des associations xénon-molécules cages. De nouveaux cryptophanes et cucurbiturils solubles dans l'eau seront synthétisés afin d'étudier leur capacité à encapsuler des molécules gazeuses. Des séries de gaz variant selon la taille, l'hydrophobicité, la polarité, la polarisabilité et leur énergie interne vibrationnelle et rotationnelle seront étudiées. La RMN à haute résolution constituera un outil de choix pour l'étude de l'interaction sur les plans thermodynamique et cinétique. Une attention particulière sera portée sur l'encapsulation des alcanes (du méthane au pentane) et des gaz nobles par les molécules cages préparées. Dans le cas de l'hélium, du xénon et probablement du krypton, nous nous attacherons à produire les espèces hyperpolarisées. Ce projet sera conduit parallèlement à un autre projet en cours dans lequel les partenaires 2 et 3 sont déjà impliqués. Il consiste à l'utilisation de xénon polarisé par laser et encapsulé dans des cryptophanes fonctionnalisés pour cibler des récepteurs biologiques spécifiques, observables par imagerie par résonance magnétique du 129Xe projet (BULPOXI-? ANR PCV 2006). Les études fondamentales développées dans le présent projet serviront à améliorer le design de la molécule-cage du projet BULPOXI. Nos atouts pour le présent projet consistent en la complémentarité des équipes impliquées. Le partenaire 1 (CEA Saclay - DSV) possède un important savoir-faire en synthèse organique et également une certaine expérience dans la préparation de cucurbiturils. Le partenaire 2 (ENS Lyon) est le leader mondial dans la chimie des cryptophanes. Le partenaire 3 (CEA Saclay ? DSM) est composé de spectroscopistes de haut niveau et a les compétences en chimie théorique pour conduire les calculs nécessaires à la modélisation. L'équipement permettant d'hyperpolariser les gaz et de les introduire dans les échantillons est dès à présent disponible, et cette équipe est également pionnière dans la théorie et les méthodes expérimentales appliquées à l'étude des interactions intermoléculaires. La qualité de ces partenaires est validée par leurs publications dans des journaux à très fort facteur d'impact.