DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Tétracyanobutadiènes fluorescents : de nouveaux AIEgènes pour des applications biophysiques – Fluotet

Les tétracyanobutadiènes : de nouvelles molécules fluorescentes

Des super-accepteurs d'électron pour moduler les propriétés optiques des composés émissifs.

La fluorescence inattendue des tétracyanobutadiènes dérivés d’ynamides

Les ynamides sont des molécules possédant une triple liaison CC directement liée à un azote, lequel porte un groupement électro-attracteur. Ceux-ci réagissent efficacement avec le tétracyanoéthylène pour fournir, après une réaction en cascade, des molécules appelées tétracyanobutadiènes ou TCBD dans le jargon. Grâce à leurs quatre fonctions nitriles, ces composés sont d’excellents attracteurs d’électrons, ce qui leur confère des propriétés optiques et électroniques uniques. Capable d’absorber de grandes quantités de photons sur une large gamme spectrale, il avait été démontré que leur caractère émissif (phénomène appelé fluorescence) était quasiment nul. Notre laboratoire a donc été surpris d’observer que certains TCBD synthétisés à partir d’ynamides étaient fluorescents, contrairement aux autres TCBD. Dans ce projet, nous avons donc voulu étudier cette fluorescence inattendue afin de savoir si nos composés faisaient figure d’exception. Et si oui, nous avons souhaité tirer profit de ces propriétés si particulières pour visualiser une membrane cellulaire et mesurer sa pression interne.

Pour cela, nous avons synthétisé un large panel de TCBD dérivés d’ynamides. Il a donc fallu dans un premier temps synthétiser les ynamides précurseurs selon des méthodes décrites dans la littérature et déjà éprouvées au laboratoire. Nous les avons ensuite mis en réaction avec le tétracyanoéthylène pour obtenir les TCBD correspondant avec de très bons rendements. La fluorescence de ces TCBD a ainsi été étudiée en solution et à l’état solide à l’aide de spectrofluorimètres. Pour l’analyse en solution, plusieurs solvants ont été utilisés afin d’étudier l’impact du milieu environnant sur les propriétés de fluorescence. Par ailleurs, des modèles artificiels de membranes cellulaires, appelés « micelles » et « liposomes » ont été utilisés afin de connaître le comportement de nos TCBD dans un tel environnement.

De nombreux TCBDs portant des fluorophores ont été synthétisés, en particulier dans la série fluorène mais pas uniquement. Des dérivés anthracène, pyrène et pérylène ont notamment pu être isolés.
La fluorescence de tous ces composés a été étudiée en solution et à l'état solide. Tous émettent de la lumière une fois excités mais dans des gammes de longueurs d'onde très différentes et avec une intensité variable. En particulier, les dérivés anthracène, pyrène et pérylène émettent dans la région du proche infrarouge jusqu'à 1550 nm, ce qui est très intéressant pour des applications biomédicales. En solution, la situation dépend de la nature du solvant. Nous avons supposé qu'un fort solvatochromisme était en jeu. Cette propriété a été étudiée en détail avec le TCBD dibutylfluorène en enregistrant son émission dans différents solvants . Nous avons mis en évidence un fort impact de la polarité du solvant sur la longueur d'onde d'émission ainsi que l'intensité d'émission. Dans des solvants très polaires comme le cyclohexane, l'intensité de l'émission est maximale, tandis qu'elle chute drastiquement dès lors que du toluène est utilisé. Lorsque du dichlorométhane est utilisé, pratiquement plus d'émission n'est observée. Afin de mieux comprendre les raisons de ce fort solvatochromisme, une nouvelle collaboration avec le groupe de Nathan McClenaghan (Bordeaux) a été établie. Afin d'élucider le mécanisme de désactivation sous-jacent, de la spectroscopie d'absorption transitoire a été utilisée.
Une fois cette dépendance à l'environnement établie, 3 solvants ont ensuite été utilisés : le cyclohexane, le toluène et le dichlorométhane. Dans la grande majorité des TCBD étudiés, l'intensité d'émission maximale a été observée dans le cyclohexane, chute drastiquement dans le toluène et est quasiment absente dans le dichlorométhane, ce qui confirme les observations précédentes.
Par ailleurs, tous ces TCBD sont fluorescents à l'état solide. En particulier, les dérivés pérylène, pyrène et anthracène émettent dans le proche infrarouge jusqu'à 1550 nm.

Ces TCBD ont, dans la plupart des cas, fait preuve de remarquables propriétés d’émission. De manière particulièrement intéressante, certains TCBD sont capables d’émettre des photons dans le proche infrarouge. Ces photons invisibles à l’œil nu sont très prisés dans le domaine biomédical car ils traversent les tissus cellulaires sans être arrêtés, contrairement aux photons de la gamme du visible. Ainsi, cette propriété offre des perspectives intéressantes inattendues pour d’éventuelles applications dans le domaine de l’imagerie médicale. Par ailleurs, nous avons montré que ces TCBD devenaient également fluorescents au sein des micelles et des liposomes, ce qui laisse des possibilités intéressantes, éventuellement combinées avec l’émission de photons dans le proche infrarouge.

Ces résultats ont pour l'heure fait l'objet de trois articles scientifiques. Un premier article décrit la synthèse et la caractérisation de l'émission à l'état solide dans le proche infrarouge des TCBD pyrène et pérylène (Chem. Commun. 2020). Un deuxième article décrit la synthèse des dérivés anthracéniques et leur émission dans le proche infrarouge à l'état solide (Org. Lett. 2021). Le troisième décrit les propriétés d'absorption non linéaire de certains TCBD (Phys. Chem. Chem. Phys. 2021). A l’écriture de ce rapport, deux autres articles ont été soumis.

Le but de ce projet est de synthétiser de nouveaux 1,1,4,4-tétracyanobutadiènes (TCBD) provenant d'ynamides et possédant la propriété d'"émission induite par l'agrégation" (AIE). La voie de synthèse de ce type de composés, qui a récemment été développée par l'équipe du coordinateur scientifique, consiste en une séquence de cycloaddition [2+2] suivie d'une rétroélectrocyclisation [2+2] entre le tétracyanoéthylène et les ynamides. Cette méthode est tolérante à nombreuses fonctions chimiques et possède généralement de très hauts rendements.
Les composés possédant la propriété d'AIE sont fluorescents à l'été solide (éventuellement sous forme de nano-aggrégats dispersés dans un liquide) mais pas en solution. Cette propriété provient d'une restriction des mouvements moléculaires internes (rotation, vibration) qui permet la désexcitation radiative de l'état excité, impossible lorsque la molécule possède "trop" de degrés de liberté (désexcitation non radiative dans ce cas). Les TCBD ne provenant pas d'ynamides étant rarement fluorescents à température ambiante (à l'état solide comme en solution), cela constituerait une nouvelle famille de composés ayant cette propriété remarquable. Par ailleurs, le maximum d'émission des TCBD AIEgènes récemment synthétisés au laboratoire se situe au-delà de 600 nm, ce qui permet d'envisager des applications dans le domaine de la biologie puisque cela ne rentre pas en compétition avec l'auto-fluorescence naturelle des organismes vivants.
Une fois les meilleurs émetteurs identifiés et caractérisés, deux applications potentielles seront étudiées afin de tirer profit de la restauration de la fluorescence des TCBD en milieu contraint. Tout d'abord, ceux-ci seront rendus hydrosolubles afin de les incorporer à des membranes artificielles, formées à l'aide d'une cuve de Langmuir, et permettre ainsi leur visualisation par fluorescence. Etant donné que le maximum d'émission de nos TCBD est très sensible à l'environnement chimique, il est envisageable que ce maximum pourrait également être sensible à la pression appliquée à la membrane, ce qui en ferait ainsi l'un des premiers capteurs de pression à l'échelle moléculaire.
Enfin, en liant ces TCBD à des substrats spécifiques à certaines protéines par des motifs de type "sucres", il sera envisagé de visualiser ces dernières spécifiquement in vitro. Que ce soit pour travailler sur des membranes ou des protéines, les TCBD pourront être liés à des groupements hydrosolubles par réaction de "click" en partant d'un synthon propargylique commun aux deux applications envisagées.

Coordinateur du projet

Monsieur Yann TROLEZ (Institut des Sciences Chimiques de Rennes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ISCR Institut des Sciences Chimiques de Rennes

Aide de l'ANR 209 239 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2018 - 48 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter