Chimie et bio-luminescence

Jacques Livage

Collège de France

www.ccr.jussieu.fr/lcmc

rubrique ‘ cours du Collège de France ’

absorption émission stimuléeémission spontanée

Chocs inélastiques

3 processus

h = E

Deux étapes

1. excitation

2. relaxation radiativeX

X*

h

A + B [I]* P + h

État excité intermédiaire

Excitation processus

chaleur thermo luminescence

électrique électro-luminescence

pression tribo-luminescence

photons photo-luminescence

chimique chimiluminescence

biologique bioluminescence

5

Oxygène - O2

Luminescence de la molécule d’oxygène O2

O O

x

y

z

y

x

O = 1s2 2s2 2p4

5 x 2 = 10 OA 10 OM

8 x 2 = 16 électrons

Orbitales 2s, 2pz

Orbitales 2px, 2py

g = a(sa + sb) + b(za - zb)

u = c(sa - sb) + d(za + zb)4 OM

g = xa - xb

u = xa + xb

2x2 OM

hybrides ‘sp’

z

z

liante

antilianteliante

antiliante

zzx, yx, yzx, yx, y

Orbitales de cœur1s

g

u

u

gy

uy

gx

ux

2g

2p

O OO2

2s 2s

2p

g

u

g

g

u

u

La molécule O2 est paramagnétique S = 1

2p

O OO2

2s 2s

2p

g

u

g

g

u

u

La molécule O2 est paramagnétique S = 1

2p

N NN2

2s 2s

2p

g

u

g

g

u

u

O = 1s2 2s2 2p4 N = 1s2 2s2 2p3

États +1 -1 énergie (cm-1)

1g 13.000

1g 8.000

3g 0S = 1, L = 0

S = 0, L = 0

S = 0, L = 2

oxygène singulet 1O2

oxygène triplet 3O2

Configuration : …..g2 2 états excités

1O2

3O2

8.000 cm-1 ≈ 1 eV

couleur bleue

absorption

1O2

3O2

8.000 cm-1 ≈ 1 eV

luminescence rouge

émission

Luminescence de l’oxygène singulet

H2O2 + NaClO H2O + NaCl + 1O2

Cl2 + 2 OH- ClO- + Cl- + H2O

Formation d’hypochlorite

Oxydation en chloro-peroxyde

ClO- + H2O2 ClOO- + H2O

Dissociation

ClOO- 1O2 + Cl-

H2O2OH-

Cl2

H2O2

OH-

Cl2

1O2 3O2 + h ( = 634 nm)

Luminescence du tris(bipy)Ruthenium

Structure électronique du tris(bipy)RutheniumN

N

NN

NN

Ru

Ru(II) = d6Ru(III) = d5

Symétrie octaédrique - champ fort

t2g

eg

t2g

eg

Niveaux d’énergie d’un ion d6 en champ Oh

Fondamental

configuration = t2g6

terme = 1A1g

1A1g

Termes excités = 5T2g, 3T1g, 3T2g ,...

≈ 600 nm

luminescence orange

600 nm

Luminescence du tris(bipy)Ruthenium

Réaction d’oxydo-réduction Ru(III) - Ru(II)qui conduit au Ru(II) dans un état excité

Solution A : [Ru(bipy)3]3+

2[Ru(bipy)3]2+ + PbO2 + 4H+ 2[Ru(bipy)3]3+ + Pb2+ + 2H2O

Solution B : réduction Ru(III) par NaBH4

NaBH4 NaOH

Ru3+

Oxydation du Ru(II) par PbO2

Le luminol

Synthèse du luminol

acide 3-nitrophtalique

hydrazine

triéthylèneglycol

substitution OH-NH

3-aminophthalylhydrazide

luminol

Le luminol H.O. Albrecht Zeitschrift für Physikalische Chemie, 1928, 321

Luminol + H2O2 lumière bleueOH-

Cu2+ ≈ 450 nm

oxydé par H2O2/Cu2+ en aminophtalate

Le luminol donne un dianion en milieu basique

dianion

+ h

Cu2+

*

25

Luminol + Cu2+H2O2

Luminol + Cu2+H2O2

30

fluoresceine

Solution A

NaHCO3 + Na2CO3 +(NH4)2CO3 + CuSO4

(pH ≈ 9)+

luminol

Solution B

H2O2 (3%)

A BOxydation du luminol en milieu basique

QuickTime™ et un décompresseurSorenson Video sont requis pour visualiser

cette image.

ALuminol + NH4OH

B K3Cu(CN)4

On peut contrôler la cinétique en jouant sur les concentrations

Double rôle de H2O2

[H2O2]

oxydation du catalyseur Cu+ Cu2+

oxydation du luminol

Application du luminol en criminologie

détecter les traces de sang

La luminescence est catalysée

par le fer de l’hémoglobine

Inconvénients

• la luminescence peut être catalysée par d’autres cations métalliques (Cu, Pb, Mn,..)

• peut dénaturer les traces d’ADN (≠ analyse génétique)

Test très sensible ≈ 1 ppm

Specht - 1937

Peroxy oxalates

Luminescence des peroxy oxalates

dissociation du peroxy-oxalate par l’eau oxygénée

avec formation d’un composé cyclique intermédiairequi se dissocie en transférant son énergie à un luminophore

C C

OO

OO

2 O = C = O

dye*

dye

h

QuickTime™ et un décompresseurSorenson Video sont requis pour visualiser

cette image.

diphényle anthracène = luminescence ‘jaune-vert’

Transfert d’énergie vers le luminophore

bâton lumineux = light stick

La réaction est plus rapide mais la durée de vie diminue quand la température augmente

25°C 80°C

La luminescence peut durer plusieurs heures

25°C 80°C

L’énergie dégagée par la réaction est transférée à un luminophore

L = luminophoreC C

OO

OO

2 O = C = O

h

L

L*

la couleur émise dépend du luminophore

(DPA)

Luminophore = 9,10-Diphenylanthracene (DPA)

≈ 430 nm

Luminescence bleue

orange

jaune

vert

9,10-bis(phénylethynyl)anthracène

bleu

9,10-diphényl anthracène

rouge

5,6,11,12-tetraphényl naphtacène

50

bis(phénylethynyl)anthracène diphényl anthracènerubrene

C

Cl

OC

O

C

O

O

C

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

O2

O2

CPPO

Les ‘ lightsticks ’CYALUME ©

commercialisés par ‘ l’American Cyanamid Company ’

utilisent le bis(CarboPentoxy-3,5,6-trichloroPhenyl)Oxalate (CPPO)

H2O2

Cl

Cl

Cl

OC

O

C

O

O

Cl

ClCl

+

ClCl

ClHO

+O

C C

O

O O

2

Bis(2,4,6-trichlorophenyl)oxalate

(TCPO)

1,2-dioxetanedione

O

C C

O

O OCO2

+ fluorophore fluorophore*+

fluorophore + hv

chimie luminescence du peroxyoxalate

tube de verre enveloppe plastique

phényl oxalate+

luminophore

H2O2