Récepteurs et matériaux rédox-actifs pour l’activation et la signalisation
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Récepteurs et matériaux rédox-actifs
pour l’activation et la signalisation d’interactions moléculaires
Charles DEVILLERS
Laboratoire d’Electrochimie Organique et de Photochimie RédoxUMR CNRS-UJF 5630, ICMG-FR CNRS 2607
Université Joseph Fourier, Grenoble, France
Laboratoire d’Etudes Dynamiques et Structurales de la SélectivitéUMR CNRS-UJF 5616
Récepteur moléculaire informatif
Reconnaissance ≠ détection : elle doit s’accompagner d’une modification claire et mesurable d’une propriété physico-chimique du récepteur
SSComplexationComplexation
Reconnaissance Reconnaissance (interactions au (interactions au
niveau niveau moléculaire)moléculaire)
SubstratSubstratRécepteurRécepteur
Site de complexationSite de complexation
+SS
Greffage d’une unité signalétique (activité rédox ou optique) sur le récepteur
ConnexionConnexionUnité signalétiqueUnité signalétique
« Signal »« Signal »
DétectionDétection
Application: Détection sélective d’espèces moléculaires
Capteurs chimiques
Reconnaissance électrochimique moléculaire
Récepteur rédoxRécepteur rédox
Site de reconnaissanceSite de reconnaissance Sous-unité rédoxSous-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)
S
Différentes interactions mises en jeu lors de lareconnaissance moléculaire d’une espèce cible
Interactions électrostatiques
Interactionshydrophobes
Coordinationmétal-ligand
Liaisons hydrogèn
eInteractions de type transfert
de charge
InteractionsAcide-basede Lewis
Interactionsélectrostatiques
E (KJ/mole)10050100,2-2
Liaisons de Van der Waals
Liaisons hydrogène Liaisons de
coordination Liaisons
covalentes
15
Cations
Espèces neutres
Anions
Détection électrochimique n’est pas neutre :
selon l’état rédox de la sonde, activation ou
désactivation des interactions
ClˉNH
NH
HNHN
S
S
S
S SPr
SPr
Beer et al., Inorg. Chem. 1997, 36, 5880
Nielsen et al., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 2444
Ge et al., J. Org. Chem., 2000, 65, 8831
Exemples de récepteurs rédox-actifs
Reynes et al., J. Organomet. Chem. 2001, 637-639, 356
H3CO O O OCH3
H3CO O
OHN
NH
O
O
NH
HNO
NH
O
HN
OFe
FeFe
N
O
O
H N
O
O
H N
N
Pr
N
Pr
O
O
H
H
+ e-
+ diaminopyridine
E1/2(1) = -1,15 V E1/2(2) = -1,93 V
(vs Ag/Ag+, CH3CN/CH2Cl2)
E1/2 = 0,23 V (vs Ag/Ag+, DCE)
E1/2 = 0,28 V (vs Ag/Ag+, CH3CN)
1,8-naphthalimide
Na+
H2P04ˉ
Plan de l’exposé
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
Récepteurs de type conjugués Ferrocène–Porphyrines
Propriétés physico-chimiques des précurseurs dithiolane-ferrocène-porphyrineProcessus dynamique « on-off » de détection d’espèces neutresDétection électrochimique d’anions
Introduction
Plan de l’exposé
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
Récepteurs de type conjugués Ferrocène–Porphyrines
Propriétés physico-chimiques des précurseurs dithiolane-ferrocène-porphyrineProcessus dynamique « on-off » de détection d’espèces neutresDétection électrochimique d’anions
Introduction
NH N
HNNH
NH HN
N HNH
H
S042ˉBucher et al.,
Chem. Comm., 2006, 3891
Exemples de macrocycles à base de pyrrole
Calixpyrrole Porphyrine Calixphyrine
Cyclooctapyrrole
Burrell et al., J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 4690
HN
NH
NH
HN
R8
R7
R6
R5
R2
R1
R3
R4
HN
N
NH
N
R3
R2 R1
R4
N
NH
N
HN
R3
R2
R1
R2
R1
R3
N N
N
N
NU
O
O
UO2
Applications potentielles des Ferrocène-Porphyrines
Reconnaissance électrochimique moléculaire
Systèmes photosynthétiques artificiels
Portes logiques optoélectroniques,Stockage moléculaire de l’information
Electronique moléculaire
Séparation de charge photoinduite et transfert d’électron intramoléculaire
Wei et al., J. Org. Chem., 2004, 69, 1461
Ar = 3,5-(t-Bu)2C6H3
Imahori et al.,Chem. Eur. J., 2004, 10, 3184
Beer et al., J. Chem. Soc., Chem Commun., 1995, 1187
N
N N
N
Ar
Ar
NH
OZn
N
N N
N
Ar
Ar
ZnHN
NO H3CN
N N
N
Ar
Ar
ZnFe
N
N N
N
SSAAcc
SSAAcc
SSAAcc
Fe
Zn
N
N N
N
HN
HN
NHO
O
O
NH
O
Fe
Fe
Fe
Fe
ZnUnique exemple de la littérature
Porphyrines à piquets rédox :signalisation/activation d’interactions moléculaires
Optimisation du transfert d'information
Multiplication des points d'ancrages ou greffage, solubilisation
Multiples possibilités de fonctionnalisation : sélectivité, renforcement des interactions…
Sources de détections multiples et complémentaires
Plateforme synthétique
Système π-électronique délocalisé
N
N N
NM
FeFe
R
R
N
N N
NM
FeFe
R
R
S
S
UV-visible, Electrochimie, RMN…
Site actif modulable : nature du métal
Précurseurs Dithiolane-Ferrocène-Porphyrine
+
NH HN
FeCHO
S
S
1) TFA
2) p-chloranile
13 %
10 % 6 %
<1 %
N
NH
NHN
Fe
S
S
N
NH
NHN
Fe
S
S
Fe
S
S
N
NH
NHN
Fe
S
S
Fe S
S
N
NH
NHN
Fe
S
S
Fe
S
S
Fe S
S
+
1) TFA2) p-chloranile
20 %
Fe
CHO
S
S
HN
N
NH
NHN
Fe
S
S
Fe
S
S
Fe S
S
FeS
S
Structure RX de PZn(FcS2)2(Tol)2
N
N
N
N
Fe
Fe
S
S
S
S
Zn
d(Fe-Fe) = 13,3 Å
Caractéristiques spectroscopiques UV-visible et RMN
Cas des bases libres
-2,6-1,8-1,0-0,2(ppm)
375 400 425 450 475 5000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
(nm) (CH2Cl2, 298 K)
RMN 1HUV-visibleNH
Diminution du caractère aromatique avec l’augmentation du nombre de ferrocènes
Bandes de Soret
Effet électronique des ferrocènesEffet stérique (déformation du macrocycle)
FcFc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
×10
5 (L
.mol
-1.c
m-1)
N
N N
N
R
R
R
RH
H
N
N
N
N
Fe
Fe
Fe
Fe
Zn
Atropoisomère
Distorsion importante du macrocycle porphyrinique
d(Fe-Fe) ~ 11,6 Å
d(Fe-Fe) ~ 10 Å
Structure RX de PZn4Fc
Angle dièdre Porphyrine-cyclopentadiène ~ 45°
5 µA
0,1 V
Communication entre ferrocènes à travers le macrocycle porphyrinique
(bases libres)
5A
0,1V
5 A
0,1 V
5A
0,1V
5 A
0,1 V
E°(1) = 0,640 V E°(1) = 0,635 VE°(2) = 0,690 V
E°(1) = 0,630 VE°(2) = 0,740 V
E°(1) = 0,610 VE°(2) = 0,655 VE°(3) = 0,715 V
E° = 55 mV E° = 110 mV
FcFcFc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
Fc
FcLittérature :
E° dépend de :
- métallation du macrocycle
- degré de liberté du ferrocène
CV des ferrocènes :
ppm (t1)9.009.5010.0010.5011.0011.5012.00
11,00 10,00 (ppm)10,50 9,5011,00 10,00 (ppm)10,50 9,50
NN
N NZn
FeHa
Ha'
Etude dynamique conformationnelle
ΔG≠(Tc) = 38,4 kJ/mol = 9,2 kcal/mol
Tc ~ 215 K = 936 Hz
RMN en température variable
Ha, Ha’302,9 K
185,3 K Ha Ha’
ΔG≠ = RTc(22,96 + ln(Tc/))
Dynamique ab initio
Calculs DFTFonctionnelle BLYP
Profil d’énergie libre
Ene
rgie
libr
e (K
cal/m
ol)
250 200 150 100 50 50 100 150
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0250 200 150 100 50 50 100 150
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
Minimumfinal
Premierminimum
10 kcal/mol
Barrièred’énergie
Angle (degré)
Porphyrine-ferrocène-amine :vers la détection d’espèces
neutres
Zn(OAc)2 (90 %)Signaux < 0 ppm :effet du courant de cycle
sur le bras amine
-35 4 3 2 1 0 -1 -2 -4 -5
NH
(CDCl3, 500 MHz)
e
d
c
b
a
f gh
i
k
j
(ppm)
Processus de
coordination
N
NH
NHN
FeS
S
(70 %)
AgNO3, NCSN
NH
NHN
Fe
CHO
1) CH3(CH2)5NH2
2) NaBH4 (80%)
N
NH
NHN
Fe
NH
f
e
d
c
ba
g hi
k
j
N
N
N
N
Fe
NH
Zn
Association inter ou intramoléculaire ?
n
Spectroscopie UV-Visible
intermoléculairemax = f(C) Osmométrie (V.P.O.)
M = 1957 g/mol
DimèreSpectrométrie de masse électrospray
Monomère, dimère, trimère, tétramère, pentamère
Majoritaires
Insight-II discover molecular modeling program
Signature électrochimique de P(Zn)-Fc-amine
[P[P2+2+FcFc++Nu]Nu]++ + eˉ + eˉ[P[P2+2+FcFc++Nu]Nu]44èmeème vague vague
[PFc-PFc[PFc-PFc++] + eˉ] + eˉ[PFc-PFc][PFc-PFc]
[PFc[PFc++-PFc-PFc++] + eˉ] + eˉ[PFc-PFc[PFc-PFc++]]11erer vague vague
[P[P+•+•FcFc++] + [PFc] + [PFc++] + eˉ] + eˉ
[P[P+•+•FcFc++] + eˉ] + eˉ
[PFc[PFc++-PFc-PFc++]]
[PFc[PFc++]]22èmeème vague vague
[P[P2+2+FcFc++] + eˉ] + eˉ
[P[P2+2+FcFc++Nu]Nu]
[P[P+•+•FcFc++]]
[P[P2+2+FcFc++] + Nu] + Nu33èmeème vague vague
2 eˉ
1 eˉ
1 eˉRDERDE
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
CVCV
Mécanisme rédox proposé :
N
N
N
N
Fe
NH
Zn
Effet de la quaternisation de l’amine
Fc/FcFc/Fc++
P/PP/P•+•+
PP•+•+/P/P2+2+
1) MeI, THF
2) BF4¯, IRA 96
CH3CN
E1/2 = 0,61 V
Ep = 0,91 V
Ep = 1,18 V
Ep = 1,45 V
10 µA
0,1 V
Fc/FcFc/Fc++
P/PP/P•+•+
PP•+•+/P/P2+2+
E1/2 = 0,65 V
E1/2 = 0,94 V
E1/2 =1,19 V
CH2Cl2 0,1 M TBAP Référence : DMFc/DMFc+
N
N
N
N
Tol Tol
Tol
Fe
NH
Zn
N
N
N
N
Tol Tol
Tol
Fe
N
Zn
BF4
Détection électrochimique de bases azotées
via un processus dynamique « on / off »
« On »« On »N
N
N N
NZn
N
N N
NZn
Fe
NHR
Fe
RH
92
Emax
(mV)
5,29
pKa
N
126 6,65N
HN
118 7,33N
N
130 7,56N
HN450
470
490
510
530
550
570
590
1 2 3 4 5 6 7 8 9Equivalents molaires
0
E1/
2(F
c/F
c+)
(V)
vs D
MF
c/D
MF
c+
N
« Off »« Off »N
N N
NZn
Fe
NHR
N
N N
NZn
FeRHN
N
N
N N
NZn
Fe
R
R
R
NN
R2
R 1
R1
Porphyrine(Zn)-ferrocène-ammonium : vers la détection d’anions
InteractionsAcide-basede Lewis
Interactions électrostatique
s
Interactions électrostatique
s
E (mV)
I (
A)
Fc/FcFc/Fc++P/PP/P•+•+
PP•+•+/P/P2+2+
Deux sites de détection électrochimique
Sonde ferrocèneSonde ferrocène
NO3ˉHSO4ˉ
0 10 20 30 40 50
540
560
580
600
620
640
660
Ep(
Fc/
Fc+ )
(en
mV
)
Equivalents d'anions
Sonde porphyrineSonde porphyrine
NO3ˉHSO4ˉ
-10 0 10 20 30 40 50 60750
775
800
825
850
875
900
925
950
Ep(
P/P
.+)
(en
mV
)
Equivalents d'anions
Aˉ
++
E (V) 0,4 0,5 0,6 0,7
I (µ
A)
123
54
6789 (*)
L+/[L+]+LCl/[LCl]+
E = 130 mV
L+
SpectroscopieUV-Visible
(nm)
0,0400 420 440 460 480
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Abs
(**) LCl
Kred = 104 M-1
(*) vs DMFc/DMFc+, carbone vitreux, 5.10-4 M, CH2Cl2 0,1 M TBAP (**) CH2Cl2 0,1 M TBAP, l = 1 cm
Détection Electrochimique d’anions : cas des halogénures
Kox
L+
[L+]+ [LA]+
e- e-
LAKred
E1 E2
A-
A-
N
N N
NZn
Fe
R
R
R
NN
R2
R1
R1
Aˉ
N
N N
NZn
Fe
NN
R
R
R
R2
R1R1
Schéma carré
E = (nF/RT) ln(Kred/Kox)
Kox = 1,7.106 M-1
DPV : 0 à 1 équivalent de Clˉ
N
N N
NZnTol
Tol
Fe
Tol
E = 5 mV
E = 50 mV
Comportement à « 1 vague »
Après l’ajout de 1 équivalent de Clˉ :
FeNN
N
N N
NZn
Fe
R
R
R
NN
R2
R 1
R1 ++
Intérêt de la présence de deux interactions complémentaires
Comportement à « 2 vagues »
E = 130 mV
++
(Déplacement progressif du signal)
Comportement à « 2 vagues »
Sélectivité pour la reconnaissance des halogénures
(*) vs DMFc/DMFc+, carbone vitreux, 5.10-4 M, CH2Cl2 0,1 M TBAP
E = 130 mV
E (V) 0,4 0,5 0,6 0,7
I (µ
A)
123
54
6789 (*)
E (V) 0,4 0,5 0,6 0,7
I (µ
A)
123
54
6789 (*)
0,3
FluorureBromure Chlorure
E = 152 mVE = 112 mV
E (V) 0,4 0,5 0,6 0,7
I (µ
A)
123
54
6789 (*)
Evolution entre 0 et 1 équivalent d’halogénure :
Potentiel du nouveau pic d’oxydation est spécifique de chaque halogénure
Conclusion sur les conjugués ferrocène-porphyrine
Intérêt des systèmes conjugués ferrocène-porphyrine
pour la détection électrochimique
Influence du nombre et de la position relative des ferrocènes sur les propriétés physico-chimiques des précurseurs,
Porphyrine-ferrocène-amine : détection originale d’espèces neutres via
un phénomène dynamique « on-off »
Porphyrine-ferrocène-ammonium : intérêt pour la détection d’anions
Communication électronique efficace entre les ferrocènes et la porphyrine
N
N
N N
NZn
N
N N
NZn
Fe
NHRFe
RH
NN
N N
NZn
FeRHN
N
N
N
NZn
Fe
NHR
N
Précurseurs Dithiolane-Ferrocène-Porphyrine
Perspectives
Multiplication des sondes rédox ferrocène
Greffage (monocouche auto-assemblée, film de polypyrrole…)
Habillage des récepteurs
Plan de l’exposé
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
Récepteurs de type conjugués Ferrocène–Porphyrines
Détection électrochimique d’anions en phase supportée
Caractérisation d’un processus d’adhésion cellulaire
Architecture moléculaire RAFT-Fc
Pont disulfure :-Monocouches autoassemblées sur or
Sonde rédox ferrocène
RGD : peptide reconnu RGD : peptide reconnu
spécifiquement par spécifiquement par
l’intégrine l’intégrine vv3 3
(adhésion cellulaire)(adhésion cellulaire)
O O
O O
OO O
O
N
N
NN
Fe Fe
FeFe
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
NH
ONH2
S S
tBu
R
D
K
f
GR
D
K
fG
R
D
K
fG
R
D
K
f
GN O
N
OON
O
O
O
O
N
O
RAFT
Regioselective Adressable Functional Template
- Donneur/accepteur de liaisons H
- Deux faces sélectivement adressables
Récepteur rédox polypeptidique pour la détection d’anions : synthèse du RAFT-
4Fc
(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;
-G-P-K-A-K-G-P-K-A-K-FmocBoc- Boc- Boc- Boc- (i) (ii)
(iii) (iv) (v)
46 %
90 % 94 %
76 % 90 %
(*) Dumy, P.; Eggleston, I.; Servigni, S.; Sila, U.; Sun, X.; Mutter, M., Tetrahedron Lett. 1995, 36, 8, 1255.
(*)
KG
PK
A
A
K
K G
Boc
Boc
Boc
Boc
P
KG
PK
A
A
K
K G
P
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
BocHNO
ONHBoc ONHBoc
ONHBoc
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
H2NO
ONH2 ONH2
ONH2
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
N
N
FeFe
FeFe
Caractérisation électrochimique
4 transferts d’électron successifs
Centres rédox n’interagissant pas entre eux
(*) CV ( = 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+.
-1.10-5
-5.10-6
0
5.10-6
1.10-5
-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4
I / A
E / V
expérimentalthéorique
Epa
Epc eˉ eˉ eˉ eˉ
+ + + + ++ ++++
Voltampérogramme
théorique :
Potentiels inchangés pour des vitesses de balayage < 400
mV.s–1
Comportement Nerstien(transfert d’électron rapide et réversible)
Courbe
expérimentaleEp
= Epa Epc = 75 mV
Ep = Epa Epc = 58 mV
Une seule vague d’oxydation
Réponse électrochimique en présence d’anions H2PO4ˉ en milieu
homogène
(2,5.10–4 mol.L–1, CH3CN, 0,1 mol.L–1 TBAP)
+ H2P04ˉ
- 4 eˉ
-( = )
Comportement « à deux vagues »
Kox = Kred exp(nFE/RT)
Kox / Kred = 2,7.107
E = -110 mV
0,45-0,15 -0,05 0,05 0,15 0,25 0,350
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Potentiel (V vs Ag/Ag+)
Cou
rant
(µ
A)
DPV 0 à 4 équivalents H2PO4ˉ
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
NN
FeFe
FeFe
KG
PK
A
A
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
NN
FeFe
FeFe
-
-
-
-
(i) (ii) (iii)
(iv) (v) (vi) (vii)
(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
Vers des monocouches autoassemblées de peptides rédox
91 % 79 % 93 %
77 % 79 % 70 % 49 %
(*)
(*) Boturyn, D.; Coll, J.-L.; Garanger, E.; Favrot, M.-C.; Dumy, P., J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5730.
ONH2
SS
tBu
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
H2NO
ONH2 ONH2
ONH2
ONH2
SS
tBu
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
OO
O O
BocHNO
ONHBoc ONHBoc
ONHBoc
ONH(Fmoc)
SS
tBu
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
OO
O O
BocHNO
ONHBoc ONHBoc
ONHBoc
KG
PK
A
K
K
K G
Boc
Boc
Boc
Boc
Alloc
PK
G
PK
A
K
K
K G
Boc
Boc
Boc
Boc
PK
G
PK
A
K
K
K G
Boc
Boc
Boc
Boc
P
ONH(Fmoc)
SS
tBu
KG
PK
A
K
K
K G
P
ONH(Fmoc)
SS
tBu
ONH2
SS
tBu
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
NN
FeFe
FeFe
Caractérisation par microbalance à quartz du phénomène d’auto-assemblage sur or du
RAFT-Fc
Sauerbrey : fSauerbrey n
1Δ m
Cf
fn/n) = 5,5 Hz
Cinétique d’adsorption : < 1 min.
Densité surfacique : 1 molécule/384 Å2
Fré
quen
ce N
orm
alis
ée
f n/n
(H
z)
Temps (min)0 2 4 6 8 10 120 2 4 6 8 10 12
RAFTSolvant
f7/7n = 7
6
4
2
0
2
40 2 4 6 8 10
)tDfexp(
1/f
QuartzElectrode Au
Film rigide
5-6 Å
14-15 Å
24-25 Å
Ellipsométrie :
Epaisseur du film23,1 ± 1,6 Å
Modélisation moléculaire
30 30 Å
15 Å < d(Fe-Fe) < 30 Å
Pas d’interaction entre les ferrocènes
Etude cinétique du transfert d’électron
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7-2,0
-1,0
0,0
1,0
2,0
Cou
rant
(nA
)Potentiel (V)
0,2 0,4 0,6 0,8-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4C
oura
nt (
µA
)
Potentiel (V)
500 V/s
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
-15-10
-505
1015
Potentiel (V)
1 V/s 10 V/s
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7-150
-100
-50
0
50
100
Potentiel (V)
100 V/s
0,2 0,4 0,6 0,8
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
Potentiel (V)
1000 V/s
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8-3
-2
-1
0
1
2
3
Potentiel (V)
5000 V/s
ONH2
S
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
NN
FeFe
FeFe
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
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
SAMs rédox pour la détection de H2PO4ˉ
E = 200 mV
I (é
chelle
arb
itra
ire)
-0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0
7,5.10-5
M
2,10-4
M
5,4.10-4
M
E (V)
Kox/Kred = 2,7.107
en phase homogène
Augmentation de la constante d’association en confinant le
récepteur sur la surface de l’électrode
Ep = 200 mV Kox/Kred = 3,3.1013Kox = Kred exp(nFE/RT)
Matériaux moléculaires pour la caractérisation de processus d’adhésion cellulaire
membrane cellulaire
Récepteur de la membrane cellulaire : intégrine v3
=
-RGD- séquence peptidique spécifique de l’intégrine
=
ON
O
ON
O
ON
OO
N
O
ON
O
ON
O
ON
OO
N
O
F e
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
NN
Fee
FeF
ONH2
S
Or
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
NN
FeFe
FeFe
ONH2
S
Electrostatique
Coordination
Liaisons hydrogène
Intéractions de type :
Synthèse thiol-RAFT-4Fc-4RGD
+(i)
(ii)
(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
38 %
44 %
FeCHO
CHO
R
DKf
G
OH2N
O
Fe
R
DKf
G
ON
OCHO
ONH2
SS
Et
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
H2NO
ONH2 ONH2
ONH2
R
D
K
f
G
ONH2
SS
Et
KG
PK
A
K
K
KG
HN
NH NH
HN
P
O O
O O
O
O O
O
N
N
NN
FeFe
FeFe
ON
O
R
D
K
fG
ON
OR
D
K
fG
O
N
O
R
D
K
f
G
O
N
O
SEtSEtSS
Caractérisation du processus d’adhésion cellulaire : expérience de QCM-D
18 m
in :
milieu
de
cultu
re
38 m
in :
cellu
les né
gativ
es
68 m
in :
milieu
de
cultu
re
89 m
in :
cellu
les po
sitiv
es
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Temps (minutes)
0
-40
-80
-120
-160
F3/
3 (H
z)
00
40
80
120
20
60
100
140
D3
(10-6
)
SS
SS
cellule positive
Adhésionspécifique
des cellulespositives
Quartz d’or modifié après l’expérience de QCM-D
80 µm
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
-20
0
20
40
60
avant expérience de QCM-D
après expérience de QCM-D
Co
ura
nt
(µA
)
Potentiel (V)
Densité de cellules très importante : reconnaissance des cellules (+) efficaceModification du voltamogramme après l’adhésion des cellules
Résumé et perspectives
RAFT-4Fc
Thiol-RAFT-4FcTransfert des propriétés de reconnaissance de la phase homogène à la phase supportée
Amplification considérable du phénomène de reconnaissance électrochimique
Thiol-RAFT-4Fc-4RGD
Détection électrochimique efficace des anions H2PO4ˉ en milieu homogène
QCM-D : processus d’adhésion cellulaire sélectif des cellules surexprimant l’intégrine v3
Electrochimie : modification du voltampérogramme après adhésion des cellules positives
Perspectives
Modification des sites de reconnaissance, autre méthode de greffage…
Conclusion générale
Communication électronique efficace entre les ferrocènes à travers le macrocycle
Architectures moléculaires cyclopeptide-ferrocène
Illustration/application : caractérisation de processus d’adhésion cellulaire à partir d’assemblages organisés de gabarits cyclopeptidiques
Porphyrines à piquets rédox
Intérêt de la multiplication des sites de reconnaissance sur un même récepteur
Transfert milieu homogène/surface
Intérêt marquage rédox
Optimisation du transfert d'information
Sources de détections multiples et complémentaires
Renforcement des interactions, sélectivité
Signalisation efficace des interactions
Intérêt de l’électrochimie et du marquage rédox pour l’activation et la signalisation d’interactions
moléculaires
Amélioration des propriétés de reconnaissance
N
N
N
N
Fe
Zn
NH
N
N
N
N
Fe
Zn
N
BF4
N
N
N
N
Fe
Zn
NH
O
O
O
O O
N
N
N
N
N
N
Fe
Zn
BF4
N
N
N
N
Fe
Zn
Fe
N
N
BF4
BF4
NON
H
HN
HN
O
H3N
NH
O
S
O
H3N
S
CF3COO
CF3COO
N
N
N
N
Fe
Zn
Exemples de porphyrines à piquets rédox synthétisées
Coordination base azotéeDécompression stérique
N
N N
NZn
Fe
HN
N
Tol
Tol
Emax = 92 mV
N
N
N N
NZnTol
Tol
Fe
Emax = 20 mV
Comparaison P(Zn)-Fc-amine/P(Zn)-Fc
Processus dynamique :
Pourquoi cette différence ?
Déplacement de l’amine
A-/L
E1/2/V
0 1 2 3-0,15-0,1
0,05E / V
0,1 mA
1
0,20
Récepteurs rédox-actifs d’anions
Analyse thermodynamique de la complexation d’anionsAnalyse thermodynamique de la complexation d’anions
E = Ec°- El°
E = (RT/nF)ln(Kred/Kox)KredKox
Lox
Lox•Aˉ
Lred
+ Aˉ
+ eˉ
+ Aˉ
+ eˉ
El°
Lred•AˉEc°
Kred < Kox E < 0
Modification des voltampérogrammesModification des voltampérogrammes
Comportement « à deux vagues »
0
0,4
0,8
1,2
0 1 2
A-/L
Ip/Ipmax
E / V
0,1 mA
0,20
1
Comportement « à une vague »
0-0,05
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
-2 -1 0 1 2 3 4 5
Ipa,Epa,Ipc etc en fonction vitesse
Ea-E0Ec-E0
Ea
-E0
log v
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 , avec 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.
-0,4
-0,35
-0,3
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4 4,1
Ec-E0
y = 0,91598 - 0,31808x R= 0,99983
Ec-
E0
log vEn ce qui concerne la partie cathodique
α = -2,3RT/(anF) avec 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.
Récepteurs à plusieurs sonde rédox
Molécules à n centres rédox chimiquement identiques, indépendants, en l’absence de réorganisation moléculaire ou de changement de solvatation :
35,6
57,0
71,2
E1/2obs E1
F-EnF (mV)
n = 2
n = 3
n = 4
Structure RX de PZn(FcS2)2(Tol)2
Angle dièdre porphyrine-cyclopentadiène ~ 53°
Macrocycle porphyrinique plan
ZnN
N
N
N
Fe
S
S
Fe
S
S
d(Fe-Fe) = 13,3 Å