These Michael Ramin - u-bordeaux.frori-oai.u-bordeaux1.fr/pdf/2010/RAMIN_MICHAEL_2010.pdf · 2012....

N° d'ordre : 4181

THÈSE

présentée à

L'UNIVERSITÉ BORDEAUX I

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES

par Michaël RAMIN

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPÉCIALITÉ : CHIMIE ORGANIQUE

*********************

Synthèses de nouvelles monocouches auto-assemblées à partir d’organosilanes fonctionnels capables

d’auto-association par liaisons hydrogène

Soutenue le : 15 Décembre 2010 Devant la commission d'examen formée de :

Mme SOUTEYRAND Eliane Directeur de Recherche CNRS, Rapportrice

Ecole Centrale de Lyon M DURAND Jean - Olivier Chargé de Recherche CNRS, Rapporteur Université Montpellier II M PELLEQUER Jean-Luc Chercheur CEA (LIRM, Marcoule) M DUGUET Etienne Professeur, Président Université Bordeaux I M BENNETAU Bernard Directeur de Recherche CNRS, Université Bordeaux I M VELLUTINI Luc Maître de Conférences, Université Bordeaux I M BUFFETEAU Thierry Directeur de Recherche CNRS, Université Bordeaux I

- 2010 –

REMERCIEMENTS

Ce travail de recherche s’est déroulé à l’Institut des Sciences Moléculaires (ISM, UMR

5255). Je remercie tout d’abord Monsieur Philippe Garrigues, directeur de l’ISM et Monsieur

Thierry Toupance, coordinateur du groupe Matériaux (devenu récemment, groupe C2M,

Chimie Moléculaire et Matériaux) pour m’avoir permis de mener à bien ce travail.

Je remercie Madame Eliane Souteyrand, directrice de recherche au CNRS à l’Ecole

Centrale de Lyon et Monsieur Jean-Olivier Durand, chargé de recherche CNRS de l’Université

de Montpellier pour avoir accepté de juger ce travail en qualité de rapporteurs. Je tiens

également à remercier Monsieur Jean-Luc Pellequer, chercheur CEA (LIRM, Marcoule) et

Monsieur Etienne Duguet, professeur de l’Université de Bordeaux 1, d’avoir accepté de

participer à ce jury de thèse.

J’exprime également ma profonde reconnaissance à Luc Vellutini, maître de

conférences à l’Université de Bordeaux 1, Bernard Bennetau, directeur de recherche CNRS,

ainsi qu’à Jean-Paul Pillot, ingénieur de recherche CNRS, qui ont dirigé cette thèse avec

rigueur et efficacité. Ces quatre années passées avec eux se sont déroulées dans une

ambiance agréable et stimulante (même pendant les moments pas toujours faciles de la

rédaction de la thèse). Un grand merci à vous pour vos conseils, votre disponibilité et votre

confiance !

Je suis très reconnaissant envers Thierry Buffeteau, directeur de recherche, pour toute

l’étude infrarouge. Ce fût vraiment une expérience très enrichissante. Ces travaux de

recherche ne seraient pas ce qu’elles sont sans son aide. Merci également à Gwénaëlle Le

Bourdon, ingénieur de recherche, pour sa disponibilité et son aide pour l’étude PM-IRRAS.

Je voudrai remercier Colette Belin, ingénieur d’étude, pour les longs moments passés

en microscopie à force atomique (AFM). Merci pour sa patience, sa disponibilité et surtout

pour sa gentillesse. Je n’oublierai pas toutes les discussions très agréables que nous avons

eues ensemble.

Pour les mesures de spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS), je

tiens à remercier Christine Labrugère, ingénieur de recherche au CeCaMA. Merci pour sa

disponibilité et son aide dans l’interprétation des données.

Bien évidemment, mes remerciements s’adressent aussi à tous ceux que j’ai côtoyés

durant ces années qu’ils soient du groupe Matériaux ou d’autres groupes. Merci pour les

moments passés ensemble. Plus particulièrement, je souhaite remercier Laetitia (dite «

Coquine » ou « la fille toujours bordeline ») pour toute l’entraide, l’écoute,… qu’elle a su

m’apporter. Merci collègue !

Je tiens également à remercier ma mère sans qui je pense, je n’en serai pas arrivé là.

Elle m’a toujours entouré et soutenu. Bien évidemment, je n’oublierai pas de remercier Emilie

(dite « Gniou gniou »), qui m’a toujours soutenue tout le long de cette thèse. Je n’oublierai

pas toute l’aide qu’elle m’a également apporté. Elle a su aussi m’épauler dans les moments

difficiles. Merci beaucoup d’avoir été autant présente à mes côtés.

Merci à tous ceux que j’aurai pu malheureusement oublié dans ces quelques lignes !

SOMMAIRE INTRODUCTION .......................................................................................................................................1 Chapitre I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ............... ................................................................................5

A. Les monocouches autoassemblées (SAMs) ................................................................................7 1. Mécanisme de formation des SAMs sur SiO2 ........................................................................8 2. Paramètres influençant la qualité des SAMs .........................................................................11

a. L’eau et le solvant ............................................................................................................11 b. La température .................................................................................................................12 c. La nature du motif organique ...........................................................................................12

i. La longueur de la chaîne hydrocarbonée ..................................................................12 ii. Les fonctions terminales ............................................................................................13 iii. Les foncions permettant un auto-assemblage ..........................................................14

Les cycles aromatiques ( stacking) ..................................................................14 Les liaisons hydrogène intermoléculaires ...........................................................15

B. Immobilisation des molécules biologiques ...................................................................................18

1. Les acides carboxyliques : accrochage indirect .....................................................................20 a. Hydrolyse des esters .......................................................................................................21 b. Photodéprotection ............................................................................................................22 c. Oxydation des fonctions vinyliques ..................................................................................24

2. Les époxydes : accrochage direct ..........................................................................................24 Chapitre II : TECHNIQUES EXPERIMENTALES .......... ..........................................................................27

A. Mesures d’angle de contact, Energie de surface .........................................................................29 1. Angle de contact .....................................................................................................................29 2. Energie de surface .................................................................................................................30 3. Instrumentation .......................................................................................................................31

B. Spectroscopie infrarouge à réflexions internes multiples (ATR) ..................................................31

C. Spectroscopie infrarouge en transmission ...................................................................................32

D. Spectroscopie infrarouge d’absorption-réflexion par modulation de polarisation ........................32 1. Traitement du signal brut .......................................................................................................33 2. Règle de sélection pour une surface métallique .....................................................................34 3. Instrumentation ........................................................................................................................35

E. Détermination des constantes optiques dans l’infrarouge ...........................................................36

1. Détermination des constantes optiques dans le plan d’incidence nx,y et kx,y .......................36 2. Détermination des constantes optiques hors du plan d’incidence nz et kz ...........................37 3. Détermination de l’orientation d’un moment de transition ......................................................37 4. Détermination de l’orientation des molécules par rapport à la surface ...................................39 5. Détermination du taux de recouvrement .................................................................................40

F. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X ................................................................40

1. Principe ..................................................................................................................................40 2. Instrumentation ........................................................................................................................41

G. Microscopie à force atomique ......................................................................................................42

1. Principe de fonctionnement ....................................................................................................42 2. Mode de fonctionnement .........................................................................................................43 3. Instrumentation ........................................................................................................................43

H. Substrats utilisés .........................................................................................................................43

1. Choix des surfaces .................................................................................................................44 a. Lames de microscope .......................................................................................................44 b. Substrat SiO2/Au ..............................................................................................................44

2. Activation des surfaces ..........................................................................................................44 3. Caractérisation des surfaces SiO2/Au après activations .........................................................44

Chapitre III : SYNTHESE DE MONOCOUCHES TERMINEES PA R DES ESTERS ..............................47

A. Synthèse des organosilanes fonctionnels ....................................................................................49 1. Estérification ...........................................................................................................................50 2. Synthèse des isocyanates .....................................................................................................50

a. Synthèse du 10-isocyanatodécène .................................................................................50 b. Synthèse du 6-isocyanatohéxène ...................................................................................50

3. Synthèse des précurseurs éthyléniques ................................................................................51 4. Hydrosilylation des composés insaturés ................................................................................51

B. Etude de l’auto-association des molécules 6 et 13 à l’état solide et liquide ................................53

C. Greffage et optimisation des conditions de greffage ....................................................................56

1. Greffage avec un groupement trichlorosilicié (SAMs-Cl) .......................................................56 a. Spectroscopie infrarouge en transmission ......................................................................56 b. Angle de contact et énergie de surface ...........................................................................57 c. Microscopie à force atomique ..........................................................................................58

i. Sur SiO2/Au ...............................................................................................................58 ii. Sur lame de microscope ............................................................................................59

2. Greffage avec un groupement triméthoxysilicié (SAMs-OMe) ................................................61 a. Spectroscopie infrarouge en transmission ......................................................................61 b. Angle de contact ..............................................................................................................62 c. Microscopie à force atomique ..........................................................................................62

D. Influence de la longueur de la chaîne carbonée ..........................................................................63

1. Greffage des composés trichlorosiliciés (SAMs-Cl) ...............................................................63 a. Spectroscopie infrarouge en transmission ......................................................................63 b. Angle de contact et énergie de surface ............................................................................64 c. Microscopie à force atomique ..........................................................................................65 d. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X ....................................................65 e. Spectroscopie infrarouge d’absorption-réflexion par modulation de polarisation ............66

i. Auto-association par liaison hydrogène ....................................................................69 ii. Orientation des carbonyles de l’urée et de l’ester .....................................................70 iii. Orientation des molécules sur le substrat .................................................................71 iv. Estimation du taux de recouvrement .........................................................................72

2. Greffage avec des composés triméthoxysiliciés (SAMs-OMe) ..............................................73 a. Spectroscopie infrarouge en transmission ......................................................................73 b. Angles de contact et énergies de surface .......................................................................74 c. Microscopie à force atomique ..........................................................................................75 d. Spectroscopie PM-IRRAS ...............................................................................................75

i. Auto-association par liaisons hydrogène ..................................................................76 ii. Orientation des carbonyles ........................................................................................77 iii. Orientation des chaînes alkyles sur le substrat .........................................................77 iv. Estimation du taux de recouvrement .........................................................................78

E. Tentatives d’hydrolyse des esters en surface ..............................................................................79

Chapitre IV : SYNTHESE D’UNE MONOCOUCHE TERMINEE PA R UN ESTER PHOTOLABILE POUR L’IMMOBILISATION DE MOLECULES BIOLOGIQUES ... ..........................................................83

A. Synthèse d’un organosilane avec un ester nitrobenzylique terminal et une fonction urée ...........85 1. Protection de l’amine et formation de l’ester nitrobenzylique (étape a et b) ..........................86 2. Déprotection de l’amine, formation de l’urée et hydrosilylation (étape c, d et e) ...................87

B. Etude de l’auto-association de la molécule à l’état solide et liquide ............................................88

C. Greffage et caractérisation physicochimique de surfaces modifiées chimiquement ....................89

1. Fonctionnalisation des surfaces par un ester nitrobenzylique ...............................................89 a. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure de l’angle de contact ...................89 b. Spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge par modulation de polarisation .........89 c. Microscopie à force atomique (AFM) ...............................................................................92 d. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) .........................................93

2. Modification chimique de l’ester nitrobenzylique terminal de la SAM-EsterNO2 ....................94 a. Photodéprotection de l’acide carboxylique ......................................................................94 b. Activation des acides carboxyliques ................................................................................98 c. Immobilisation de la protéine A .......................................................................................102

Chapitre V : SYNTHESE D’UNE MONOCOUCHE TERMINEE PAR UNE FONCTION VINYLIQUE POUR L’IMMOBILISATION DE MOLECULES BIOLOGIQUES ... ..........................................................109

A. Synthèse d’un organosilane avec un groupe vinyle terminal et une fonction urée .......................111

B. Etude de l’auto-association de la molécule à l’état solide et liquide ............................................112

C. Greffage et caractérisation physicochimique des surfaces modifiées .........................................114 1. Fonctionnalisation des surfaces par un groupe vinyle ...........................................................114

a. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure de l’angle de contact ...................114 b. Spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge par modulation de polarisation .........115 c. Microscopie à force atomique ..........................................................................................117 d. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) .........................................118

2. Modification chimique de la fonction vinylique terminale de la SAM-C=C .............................120 a. Oxydation des groupes vinyles en acides carboxyliques ................................................121

i. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure d’angle de contact ................121 ii. Spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption (PM-IRRAS) ...............................122 iii. Microscopie à force atomique ...................................................................................123 iv. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X .............................................123

b. Activation des acides carboxyliques par EDC/NHS ........................................................124 i. Mesure de l’angle de contact ....................................................................................125 ii. Spectroscopie PM-IRRAS .........................................................................................125 iii. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X .............................................126

c. Réaction avec la décylamine ...........................................................................................127 i. Spectroscopie PM-IRRAS et mesure de l’angle de contact ......................................127 ii. Microscopie à force atomique ...................................................................................128

d. Immobilisation de nanoparticules d’or recouvertes de protéines A .................................129 i. Spectroscopie PM-IRRAS .........................................................................................129 ii. Microscopie à force atomique ...................................................................................130 iii. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X .............................................131

Chapitre VI : SYNTHESE DE MONOCOUCHES TERMINEES PAR UN GROUPE GLYCIDYLE POUR L’IMMOBILISATION DE MOLECULES BIOLOGIQUES ... ..........................................................133

A. Synthèse d’un organosilane avec un groupe glycidyle terminal et une fonction amide ...............135 1. Protection de l’alcool et clivage oxydatif (étape a et b) ..........................................................136 2. Synthèse de l’amine primaire insaturée (étape c et d) ...........................................................137

3. Formation d’une amide et déprotection de l’alcool (étape e et f) ...........................................137 4. Introduction du groupement glycidyle et hydrosilylation (étape g et h) ..................................138

B. Synthèse d’un organosilane avec un groupe glycidyle terminal et une fonction urée .................139

1. Protection de l’alcool en éther silicié (étape a) ......................................................................139 2. Synthèse de l’amine primaire (étape b et c) ..........................................................................139 3. Formation de la fonction urée et déprotection de l’alcool (étape d et e) ................................140 4. Introduction d’un groupement glycidyle et hydrosilylation (étape f et g) ................................140

C. Etude de l’auto-association des molécules à l’état solide et liquide ............................................141

a. Epoxydes contenant une fonction amide (28 et 29) ........................................................141 b. Epoxydes contenant une fonction urée (35 et 36) ...........................................................142

D. Greffage et caractérisation des surfaces silanisées .....................................................................144

1. Spectroscopie infrarouge en transmission et angle de contact .............................................144 2. Spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation ................145 3. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) ...............................................148 4. Microscopie à force atomique (AFM) .....................................................................................149

a. SAM-Epoxyde/Urée .........................................................................................................149 b. SAM-Epoxyde/Amide .......................................................................................................149

5. Microscopie à épifluorescence ...............................................................................................150

E. Immobilisation de nanoparticules d’or recouvertes de protéines A ..............................................151 1. Spectroscopie de réflexion absorption par modulation de polarisation .................................151 2. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) ................................................152 3. Microscopie à force atomique ................................................................................................153

a. SAM-Epoxyde/Urée/PA ....................................................................................................153 b. SAM-Epoxyde/Amide/PA .................................................................................................156

Chapitre VII : INTRODUCTION D’UNE DEUXIEME FONCTION D’AUTO-ASSEMBLAGE PAR LIAISONS HYDROGENE ............................... ..........................................................................................161

A. Synthèse d’un organosilane avec un acétate terminal et une fonction amide .............................163

B. Synthèse d’un organosilane avec un acétate terminal, une fonction amide et urée ....................163

C. Etude sur l’auto-association des molécules à l’état solide et en milieu dilué ...............................165

D. Greffage et caractérisation des surfaces modifiées .....................................................................166 1. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure d’angle de contact .............................167 2. Spectroscopie de réflexion-absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS) ............167 3. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X ..........................................................170 4. Microscopie à force atomique (AFM) .....................................................................................170

CONCLUSION GENERALE .............................. .......................................................................................175 Partie expérimentale ............................. ..................................................................................................177

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INTRODUCTION GENERALE

Le contrôle des propriétés physicochimiques et de l’état de surface des solides constitue un

enjeu majeur pour le développement des biotechnologies.

Depuis quelques années, les biocapteurs suscitent un grand intérêt en raison de leurs applications

prometteuses et innovantes dans la détection d’agents pathogènes et de contaminants. Contrairement

aux techniques habituelles (RIA (« radioimmunoassay »), ELISA (« enzyme linked immunoassay »))1,

ces dispositifs permettent une détection en temps réel des cibles biologiques présentes dans un

environnement complexe. L’étape clé dans le développement de tels dispositifs est la

fonctionnalisation de la surface.2

Dans le domaine des biocapteurs, la fonctionnalisation des surfaces à base de silicium, qui

sont très souvent utilisées comme substrats, peut être réalisée au moyen des SAMs (Self Assembled-

Monolayers). Celles-ci sont généralement préparées à partir de silanes commerciaux. Mais les

couches obtenues sont peu homogènes du fait de la faible aptitude à l’auto-assemblage des

molécules accessibles dans le commerce. Il est donc crucial pour le développement des biocapteurs

de mettre au point de nouvelles molécules capables de fixer sélectivement et de façon reproductible

les espèces biologiques à la surface des supports inorganiques.

C’est pour cette raison que, depuis plus d’une dizaine d’années, l’Equipe du Dr. Bernard

Bennetau (Groupe Matériaux, ISM UMR 5255) s’attache à élaborer de nouveaux agents de couplage

siliciés fonctionnels capables de former une monocouche auto-assemblée (« Self-Assembled

Monolayer ») dense, homogène et reproductible sur des oxydes métalliques. Sur ces surfaces

modifiées, cette Equipe a contribué à l’élaboration de dispositifs capables de détecter des cellules

tumorales circulantes (CTC)3 ou des bactéries (Escherichia Coli)4. Les agents de couplage à longue

chaîne généralement utilisés permettent d’assurer une bonne reproductibilité et garantissent la bonne

accessibilité des fonctions terminales en surface. Toutefois, la purification de tels composés est

souvent difficile en raison de leur faible solubilité dans les solvants organiques.

Afin de palier à cet inconvénient, nous nous proposons d’introduire une fonction polaire

(amide et/ou urée) au sein du film. De plus, ce type de fonctions permettraient l’établissement de

liaisons hydrogène intermoléculaires. Dans le cas de SAMs sur des surfaces d’or, l’introduction de

fonction amide dans le segment chaine alkyle générant un réseau de liaisons hydrogène

intermoléculaires a permis d’améliorer significativement la stabilité de la monocouche.5 Des SAMs

fonctionnelles pour l’immobilisation de molécules biologiques sur des surfaces de silice intégrant des

fonctions amide ou urée sont généralement construites selon une stratégie multi étapes à partir de la

1 C. Nistor, J. Emnéus, Comprehensive Analytical Chemistry XLIV, Ed. : D. Barcelό, Biosensors and Modern biospecific analytical techniques, Ed. : L. Gordon, vol. XLIV, 2005, 9,375-427. 2 B. Kasermo Surf. Sci. 2002, 500, 656-677. 3 J. - C. Ehrhart, B. Bennetau, L. Renaud, J. - P. Madrange, L. Thomas, J. Morisot, A. Brosseau, S. Allano, P. Tauc, P. – L. Tran Biosens. Bioelectr. 2008, 24, 467–474. 4 D. H. Dinh, E. Pascal, L. Vellutini, B. Bennetau, D. Rebière, C. Dejous, D. Moynet, C. Belin, J.-P. Pillot Sensors and Actuators B 2010, 146, 289–296. 5 a) T. J. Lenk, V. M. Hallmark, C. L. Hoffmann, J. F. Rabolt, D. G. Castner, C. Erdelen, H. Ringsdorf Langmuir 1994, 10, 4610-4617. b) S. – W. Tam-Chang, H. A. Biebuyck, G. M. Whitesides, N. Jeon, R. G. Nuzzo Langmuir 1995, 11, 4371-4382. c) R. S. Clegg, J. E. Hutchison Langmuir 1996, 17, 5239-5243.

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surface avec un agent de couplage silicié commercial tel que l’APTS (3-aminopropyltriethoxysilane).6

Pour ces SAMs réalisées sur des surfaces de silice, la mise en évidence du réseau de liaisons

hydrogène en infrarouge est plus difficile de part la nature du substrat qui limite la fenêtre spectrale en

transmission au nombre d’onde supérieur à 2500 cm-1 ce qui donne accès uniquement au groupe

méthylène. Pour avoir un spectre complet (3500-500 cm-1), il faut faire appel à des techniques comme

le PM-IRRAS (Spectroscopie de réflexion-absorption par modulation de polarisation) qui permet

l’analyse de couches monomoléculaires sur des surfaces métalliques.

Plus largement, des molécules s’auto-associant par liaisons hydrogène ont déjà montré leur efficacité

pour contrôler l’organisation des molécules dans les matériaux de type silices hybrides.7

Dans cette thèse nous présenterons la synthèse de nouveaux agents de couplage siliciés

s’auto-associant par liaisons hydrogène intermoléculaires. L’influence de ces fonctions sur

l’organisation de la monocouche sera également étudiée. La capacité de ces différentes

monocouches pour l’immobilisation de molécules biologiques sera aussi testée.

Ce travail a été réalisé en collaboration avec le Groupe Spectroscopie Moléculaire de l’ISM :

Thierry Buffeteau et Gwenaëlle Le Bourdon pour la caractérisation des monocouches par infrarouge

(PM-IRRAS), Colette Belin pour l’analyse AFM. L’étude XPS a été effectuée avec Christine Labrugère

du CeCama (Centre de Caractérisation des Matériaux Avancés de l’Université de Bordeaux 1).

Ce manuscrit s’organise en sept chapitres :

Le premier chapitre est consacré à une étude bibliographique sur la formation des

monocouches autoassemblées et à l’immobilisation de molécules biologiques sur des surfaces

modifiées.

Le deuxième chapitre décrit les différentes techniques utilisées pour caractériser les surfaces

modifiées chimiquement : la mesure de l’angle de contact, la spectrométrie de photoélectrons induits

par rayons X (XPS), la microscopie à force atomique et plus particulièrement, la spectroscopie de

réflexion-absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS).

Le troisième chapitre aborde la synthèse de monocouches terminées par des esters

méthyliques et possédant une fonction urée.

Dans le quatrième et cinquième chapitre, l’immobilisation de molécules biologiques (protéine

A) sur des monocouches acides carboxyliques, obtenues à partir d’esters photolabiles ou de fonctions

vinyliques, est abordée.

6 a) A. S. Anderson, A. M. Dattelbaum, G. A. Montano, D. N. Price, J. G. Schmidt, J. S. Martinez, W. K. Grace, K. M. Grace, B. I. Swanson, Langmuir 2008, 24, 2240-2247. b) J. Kim, J. Cho, P. M. Seidler, N. E. Kurland, V. K. Yadavalli Langmuir 2010, 26, 2599-2608. 7 J. J. E. Moreau, L. Vellutini, M. Wong Chi Man, C. Bied, J. – L. Bantignies, P. Dieudonne, J. – L. Sauvajol J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 7957-7958.

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Le sixième chapitre présente l’immobilisation directe de molécules biologiques sur des

monocouches terminées par des groupes glycidyles. L’influence de la nature de la fonction d’auto-

association par liaisons hydrogène (amide ou urée) a également été étudiée dans ce chapitre.

Le dernier chapitre décrit les propriétés d’une monocouche possédant deux fonctions d’auto-

assemblage (amide et urée) dans la chaîne alkyle.

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Chapitre I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

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SOMMAIRE

A. Les monocouches autoassemblées (SAMs) ............................................................................... 7

1. Mécanisme de formation des SAMs sur SiO2 ........................................................................... 8

2. Paramètres influençant la qualité des SAMs .......................................................................... 11

a. L’eau et le solvant................................................................................................................ 11

b. La température .................................................................................................................... 12

c. La nature du motif organique .............................................................................................. 12

i. La longueur de la chaîne hydrocarbonée ...................................................................... 12

ii. Les fonctions terminales ................................................................................................ 13

iii. Les fonctions permettant un auto-assemblage ............................................................. 14

Les cycles aromatiques (π stacking) ............................................................................. 14

Les liaisons hydrogène intermoléculaires ..................................................................... 15

B. Immobilisation des molécules biologiques ................................................................................ 18

1. Les acides carboxyliques : accrochage indirect ..................................................................... 20

a. Hydrolyse des esters ........................................................................................................... 21

b. Photodéprotection ............................................................................................................... 22

c. Oxydation des fonctions vinyliques ..................................................................................... 24

2. Les époxydes : accrochage direct .......................................................................................... 24

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A. Les monocouches autoassemblées (SAMs)

Le chimiste américain Langmuir a mis en évidence, en 1917, que des molécules amphiphiles

déposées sur une surface statique d’eau s’étalent jusqu’à former un film monomoléculaire.1 Cette

monocouche peut être, ensuite, placée sur un support solide (films de Langmuir-Blodgett).2 Ces films

sont thermodynamiquement instables, c’est à dire qu’un simple changement de température détériore

définitivement cette structure bidimensionnelle. Le terme « monocouche autoassemblée » (Self-

Assembled Monolayer : SAM) est apparu en 1983 dans un article du New Scientist3 décrivant le travail

de Lucy Netzer et Jacob Sagiv sur la formation de multicouches par adsorption sur SiO2.4 La formation

de telles monocouches a été démontrée dès 1946 par Bigelow et al.5 Ils ont préparé un film

monomoléculaire par adsorption d’alkylamines sur un support de platine. Ainsi, ils ont montré que des

molécules polaires dans des solvants non polaires pouvaient s’adsorber pour former des

monocouches bien organisées sur des surfaces planes. Bien qu’elles soient de très faible épaisseur

(quelques nanomètres), ces monocouches peuvent modifier complètement les propriétés physico-

chimiques de ces surfaces (hydrophobicité, mouillabilité,…). L’étude des monocouches auto-

assemblées n’a suscité un intérêt croissant qu’à partir du début des années 80, avec l’apparition de

nouvelles techniques de caractérisation telles que les microscopies à force atomique (Atomic Force

Microscopy, AFM, 1986), à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscopy, STM, 1981). Ainsi, en 1980,

Sagiv a publié le premier article démontrant la formation de monocouches d’octadécyltrichlorosilane

(OTS) bien organisées sur SiO2 par chemisorption directe.6 Les monocouches autoassemblées sont,

par définition, des assemblages moléculaires extrêmement ordonnées qui se forment spontanément

par chemisorption de molécules organiques (appelées adsorbats) sur un substrat solide. Un grand

nombre de combinaisons adsorbat-substrat a été étudié depuis les vingt dernières années. Par

exemple, Allara et al. ont étudié, en 1985, l’adsorption des acides gras (CnH2n+1COOH) sur un oxyde

d’aluminium. Les deux principaux types de SAMs sont : thiols, sulfures ou disulfures adsorbés sur un

métal pur tel que l’or, l’argent, le mercure, le platine ou le cuivre et les silanes le plus souvent sur un

oxyde de silicium ou d’aluminium (Figure 1).

1 I. Langmuir J. Am. Chem. Soc. 1917, 39, 1848-1906. 2 K. Blodgett J. Am. Chem. Soc. 1935, 57, 1007-1022. 3 New Scientist 1983, 98, 20. 4 L. Netzer, J. Sagiv J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 674-675. 5 W.C. bigelow, D.L. Pickett, W.A. Zisman J. Colloid Sci. 1946, 1, 513-538. 6 J. Sagiv J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 92-98.

P a g e | 8

Figure 1. Monocouches autoassemblées sur Au, SiO2 et surface d’oxyde métallique (OM).

Alors que les surfaces en or présentent l’inconvénient de provoquer une extinction de

fluorescence, les surfaces de SiO2 sont des substrats appropriés pour la détection de la fluorescence.7

De plus, les SAMs préparées à partir d’organosilanes présentent une stabilité supérieure à celles

réalisées avec des thiols sur or. Les silanes peuvent créer trois liaisons covalentes avec les molécules

voisines ou le substrat, contrairement aux alcanethiols qui n’ont qu’un seul point d’ancrage. Les

silanes forment ainsi un réseau tridimensionnel de liaisons covalentes très fortes, appelées siloxanes

(Si-O-Si). C’est pour ces raisons de stabilité que nous avons choisi des SAMs réalisées à partir

d’organosilanes sur des substrats SiO2.

1. Mécanisme de formation des SAMs sur SiO 2

Un nanofilm organique peut être greffé sur une surface d’oxyde en utilisant des agents de

couplage siliciés. Cette réaction, dite de silanisation, permet de modifier chimiquement la surface

solide du substrat minéral et rend celui-ci compatible avec des réactions chimiques ultérieures pour

accrocher de façon covalente des molécules. Cette réaction se fait donc le plus souvent par

condensation d’un trichlorosilane ou d’un trialcoxysilane sur les groupements silanols de surface,

selon la Figure 2.

7 K. Motesharei, D. C. Myles J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 7328-7336.

P a g e | 9

Figure 2. Réaction de silanisation décrite par Sagiv6 avec X = Cl, OMe.

Dans une première étape, les silanes sont adsorbés sur la surface hydratée et les

groupements (alcoxyles ou halogénés) sont alors hydrolysés. Ensuite, les différentes fonctions

hydroxyles se lient entre elles par liaisons hydrogène, pour donner après condensation, un réseau

tridimensionnel lié à la surface par l’intermédiaire de fonctions siloxanes.

Les groupements hydrolysables sont généralement les groupements chlorés ou alcoxyles (méthoxyle,

éthoxyle). La réactivité des organosilanes vis-à-vis des fonctions silanols du support dépend fortement

de la nature du groupement silicié. Les chlorosilanes sont beaucoup plus réactifs que les alcoxyles et

s’hydrolysent très rapidement en présence d’eau. L’acide chlorhydrique libéré dans le milieu permet

en outre de catalyser ce processus. Les alcoxysilanes sont beaucoup moins sensibles à l’hydrolyse

que les chlorosilanes. Ainsi, dans le cas des alcoxysilanes, il est souvent nécessaire d’utiliser un

catalyseur (acide ou base) pour améliorer la cinétique du greffage. En milieu acide, l’hydrolyse est

rendue plus rapide, alors que la condensation y est plutôt lente. Par contre en milieu basique, la

condensation peut se produire avant même que tous les groupes alcoxyles soient hydrolysés.8

De plus, le groupe triéthoxysilyle est moins réactif que le groupe triméthoxysilyle pour des

considérations stériques. C’est pour toutes ces raisons que les chlorosilanes doivent être utilisés

rapidement après hydrosilylation tandis que les alcoxysilanes peuvent être plus facilement stockés

sous atmosphère inerte.

8 L. L. Hench, J. K. Wet Chem. Rev. 1990, 90, 33-72.

P a g e | 10

L’étude des monocouches partielles qui a fait l’objet d’un vif débat dans les années 80 et 90

est utile pour comprendre le processus d’auto-assemblage. Tout d’abord, Cohen et al. ont suggéré, à

partir de données infrarouge, que les monocouches partielles d’OTS sont des structures hétérogènes

en forme d’ « îlots » (Figure 3A).9 Wasserman et al. pensaient plutôt que ces monocouches

incomplètes sont homogènes et désordonnées (Figure 3B).10

Figure 3. (A) Représentation schématique de la structure de type « îlots » et (B) de la structure homogène et désordonnée.

Une étude par AFM (Microscopie à Force Atomique) a finalement conclu que les monocouches d’OTS

se forment via une structure de type « îlots» (Figure 4).11

15s 5min 35min

Figure 4. Images AFM 5µm x 5µm de la formation d’un film d’OTS en fonction du temps d’immersion.

Les mêmes auteurs ont également montré que le mécanisme de formation des SAMs dépend

en outre de la longueur de la chaîne carbonée. Ainsi, les monocouches à longue chaîne alkyle se

formeraient via la croissance d’îlots contrairement à celles à courtes chaînes.

Toutefois, d’autres paramètres sont importants pour former des SAMs denses.

9 S. R. Cohen, R. Naaman, J. Sagiv J. Phys. Chem. 1986, 112, 3054-3056. 10 (a) S. R. Wasserman, G. M. Whitesides, I. M. Tidswell, B. M. Oscko, P. S. Pershan, J. D. Axe J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 5852-5861; (b) K. Mathauer, C. W. Frank Langmuir 1993, 9, 3446-3451. 11 K. Bierbaum, M. Grunze, A. A. Baski, L. F. Chi, W. Schrepp, H. Fuchs Langmuir 1995, 11, 2143-2150.

P a g e | 11

2. Paramètres influençant la qualité des SAMs

a. L’eau et le solvant

Sagiv a démontré dès 1983 que l’eau présente sur le substrat solide était nécessaire pour

hydrolyser l’octadécyltrichlorosilane (OTS) et que les molécules hydrolysées réagissent avec les

fonctions silanols (≡Si-OH) se trouvant sur la surface de l’oxyde. En effet, en contact avec

l’atmosphère ambiante, la surface de silice se recouvre de plusieurs couches d’eau. Selon Tripp et

Hair, la quantité d’eau adsorbée serait de 2,5 à 4 molécules d’eau/nm².12 Finklea a également

découvert que ces monocouches d’OTS pouvaient se former également sur une surface d’or, c'est-à-

dire dépourvu de groupes hydroxyles.13 A partir de cette observation, il en a déduit que l’auto-

assemblage avait lieu sur un film d’eau présent à la surface d’or et que les groupes silanes étaient liés

les uns aux autres par des liaisons covalentes appelées siloxane (Si-O-Si). Une étude par diffraction

des RX, menée par Silberzan, a mis en évidence que les molécules ne sont pas liées individuellement

à la surface mais plutôt qu’elles forment un réseau moléculaire bidimensionnel avec peu de liaisons à

la surface.14 Plusieurs études ont même démontré que la qualité des SAMs était étroitement liée au

degré d’hydratation de la surface. Ainsi, les monocouches auto-assemblées formées sur des surfaces

de silice sans film d’eau sont en général de mauvaise qualité (chaines alkyles désordonnées).15 Des

SAMs d’alkyltrichlorosilane extrêmement ordonnées ne sont pas simples à obtenir, principalement à

cause de la nécessité de contrôler la quantité d’eau présente en solution. Alors que des monocouches

incomplètes sont formées en l’absence d’eau, un excès d’eau peut entraîner une polymérisation

rapide en solution et conduire au dépôt de polysiloxanes à la surface de l’oxyde, générant des

agrégats. La quantité d’eau optimale pour former des monocouches bien dense est de 0,15 mg/100

mL de solvant.16 Des études AFM ont montré que la quantité d’eau en surface a une influence sur

l’adsorption des molécules à la surface. La structure de type « îlots » est fortement favorisée en

présence d’une grande quantité d’eau ou d’une solution assez âgée.17 Cela implique la formation

d’agrégats préorganisés de siloxanes en solution. Cependant, Wang et al. ont montré récemment que

même en l’absence d’eau en solution, le processus d’autoassemblage type « îlots » est observé.18 La

raison pour laquelle ceci n’a pas été observé dans d’autres études peut s’expliquer par une cinétique

lente. En effet, ces auteurs ont observé des structures de type « îlots » après 18h de déposition en

l’absence d’eau, alors qu’en général le temps de dépôt n’est que de quelques secondes à quelques

heures.

Le solvant joue également un rôle déterminant dans la formation des SAMs. McGovern et al.

ont trouvé que des solvants aromatiques tels que le toluène peuvent extraire une quantité significative

d’eau sur le substrat solide et permettent ainsi d’obtenir des films d’OTS plus dense en une heure.16

Ils ont suggéré également que l’hydrolyse des OTS avait lieu en solution plutôt qu’à la surface,

contrairement à ce qui avait été suggéré jusqu’alors.

12 C. P. Tripp, M. L. Hair Langmuir 1992, 8, 1120-1126. 13 H. O. Finklea, L. R. Robinson, A. Blackburn, B. Richter, D. Allara, T. Bright Langmuir 1986, 2, 239-244. 14 P. Silberzan, L. Leger, D. Ausserre, J. J. Benattar Langmuir 1995, 11, 2357. 15 D. L. Angst, G. W. Simmons Langmuir 1991, 7, 2236-2242. 16 M. E. McGovern, K. M. R. Kallury, M. Thompson Langmuir 1994, 10, 3607-3614. 17 T. Vallant, H. Brunner, U. Mayer, H. Hoffmann, T. Leitner, R. Resch, G. Friedbacher J. Phys. Chem. B. 1998, 102, 7190. 18 Y. L. Wang, M. Lieberman Langmuir 2003, 19, 1159-1167.

P a g e | 12

b. La température

La température joue également un rôle important dans la formation des monocouches.

L’existence d’une température critique au-dessus de laquelle des monocouches ne peuvent être

formées a été montrée par Bigelow et al. en 1947.19 Silberzan et al. ont par ailleurs montré que les

faibles températures favorisaient la chimisorption ce qui peut sembler paradoxal à première vue.20

Plusieurs groupes de recherche ont également montré que la température critique dépend fortement

de la longueur de la chaine alkyle. Par exemple, pour l’octadécyle la température est de 18 °C alors

que, pour une chaine tétradécyle, elle est de 10 °C .21 La formation des monocouches via une

structure de type « îlots » a lieu uniquement au-dessous de la température critique. Rye a démontré

que la température critique observée augmente avec le nombre de carbones dans la chaîne alkyle et

donc avec la température de fusion des alcanes.22

c. La nature du motif organique

La structure de l’agent de couplage joue un rôle prédominant pour la formation de

monocouches auto-assemblées de bonne qualité. Plusieurs paramètres sont à prendre en compte,

tels que la longueur de la chaîne hydrocarbonée, la fonction terminale et la présence d’une fonction

permettant un auto-assemblage.

i. La longueur de la chaîne hydrocarbonée

Généralement, l’auto-assemblage des molécules sur la surface est assuré par des

interactions de Van der Waals (de faible intensité). Elles deviennent de plus en plus importantes

lorsque la longueur de la chaîne croît. Elles finissent par jouer un rôle important dans la structure.23

Ainsi, pour les longues chaines (n≥ 15), les conformations de type trans avec peu de défauts

dominent. Pour les chaînes moyennes (n= 10-15), les conformations gauches deviennent nombreuses

même à température ambiante (Figure 5A).

19 W.C. bigelow, E. Glass, W.A. Zisman J. Colloid Sci. 1947, 2, 563-591. 20 P. Silberzan, L. Leger, D. Ausserre, J. J. Benettar Langmuir 1991, 7, 1647. 21 J. B. Brsozka, N. N. Shahidzadeh, F. Rondelez Nature, 1992, 360, 719-721. 22 R. R. Rye Langmuir 1997, 13, 2588-2590. 23 R. S. Clegg, J. E. Hutchison Langmuir 1996, 12, 5239-5243.

P a g e | 13

Figure 5. SAMs (a) désordonnée, (b) ordonnée et bien dense.

Des études menées à partir de composés alkyltrichlorosilanes ont montré qu’une longueur

C16 minimum est requise pour avoir un système ordonné (Figure 5B).24 Par ailleurs des recherches

effectuées au laboratoire,25,26 et par d’autres équipes27,28 indiquent qu’un nombre de carbone trop

important (> 25) génère du désordre, vraisemblablement par repliement des chaînes.

ii. Les fonctions terminales

Netzer et Sagiv ont synthétisé en 1983 les premières monocouches fonctionnalisées sur

SiO2.4 Ces monocouches ont une fonction vinylique terminale qui peut être transformée en groupe

hydroxyle par réactions d’hydroboration et d’oxydation. Depuis, plusieurs groupes fonctionnels

terminaux ont été étudiés par différents groupes de recherche.

Des auteurs ont préparé des SAMs avec le méthyl 23-(trichlorosilyl)tricosanoate (MTST,

MeO(C=O)(CH2)22SiCl3). L’épaisseur de la monocouche ainsi formée semble être assez cohérente

avec celle calculée pour une monocouche, bien ordonnée et orientée perpendiculaire à la surface

(Figure 6, 1).29

24 A. Gericke, H. Hühnerfuss J. Phys. Chem. 1993, 97, 12899-12908. 25 S. Navarre, F. Choplin, J. Bousbaa, B. Bennetau Langmuir 2001, 17, 4844-4850. 26 F. Choplin, S. Navarre, J. Bousbaa, P. Babin, B. Bennetau, J-L Bruneel, B. Desbat J. Raman Spectrosc. 2003, 34, 902-906. 27 K. Bierbaum, M. Kinzler, Ch. Wöll, M. Grunze Langmuir 1995, 11, 512-518. 28 S. Heid, F. Effenberger Langmuir 1996, 12, 2118-2120. 29 N. Tillman, A. Ulman, T. Penner Langmuir 1989, 5, 101-111.

P a g e | 14

Figure 6. Représentation schématique des monocouches auto-assemblées réalisées à partir du : (1) MTST, (2) TSDEA et (3) correspond à la formation du groupe -OH à partir du composé (2).

Des études menées au Laboratoire montrent que dans le cas du composé 2 (2-(22-

trichlorosilanyldocosoxy)ethyl acetate, TSDEA) possédant un groupe terminal acétyle, les

monocouches auto-assemblées sont désordonnées (Figure 6, 2).26 En effet, ce groupe acétyle qui

présente un encombrement stérique induit des conformations gauches dans la chaîne alkyle. Celles-ci

provoquent une désorganisation de la monocouche. De plus, l’introduction d’atomes d’oxygène dans

la chaîne alkyle augmente la flexibilité, ce qui a généralement tendance à désorganiser les

monocouches. Après déprotection, il y a en surface des fonctions alcool moins volumineuses que

l’ester (Figure 6, 3) qui peuvent développer des liaisons hydrogène intermoléculaires. Ces interactions

semblent favoriser l’adoption de conformation trans pour la chaîne alkyle.

De même, Vallant et al. ont montré que les chaînes alkyles d’une monocouche non

fonctionnalisée (OTS) sont bien ordonnées alors que la présence d’une fonction terminale (CO2CH3,

CN ou Br) dans de telle monocouche désorganise les chaînes alkyles.30 Il faut quand même noter que

la monocouche terminée par un CO2CH3 est plus ordonnée que celle avec un Br ou un CN. Ceci serait

dû à l’interaction entre la fonction terminale et le solvant qui stabilise plus ou moins le précurseur en

solution.

iii. Les fonctions permettant un auto-assemblage

Les cycles aromatiques (π stacking)

Des études ont aussi été menées sur l’organisation des monocouches auto-assemblées

réalisées à partir de molécules ne possédant que des cycles aromatiques. Par exemple, dans le cas

du 4-méthyl-4’-mercaptobiphényl (MMB, CH3-(C6H4)2-SH) sur or préparé par Moineau et al.,31

l’interaction des phénylènes permet de former des monocouches extrêmement denses et orientées

perpendiculairement à la surface d’or. Cette interaction π-π intermoléculaire, plus forte que celle entre

les chaînes alkyles, permet de maximiser le recouvrement de la surface. Ces auteurs ont cherché à

30 T. Vallant, J. Kattner, H. Brunner, U. Mayer, H. Hoffmann Langmuir 1999, 15, 5339-5346. 31 J. Moineau, M. Granier, G. F. Lanneau Langmuir 2004, 20, 3202-3207.

P a g e | 15

réduire la longueur de la chaîne hydrocarbonée en la remplaçant par un segment aromatique. Ils ont

étudié en particulier l’influence de la taille du segment aromatique sur la qualité du film. Pour cela, ils

ont synthétisé trois organosilanes : phényltriméthoxysilane 1, styryltriméthoxysilane 2 et p-

méthylstilbenyltriméthoxysilane 3 (Tableau 1) et les ont greffé sur SiO2.

Molécule utilisée Epaisseur théorique

Epaisseur expérimentale

multicouche/ monocouche

Si(OMe)3 1

0,70 nm 1,60 nm multicouche

Si(OMe)3 2

1,04 nm 1,06 nm monocouche

Si(OMe)3 3

1,64 nm 1,70 nm monocouche

Tableau 1. Les organotriméthoxysilanes utilisés par Moineau et al.31

Ils ont pu démontrer en comparant l’épaisseur expérimentale (mesurée par ellipsométrie) à la

valeur théorique. Dans le cas du phénytriméthoxysilane 1, un film organique multicouche se forme

(1,6 nm d’épaisseur). Les deux autres organotriméthoxysilanes 2 et 3 permettent, quant à eux,

d’obtenir des monocouches (d’épaisseur 1,06 et 1,70 nm respectivement) bien denses puisque les

valeurs expérimentales sont très proches de celle obtenues par le calcul. Ainsi, ils ont montré que la

longueur du segment aromatique est un paramètre essentiel pour obtenir des monocouches et que

l’ajout d’un petit groupe (par exemple, le groupe vinyle) était suffisant pour induire une organisation

entre les aromatiques et obtenir des monocouches bien denses.

Les liaisons hydrogène intermoléculaires

Les fonctions amides ont été largement utilisées en raison de leur tendance à former un

réseau de liaisons hydrogène intermoléculaires. Très souvent, ces fonctions sont obtenues en faisant

réagir une monocouche à courte chaîne alkyle terminée par une fonction amine (APTS, (3-

aminopropyl)triéthoxysilane) avec un acide32,33 ou un chlorure d’acyle34,35. Ren et al. ont fait réagir une

couche d’APTS avec un acide à longue chaîne C17 (acide octadécanoïque).36 Ces auteurs ont étudié

leurs films modifiés par spectroscopie infrarouge en transmission et n’ont pas pu identifier les bandes

caractéristiques de l’amide. Ceci est dû au faible signal des molécules greffées difficile à distinguer

des bandes associées à l’eau et au substrat SiO2.

Dans la littérature, l’existence de liaisons hydrogène au sein d’une monocouche a été peu

démontrée sur des surfaces SiO2. En effet, ces substrats ne sont pas appropriés pour une étude en

spectroscopie infrarouge d’absorption-réflexion (IRRAS) contrairement à ceux en or. Certains auteurs

ont greffé directement les organosilanes sur le cristal ATR afin d’accéder à des informations

32 A. S. Anderson, A. M. Dattelbaum, G. A. Montaño, D. N. Price, J. G. Schmidt, J. S. Martinez, W. K. Grace, K. M. Grace, B. I. Swanson Langmuir 2008, 24, 2240-2247. 33 J. Fang, M. - S. Chen, R. Shashidhar Langmuir 2001, 17, 1549-1551. 34 K. Aoki, T. Seki, Y. Suzuki, T. Tamaki, A. Hosoki, K. Ichimura Langmuir 1992, 8, 1007-1013. 35 K. Ichimura, Y. Suzuki, T. Seki, A. Hosoki, K. Aoki Langmuir 1988, 4, 1214-1216. 36 S. Ren, S. Yang, Y. Zhao Langmuir 2003, 19, 2763-2767.

P a g e | 16

vibrationnelles dans la région des carbonyles. Mais, cette technique peut conduire à un vieillissement

prématuré du cristal ATR. De plus, certains auteurs utilisent un bombardement d’ion argon pour

enlever la monocouche du cristal afin de le réutiliser.37 Une autre technique consiste à placer

directement une surface plane (par exemple, un wafer de silicium) modifiée chimiquement sur le

cristal ATR.38

Les réactions qui conduisent à former des fonctions amides au sein des films permettent

d’améliorer l’organisation de la monocouche. En effet, des auteurs ont fait réagir une monocouche

terminée par une amine (N-[3-(triméthoxylsilyl)propyl]éthylènediamine) avec un chlorure d’acyle à

longue chaîne C17.39 Ils ont montré par spectroscopie infrarouge que la monocouche ainsi modifiée

est plus organisée. Ceci serait dû à la présence de liaisons hydrogène au sein du film mais surtout à

la longueur de la chaîne alkyle ainsi introduite.

Certains auteurs ont directement préparé des organosilanes possédant une fonction amide. Par

exemple, Siewierski et al. ont fonctionnalisé une surface SiO2 par un organotriéthoxysilane possédant

une fonction amide et un azobenzène. Ils ont étudié l’isomérisation trans-cis des azobenzènes

présents sur un film par irradiation.37 Autre exemple, Song et al. ont préparé une monocouche avec le

N-(3-triéthoxylsilyl)propyloctadécanoylamide (H3C(CH2)17C(O)NH(CH2)3Si(OEt)3) sur une surface SiO2

(Figure 7).40 Ils ont montré par spectroscopie infrarouge (en plaçant la surface greffée en contact avec

le cristal ATR) la présence de liaisons hydrogène intermoléculaires et que les chaînes alkyles étaient

désordonnées. La fonction amide présente au sein du film écarterait les chaînes alkyles les unes des

autres et donc, empêcherait la formation de monocouches mieux organisées. En effet, la distance

entre deux fonctions amides liées entre elles par des liaisons hydrogène est de 4,6 Ǻ41 ce qui est

supérieure au diamètre de Van der Waals des carbones (3,5 Ǻ).

37 L. M. Siewierski, W. J. Brittain, S. Petrash, M. D. Foster Langmuir 1996, 12, 5838-5844. 38 J. Kim, J. Cho, P. M. Seidler, N. E. Kurland, V. K. Yadavalli Langmuir 2010, 26, 2599–2608. 39 S. Song, J. Zhou, M. Qu, S. Yang, J. Zhang Langmuir 2008, 24, 105-109. 40 S. Song, S. Ren, J. Wang, S. Yang, J. Zhang Langmuir 2006, 22, 6010-6015. 41 K. Dreger, B. Zou, Z. Mu, H. J. Galla, L. Chi, H. Fuchs, H. J. Schäfer Langmuir 2006, 22, 1619-1625.

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O

SiO O

O

Si

O

SiO O

N N NH H H

O O O

Figure 7. Représentation schématique de la SAM préparée par Song et al.

Dans la littérature, il existe peu d’exemple de monocouche possédant des fonctions urées.

Ardès-Guisot et al. ont fait réagir une monocouche bien ordonnée en C10 terminée par des groupes

isocyanates avec différents composés aminés dont la dodécylamine (Figure 8).42 D’autres molécules

ont également été accrochées sur ces surfaces.43 La présence de liaisons hydrogène fortes entre les

fonctions urées ainsi introduites a été déterminée par spectroscopie infrarouge en ATR.

Figure 8. Réaction entre une monocouche terminée par des groupes isocyanates et une amine.

Nam et al. ont préparé un organotriméthoxysilane possédant à la fois des cycles aromatiques

et une fonction urée (Figure 9).44 D’après l’ellipsométrie, les molécules greffées seraient très proches

de la normale à la surface. Les auteurs ont montré par fluorescence que la formation de la

monocouche serait principalement gouvernée par des interactions π-stacking entre les cycles

aromatiques.

42 N. Ardès-Guisot, J. – O. Durand, M. Granier, A. Perzyna, Y. Coffinier, B. Grandidier, X. Wallart, D. Stievenard Langmuir 2005, 21, 9406-9408. 43 A. Perzyna, C. D. Zotto, J. O. Durand, M. Granier, M. Smietana, O. Melnyk, I. G. Stará, I. Starý, B. Klepetářová, D. Šaman Eur. J. Org. Chem. 2007, 4032-4037. 44 H. Nam, M. Granier, B. Boury, S. Y. Park Langmuir 2006, 22, 7132-7134.

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O Si

O

O

HN

HN

O10

NC

Figure 9. Molécule greffée par Nam et al.44

Ching et al. ont préparé une monocouche possédant une fonction urée mais ne l’ont pas

caractérisée.45 Sur ces surfaces, ils ont immobilisé une molécule biologique et ont étudié la désorption

assistée par laser de ces molécules.

Ces dernières années, les monocouches d’alcanethiols sur or contenant une fonction d’auto-

association par liaisons hydrogène ont été beaucoup plus étudiées que les organosilanes sur SiO2. En

effet, le substrat en or est plus approprié pour une étude en spectroscopie infrarouge d’absorption-

réflexion (IRRAS). Des auteurs ont montré l’efficacité de la fonction amide sur la stabilité thermique

des alcanethiols.46,47 Toutefois, Clegg et al. ont montré par une étude infrarouge que la présence

d’une fonction amide au sein du film désorganise les chaînes alkyles.48 De ce fait, pour avoir un

système ordonnée, la chaîne alkyle doit être plus longue (15 carbones au lieu de 11).

B. Immobilisation des molécules biologiques

Ces dernières années, différentes méthodes d’immobilisation de molécules biologiques ont

été utilisées : non covalentes, covalentes et par affinité biologique (Figure 10). Des molécules

biologiques peuvent être adsorbées sur des surfaces (Figure 10A) via des liaisons faibles (liaisons

ioniques, interactions polaires et hydrophobes). Etant donné qu’elles sont immobilisées de façon

aléatoire et du fait des interactions avec le support, très peu de protéines préservent leur activité

biologique.49 De plus, elles peuvent être facilement éliminées par des solutions tampons ou des

détergents. Par exemple, des cellules peuvent être immobilisées sur une SAM fonctionnalisée –NH2

par interaction électrostatique entre les groupes ammoniums chargés positivement et la membrane

cellulaire chargée négativement.50 Belosludtsev et al. ont également utilisé cette adsorption

électrostatique pour former une monocouche bien dense de petits oligonucléotides (puce à ADN).51

45 J. Ching, K. I. Voivodov, T. W. Hutchens J. Org. Chem. 1996, 61, 3582-3583. 46 R. S. Clegg, S. M. Reed, J. E. Hutchison J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 2486-2487. 47 S. Tam-Chang, H. A. Biebuyck, G. M. Whitesides, N. Jeon Langmuir 1995, 11, 4371-4382. 48 R. S. Clegg, S. M. Reed, R. K. Smith, B. L. Barron, J. A. Rear, J. E. Hutchison Langmuir 1999, 15, 8876-8883. 49 B.B. Haab, M.J. Dunham, P. O. Brown Genome Biol. 2001, 2, 1-13. 50 S. Margel, O. Sivan, Y. Dolitzky Langmuir 1991, 7, 2317-2322. 51 Y. Belosludtsev, B. Iverson, S. Lemeshko, R. Eggers, R. Wiese, S. Lee, T. Powdrill, M. Hogan Anal. Biochem. 2001, 292, 250-256.

P a g e | 19

Figure 10. Méthodes d’immobilisation de molécules biologiques.

Les réactions d’affinité biologique permettent d’orienter et d’immobiliser de manière homogène

des molécules biologiques sur une surface (Figure 10B). Il est aussi possible de les enlever afin de

réutiliser les mêmes surfaces. Le système avidine/biotine est l’un des systèmes les plus utilisés. Ceci

est dû à la très grande affinité de la biotine avec l’avidine (glycoprotéine). La spécificité des

interactions permet, par exemple, une orientation uniforme des anticorps sur la surface. Pavlickova et

al. ont de cette manière immobilisé sur une surface en or des antigènes pour pouvoir détecter les

anticorps présents dans le sérum d’individus malades.52 Le support est dans un premier temps

recouvert avec la biotine, sur laquelle on fait interagir la streptavidine, qui va fixer à son tour les

antigènes biotinylés.

Les molécules biologiques sont très souvent liées de manière covalente et donc irréversible à

une monocouche fonctionnalisée (Figure 10C). Les agents de couplage siliciés commerciaux sont

souvent utilisés pour fonctionnaliser une surface SiO2 par des fonctions amines avec le (3-

aminopropyl)triméthoxysilane (APTS), des époxydes avec le (3-glycidoxypropyl)triméthoxysilane

(GPTS) et des thiols avec le (3-mercaptopropyl)triméthoxysilane (MPTS). Cependant, ces composés à

courtes chaînes alkyles ne forment pas le plus souvent des monocouches homogènes et

reproductibles.53,54 Ces surfaces sont rugueuses en raison de la formation d’oligomères et de

multicouches. Par exemple, l’APTS réagit avec une surface d’oxyde soit par le groupement

triméthoxysilicié, soit par la fonction amine ce qui conduit inéluctablement à une hétérogénéité de la

surface.55,56,57 C’est pour ces raisons que les surfaces préparées avec ces composés siliciés

commerciaux entrainent souvent une détection non spécifique de molécules biologiques.53

Pour augmenter la réactivité d’une monocouche réalisée avec des silanes commerciaux, des

réactifs hétérobifonctionnels (appelés cross-linkers) sont souvent utilisés. Par exemple, Rezania et al. 52 P. Pavlickova, N. M. Jensen, H. Paul, M. Schaeferling, C. Giammasi, M. Kruschina, W. - D. Du, M. Theisen, M. Ibba, F. Ortigano, D. Kambhampati J. Proteome Res. 2002, 1, 227-231. 53 C. M. Halliwell, A. E. G. Cass Anal. Chem. 2001, 73, 2476-2483. 54 F. Lü, Y. Fang, G. J. Blanchard Langmuir 2008, 24, 8752-8759. 55 B. Watts, L. Thomsen, J. R. Fabien, P. C. Dastoor Langmuir 2002, 18, 148-154. 56 L. D. White, C. P. Tripp J. Colloid Interface Sci. 2000, 232, 400-407. 57 M. R. Horner, F. J. Boerio, H. M. Clearfield dans Silanes and other coupling agents ; K. L. Mittal, Ed., Utrecht (Pays-Bas), 1992 ; p. 241-262.

P a g e | 20

ont immobilisé des peptides via des groupes sulfanyles sur des surfaces d’oxyde à partir d’une

fonction maléimide en surface.58 Cette fonction est obtenue en faisant réagir une monocouche d’EDS

(N-(2-aminoéthyl)-3-aminopropyl-triméthoxysilane) avec le sulfosuccinimidyl 4-(N-maléimidométhyl)

cyclohexane-1-carboxylate (sulfo-SMCC). Kim et al. ont immobilisé un fragment d’immunoglobuline G

(IgG) de lapin via les groupes sulfanyles (obtenues par réduction des ponts disulfures) sur une surface

d’APTES (3-aminopropyltriéthoxysilane) modifiée par le SMCC.59 Les mêmes auteurs ont également

fait réagir les fonctions amines de l’APTS avec l’anhydride succinimide en présence de triéthylamine

pour générer des fonctions acides carboxyliques en surface. Ces fonctions ont été converties en

esters activés avec NHS/EDC avant l’immobilisation de la protéine via ses fonctions amines libres

(résidus lysines).

Afin d’obtenir des SAMs de façon reproductible et éviter l’utilisation de cross-linkers, il a été

développé au Laboratoire la synthèse de nouvelles monocouches fonctionnalisées à longues chaînes

alkyles. Ces surfaces modifiées sont bien organisées et homogènes permettant ainsi une bonne

accessibilité des fonctions de surface. Ainsi, Martin et al. ont immobilisé de l’ADN sur une

monocouche à longue chaîne alkyle terminée par des fonctions amines (AHTS, (21-

aminohenicosyl)trichlorosilane).60 Cette surface permet d’éviter la formation de superstructures dans

la conformation de l’ADN déjà observées dans le cas de monocouche d’APTS.61 Ces structures non

souhaitées sont dues à une forte interaction entre l’ADN et les molécules greffées. Ehrhart et al. ont

également montré par immunofluorescence que la détection de cellules tumorales circulantes (CTC)

était nettement plus efficace avec une monocouche à longue chaîne (AHTS) qu’avec celle à courte

chaîne (APTS).62 De plus, ils ont constaté très peu d’adsorptions non spécifiques avec une

monocouche d’AHTS par comparaison avec les surfaces modifiées avec des composés siliciés

commerciaux (GPTS, APTES).

1. Les acides carboxyliques : accrochage indirect

Zammatteo et al. ont immobilisé un fragment d’ADN sur une monocouche fonctionnalisée

COOH (Figure 11).63 Les fonctions acides carboxyliques ont été activées par un carbodiimide (EDC,

(1-ethyl-3(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide)) pour former un intermédiaire O-acylurée qui favorise

l’immobilisation du brin d’ADN. Su et al. ont également utilisé une monocouche terminée par des

acides carboxyliques pour immobiliser des anticorps sur une surface d’or.64

58 A. Rezania, R. Johnson, A. R. Lefkow, K. E. Healy Langmuir 1999, 15, 6931-6939. 59 J. Kim, J. Cho, P. M. Seidler, N. E. Kurland, V. K. Yadavalli Langmuir 2010, 26, 2599–2608. 60 P. Martin, S. Marsaudon, L. Thomas, B. Desbat, J. – P. Aimé, B. Bennetau Langmuir 2005, 21, 6934-6943. 61 L. Nony, R. Boisgard, J. P. Aimé Biomacromolecules 2001, 2, 827-835. 62 J. –C. Ehrhart, B. Bennetau, L. Renaud, J. – P. Madrange, L. Thomas, J. Morisot, A. Brosseau, S. Allano, P. Tauc, P. – L. Tran Biosens. Bioelectr. 2008, 24, 467-474. 63 N. Zammatteo, L. Jeanmart, S. Hamels, S. Courtois, P. Louette, L. Hevesi, J. Remacle Anal. Biochem. 2000, 280, 143-150. 64 X. Su, F. T. Chew, S. F. Y. Li Anal. Biochem. 1999, 273, 66-72.

P a g e | 21

Figure 11. Schéma réactionnel de l’immobilisation d’un brin d’ADN sur une monocouche fonctionnalisée –COOH.

Des agents de couplage siliciés avec un acide carboxylique terminal ne peuvent être greffés

directement. En effet, les fonctions carboxyliques doivent être protégées sous forme d’esters pour

éviter l’interaction par liaison hydrogène entre la fonction acide et les groupes silanols présents en

surface du substrat lors du greffage. Les organosilanes terminés par une fonction acide carboxylique

peuvent s’assembler tête bêche et créer des défauts au sein de la monocouche. La forme ester

permet ainsi d’éviter la formation d’un film désorganisé et inhomogène (Figure 12).

Figure 12. Formation d’un film désordonné après traitement aux ultrasons.

a. Hydrolyse des esters

L’hydrolyse de l’ester est réalisée soit en milieu acide,65 soit en milieu basique.66 Toutefois,

l’hydrolyse en milieu acide ne permet pas de convertir efficacement un ester en acide

carboxylique (même dans de l’acide chlorhydrique concentré à ébullition pendant plusieurs heures).66a

65 a) O. Gershevitz, C. N. Sukenik J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 482-483. b) A. Arafat, M. Giesbers, M. Rosso, E. J. R. Sudhölter, K. Schroën, R. G. White, L. Yang, M. R. Linford, H. Zuilhof Langmuir 2007, 23, 6233-6244. c) A. B. Voges, H. A. Al-Abadleh, M. J. Musorrafiti, P. A. Bertin, S. T. Nguyen, F. M. Geiger J. Phys. Chem. B 2004, 108, 18675-18682. d) L. Zhang, L. Li, S. Chen, S. Jiang Langmuir 2002, 18, 5448-5456. 66 a) G. E. Fryxell, P. C. Rieke, L. L. Wood, M. H. Engelhard, R. E. Williford, G. L. Graff, A. A. Campbell, R. J. Wiacek, L. Lee, A. Halverson Langmuir, 1996, 12, 5064-5075. b) S. S. Cheng, D. A. Scherson, C. N. Sukenik Langmuir, 1995, 11, 1190-1195. c) T. Strother, W. Cai, X. Zhao, R. J. Hamers, L. M. Smith J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 1205-1209.

P a g e | 22

L’hydrolyse des esters peut, suivant les conditions opératoires, entrainer la formation d’anhydride

carboxylique résultant d’une déshydratation intramoléculaire entre deux acides carboxyliques voisins.

Yan et al. ont préparé des monocouches bien ordonnées de 16-mercaptohexadecanoique sur

or.67 Les acides carboxyliques ont d’abord été convertis en anhydride interchaîne par réaction avec

l’anhydride trifluoroacétique. La réaction des anhydrides avec une alkylamine permet d’obtenir une

monocouche mixte présentant des acides carboxyliques et des molécules liés à la surface par une

fonction amide.

b. Photodéprotection

Les monocouches d’organosilanes sur SiO2 peuvent être endommagées voire détruites

(rupture des ponts siloxanes) par les solutions corrosives utilisées lors de l’hydrolyse des esters. En

effet, Fryxell et al. ont indiqué qu’une monocouche à 10 carbones terminée par des esters méthyliques

est dégradée par un traitement basique (0,1 M KOH pendant 60 min).66 Une autre alternative existe,

c’est l’utilisation des esters photolabiles qui permet de générer des acides en surface tout en

préservant les liaisons siloxaniques (Si-O-Si). Yamaguchi et al. ont transformé un ester o-

nitrobenzylique en acide carboxylique sous irradiation UV (Figure 13).68 Les surfaces sont irradiées en

l’absence de solvant à travers une plaque de Pyrex® qui permet de laisser passer uniquement les

longueurs d’onde supérieures à 300 nm, ce qui évite la dégradation de la monocouche.

Figure 13. Photodéprotection des acides carboxyliques sous irradiation UV.

Critchley et al. ont étudié l’irradiation UV de monocouches d’alcanethiols terminés par des

groupes o-nitrobenzyles (Figure 14).69,70 Le cycle benzénique de l’ester est également substitué par

une chaîne semi-fluorée. Ainsi, l’analyse XPS (spectrométrie de photoélectrons émis par des rayons

X) dans la région du fluor (1s) permet de quantifier les esters photolabiles restants après irradiation

UV. En comparant différents systèmes, ils ont montré que ce rendement dépend de l’organisation de

la monocouche et de la distance entre l’ester photolabile et la surface d’or. D’après leurs résultats,

jusqu’à 80 % de ces esters peuvent été transformés en acides. La photodéprotection est incomplète à

cause de la photoréduction des groupes nitroaromatiques en dérivés aminés.

67 L. Yan, C. Marolin, A. Terfort, G. M. Whitesides Langmuir 1997, 13, 6704-6712. 68 K. Yamaguchi, H. Nakayama, T. Futami, T. Shimizu J. Photopolym. Sci. Technol. 2008, 21, 519-524. 69 K. Critchley, L. Zhang, H. Fukushima, M. Ishida, T. Shimoda, R. J. Bushby, S. D. Evans J. Phys. Chem. B 2006, 110, 17167-17174. 70 K. Critchley, J. P. Jeyadevan, H. Fukushima, M. Ishida, T. Shimoda, R. J. Bushby, S. D. Evans Langmuir 2005, 21, 4554-4561.

P a g e | 23

Figure 14. Représentation schématique de la photodéprotection et de la photoréduction (Rf = -CH2CH2CF2CF2CF2CF2CF2CF3).

Nakanishi et al. ont publié une méthode pour le contrôle de l’adhésion cellulaire dans des

régions définies du substrat par photoactivation sans dégradation de la surface (Figure 15).71 Leurs

stratégies se basent sur une monocouche d’organosilane terminée par un groupe o-nitrobenzyle

photolabile et des protéines (BSA, sérum albumine bovine et fibronectine, respectivement) qui

empêchent ou permettent l’adhésion de cellules. La BSA est adsorbée sur la monocouche via des

interactions hydrophobes rendant ainsi la surface inerte à l’adhésion cellulaire. L’irradiation UV (365

nm) transforme les esters nitrobenzyliques en acides carboxyliques ce qui diminue l’affinité de la BSA

avec la surface et entraîne la dissociation de cette protéine de la surface. La fibronectine est alors

ajoutée afin de permettre d’adhésion de cellules.

71 J. Nakanishi, Y. Kikuchi, T. Takarada, H. Nakayama, K. Yamaguchi, M. Maeda J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 16314-16315.

P a g e | 24

Figure 15. Processus d’immobilisation de cellules sur des SAM fonctionnalisées par des esters photolabiles.

c. Oxydation des fonctions vinyliques

L’oxydation des groupes vinyles terminaux par une solution aqueuse de KMnO4/NaIO4/K2CO3

permet de générer des acides carboxyliques (Figure 16).

Figure 16. Oxydation des groupes vinyles terminaux des SAMs (n : 6, 12, 15).

2. Les époxydes : accrochage direct

Les stratégies multi-étapes ne sont pas faciles à réaliser et à contrôler en raison de l’encombrement

stérique en surface, des réactions nécessitant des états de transition hauts en énergie (estérification,

saponification).72 Ainsi, une procédure simplifiée sans utiliser de linker devrait assurer une meilleure

maîtrise des propriétés de surface. Les SAMs avec une fonction époxyde terminale peuvent réagir

directement avec des molécules portant des groupes amines. Généralement, c’est le 3- 72 S. Onclin, B. J. Ravoo, D. N. Reinhoudt Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 6282 – 6304.

P a g e | 25

glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GPTS) commercial qui est utilisé sur des surfaces SiO2 pour

immobiliser des molécules biologiques telles que des oligonucléotides, des anticorps et l’ADN.

Mahajan et al. ont ainsi immobilisé des oligonucléotides.73 Ces agents de couplage siliciés présentent

une capacité d’auto-assemblage limitée de part une chaîne alkyle courte.

C’est pour ces raisons que des auteurs ainsi que notre Laboratoire, se sont engagés dans le

développement d’organosilane terminé par des groupes époxydes à chaîne longue.

Böcking et al. ont préparé une monocouche auto-assemblée avec une fonction époxyde

terminale et un segment PEG (polyéthylène glycol) pour immobiliser un fragment d’ADN sur wafer de

silicium (Figure 17).74 Le greffage a été réalisé par hydrosilylation thermique (à 200 °C) du composé

éthylénique avec une surface Si(111) sans ouverture du cycle oxirane. Ces puces à ADN permettent

de détecter et de quantifier la présence d’une séquence nucléique spécifique au sein d’un échantillon

biologique complexe, par hybridation avec une sonde de séquence complémentaire portant un

marquage radioactif.

Figure 17. (a) Immobilisation de l’ADN via une thiolyse suivie d’une hybridation. (b) Couplage via une aminolyse.

Au Laboratoire, des anticorps fluorescents (RAG-TRITC « Rabbit Anti Goat – Tetra methyl

Rhodaine Iso Thio Cyanate ») ont été immobilisés sur une monocouche préparée à partir d’un

organosilane à longue chaîne carbonée C22 terminé par une fonction glycidyle (Figure 18).75

L’immobilisation de ces anticorps a été étudiée en microscopie à épifluorescence. L’intensité de

73 S. Mahajan, D. Sethi, S. Seth, A. Kumar, P. Kumar, K. C. Gupta Bioconjugate Chem. 2009, 20, 1703–1710. 74 T. Böcking, K. A. Kilian, K. Gaus, J. Gooding Langmuir 2006, 22, 3494-3496. 75 D. H. Dinh, L. Vellutini, B. Bennetau, C. Dejous, D. Rebière, E. Pascal, D. Moynet, C. Belin, B. Desbat, C. Labrugère, J. – P. Pillot Langmuir 2009, 25, 5526-5535.

P a g e | 26

fluorescence est beaucoup plus forte pour les anticorps RAG-TRITC greffés sur cette monocouche

que sur une couche de GPTS. Ainsi, la monocouche à longue chaîne alkyle est plus performante que

la monocouche GPTS pour immobiliser directement les anticorps fluorescents. Ce résultat s’explique

par une meilleure capacité d’auto-assemblage des C22 ce qui permet d’avoir plus de fonctions

glycidyle en surface.

O Si O

O

O 22

O Si O

O

O 22

OOH

NH

H2N Y

Figure 18. Immobilisation d’anticorps sur une surface SiO2.

De plus, cette monocouche a permis d’améliorer les performances de détection d’une bactérie

(Escherichia coli) par rapport à celle obtenue avec le GPTS dans le cas d’un capteur acoustique à

ondes de Love.76 En effet, il a été démontré par AFM que la monocouche à longue chaîne alkyle

permet d’atténuer la rugosité initiale de la surface des capteurs. Ce qui permet d’avoir un plus grand

nombre d’anticorps accessibles par rapport à une surface modifiée par GPTS, plus rugueuse, dans

laquelle la plupart des anticorps sont inaccessibles. En effet, ils sont dans les creux dont la taille est

du même ordre de grandeur que celle des anticorps (10 nm). La reconnaissance antigène-anticorps

sur la surface est ainsi plus efficace ce qui se traduit par une immobilisation plus forte de la bactérie

sur la surface de l’immunocapteur.

De plus, la simple hydrolyse d’une SAM fonctionnalisée avec un époxyde donne une SAM

avec un diol terminal, qui peut être utilisé dans un biocapteur d’aptamère (acide nucléique simple brin)

pour détecter des protéines.77

76 D. H. Dinh, E. Pascal, L. Vellutini, B. Bennetau, D. Rebière, C. Dejous, D. Moynet, C. Belin, J.-P. Pillot Sensors and Actuators B 2010, 146, 289–296. 77 R. A. Potyrailo, R. C. Conrad, A. D. Ellington, G. M. Hieftje Anal. Chem. 1998, 70, 3419-3425.

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Chapitre II : TECHNIQUES EXPERIMENTALES

P a g e | 28

SOMMAIRE

A. Mesures d’angle de contact, Energie de surface .... ............................................................. 29

1. Angle de contact ........................................................................................................................ 29

2. Energie de surface .................................................................................................................... 30

3. Instrumentation .......................................................................................................................... 31

B. Spectroscopie infrarouge à réflexions internes mult iples (ATR) ....................................... 31

C. Spectroscopie infrarouge en transmission .......... ................................................................ 32

D. Spectroscopie infrarouge d’absorption-réflexion par modulation de polarisation .......... 32

1. Traitement du signal brut ........................................................................................................... 33

2. Règle de sélection pour une surface métallique ....................................................................... 34


E. Détermination des constantes optiques dans l’infrar ouge .............................................. ... 36

1. Détermination des constantes optiques dans le plan d’incidence , et , ....................... 36

2. Détermination des constantes optiques hors du plan d’incidence et .............................. 37

3. Détermination de l’orientation d’un moment de transition ......................................................... 37

4. Détermination de l’orientation des molécules par rapport à la surface ..................................... 39

5. Détermination du taux de recouvrement ................................................................................... 40

F. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X ...................................................... 40

1. Principe ...................................................................................................................................... 40


G. Microscopie à force atomique ...................... .......................................................................... 42

1. Principe de fonctionnement ....................................................................................................... 42

2. Mode de fonctionnement ........................................................................................................... 43


H. Substrats utilisés ................................ ..................................................................................... 44

1. Choix des surfaces .................................................................................................................... 44

a. Lames de microscope ........................................................................................................... 44

b. Substrat SiO2/Au .................................................................................................................... 44

2. Activation des surfaces .............................................................................................................. 44

3. Caractérisation des surfaces SiO2/Au après activations ........................................................... 44

Les surfaces silanisées

différentes techniques physico-chimiques

• Le caractère hydrophile ou hydrophobe d

l’angle de contact (détermi

• La nature chimique et l’organisation conformationnelle ont é

spectroscopie infrarouge

réflexion-absorption par modulation de polarisation

• La composition chimique a été

par rayons X (XPS)

• La topographie des surfaces

A. Mesures d’angle de contact

1. Angle de contact

La mesure d'angle de contact r

par mouillabilité. Lorsqu’une goutte d’un liquide est déposée sur une surface solide, deux situations

peuvent se produire : soit une situation de

recouvrir complètement la surface

une ligne triple sur laquelle se rencontrent les trois phases en pr

1b).

Figure avec représentation vectorielle de Young de l’équilibre d’une goutte sur une surface.

Dans le cas d’un solide idéal (lisse à l’échelle atomique et

l’angle de contact () n’est fonction que des trois énergies de surface du système,

la relation de Young :

où est l’énergie de surface solide/gaz,

solide/liquide.

s présentées dans les différents chapitres ont été

chimiques :

re hydrophile ou hydrophobe des surfaces a été déterminé par la mesure de

l’angle de contact (détermination de la mouillabilité).

a nature chimique et l’organisation conformationnelle ont é

spectroscopie infrarouge en transmission et en PM-IRRAS (spectroscopie infrarouge de

absorption par modulation de polarisation).

La composition chimique a été déterminée par spectrométrie de photo

(XPS).

es surfaces a été réalisée par microscopie à force atomique

Mesures d’angle de contact , Energie de surface

La mesure d'angle de contact rend compte de l'aptitude d'un liquide à s'étaler sur une surface

Lorsqu’une goutte d’un liquide est déposée sur une surface solide, deux situations

soit une situation de mouillage total dans laquelle un film du liqu

recouvrir complètement la surface (Figure 1a), soit une situation dite de mouillage partiel

une ligne triple sur laquelle se rencontrent les trois phases en présence : solide, liquide et gaz

Figure 1. Mouillage total (a), mouillage partiel (b). avec représentation vectorielle de Young de l’équilibre d’une goutte sur une surface.

solide idéal (lisse à l’échelle atomique et homogène dans sa composition),

) n’est fonction que des trois énergies de surface du système,

est l’énergie de surface solide/gaz, l’énergie de surface liquide/gaz et

P a g e | 29

été caractérisées par

déterminé par la mesure de

a nature chimique et l’organisation conformationnelle ont été étudiées par

spectroscopie infrarouge de

photoélectrons induits

microscopie à force atomique (AFM).

end compte de l'aptitude d'un liquide à s'étaler sur une surface

Lorsqu’une goutte d’un liquide est déposée sur une surface solide, deux situations

dans laquelle un film du liquide tend à

mouillage partiel où il existe

: solide, liquide et gaz (Figure

avec représentation vectorielle de Young de l’équilibre d’une goutte sur une surface.

homogène dans sa composition),

) n’est fonction que des trois énergies de surface du système, et est exprimé par

(1)

l’énergie de surface

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Le travail d’adhésion du liquide sur le solide () est le travail nécessaire pour séparer le

liquide du solide. Il est relié aux énergies de surface par la relation de Dupré :

+ − (2)

2. Energie de surface

L’énergie de surface () d’un solide peut être déterminée à partir des angles de contact

réalisés à partir d’au moins deux liquides et de l’un des modèles développés dans la littérature.1,2

Selon le modèle d’Owens et Wendt (ou Owens, Wendt, Rabel, Kaelble), utilisé dans le cadre de

cette thèse, l’énergie de surface du solide () est décomposée en composante dispersive () et en

composante polaire ().3 Cette dernière a été attribuée à des liaisons hydrogène et à des interactions

acide/base.

= + (3)

Suivant ce modèle, le travail d’adhésion s’écrit :

= 2 + 2 (4)

A partir de l’équation (2), la relation devient :

= + − 2 − 2 (5)

En utilisant la relation de Young (1), l’équation devient :

= −1 + 2

+ 2

(6)

C’est une équation à deux inconnues ( et ). Donc, pour déterminer ces deux composantes de

l’énergie de surface du solide, les valeurs des angles de contact d’au moins deux liquides sont

nécessaires. Trois liquides différents ont été utilisés : eau (milliQ, 3µl), éthylène glycol (3 µl) et

diiodométhane (1,5 µl). Les valeurs de ces différents liquides sont présentées dans le Tableau 1 :

Liquide (mN/m) (mN/m) (mN/m)

Eau (Rabel) 72,3 18,7 53,6 Diiodométhane (Owens) 50,8 49,5 1,3 Ethylène glycol (Rabel) 47,5 29,3 18,2

Tableau 1. Valeurs des tensions superficielles des liquides utilisés ainsi que leurs composantes.

1 J. – M. Aubry, A. Carette Formulation et modifications de surfaces, vol. 8, EDP Sciences, 2000. 2 A. Rudawska, E. Jacniacka Int. J. Adhes. Adhes. 2009, 29, 451-457. 3 D. K. Owens, R. C. Wendt J. Appl. Polym. Sci. 1969, 13, 1741-1747.

3. Instrumentation

Les mesures d’angle de contact

Krüss DSA 100 (Figure 2). Sur chaque échantillon,

est effectué pour déterminer l’homogénéité de la surface.

B. Spectroscopie infrarouge à réflexions internes mult iples

Le principe de l’ATR (réflexion totale atténuée)

infrarouge dans un cristal d’indice élevé dont les parois sont en contact avec l’échantillon à analyser

(d’indice plus faible), et à observer les modifications du rayonnement

rayonnement arrive à l’interface cristal/échantillon,

évanescente) se propage dans l’échantillon à analyser sur quelques micromètres

infrarouge est absorbé par les molécules de l’échantillon.

cristal collecte le faisceau modifié.

échantillon solide ou liquide sans préparation particulière.

Le faisceau infrarouge peut être polarisé, selon la direction du champ électrique

perpendiculaire (s) ou parallèle (p)

A

Figure 3. Schéma du principe de la spectroscopie infrarouge ATR.

Cette technique sera utilisée

insaturé et silicié.

Échantillon Source IR

Cristal ATR

Les mesures d’angle de contact et d’énergie de surface ont été réalisées

Sur chaque échantillon, un minimum de trois mesures d’angle de contact

omogénéité de la surface.

Figure 2. Goniomètre Krüss DSA 100.

Spectroscopie infrarouge à réflexions internes mult iples (ATR)

(réflexion totale atténuée) consiste à faire propager le rayonnement

dans un cristal d’indice élevé dont les parois sont en contact avec l’échantillon à analyser

(d’indice plus faible), et à observer les modifications du rayonnement (Figure

terface cristal/échantillon, une partie de la lumière (appelée,

se propage dans l’échantillon à analyser sur quelques micromètres

infrarouge est absorbé par les molécules de l’échantillon. Un détecteur placé à l'autre extr

cristal collecte le faisceau modifié. Cette méthode a l'avantage de permettre une analyse directe d'un

échantillon solide ou liquide sans préparation particulière.

Le faisceau infrarouge peut être polarisé, selon la direction du champ électrique

(p) au plan d’incidence (Figure 3B).

B

Schéma du principe de la spectroscopie infrarouge ATR.

utilisée pour obtenir les spectres IR (500-3500 cm

Détecteur

P a g e | 31

ont été réalisées sur un goniomètre

un minimum de trois mesures d’angle de contact

consiste à faire propager le rayonnement

dans un cristal d’indice élevé dont les parois sont en contact avec l’échantillon à analyser

Figure 3A). Lorsque le

une partie de la lumière (appelée, onde

se propage dans l’échantillon à analyser sur quelques micromètres. Ce rayonnement

Un détecteur placé à l'autre extrémité du

Cette méthode a l'avantage de permettre une analyse directe d'un

Le faisceau infrarouge peut être polarisé, selon la direction du champ électrique,

3500 cm-1) des composés

P a g e | 32

C. Spectroscopie infrarouge en transmission

La spectrométrie vibrationnelle infrarouge permet d’obtenir des informations sur la nature

chimique ainsi que sur l’organisation conformationnelle et structurale sans destruction des matériaux

analysés. Sous l’effet d’un rayonnement excitateur, les molécules de l’échantillon analysé vont subir

des changements d’états vibrationnels, à des fréquences de vibrations caractéristiques de chaque

groupement moléculaire et de son environnement proche.

Ainsi, les fréquences des modes de vibration d’élongation asymétrique () et symétrique ()

des groupements CH2 sont directement reliées à la conformation et à l’organisation des chaînes

alkyles (Tableau 2). Dans une monocouche compacte et organisée, les chaînes alkyles adoptent une

conformation totalement trans alors qu’une monocouche peu organisée comporte un grand nombre de

défauts « gauches ».

Bandes associées aux modes des CH2

Chaînes ordonnées (conformation trans)

Chaînes désordonnées

Représentation schématique des conformations

trans et « gauche ».

CC

CC

H

H

H H H

H

CC

HH

HH

H H (CH2) 2918 cm-1 2930 cm-1 (CH2) 2849 cm-1 2856 cm-1

Tableau 2. Nombres d’onde des bandes associées aux modes des CH2.

Cette technique sera utilisée pour l’étude des monocouches greffées sur des substrats en

verre. De part la nature de ce substrat, seule la région des CH2 est accessible (2500-3500 cm-1).

D. Spectroscopie infrarouge d’absorption-réflexion par modulation de polarisation

Les greffages ont été réalisés dans un premier temps sur des lames de microscopes

(SuperFrost® plus de Menzel-Glaser). Ces substrats présentent une rugosité moyenne (Rms) de

surface inférieure à 0,5 nm. Ils permettent des mesures en transmission dans le domaine spectral

associé aux vibrations d’élongation (CH2) et (CH2) des groupements CH2 (entre 3000 et 2800

cm-1). En effet, l’absorption des lames de verre limite le domaine d’analyse en transmission aux

hautes fréquences (supérieure à 2500 cm-1).

Pour obtenir des informations vibrationnelles sur les autres groupes fonctionnels des

monocouches (urée, amide, époxyde,…), il est donc nécessaire d’effectuer des mesures infrarouge en

réflexion. De plus, les couches greffées ayant des épaisseurs moyennes très faibles (< 100 Ǻ), il est

très difficile d’obtenir des spectres de réflectivité infrarouge avec les techniques conventionnelles

(réflexion polarisée sous incidence rasante, IRRAS). En effet, du fait des temps de mesure très longs

nécessités par une faible intensité de signaux de surface, les dérives et instabilités expérimentales sur

plusieurs heures (source, interféromètre, environnement de l’échantillon) viennent profondément

affecter le rapport signal sur bruit du spectre de réflectivité IRRAS mesuré. Pour pallier à ces

P a g e | 33

inconvénients, nous avons utilisé une méthode beaucoup plus sensible appelée spectroscopie PM-

IRRAS (spectroscopie de réflexion-absorption par modulation de polarisation) qui est basée sur la

modulation rapide de la polarisation du faisceau IR et qui permet de mesurer, sous incidence rasante,

un signal différentiel normalisé en temps réel.

Les deux spectres PM-IRRAS et IRRAS d’une monocouche terminée par un ester méthylique

sont présentés dans la Figure 4. Nous pouvons remarquer que le spectre PM-IRRAS est de meilleure

qualité en seulement 1 heure d’acquisition comparé au spectre IRRAS réalisé en 10 heures. Cette

différence de sensibilité est essentiellement due à la normalisation en temps réel du signal par rapport

à toute modification expérimentale. Cette méthode permet ainsi de distinguer efficacement les

absorptions polarisées de surface de celles isotropes provenant de l’environnement de l’échantillon.

3500 3000 2500 2000 1500

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

IRRAS (10 h) PM-IRRAS (1 h)

1-(R

p/R

s)

Nombre d'onde (cm-1)

A

1800 1700 1600 1500 1400

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

1-(R

p/R

s)


B

IRRAS (10 h) PM-IRRAS (1 h)

Figure 4. Spectres PM-IRRAS et IRRAS d’une monocouche terminée par un ester méthylique.

1. Traitement du signal brut

La spectroscopie PM-IRRAS permet de remonter à un spectre de réflectivité différentiel

normalisé dont le signal est donné par la relation (7) :

2 − ! "# + ! + − ! "$

(7)

Où R&et R' sont les réflectivités polarisées respectivement parallèlement (p) et perpendiculairement

(s) au plan d'incidence, J0 et J2 sont les fonctions de Bessel d’ordre 0 et 2 qui traduisent l’efficacité du

modulateur en fonction de la longueur d’onde, G+,& est une constante qui tient compte de la sensibilité

utilisée sur la détection synchrone et des différents gains électroniques.

Dans le cas d’une surface métallique, les réflectivités R&et R' sont très proches de 1 sous

incidence rasante. Ainsi, R& + R'! ≫ R& − R'! J$ et la relation (7) devient :

= ( − )( + ) 0 (8)

Amide I Amide II

C=O Ester

Une procédure de calibration permet de déterminer l

l’échantillon et la lentille de focalisation

perpendiculaire au premier polariseur qui est placé devant le modulateur photoélastique. Les

expressions des deux spectres de calibration

configuration ss et R' 0 en configuration

0 2 1234 "#1 "$

Ainsi

Appelons x le rapport du spectre PM

Le signal IRRAS (1 5657) est relié au signal PM

Signal IRRAS =

2. Règle de sélecti on pour une surface métallique

La spectroscopie PM-IRRAS permet également de remonter à l’orientation des moments de

transition associés aux modes de vibration à partir d’une règle de sélection de surface.

Si une surface métallique est soumise à une onde

composante du champ électrique normale à la surface (

d’une bande d’absorption est directement reliée à l’angle (

le champ électrique en surface par la relation

Figure 5. Orientation du moment de transition M par rapport à la normale à la surface.

calibration permet de déterminer le terme 0 2de focalisation, un second polariseur linéaire orienté parallèlement et


deux spectres de calibration C'' et C'& sont obtenus en posant

en configuration sp dans l’équation (8) :

0 2 1234 "#1 + "$

Ainsi, 0 2 "# 2 9:;69<=>?@ A B77 C76B77D B76

ppelons x le rapport du spectre PM-IRRAS par la courbe de calibration C. 0 . /. + / A est relié au signal PM-IRRAS par la relation suivante :

Signal IRRAS = 1 2A1 + A

on pour une surface métallique

IRRAS permet également de remonter à l’orientation des moments de


Si une surface métallique est soumise à une onde électromagnétique incidente, seule la

composante du champ électrique normale à la surface (EF) est différente de zéro. Ainsi, l’intensité

d’une bande d’absorption est directement reliée à l’angle (θ) que fait le moment de transition (M) avec

le champ électrique en surface par la relation : G ∝ IJ. ELLLLLLLLMI² J². EF² ².

Orientation du moment de transition M par rapport à la normale à la surface.

P a g e | 34

"# en plaçant, entre

ond polariseur linéaire orienté parallèlement et


s en posant R& 0 en

(9)

(10)

(11)

(12)

IRRAS permet également de remonter à l’orientation des moments de


électromagnétique incidente, seule la

) est différente de zéro. Ainsi, l’intensité

) que fait le moment de transition (M) avec

Orientation du moment de transition M par rapport à la normale à la surface.

La règle de sélection , spécifique au substrat métallique, est la suivante : les vibrations ayant

un moment de transition parallèle à la surface présente

un moment de transition perpendiculaire à la surface présentent des bandes dont l’intensité est

maximale.

Figure 6

3. Instrumentation

Les spectres PM-IRRAS ont été enregistrés sur un spectromètre FTIR ThermoNicolet Nexus

670. Les spectres ont été obtenus

4 cm-1. Un banc annexe est couplé au spectromètre pour modu

infrarouge.

Figure 7. Représentation schématique du

A la sortie de l’interféromètre, le faisceau infrarouge parallèle est dirigé vers le banc annexe à l’aide

d’un miroir basculant puis est focalisé sur l’échantillon par une lentille en

grande focale (190 mm). Le faisceau est polarisé par un polariseur à grille en fluorure de

(BaF2) et passe à travers un modulateur photoélastique (PEM) en ZnS

moyen infrarouge. L’application d’une tension sinusoïdale sur ce dispositif permet de moduler la

polarisation du faisceau infrarouge à une fréquence fixé, 2Fm, entre les états linéaires parallèle et

perpendiculaire au plan d’incidence. Le PEM se comporte comme une lame demi

IR est réfléchi par l’échantillon avec un angle d’incidence proche de 75° puis est focalisé par une

deuxième lentille en ZnSe de courte focale (40 mm) sur un détecteur suffisamment rapide

MCT (tellure de mercure-cadmium)

, spécifique au substrat métallique, est la suivante : les vibrations ayant

un moment de transition parallèle à la surface présentent des intensités nulles, tandis que celles ayant


6. Règles de sélection pour une surface métallique.

IRRAS ont été enregistrés sur un spectromètre FTIR ThermoNicolet Nexus

obtenus après 1 h ou 2 h d’acquisition avec une résolution spectrale de

. Un banc annexe est couplé au spectromètre pour moduler la polarisation du faisceau

Représentation schématique du Dispositif PM-IRRAS.


culant puis est focalisé sur l’échantillon par une lentille en séléniure de zinc

). Le faisceau est polarisé par un polariseur à grille en fluorure de

) et passe à travers un modulateur photoélastique (PEM) en ZnSe permettant de couvrir



’incidence. Le PEM se comporte comme une lame demi


deuxième lentille en ZnSe de courte focale (40 mm) sur un détecteur suffisamment rapide

cadmium).

P a g e | 35

, spécifique au substrat métallique, est la suivante : les vibrations ayant

nt des intensités nulles, tandis que celles ayant


IRRAS ont été enregistrés sur un spectromètre FTIR ThermoNicolet Nexus

après 1 h ou 2 h d’acquisition avec une résolution spectrale de

ler la polarisation du faisceau


séléniure de zinc (ZnSe) de

). Le faisceau est polarisé par un polariseur à grille en fluorure de baryum

e permettant de couvrir tout le



’incidence. Le PEM se comporte comme une lame demi-onde. Le faisceau


deuxième lentille en ZnSe de courte focale (40 mm) sur un détecteur suffisamment rapide, de type

P a g e | 36

E. Détermination des constantes optiques dans l’inf rarouge

La détermination des constantes optiques (indice de réfraction O, coefficient d’extinction P) est

particulièrement utile dans l’étude de films minces puisqu’elle permet de déterminer l’orientation des

moments de transition par rapport à la surface. Les constantes optiques peuvent être déterminées à

partir d’un spectre de réflexion totale atténuée (ATR) en utilisant l’interdépendance de O et de P à

partir de la relation de Kramers-Kronig.

1. Détermination des constantes optiques dans le pl an des couches , et ,

Les constantes optiques dans le plan des couches sont déterminées à partir du spectre ATR

polarisé s. Dans le cas d’un spectre ATR polarisée s, Dignam et al.4 ont montré que le déphasage

Q() entre l’onde réfléchie et l’onde incidente est donnée par la relation suivante :

Q() = G − 2R S T UOV ()

² − ²WX

$ (13)

avec

G = 2YZ[YO VO$# \O² − O²(])O$ (14)

où O$ est l’indice de réfraction du cristal, l’angle d’incidence et O(]) l’indice de réfraction de

l’échantillon dans une région de réflexion constante à haut nombre d’onde. A partir du spectre

expérimental ATR polarisé s et du déphasage calculé en utilisant les équations (13) et (14), il est

possible de calculer le coefficient de réflexion complexe de Fresnel Z() = _ ()`a/# cAd_\Q()`. L’indice de réfraction et le coefficient d’extinction peuvent être calculés à partir de ce coefficient de

réflexion en utilisant les relations :

O() = O$ c e\O² + f1 − Z()1 + Z()g# ²h

a/# (15)

P() = −O$Gi e\O² + f1 − Z()1 + Z()g# ²h

a/# (16)

Cette méthode, utilisant le spectre ATR polarisé s, permet la détermination des constantes

optiques d’un échantillon ayant une épaisseur plus grande que la profondeur de pénétration de l’onde

évanescente interagissant avec la couche étudiée (4000 Ǻ pour un cristal en germanium).

4 M. J. Dignam, S. Mamiche-Afara Spectrochim. Acta, Part A 1988, 44, 1435-1442.

P a g e | 37

2. Détermination des constantes optiques hors du pl an des couches et

Les constantes optiques hors du plan des couches sont calculées à partir du spectre ATR

polarisé p. Pour le spectre ATR, le déphasage Q() entre l’onde réfléchie et l’onde incidente est

donné par la relation suivante :

Q() = G − 2R S T UOV ()

² − ²WX

$ (17)

avec

G = 2YZ[YO O$VO$# sin² − Om²(])O,n(])O m(])

(18)

A partir du spectre expérimental ATR polarisé p et du déphasage calculé en utilisant les

équations (17) et (18), il est possible de calculer le coefficient de réflexion complexe de Fresnel

Z() = o ()pa/# cAdo\Q()p. Ce coefficient complexe de Fresnel est directement relié à la constante

diélectrique hors-du-plan par la relation :

qm() = O$# \O²e1 − fq,n()

O$# g f1 − Z()1 + Z()g# ²h

(19)

où qm() = qms () + \qmss() = (Om() + \Pm())²

L’indice de réfraction Om() et le coefficient d’extinction Pm() peuvent être extraits à partir de

la constante diélectrique hors-du-plan qm() en utilisant les relations suivantes :

Om() = 0,5 uVqms#() + qmss#() + qms#()v (20)

Pm() = 0,5 uVqms#() + qmss#() − qms#()v (21)

3. Détermination de l’orientation d’un moment de tr ansition

L’orientation d’un moment de transition est déterminée à partir des constantes optiques

anisotropes. Dans un premier temps, les constantes optiques anisotropes des composés insaturés ont

été déterminées à partir des spectres ATR polarisés parallèlement (p) et perpendiculairement (s) au

plan d’incidence. Cette démarche nous permet d’obtenir, pour chaque mode de vibration, les

projections des coefficients d’extinction suivant les trois directions de l’espace. Toutefois, nous

supposerons que la projection suivant x est la même que celle suivant y ce qui correspond à une

orientation uniaxiale des molécules par rapport à la normale à la surface. A partir de ces indices

anisotropes (qui dépendent de l’orientation des molécules par rapport au cristal ATR), il est possible

P a g e | 38

de calculer des indices isotropes des différents composés mais également les indices anisotropes

pour n’importe quelle orientation de la molécule par rapport à la surface.

P3w P + Pn + Pm3 O3w O + On + Om3 (22)

Ensuite, à l’aide de programmes de calcul optique développés dans le Groupe Spectroscopie

Moléculaire de l’ISM, les spectres IRRAS ont été simulés pour les différents systèmes en utilisant les

constantes optiques et les épaisseurs des différentes couches du système ainsi que les conditions

expérimentales d’observation (angle d’incidence 75°, polarisation de la lumière,…). Les spectres

IRRAS ont été simulés à partir des constantes optiques isotropes des systèmes étudiés (modèle

isotrope) mais également avec le jeu de constantes optiques anisotropes qui permet de reproduire le

rapport d’intensité des modes Amide I/Amide II observé sur les spectres expérimentaux (modèle

anisotrope).

Le spectre PM-IRRAS calibré (exprimé en unité IRRAS) d’une monocouche terminée par des

esters méthylique ainsi que les spectres simulés pour les modèles isotrope et anisotrope sont reportés

sur la Figure 8 dans la région des groupements carbonyles.

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012 Modèle isotrope Modèle anisotrope Spectre expérimental

1-(R

p.R

s)


Figure 8. Différences entre les différents modèles et le spectre expérimental.

Les projections suivant x, y et z des coefficients d’extinction tirés de ce jeu de constante

optique anisotrope permettent de remonter à l’orientation par rapport à la normale à la surface (γ) de

chaque moment de transition en utilisant la relation suivante :

YZ[YO z2P,nPm (23)

L’angle (γ) que fait le moment de transition du carbonyle de l’urée (M) par rapport à la

normale à la surface est représenté sur la Figure 9. Pour une meilleure compréhension, l’angle

complémentaire, noté α, correspondant à l’angle du moment de transition par rapport à la parallèle à

la surface a été déterminé.

Figure 9. Représentation de l’orientation

4. Détermination de l’orientation des molécules par ra pport à la surface

Les moments de transition associés aux modes d’élongation asymétrique et symétrique des

groupements CH2 sont dans le même plan et sont orthogonaux l’un par rapport à l’autre comme

l’illustre la Figure 10A. Ils forment

A

Figure 10. A) Représentation de l’orientation des moments de transition associés aux CHB) Représentation de ces moments de transition dans le référentie

L’angle que fait l’axe moléculaire

l’équation suivante :

où et sont respectivement

asymétrique et symétrique avec la normale à la surface

Cependant, les chaînes alkyles présentant un grand nombre de défauts «

peuvent pas être représentées par un axe molécula

l’angle déterminé par l’équation

moléculaires locaux (Axe C-C) par rapport à la normale à la surface. Pour des chaînes alkyles

adoptant une conformation trans

normale à la surface.

(CH2)

Axe moléculaire Axe moléculaire

Représentation de l’orientation du moment de transition (M) de l’urée par rapport au

Détermination de l’orientation des molécules par ra pport à la surface

moments de transition associés aux modes d’élongation asymétrique et symétrique des

sont dans le même plan et sont orthogonaux l’un par rapport à l’autre comme

A. Ils forment également un angle droit avec l’axe moléculaire moyen.

B

A) Représentation de l’orientation des moments de transition associés aux CHB) Représentation de ces moments de transition dans le référentiel utilisé.

l’axe moléculaire moyen () par rapport à la normale à la surface est estimé à partir de

²./ + ²./ + ²./ 1

respectivement les angles entre le moment de transition des modes d’élo

la normale à la surface (Figure 10B).

, les chaînes alkyles présentant un grand nombre de défauts «

peuvent pas être représentées par un axe moléculaire unique. En effet, comme l’indique la

par l’équation (24) est une valeur moyenne des différents angles des axes

C) par rapport à la normale à la surface. Pour des chaînes alkyles

trans, cet angle correspond à celui des chaînes alkyles par rapport à la

(CH2)

moléculaire

P a g e | 39

par rapport au substrat.

Détermination de l’orientation des molécules par ra pport à la surface

moments de transition associés aux modes d’élongation asymétrique et symétrique des

sont dans le même plan et sont orthogonaux l’un par rapport à l’autre comme

également un angle droit avec l’axe moléculaire moyen.

A) Représentation de l’orientation des moments de transition associés aux CH2,

l utilisé.

) par rapport à la normale à la surface est estimé à partir de

(24)

transition des modes d’élongation

, les chaînes alkyles présentant un grand nombre de défauts « gauches » ne

En effet, comme l’indique la Figure 11,

est une valeur moyenne des différents angles des axes

C) par rapport à la normale à la surface. Pour des chaînes alkyles

, cet angle correspond à celui des chaînes alkyles par rapport à la

P a g e | 40

Chaîne en conformation trans Chaîne présentant des

conformations « gauches »

Figure 11. Représentation de l’axe moléculaire local (Axe C-C).

5. Détermination du taux de recouvrement

Le taux de recouvrement peut être estimé en calculant le rapport des aires des différentes

bandes mesurées sur les spectres IRRAS expérimentaux et simulés à partir des constantes optiques

anisotropes. Cette méthodologie suppose que la compacité des couches greffées et des couches

déposées par évaporation du solvant sur le cristal d’ATR soit identique. Pour minimiser les erreurs,

nous avons calculé ces rapports d’aires dans deux domaines spectraux différents : dans la région des

CH entre 3050 et 2800 cm-1 et dans la région des carbonyles entre 1800 et 1500 cm-1.

F. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayo ns X

1. Principe

La spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS), connue aussi sous le nom de

spectroscopie électronique pour analyse chimique (ESCA), est une technique largement utilisée dans

l'étude de la composition chimique des surfaces. L’excitation par rayonnement X provoque l’émission

de photoélectrons des couches électroniques externes qui sont caractéristiques des éléments dont ils

proviennent. Tous les éléments présents dans l’échantillon, excepté l’hydrogène (pas d’électron de

cœur), sont détectés par XPS.

En introduisant le concept de photon et en appliquant le principe de conservation de l'énergie

à ce phénomène, Einstein a proposé que pour extraire un électron d'un matériau, le photon doit lui

fournir une énergie ℎ égale ou supérieure à son énergie de liaison, E233w. L'excès d'énergie est

communiqué à l'électron sous forme d'énergie cinétique,E1, selon la relation :

ℎ E233w + E1 (25)

L’analyse de l’énergie cinétique (

l’énergie de liaison correspondante (

diagramme énergétique du phénomène est présenté sur la

Figure 12

Lorsqu’un élément est lié à une molécule ou dans un composé, les niveaux électroniques de cœur,

qui ne participent pas directement à la formation de

valence uniquement), subissent une légère variation de leur énergie due à la modification de leur

environnement chimique. Ce déplacement énergétique, de l’ordre de quelques dixièmes à quelques

électrons Volt (eV) est caractéristique de

ou du degré d’oxydation de l’élément émetteur

élémentaire et chimique des différents éléments présents à la surface du ma

2. Instrumentation

L’étude XPS a été faite au CeCaMa (Centre de Caractérisation des Matériaux Avancés)

l’Université de Bordeaux 1. Les spectres XPS

Escalab (Figure 13). L’énergie de la source monochromatisée AlK

pour chaque point fait environ 250

réalisée avec Ep = 20 eV, correction Scofield, incertitude rel

sont données avec une incertitude de 0,1 eV

L’analyse de l’énergie cinétique (E1) des différents photoélectrons émis permet de remonter à

l’énergie de liaison correspondante (E233w), connaissant l’énergie du faisceau de rayons X. Le

que du phénomène est présenté sur la Figure 12.

12. Diagramme énergétique de la photoemission.


qui ne participent pas directement à la formation de liaisons chimiques (établie par les électrons de



t (eV) est caractéristique de l’environnement moléculaire immédiat, de l’

degré d’oxydation de l’élément émetteur. La spectroscopie XPS permet donc une analyse

élémentaire et chimique des différents éléments présents à la surface du matériau étudié.

L’étude XPS a été faite au CeCaMa (Centre de Caractérisation des Matériaux Avancés)

Les spectres XPS ont été réalisés avec un spectromètre VG 220i

. L’énergie de la source monochromatisée AlKα était de 100W et l’aire étudiée

pour chaque point fait environ 250 µm de large. L’acquisition des spectres haute résolution

20 eV, correction Scofield, incertitude relative 5 à 10 %. Les énergies de liaisons

sont données avec une incertitude de 0,1 eV.

P a g e | 41

électrons émis permet de remonter à

connaissant l’énergie du faisceau de rayons X. Le


liaisons chimiques (établie par les électrons de



, de l’état de valence

. La spectroscopie XPS permet donc une analyse

tériau étudié.

L’étude XPS a été faite au CeCaMa (Centre de Caractérisation des Matériaux Avancés) de

avec un spectromètre VG 220i-XL

était de 100W et l’aire étudiée

haute résolution a été

ative 5 à 10 %. Les énergies de liaisons

Figure

G. Microscopie à force atomique

La microscopie à force atomique

locale qui reposent sur la détection d’une interaction entre une pointe de dimension nanométrique et

une surface. Le premier microscope à sonde locale

point par G. Binnig et H. Rohrer

présente l’avantage de pouvoir étudier différentes surfaces sans se restreindre aux surfaces

conductrices comme c’est le cas en microscopie à effet tunnel

1. Principe de fonctionnement

Un AFM est constitué d’une pointe de dimensions nanométriques située à l’extrémité libre du

levier (Figure 14). Le levier se déforme sous l’effet des interactions de la pointe avec la surface. Ces

déflections du levier sont mesurées par

et de quatre photodiodes. Un système d’asservissement relie les informations détectées par la

photodiode à la position d’une céramique piézo

surface (hauteur h).

Figure 14

Figure 13. Spectromètre VG 220i-XL Escalab.

Microscopie à force atomique

microscopie à force atomique (AFM) fait partie de la famille des microscopes à sonde

qui reposent sur la détection d’une interaction entre une pointe de dimension nanométrique et

microscope à sonde locale (microscope à effet tunnel, STM)

d’IBM (Prix Nobel de physique en 1986). Dans cette famille, l’AFM


c’est le cas en microscopie à effet tunnel.

Principe de fonctionnement

est constitué d’une pointe de dimensions nanométriques située à l’extrémité libre du

déforme sous l’effet des interactions de la pointe avec la surface. Ces

déflections du levier sont mesurées par un système de détection optique constitué d’un faisceau laser

Un système d’asservissement relie les informations détectées par la

photodiode à la position d’une céramique piézo-électrique qui permet d’ajuster la distance pointe

14. Principe général du microscope à force atomique.

P a g e | 42

microscopes à sonde

qui reposent sur la détection d’une interaction entre une pointe de dimension nanométrique et

microscope à effet tunnel, STM) a été mis au

Dans cette famille, l’AFM


est constitué d’une pointe de dimensions nanométriques située à l’extrémité libre du

déforme sous l’effet des interactions de la pointe avec la surface. Ces

un système de détection optique constitué d’un faisceau laser

Un système d’asservissement relie les informations détectées par la

électrique qui permet d’ajuster la distance pointe-

P a g e | 43

2. Mode de fonctionnement

Mode contact

En mode contact, la pointe fixée par le levier est placée en contact avec la surface de l’échantillon.

Différents modes de fonctionnement peuvent être utilisés : mode « hauteur constante », mode « force

constante ». Dans ce dernier mode qui est le plus couramment utilisé, le système d’asservissement

maintient la force pointe/échantillon constante grâce à la céramique piézoélectrique.

Mode contact intermittent (« Tapping »)

Ce mode permet d’étudier des matériaux mous sans les dégrader par la pointe AFM. En effet, il

permet de minimiser les forces de cisaillement à l’interface entre la pointe et la surface au cours du

balayage. En mode Tapping, la pointe vient toucher la surface par intermittence et l’amplitude de

l’oscillation (légèrement inférieure à sa fréquence propre) est fixée. L’asservissement est effectué sur

l’amplitude des oscillations de façon à conserver une amplitude d’oscillation constante.

Le contraste de phase, utilisé en mode Tapping, permet de mettre en évidence les inhomogénéités

chimiques et les propriétés viscoélastiques à la surface d’un matériau. Le mouvement d’oscillation de

la pointe peut être caractérisé par son déphasage par rapport au mouvement d’oscillation du

piézoélectrique qui l’entraine. Ce déphasage change quand la pointe rencontre des régions de

propriétés de surface différentes.

3. Instrumentation

Les analyses en microscopie à force atomique ont été réalisées avec un microscope

ThermoMicroscope Autoprobe CP Research (Park Scientific Instrument) en mode contact intermittent

(Tapping) ou mode contact à une température constante. L’AFM couplé au mode KFM (microscopie à

force Kelvin) a été réalisé avec un microscope Agilent (5500). Toutes les caractéristiques des pointes

sont données dans les chapitres.

Le traitement des images AFM a été réalisé par le logiciel Gwyddion v 2,20. Il permet aussi de

calculer la rugosité RMS (Root Mean Square) déterminée par la relation :

J ~1 3#

3a

où Z et N sont respectivement les hauteurs par rapport à la moyenne à la surface et le nombre de

points. La rugosité correspond à l’écart-type de la distribution de la hauteur.

P a g e | 44

H. Substrats utilisés

Les greffages des agents de couplage siliciés synthétisés ont été réalisés sur différentes surfaces.

1. Choix des surfaces

a. Lames de microscope

En transmission, le domaine d’analyse est limité aux bandes de vibrations des CH2 à cause

de l’absorption du verre. Les greffages ont été réalisés sur des lames de microscope

(« SuperFrost®Plus » de Menzel-Glaser). La rugosité moyenne, mesurée en différents endroits,

n’excède pas 1 nm.

b. Substrat SiO2/Au

Les spectres PM-IRRAS ont été obtenus sur des substrats en or recouverts de SiO2 afin

d’améliorer la qualité des spectres mesurés. Ceci est dû à l’exaltation du champ électrique produit au

voisinage de la surface métallique. Ces substrats (Goldflex® pro) ont été fournis par la société Optics

Balzers. L’épaisseur de la silice mesurée par ellipsométrie est de 21,5 ± 0,7 nm.

2. Activation des surfaces

L’activation des surfaces est une étape déterminante quant à l’obtention d’une monocouche

auto-assemblée de bonne qualité. Les lames sont préalablement découpées en carré de 2,5 cm² puis

nettoyées abondamment à l’eau ultra-pure de résistivité 18,2 MΩ.cm afin d’enlever les poussières de

verre s’étant déposées sur les surfaces. Après les avoir essuyées avec du papier optique

(« Kimwipes » de Kimberly-Clark), les lames sont nettoyées dans du chloroforme (qualité

spectroscopie) à ébullition pendant 10 minutes. Les lames sont ensuite placées sous une lampe

UV/ozone (185 nm – 254 nm) pendant 30 min par face. Cette étape permet d’éliminer tous les

contaminants organiques de la surface et d’augmenter le nombre de silanols sur la surface.

3. Caractérisation des surfaces SiO 2/Au après activations

L’angle de contact avec l’eau des surfaces SiO2/Au est initialement de 33°. Après traitement

UV/O3, l’eau s’étale sur la surface jusqu’à former un film (mouillage total). L’angle de contact est alors

proche de 0° ce qui confirme la présence de silanol s en surface. L’énergie de surface, calculée à

partir de la méthode d’Owens-Wendt-Rabel-Kaelble, pour la surface SiO2/Au traitée UV/O3 est de 68,3

mN/m avec une composante polaire égale à 48,0 mN/m et apolaire égale à 20,3 mN/m.

Les surfaces SiO2/Au sont homogènes et ne présente aucune aspérité importante comme

l’indique l’image de hauteur, présentée sur la Figure 15 et réalisée en mode contact intermittent. La

rugosité moyenne (Rms), déterminée sur une image de 2 µm², est de 0,90 nm. Ces surfaces

présentent des défauts (trous) dispersés sur toute la surface qui sont dus au mode de dépôt de la

silice sur l’or. Ces défauts peuvent atteindre 3,6 nm de profondeur.

P a g e | 45

Figure 15. Image de hauteur (topographique) de la surface initiale SiO2/Au.

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P a g e | 47

Chapitre III : SYNTHESE DE MONOCOUCHES

TERMINEES PAR UN ESTER

P a g e | 48

SOMMAIRE

A. Synthèse des organosilanes fonctionnels ........... ....................................................................... 49

1. Estérification ............................................................................................................................. 50

2. Synthèse des isocyanates ........................................................................................................ 50

a. Synthèse du 10-isocyanatodécène ...................................................................................... 50

b. Synthèse du 6-isocyanatohéxène ........................................................................................ 50

3. Synthèse des précurseurs éthyléniques .................................................................................. 51

4. Hydrosilylation des composés insaturés .................................................................................. 51

B. Etude de l’auto-association des molécules 6 et 13 à l’état solide et liquide ......................... .. 53

C. Greffage et optimisation des conditions de greffage ................................................................ 56

1. Greffage avec un groupement trichlorosilicié (SAMs-Cl) ......................................................... 56

a. Spectroscopie infrarouge en transmission ........................................................................... 56

b. Angle de contact et énergie de surface ................................................................................ 57

c. Microscopie à force atomique ............................................................................................... 58

i. Sur SiO2/Au........................................................................................................................... 58

ii. Sur lame de microscope ....................................................................................................... 59

2. Greffage avec un groupement triméthoxylsilicié (SAMs-OMe) ................................................ 61


b. Angle de contact ................................................................................................................... 62


D. Influence de la longueur de la chaîne carbonée..... .................................................................... 63

1. Greffage des composés trichlorosiliciés (SAMs-Cl) ................................................................. 63


b. Angle de contact et énergie de surface ................................................................................ 64


d. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X ......................................................... 65

e. Spectroscopie infrarouge d’absorption-réflexion par modulation de polarisation ................ 66

iii. Auto-association par liaison hydrogène................................................................................ 69

iv. Orientation des carbonyles de l’urée et de l’ester ................................................................ 70

v. Orientation des molécules sur le substrat ............................................................................ 71

vi. Estimation du taux de recouvrement .................................................................................... 72

2. Greffage avec des composés triméthoxysiliciés (SAMs-OMe) ................................................ 73


b. Angles de contact et énergies de surface ............................................................................ 74


d. Spectroscopie PM-IRRAS .................................................................................................... 75

i. Auto-association par liaisons hydrogène .............................................................................. 76

ii. Orientation des carbonyles ................................................................................................... 77

iii. Orientation des chaînes alkyles sur le substrat .................................................................... 77

iv. Estimation du taux de recouvrement .................................................................................... 78

E. Tentatives d’hydrolyse des esters en surface ...... ...................................................................... 79

P a g e | 49

Chi et al. ont immobilisé une enzyme (ADN polymérase) sur une couche terminée par des

acides carboxyliques.1 La protection de l’acide carboxylique en ester méthylique est une étape

nécessaire dans la synthèse du composé silicié pour éviter d’une part la formation de produits

secondaires non désirés et d’autre part, l’interaction par liaisons hydrogène entre la fonction acide et les

groupes silanols présents en surface du substrat lors du greffage. En effet, les organosilanes terminés

par une fonction acide carboxylique peuvent s’assembler tête bêche et créer des défauts au sein de la

monocouche. La forme ester permet ainsi d’éviter la présence de défauts dans la SAM.

L’objectif de ce chapitre sera donc la synthèse de SAMs terminées par une fonction ester. Il

sera aussi étudié, en particulier, l’influence d’une fonction urée dans la chaîne carbonée, du

groupement silicié et de la longueur des différents espaceurs carbonés sur l’organisation et l’orientation

des molécules dans la monocouche.

R = Cl, OMe m = 3, 11 n = 3, 6, 10

Figure 1. Structure des composés siliciés étudiés.

A. Synthèse des organosilanes fonctionnels

La stratégie de synthèse envisagée pour préparer un organosilane possédant un ester

méthylique et une urée est présentée dans la Figure 2:

Figure 2. Réactifs et conditions : a) SOCl2 (4 éq.), MeOH (0,2 M), TA, 16 h. b) NEt3 (1,1 éq.), CH2Cl2, isocyanate (allylisocyanate, 3 ou 4) (1,2 éq.). c) HSiCl3 (16 éq.), cat. Karstedt (0,1 éq. en Pt), Toluène, 2 h, 40°C ou

HSi(OMe)3 (5 éq.), cat. Karstedt (0,025 éq. en Pt), Toluène, 20 h, 65°C.

1 Y. S. Chi, Y. H. Jung, I. S. Choi, Y.-G. Kim Langmuir 2005, 21, 4669-4673.

P a g e | 50

La synthèse de ces composés organosiliciés fait intervenir trois étapes clefs :

- l’introduction de la fonction acide protégée sous la forme d’un ester méthylique

- la formation de l’urée pour former un réseau de liaisons hydrogène intermoléculaires

- l’introduction régiosélective de l’extrémité siliciée

1. Estérification

L’estérification (étape a) de l’acide 12-aminododécanoïque et de l’acide γ-aminobutyrique par

le méthanol est schématisée dans la Figure 3:

m

HO2C NH2MeOH, SOCl2

TA, 16 h m

MeO2C NH3+Cl- 1 : m = 11 Rdt : 64 %

2 : m = 3 Rdt : 68 %

Figure 3. Estérification des acides commerciaux.

Cette réaction d’estérification utilise le chlorure d’acyle formé in situ au moyen du chlorure de

thionyle. La formation d’acide chlorhydrique au cours de l’estérification conduit également à un sel

d’ammonium. L’amine devra donc être régénérée en utilisant une base telle que la triéthylamine lors du

couplage avec l’isocyanate (étape b).

2. Synthèse des isocyanates

a. Synthèse du 10-isocyanatodécène

Le 10-isocyanatodécène 3 a été préparé à partir du chlorure 10-undécènoyle commercial

(Figure 4). La synthèse de cette isocyanate est réalisée par une décomposition thermique de l’azoture

carboxylique correspondant (réarrangement de Curtius). Cet azoture est transformé en isocyanate via

la formation d’un intermédiaire fortement électrophile appelé α-cétonitrène. Le réarrangement

sigmatropique suprafacial [1,2] avec rétention de configuration permet ensuite de former l’isocyanate

correspondant.

Figure 4. Préparation du 10-isocyanatodécène 3.

b. Synthèse du 6-isocyanatohéxène

La réaction de Curtius peut être réalisée directement à partir de l’acide carboxylique selon une

procédure introduite par Shioiri, Ninomiya et Yamada.2 Ces conditions réactionnelles (azoture du

diphénylphosphoryle, DPPA et triéthylamine) sont appropriées d’un point de vue pratique, car elles

réduisent le nombre d’étape en évitant de passer par le chlorure d’acyle. Le 6-isocyanatohexène 4 a

donc été préparé selon cette méthode à partir de l’acide hexènoïque commercial (Figure 5).

2 T. Shioiri, K. Ninomiya, S. Yamada, J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 6203-6205.

P a g e | 51

Figure 5. Préparation du 6-isocyanatohexène 4.

La triéthylamine entraîne de faibles rendements et contamine les isocyanates lors de la

purification par distillation. Elle a donc été remplacée par le 1,8-bis(diméthylamino)naphthalène (Proton

spongeTM).3

3. Synthèse des précurseurs éthyléniques

Figure 6. Préparation des composés insaturés 5, 6, 7 et 8.

Le sel d’ammonium est transformé in situ en amine grâce à la triéthylamine. Ainsi, l’amine formée est

nucléophile et peut réagir avec l’isocyanate de manière à former un groupe urée. Les rendements de

ces réactions sont de 68-78 %.

4. Hydrosilylation des composés insaturés

Il existe principalement deux voies pour introduire le groupement silicié : la réaction

d’hydrosilylation sur une insaturation, ou la réaction de SiCl4 sur un réactif de Grignard.

• La réaction de SiCl4 sur un réactif de Grignard permet de conduire à un seul isomère à

condition de se placer en large excès de SiCl4. L’inconvénient majeur de cette approche est que

le réactif de Grignard peut être incompatible avec certaines fonctions portées par la molécule

ce qui est le cas d’un ester méthylique. Par conséquent, cette voie ne sera pas utilisée.

• La réaction d’hydrosilylation présente l’avantage d’être compatible avec la plupart des groupes

fonctionnels. L’addition d’un hydrogénosilane (Si-H) sur une insaturation est le plus souvent

catalysée par un catalyseur au platine, notamment le catalyseur de Karstedt (Figure 7). Ce

catalyseur fait partie des catalyseurs d’hydrosilylation les plus utilisés et l’un des plus efficaces.

C’est un complexe de platine (0) coordonné par du divinyltétraméthyldisiloxane

(O(SiMe2CH=CH2)2Pt) :

3 L. Cotarca, H. Eckert dans Phosgenations : a handbook ; Wiley VCH : Weinheim, 2003, p.119-1212.

P a g e | 52

Figure 7. Structure générale du catalyseur de Karstedt.

Un grand nombre de travaux pour comprendre son mécanisme d’action et pour préciser la

nature de l’entité qui amorce le cycle catalytique ont été menés.4 Le mécanisme le plus

couramment accepté pour expliquer l’hydrosilylation catalysée par le platine est le mécanisme

de Chalk-Harrod (Figure 8).5

Figure 8. Cycle catalytique du catalyseur de Karstedt selon Chalk et Harrod.5

La première étape du cycle catalytique consiste en la coordination du Pt0 avec l’oléfine. Puis,

l’addition oxydante du HSiR3 produit un complexe de PtII. Ensuite, l’oléfine coordinée avec ce

complexe migre entre la liaison Pt-H (insertion migratoire). La dernière étape consiste en

l’élimination réductrice, avec régénération du Pt0, de nouveau disponible pour coordiner une

molécule d’oléfine et ainsi poursuivre le cycle catalytique. Par contre, l’élimination réductrice de

silylalcane à partir d’espèces [alcényl-M]-SiR3 n’a pas bien été établie dans des conditions

stœchiométriques. Le mécanisme initialement proposé de Chalk-Harrod a été modifié pour

expliquer la formation de composés organosiliciés insaturés (vinylsilane).6 Ce nouveau

mécanisme fait intervenir l’insertion de l’oléfine entre la liaison Pt-silicium suivie de l’élimination

réductrice C-H. Toutefois, ce mécanisme est toujours sujet à controverse.

4 B. Marciniec, H. Maciejewski, C. Pietraszuk, P. Pawluć, Hydrosilylation. A Comprehensive Review on Recent Advances, dans Advances in Silicon Science, Vol. 1 ; B. Marciniec, Ed. ; Springer, 2009. 5 J. F. Harrod, A. J. Chalk, Organic Synthesis via Metal Carbonyls ; John Wiley : New York, 1977. 6 M.A. Schroeder, M.S. Wrighton J .Organomet. Chem. 1977, 128, 345-358.

P a g e | 53

L’hydrosilylation des oléfines terminales conduit généralement à la formation d’un mélange d’isomères,

α- et β- (Figure 9). Il n’existe pas de règle permettant de prédire la régiosélectivité de l’hydrosilylation.

Mais, le catalyseur de Karstedt permet de former majoritairement l’isomère α-.

Figure 9. La réaction d’hydrosilylation conduit à deux isomères, α et β.

Les dérivés éthyléniques avec une fonction ester méthylique terminale (5, 6, 7 et 8) ont été

solubilisés dans du toluène avec un large excès de triméthoxysilane (5 éq.) ou de trichlorosilane

(16 éq.) et du catalyseur de Karstedt (0,1 éq. en Pt) pendant 2 h à 40°C pour les trichlorosilanes et 20 h

à 60°C pour les triméthoxysilanes. Aucune isomérisation de la double liaison n’a été observée en RMN 1H.

Figure 10. Hydrosilylation des dérivés éthyléniques 5, 6, 7 et 8.

Par exemple, sur le spectre RMN 13C du composé triméthoxysilicié 13, présenté en Figure 11,

la disparition des carbones éthyléniques à 138,5 ppm et à 114,6 ppm (notés ∗) ainsi que l’apparition de

deux nouveaux pics à 22,4 ppm et 9,0 ppm (notés •) confirment l’hydrosilylation du composé insaturé 6.

Le pic à 9,0 ppm correspond au CH2 lié au silicium.

Figure 11. Spectre RMN 13C du composé insaturé 6 et du composé silicié 13.

B. Etude de l’auto-association des molécules 6 et 1 3 à l’état solide et liquide

L’étude infrarouge dans la région des carbonyles (1800-1500 cm-1) et des CH2/CH3

(3000-2800 cm-1) permet d’obtenir des informations sur l’auto-association des molécules.

102030405060708090100110120130140150160170180190

(ppm)

∗ ∗ • •

Composé silicié 13

Composé insaturé 6

P a g e | 54

Dans la région des carbonyles (1800-1500 cm-1)

Le spectre IR dans la région des carbonyles du composé insaturé 6 en solution très diluée (5.10-3 M

dans du chloroforme, Spectre A) ainsi que les spectres à l’état solide (ATR) des composés insaturé 6

(Spectre B) et triméthoxysilicié 13 (Spectre C), sont présentés dans la Figure 12.

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

Abs

orba

nce

(u. a

.)


A B C

A B C Amide I (cm-1) 1666,0 1617,0 1621,0 Amide II (cm-1) 1534,0 1576,0 1582,0 ∆v (cm-1) 132,0 41,0 39,0

Figure 12. Spectres IR dans la région des carbonyles : A) Spectre du composé insaturé 6 en milieu liquide,

B et C) Spectre des composés insaturé 6 et silicié 13 à l’état solide.

Les bandes de vibrations situées à ~1620,0 cm-1 (Amide I) et à 1580,0 cm-1 (Amide II)

correspondent à la fonction urée. La bande Amide I correspond au mode d’élongation du carbonyle de

l’urée tandis que celle de l’Amide II est due au mode de déformation NH couplé avec le mode

d’élongation CN (Figure 13). La bande à 1730,0 cm-1 est attribuée au mode d’élongation du carbonyle

de l’ester.

Figure 13. Vibrations caractéristiques de la fonction urée.

La valeur ∆v correspondant à la différence en nombre d’onde entre les bandes Amide I et Amide II

permet de caractériser la force de la liaison hydrogène intermoléculaire. Plus cette valeur est faible,

plus la force de la liaison hydrogène est importante.

Le spectre IR du composé insaturé 6, en milieu liquide (Spectre A), montre des vibrations du

groupe urée libre dont les nombres d’onde sont cohérents avec ceux de la littérature : C=O (Amide I) =

1654,0 cm-1, δN-H (Amide II) = 1538,0 cm-1 (∆v = 116 cm-1).7 A l’état solide (ATR), que ce soit avec ou

sans le groupement silicié, la valeur ∆v (~ 40 cm-1) est beaucoup plus faible que celle en milieu très

dilué (132 cm-1). Ce résultat indique qu’à l’état solide, l’auto-association des molécules (inexistante en

solution très diluée) est assurée par des liaisons hydrogène intermoléculaires fortes. 7 J. J. E. Moreau, L. Vellutini, M. Wong Chi Man, C. Bied, J.-L. Bantignies, P. Dieudonné, J.-L. Sauvajol J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 7957–7958.

N

NO

H

H

Amide I

Amide II

Amide I

Amide II

C=O Ester

P a g e | 55

A une concentration plus élevée (0,1 M) du composé insaturé 6, deux épaulements situés vers

1640,0 cm-1 et vers 1560,0 cm-1 apparaissent sur le spectre IR (Figure 14) ainsi qu’une large bande

vers 3350 cm-1 associée à la vibration d’élongation des groupes N-H (Amide A). Ce résultat suggère

l’établissement de liaisons hydrogène à cette concentration.

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2 0,1 M

5.10-2 M

5.10-3 M

Abs

orba

ne


A

3500 3450 3400 3350 3300 3250 3200

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,1 M

5.10-2 M

5.10-3 M

Abs

orba

ne


B

Figure 14. Spectre IR du composé 6 en milieu liquide : A) Région des carbonyles (1800-1500 cm-1),

B) Région des vibrations d’élongation (3600-3200 cm-1). Dans la région des CH 2 et CH3 (3000-2800 cm-1)

Les spectres des composés insaturé 6 et silicié 13, à l’état solide et en solution très diluée, sont

présentés dans la Figure 15 dans la région des vibrations d’élongation des groupements CH2 et CH3.

3000 2950 2900 2850 2800

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

Abs

orba

nce

(u. a

.)


A B C

A B C (CH2) (cm-1) 2930,5 2921,0 2921,0 (CH2) (cm-1) 2856,5 2851,0 2849,5

Figure 15. Spectres IR dans la région des CH : A) Spectre IR du composé insaturé 6 en milieu liquide, B) Spectre à l’état solide du composé insaturé 6, C) Spectre à l’état solide du composé silicié 13.

Les positions observées à 2930,5 cm-1 et à 2856,5 cm-1 lorsque le composé insaturé 6 est en

solution très diluée (Spectre A) indiquent clairement que les chaînes alkyles sont désordonnées et

présentent donc un grand nombre de défauts gauches. Par contre, à l’état solide (Spectres B et C), les

positions des bandes de vibration observées indiquent que les chaînes alkyles sont préférentiellement

en conformation trans avec une organisation relativement compacte des chaînes. De plus, à l’état

solide, les bandes associées aux modes des CH2 sont observées à des nombres d’onde plus élevés

par rapport à celle obtenue dans la littérature en l’absence d’urée (OTS, (CH2) = 2917-2919 cm-1).

Ceci est dû à l’encombrement stérique induit par l’urée qui désorganise les chaînes alkyles.

1560

1640

Amide I

Amide II

C=O Ester

N-H

P a g e | 56

C. Greffage et optimisation des conditions de greff age

L’influence de la longueur de la chaîne carbonée et la nature du groupement silicié ont été

étudiées. Pour faciliter la lecture, les monocouches préparées ont été notées en précisant la nature du

groupement silicié et la longueur des différents espaceurs carbonés.

Greffages des chlorosilanes :

Greffages des méthoxysilanes :

n = Abréviation

de la monocouche 3 SAM-C3Cl 6 SAM-C6Cl

10 SAM-C10Cl

m = n = Abréviation de la monocouche

11 3 SAM-C3OMe 11 6 SAM-C6OMe 11 10 SAM-C10OMe 3 10 SAM-C10C3OMe

Les surfaces silanisées ont été caractérisées par différentes techniques (présentées dans le chapitre II).

L’influence de la structure du précurseur sur l’organisation de la monocouche a été étudiée.

L’optimisation des conditions de greffage des SAMs-Cl a été mise au point avec le composé

chlorosilicié 10 tandis que c’est le composé méthoxysilicié 13 qui a été utilisé pour les SAMs-OMe.

1. Greffage avec un groupement trichlorosilicié (SAMs-Cl)

Le greffage du composé trichlorosilicié 10 avec un espaceur silicium-urée à 6 carbones (SAM-

C6Cl) a été étudié pour différentes durées d’immersion dans une solution de silanisation à une

concentration de 2.5 10-4 M maintenue à une température de 18 °C. L’étude de la cinétique de greffage

a été réalisée par spectroscopie infrarouge et par AFM.

a. Spectroscopie infrarouge en transmission

Les spectres infrarouge obtenus en transmission pour des monocouches greffées sur des

lames de microscope sont présentés en Figure 16.

3000 2950 2900 2850 2800

0,0000

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,0010

0,0012

2855 cm-1

5 min 15 min 30 min 45 min 1 h

Abs

orba

nce


2927 cm-1

0 10 20 30 40 50 60 110 1200,0000

0,0003

0,0006

0,0009

0,0012

0,0024

0,0027

CH2 asym.

CH2 sym.

Inte

nsité

Temps d'immersion (en min)

de la monocouchecroissance monocouche multicouche ou agrégats

Figure 16. Bandes associées aux modes (CH2) et (CH2) et évolution des intensités des (CH2) en fonction du temps d’immersion.

P a g e | 57

Evolution des intensités des bandes associées aux m odes (CH2) et (CH2)

L’intensité des bandes d’absorption associées aux modes (CH2) et (CH2) renseigne sur la

quantité de molécules greffées sur la surface. Comme l’indique la variation de l’intensité des modes

(CH2) et (CH2) en fonction du temps d’immersion (Figure 16), la croissance de la monocouche est

très rapide pendant les cinq premières minutes d’immersion ce qui est dû à l’adsorption des molécules

sur la surface. La croissance de la monocouche ralentit ensuite, suggérant que la surface du substrat

est de moins en moins accessible aux molécules. Après 30 minutes d’immersion, un régime quasi-

stationnaire est observé qui est suivi, 15 minutes plus tard, d’une augmentation rapide des intensités

des bandes associées aux modes des CH2. Après une heure d’immersion, les intensités observées

semble indiquer la présence d’agrégats ou d’une multicouche sur la surface. D’après ces observations,

la monocouche serait formée pour un temps compris entre 30 min ≤ t ≤ 45 min. Ceci sera confirmé en

AFM (page 58).

Vallant et al. ont préparé une monocouche d’un trichlorosilane C16 terminée par un ester méthylique et

ils ont estimé que la monocouche est formée après 2 h d’immersion dans une solution de silanisation à

une concentration de 10-3 M.8 Au Laboratoire, une monocouche d’un trichlorosilane C21 terminée par

une amine protégée sous forme d’un phthalimide a été préparé en plongeant les lames 2 h dans une

solution à une concentration de 6.10-4 M.9 Dans notre cas, la concentration en précurseur (2,5.10-4 M) et

le temps d’immersion (30-45 min) sont donc plus faibles que ce qui se fait généralement dans la

littérature. Par conséquent, la cinétique de greffage semblerait être plus rapide avec une fonction

d’auto-association par liaison hydrogène.

Position des bandes associées aux modes (CH2) et (CH2)

La position des bandes associées aux modes (CH2) et (CH2) ne varie pas avec le temps

d’immersion. Ces bandes sont observées à des nombres d’onde élevés ((CH2) = 2927,0 cm-1,

(CH2) = 2855,0 cm-1) indiquant un désordre des chaînes alkyles.

b. Angle de contact et énergie de surface

L’angle de contact avec l’eau augmente avec le temps d’immersion comme l’indique le Tableau

1. En effet, lorsque le temps d’immersion augmente, la surface devient de plus en plus hydrophobe en

raison de l’adsorption de molécules hydrophobes sur le substrat.

Temps 0 min 5 min 15 min 30 min 45 min 1 h

Angle (± 2) 0° 54° 61° 68° 69° 73°

Tableau 1. Evolution de l’angle de contact avec l’eau en fonction du temps d’immersion.

8 T. Vallant, J. Kattner, H. Brunner, U. Mayer, H. Hoffmann Langmuir 1999, 15, 5339-5346. 9 J. - C. Ehrhart, B. Bennetau, L. Renaud, J. – P. Madrange, L. Thomas, J. Morisot, A. Brosseau, S. Allano, P. Tauc, P. – L. Tran Biosens. Bioelectr.2008, 24, 467–474.

P a g e | 58

Entre 30 et 45 min d’immersion, l’angle de contact avec l’eau est de 68-69° ce qui est en accord

avec la valeur obtenue pour des monocouches possédant un ester méthylique.10 De plus, la

composante polaire de l’énergie de surface qui est égale à 48,0 mN/m pour la surface SiO2/Au passe à

11,3 mN/m pour la SAM-C6Cl ce qui confirme la présence de molécules hydrophobes sur le substrat.

c. Microscopie à force atomique

i. Sur SiO2/Au

Le greffage de ces composés trichlorosiliciés a été réalisé sur des substrats SiO2/Au pour

l’étude en spectroscopie PM-IRRAS. Les SAMs-C6Cl sur ces substrats ont été analysées en AFM en

mode contact intermittent pour différents temps d’immersion dans la solution de silanisation (Figure 17).

Ces surfaces ont été caractérisées avec une pointe AFM en silicium (PPP-FMR, Nanosensors) de faible

constante de raideur 2,8 N/m. Le levier a une longueur 225 µm et sa fréquence de résonance est de 75

kHz. L’image de hauteur obtenue après 30 minutes d’immersion n’est pas présentée sur la Figure 17

car très similaire à celle obtenue après 45 minutes.

5 min 15 min 45 min

Figure 17. Images de hauteur (1 x 1 µm²) des SAM-C6Cl pour les différents temps d’immersion.

Comme l’indiquent les profils de hauteur présentés dans la Figure 18, peu d’« îlots » sont

présents en surface après 5 minutes d’immersion. En revanche, ces derniers, plus dispersés sur la

surface, sont très nombreux après 15 minutes. Ceci semble donc indiquer que la monocouche se

formerait via des « îlots »11.

5 min 15 min

Figure 18. Profils de hauteur pour des temps d’immersion de 5 et 15 minutes.

L’image d’amplitude de la surface SiO2/Au et celle de la SAM-C6Cl après 45 min d’immersion

sont données en Figure 19. La surface SiO2/Au a une structure plus fine que celle de la SAM-C6Cl.

10 T. Strother, W. Cai, X. Zhao, R. J. Hamers, L. M. Smith J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 1205-1209. 11 K. Bierbaum, M. Grunze, A. A. Baski, L. F. Chi, W. Schrepp, H. Fuchs Langmuir 1995, 11, 2143-2150.

P a g e | 59

Ceci confirme le greffage sur ces substrats. La rugosité de surface (Rms), calculée sur l’image de

hauteur (0,5 x 0,5 µm², non présentée), de la SAM-C6Cl est de 1,3 nm alors qu’elle était de 1,2 nm pour

la surface initiale.

Surface SiO2/Au SAM-C6Cl (à 45 min)

Figure 19. Images d’amplitude (0,5 x 0,5 µm²) de la surface SiO2/Au et de la SAM-C6Cl (à 45 min).

ii. Sur lame de microscope

Pour un temps d’immersion de 45 min, les surfaces sont homogènes sans agrégats comme

l’indique l’image de hauteur de la lame de microscope greffée (Figure 20). Toutefois, les surfaces

présentent une rugosité (Rms) de 0,25 nm légèrement inférieure à celle de la surface initiale (0,30 nm).

Figure 20. Image de hauteur (3D) de la lame de microscope greffée (SAM-C6Cl, 45 min).

Par contre, l’image de hauteur de la surface greffée après 1 h d’immersion (Figure 21) indique

clairement la présence d’agrégats (polysiloxanes) sur la surface. En effet, cette surface présente des

grains assez réguliers, de 3-5 nm de hauteur et de 50-60 nm de diamètre, répartis sur l’ensemble de la

surface. De plus, l’épaisseur de cette couche mesurée par ellipsométrie (4,5 ± 0,5 nm) est nettement

supérieure à la longueur de la molécule en conformation étendue (2,9 nm) ce qui confirme que la

quantité de matière est trop importante en surface, sous forme d’agrégats et/ou de multicouches.

P a g e | 60

45 min 1 h

Figure 21. Images de hauteur de la SAM-C6Cl pour 45 min et 1h d’immersion.

Le taux d’hydratation de la surface est un paramètre important. En effet, certains auteurs ont

montré par spectroscopie infrarouge de réflexion et par AFM que l’adsorption des molécules est très

sensiblement accélérée en présence d’eau.12,13 Afin de vérifier l’influence de la quantité d’eau présente

sur le substrat sur la qualité de la monocouche, les substrats ont été lavés avec de l’eau ultra-pure

après l’étape d’activation aux UV/O3. Ensuite, ces lames ont été placées dans une solution de

silanisation. Les images obtenues sur ces surfaces modifiées (Figure 22) indiquent la présence de

nombreux agrégats réguliers sur la surface qui sont sous forme d’amas relativement épais (10 nm) dont

la largeur moyenne est de 80 nm. La rugosité de surface (Rms = 2,9 nm) est très élevée confirmant les

observations faites sur les images. Au vu de ces observations en AFM, ce lavage à l’eau après UV/O3

n’a plus été réalisé.

Hauteur Profil de surface Amplitude

Figure 22. Images AFM (1 x 1 µm²) d’une lame de microscope modifiée qui a été hydratée avant d’être immergée dans la solution de silanisation.

La monocouche avec un groupement trichlorosilicié est donc obtenue pour un temps

d’immersion de 45 minutes comme l’indiquent les analyses en infrarouge et en AFM. De plus, la

cinétique de formation semble être plus rapide avec une fonction urée au sein de la monocouche par

12 T. Vallant, H. Brunner, U. Mayer, H. Hoffmann, T. Leitner, R. Resch, G. Friedbacher J. Phys. Chem. B 1998, 102, 7190-7197. 13 D. L. Angst, G. W. Simmons Langmuir 1991, 7, 2236-2242.

P a g e | 61

rapport à une monocouche purement chaîne alkyle. L’étude AFM révèle que la monocouche se forme

via une structure en « îlots ».

2. Greffage avec un groupement triméthoxylsilicié (SAMs-OMe)

Les conditions de greffage avec le triméthoxysilane sont similaires à celles déjà utilisées au

Laboratoire14 : la concentration en précurseur est fixée à 2,5.10-4 M dans du toluène en présence de

10 % mol. d’acide trichloroacétique (TCA) à une température maintenue à 18°C. Le greff age du

composé triméthoxysilicié, SAM-C6OMe, a été réalisé dans ces conditions en faisant varier uniquement

le temps d’immersion.


Les spectres infrarouges obtenus sur les lames de microscope pour différents temps

d’immersion sont présentés dans la Figure 23. L’épaulement à 2960 cm-1 correspond au mode

d’élongation asymétrique du groupement CH3 de l’ester.

3000 2950 2900 2850

0,0000

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,0010

0,0012 6 h 8 h 10 h 12 h 14 h

Abs

orba

nce


6 8 10 12 14

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,0010

0,0012

CH2 symétrique

CH2 asymétrique

Inte

nsité

Temps d'immersion (en h)

Figure 23. Bandes associées aux modes (CH2) et (CH2)

et évolution des intensités des (CH2) en fonction du temps d’immersion pour la SAM-C6OMe.

Nam et al. ont préparé une monocouche terminée par des aromatiques et possédant une

fonction urée à partir d’un organotriméthoxysilane.15 Ils ont constaté par spectroscopie infrarouge en

transmission un épaulement vers 2840 cm-1 qu’ils ont attribué à la vibration CH3 des groupes

méthoxyles liés au silicium. Ils en ont déduit, qu’à une température maintenue à 20°C, l’hydrolyse-

condensation est incomplète. Dans le cas des monocouches étudiées dans ce chapitre, cet épaulement

n’a pas été observé. Ceci peut s’expliquer par l’utilisation d’un catalyseur pour le greffage (acide

trichloroacétique) alors que Nam et al. n’en ont pas utilisé.

Aucun régime stationnaire n’est observé sur le graphe de la Figure 23 présentant l’évolution des

intensités des (CH2) en fonction du temps d’immersion. Il est donc difficile de déterminer en IR le

temps d’immersion nécessaire pour former une monocouche.

14 D. H. Dinh, L. Vellutini, B. Bennetau, C. Dejous, D. Rebière, E. Pascal, D. Moynet, C. Belin, B. Desbat, C. Labrugère, J. – P. Pillot Langmuir 2009, 25, 5526–5535. 15 H. Nam, M. Granier, B. Boury, S. Y. Park Langmuir 2006, 22, 7132-7134.

(CH3)

P a g e | 62

b. Angle de contact

La surface devient de plus en plus hydrophobe comme l’indique le Tableau 2. Pour des temps

compris entre 10 h et 14 h, les valeurs d’angle de contact sont compatibles avec des fonctions esters

en surface.10

Temps 6 h 8 h 10 h 12 h 14 h

Angle (± 2) 52° 58° 67° 69° 70°

Tableau 2. Evolution de l’angle de contact avec l’eau en fonction du temps d’immersion.


Les SAMs-C6OMe sur SiO2/Au ont été analysées en AFM en mode contact intermittent pour

différents temps d’immersion dans la solution de silanisation. Pour des temps compris entre 6 h et 10 h,

aucune variation significative de l’état de surface n’a été observée.

Les images de hauteur en 3D (5 x 5 µm²) réalisées en mode contact intermittent de la SAM-

C6OMe greffée sur une lame de microscope, pour des temps d’immersion de 12 h et 14 h, sont

présentées dans la Figure 24. A 12 h, la surface est homogène et présente peu d’agrégats tandis qu’à

14 h, de nombreux agrégats sont présents.

12 h (Rms = 1,3 nm) 14 h (Rms = 2,8 nm)

Figure 24. Images de hauteur (5 x 5 µm²) en 3D réalisée en mode contact intermittent de la SAM-C6OMe sur lame de microscope pour 12 h et 14 h d’immersion.

Apres 14 h d’immersion, la rugosité de la surface (Rms = 2,8 nm) est plus élevée que celle à

12 h (Rms = 1,3 nm). Ces valeurs sont supérieures à celles de la lame de microscope initiale (0,3 nm).

Le greffage des composés triméthoxysiliciés a également été réalisé sur des surfaces SiO2/Au.

L’image d’amplitude de la surface initiale et celle de la SAM-C6OMe pour un temps d’immersion de

12 h sont données en Figure 25. Ces images ont été réalisées en mode contact intermittent et dans les

mêmes conditions d’imagerie. La surface SiO2/Au présente une structure plus fine que celle de la SAM-

C6OMe. Ceci confirme bien le greffage des molécules sur ces substrats pour un temps d’immersion de

12 h.

P a g e | 63

Surface initiale SiO2/Au SAM-C6OMe (à 12 h)

Figure 25. Images d’amplitude de la surface initiale et de la SAM-C6OMe sur SiO2/Au

réalisée en mode contact intermittent (à 12 h).

La monocouche avec un groupement triméthoxysilicié est donc obtenue pour un temps

d’immersion de 12 heures comme l’indique les analyses infrarouge et AFM. De plus, la cinétique de

formation semble être plus rapide avec une fonction urée au sein de la monocouche qu’en l’absence de

celle-ci. En effet, pour une monocouche à longue chaîne alkyle terminée par un groupe glycidyle, le

temps d’immersion optimum est de 20 heures.14

D. Influence de la longueur de la chaîne carbonée

1. Greffage des composés trichlorosiliciés (SAMs-Cl)

Les abréviations des différentes SAMs-Cl obtenues avec un temps d’immersion de 45 minutes

sont récapitulées dans la Figure 26.

n = Abréviation

de la monocouche 3 SAM-C3Cl 6 SAM-C6Cl

10 SAM-C10Cl Figure 26. Structures moléculaires et abréviations des différentes SAMs-Cl.


Les spectres infrarouge obtenus sur les lames de microscope pour les différentes SAMs-Cl

après un temps d’immersion de 45 minutes sont présentés dans la Figure 27.

P a g e | 64

3000 2980 2960 2940 2920 2900 2880 2860 2840 2820 2800

0,0000

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,0010

0,0012

0,0014

0,0016

SAM-C10Cl SAM-C6Cl SAM-C3Cl

Abs

orba

nce


Figure 27. Comparaison des bandes associées aux modes (CH2) et (CH2) pour les SAMs-Cl.

D’après le Tableau 3, la fréquence des bandes associées aux modes (CH2) et (CH2)

dépend de la longueur du segment carboné entre le silicium et l’urée. Plus la longueur de cette chaîne

alkyle augmente, plus les modes (CH2) et (CH2) se déplacent vers les faibles nombre d’onde,

indiquant que les chaînes alkyles deviennent plus ordonnées. Donc, plus la longueur du segment

carboné entre le silicium et l’urée est important, plus la monocouche est organisée.


(CH2) (cm-1) 2928,0 2927,0 2925,0 (CH2) (cm-1) 2856,0 2855,0 2854,0

Tableau 3. Positions des bandes de vibration associées aux modes (CH2) et (CH2)

pour les SAMs-Cl sur lame de microscope.

La largeur à mi-hauteur des bandes associées aux modes (CH2) et (CH2) permet

également de caractériser l’organisation des chaînes alkyles d’une monocouche. En effet, cette valeur

pour la bande (CH2) d’une monocouche d’OTS (octadécyltrichlorosilane) bien ordonnée est de

16 cm-1 mais pour des films peu ordonnés, elle est de ~25 cm-1.16 Dans le cas des monocouches

étudiées, la largeur à mi-hauteur de la bande est de 25 cm-1 pour les SAMs-Cl ce qui est cohérent

avec la position en fréquence des modes (CH2) et (CH2). Par contre, la largeur à mi-hauteur ne

varie pas avec la longueur de l’espaceur carboné entre le silicium et l’urée.

b. Angle de contact et énergie de surface

L’angle de contact avec l’eau des surfaces greffées a été mesuré afin de déterminer la qualité

des monocouches. Elle dépend de l’état de surface, de l’hétérogénéité de la surface et de la présence

de contaminants. Les angles de contact pour les différentes SAMs-Cl sont présentés dans le Tableau 4.

16 D. L. Angst, G. W. Simmons Langmuir 1991, 7, 2236-2242.

2925

2927

2928

2856

2855

2854

P a g e | 65

SAM-C3Cl SAM-C6Cl SAM-C10Cl Angle (± 2°) 68,9° 70,2° 69,4°

Tableau 4. Angles de contact avec l’eau pour les SAMs-Cl

(moyenne de trois mesures).

Ces angles sont en bon accord avec celui mesuré (70,8°) pour une monocouche d’ undécénoate

de méthyle sur Si(111).10 Les fonctions ester semblent donc présentes en surface.


Les surfaces SiO2/Au modifiées par les SAMs-Cl ont été caractérisées en mode contact

intermittent avec la même pointe que celle utilisée pour déterminer les conditions de greffage. Les

images de hauteur, présentées sur la Figure 28, sont homogènes à l’exception de la SAM-C3Cl qui

présente quelques agrégats en surface.


Figure 28. Images de hauteur (5 x 5 µm²) en mode contact intermittent des SAM-C10Cl, SAM-C6Cl et SAM-C3Cl sur substrat SiO2/Au.

Les rugosités (Rms) de la surface des différentes SAMs-Cl sont présentées dans le Tableau 5.

SAM-C10Cl SAM-C6Cl SAM-C3Cl SiO2/Au Rms (nm) 1,10 0,90 1,40 0,90

Tableau 5. Rugosités moyennes de surface des SAMs-Cl.

Les rugosités mesurées pour la SAM-C10Cl et la SAM-C6Cl sont proches de celle de la surface

initiale (Rms = 0,9 nm) tandis que celle de la SAM-C3Cl est très supérieure à cette valeur. Ceci étant dû

à la présence d’agrégats sur la surface comme l’indique l’image de hauteur de cet échantillon (Figure

28).

d. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X

Les surfaces ont été caractérisées par XPS afin de déterminer la composition chimique

élémentaire en surface. Le profil XPS pour la surface fonctionnalisée par le SAM-C6Cl est le suivant :

P a g e | 66

700 600 500 400 300 200 100 0

Si2pN1s

C1sC

ompt

es /s

Energie de liaison (eV)

O1sSi2s

Au4f

Pt4f

Figure 29. Profils XPS des surfaces SiO2/Au fonctionnalisées par la SAM-C6Cl.

Cette technique révèle que l’élément platine est présent en faible quantité (0,2-0,3%) sur

certains échantillons. Cette contamination est due au catalyseur de Karstedt (à base de platine) utilisé

lors de l’hydrosilylation des composés insaturés. De plus, l’absence de l’élément chlore (~ 200 eV)

confirme l’hydrolyse complète du précurseur.

L’étude XPS montre également la présence d’azote dans les trois couches (SAM-C3Cl, SAM-

C6Cl, SAM-C10Cl) en quantité non négligeable (3,5%, 2,9%, 1,7%, respectivement) ce qui n’était pas le

cas sur la surface initiale. Le rapport atomique N/C obtenu pour ces différents échantillons est plutôt

cohérent avec la valeur théorique comme le montre le Tableau 6 ce qui indique la présence de la

molécule sur le substrat.

Echantillon SAM-C3Cl SAM-C6Cl SAM-C10Cl

N/C théorique 0,12 0,10 0,08 N/C expérimental 0,08 0,09 0,09

Tableau 6. Valeur du rapport N/C pour les SAMs-Cl.

Le rapport N/C expérimental de la SAM-C3Cl est plus faible que la valeur théorique. Ceci peut

s’expliquer par une contribution plus importante des contaminations carbonées de la surface.

e. Spectroscopie infrarouge d’absorption-réflexion par modulation de polarisation

Les spectres PM-IRRAS des différentes SAMs-Cl obtenus sont présentés dans la Figure 30.

P a g e | 67

3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

0,018

0,020

1-(R

p/R

s)


A SAM-C3Cl SAM-C6Cl SAM-C10Cl

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

1-(R

p/R

s)



B

Figure 30. Spectres PM-IRRAS des SAMs-Cl (A) (3100-1400 cm-1) et

(B) dans la région des carbonyles (1800-1500 cm-1).

Dans la Figure 30B, les vibrations situées vers 1630 cm-1 (Amide I) et vers 1570 cm-1 (Amide II)

sont caractéristiques de la fonction urée. L’observation de ces deux bandes, ainsi que celle associée au

mode d’élongation du carbonyle de l’ester (1715-1745 cm-1), confirment la présence de la molécule sur

le substrat. Région des CH 2/CH3 (3000-2800 cm-1)

Dans la Figure 31, les positions des bandes de vibrations observées en PM-IRRAS sont

supérieures à celles obtenues en transmission. Toutefois, quelque soit la technique infrarouge utilisée

(transmission ou PM-IRRAS), la position de la bande (CH2) diminue avec la longueur de l’espaceur

silicium-urée. Ainsi, le greffage est le même quelque soit la surface étudiée. Ceci confirme également

les observations faites en transmission.

3000 2950 2900 2850 2800

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020


1-(R

p/R

s)


2854,0

2854,5

2855,0

2855,5

2856,0

2856,5

2857,0

2857,5

2858,0

SAM-C10ClSAM-C6Cl

Nom

bre

d'on

de (

cm-1)

Transmission PM-IRRAS

SAM-C3Cl

Figure 31. Région des CH (3000-2800 cm-1) et comparaison de l’évolution de la bande (CH2) en fonction de la SAMs-Cl et de la technique infrarouge.

Interprétation des deux bandes attribuées au carbon yle de l’ester

Deux bandes d’égales intensités sont présentes à 1718 et 1742 cm-1. Plusieurs hypothèses

sont plausibles quant à l’interprétation de ces deux bandes :

Amide II Amide I

1718 1742

C=O Ester

P a g e | 68

Figure 32. Représentation des différentes hypothèses concernant l’attribution des bandes à 1718 et 1742 cm-1.

A) La présence de la forme acide sur la surface aurait pu expliquer la présence de la

bande à plus faible nombre d’onde (1718 cm-1). En effet, les esters méthyliques auraient

pu s’hydrolyser partiellement en surface par la libération d’acide chlorhydrique au cours de

l’hydrolyse des trichlorosilanes. Cette hypothèse ne s’est pas avérée pertinente puisque,

dans le cas du greffage avec un groupement triméthoxysilicié, le spectre PM-IRRAS ne

présente qu’une seule bande centrée à 1715-1718 cm-1. De plus, l’action de l’éthyl-3-(3-

diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC) et du N-hydroxysuccinimide (NHS) sur ces

surfaces pour activer les acides carboxyliques éventuels n’a pas conduit à la formation de

l’ester activé correspondant. Dans ces conditions, la bande à 1718 cm-1 ne semble pas

correspondre à celle d’un acide.

B) La formation de liaisons hydrogène entre le carbonyle de l’ester et les molécules

d’eau est une autre hypothèse qui a été examinée. En effet, Engquist et al. ont étudié

l’interaction par liaisons hydrogène entre une monocouche d’alcanethiol terminée par un

ester méthylique et des molécules d’eau adsorbées. Ils ont montré que la bande du

carbonyle de l’ester initialement à 1746 cm-1 se déplace à 1733 cm-1 avec une couche de

10 Ǻ de D2O.17 L’immersion de nos lames dans du D2O n’a entrainé aucune modification

de la bande à 1718 cm-1 sur le spectre PM-IRRAS. De plus, la bande Amide II qui est

principalement due en partie à la vibration de déformation est sensible à la deutériation

du groupe amide. Aucune modification de cette bande n’a pourtant été observée après

avoir immergée les lames dans du D2O. Cela indique que les urées ne sont pas facilement

accessibles.

17 I. Engquist, M. Lestelius, B. Liedberg J. Phys. Chem. 1995, 99, 14198-14200.

P a g e | 69

C) La présence de deux esters de conformation différente sur la surface a été également

envisagée. Une équipe Coréenne a montré que la bande caractéristique d’un ester

ferrocényle a une position qui varie suivant la conformation de l’ester.18 En effet, la bande

du carbonyle de l’ester étant située à 1713 cm-1, le carbonyle serait orienté

perpendiculairement à la surface (Figure 33A). Par contre, la formation de monocouches

mixtes avec un alcanethiol entraîne l’apparition d’une deuxième bande à 1747 cm-1 (Figure

33B) qui est due à une réorientation de l’ester (parallèle à la surface). La mobilité de l’ester

est accrue par la formation d’une monocouche mixte ce qui permet aux esters de s’orienter

suivant les deux conformations présentées dans la Figure 33B.

Figure 33. Représentation des deux conformations de l’ester ferrocényle.

La présence de fonctions urée dans nos systèmes écarte les chaînes alkyles les

unes des autres. En effet, la distance de Van der Waals (VdW) pour les carbones (3,5 Ǻ)19

est plus courte que la distance entre deux urées (4,5-5,0 Ǻ).20 Cette caractéristique induit

un degré de liberté plus important au sein des monocouches. Les fonctions esters en

surface auraient donc une mobilité plus grande permettant la présence des deux

conformations de l’ester. Par contre, le carbonyle de l’ester n’est pas strictement parallèle

à la surface car, d’après la règle de sélection de surface, si le moment de transition d’une

liaison est parallèle à la surface, la bande devrait être d’intensité nulle sur le spectre PM-

IRRAS.

iii. Auto-association par liaison hydrogène

La force de la liaison hydrogène intermoléculaire peut être mise en évidence par la valeur du ∆ν

correspondant à la différence des positions entre les vibrations amide I et amide II. Plus cette valeur ∆ν

18 M. Lee, C. Chung Bull. Korean Chem. Soc. 1999, 20, 1-3. 19 M. J. Stevens Langmuir 1999, 15, 2773-2778. 20 Q. Huo, S. Russev, T. Hasegawa, J. Nishjo, J. Umemura, G. Puccetti, K. C. Russell, R. M. Leblanc J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7890-7897.

P a g e | 70

est faible, plus la force de la liaison hydrogène est importante.21 Alors qu’elles ne s’établissent pas en

solution très diluée (5.10-3 M) dans un solvant apolaire (chloroforme), les liaisons hydrogène sont très

fortes à l’état solide. D’après le Tableau 7, les valeurs ∆ν en PM-IRRAS pour les différentes surfaces

sont proches de celles obtenues pour les molécules à l’état solide (~ 42 cm-1) ce qui indique la

présence de liaisons hydrogène fortes au sein des monocouches.

SAM-C3Cl SAM-C6Cl SAM-C10Cl Amide I (cm-1) 1626,5 1632,5 1633,5 Amide II (cm-1) 1576,5 1576,5 1578,0

∆ν (cm-1) 50,0 56,0 55,5

Tableau 7. Positions des bandes Amide I et Amide II et valeurs ∆ν pour les SAMs-Cl.

Au vu de ses résultats, il est maintenant établi que les fonctions urées forment un réseau de

liaisons hydrogène intermoléculaires au sein du film. Par contre, les interactions de Van der Waals sont

plutôt faibles comme l’indiquent les fréquences des modes (CH2) et (CH2). Par conséquent,

l’assemblage des molécules se fait de manière prépondérante par la formation d’un réseau de liaisons

hydrogène intermoléculaires.

iv. Orientation des carbonyles de l’urée et de l’ester

L’orientation des carbonyles par rapport au substrat a d’abord été estimée en comparant les

intensités relatives Amide I et Amide II entre les spectres simulés isotrope et anisotrope. Pour rappel, le

rapport Amide I et Amide II du spectre simulé anisotrope est le même que celui observé sur le spectre

expérimental.

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014 Modèle isotrope Modèle anisotrope Spectre expérimental

1-(R

p.R

s)

Nombre d'onde (cm-1) Figure 34. Spectres simulés isotrope et anisotrope et spectre expérimental.

La bande Amide I est plus faible en intensité sur le spectre anisotrope que sur le spectre

isotrope. De plus, la bande Amide II est légèrement plus intense sur le spectre anisotrope. D’après la

règle de sélection (abordée dans le chapitre II), le carbonyle de l’urée serait plutôt parallèle à la surface.

21 J. J. E. Moreau, L. Vellutini, M. Wong Chi Man, C. Bied, J. – L. Bantignies, P. Dieudonné, J. – P. Sauvajol J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 7957-7958.

Amide II

Amide I

C=O Ester

Les angles d’inclinaison (

associés aux modes et

obtenues sont présentées dans le

complémentaire (α), correspondant

surface, est également indiqué dans ce tableau.

Tableau 8. Angles d’inclinaison des moments de transition du C=O et du NH de l’urée

Pour les SAMs-Cl, le carbonyle de l’

la parallèle à la surface comme l’illustre la

Figure 35. ReprésentationC=

Les angles (α) ne varient pas

v. Orientation des molécules sur le substrat

Les chaînes alkyles présentant des défauts «

un axe moléculaire unique (cf. chapitr

moléculaires locaux (Axe C-C) par rapport à la normale à la surface

du chapitre II, les angles d’inclinaison

ont été déterminés. Ces valeurs sont présentées

SAM-C3Cl

SAM-C6Cl

SAM-C10Cl

Les angles d’inclinaison (), par rapport à la normale à la surface, des moments de transition

ont été calculés à partir de l’équation (23) du chapitre II

obtenues sont présentées dans le Tableau 8. Pour une meilleure compréhension, l’angle

), correspondant à l’angle d’inclinaison des moments de transition par rapport à la

surface, est également indiqué dans ce tableau.

d’inclinaison des moments de transition du C=O et du NH de l’urée

pour les différentes SAMs-Cl.

e carbonyle de l’urée est donc incliné d’un angle moyen de

la surface comme l’illustre la Figure 35.

Représentation de l’inclinaison des moments de transition du C=O et du NH de l’urée par rapport à la surface.

ne varient pas avec la longueur du segment carboné entre l’urée et le silicium

Orientation des molécules sur le substrat

Les chaînes alkyles présentant des défauts « gauches » ne peuvent pas être représentées par

(cf. chapitre II). L’angle () est une moyenne des différents angles des axes

par rapport à la normale à la surface. A partir des équations (23) et (24)

es angles d’inclinaison () des axes moléculaires locaux pour les différentes

Ces valeurs sont présentées dans le tableau de la Figure 36.

, (°) (°)

C3Cl urée 0,4060 0,0243 66,5 23,5

0,0645 0,1922 64,1 25,9

C6Cl urée 0,0700 0,0291 65,5 24,5

0,4544 0,2133 64,2 25,8

C10Cl urée 0,0736 0,0323 64,9 25,1

0,4973 0,2320 64,2 25,8

= 24°

P a g e | 71

par rapport à la normale à la surface, des moments de transition

chapitre II. Les valeurs

. Pour une meilleure compréhension, l’angle

ments de transition par rapport à la


rée est donc incliné d’un angle moyen de 24° par rapport à

de transition du

a longueur du segment carboné entre l’urée et le silicium.

» ne peuvent pas être représentées par

) est une moyenne des différents angles des axes

A partir des équations (23) et (24)

pour les différentes SAMs-Cl

P a g e | 72

, (°) (°)

SAM-C3Cl (CH2) 0,1035 0,0654 60,7

48,1 (CH2) 0,1335 0,1226 55,9

SAM-C6Cl (CH2) 0,1171 0,0922 57,9

51,7 (CH2) 0,1624 0,1629 54,7

SAM-C10Cl (CH2) 0,1650 0,1063 60,4

48,1 (CH2) 0,2096 0,1879 56,2

Figure 36. Angle moyen () des axes moléculaires locaux par rapport à la normale à la surface.

Tillman et al.22 ont montré par spectroscopie infrarouge ATR en lumière polarisée que l’angle

moyen d’une chaîne purement alkyle C22 d’un silane bien ordonné ( (CH2) = 2917 cm-1, (CH2) =

2851 cm-1) et terminée par un ester méthylique est de ~10 ± 2°. Pour les SAMs-Cl, cet angle est

d’environ 50° et ne semble pas varier avec la longu eur de l’espaceur carboné entre le silicium et l’urée.

Ces résultats montrent donc que les segments alkyle sont désordonnés.

vi. Estimation du taux de recouvrement


bandes mesurées sur les spectres IRRAS expérimentaux et simulés à partir des constantes optiques

anisotropes. Pour minimiser les erreurs, ces rapports d’aires ont été calculés dans deux domaines

spectraux différents, dans la région des CH entre 3000 et 2800 cm-1 et dans la région des carbonyles

entre 1800 et 1500 cm-1. Le spectre simulé étant déterminé par le composé insaturé (deux CH2 en

moins par rapport au composé silicié), est corrigé pour correspondre au même nombre de carbone. Les

résultats obtenus pour les différents systèmes sont reportés dans le Tableau 9.

Région Aire sur le spectre expérimental (A1)

Aire sur le spectre simulé (A2)

Rapport A1/A2

Recouvrement

SAM-C3Cl 3000 – 2800 cm-1 0,2241 0,2160* 1,04

119 % 1800 – 1500 cm-1 0,3967 0,2965 1,34

SAM-C6Cl 3000 – 2800 cm-1 0,3135 0,3756* 1,18

109 % 1800 – 1500 cm-1 0,4139 0,4078 1,01

SAM-C10Cl 3000 – 2800 cm-1 0,5058 0,4902* 1,03 97 %

1800 – 1500 cm-1 0,4633 0,5098 0,91 ∗ Corrigée pour correspondre au même nombre de carbones que pour le composé silicié.

Tableau 9. Détermination du taux de recouvrement dans une région spectrale donnée.

D’après ces calculs d’aires, les couches, SAM-C10Cl et SAM-C6Cl, ont un taux de

recouvrement proche de 100 % tandis que la SAM-C3Cl a plus de matière en surface que ce qui est

attendu pour une monocouche (119 %). Ces observations sont cohérentes avec l’analyse AFM qui

montre la présence d’agrégats en surface (Figure 28).

22 N. Tillman, A. Ulman, T. L. Penner Langmuir, 1989, 5, 101-111.

P a g e | 73

2. Greffage avec des composés triméthoxysiliciés (SAMs-OMe)

Le greffage des composés triméthoxysiliciés a été réalisé suivant les conditions établies dans la

partie C, 2 (avec un temps d’immersion de 12 h). Les abréviations des différentes SAMs-OMe sont

récapitulées dans la Figure 37.

m = n = Abréviation de la

monocouche 11 3 SAM-C3OMe 11 6 SAM-C6OMe 11 10 SAM-C10OMe 3 10 SAM-C10C3OMe

Figure 37. Structures moléculaires et abréviations des différentes SAMs-OMe.


Les spectres infrarouge en transmission des différentes SAMs-OMe sont présentés dans la Figure 38.

3000 2950 2900 2850 2800

0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

SAM-C3OMe SAM-C10C3OMe SAM-C6OMe SAM-C10OMe

Abs

orba

nce

Nombre d'onde (cm-1) Figure 38. Comparaison des bandes associées aux modes (CH2) et (CH2) pour les SAMs-OMe.

Les nombres d’onde des bandes associées aux modes de vibrations des groupements CH2

sont présentés dans le Tableau 10 :

SAM-C3OMe SAM-C6OMe SAM-C10OMe SAM-C10C3OMe

(CH2) (cm-1) 2927,0 2926,0 2925,5 2924,5 (CH2) (cm-1) 2856,0 2854,0 2853,0 2854,0

Tableau 10. Positions des bandes aux modes (CH2) et (CH2) pour les SAMs-OMe.

Etude infrarouge des bandes CH 2 des monocouches C3OMe, C6OMe, C10OMe

Les bandes de vibration associées aux modes (CH2) et (CH2) se déplacent vers les plus

bas nombres d’onde lorsque la longueur du segment carboné entre le silicium et l’urée augmente. Ceci

est cohérent avec les observations faites avec les SAMs-Cl correspondantes. Donc quelle que soit la

2926,0

2927,0

2925,5

2854,0

2854,0

2853,0

2856,0

2924,5

P a g e | 74

nature du groupement silicié, plus la longueur du segment carboné entre le silicium et l’urée est grande,

plus les chaînes alkyle sont ordonnées.

Etude infrarouge des bandes CH 2 de la monocouche C10C3OMe

Les positions des modes d’élongation asymétriques et symétriques des groupements CH2 pour

la SAM-C10C3OMe sont plus faibles (as (CH2) = 2924,5 cm-1, s

(CH2) = 2854,0 cm-1) que celles de la

SAM-C3OMe (as (CH2) = 2927,0 cm-1, s

(CH2) = 2856,0 cm-1). La SAM-C10C3OMe présente une

meilleure organisation que la SAM-C3OMe. Donc, l’organisation des chaînes alkyles semble être

principalement conditionnée par la longueur de la chaîne alkyle entre le silicium et la fonction urée.

b. Angles de contact et énergies de surface

Les angles de contact avec l’eau ont été mesurés pour les différentes surfaces. Les valeurs

obtenues sont reportées dans le Tableau 11 :

SAM-C3OMe SAM-C6OMe SAM-C10OMe SAM-C10C3OMe

Angle (± 2°) 69,5° 70,2° 70,0° 61,0°

Tableau 11. Angles de contact avec l’eau pour les monocouches terminées par des esters méthyliques.

Les valeurs obtenues pour les monocouches avec onze carbones entre l’urée et l’ester

méthylique (échantillons : SAM-C3OMe, SAM-C6OMe, SAM-C10OMe) sont en accord avec celles de la

littérature et celles obtenues pour les SAMs-Cl. Par contre, l’angle de contact avec l’eau du composé

triméthoxysilicié ayant seulement trois carbones entre l’urée et l’ester (C10C3OMe) est plus faible (61°).

Ceci est vraisemblablement dû à la proximité de la fonction urée avec la surface. Bain et Whitesides ont

montré que la mouillabilité d’une surface est déterminée par la structure sur quelques angströms (5 Ǻ

pour l’eau).23 Les molécules d’eau formeraient donc des liaisons hydrogène avec l’urée ce qui

expliquerait la différence de polarité observée. Comme l’indique le Tableau 12, les composantes

polaires des SAM-C3OMe, SAM-C6OMe et SAM-C10OMe sont les mêmes (~11,50 mN/m) à

l’exception de celle de la SAM-C10C3OMe qui est supérieure (17,65 mN/m).

Echantillons Composante dispersive

mN/m Composante Polaire

mN/m Energie de surface totale

! mN/m SAM-C3OMe 28,11 (± 0,29) 11,65 (± 0,24) 39,75 (± 0,53) SAM-C6OMe 27,88 (± 0,27) 11,50 (± 0,11) 39,37 (± 0,38)

SAM-C10OMe 28,18 (± 0,17) 11,39 (± 0,16) 39,56 (± 0,33) SAM-C10C3OMe 26,50 (± 0,83) 17,65 (± 0,73) 44,14 (± 1,53)

Tableau 12. Composantes dispersives et polaires de l’énergie de surface.

23 C. D. Bain, G. M. Whitesides J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 5898-5900.

P a g e | 75


Les images de hauteur en mode contact intermittent des SAMs-OMe sur substrat SiO2/Au sont

présentées dans la Figure 39. Les surfaces ont été imagées dans les mêmes conditions que les SAMs-

Cl. Elles sont plutôt homogènes avec la présence d’agrégats en surface. La SAM-C6OMe présente plus

d’agrégats en surface que les autres.

SAM-C10OMe SAM-C6OMe

SAM-C3OMe SAM-C10C3OMe

Figure 39. Images de hauteur (5 x 5 µm²) en mode contact intermittent des SAMs-OMe sur substrat SiO2/Au.

Les rugosités (Rms) de surface pour les différentes SAMs-OMe sont présentées dans le

Tableau 13. Les valeurs obtenues sont supérieures à celle de la surface initiale (0,9 nm). Ce qui est

cohérent avec la présence d’agrégats en surface.

SAM-C3OMe SAM-C6OMe SAM-C10OMe SAM-C10C3OMe SiO2/Au Rms (nm) 2,80 2,90 2,80 1,90 0,90

Tableau 13. Rugosités de surface des SAMs-OMe.

d. Spectroscopie PM-IRRAS

Le principe de la spectroscopie PM-IRRAS ainsi que les informations pouvant être obtenues de

cette technique ont été abordés dans le chapitre II. Les spectres PM-IRRAS, présentés en Figure 40,

montrent très clairement la présence des molécules sur les substrats par l’identification des bandes

associées aux méthylènes des chaînes alkyles, de l’ester et de l’urée.

P a g e | 76

3000 2500 2000 1500

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

SAM-C10OMe

SAM-C6OMe

SAM-C3OMe

1-(R

p/R

s)


SAM-C10C3OMe

Figure 40. Spectres PM-IRRAS des SAMs-OMe.

Les spectres PM-IRRAS dans la région des carbonyles (1800-1500 cm-1) des SAM-C6Cl et

SAM-C6OMe sont présentés dans la Figure 41.

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

1-(R

p/R

s)


SAM-C6Cl SAM-C6OMe

Figure 41. Spectres PM-IRRAS dans la région des carbonyles des SAM-C6Cl et SAM-C6OMe.

Une bande principale centrée à 1717 cm-1 est présente sur le spectre PM-IRRAS de la SAM-

C6OMe alors que deux bandes sont clairement identifiées pour la SAM-C6Cl. Ces observations

peuvent être également faites sur les autres SAMs-OMe. La bande observée à 1717 cm-1 pour les

SAMs-OMe correspondrait donc à celle du carbonyle de l’ester orienté perpendiculairement par rapport

à la surface pour les mêmes raisons exposées lors de l’analyse effectuée pour les SAMs-Cl.

i. Auto-association par liaisons hydrogène

Les valeurs des ∆ν (Amide I et Amide II) pour les SAMs-OMe sont rassemblées dans le

Tableau 14.

1717,0

SAM-

Amide I (cm-1) 1628,5Amide II (cm-1) 1572,0

∆ν (cm-1) 5

Tableau 14. Valeurs

Les valeurs ∆ν déterminée

celles déterminées pour les composé

Les fonctions urées sont donc engagées dans des liaisons hydrogènes au sein du film comme pour les

SAMs-Cl. La valeur ∆ν pour la SAM

(∆ν = 46,0-52,0 cm-1). Ceci est dû à la chaîne en C6

qu’une chaîne en C3, qui permet un meilleur ajustement des fonctions urée.

ii. Orientati

Les angles (α) des moments de transition du

obtenus pour les différentes SAMs

SAM-C3OMe urée

SAM-C6OMe urée

SAM-C10OMe urée

SAM-C10C3OMe urée

Figure 42. Angles d’inclinaison des moments de transition du C=O et du NH de l’urée

Comme nous l’avons observé pour

l’espaceur entre le silicium et l’urée

C=O et N-H de l’urée par rapport à la surface

iii. Orientation

Les angles () de l’axe moléculaire

d’extinction des modes (CH2) et

-C3OMe SAM-C6OMe SAM-C10OMe SAM-1628,5 1624,0 1629,0 1572,0 1578,0 1577,0

56,5 46,0 52,0

Valeurs ∆ν pour les SAMs-OMe déterminées en PM-IRRAS

éterminées pour les différentes SAMs-OMe sont sensiblement

composés siliciés correspondants en solution très dilué

engagées dans des liaisons hydrogènes au sein du film comme pour les

SAM-C3OMe (56,5 cm-1) est supérieure à celle des autres

Ceci est dû à la chaîne en C6 et C10 entre le silicium et l’urée, plus flexible

qu’une chaîne en C3, qui permet un meilleur ajustement des fonctions urée.

Orientation des carbonyles

moments de transition du C=O et du N-H de l’urée par rapport à la surface

SAMs-OMe, sont présentés dans le Figure 42.

, (°) 0,4060 0,1922 25,9

0,0645 0,0243 23,5 0,4596 0,2028 25,2

0,0709 0,0273 23,7 0,4819 0,2614 27,5

0,0712 0,0370 27,0 0,4234 0,1575 23,3

0,0678 0,0178 19,9

d’inclinaison des moments de transition du C=O et du NH de l’urée pour les différentes SAMs-OMe.

nous l’avons observé pour les SAMs-Cl, ces angles varient peu avec la longueur de

l’espaceur entre le silicium et l’urée. Toutefois, dans le cas de la SAM-C10C3OMe

par rapport à la surface semble être plus faible.

Orientation des chaînes alkyles sur le substrat

de l’axe moléculaire local C-C des SAMs-OMe calculés à partir des coefficients

) et (CH2) sont présentés dans le Tableau 15.

P a g e | 77

SAM-C10C3OMe 1628,0 1577,5

50,5

IRRAS.

t sensiblement plus faibles que

très diluée (∆ν = 133 cm-1).

engagées dans des liaisons hydrogènes au sein du film comme pour les

) est supérieure à celle des autres SAMs-OMe

entre le silicium et l’urée, plus flexible

par rapport à la surface,


es angles varient peu avec la longueur de

OMe, l’angle des liaisons

calculés à partir des coefficients

P a g e | 78

, (°) (°)

SAM-C3OMe (CH2) 0,0908 0,0908 54,7 54,7

(isotrope) (CH2) 0,1298 0,1298 54,7

SAM-C6OMe (CH2) 0,1088 0,1088 54,7 54,7

(isotrope) (CH2) 0,1625 0,1625 54,7

SAM-C10OMe (CH2) 0,1571 0,1222 58,1

50,7 (CH2) 0,2067 0,1938 55,6

SAM-C10C3OMe (CH2) 0,1099 0,0527 63,9 44,9

(CH2) 0,1355 0,1190 56,5

Tableau 15. Angle moyen (θ) des axes moléculaires locaux.

Cet angle (θ) est de 54,7° (« angle magique ») pour les SAMs-C3OMe/C6OMe. Les chaînes

alkyles semblent donc complètement désordonnées, sans orientation préférentielle. Pour la SAM-

C10OMe, l’angle obtenu (50,7°) est plus faible que cet « angle magique ». Les chaînes alkyles sont

cette fois-ci orientées. Ainsi, un segment carboné à dix carbones entre l’urée et le silicium permettrait

donc une meilleure orientation du système en établissant des interactions de Van der Waals plus fortes

entre les chaînes alkyles. De plus, pour la SAM-C10C3OMe, l’angle () des chaînes alkyles est encore

plus faible (44,9°). Ceci est dû à la présence d’un e chaîne alkyle plus courte entre l’urée et l’ester (3

carbones au lieu de 11). Pour les SAMs-OMe, la longueur des segments carbonés aurait donc une

influence sur l’orientation des chaînes alkyles, ce qui est cohérent avec les observations faites sur la

position des bandes CH2 en IR transmission.

Pour les monocouches avec une chaîne alkyle à 3 ou 6 carbones entre le silicium et l’urée, la

nature du groupement silicié a une influence sur l’orientation des chaînes alkyles. Effectivement, les

chaînes alkyles des SAMs-C3OMe/C6OMe sont désordonnées et ne présentent donc pas d’orientation

préférentielle alors que celles des SAMs-C3Cl/C6Cl seraient moins désordonnées avec un angle

moyen de ~50° pour les axes moléculaires locaux. Ce tte différence est vraisemblablement due à la

réactivité des groupements siliciés sur la surface comme l’indiquent Bierbaun et al.11 Ils ont montré que

la nature du groupement silicié joue sur l’angle d’inclinaison des chaînes alkyles. Les chaînes alkyles de

l’octadécyltrichlorosilane (OTS) sont très proches de la normale à la surface (0 ± 5°) tandis que pour

une monocouche bien ordonnée, avec le même nombre de carbones mais greffée avec un groupement

triméthoxysilicié, l’angle d’inclinaison est supérieur (20 ± 5°). Ceci serait dû à une différence de

réactivité des groupements siliciés. En effet, selon les mêmes auteurs, les trichlorosilanes forment

rapidement des oligomères en solution avec les chaînes alkyles qui sont assez proches les unes des

autres pour minimiser l’énergie via les interactions de vgan der Waals. Par contre, puisque les

triméthoxysilanes sont moins réactifs, ils réagissent individuellement avec la surface.

iv. Estimation du taux de recouvrement

Le taux de recouvrement des SAMs-OMe a été estimé à partir des aires selon la méthode

décrite dans le chapitre II. Les valeurs obtenues sont présentées dans le Tableau 16.

P a g e | 79

Région Aire sur le spectre expérimental (A1)


Rapport A1/A2

Recouvrement

SAM-C3OMe 3000 – 2800 cm-1 0,3082 0,2415* 1,28

144 % 1800 – 1500 cm-1 0,4731 0,2965 1,60

SAM-C6OMe 3000 – 2800 cm-1 0,3375 0,4063* 0,83

86 % 1800 – 1500 cm-1 0,3601 0,4020 0,90

SAM-C10OMe 3000 – 2800 cm-1 0,5350 0,5072* 1,05

106 % 1800 – 1500 cm-1 0,5561 0,5213 1,07

SAM-C10C3OMe

3000 – 2800 cm-1 0,2289 0,1710* 1,34 144 %

1800 – 1500 cm-1 0,4342 0,2821 1,54 ∗ corrigée pour correspondre au même nombre de carbone que le composé silicié.

Tableau 16. Détermination du recouvrement à partir de l’aire dans une région spectrale précise.

Le taux de recouvrement estimé pour les SAMs-C6OMe/C10OMe est cohérent avec une

monocouche. Par contre, le recouvrement calculé pour les SAMs-C3OMe/C10C3OMe est important ce

qui indique la présence d’agrégats en surface.

E. Tentatives d’hydrolyse des esters en surface

La SAM-C6Cl sur SiO2/Au a été placée dans une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium

à 0,75 M pendant une minute. L’analyse en PM-IRRAS de cette surface montre que la monocouche

et/ou le substrat ne résistent pas aux conditions permettant l’hydrolyse de l’ester en surface. La large

bande à 1237 cm-1, associée au mode Si-O, a fortement diminué sur le spectre PM-IRRAS.

Lorsque la SAM-C6Cl est placée dans une solution aqueuse à 0,5 M KOH pendant 45 minutes

l’ester n’est pas hydrolysé et aucune dégradation de la surface n’est observée en PM-IRRAS. Fryxell et

al. avaient constaté une dégradation d’une monocouche en C10 terminée également par un ester

méthylique en les plongeant dans une solution aqueuse à 0,1 M KOH pendant 1 h.24

Les autres conditions d’hydrolyse testées (AlCl3 dans l’acétonitrile,25 2 M HCl à 80°C, 26…) ont

conduit également à une dégradation de la SAM-C6Cl et/ou du substrat.

24 G. E. Fryxell, P. C. Rieke, L. L. Wood, M. H. Engelhard, R. E. Williford, G. L. Graff, A. A. Campbell, R. J. Wiacek, L. Lee, A. Halverson Langmuir 1996, 12, 5064-5075. 25 O. Gershevitz, C. N. Sukenik J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 482-483. 26 A. Arafat, M. Giesbers, M. Rosso, E. J. R. Sudhölter, K. Schroën, R. G. White, L. Yang, M. R. Linford, H. Zuilhof Langmuir 2007, 23, 6233-6244.

P a g e | 80

CONCLUSIONS

Les conditions de greffage pour les composés trichlorosiliciés (SAMs-Cl) et triméthoxysiliciés

(SAMs-OMe) ont été déterminées par spectroscopie infrarouge et par AFM. Les images AFM ont

permis de montrer qu’une monocouche homogène se formait sur la surface après des temps

d’immersion de 45 minutes pour les SAMs-Cl et de 12 h pour les SAMs-OMe. Ces greffages se forment

via la croissance d’ « îlots » comme cela a été montré dans la littérature dans le cas de monocouches

d’OTS. Les estimations du taux de recouvrement, à partir des spectres IRRAS expérimentaux et

simulés, confirment la présence d’une monocouche sur la surface.

En ce qui concerne l’organisation et l’orientation des molécules par rapport à la surface, les

conclusions sont moins nettes que dans le cas de monocouches constituées de longues chaînes

alkyles. En effet, dans le cas de chaînes purement alkyles C22 terminées par une fonction ester

méthylique, Tillman et al. ont montré que le greffage était compact et que l’orientation des chaînes

alkyles (en conformation totalement trans) était de 10 ± 2° par rapport à la normale à la su rface (Figure

43B).22 Cette organisation peut s’expliquer par la parfaite compatibilité de la distance entre deux atomes

de silicium du pont siloxane Si-O-Si reliant deux molécules greffées (3,2 Ǻ) et la distance optimale entre

deux chaînes alkyles interagissant par des interactions intermoléculaires de type Van der Waals (3,5

Ǻ).19,20

Les études réalisées par spectroscopie PM-IRRAS ont permis d’identifier les différents

groupements fonctionnels constituant les molécules greffées ainsi que de déterminer leur orientation.

Concernant les fonctions esters méthyliques, les mesures d’angle de contact avec l’eau montrent que

ces fonctions sont situées à la surface des monocouches greffées. La présence de deux bandes vers

1718 cm-1 et 1742 cm-1 pour les SAMs-Cl indique que le groupement carbonyle peut explorer différentes

conformations et par conséquent différents types d’interactions.

Nous avons montré que les liaisons C=O des groupes urées sont orientées préférentiellement

parallèle à la surface des substrats (25 à 27°), pr ivilégiant ainsi les interactions par liaisons hydrogène

entre les différentes molécules greffées. Ces liaisons hydrogène sont relativement fortes comme en

témoignent les valeurs faibles des ∆ν observées sur les spectres PM-IRRAS.

Les positions observées sur les modes d’élongation asymétrique et symétrique des groupes

CH2 indiquent la présence d’un grand nombre de défauts gauches dans les chaînes alkyles. Les

mesures d’orientation en PM-IRRAS montrent également que les chaînes alkyles sont relativement

désordonnées sur ces systèmes. Cependant, ce désordre diminue lorsque la longueur de la chaîne

alkyle entre le silicium et la fonction urée augmente. Les deux segments carbonés semblent donc

posséder des orientations différentes. La chaîne alkyle située entre le silicium et la fonction urée serait

moins désordonnée car elle présente peu de degré de liberté. Celle située entre les fonctions urée et

l’ester méthylique serait essentiellement désordonnée avec un grand nombre de défauts gauches.

La distance entre les chaînes (de l’ordre de 4,5 à 5,0 Ǻ) imposée par les liaisons hydrogène

entre les motifs urées des différentes molécules peut expliquer le désordre des chaînes alkyles. En

effet, les chaînes ne sont pas assez proches les unes des autres pour établir des interactions

intermoléculaires de type Van der Waals qui favorise la conformation totalement trans des chaînes

P a g e | 81

alkyles et une orientation des chaînes proche de la normale à la surface. Il faut également noter que la

fonction ester terminale peut engendrer une gène stérique et donc conduire au désordre des chaînes

alkyles.

Toutes ces observations nous ont permis de construire un modèle cohérent d’organisation et

d’orientation des molécules greffées qui est présenté dans la Figure 43A.

A B

O O

Si SiO HOO

N N

N NO O

H

H H

H

O

Si

N

NO

H

H

O

25-27°

O

4,5-5 Å

≤ 3,2 Å

OH

O OO

OO

O O

Si SiO OHO

O

Si O

≤ 3,2 Å

O O OMeO MeO MeO

~ 10°

HO

Figure 43. Représentation schématique de l’orientation de la monocouche étudiée dans ca chapitre (A) et de la monocouche de Tillman et al. à longue chaîne alkyle (B)

La longueur d’une liaison Si-OH est typiquement d’environ 1,6 Ǻ.27 La distance maximale entre

deux atomes de silicium du pont siloxane (Si-O-Si) reliant deux molécules est donc de 3,2 Ǻ pour un

angle de 180°. Cette valeur est plus faible que cel le du diamètre de van der Waals des carbones (3,5

Ǻ). Par conséquent, la polymérisation latérale des silanes pour former un réseau de liaisons

siloxaniques serait incompatible avec une monocouche recouvrant complètement une surface. Plus la

surface est recouverte, plus la quantité de liaison Si-O-Si diminue afin de satisfaire les contraintes

d’empilement des chaînes. Ces observations sont corroborées par l’étude infrarouge où la bande à 924

cm-1 associée aux Si-OH augmente significativement avec le recouvrement tandis que la large bande à

1100 cm-1 des Si-O-Si diminue.28 Dans le cas des monocouches étudiées dans ce chapitre, la fonction

urée qui écarte les chaînes alkyles les unes des autres favoriserait donc une polymérisation incomplète

des molécules sur la surface.

27 J. Sarnthein, A. Pasquarello, R. Car Phys. Rev. Lett. 1995, 74, 4682. 28 A. N. Parikh, B. liedberg, S. V. Atre, M. ho, D. Allara J. Phys. Chem. 1995,99, 9996.

P a g e | 82

P a g e | 83

Chapitre IV : SYNTHESE D’UNE MONOCOUCHE TERMINEE

PAR UN ESTER PHOTOLABILE POUR L’IMMOBILISATION DE MOLECULES

BIOLOGIQUES

P a g e | 84

SOMMAIRE

A. Synthèse d’un organosilane avec un ester nitrobenzy lique terminal et une fonction urée . 85

1. Protection de l’amine et formation de l’ester nitrobenzylique (étape a et b) .................................. 86

2. Déprotection de l’amine, formation de l’urée et hydrosilylation (étape c, d et e) ........................... 87

B. Etude de l’auto-association de la molécule à l’état solide et liquide ................................ ...... 88

C. Greffage et caractérisation physicochimique de surf aces modifiées chimiquement ........... 89

1. Fonctionnalisation des surfaces par un ester nitrobenzylique ....................................................... 89

a. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure de l’angle de contact .............................. 89

b. Spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge par modulation de polarisation .................... 89

c. Microscopie à force atomique (AFM).......................................................................................... 92

d. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) .................................................... 93

2. Modification chimique de l’ester nitrobenzylique terminal de la SAM-EsterNO2 ............................ 94

a. Photodéprotection de l’acide carboxylique ................................................................................. 94

b. Activation des acides carboxyliques ........................................................................................... 98

c. Immobilisation de la protéine A ................................................................................................ 102

P a g e | 85

L’hydrolyse des esters sur une surface, pour libérer les fonctions carboxyliques, est

généralement réalisée avec des solutions corrosives (acides ou basiques) qui dégradent la surface

SiO2/Au (Chapitre II). Une autre alternative, c’est l’utilisation de groupes protecteurs photolabiles tel que

les esters nitrobenzyliques. Dans la littérature, il existe peu d’exemple de monocouches avec un ester

photosensible pour l’immobilisation de molécules biologiques. Par exemple, l’irradiation UV d’esters

photosensibles permet de contrôler l’adhésion cellulaire1 et le relargage de l’avidine sur une surface.2

Dans ce chapitre, la monocouche, présentée dans la Figure 1, a été préparée. Elle est terminée

par un ester nitrobenzylique et possède une fonction urée permettant une auto-association des molécules

par des liaisons hydrogène intermoléculaires. L’influence des modifications chimiques sur l’organisation

des molécules dans la monocouche a été étudiée.

Figure 1. Monocouche étudiée dans ce chapitre.

A. Synthèse d’un organosilane avec un ester nitrobenzy lique terminal et une fonction urée

La stratégie de synthèse utilisée est présentée Figure 2.

1 J. Nakanishi, Y. Kikuchi, T. Takarada, H. Nakayama, K. Yamaguchi, M. Maeda J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 16314-16315. 2 F. Yan, L. Chen, Q. Tang, R. Wang Bioconjugate Chem. 2004, 15, 1030-1036.

P a g e | 86

11

HO2C NH2

11

HO2C NHBoc

11

NHBoc

O

O

NO2

11

NH3+ CF3CO2

-

O

O

NO2

11

HN

O

O

NO2

O

HN

8

a b

c

d

11

HN

O

O

NO2

O

HN Si(OMe)3

10e

16Rdt : 59 %

17Rdt : 46 %

18Rdt : 95 %

19Rdt : 85 %

20 Figure 2. Réactifs et conditions : a) Boc2O (1,4 éq.), t-butanol/Eau, 3/1, v/v (20 mL), pH 14, 16 h. b) alcool

nitrobenzylique (0,8 éq.), DCC (1éq.), DMAP (1 éq.), CH2Cl2. c) TFA (12 éq.), CH2Cl2, 4 h. d) isocyantodécène 3, NEt3, CH2Cl2. e) HSi(OMe)3 (5 éq.), cat. Karstedt (0,025 éq. en Pt), 65 °C, 20 h.

1. Protection de l’amine et formation de l’ester ni trobenzylique (étape a et b)

La protection de l’amine (étape a)3 par un groupe Boc est d’abord réalisée pour éviter la

formation d’une fonction amide lors de l’estérification avec l’alcool nitrobenzylique (étape b).

Le groupe o-nitrobenzyle est probablement le groupe protecteur photolabile le plus utilisé depuis

la publication des propriétés photochimiques du 6-nitrovératroyloxycarbonyle par Patchornik, Amit et

Woodward en 1970.4 A partir de l’acide 12-(tert-butoxycarbonylamino)dodécanoïque 16, l’ester o-

nitrobenzylique 17 est formé dans les conditions de Steglich avec le dicyclohexylcarbodiimide (DCC) et la

diméthylaminopyridine (DMAP).5 Le mécanisme de la réaction est présenté dans la Figure 3. La DMAP

réagit avec l’intermédiaire o-acylisourée obtenu par réaction de l’acide avec le carbodiimide (DCC) pour

former un amide réactif qui réagit très rapidement avec les alcools. La dicyclohexylurée (DCU) formée est

éliminée par simple filtration.

3 C. M. Jakobsen, S. R. Denmeade, J. T. Isaacs, A. Gady, C. E. Olsen, S. B. Christensen J. Med. Chem. 2001, 44, 4696-4703. 4 A. Patchornik, B. Amit, R. B. Woodward J. Am. Chem. Soc.1970, 92, 6333-6335. 5 B. Neises, W. Steglich Angew. Chem. Int. Ed., 1978, 17, 522-524.

P a g e | 87

Figure 3. Estérification dans les conditions de Steglich (R = -(CH2)11NHBoc, R’ = -CH2Ph pour le composé 17).

Ce même groupe ester photolabile est aussi utilisé au Laboratoire par Hakim Rahma, dans le cadre de sa

Thèse, pour l'obtention de dendrons fonctionnalisés par des acides carboxyliques.

2. Déprotection de l’amine, formation de l’urée et hydrosilylation (étape c, d et e)

La déprotection de l’amine du composé 17 est réalisée (étape c) en milieu acide par l’acide

trifluoroacétique (TFA) dans du dichlorométhane.6 L’ester nitrobenzylique est stable en condition acide.

Le produit est obtenu sous la forme d’un sel de trifluoroacétate d’ammonium (18). L’excès d’acide

trifluoroacétique a été facilement éliminé par évaporation sous pression réduite (Eb760 = 72,4 °C).

Le couplage (étape d) avec l’isocyanatodécène 3 dont la synthèse a déjà été décrite dans le

chapitre III conduit à l’urée insaturée 19. L’hydrosilylation de 19 (étape e) a été réalisée avec du

triméthoxysilane (5 éq.) en présence du catalyseur de Karstedt (0,025 éq. en Pt) pendant 20 h à 60 °C.

Sur le spectre RMN 13C, présenté en Figure 4, la disparition des carbones éthyléniques à 139,0 ppm et à

114,1 ppm (notés ∗) ainsi que l’apparition de deux nouveaux pics à 22,6 ppm et 9,0 ppm (notés ••••)

confirment la formation du composé silicié 20. Le pic à 9,0 ppm correspond au CH2 lié au silicium tandis

que le pic à 50,5 ppm est attribué aux CH3 des groupes méthoxyles liés au silicium.

Figure 4. RMN 13C du composé insaturé 19 et du composé silicié 20.

6 T. W. Greene, P. G. M. Wuts dans Protective Groups in Organic Synthesis, 3rd ed. ; John Wiley & Sons, Inc., 1999 ; p.520.

102030405060708090100110120130140150160170180190

(ppm)

∗ ∗ •

•



P a g e | 88

B. Etude de l’auto-association de la molécule à l’é tat solide et liquide

Les spectres IR du composé insaturé 19 à l’état solide (ATR) et en milieu très dilué (5.10-3 M

dans du chloroforme) sont présentés en Figure 5.

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

Abs

orba

nce


en milieu dilué à l'état solide

A

3050 3000 2950 2900 2850 2800

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

en milieu dilué à l'état solide

Abs

orba

nce


B

Figure 5. Spectres du composé insaturé 19 à l’état solide (ATR) et en milieu très dilué (5 mM).

A) Région des carbonyles, B) Région des CH2.

Les nombres d’onde des bandes associées à l’urée (Amide I et Amide II) et aux CH2 sont

présentés dans le Tableau 1.

Tableau 1. Nombres d’onde des bandes associées à l’urée et aux modes (CH2) et (CH2).

Dans la région des carbonyles

En solution très diluée, la valeur ∆v (Amide I – Amide II) est caractéristique de celle du groupe

urée libre (133 cm-1).7 Pour le composé insaturé 19 à l’état solide, la valeur ∆v est de 41 cm-1 ce qui

indique une association par liaisons hydrogène intermoléculaires.

Dans la région des CH 2

En milieu très dilué, les modes d’élongation des CH2 situés à 2930 cm-1 () et à 2957 cm-1 ()

indiquent que les chaînes alkyles sont désordonnées. Elles s’organisent à l’état solide puisque les

bandes associées aux modes des CH2 se déplacent vers les plus faibles nombres d’onde. Toutefois, la

bande (2922 cm-1) est plus haute en fréquence comparé à une chaîne purement alkyle (2920 cm-1).8

Ce désordre plus important des chaines alkyles peut s’expliquer par la présence de la fonction urée qui

entraine un encombrement stérique et écarte les chaînes alkyles les unes des autres (Chapitre III).

7 J. J. E. Moreau, L. Vellutini, M. Wong Chi Man, C. Bied, J.-L. Bantignies, P. Dieudonné, J.-L. Sauvajol J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 7957–7958. 8 R. G. Snyder, H. L. Strauss, C. A. Elliger J. Phys. Chem. 1982, 86, 5145-5150.

Composé 19 à l’état solide

Composé 19 en milieu diluée

A Amide I (cm-1) 1616,0 1663,5 Amide II (cm-1) 1576,0 1530,5 ∆v (cm-1) 41,0 133,0

B (cm-1) 2922,0 2930,0 (cm-1) 2850,5 2857,0

(CH2)

(CH2)

C=O Ester

Amide I Amide II

NO2

P a g e | 89

C. Greffage et caractérisation physicochimique de s urfaces modifiées chimiquement

Les surfaces ont été greffées suivant les conditions établies dans la chapitre II (2,5.10-4 M, 10%

TCA, 12 h, 18 °C). Trois supports de natures différ entes ont été utilisés dans ce chapitre : des lames de

microscope pour la Spectroscopie infrarouge en transmission, des surfaces SiO2/Au pour la

Spectroscopie PM-IRRAS et AFM et des wafers de silicium pour l’identification des nanoparticules d’or

par AFM. La monocouche terminée par un ester nitrobenzylique sera notée : SAM-EsterNO2.

1. Fonctionnalisation des surfaces par un ester nit robenzylique

a. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure de l’angle de contact

Les bandes de vibrations des CH2 sont hautes en nombres d’onde (as = 2926,5 cm-1, s= 2854,5

cm-1) ce qui indique la présence de défauts gauche et donc un désordre des chaînes alkyles. Toutefois

ces bandes ne sont pas aussi hautes en nombres d’onde que celles obtenues en milieu très dilué (as =

2930,0 cm-1, s= 2857,0 cm-1). Les interactions de Van der Waals sont donc faibles au sein du film.

3000 2980 2960 2940 2920 2900 2880 2860 2840 2820 2800-0,0001

0,0000

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0,0006

0,0007

0,0008

Abs

orba

nce

Nombre d'onde (cm-1) Figure 6. Spectre IR en transmission de la SAM-EsterNO2.

L’angle de contact avec l’eau est de 71 ± 2° ce qui est en bon accord avec la valeur obtenue pour

une monocouche d’alcanethiol terminée par un ester nitrobenzylique (72 ± 2°). 9

b. Spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge par modulation de polarisation

Sur le spectre PM-IRRAS, présenté en Figure 7, la présence des bandes caractéristiques de

l’urée (Amide I à 1624,0 cm-1 et Amide II à 1577,0 cm-1), de celle du carbonyle de l’ester (à 1717,0 cm-1)

et du mode d’élongation asymétrique du groupe NO2 (à 1538,0 cm-1)9 confirment la présence de la

molécule sur le substrat. La bande associée au mode d’élongation symétrique du NO2 aromatique serait

située entre 1318-1357 cm-1 mais celle-ci est confondue avec d’autres vibrations.10

9 P. F. Driscoll, E. Milkani, C. R. Lambert, W. G. McGimpsey Langmuir 2010, 26, 3731–3738. 10 D. Lin-Vien, N. B. Colthup, W. G. Fateley, J. G. Grasselli dans The handbook of infrared and raman characteristic frequencies of organic molecules ; Academic press, inc : San Diego,1991.

(CH2) 2926,5

(CH2) 2854,5

P a g e | 90

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

1-(R

p/R

s)


Figure 7. Spectre PM-IRRAS de la SAM-EsterNO2 dans la région des carbonyles.

La bande associée au mode d’élongation du carbonyle de l’ester est en majorité centrée à 1717

cm-1 avec un épaulement vers 1740 cm-1. Ce carbonyle serait plutôt orienté vers l’extérieur de la

monocouche.

Présence de liaisons hydrogène intermoléculaires

La valeur ∆v (Amide I – Amide II) déterminée sur le spectre PM-IRRAS est de 47 cm-1. Cette

valeur est beaucoup plus faible que celle obtenue en solution très diluée (133 cm-1) pour des groupes

urées libres mais est proche de la valeur à l’état solide (41 cm-1). Les liaisons hydrogène

intermoléculaires sont donc fortes au sein du film. Puisque les interactions de Van der Waals sont faibles,

l’assemblage des molécules sur la surface se fait donc essentiellement par l’établissement de liaisons

hydrogène intermoléculaires.


La comparaison des intensités relatives Amide I et Amide II entre les spectres isotropes et

anisotropes (simulés à partir des constantes optiques) permet de remonter à l’orientation du carbonyle de

l’urée par rapport à la normale au substrat.

NO2 1538,0

Amide II 1577,0

Amide I 1624,0

C=O Ester 1717,0

1800

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

1-(R

p/R

s)

Figure 8. Spectre

La bande Amide I est plus faible

De plus, la bande Amide II est légère

observations, le carbonyle de l’urée serait

A partir des coefficients diélectr

de l’équation (23) présentée dans le chapitre II, l’angle d’inclinaison

rapport à la normale à la surface

meilleure analyse des données. Celui

rapport à la parallèle à la surface.

urée 0,3339 0,0528

ester 0,1063

Tableau 2. Détermination de l’angle d’inclinaison des C=O et N

D’après le Tableau 2, le carbonyle de l’urée est incliné d’

compatible avec l’établissement de liaisons hydrogène intermoléculaires, est le même que celui

déterminé pour une monocouche terminée par des esters méthyliques (Chapitre I

Le carbonyle de l’ester est

avec un groupe ester orienté vers l’extérieur de la couche.

Orientation moyenne des chaînes alkyles

Les deux moments de transition de chaque CH

avec l’axe moyen des chaînes alkyles.

1750 1700 1650 1600 1550 1500


Spectre expérimental Spectre isotrope Spectre anisotrope

Spectres simulés isotrope et anisotrope et spectre expérimental.

La bande Amide I est plus faible en intensité sur le modèle anisotrope que sur le

De plus, la bande Amide II est légèrement plus intense sur le modèle anisotrope. D’après ces

carbonyle de l’urée serait donc plutôt orienté parallèle à la surface.

coefficients diélectriques associés aux modes d’élongation C=O et N

présentée dans le chapitre II, l’angle d’inclinaison (γ) des moments de transition par

rapport à la normale à la surface a pu être estimé. Le calcul de l’angle complémentaire

des données. Celui-ci correspond donc à l’angle que fait un moment de transition par

rapport à la parallèle à la surface.

, (°) (°) 0,3339 0,1832 62,4 27,6 0,0528 0,0204 66,3 23,7 0,1063 0,0732 59,6 30,4

Détermination de l’angle d’inclinaison (α) moyen des moments de transitiondes C=O et N-H de l’urée et celui de la C=O de l’ester.

e carbonyle de l’urée est incliné d’un angle moyen


onocouche terminée par des esters méthyliques (Chapitre I

Le carbonyle de l’ester est, quant à lui, incliné d’un angle moyen (α) de 30°

avec un groupe ester orienté vers l’extérieur de la couche.

moyenne des chaînes alkyles

Les deux moments de transition de chaque CH2 sont orthogonaux entre eux et le

avec l’axe moyen des chaînes alkyles. Les coefficients d’extinction des bandes associées aux

Amide I

Amide II

NO2

C=O Ester

P a g e | 91

1500

pe et anisotrope et spectre expérimental.

anisotrope que sur le modèle isotrope.

anisotrope. D’après ces

parallèle à la surface.

s aux modes d’élongation C=O et N-H de l’urée et

des moments de transition par

l’angle complémentaire (α) permet une

moment de transition par

moyen des moments de transition

angle moyen (α) de 28°. Cet angle,


onocouche terminée par des esters méthyliques (Chapitre III).

de 30° ce qui est compatible

sont orthogonaux entre eux et le sont également

associées aux modes des

P a g e | 92

CH2 permettent de remonter aux angles (γ) que font ces moments de transition par rapport à la normale à

la surface (Tableau 3). L’angle des chaînes alkyles (θ), déterminé à partir des angles γ, est une moyenne

des angles des différents axes moléculaires locaux (Axe C-C) par rapport à la normale à la surface. En

effet, de part la présence de la fonction urée qui est encombrante au sein du film, les deux segments

chaînes alkyles sont désorganisés et présentent des défauts « gauches ». Il est donc impossible de les

représenter par un axe moléculaire unique.

, (°) (°) (CH2) 0,1216 0,0967 57,8

50,7° (CH2) 0,1751 0,1606 55,9

C

H2C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

vs

vas

vs

vas

Axe C-C

Axe C-C

Tableau 3. Détermination de l’angle moyen (θ) des chaînes alkyles

par rapport à la normale à la surface

L’angle moyen d’inclinaison des axes moléculaires locaux a été estimé à ~ 51° par rapport à la

normale à la surface. Cet angle (élevé) tend à confirmer que les chaînes alkyles sont désordonnées.

c. Microscopie à force atomique (AFM)

La surface SiO2/Au modifiée par la SAM-EsterNO2 a été caractérisée en AFM avec une pointe en

silicium (PPP-NCL, Nanosensors) de raideur 48 N/m et de rayon de courbure 6 nm. Le levier a une

longueur de 225 µm et la fréquence de résonance est de 190 kHz. Les images d’amplitude de la surface

initiale (SiO2/Au) et de la SAM-EsterNO2 sont données en Figure 9. La surface SiO2/Au présente une

structure plus fine que celle de la SAM-EsterNO2. Ceci confirme le greffage des molécules sur le substrat.

Surface SiO2/Au SAM-EsterNO2

Figure 9. Images d’amplitude (0,5 x 0,5 µm²) de la surface SiO2/Au et de la SAM-EsterNO2.

Les images de hauteur et d’amplitude, présentées en Figure 10, sont assez homogènes sans

anomalie particulière. La rugosité de la surface (Rms) est de 3,10 nm, valeur supérieure à celle de la

surface initiale (0,90 nm). Ceci est dû à la présence de quelques agrégats en surface dont le diamètre

moyen est de 80 nm et de hauteur 20 nm.

P a g e | 93

Topographie Amplitude

Figure 10. Images de hauteur et d’amplitude (4 x 4 µm²) de la SAM-EsterNO2.

d. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS)

L’analyse du spectre C (1s) de la SAM-EsterNO2, présenté en Figure 11, permet l’attribution des

différentes liaisons chimiques. La bande majoritaire centrée à 284,8 eV (2) est due à des liaisons C-C, C-

H. Celle à 285,7 eV (3) est caractéristique d’un carbone lié à un carbonyle (C*-CO) et du carbone du

cycle phényle lié au groupe NO2.11,12 La bande à 286,8 eV (4) est due à un carbone lié à un azote (C-N)

et à un carbone lié à l’oxygène (C-O). La bande à 289,5 eV (7) est attribuée au carbone de l’ester et à

celui de l’urée. Cette valeur est en bon accord avec celle obtenue pour une urée (289,1 eV) par Coffinier

et al.13 De plus, l’XPS révèle la présence d’azote (1,6 %) sur la SAM-EsterNO2 ce qui n’était pas le cas

pour la surface initiale. Ceci confirme donc la présence de la molécule sur le substrat.

Par contre, les bandes à 287,8 eV (5) et à 288,5 eV (6) seraient dues à une contamination

atmosphérique de l’échantillon et à la présence d’acide trichloroacétique résiduel.

291 290 289 288 287 286 285 284 283 282

4Com

ptes

/s

Energie de liaisons (eV)

1

2

3

567

n° Energie de liaison Attribuée à 1 283,9 eV (C-Si)-O, Csp2

2 284,8 eV C-C, C-H 3 285,7 eV C*-CO, C-NO2 4 286,8 eV C-N, C-O 5 287,8 eV C=O 6 288,5 eV C(=O)OH 7 289,5 eV N-C(=O)-N, C(=O)OR

Figure 11. Spectre XPS C(1s) de la SAM-EsterNO2 avec déconvolution.

11 J. Zhou, D. A. Beattie, R. Sedev, J. Raison Langmuir 2007, 23, 9170-9177. 12 D. Briggs Surface analysis of polymers by XPS and static SIMS ; Cambridge University Press, 1998. 13 Y. Coffinier, C. Olivier, A. Perzyna, B. Grandidier, X. Wallart, J. – O. Durand, O. Melnyk, D. Stiévenard Langmuir 2005, 21, 1489-1496.

P a g e | 94

2. Modification chimique de l’ester nitrobenzylique terminal de la SAM-EsterNO 2

Les surfaces modifiées par un ester nitrobenzylique ont été irradiées sous UV (λ = 365 nm) pour

libérer les fonctions acide carboxylique qui, ensuite, ont été transformées en esters activés en présence

d’EDC et NHS à pH neutre. Finalement, les nanoparticules d’or, d’un diamètre moyen de 15 nm,

recouvertes de protéines A ont été immobilisées sur les surfaces par couplage peptidique (Figure 12).

Figure 12. Schéma récapitulatif des différentes modifications de surface.

a. Photodéprotection de l’acide carboxylique

La photocoupure, qui libère deux fragments après excitation du chromophore, est le résultat d’un

photoréarrangement de l’o-nitrobenzyle en o-nitrosobenzaldéhyde. Selon Patchornik14, le mécanisme

(Figure 13) repose sur l’arrachement d’un hydrogène benzylique par le groupe nitro suivi d’un

réarrangement intramoléculaire rapide en o-nitrosobenzaldéhyde et libération de l’acide carboxylique

(réaction Norrish II).

14 A. Patchornik, B. Amit, R. B. Woodward J. Am. Chem. Soc. 1970, 92, 6333-6335.

P a g e | 95

Figure 13. Mécanisme de photodéprotection d’un composé o-nitrobenzyle selon Patchornik14.

Le temps d’irradiation optimum a été déterminé par spectroscopie PM-IRRAS. Les lames sont

irradiées pendant 30 minutes par une lampe UV (λ = 365 nm) à travers une plaque de Pyrex® qui permet

de laisser passer uniquement les longueurs d’onde supérieures à 300 nm.15 Dans ces conditions, la

monocouche n’est pas dégradée.

i. Spectroscopie infrarouge en transmission

Les spectres dans la région des groupes CH2, avant et après photodéprotection sont présentés

dans la Figure 14.

3000 2980 2960 2940 2920 2900 2880 2860 2840 2820 2800

0,0000

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0,0006

0,0007

0,0008

2854,5

SAM-CO2H

SAM-EsterNO2

Abs

orba

nce


2926,5

Figure 14. Spectres IR en transmission des SAM-EsterNO2 et SAM-CO2H.

15 K. Yamaguchi, H. Nakayama, T. Futami, T. Shimizu J. Photopolym. Sci. Technol. 2008, 21, 519-524.

P a g e | 96

Les bandes associées aux modes des CH2 ne varient pas en nombre d’onde après

photodéprotection. Lenfant et al. ont fait la même observation après l’oxydation de fonctions vinyliques en

acides carboxyliques pour des monocouches réalisées sur SiO2.16

Après irradiation UV, la surface devient plus hydrophile puisque l’angle de contact avec

l’eau passe de 71° à 55° (± 2°). Cette valeur est p roche de celle obtenue, dans la littérature, après la

photodéprotection des acides carboxyliques d’une monocouche sur SiO2 (57°). 17

ii. Spectroscopie réflexion-absorption par modulation de polarisation

Sur le spectre PM-IRRAS (Figure 15A), l’absence de la bande à 1535 cm-1 caractéristique du

mode d’élongation asymétrique du groupe NO2 montre que la photodéprotection a été réalisée avec

succès. Par contre, la bande à 1715 cm-1 est peu modifiée après irradiation UV ce qui semble indiquer

que la bande de l’acide coïnciderait avec celle de l’ester.

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

SAM-EsterNO2 SAM-CO2H

1-(R

p/R

s)


A

3050 3000 2950 2900 2850 2800 2750

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

1-(R

p/R

s)


B SAM-EsterNO2 SAM-CO2H

Figure 15. Spectre PM-IRRAS de la SAM-EsterNO2 et de la SAM-CO2H. A) Région des carbonyles, B) Région des CH2.

L’intensité des bandes Amide I et Amide II, comme celles des bandes CH2, ne varient pas après

irradiation UV. La monocouche n’est donc pas endommagée et l’organisation des CH2 dans la

monocouche n’a pas été affectée par la déprotection des acides carboxyliques (Figure 15B).

iii. Microscopie à force atomique

La SAM-CO2H a été caractérisée par AFM dans les mêmes conditions que celle de la SAM-

EsterNO2. Les images de hauteur et d’amplitude de la SAM-CO2H, présentée en Figure 16, sont

homogènes sans anomalie particulière. L’image d’amplitude permet de faire ressortir les détails de la

surface. La rugosité (Rms) de la surface, qui est de 3,20 nm, est proche de celle de la SAM-NO2. La

valeur pic-vallée qui est de 2,30 nm sur cette surface est légèrement supérieure à celle observée pour la

SAM-EsterNO2 (1,82 nm). Comme la spectroscopie infrarouge, l’AFM montre que la surface n’a pas été

dégradée par l’irradiation UV lors de l’étape de déprotection.

16 S. Lenfant, D. Guérin, F. Tran Van, C. Chevrot, S. Palacin, J. P. Bourgoin, O. Bouloussa, F. Rondelez, D. Vuillaume J. Phys. Chem. B 2006, 110, 13947-13958. 17 E. Besson, A. – M. Gue, J. Sudor, H. Korri-Youssoufi, N. Jaffrezic, J. Tardy Langmuir 2006, 22, 8346-8352.

Amide I Amide II

NO2 C=O Ester

P a g e | 97

Hauteur Amplitude

Figure 16. Image de hauteur et d’amplitude (4 x 4 µm²) de la SAM-CO2H.

iv. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS)

Les spectres C (1s) des surfaces avant et après déprotection sont présentés en Figure 17. Après

déprotection (SAM-CO2H), la bande (7) à 289,6 eV, caractéristique du carbone de l’ester et de l’urée a

quasiment disparu tandis que celle (6) à 288,6 eV est plus intense. Cette dernière valeur, caractéristique

de la fonction acide carboxylique, est cohérente avec celle trouvée par Touahir et al.18

18 L. Touahir, J. Niedziόłka, E. Galopin, R. Boukherroub, A. C. Gouzet-Laemmel, I. Solomon, M. Petukhov, J. - N. Chazalviel, F. Ozanam, S. Szunerits Langmuir, 2010, 26, 6058–6065.

P a g e | 98

SAM-EsterNO2 SAM-CO2H

291 290 289 288 287 286 285 284 283 282

4Com

ptes

/s

Energie de liaisons (eV)

1

2

3

567

291 290 289 288 287 286 285 284 283 282

Com

ptes

/s


4

1

2

3

567


2 284,8 eV C-C, C-H 3 285,7 eV C*-CO, C-NO2 4 286,8 eV C-N, C-O 5 287,6 eV C=O 6 288,6 eV C(=O)OH 7 289,6 eV N-C(=O)-N, C(=O)OR

Figure 17. Spectres C (1s) des SAM-EsterNO2 et SAM-CO2H avec attribution des bandes.

Les rapports des pourcentages atomiques des deux bandes caractéristiques du carbone de

l’ester (C(=O)OR, 7) et de l’acide (C(=O)OH, 6) par rapport à celle de la C-C (2) permettent de mettre

plus facilement en évidence la modification chimique observée sur les spectres C (1s). La bande 7 est

également représentative du carbone de l’urée. Comme l’indique le Tableau 4, le rapport C(=O)OR (7) /

C-C (2) diminue après irradiation UV de la surface alors que celui C(=O)OH (6) / C-C (2) augmente. Ces

résultats sont cohérents avec l’apparition de groupes acides carboxyliques en surface.

SAM-EsterNO2 SAM-CO2H C(=O)OR (7) / C-C (2) 0,069 0,017 C(=O)OH (6) / C-C (2) 0,038 0,063

Tableau 4. Rapports des pourcentages atomiques CO2R ou CO2H / C-C

pour les SAM-EsterNO2 et SAM-CO2H.

b. Activation des acides carboxyliques

Les acides carboxyliques ont été activés avec une solution aqueuse d’EDC et NHS. L’ester de N-

hydroxysuccinimide s’hydrolyse très facilement que ce soit en solution ou sur une surface. Cette

hydrolyse est d’autant plus rapide que le pH est élevé.19 Cette étape d’activation est réalisée avant de

coupler une amine ou une molécule biologique par ses fonctions amines libres des résidus lysines. La

monocouche terminée par des esters activés sera notée par la suite : SAM-NHS.

19 M. R. Lockett, M. F. Phillips, J. L. Jarecki, D. Peelen, L. M. Smith Langmuir , 2008, 24, 69-75.

P a g e | 99

i. Spectroscopie PM-IRRAS

Le spectre PM-IRRAS après activation montre l’apparition de trois nouvelles bandes de vibration

à 1810, 1785, 1730 cm-1 caractéristiques de l’ester activé (Figure 18).

1850 1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

SAM-NHS SAM-CO2H

1-(R

p/R

s)


1730 1715

17851810

Figure 18. Spectres PM-IRRAS des SAM-CO2H et SAM-NHS.

Ces trois bandes sont plus basses en nombres d’onde que celles décrites dans la littérature

(1817, 1788 et 1745 cm-1)20 et cela peut s’expliquer par des interactions par liaisons hydrogène.

L’attribution exacte de ces trois bandes est toutefois controversée. Le plus souvent, les bandes à

1745 et 1788 cm-1 ont été attribués respectivement aux modes d’élongation asymétrique et symétrique

des carbonyles du cycle par analogie avec des composés succinimides.21 La troisième bande à haute

fréquence (1817 cm-1) serait celle du carbonyle de l’ester de N-hydroxysuccinimide. Autre interprétation

plausible est que la bande à 1817 cm-1 soit celle du mode symétrique des carbonyles du cycle NHS.22 En

effet, ce mode présente une faible activité infrarouge et une fréquence plus grande que celle d’un

carbonyle d’un ester. Les deux autres modes (à 1788 et 1745 cm-1) peuvent résulter d’un couplage entre

le mode d’élongation asymétrique des carbonyles du cycle et le mode d’élongation du carbonyle de

l’ester.

Quoi qu’il en soit, les trois bandes sont associées au groupe NHS et leurs présences sur le spectre

confirment l’activation des acides carboxyliques. D’après le spectre PM-IRRAS présenté dans la Figure

18, il resterait des acides carboxyliques non accessibles (1715 cm-1).

Après activation des acides carboxyliques, le rapport des intensités relatives Amide I et Amide II

est différent. La bande Amide I est plus intense alors que la bande Amide II est plus faible en intensité.

D’après la règle de sélection, le carbonyle de l’urée serait moins parallèle à la surface. Toutefois,

l’évolution de la bande Amide I pourrait aussi s’expliquer par la présence d’eau dans la monocouche dont

le mode de déformation coïnciderait avec le mode Amide I (1640 cm-1).

20 M. Yang, R. L. M. Teeuwen, M. Giesbers, J. Baggerman, A. Arafat, F. A. de Wolf, J. C. M. van Hest, H. Zuilhof Langmuir 2008, 24, 7931-7938. 21 B. L. Frey, R. M. Corn Anal. Chem. 1996, 68, 3187-3193. 22 A. Moraillon, A. C. Gouget-Laemmel, F. Ozanam, J.-N. Chazalviel J. Phys. Chem. C 2008, 112, 7158-7167

P a g e | 100

L’angle de contact avec l’eau passe de 55° à 63° ce qui est compatible avec la formation d’un

ester activé.23

ii. Microscopie à épifluorescence

Afin de vérifier l’accessibilité et la réactivité des esters activés, une sonde fluorescente aminée, la

dansylcadaverine (λexc.= 335 nm, λémis.= 508 nm), a été accrochée sur la surface modifiée par réaction

nucléophile des amines et ouverture du cycle oxirane (Figure 19). Les fluorophores dansyles ont un

rendement quantique de fluorescence suffisamment élevé pour que le transfert de l’énergie d’excitation

puisse être facilement détecté. C’est pour cette raison qu’ils sont largement utilisés pour étudier les

structures de macromolécules biologiques.24 Les lames de microscope modifiées par la SAM-NHS ont

été étudiées en microscopie à épifluorescence.

Figure 19. Accrochage de la dansylcadaverine sur la SAM-NHS.

Cette figure n’est pas représentative de l’orientation de l’urée et des chaînes alkyles.

Comme le montre la Figure 20, la SAM-NHS présente une faible fluorescence en l’absence de la

dansylcadaverine. Une fois que le fluorophore est immobilisé sur la surface, l’intensité de fluorescence

détectée est beaucoup plus importante. Ainsi, les mesures de fluorescence montrent de manière

qualitative l’accessibilité et la réactivité des groupes esters activés sur la surface. 23 M. Yang, . L. M. Teeuwen, M. Giesbers, J. Baggerman, A. Arafat, F. A. de Wolf, J. C. M. van Hest, H. Zuilhof Langmuir 2008, 24, 7931-7938. 24 F. Lu, Y. Fang,G. J. Blanchard Langmuir 2008, 24, 8752-8759.

P a g e | 101

Les différentes mesures réalisées sur la lame indiquent que le fluorophore est réparti de manière

homogène sur l’ensemble de la lame et que cette surface (SAM-NHS) peut être utilisée pour

l’immobilisation de la protéine A.

0

100

200

300

400

500

600

SAM-NHS

SAM-NHS + dansylcadaverine

Inte

nsité

(u.

a.)

Figure 20. Intensités moyennes de fluorescence de la SAM-NHS modifiée par la dansylcadaverine.

iii. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X

Le spectre XPS C (1s) de la SAM-NHS est présenté dans la Figure 21. La bande 2 à 284,8 eV

est facilement attribuée aux carbones d’une chaîne hydrocarbonée aliphatique. Les deux composantes

attribuées à l’ester de N-hydroxysuccinimide ont pour énergie de liaison :

(i) 286,6 eV pour les carbones en α des carbonyles (4).

(ii) 289,6 eV pour les trois carbonyles de l’ester activé (7).

291 290 289 288 287 286 285 284 283 282

1

Com

ptes

/s


2

3

4

567

n° Energie de liaison Attribuée à 1 283,9 eV (C-Si)-O 2 284,8 eV C-C, C-H 3 285,6 eV C*-CO (acide) 4 286,6 eV C-N, C*-CO (NHS) 5 287,6 eV C=O 6 288,8 eV C(=O)OH 7 289,6 eV N-C(O)-N, C=O (NHS)

Figure 21. Spectre XPS C (1s) de la SAM-NHS avec déconvolution.

Des monocouches activées par un ester de N-hydroxysuccinimide avaient déjà été étudiées par

Yang et al.25 en XPS. Ils avaient ainsi déterminé les énergies de liaisons des différentes contributions du

spectre C (1s) à partir des spectres expérimentaux et des calculs des niveaux d’énergies des orbitales de

25 M. Yang, D. Wouters, M. Giesbers, U. S. Schubert, H. Zuilhof ACS Nano, 2009, 3, 2887-2900

P a g e | 102

cœur en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Les valeurs obtenues par Yang et al.

sont en accord avec celles déterminées ici.

Les rapports atomiques des deux bandes C*-CO (4) et C=O (7) par rapport à la bande C-C (1)

sont présentés dans le Tableau 5 pour les SAM-NHS et SAM-CO2H.

Tableau 5. Rapport entre les pourcentages relatifs C-C (1)

et ceux des deux bandes C*-CO (4) et C=O (7) du groupe NHS.

Les valeurs obtenues sont supérieures à celle de la SAM-CO2H ce qui confirme l’activation des acides

carboxyliques.

La quantité d’azote détectée par XPS est plus importante sur la SAM-NHS (3,2%) que sur la

SAM-CO2H (1,5 %) (Figure 22). De plus, une nouvelle bande à 402,4 eV apparait sur le spectre N (1s) de

la SAM-NHS ; elle a été attribuée à l’azote du groupe N-hydroxysuccinimide.25

406 405 404 403 402 401 400 399 398 397 396 395

Com

ptes

/s


Figure 22. Spectres XPS N(1s) des SAM-CO2H et SAM-NHS.

Ces observations confirment également l’activation des acides carboxyliques sur le substrat.

c. Immobilisation de la protéine A

La protéine A est une protéine membranaire de 42 kDa initialement trouvée dans les parois des

bactéries pathogènes Staphylococcus aureus qui sont responsables d’intoxications alimentaires, voire de

septicémies.26 Cette protéine se fixe aux immunoglobulines de types G (IgG) de plusieurs espèces

animales. En biochimie, elle est fixée sur un support solide pour épurer les IgG d’un mélange cellulaire

complexe (comme le sérum) ou couplée à un marqueur fluorescent pour détecter la présence des

26 H. Hjelm, J. Sjodahl, J. Sjoguist Eur. J. Biochem. 1975, 57, 395-403.

SAM-CO2H SAM-NHS C*-CO (NHS) / C-C 0,206 0,320 C=O (NHS) / C-C 0,017 0,037

402,4 eV

400,2 eV

SAM-CO2H

SAM-NHS

P a g e | 103

anticorps.27 Cette protéine se lie spécifiquement au fragment Fc (cristallisable) des anticorps. Ainsi, elle

permet d’immobiliser de manière non covalente des anticorps qui ont leur partie spécifique orientée en

surface et donc accessibles pour l'interaction anticorps-antigène.

Des nanoparticules d’or colloïdal (15 nm), recouvertes de protéines A (fournisseur : TébuBio),

nous ont servi de modèle d’étude pour l’accrochage de molécules biologiques sur les substrats et en

particulier pour une détection par AFM. Les surfaces activées ont été immergées dans une solution

aqueuse (PBS, tampon phosphate salin) ajustée à un pH = 8 contenant ces nanoparticules d’or pendant

2 h à 37°C. Ces surfaces ont été ensuite lavées abo ndamment à l’eau MilliQ afin d’éliminer les sels puis

aux ultrasons dans de l’eau MilliQ pendant 3-5minutes pour enlever les particules physisorbées. La

monocouche avec la protéine A sera notée par la suite : SAM-PA.

i. Spectroscopie de réflexion-absorption par modulation de polarisation

Les bandes Amide I et Amide II sont beaucoup plus intenses pour la SAM-PA que pour la SAM-

NHS (Figure 23A). Ceci est en bon accord avec la présence de nombreuses liaisons peptidiques et donc,

d’une molécule biologique sur la surface. De plus, l’apparition de nouvelles bandes (Figure 23B) à

2960 cm-1 et à 2875 cm-1 qui sont caractéristiques des modes d’élongation asymétrique et symétrique du

groupe CH3 confirme également la présence de la protéine A. En effet, la structure primaire de la protéine

A est constituée, entre autres, d’acides aminés (leucine, isoleucine, méthionine et valine) possédant un

ou deux groupes CH3.28

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

0,009

0,010

SAM-PA SAM-NHS

1-(R

p/R

s)


A

3050 3000 2950 2900 2850 2800

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004 SAM-PA SAM-NHS

1-(R

p/R

s)


BB

Figure 23. Spectres PM-IRRAS de la SAM-PA et de la SAM-NHS.

A) Région des carbonyles, B) Région des CH.

La bande à 1730 cm-1, caractéristique de l’ester NHS, a complètement disparu sur le spectre PM-

IRRAS. Ceci indique que tous les esters NHS présents sur la surface ont réagi avec les amines des

résidus lysines de la protéine A.

27 Agamemnon et al. ; Co-immunopurification of multiprotein complexes containing RNA-degrading enzymes, Chapt. 4 ; dans Methods in enzymology, vol. 447, RNA Turnover in Prokaryotes, Archae and Organelles ; L. E. Maquat, C. M. Arraiano, Eds. ; Elsevier : San Diego, 2008 ; p. 66-80. 28 M. Uhlen, B. Guss, B. Nilsson, S. Gatenbeck, L. Philipson, M. Lindberg J. Biol. Chem. 1984, 259, 1695-1702.

(CH3)

(CH3)

Amide I

Amide II

1730

P a g e | 104

ii. Microscopie à force atomique (AFM)

Les SAM-PA ont été caractérisées par AFM avec une pointe « Super Sharp » (SSS-NCL,

Nanosensors) d’un rayon de courbure de 2 nm. Les autres caractéristiques de la pointe sont une raideur

de 48 N/m et une fréquence de résonance de 185 kHz. Les images AFM de la SAM-PA sont présentées

dans la Figure 24. Les substrats utilisés sont des wafers de silicium.

Hauteur Amplitude Phase

Figure 24. Images AFM (0,5 x 0,5 µm²) en mode contact intermittent de la SAM-PA.

Le contraste de phase, utilisé en mode contact intermittent, permet de détecter une différence de

composition chimique. Le contraste est lié au déphasage entre l’oscillation de la pointe et celui du

piézoélectrique qui l’entraine. Ce déphasage peut être modifié quand la pointe rencontre des zones de

propriétés de surface différentes. Le contraste procure ainsi des informations sur les propriétés

d’élasticité et d’adhésion de la surface. Chen et al. ont montré expérimentalement que le contraste

observé dans les images de phase dépend fortement des interactions attractives ou répulsives entre la

pointe et l’échantillon.29 Le déphasage est positif quand les forces sont répulsives et négatif pour des

forces attractives.30,31

Les images de hauteur et d’amplitude montrent la présence de « billes » (flèches n°1 et n°2, par

exemple) dispersées sur toute la surface. L’image de phase indique que ces billes et la surface modifiée

par la SAM sont de natures chimiques différentes. Le profil de phase, présenté dans la Figure 25, a

permis de déterminer la taille des billes. Leurs diamètres seraient compris entre 13 nm et 17 nm ce qui

est compatible avec la présence de nanoparticules d’or et donc de la protéine A sur le substrat.

29 X. Chen, C. J. Roberts, J. Zhang, M. C. Davies, S. J. B. Tendler, Surf. Sci. Lett. 2002, 519, L593-L598. 30 G. bar, Y. Thomann, R. Brandsch, H. – J. Cantow, Langmuir 1997, 13, 3807-3812. 31 F. Clément, A. Lapra, L. Bokobza, L. Monnerie, P. Ménez, Polymer 2001, 42, 6259-6270.

1 1

2 2

P a g e | 105

,

Figure 25. Détermination de la taille des « billes » présentes en surface (après déduction du rayon de courbure de la pointe)

L’analyse des images AFM indique également que certaines particules d’or sont en surface

(flèche n°1) et d’autres sont plus enfouies dans la monocouche (flèche n°2).

iii. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayon X

L’XPS confirme la présence de la protéine A sur la surface puisque le pourcentage atomique de

l’azote passe de 3,2 % pour la SAM-NHS à 7,7 % pour la SAM-PA comme le montre la Figure 26.

405 404 403 402 401 400 399 398 397 396 395

Com

ptes

/s


SAM-PA SAM-NHS

Figure 26. Spectres XPS N (1s) des SAM-NHS et SAM-PA.

Les spectres XPS C (1s) de la SAM-PA et de la SAM-NHS sont présentés dans la

Figure 27. Après l’immobilisation de la protéine A, les bandes à 288,5 eV et à 286,6 eV sont plus intenses

sur la SAM-PA que sur la SAM-NHS. La bande à 288,5 eV, qui est déplacée de 3,6 eV d’une C-C, est

caractéristique du carbone d’un amide12 tandis que celle à 286,6 eV est attribuée à un carbone lié à un

azote (C-N). Cette attribution est cohérente avec celle faite par Lowe et al. après l’immobilisation d’un

anticorps antibenzodiazépine sur une surface.32

32 R. D. Lowe, E. J. Szili, P. Kirkbride, H. Thissen, G. Siuzdak, N. H. Voelcker Anal. Chem. 2010, 82, 4201–4208.

13,2 nm 16,2 nm 17,4 nm

P a g e | 106

SAM-NHS SAM-PA

291 290 289 288 287 286 285 284 283 282

Com

ptes

/s


N-(C=O)

288,5 eV

C-N

286,6 eV

C-C

284,9 eV

292 291 290 289 288 287 286 285 284 283 282

Com

ptes

/s


N-(C=O)

288,5 eV

C-N

286,6 eV

C-C

284,9 eV

Figure 27. Spectres XPS C (1s) des SAM-NHS et SAM-PA.

P a g e | 107

CONCLUSION

La synthèse d’un nouvel agent de couplage silicié, terminée par un ester photolabile, a été

présentée dans le cadre de ce chapitre. Les conditions de greffage sont celles déterminées dans le

chapitre III. La monocouche est formée après 12 h d’immersion dans la solution de silanisation ce qui est

cohérent avec les conditions précédemment, pour des agents de couplages avec un groupe

triméthoxysilicié. D’après les données recueillies en infrarouge, l’assemblage des molécules se fait

essentiellement par l’établissement de liaisons hydrogène intermoléculaires car les interactions de Van

der Waals sont faibles au sein du film à cause de l’éloignement des chaînes carbonée dû à la fonction

urée.

La photodéprotection des acides carboxyliques a été réalisée sans altérer la monocouche

comme l’indiquent les analyses en PM-IRRAS et en AFM. L’utilisation d’esters nitrobenzyliques est donc

une méthode très efficace pour générer des acides en surface dans des conditions douces.

Avant d’immobiliser une molécule biologique sur ces surfaces, l’accessibilité et la réactivité des

esters activés ont été vérifiées en accrochant une sonde fluorescente, la dansylcadaverine. Finalement,

des nanoparticules d’or recouvertes de protéines A ont été immobilisés. Les images AFM montrent la

présence des nanoparticules modifiées par la proteine A, en surface mais également enfouies dans la

monocouche.

P a g e | 108

P a g e | 109

Chapitre V : SYNTHESE D’UNE MONOCOUCHE TERMINEE

PAR UNE FONCTION VINYLIQUE POUR L’IMMOBILISATION DE MOLECULES

BIOLOGIQUES

P a g e | 110

SOMMAIRE A. Synthèse d’un organosilane avec un groupe vinyle te rminal et une fonction urée .......... 111

B. Etude de l’auto-association de la molécule à l’état solide et liquide ................................ .. 112

C. Greffage et caractérisation physicochimique des sur faces modifiées ............................... 114

1. Fonctionnalisation des surfaces par un groupe vinyle ........................................................ 114

a. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure de l’angle de contact ..................... 114

b. Spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge par modulation de polarisation ........... 115

c. Microscopie à force atomique............................................................................................ 117

d. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) ........................................... 118

2. Modification chimique de la fonction vinylique terminale de la SAM-C=C .......................... 120

a. Oxydation des groupes vinyles en acides carboxyliques .................................................. 121

i. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure d’angle de contact ....................... 121

ii. Spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption (PM-IRRAS) ...................................... 122

iii. Microscopie à force atomique .......................................................................................... 123

iv. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X .................................................... 123

b. Activation des acides carboxyliques par EDC/NHS .......................................................... 124

i. Mesure de l’angle de contact ........................................................................................... 125

ii. Spectroscopie PM-IRRAS ............................................................................................... 125

iii. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X .................................................... 126

c. Réaction avec la décylamine ............................................................................................. 127

i. Spectroscopie PM-IRRAS et mesure de l’angle de contact ............................................ 127

ii. Microscopie à force atomique .......................................................................................... 128

d. Immobilisation de nanoparticules d’or recouvertes de protéines A ................................... 129

i. Spectroscopie PM-IRRAS ............................................................................................... 129

ii. Microscopie à force atomique .......................................................................................... 130

iii. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X .................................................... 131

P a g e | 111

La première monocouche (sur SiO2) terminée par des groupes vinyles a été étudiée par

Netzer et Sagiv en 1983.1 Ces fonctions ont ensuite été transformées en hydroxyles terminaux par

hydroboration et oxydation afin de préparer des multicouches. Plus récemment, ces fonctions

vinyliques ont été utilisées pour modifier une pointe AFM en nitrure de silicium afin d’étudier la

composition chimique des surfaces2 ou pour former des films polymères par réaction de

polymérisation par ouverture de cycle (métathèse) permettant ainsi de contrôler les propriétés de

mouillabilité, de friction et d’adhésion de protéines ou de cellules.3

L’objectif de ce chapitre est de générer des acides carboxyliques en surface par oxydation de

fonctions vinyliques permettant l’immobilisation d’une molécule biologique (la protéine A). Une autre

alternative, basée sur l’utilisation d’un ester photolabile, a été abordée dans le chapitre IV. Ces

différentes méthodes permettent de former des monocouches terminées par des acides carboxyliques

sans avoir recours à l’hydrolyse des esters qui peuvent dégrader la couche. La monocouche

envisagée ici est terminée par une fonction vinylique et possède une fonction urée, comme l’indique la

Figure 1.

Figure 1. Monocouche étudiée dans ce chapitre.

Dans ce chapitre l’influence sur l’organisation des molécules, de la fonction urée et des

modifications chimiques des fonctions terminales sera étudiée.

A. Synthèse d’un organosilane avec un groupe vinyle terminal et une fonction urée

La synthèse d’un organosilane fonctionnalisé par un vinyle est généralement réalisée par la

réaction d’un tétrachlorosilane (ou tétraalcoxylsilane) avec un réactif de Grignard. Peanasky et al. ont

ainsi préparé le 19-eicosenyltriethoxysilane avec un excès de tétraéthoxysilane.4 Le rendement de

cette réaction est très faible (27 %) comparé à celui obtenu par hydrosilylation d’un composé avec une

seule insaturation. Les mêmes auteurs ont également préparé un organosilane terminé par un groupe

vinyle en faisant l’hydrosilylation d’un diène avec le triéthoxysilane pour conduire, après purification,

au produit de monoaddition avec un rendement de 20 %.

L’introduction du groupement silicié s’est faite en couplant l’aminopropyltriméthoxysilane

commercial et un isocyanate. Cette méthode a déjà été décrite dans la littérature dans le cas de

matériaux hybrides5 ou de monocouches s’auto-associant par liaisons hydrogène.6 Cette réaction dont

la purification consiste à seulement éliminer l’excès d’aminopropyltriméthoxysilane par distillation a été

1 L. Netzer, J. Sagiv J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 674-676. 2 T. Ito, M. Namba, P. Bühlmann, Y. Umezawa Langmuir 1997, 13, 4323-4332. 3 B. Kong, J. K. Lee, I. S. Choi Langmuir 2007, 23, 6761-6765. 4 J. Peanasky, H. M. Schneider, S. Granick Langmuir 1995, 11, 953-962. 5 J. J. E. Moreau, L. Vellutini, M. Wong Chi Man, C. Bied, J.-L. Bantignies, P. Dieudonné, J.-L. Sauvajol J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 7957–7958. 6 H. Nam, M. Granier, B. Boury, S. Y. Park Langmuir 2006, 22, 7132-7134.

P a g e | 112

réalisée avec un rendement de 80 %. Ce composé triméthoxysilicié est moins sensible à l’hydrolyse

que son analogue trichlorosilicié ce qui permet de le stocker sous atmosphère inerte.

Le 9-isocyanatodécène 3, a été préparé à partir du chlorure d’undécènoyle commercial selon

le réarrangement de Curtius (Figure 2).

Figure 2. Synthèse du composé silicié 21.

Sur le spectre RMN 13C, présenté dans la Figure 3, le pic à 158,7 ppm caractéristique du

carbonyle de l’urée confirme le couplage entre l’aminopropyltriméthoxysilane et l’isocyanate 3. De

plus, les deux pics à 139,0 ppm et 114,0 ppm (notés ∗) sont caractéristiques des carbones

éthyléniques tandis que le pic à 6,2 ppm (noté •) est celui du CH2 lié au silicium.

Figure 3. Spectre RMN 13C du composé silicié 21.

Pour les études infrarouge, un diène analogue au composé silicié 21 mais dépourvu du

groupement triméthoxysilyle a été préparé. Ce composé est obtenu en faisant réagir

l’isocyantodécène 3 avec l’allylamine commerciale.

B. Etude de l’auto-association de la molécule à l’é tat solide et liquide

L’étude de l’auto-association de la molécule siliciée 21 et de son analogue insaturé a été

réalisée par spectroscopie infrarouge. Les spectres infrarouge des deux composés en milieu très dilué

(5.10-3 M dans du chloroforme) et à l’état solide sont présentés dans la Figure 4.

(ppm)

102030405060708090100110120130140150160170180190

∗ • ∗ C=O

(urée)

P a g e | 113

Dans la région des CH


3000 2980 2960 2940 2920 2900 2880 2860 2840 2820 2800

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08 A B C

Abs

orba

nce

(u. a

.)

Nombre d'onde (cm-1) 1700 1680 1660 1640 1620 1600 1580 1560 1540 1520 1500

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05 A B C

Abs

orba

nce


Figure 4. Spectres IR dans la région des carbonyles et des CH : A) Spectre IR du composé silicié 21 en milieu liquide, B et C) Spectres des composés diène et silicié 21 à l’état solide.

Dans la région des carbonyles (1700 – 1500 cm-1)

L’existence de la liaison hydrogène intermoléculaire entre les fonctions urées est corrélée aux

fréquences de vibrations Amide I et Amide II. La valeur ∆v correspondant à la différence en nombre

d’onde entre les bandes Amide I et Amide II permet de caractériser la force de la liaison hydrogène

intermoléculaire. Les différentes valeurs ∆v des spectres A, B et C sont présentées dans le Tableau 1.

Le spectre IR du composé silicié, en milieu liquide (A), montre des vibrations du groupe urée

libre dont les fréquences sont cohérentes avec celles de la littérature : (Amide I) = 1654 cm-1,

(Amide II) = 1538 cm-1.5 Le spectre à l’état solide du composé diène (B) présente des bandes

caractéristiques des groupes urées engagés dans des liaisons hydrogène5 avec une valeur ∆v

(41 cm-1) qui est beaucoup plus faible que celle obtenue en solution très diluée (127 cm-1). A l’état

solide, l’auto-association des molécules est donc assurée par des liaisons hydrogène

intermoléculaires fortes. De plus, à l’état solide, la valeur ∆v est plus faible pour le composé diène (B)

que pour le composé silicié (C) ce qui indique que les liaisons hydrogène sont plus fortes lorsque le

groupe triméthoxysilyle est absent.

Spectre IR liquide

du composé silicié (A) Spectre à l’état solide

du diène (B) Spectre à l’état solide du composé silicié (C)

Amide I (cm-1) 1663 1620 1630 Amide II (cm-1) 1536 1579 1574 ∆v (cm-1) 127 41 56

Tableau 1. Valeur ∆v (Amide I – Amide II) des spectres A, B et C.

Région des CH (3000-2800 cm-1)

Les positions des bandes de vibrations des CH2 à l’état solide et en solution très diluée sont

données dans le Tableau 2. La bande à 2840 – 2844 cm-1 présente sur les spectres ATR (C) et en

solution (A) du composé silicié est caractéristique du mode d’élongation symétrique des C-H du

groupe SiOCH3.7 En solution, les bandes de vibrations des CH2 sont plus hautes en fréquences (A)

7 a) R. T. Graf, J. L. Koenig, H. Ishida Anal. Chem. 1984, 56, 773-778 ; b) J. P. Matinlinna, S. Areva, L. V. J. Lassila, P. K. Vallittu Surf. Interface Anal. 2004, 36, 1314–1322.

(CH2)

(CH2)

(OCH3) triméthoxysilane

Amide I Amide II

P a g e | 114

que celles à l’état solide (B et C). Les chaînes alkyles sont très désordonnées en solution très diluée.

Avec le groupement triméthoxysilyle (C), les bandes associées aux modes des CH2 sont plus hautes

en nombres d’onde à l’état solide qu’en l’absence du groupement silicié (B). La présence du

groupement triméthoxysilyle diminue donc les interactions de Van der Waals entre les chaînes alkyles.

Ceci est dû à l’encombrement stérique du groupement silicié dont la distance entre les groupes

méthoxyles (5,2 – 6,8 Ǻ) 8 est plus grande que la distance entre les chaînes carbonées (3,5 Ǻ).

Spectre IR liquide

du composé silicié (A) Spectre à l’état solide

du diène (B) Spectre à l’état solide du composé silicié (C)

(CH2) (cm-1) 2931,0 2923,0 2927,0 (CH2) (cm-1) 2856,0 2851,5 2854,5

Tableau 2. Nombres d’onde des bandes associées aux modes (CH2) et (CH2) des spectres A, B et C.

C. Greffage et caractérisation physicochimique des surfaces modifiées

Les lames de microscope ont été utilisées pour la spectroscopie infrarouge en transmission.

Une surface SiO2/Au a été utilisée pour la spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par

modulation de polarisation (PM-IRRAS) afin d’identifier les différents groupes moléculaires présents

sur le substrat et de renseigner sur l’orientation du carbonyle de l’urée par rapport à la surface. Ces

surfaces ont également été étudiées par microscopie à force atomique (AFM).

1. Fonctionnalisation des surfaces par un groupe vi nyle

Le greffage de l’organosilane terminé par un groupe vinyle a été réalisé dans les conditions de

greffage déterminées dans le chapitre III (à une concentration de 2,5.10-4 M dans du toluène, avec

10 % molaire d’acide trichloroacétique (TCA), pendant 12 heures à 18°C). La monocouche terminée

par des fonctions vinyliques est notée : SAM-C=C.

a. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure de l’angle de contact

La position en nombre d’onde des modes d’élongation symétrique et asymétrique des CH2

aliphatiques renseigne sur l’organisation des chaînes carbonées. Comme l’indique la Figure 5, elles

sont déplacées vers les hautes valeurs (as = 2927 cm-1, s= 2855 cm-1) ce qui indique un désordre au

sein du film. Les interactions électrostatiques de Van der Waals entre les molécules sont donc faibles

au sein du film monomoléculaire. Ce désordre est du à la présence, de deux courtes chaînes alkyles

et de la fonction urée au sein du film qui écarte les chaînes alkyles les unes des autres (Chapitre III).

Toutefois, ces valeurs ne sont pas aussi hautes que celles obtenues sur le spectre du composé silicié

en milieu très dilué (as = 2930 cm-1, s= 2857 cm-1). L’angle de contact avec l’eau qui dépend de la

nature et de la longueur de la molécule est de 78 ± 2° pour la lame SiO 2/Au et de 80 ± 1° pour la lame

de microscope. Ces valeurs sont beaucoup plus faibles que celle obtenue pour une monocouche de

18-nonadécényltrichlorosilane adsorbée sur une surface SiO2 (103°) 9 dont les bandes de vibrations

8 T. Eklund, J. Bückman, P. Ildman, A. E. E. Norström, J. B. Rosenholm dans Silanes and other coupling agents, Vol. 2 ; K. L. Mittal, Ed. : Utrecht (Pays-Bas), 2000 ; p. 55-78. 9 E. Frydman, H. Cohen, R. Maoz, J. Sagiv Langmuir 1997, 13, 5089-5106.

P a g e | 115

CH2 sont identiques à celle de l’OTS (octadécyltrichlorosilane) : as = 2917 cm-1, s= 2849 cm-1. Le

désordre des chaînes alkyles expliquerait le faible angle de contact de cette surface.

3000 2950 2900 2850 2800

0,0000

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

Abs

orba

nce


Figure 5. Spectre IR en transmission de la SAM-C=C.

b. Spectroscopie de réflexion-absorption infrarouge par modulation de polarisation

Sur les spectres de la Figure 6, les bandes Amide I (C=O à 1629 cm-1) et amide II (, C-N

à 1577 cm-1), caractéristiques de la fonction urée ainsi que le mode d’élongation C=C à 1640 cm-1

sont présents sur le spectre PM-IRRAS, ce qui confirme la présence de la molécule sur le substrat.

3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600

0,000

0,001

0,002

0,003

1-(R

p/R

s)


A

1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

1-(R

p/R

s)


B

Figure 6. Spectres PM-IRRAS de la SAM-C=C de 3200 à 1500 cm-1 (A),

dans la région des carbonyles (B).

Présence de liaisons hydrogène intermoléculaires

Comme la bande associée au mode (C=C) est confondue avec celle du mode Amide I, il est

difficile de déterminer précisément la position de la bande Amide I. Toutefois, la valeur ∆v (Amide I –

Amide II) déterminée sur le spectre PM-IRRAS serait de ~55 cm-1. Cette valeur est beaucoup plus

faible que celle obtenue en solution très diluée (127 cm-1) pour des groupes urées libres5 mais est

(CH2)

2927

(CH2)

2855

Amide I

Amide II

(C=C)

proche de la valeur à l’état solide (41 cm

surface par des liaisons hydrogène i

Orientation du carbonyle de l’urée

La bande Amide I vers 1630

D’après la règle de sélection de surface

rigoureusement parallèle à la surface, l’inten

C=O de l’urée est donc plutôt parallèle à la surface.

A partir des coefficients diélectriques associées aux modes d’élongation C=O et N

et de l’équation (23) du chapitre II, l’angle d’inclinaison (

l’urée par rapport à la parallèle à la surface a été déte

du moment de transition du carbonyle par rapport à la normale à la surface.

urée 0,4264 0,0771

Figure 7. Angle d’inclinaison de la SAM-C=C (Tableau). Représentation schématique des angles

Le carbonyle de l’urée serait incliné d’un angle (

surface. L’étude infrarouge, réalisée

carbonyle de l’urée était de 25° par rapport au substrat

présence d’une fonction terminale a donc une influence

monocouche.


Les chaînes alkyles sont désordonnées comme l’indique les fréquences des bandes

associées aux modes des CH2 (

moléculaire unique. L’angle (), calculé à partir

II, correspond à la moyenne des différents axes moléculaires locaux (Axe C

proche de la valeur à l’état solide (41 cm-1) ce qui démontre un auto-assemblage des molécules sur la

surface par des liaisons hydrogène intermoléculaires.

Orientation du carbonyle de l’urée

vers 1630 cm-1 est moins intense que la bande Amide II à 1577 cm

D’après la règle de sélection de surface (présentée au chapitre II), si le moment de transition est

parallèle à la surface, l’intensité de la bande est nulle. Pour la

parallèle à la surface.

A partir des coefficients diélectriques associées aux modes d’élongation C=O et N

tre II, l’angle d’inclinaison () du moment de transition du carbonyle de

par rapport à la parallèle à la surface a été déterminé. Pour rappel, l’angle (

du moment de transition du carbonyle par rapport à la normale à la surface.

, (°) (°) 0,4264 0,1108 70,2 19,8 0,0771 0,0181 71,1 18,9

Angle d’inclinaison () des moments de transition (M) du C=O et du N(Tableau). Représentation schématique des angles et (Schéma)

serait incliné d’un angle () de 20° par rapport à la parallèle à l

surface. L’étude infrarouge, réalisée dans le chapitre III, avait révélé que l’angle d’inclinaison du

était de 25° par rapport au substrat dans le cas d’une fonction

nction terminale a donc une influence sur la structure moléculaire de la


sont désordonnées comme l’indique les fréquences des bandes

(Figure 8). Elles ne peuvent donc pas être représentées par un axe

), calculé à partir des équations (23 et 24) présentées

II, correspond à la moyenne des différents axes moléculaires locaux (Axe C-C).

P a g e | 116

assemblage des molécules sur la

est moins intense que la bande Amide II à 1577 cm-1.

, si le moment de transition est

la SAM-C=C, la liaison

A partir des coefficients diélectriques associées aux modes d’élongation C=O et N-H de l’urée

moment de transition du carbonyle de

Pour rappel, l’angle () correspond à celui

du C=O et du N-H de l’urée

(Schéma)

par rapport à la parallèle à la

, avait révélé que l’angle d’inclinaison du

dans le cas d’une fonction ester terminale. La

sur la structure moléculaire de la

sont désordonnées comme l’indique les fréquences des bandes

. Elles ne peuvent donc pas être représentées par un axe

présentées dans le chapitre

P a g e | 117

, (°) (°) (CH2) 0,0725 0,0669 55,8

56,9 (CH2) 0,1049 0,1324 51,5

C

H2C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

vs

vas

vs

vas

Axe C-C

Axe C-C

Figure 8. Angle moyen () de l’axe moléculaire local (Tableau).

Représentation des axes moléculaires locaux (Schéma).

Les chaînes alkyles sont orientées en moyenne d’un angle de 56,9° par rapport à la normale à

la surface. Cet angle (très élevé) confirme le désordre des chaînes alkyles observé en spectroscopie

infrarouge en transmission.

Estimation du taux de recouvrement


bandes mesurées sur le spectre IRRAS expérimentaux et simulés à partir des constantes optiques

anisotropes. Le spectre simulé est obtenu à partir des constantes optiques déterminées pour le

composé diénique (avec deux CH2 en moins par rapport au composé silicié). Ainsi, l’aire sur le spectre

simulé (A2) est donc corrigée pour correspondre au même nombre de carbones que pour le composé

silicié. Les résultats obtenus pour la SAM-C=C est données dans le Tableau 3.

Aire sur le spectre expérimental (A1)


Rapport A1/A2

Recouvrement

SAM-C=C 3000 – 2800 cm-1 0,1542 0,2029* 0,76 70 %

1800 – 1500 cm-1 0,1568 0,2486 0,63 ∗ Corrigée pour correspondre au même nombre de carbones que pour le composé silicié.

Tableau 3. Détermination du recouvrement à partir de l’aire dans une région spectrale précise.

Ce taux de recouvrement est estimé en considérant que la compacité des couches greffées et

des couches déposées par évaporation sur le cristal ATR est la même.


Les surfaces ont été imagées en mode contact intermittent avec une pointe en silicium (PPP-

FMR, Nanosensors) dont le rayon de courbure est de 6 nm. La longueur du levier est de 225 µm, la

constante de raideur est de 2,8 N/m et la fréquence de résonance de 75 kHz.

L’image de hauteur (2 x 2 µm²) présentée en Figure 9 de la SAM-C=C montre que la

monocouche est homogène sans anomalie particulière. La rugosité moyenne de surface (Rms),

mesurée sur une image de 2 x 2 µm², est de 0,45 nm est plus faible que celle de la surface initiale

(0,90 nm). Ceci indique un effet de lissage de la surface par les molécules. Ce phénomène de

P a g e | 118

lissage a déjà été observé au Laboratoire pour une monocouche terminée par des groupes

glycidyles.10

Surface SiO2/Au SAM-C=C

Figure 9. Image de hauteur en mode contact intermittent

de la SAM-C=C et de la surface initiale.

d. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS)

Après fonctionnalisation de la surface, l’XPS (Figure 10) révèle la présence d’azote (2,3 %)

sur l’échantillon ce qui n’était pas le cas sur la surface initiale. La bande centrée à 399,9 eV est

caractéristique d’un atome d’azote lié à un carbonyle. Cette valeur est en accord avec celle obtenue

par Clegg et Hutchinson pour une monocouche d’alcanethiol contenant une fonction amide (399,7

eV).11

404 402 400 398 396

SiO2/Au

SAM-C=C

Com

ptes

/s


Figure 10. Spectres XPS N (1s) de SiO2/Au et de la SAM-C=C.

L’analyse du spectre XPS C (1s) permet l’attribution des différentes liaisons chimiques (Figure 11).

10 D. H. Dinh, L. Vellutini, B.Bennetau, C. Déjous, D. Rebière, E. Pascal, D. Moynet, C. Belin, B. Desbat, C. Labrugère, J. – P. Pillot Langmuir 2009, 25, 5526-5535. 11 R. Clegg, J. E. Hutchinson Langmuir 1996, 12, 5239-5241.

P a g e | 119

290 289 288 287 286 285 284 283 282

Com

ptes

/s

Energies de liaison (eV)

1

2

3

4

567

n° Energie de liaison Attribuée à 1 284,1 eV (C-Si)-O 2 284,7 eV C-C, C-H 3 285,3 eV C*-CO 4 286,2 eV C-N 5 287,2 eV C=O 6 288,5 eV O-C=O 7 289,4 eV N-C(O)-N

Figure 11. Spectres XPS du C (1s) de la SAM-C=C avec déconvolution.

Les différentes contributions pour la SAM-C=C sont récapitulées dans la Figure 11. La bande

(2) centrée à 284,7 eV est due à des liaisons C-C, C-H. Le carbone en α- d’un carbonyle est déplacé

de ~ 0,4-0,7 eV d’une C-C ainsi la bande (3) à 285,3 eV est attribuée à la C*-CO. La bande (5) à

287,2 eV dont l’intensité relative reste très faible tout au long des modifications chimiques de surface

(~ 4 %) est attribuée à un carbonyle (aldéhyde, cétone). Cette pollution est retrouvée dans tous les

échantillons. La bande (6) à 288,5 eV a été attribuée au carbone d’un acide carboxylique. Ces

observations semblent indiquer la présence d’une pollution et d’acide trichloracétique dans la

monocouche.

Celle à 286,2 eV (4) est caractéristique d’un carbone lié à un azote (C-N) puisque l’azote

induit un déplacement de ~ 1,5 eV vers les hautes énergies de liaison.12 Le carbone de l’urée est

déplacé d’une C-C de 4,7 eV. La bande à 289,4 eV (7) est celle du N-C(O)-N. Cette valeur est en bon

accord avec celle obtenue par Coffinier et al. (289,1 eV)13.

L’ensemble de ces observations conduit à proposer le modèle structural pour la SAM-C=C

présentée dans la Figure 12 :

12 D. – J. Guo, S. – J. Xiao, B. Xia, S. Wei, Y. Pan, X. – Z. You, Z. – Z. gu, Z. lu J. Phy. Chem. B 2005, 109, 20620-20628. 13 Y. Coffinier, C. Olivier, A. Perzyna, B. Grandidier, X. Wallart, J.-O. Durand, O. Melnyk, D. Stiévenard Langmuir 2005, 21, 1489-1496.

P a g e | 120

NH

NH

NH

NH

ONH

NHO

NH

NHO

NH

NHO

SiSi Si

SiSiO

O

OO

OO

O O OO

O

O

SiO2

or

Figure 12. Organisation d’une monocouche terminée par une fonction vinylique sur une surface rugueuse.

2. Modification chimique de la fonction vinylique t erminale de la SAM-C=C

Les surfaces modifiées par des vinyles ont été oxydées en acides carboxyliques avec une

solution aqueuse de KMnO4/NaIO4/K2CO3 (Figure 13). Ces acides ont été transformés ensuite en

esters activés en présence de 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) et de N-

hydroxysuccinimide (NHS) à pH neutre avant d’accrocher des particules d’or, d’un diamètre moyen de

15 nm, recouverte de protéine A

Figure 13. Schéma récapitulatif des différentes modifications de surface.

P a g e | 121

a. Oxydation des groupes vinyles en acides carboxyliques

Les groupes vinyles terminaux ont été sélectivement oxydés en acides carboxyliques suivant

une méthode décrite par Wasserman et al. en 1989.14 Les fonctions vinyliques réagissent avec le

permanganate de potassium (KMnO4) dilué en milieu basique pour former des diols vicinaux qui sont

clivés par le périodate de sodium en acides carboxylique. Lors de la réaction, le périodate de sodium

(NaIO4) permet également de régénérer en continu le permanganate.15 Il existe une autre méthode

utilisée par Frydman et al. pour oxyder les groupes vinyles d’une monocouche sur SiO2.9 Ils se sont

servi d’un système KMnO4/éther couronne, dans du benzène, pendant 48 h. L’éther couronne permet

de complexer l’ion potassium améliorant ainsi la réactivité du permanganate.

i. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure d’angle de contact

Les spectres infrarouge en transmission de la SAM-CO2H et de la SAM-C=C sur lame de

microscope sont représentés en Figure 14.

3000 2950 2900 2850 2800

0,0000

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005 SAM-CO

2H

SAM-C=C


Abs

orba

nce

Figure 14. Spectre infrarouge en transmission de la SAM-CO2H et de la SAM-C=C.

Pour la SAM-CO2H, les bandes associées aux modes d’élongation asymétrique et symétrique

des CH2 sont localisées respectivement à 2925 cm-1 et à 2854 cm-1 ce qui semble indiquer une

réorganisation des chaînes alkyles lors de l’oxydation des fonctions vinyliques. Puisque ces bandes

sont déplacées légèrement vers des plus faibles valeurs, le système serait donc plus ordonné après

oxydation. Toutefois, Lenfant et al. n’ont pas observé de changement significatif dans les positions

des modes CH2 avant et après oxydation de fonctions vinyliques pour des monocouches réalisées sur

SiO2 avec des chaînes alkyles de longueurs différentes (6, 9, 12 et 15 CH2).16

14 S. R. Wasserman, Y. T. Tao, G. M. Whitesides Langmuir 1989, 5, 1074-1087. 15 R. U. Lemieux, E. Von Rudloff, Can. J. Chem. 1955, 33, 1701-1710. 16 S. Lenfant, D. Guérin, F. Tran Van, C. Chevrot, S. Palacin, J. P. Bourgoin, O. Bouloussa, F. Rondelez, D. Vuillaume J. Phys. Chem. B 2006, 110, 13947-13958.

(CH2)

(CH2)

2927

2925

2854

2855

P a g e | 122

L’angle de contact avec l’eau mesuré après cette modification passe de 78° à 61°, montrant

que la surface est devenue plus hydrophile. Cette valeur est proche de celles obtenues pour une

oxydation d’une monocouche auto-assemblée réalisée avec le 10-undecenyltrichlorosilane (56°) et

pour l’hydrolyse d’un ester trifluoroéthylique sur une surface (58°). 17 Wasserman a estimé, à partir de

l’équation de Cassie (qui utilise les angles de contact avant et après oxydation), que 80 % des

groupes vinyles ont été transformés en acides carboxyliques. Cette valeur est cohérente avec celle

trouvée par Collet et Vuillaume à partir des intensités des modes d’élongation du C=C et C=O (~ 77

%).18 La répulsion entre les carboxylates et les ions permanganate expliquerait le manque de

réactivité de cette oxydation et aussi l’angle de contact plutôt élevé.19 En effet, une monocouche

d’alcanethiol bien ordonnée (C15), terminée par des acides carboxyliques, aurait un angle de contact

de 0°. 20

ii. Spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption (PM-IRRAS)

Sur le spectre PM-IRRAS (Figure 15), une nouvelle bande caractéristique du carbonyle de

l’acide () apparait à 1709 cm-1 ce qui confirme la présence des fonctions acides sur le film

monomoléculaire.

Le rendement de l’oxydation, selon la méthode utilisant les intensités des vibrations C=C et

C=O, n’a pas pu être déterminé puisque la bande associée au mode d’élongation de la C=C est

confondu avec celle de l’Amide I.

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025 SAM-C=C SAM-CO

2H

1-(R

p/R

s)


Figure 15. Spectres PM-IRRAS d’une SAM-C=C et d’une SAM-CO2H.

La bande à 1709 cm-1 est caractéristique des acides carboxyliques liés par des liaisons

hydrogène. Seitz et al. ont montré l’existence de liaisons hydrogène entre deux acides carboxyliques

17 T. Strother, W. Cai, X. Zhao, R. J. Hamers, L. M. Smith J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 1205-1209. 18 J. Collet, D. Vuillaume Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 2681-2683. 19 M. A. Hallen, H. D. Hallen J. Phys. Chem. C 2008, 112, 2086-2090. 20 C. D. Bain, E. B. Troughton, Y. - T. Tao, J. Evall, G. M. Whitesides, R. G. Nuzzo J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 321-335.

Amide II

1573,5

C=O Acide 1709,0

Amide I

P a g e | 123

voisins par la présence d’une bande à 1712 cm-1. 21 Malgré le désordre des chaînes alkyles, les acides

carboxyliques seraient donc suffisamment proches les uns des autres pour réaliser cette interaction.

Le rapport des intensités relatives entre l’Amide I et l’Amide II est modifié après l’oxydation

des groupes vinyles présents sur la surface. En effet, celui-ci passe de 0,4 à 0,7 ce qui traduit une

perturbation dans l’orientation moléculaire. Ceci indique que le carbonyle de l’urée est moins parallèle

au substrat qu’avant l’oxydation. La valeur ∆v caractéristique de la force de la liaison hydrogène varie

(de 55 cm-1 à 61 cm-1). Par conséquent, les liaisons hydrogène sont en moyenne moins fortes que

pour la SAM-C=C.

iii. Microscopie à force atomique

La surface SAM-CO2H n’a pas pu être imagée dans les mêmes conditions que pour la SAM-

C=C. Cela peut être dû aux forces d’adhésion entre la pointe AFM et les acides carboxyliques de

l’échantillon ou à la présence d’un film d’eau sur la surface. L’utilisation d’une pointe AFM en contact

intermittent avec un levier de constante raideur supérieure (PPP-NCL, 48 N/m) ou d’une pointe en

mode contact ont été envisagée. Finalement, la surface a été caractérisée en mode contact en

imposant une faible force de répulsion (2 nN) entre l’échantillon et la pointe pour ne pas déformer la

surface. La pointe utilisée (Microlever A, ThermoMicrocopes) est en nitrure de silicium (Si3N4)

recouvert d’or dont le rayon de courbure est inférieur à 50 nm, de fréquence de résonance 22 kHz et

de raideur 0,05 N/m. L’image de force obtenue de la SAM-CO2H (Figure 16) ne montre aucune

dégradation de la monocouche.

SAM-C=C SAM-CO2H

Figure 16. Image de force (0,5 x 0,5 µm²) en mode contact de la SAM-C=C et de la SAM-CO2H.

La rugosité de la SAM-CO2H (Rms = 1,70 nm), calculée à partir de l’image de hauteur (non

présentée ici), est légèrement supérieure à celle de la SAM-C=C (Rms = 1,60 nm).

iv. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X

Le spectre C (1s) de la SAM-CO2H est présenté dans la Figure 17.

21O. Seitz, M. Dai, F. S. Aguirre-Tostado, R. M. Wallace, Y. J. Chabal J. am. Chem. Soc. 2009, 131, 18159–18167.

P a g e | 124

290 289 288 287 286 285 284 283 282

Com

ptes

/s


Figure 17. Spectre du C (1s) de la SAM-CO2H avec déconvolution.

La bande à 285,4 eV est caractéristique d’un carbone lié à un carbonyle puisqu’elle est à 0,7

eV de celle d’un carbone d’une chaîne aliphatique (284,7 eV). La bande à 288,6 eV est attribuée au

carbone du carbonyle de l’acide. Cette valeur est la même que celle trouvée par Touahir et al. pour

une monocouche d’alcanethiol terminée par un acide carboxylique.22

La composition chimique élémentaire de la surface ne montre aucune contamination par les

oxydants (manganèse, iode).

Le rapport atomique N/C déterminé par XPS est proche de la valeur théorique (Tableau 4). Ce

résultat indique l’absence d’une dégradation de la monocouche.

SAM-CO2H

N/C théorique 0,0150 N/C expérimental 0,0136

Tableau 4. Rapport N/C théorique et expérimental pour la SAM-CO2H.

b. Activation des acides carboxyliques par EDC/NHS

Les acides carboxyliques ont été activés avec une solution aqueuse d’EDC et NHS. L’ester de

N-hydroxysuccinimide s’hydrolyse très facilement que ce soit en solution ou sur une surface. Cette

hydrolyse est d’autant plus rapide que le pH est élevé.23 Cette étape d’activation est réalisée avant de

coupler une amine, ou une molécule biologique par les fonctions amines libres des résidus lysines,

avec un acide carboxylique. La monocouche terminée par des esters activés sera notée par la suite :

SAM-NHS.

22 L. Touahir, J. Niedziόłka, E. Galopin, R. Boukherroub, A. C. Gouzet-Laemmel, I. Solomon, M. Petukhov, J. - N. Chazalviel, F. Ozanam, S. Szunerits Langmuir, 2010, 26, 6058–6065. 23 M. R. Lockett, M. F. Phillips, J. L. Jarecki, D. Peelen, L. M. Smith Langmuir 2008, 24, 69-75.

C-C, C-H

C*-CO

HO-C=O

284,7

288,6

285,4

P a g e | 125

i. Mesure de l’angle de contact

L’angle de contact avec l’eau de la SAM-NHS est de 58°. Cette valeur est en bon accord avec

celles répertoriées dans la littérature pour des monocouches auto-assemblées sur Si(111) avec une

chaîne alkyle à 11 carbones terminée par un ester de N-hydroxysuccinimide (65°, 52°). 24,25 Ducker et

al. ont montré que l’activation des acides carboxyliques réalisée en condition anhydre (DMF) conduit à

un angle de contact de 81° au lieu de 62° en milieu aqueux.26 Cette diminution de l’angle de contact

lorsque l’activation est réalisée en milieu aqueux s’explique vraisemblablement par une hydrolyse

partielle des esters activés.

ii. Spectroscopie PM-IRRAS

Le spectre PM-IRRAS après activation, présenté dans la Figure 18, montre clairement

l’apparition de trois bandes de vibration à 1818, 1787 et 1742 cm-1 caractéristiques de l’ester activé.

L’attribution exacte de ces trois bandes est controversée (voir Chapitre IV).

3050 3000 2950 2900 2850 2800

0,000

0,001

0,002

SAM-CO2H

SAM-NHS

1-(R

p/R

s)

Nombe d'onde (cm-1)

A

1800 1600

0,000

0,001

0,002

1-(R

p/R

s)


B SAM-CO2H

SAM-NHS

Figure 18. Spectres PM-IRRAS de la SAM-CO2H et de la SAM-NHS (A) dans la région des CH, (B) dans la région des carbonyles (B).

Pour la SAM-NHS, les nombres d’onde des modes des CH2 sont les mêmes que ceux de la

SAM-CO2H. L’activation des acides n’aurait donc pas d’influence sur l’organisation des CH2.

La bande Amide I est plus intense sur le spectre PM-IRRAS de la SAM-NHS que sur celui de

la SAM-CO2H. D’après la règle de sélection de surface, le carbonyle de l’urée de la SAM-NHS est

donc moins parallèle à la surface que celui de la SAM-CO2H. De plus, la valeur ∆v est de 76 cm-1 pour

la SAM-NHS alors qu’elle était de 61 cm-1 pour la SAM-CO2H. Ainsi, les liaisons hydrogène sont

moins fortes au sein de ce film que sur la SAM-CO2H. L’encombrement stérique du groupe

succinimide, plus volumineux, que le groupe carboxylique perturbe le réseau de liaisons hydrogène

intermoléculaires.

Frey et Corn ont montré par PM-IRRAS que 50 % des acides carboxyliques sur une

24 M. Yang, L. M. Teeuwen, M. Giesbers, J. Baggerman, A. Arafat, F. A. de Wolf, J. C. M. van Hest, H. Zuilhof Langmuir 2008, 24, 7931-7938. 25 M. Yang, D. Wouters, M. Giesbers, U. S. Schubert, H. Zuilhof ACS Nano 2009, 3, 2887-2900. 26 R. E. Ducker, M. T. Montague, G. J. Leggett Biointerphases 2008, 3, 59-65.

1742

1787 1818

Amide I 1643 Amide II

1567

(CH2)

(CH2)

P a g e | 126

monocouche d’alcanethiol sur or étaient convertis en ester de N-hydroxysuccinimide par la méthode

EDC/NHS.27 L’hypothèse avancée serait que l’encombrement stérique du groupe succinimide rendrait

inaccessible certaines fonctions acides.


La surface a été analysée par XPS pour caractériser les liaisons chimiques de surface. Le

spectre C (1s) de la SAM-NHS, avec les bandes caractéristiques du groupe NHS, est présenté dans

la Figure 19.

290 288 286 284 282

Com

ptes

/s


Figure 19. Spectre C (1s) avec déconvolution de la SAM-NHS.

Les principales contributions du spectre C (1s) sont présentées dans le Tableau 5.

Energie

de liaison 284,0 eV 284,6 eV 286,2 eV 287,2 eV 288,9 eV

Attribution (C-Si)-O C-C, C-H C-N, C-O C*-CO (NHS) "C=O" N-CO-N

C=O (NHS) SAM-CO

2H 9,9 % 39,5 % 11,9 % 4,0 % 2,7 %

SAM-NHS 10,6 % 39,5 % 14,9 % 4,3 % 4,6 %

Tableau 5. Analyse XPS détaillée de la déconvolution du pic carbone C1s pour la SAM-NHS.

Généralement, l’énergie de liaison d’un carbone en α- d’un carbonyle (C*-CO) est déplacée

de 0,4-0,7 eV de celle d’un CH2 ordinaire. Mais l’effet électroattracteur du groupe succinimide déplace

finalement cette bande de 1,1-1,6 eV. La bande à 286,2 eV correspond donc aux carbones en α- des

carbonyles de l’ester N-hydroxysuccinimide. La bande à 288,9 eV augmente (de 2,7 % à 4,6 %). Elle

a été attribuée aux carbonyles de l’ester activé même si l’énergie de liaison est plus faible que celle de

Yang et al28 (289,6 eV). L’augmentation de ces bandes confirme l’activation des acides carboxyliques

du substrat. De plus, la quantité d’azote détectée par XPS est plus importante sur les surfaces

27 B. L. Frey, R. M. Corn Anal. Chem. 1996, 68, 3187-3193. 28 M. Yang, R. L. M. Teeuwen, M. Giesbers, J. Baggerman, A. Arafat, F. A. de Wolf, J. C. M. van Hest, H. Zuilhof Langmuir 2008, 24, 7931-7938.

C-O, C-N C*-CO (NHS)

286,2

C=O (NHS) 288,9

P a g e | 127

activées (4,6 %) que sur celle terminées pas les acides carboxyliques (3,2 %) comme l’indique la

Figure 20.

404 402 400 398 396

SAM-NHS SAM-CO

2H

Com

ptes

/s


Figure 20. Spectres XPS N (1s) de la SAM-CO2H et de la SAM-NHS.

Le rapport atomique N/C pour la SAM-NHS est de 0,20 tandis que la valeur théorique est de

0,18. Ceci montre bien la transformation quasi complète des acides carboxyliques en esters activés.

c. Réaction avec la décylamine

Les SAM-NHS ont été placées dans une solution de DMF avec de la décylamine et de la

triéthylamine pendant 2 heures à température ambiante. La triéthylamine permet de s’assurer que les

fonctions amines soient libres. La réaction avec la décylamine permet de vérifier la bonne réactivité et

accessibilité des esters activés en surface. Cette monocouche sera notée : SAM-C10.

i. Spectroscopie PM-IRRAS et mesure de l’angle de contact

Sur le spectre PM-IRRAS, présenté en Figure 21A, les bandes associées aux CH2 sont plus

intenses que pour la SAM-NHS. L’apparition de deux bandes caractéristiques des modes d’élongation

asymétrique et symétrique des CH3 (respectivement, à 2963 cm-1 et à 2880 cm-1) confirme

l’accrochage de la décylamine sur la monocouche. De plus, la bande la plus intense caractéristique de

l’ester activé à 1742 cm-1 a presque complètement disparu.

P a g e | 128

3050 3000 2950 2900 2850 2800

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004 SAM-C10 SAM-NHS

1-(R

p/R

s)


A

1850 1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004 SAM-C10 SAM-NHS

1-(R

p/R

s)


B

Figure 21. Spectres PM-IRRAS de la SAM-NHS et de la SAM-C10 (A) dans la région des CH et (B) dans la région des carbonyles.

Le Tableau 6 présente les nombres d’onde des bandes associées aux modes des CH2 de la

SAM-NHS et de la SAM-C10. Ces nombres d’onde sont plus faibles pour la SAM-C10 que pour la

SAM-NHS. Les chaînes alkyles de la SAM-C10 sont donc plus ordonnées. Ceci est du à l’introduction

d’une chaîne alkyle à dix atomes de carbone et d’une fonction amide qui pourrait permettre une

meilleure interaction intermoléculaire.

SAM-NHS SAM-C10 (CH2) (cm-1) 2931,5 2928,0 (CH2) (cm-1) 2859,5 2856,5

Tableau 6. Nombres d’onde des bandes associées aux modes des CH2

de la SAM-NHS et de la SAM-C10.

Pour la SAM-C10, l’angle de contact avec l’eau est de 76,7 ± 1,0 °au lieu de 58° pour la SAM-

NHS, montrant que la surface est devenue plus hydrophobe. Cette valeur d’angle est faible par

rapport à celle d’une monocouche d’OTS (octadécyltrichlorosilane, 114°). Hinder et al. ont accroché la

dodécylamine sur une monocouche en C11 sur or en activant l’acide carboxylique par une méthode29

similaire à celle employée ici. Ils ont obtenu un angle de contact avec l’eau de seulement 92 ± 2.0°

après la réaction avec la dodécylamine. Ils en ont déduit que l’activation incomplète par l’EDC/NHS

implique que la chaîne alkyle de la dodécylamine est désordonnée et complètement couchée sur la

surface. Dans notre cas, les différentes modifications chimiques réalisées sur la surface ainsi que le

désordre de la chaîne alkyle expliquerait le faible angle de contact observé.

ii. Microscopie à force atomique

Les surfaces ont été imagées en mode contact intermittent avec une pointe en silicium (PPP-

NCL, Nanosensors) de raideur de 48 N/m et de rayon de courbure 6 nm. Le levier a une longueur de

225 µm et une fréquence de résonance de 178 kHz.

L’image d’amplitude (5 x 5 µm²) de la SAM-C10, présentée dans la Figure 22, montre une

29 S. J. Hinder, S. D. Connell, M. C. Davies, C. J. Roberts, S. J. B. Tendler, P. M. Williams Langmuir 2002, 18, 3151-3158.

Amide I

Amide II 1742

(CH3)

(CH3) 2963,0

2880,0

1787 1818

Ester NHS

P a g e | 129

homogénéité de la surface. La rugosité de la surface (Rms) est de 0,60 nm alors qu’elle était de 0,45

nm pour la SAM-C=C.

Figure 22. Image d’amplitude (5 x 5 µm²) réalisée

en mode contact intermittent de la SAM-C10.

d. Immobilisation de nanoparticules d’or recouvertes de protéines A

L’immobilisation des nanoparticules d’or recouvertes de protéines A a été réalisée suivant le

protocole déjà décrit dans le chapitre IV. La monocouche recouverte de protéine A sera notée par la

suite : SAM-PA.

i. Spectroscopie PM-IRRAS

Les deux bandes Amide I et II sont deux fois plus intenses après l’immobilisation de la

protéine A comme l’indique le spectre PM-IRRAS présenté en Figure 23B. Ceci traduit la présence de

liaisons peptidiques sur la surface et donc de la protéine A. La bande à 1742 cm-1 présente sur les

spectres de la SAM-PA et de la SAM-NHS semble indiquer que tous les esters activés n’ont pas réagi

avec la protéine A.

3100 3050 3000 2950 2900 2850 2800 2750

0,000

0,001

0,002

1-(R

p/R

s)


A SAM-PA SAM-NHS

1850 1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010 SAM-PA SAM-NHS

1-(R

p/R

s)


B

Figure 23. Spectre PM-IRRAS de la SAM-PA et de la SAM-NHS

(A) dans la région des CH, (B) dans la région des carbonyles.

De plus, sur le spectre de la Figure 23A, deux bandes supplémentaires apparaissent à 2876

cm-1 et à 2964 cm-1 qui sont attribuées respectivement aux modes d’élongation symétrique et

asymétrique du groupe CH3. Certains acides aminés constituants la structure primaire de la protéine A

ont des CH3 (comme la leucine, l’isoleucine, la méthionine et la valine).30 30 M. Uhlen, B. Guss, B. Nilsson, S. Gatenbeck, L. Philipson, M. Lindberg J. Biol. Chem. 1984, 259, 1695-1702.

(CH3)

(CH3)

2964,0

2876,0 1548,0 Amide II

1659,0 Amide I

ii. Microscopie à force atomique

Les images obtenues en mode contact

présentent des billes en surface

diamètre de 4 nm pour la surface SiO

13 et 30 nm).

Hauteur

Figure 24. Comparaison des images

Le profil de surface de la SAM-PA

des billes observées sur l’image de h

présence de la protéine A.

A B C

12,8 nm 11,4 nm 12,8 nm

Figure 25. Image de hauteur (0,

Microscopie à force atomique

nues en mode contact intermittent pour la surface SiO2

en surface dont le diamètre moyen est différent. Les billes de silice ont un

pour la surface SiO2/Au tandis que celles de protéine A sont plus grosses (entre

Amplitude Phase

Comparaison des images (0,4 x 0,4 µm²) en mode contact intermittent

de la surface SiO2/Or et de la SAM-PA.

PA, présenté sur la Figure 25, a été réalisé pour déterminer le diamètre

ervées sur l’image de hauteur. Elles ont un diamètre moyen compatible avec la

D E F G 8 nm 17,8 nm 20,0 nm 32,8 nm 15,7 nm 14,

de hauteur (0,25 x 0,25 µm²) en mode contact intermittent avec profil de la surface.

P a g e | 130

/Au et de la SAM-PA

Les billes de silice ont un

tandis que celles de protéine A sont plus grosses (entre

Phase

SiO2

SAM-PA

en mode contact intermittent

a été réalisé pour déterminer le diamètre

moyen compatible avec la

H I 14,3 nm 15,0 nm

µm²) en mode contact intermittent avec profil de la surface.

P a g e | 131


L’analyse XPS confirme la présence de la protéine A à la surface en analysant la quantité

d’azote présent sur la surface. Le pourcentage atomique de l’azote atteint 6,7 % au lieu de 4,6 % pour

la SAM-NHS.

P a g e | 132

CONCLUSION

Dans ce chapitre, nous avons présenté la synthèse d’un nouvel agent de couplage silicié

terminé par une fonction vinylique possédant des propriétés d’auto-association par liaisons

hydrogène. La stratégie de synthèse présentée permettrait également d’accéder à différentes

molécules en faisant varier la longueur du segment carboné de l’isocyanate.

D’après les données recueillies, l’auto-assemblage des molécules ne serait donc pas dû aux

interactions de Van der Waals qui sont faibles mais à l’établissement d’un réseau de liaisons

hydrogène intermoléculaires. D’après l’AFM, le revêtement de la surface est homogène. La surface

greffée serait même plus lisse que la surface initiale.

Les différentes modifications chimiques réalisées n’ont pas altéré la monocouche. Toutefois,

les études menées en PM-IRRAS ont montré que l’orientation du carbonyle de l’urée, et donc la force

de la liaison hydrogène, était affectée par les différentes modifications chimiques réalisées en

surfaces. L’organisation moléculaire a été améliorée en accrochant une amine en C10 sur la SAM-

NHS. La fonction amide et la chaîne alkyle ainsi introduites permettraient une meilleure interaction

intermoléculaire.

Enfin, la protéine A a été immobilisée sur la surface modifiée acide comme le montre tout

particulièrement l’AFM.

P a g e | 133

Chapitre VI : SYNTHESE DE MONOCOUCHES TERMINEES

PAR UN GROUPE GLYCIDYLE POUR L’IMMOBILISATION DE MOLECULES

BIOLOGIQUES

P a g e | 134

SOMMAIRE

A. Synthèse d’un organosilane avec un groupe glycidyle terminal et une fonction amide .. 135

1. Protection de l’alcool et clivage oxydatif (étape a et b) ........................................................... 136

2. Synthèse de l’amine primaire insaturée (étape c et d) ............................................................ 137

3. Formation d’une amide et déprotection de l’alcool (étape e et f) ............................................ 137

4. Introduction du groupement glycidyle et hydrosilylation (étape g et h) ................................... 138

B. Synthèse d’un organosilane avec un groupe glycidyle terminal et une fonction urée ..... 139

1. Protection de l’alcool en éther silicié (étape a) ........................................................................ 139

2. Synthèse de l’amine primaire (étape b et c) ............................................................................ 139

3. Formation de la fonction urée et déprotection de l’alcool (étape d et e) ................................. 140

4. Introduction d’un groupement glycidyle et hydrosilylation (étape f et g) ................................. 140

C. Etude de l’auto-association des molécules à l’état solide et liquide ................................. . 141

a. Epoxydes contenant une fonction amide (28 et 29) ............................................................ 141

b. Epoxydes contenant une fonction urée (35 et 36) ............................................................... 142

D. Greffage et caractérisation des surfaces silanisées ............................................................. 144

1. Spectroscopie infrarouge en transmission et angle de contact ............................................... 144

2. Spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation ................. 145

3. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) ................................................. 148

4. Microscopie à force atomique (AFM)....................................................................................... 149

a. SAM-Epoxyde/Urée ............................................................................................................. 149

b. SAM-Epoxyde/Amide .......................................................................................................... 149

5. Microscopie à épifluorescence ................................................................................................ 150

E. Immobilisation de nanoparticules d’or recouvertes d e protéines A ................................... 1 51

1. Spectroscopie de réflexion absorption par modulation de polarisation ................................... 151

2. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) ................................................. 152

3. Microscopie à force atomique .................................................................................................. 153

a. SAM-Epoxyde/Urée/PA ....................................................................................................... 153

b. SAM-Epoxyde/Amide/PA ..................................................................................................... 156

P a g e | 135

La plupart des réactions de chimie organique de surface ne sont pas faciles à contrôler à

cause principalement de l’encombrement stérique de surface.1 En effet, dans les chapitres IV et V,

l’immobilisation de la protéine A sur la monocouche a nécessité plusieurs réactions de surface qui se

sont souvent avérées incomplètes (oxydation des fonctions vinyliques, activation des acides). Les

groupes époxydes sur une surface présentent un grand intérêt pour l’immobilisation de molécules

biologiques car ils sont stables à pH neutre et ils réagissent facilement avec la plupart des

nucléophiles pour former des liaisons covalentes.2 Dans la littérature, les monocouches terminées par

des époxydes sont en très grande majorité préparées à partir du (3-glycidoxypropyl)trimethoxysilane

(GPTS) commercial. Ces surfaces ont été utilisées, ente autres, pour accrocher des cyclodextrines ou

pour l’immobilisation d’oligonucléotides.3,4 Il existe peu d’exemple d’organosilanes avec une fonction

époxyde issus de la synthèse organique. Récemment, une monocouche terminée par des époxydes

contenant une chaîne alkyle à 11 carbones et un segment éthylène glycol a permis d’immobiliser un

brin d’ADN5 et une monocouche à longue chaîne carbonée C22 terminée par des fonctions glycidyles

a été préparée au Laboratoire pour l’immobilisation d'anticorps.6

Dans ce chapitre, l’objectif est de préparer deux monocouches avec une fonction époxyde

directement utilisable pour immobiliser des protéines (Figure 1). L’influence de la fonction d’auto-

assemblage par liaisons hydrogène sur l’organisation de la monocouche sera aussi étudiée car l’une

des surfaces possède une fonction urée et l’autre une fonction amide.

SAM-Epoxyde/Urée SAM-Epoxyde/amide

Figure 1. Monocouches étudiées dans ce chapitre.

A. Synthèse d’un organosilane avec un groupe glycid yle terminal et une fonction amide

La synthèse d’un organosilane porteur d’un groupe glycidyle terminal et d’une fonction amide

pour l’auto-association par liaison hydrogène intermoléculaire est présentée dans la Figure 2 :

1 B. J. Ravoo, D. N. Reinhoudt, S. Onclin Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 6282 – 6304. 2 F. Rusmini, Z. Zhong, J. Feijen Biomacromolecules 2007, 8, 1775-1789. 3 W. C. E. Schofield, J. D. McGettrick, J. P. S. Badyal J. Phys. Chem. B 2006, 110, 17161-17166. 4 S. Mahajan, D. Sethi, S. Seth, A. Kumar, P. Kumar, K. C. Gupta Bioconjugate Chem. 2009, 20, 1703–1710. 5 T. Böcking, K. A. Kilian, K. Gaus, J. J. Gooding Langmuir 2006, 22, 3494-3496. 6 a) D. H. Dinh, L. Vellutini, B. Bennetau, C. Dejous, D. Rebière, E. Pascal, D. Moynet, C. Belin, B. Desbat, C. Labrugère, J. – P. Pillot Langmuir 2009, 25, 5526–5535, b) D. H. Dinh, E. Pascal, L. Vellutini, B. Bennetau, D. Rebière, C. Dejous, D. Moynet, C. Belin, J. – P. Pillot Sensors and Actuators B 2010, 146, 289–296.

P a g e | 136

OH9

HN

9

HO2C OAc

9

OH

9

a b

NH2

9

Br

9

c dN3

9

e

O

OAc9

HN

9O

gO9

HN

9O

OO9

HN(MeO)3Si

11O

h

f

O

22Rdt : 92 %

23Rdt : 91 %

24Rdt : 92 %

25Rdt : 74 %

26Rdt : 61 %

27Rdt : 76 %

28Rdt : 27 %

OAc

9

29

Figure 2. Réactifs et conditions : a) Pyridine, Ac2O, 60 °C, 3 h. b) OsO 4 (0,01 éq.), Oxone® (4 éq.), DMF, 3 h, TA.

c) NaN3 (1,2 éq.), DMF. d) PPh3 (1,5 éq.), H2O, THF, 40°C, 3 h. e) DCC (1,1 éq.), NHS (1,1 éq.), 25 (1,4 éq.), CH2Cl2. f) K2CO3, MeOH, H2O. g) NaH (1,3 éq.), épichlorhydrine (5,5 éq.), THF. h) HSi(OMe)3 (5 éq.), cat.

Karstedt (0,025 éq. en Pt), 65 °C, 20 h.

1. Protection de l’alcool et clivage oxydatif (étape a et b)

L’undécènol commercial est tout d’abord acétylé (étape a) par action de l’anhydride acétique

en présence d’un excès de pyridine. Cette protection permet d’éviter une lactonisation lors du clivage

oxydatif de l’oléfine7 mais également une estérification non souhaitée lors de l’étape de formation de

l’amide (étape e). En effet, la fonction alcool peut également réagir avec un acide carboxylique en

présence du dicyclohexylcarbodiimide (DCC) utilisé pour activer la fonction acide. L’acétate

d’undécènyle 22 a été obtenu avec un rendement de 92 %.

Le clivage oxydatif de la liaison C=C terminale du composé 22 (étape b) nous a permis

d’introduire une fonction acide carboxylique. L’oxydation des alcènes se fait en général : (i) par

transformation de l’oléfine en diol-1,2 par KMnO4 suivie du clivage avec NaIO4 (ou d’autres oxydants)8

ou (ii) par ozonolyse.9 Travis et al. ont récemment montré que le tétroxyde d’osmium, en quantité

catalytique en présence d’Oxone® (2KHSO5. KHSO4. K2SO4) dans le DMF, permet d’oxyder

directement (« one-pot ») les oléfines en acides carboxyliques avec des rendements élevés (90-

95%).10 Le mécanisme réactionnel est initié par une addition de type [2+2] de l’oléfine sur le lien

Os=O.11 L’Oxone® permet d’oxyder l’osmate formé en Os(VIII) puis, de le transformer en aldéhyde en

régénérant OsO4. Finalement, cet aldéhyde est oxydé en acide carboxylique.

7 D. C. Whitehead, B. R. Travis, B. Borhan Tetrahedron Lett. 2006, 47, 3797-3800. 8 T. K. M. Shing, dans Comprehensive Organic Synthesis, vol.7 ; B.M. Trost, I. Flemming, Eds. ; Pergamon Press : Oxford, 1991, p 703-716. 9 F. A. Carey, R. J. Sundberg, Advanced organic chemistry, part. B, reaction and synthesis, 4th ed., Plenum press: New York, 2001, chapter 2, p.788. 10 B.R. Travis, R. S. Narayan, B. Borhan, J. Am. Chem. Soc. 2001, 124, 3824-3825. 11 H. C. Kolb, M. S. VanNieuwenhze, K. B. Sharpless, Chem. Rev. 1994, 94, 2483.

P a g e | 137

2. Synthèse de l’amine primaire insaturée (étape c et d)

La réaction de Gabriel permet de synthétiser une amine primaire à partir du phthalimide de

potassium et d’un halogénure d’alkyle.9 Après alkylation, un traitement en milieu basique ou par

l’hydrazine permet de générer l’amine. Cette approche s’est avérée particulièrement décevante dans

notre cas puisque le rendement sur les deux étapes n’a pas dépassé 40 %.

Le 11-aminoundécène 25 a alors été préparé à partir du 11-bromoundécène commercial.

L’azoture 24 est d'abord obtenu avec un rendement de 68 % puis réduit. Deux voies peuvent être

utilisées pour réduire cet azoture en amine primaire :

- La réduction d’un azoture par Zn/NH4Cl dans un mélange eau/éthanol a déjà été étudiée

par Lin et al.12 Ils ont ainsi réduit un azidobenzyllactame en dérivé aminé en seulement 10

minutes au reflux de l’éthanol avec un rendement de 90 %. Dans notre cas, l’azoture 24 a

été réduit avec un rendement de 52-62 %.

- La réaction de Staudinger13 consiste à faire réagir un azoture avec une phosphine pour

former un intermédiaire iminophosphorane qui, après hydrolyse, conduit à l’amine

primaire. L’oxyde de triphénylphosphine formé est éliminé simplement par

précipitation/filtration dans du pentane. Cette voie de synthèse a finalement été retenue

pour préparer l’amine 25 car elle conduit à un rendement plus satisfaisant de 74 %.

3. Formation d’une amide et déprotection de l’alcoo l (étape e et f)

L’acide carboxylique est généralement activé (i) en chlorure d’acyle14 (réactifs : chlorure de

thionyle SOCl2 ou 2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine), (ii) en anhydride15 (réactif : chlorure de pivaloyle), (iii)

en acylimidazole16 (réactif : carbonyldiimidazole, CDI), (iv) en acylisourée17 (réactif : carbodiimide). La

réaction entre un acide carboxylique et un isocyanate, catalysée par des sels de magnésium ou de

calcium, permet également de former un groupe amide.18

L’activation de l’acide acétoxydécanoïque 23 a été réalisée avec un mélange de NHS (N-

hydroxysuccinimide) et de DCC (N,N’-dicylohexylcarbodiimide) (Figure 3). Tout d’abord, cet acide

réagit avec le carbodiimide (DCC) pour former un intermédiaire O-acylisourée qui peut subir un

réarrangement en N-acylurée non réactive.14 L’addition d’un auxiliaire nucléophile (NHS) permet

d’éviter ce réarrangement en formant l’ester activé correspondant et de la dicyclohexylurée (DCU) qui

est insoluble dans les solvants organiques et donc éliminée par simple filtration. La réaction entre

l’ester activé et le 11-aminoundécène 25, de type addition-élimination, permet de régénérer le NHS et

de former la fonction amide.

12 W. Lin, X. Zhang, Z. He, Y. Jin, L. Gong, A. Mi, Synth. Commun. 2002, 32, 3279-3284. 13 L. Kürti, B. Czakó dans Strategic applications of named reactions in organic synthesis ; Ed. Elsevier, San Diego London, 2005 ; p.428 (et references citées). 14 C. A. G. N. Montalbetti, V. Falque Tetrahedron 2005, 61, 10827-10852. 15 S. J. Wittenberger, M. A. McLaughlin, Tetrahedron Lett. 1999, 40, 7175-7178. 16 S. P. Rannard, N. J. Davis Org. Lett. 2000, 14, 2117-2120. 17 J. C. Sheehan, G. P. Hess, J. Am. Chem. Soc. 1955, 77, 1067-1068. 18 C. Gürtler, K. Danielmeier Tetrahedron Letters 2004, 45, 2515-2521.

P a g e | 138

Figure 3. Formation de l’amide 26 en utilisant le mélange DCC/NHS.

La fonction alcool du composé 26 est ensuite déprotégée en milieu basique (étape f) par

traitement avec K2CO3 dans du méthanol pour conduire au produit 27 avec un rendement de 76 %.

4. Introduction du groupement glycidyle et hydrosil ylation (étape g et h)

L’extrémité glycidyle a été introduite sur le composé 27 par condensation de Williamson avec

l’épichlorhydrine. Des travaux antérieurs au Laboratoire avaient montré que les rendements de

formation de ces éthers glycidiques diminuent fortement avec la longueur de la chaîne carbonée.19

Ceci est vraisemblablement dû à la faible solubilité de ces composés dans les solvants organiques

usuels. Ainsi, le 10-(oxiran-2-ylmethoxy)-N-(undec-10-enyl)decanamide 28 a été préparé en présence

de NaH dans du THF anhydre avec un rendement de 27 % après purification sur gel de silice.

L’hydrosilylation du composé insaturé 28 a été réalisée avec du triméthoxysilane (5 éq.) en présence

du catalyseur de Karstedt (0,025 éq. en Pt). L’excès de triméthoxysilane, ainsi que le solvant, a été

évaporé sous pression réduite. La disparition des protons éthyléniques a été vérifiée par RMN 1H.

Aucun produit d’isomérisation n’a été observé. Sur le spectre RMN 13C du composé silicié 29,

présenté dans la Figure 4, la disparition des pics correspondants aux carbones éthyléniques (notés ∗)

à 138,9 ppm et à 113,9 ppm ainsi que l’apparition de deux pics (notés •) à 22,5 ppm (CH2CH2Si) et à

9,1 ppm (CH2Si) confirme l’hydrosilylation du composé insaturé 28.

19 D. H. Dinh, Nouvelles couches monomoléculaires autoassemblées possédant des fonctions glycidyle : application aux immunocapteurs à ondes de Love, Thèse de doctorat, Université Bordeaux 1, 2007.

P a g e | 139


B. Synthèse d’un organosilane avec un groupe glycid yle terminal et une fonction urée

La voie de synthèse utilisée pour former l’organosilane présentant un groupe glycidyle et une

urée est représentée dans la Figure 5 :

Br OSiPh2tBuBr OH

HN OSiPh2tBu

HN

O

11 11

a N3 OSiPh2tBu

11

b H2N OSiPh2tBu

11

c

118

dHN OH

HN

118

e

HN O

HN

O118

f gO H

N OHN

O

(MeO)3Si

1110

O

O

30Rdt : 72 %

31Rdt : 74 %

32Rdt : 84 %

33Rdt : 80 %

34Rdt : 80 %

35Rdt : 21 %

36

Figure 5. Réactifs et conditions : a) TBDPSCl (1,5 éq.), imidazole (1,2 éq.), CH2Cl2. b) NaN3 (1,2 éq.), DMF. c) H2, Pd/C, AcOEt. d) 10-isocyanatodécène 3 (0,9 éq.), CH2Cl2. e) TBAF (1,8 éq.), THF. f) NaH (1,3 éq.),

épichlorhydrine (5,5 éq.), THF. g) HSi(OMe)3 (5 éq.), cat. Karstedt (0,025 éq. en Pt), 65 °C, 20 h.

1. Protection de l’alcool en éther silicié (étape a)

La fonction alcool du bromoundécanol commercial doit impérativement être protégée pour

éviter la formation d’un groupe uréthane lors de la réaction avec le 10-isocyanatodécène 3 préparé

dans le chapitre III. Le groupement tert-butyldiphénylsilyle (TBDPS) a été choisi pour sa bonne

stabilité vis-à-vis des réactions chimiques.20

2. Synthèse de l’amine primaire (étape b et c)

L’amine 32 a été préparée en réduisant l’azoture 31 correspondant (étape c). Ce composé 31

est obtenu par substitution nucléophile sur le bromoundécène commercial avec l’azoture de sodium

(étape b). La réduction du 31 par l’hydrure d’aluminium et de lithium (LiAlH4) a dans un premier temps

été envisagée. Cette réaction nécessite très souvent un large excès de LiAlH4 et un temps de réaction

20 T. W. Greene, P. G. M. Wuts dans Protective Groups in Organic Synthesis, 3rd ed. ; Wiley-Interscience Ed. : New York, 1999.

102030405060708090100110120130140150160170180190

(ppm)

∗ ∗ • •



P a g e | 140

assez long afin d’obtenir des rendements raisonnables en amine.21 Dans les conditions opératoires

utilisées (2éq. LiAlH4 dans THF à 70°C pendant 4h), une déprotection part ielle de l’alcool a été

constatée en RMN.

Des auteurs avaient montré que les éthers siliciés pouvaient être instables en présence de

H2/Pd/C sous certaines conditions expérimentales.22 Toutefois, le groupement tert-butyldiphénylsilyle

(TBDPS) est plus stable vis-à-vis de l’hydrogénation catalytique que le groupement tert-

butyldiméthylsilyle (TBDMS). En effet, ce dernier est complètement éliminé en seulement 5 min alors

qu’avec trois fois plus de Pd/C, l’élimination du TBDPS est complète après 19 h de réaction. Les

mêmes auteurs ont également montré que le solvant joue un rôle important dans l'élimination de ces

groupements protecteurs.23 Ainsi, un solvant non protique permet de diminuer considérablement voire

d’éviter le clivage des éthers siliciés.

En conséquence, pour éviter une déprotection de l’alcool, l’amine 32 a été préparée sous

hydrogénation catalytique avec 10% de Pd/C (5% en masse du substrat) dans l’AcOEt avec un

rendement de 84 %.

3. Formation de la fonction urée et déprotection de l’alcool (étape d et e)

Le 10-isocyanatodécène 3 réagit avec l’amine O-silicié 32 (étape d) pour former le dérivé urée

33 avec un rendement de 80 %. La fonction alcool est finalement déprotégée (étape e) par traitement

avec du fluorure de tétrabutylammonium 1 M dans le THF pour conduire au composé 34 avec du

rendement de 80 %.

4. Introduction d’un groupement glycidyle et hydros ilylation (étape f et g)

L’éther glycidique 35 a été préparé suivant le même mode opératoire que pour le composé 27.

L’hydrosilylation du composé insaturé 35 (étape g) a été réalisée avec du triméthoxysilane (5

éq.) en présence du catalyseur de Karstedt (0,025 éq. en Pt) pendant 20 h à 60 °C. Sur le spectre

RMN 13C du composé silicié 36, présenté dans la Figure 6, la disparition des pics correspondants aux

carbones éthyléniques (notés ∗) à 139,1 ppm et à 114,1 ppm ainsi que l’apparition de deux pics (notés

•) à 22,6 ppm (CH2CH2Si) et à 9,1 ppm (CH2Si) confirment l’hydrosilylation du composé insaturé 35.


21 J. H. Boyer J. Am. Chem. Soc. 1951, 73, 5865-5866. 22 S. Kim, S. M. Jacobo, C-T. Chang, S. Bellone, W. S. Powell, J. Rokach, Tetrahedron Letters 2004, 45, 1973-1976. 23 H. Sajiki, T. Ikawa, K. Hattori, K. Hirota, Chem. Comm. 2003, 654-655.

102030405060708090100110120130140150160170180190

∗ ∗

• •



P a g e | 141

Les organosilanes ont été utilisés directement après l’hydrosilylation.

C. Etude de l’auto-association des molécules à l’ét at solide et liquide

L’analyse des spectres infrarouge des époxydes en solution très diluée et à l’état solide

apporte des informations sur l’auto-association des molécules préparées.

a. Epoxydes contenant une fonction amide (28 et 29)

Région des carbonyles (1720-1480 cm-1)

Les spectres IR en solution très diluée et à l’état solide des époxydes insaturé 28 et silicié 29

dans la région des carbonyles sont présentés dans la Figure 7.

1700 1650 1600 1550 1500

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04 A B C

Abs

orba

nce

(u. a

.)


(A) (B) (C) Amide I (cm-1) 1682,0 1635,0 1646,0 Amide II (cm-1) 1506,0 1546,0 1548,0 ∆v (cm-1) 176,0 89,0 98,0

Figure 7. Spectre IR dans la région des carbonyles : A) Spectre IR du composé insaturé 28 en milieu liquide, B et C) Spectre IR des composés insaturé 28 et silicié 29 à l’état solide.

Une solution très diluée du composé 28 (5.10-3 M dans du tétrachlorométhane) présente des

vibrations correspondantes aux groupes amides libres dont les valeurs sont cohérentes avec celles

obtenues pour un alcanethiol avec une fonction amide en solution dans du tétrachlorométhane (Amide

I : 1684 cm-1, Amide II : 1511 cm-1, ∆v = 173 cm-1).24 Les valeurs ∆v, pour les composés 28 et 29, sont

nettement plus faibles à l’état solide (respectivement, 89,0 cm-1 et 98,0 cm-1) qu’en solution très diluée

avec une valeur ∆v = 176 cm-1. Les fonctions amide sont donc engagées dans des liaisons

hydrogènes intermoléculaires à l’état solide pour les composés 28 et 29. De plus, ces interactions sont

moins fortes lorsque le groupement triméthoxysilyle est présent car la valeur ∆v passe de 89 cm-1 à

98 cm-1 respectivement pour les composés 28 et 29. La présence du silicium, de part l’encombrement

stérique qu’il introduit, semble donc perturber l’établissement des liaisons hydrogène intermoléculaires

à l’état solide.

Région des CH (3000-2800 cm-1)


dans la région des CH sont présentés dans la Figure 8. La bande à 2840 cm-1, présente sur les

spectres du composé silicié 29, est attribuée au mode d’élongation des CH3 du groupement

24 R. S. Clegg, J. E. Hutchison Langmuir 1996, 12, 5239-5243.

Amide II

Amide I

P a g e | 142

triméthoxysilyle.

3000 2950 2900 2850 2800

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

Abs

orba

nce

(u. a

.)


A B C

(A) (B) (C) as (CH2) (cm-1) 2929,5 2917,0 2925,5 s (CH2) (cm-1) 2856,0 2850,5 2853,5

Figure 8. Spectres IR dans la région des CH : A) Spectre IR du composé insaturé 28 en milieu liquide, B et C) Spectres IR des composés insaturé 28 et silicié 29 à l’état solide.

En solution, ces bandes sont très hautes en nombres d’onde (as = 2929,5 cm-1,

s = 2856,0 cm-1) ce qui indique un désordre important des chaînes alkyles. A l’état solide, les chaînes

alkyles sont organisées puisque les bandes CH2 sont beaucoup plus basses en nombres d’onde

(as = 2917,0 cm-1, s = 2850,5 cm-1). Lorsque le groupement triméthoxysilyle est introduit, les bandes

associées aux modes des CH2 sont plus hautes en nombre d’onde (as = 2925,5 cm-1,

s= 2853,5 cm-1). Ceci traduit une forte désorganisation des chaînes alkyles dû à la présence du

groupement silicié encombrant.

b. Epoxydes contenant une fonction urée (35 et 36)

Région des carbonyles (1720-1500 cm-1)

Les spectres des époxydes insaturé 35 et silicié 36 à l’état solide et en solution diluée, dans

la région des carbonyles, sont présentés dans la Figure 9.

1700 1650 1600 1550 1500

0,00

0,02

0,04

0,06

D E F

Abs

orba

nce

(u. a

.)


(D) (E) (F) Amide I (cm-1) 1665,0 1615,0 1617,0 Amide II (cm-1) 1534,0 1579,0 1573,0 ∆v (cm-1) 131,0 36,0 44,0

Figure 9. Spectres IR dans la région des carbonyles : D) Spectre IR du composé insaturé 35 en milieu liquide,

E et F) Spectres IR des composés insaturé 35 et silicié 36 à l’état solide.

(CH2)

(OCH3) triméthoxysilane

Amide I Amide II

(CH2)

P a g e | 143

Les valeurs ∆v sont nettement plus faibles à l’état solide pour les composés 35 (36 cm-1) et 36

(44 cm-1) qu’en milieu très dilué (131 cm-1). Donc, à l’état solide, les molécules s’auto-associent par

liaisons hydrogène intermoléculaires. De plus, les valeurs ∆v obtenues ici pour 35 et 36, contenant

une fonction urée, sont beaucoup plus faibles (36-44 cm-1) que pour 28 et 29 avec une fonction amide

(89-98 cm-1). Les fonctions urées permettent donc l’établissement de liaisons hydrogène

intermoléculaires plus fortes que les fonctions amides. Une fonction urée peut établir 4 liaisons

hydrogène contre 2 pour une fonction amide. De la même manière que pour les molécules possédant

une fonction amide l’introduction du groupe encombrant triméthoxysilyle perturbe les liaisons

hydrogène car le ∆v passe de 36 cm-1 à 44 cm-1 respectivement pour les composés 35 et 36.

Région du mode d’élongation des NH (3500 – 3250 cm-1)

En solution diluée, la bande Amide A correspondant au mode d’élongation N-H est située à

3448 cm-1 (Figure 10) Cette valeur est proche de celle obtenue dans la littérature.25 A l’état solide,

cette bande est déplacée à 3336 cm-1 ce qui confirme la présence de liaisons hydrogène.

3500 3450 3400 3350 3300 3250

0,000

0,005

0,010

Abs

oban

ce (

u. a

.)


en milieu liquide à l'état solide

Figure 10. Spectres IR dans la région du mode d’élongation des NH du composé insaturé 35

en milieu liquide et à l’état solide.

Région des CH 2 (3000 – 2800 cm-1)


dans la région des CH sont présentés dans la Figure 11. Les bandes associées aux modes des CH2

sont plus larges à l’état solide lorsque le groupe triméthoxysilyle est présent. Ceci peut s’expliquer par

l’encombrement stérique de celui-ci.

25 J. J. E. Moreau, L. Vellutini, M. Wong Chi Man, C. Bied, J.-L. Bantignies, P. Dieudonné, J.-L. Sauvajol J. Am. Chem. Soc., 2001, 123, 7957–7958.

3336,0 3448,0

P a g e | 144

3000 2950 2900 2850 2800

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

Abs

orba

nce

(u. a

.)


D E F

(D) (E) (F) as (CH2) (cm-1) 2930,0 2921,5 2923,0 s (CH2) (cm-1) 2857,0 2850,0 2850,0

Figure 11. Spectres IR dans la région des CH : D) Spectre IR du composé insaturé 35 en milieu liquide, E et F) Spectres IR des composés insaturé 35 et silicié 36 à l’état solide.

Les nombres d’onde des bandes associées aux modes des CH2 sont très proches pour le

composé insaturé 35 (as = 2921,5 cm-1, = 2850,0 cm-1) et silicié 36 (as = 2923,0 cm-1, = 2850,0

cm-1). Ainsi, la présence du groupe triméthoxysilyle affecterait peu l’organisation des chaînes alkyles.

De par son encombrement stérique, la fonction urée impose la distance entre les molécules mais

assure l’arrangement moléculaire par ses liaisons hydrogène.

La désorganisation des chaînes alkyles par le groupe triméthoxysilyle est plus marquée avec

l’amide (29, as = 2925,5 cm-1, s= 2853,5 cm-1) qu’avec l’urée (36, as = 2923,0 cm-1, s= 2850,0 cm-1).

La fonction amide serait moins rigide que la fonction urée et permettrait ainsi une meilleure

organisation des chaînes alkyles dans le cas du composé insaturé 28. Par contre, cette fonction ne

permettrait pas de maintenir l’organisation moléculaire lorsque le groupe triméthoxysilyle est introduit.

En effet, l’encombrement stérique induit par ce dernier entraine une forte désorganisation des chaînes

alkyles.

D. Greffage et caractérisation des surfaces silanis ées

Les conditions opératoires sont celles déterminées dans le chapitre III (2,5.10-4 M, 10% mol.

de TCA, 12 h, 18 °C). Les époxydes peuvent former d es liaisons Si-O-C avec les silanols de la

surface. Luzinov et al. ont montré que l’hydrolyse des triméthoxysilanes est beaucoup plus rapide que

l'ouverture des cycles époxydes : 2 h contre 8 jours pour 50 % de conversion.26 Les liaisons

covalentes avec la surface se font donc avec les groupes triméthoxysilyles. Les monocouches seront

notées par la suite : SAM-Epoxyde/Urée et SAM-Epoxyde/Amide.

Les monocouches étudiées ici sont formées après 12 heures dans la solution de silanisation

tandis que, dans le cas d’une monocouche terminée par des époxydes élaborée à partir d’une

molécule en C22 au Laboratoire, le temps d’immersion était plutôt de 20 heures.6a

1. Spectroscopie infrarouge en transmission et angl e de contact

Comme l’indique la Figure 12, aucune différence significative dans la position des bandes de

vibrations des CH2 n’est observée entre les deux SAMs/Epoxyde. La position des modes d’élongation

26 I. Luzinov, D. Julthongpiput, A. Liebmann-Vinson, T. Cregger, M. D. Foster, V. V. Tsukruk Langmuir 2000, 16, 504-516.

(CH2)

(CH2)

P a g e | 145

asymétrique et symétrique des CH2 aliphatiques sont respectivement située à 2927 cm-1 et à

2854 cm-1 ce qui indique un désordre des chaînes alkyles. Cela peut s’expliquer par la présence d’une

fonction encombrante au sein de la chaîne alkyle qui écarte les chaînes alkyles. Les interactions de

van der Waals sont donc faibles.

SAM-Epoxyde/Urée

SAM-Epoxyde/Amide

3000 2950 2900 2850 2800

0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

Abs

orba

nce


3000 2950 2900 2850 2800

0,0000

0,0005

0,0010

Abs

orba

nce


Figure 12. Spectres IR en transmission de la SAM-Epoxyde/Urée et de la SAM-Epoxyde/Amide préparées sur lames de verre.

Les angles de contact de la SAM-Epoxyde/Urée et de la SAM-Epoxyde/Amide avec l’eau sont

respectivement de 69,7 ± 2,0° et 71,9° ± 1,0°. Ces valeurs sont en accord avec celle que l’on peut

trouver dans la littérature pour une monocouche terminée par des groupes glycidyles (72 ± 2°). 6

2. Spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation

Les bandes associées à la fonction urée (SAM-Epoxyde/Urée) ou à la fonction amide (SAM-

Epoxyde/Amide) sont présentes sur les spectres PM-IRRAS de la Figure 13, ce qui confirme la

présence des molécules sur le substrat SiO2/Au. Le spectre PM-IRRAS de la SAM-Epoxyde/Urée

montre la présence d’une bande à 1695 cm-1 qui a été attribuée au mode d’élongation C=O de l’acide

trichloroacétique (TCA) utilisé comme catalyseur lors du greffage. Après différents lavages avec des

solvants organiques, cette bande est encore présente ce qui indique que le TCA est imbriqué dans la

monocouche.

(CH2) (CH2)

(CH2) (CH2)

2927,0

2854,0

2927,0

2854,0

P a g e | 146

SAM-Epoxyde/Urée SAM-Epoxyde/Amide

3000 2500 2000 1500

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

1-(R

p/R

s)


A

3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

1-(R

p/R

s)


C

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

1-(R

p/R

s)


B

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

1-(R

p/R

s)


D

Figure 13. Spectres PM-IRRAS de la SAM-Epoxyde/Urée et de la SAM-Epoxyde/Amide.

Présence des liaisons hydrogène intermoléculaire

La force de la liaison hydrogène a également été déterminée par les valeurs ∆ν (Amide I –

Amide II) présentées dans le Tableau 1.


Amide I (cm-1) 1635,0 1632,5 Amide II (cm-1) 1574,0 1550,5

∆ν (cm-1) 61,0 82,0

Tableau 1. Valeur ∆ν au sein du film (PM-IRRAS).

Les valeurs ∆ν en PM-IRRAS pour les deux SAMs-Epoxyde sont plus faibles que celles

obtenues pour les précurseurs insaturés en milieu très diluée (Epoxyde/Urée 35 : 131 cm-1,

Epoxyde/Amide 28 : 175 cm-1) mais proches de celles des molécules siliciés à l’état solide

(Epoxyde/Urée 36 : 44 cm-1, Epoxyde/Amide 29 : 98 cm-1). Ainsi, il y a donc une auto-association des

molécules sur la surface par liaisons hydrogène intermoléculaires. De plus, puisque les interactions de

Van der Waals sont faibles, l’auto-association des molécules au sein du film est principalement

assurée par l’établissement de liaisons hydrogène intermoléculaires. La valeur ∆ν pour la SAM-

Epoxyde/Amide est plus élevée que celle pour la SAM-Epoxyde/Urée. Au sein du film, les liaisons

hydrogène sont plus fortes avec une fonction urée qu’avec une fonction amide ce qui est cohérent

avec les observations faites pour les précurseurs siliciés à l’état solide.

Amide I

Amide II 1574,0

1635,0

Amide I I 1650,5

Amide I 1632,5

C=O TCA 1695,0

La valeur ∆ν pour la SAM

36 à l’état solide (44 cm-1). Les liaisons hydrogène

solide. L’établissement du réseau de liaison

vraisemblablement perturbé par la formation de liaison

Par contre, pour la SAM

composé silicié 29 à l’état solide (98 cm

donc favorisée par la création de liaison

Orientation des carbonyles sur le substrat

L’équation (23) présentée dans

d’un moment de transition d’une vibration par rapport à la normale à la surface en utilisant les

coefficients d’extinction dans le plan (

14 rassemble les différentes données permettant

l’amide par rapport à la parallèle à la surface (

SAM-Epoxyde/Urée urée

SAM-Epoxyde/Amide amide

Figure 14. Détermination de l’angle d’inclinaison moyen des différents moments de transition.

Les carbonyles de la fonction amide

rapport à la surface très similaires

Orien tation moyenne des chaînes alkyles

L’angle moyen des axes moléculaires locaux

déterminé à partir des angles (γ)

la normale à la surface et de l’équation

SAM-

Epoxyde/UréeSAM-

Epoxyde/Amide

Figure 15

SAM-Epoxyde/Urée (61 cm-1) est supérieure à celle du composé silicié

es liaisons hydrogène sont donc moins fortes dans la couche

. L’établissement du réseau de liaisons hydrogène intermoléculaire

par la formation de liaisons siloxaniques.

SAM-Epoxyde/Amide, la valeur ∆ν (82 cm-1) est plus faible que celle du

à l’état solide (98 cm-1). La formation des liaisons hydrogène intermoléculaire

donc favorisée par la création de liaisons Si-O-Si.

Orientation des carbonyles sur le substrat

présentée dans le chapitre II permet de déterminer l’inclinaison moyenne


dans le plan ( ,) et hors du plan () associées à cette

rassemble les différentes données permettant d'évaluer l’orientation du carbonyle de l’urée et

ar rapport à la parallèle à la surface (α).

, (°) (°)

urée 0,0592 0,0404 59,7 30,3

0,3933 0,2912 58,7 31,3

amide 0,3493 0,2818 57,6 32,4

0,0731 0,0580 57,8 32,2

Détermination de l’angle d’inclinaison moyen des différents moments de transition.

Les carbonyles de la fonction amide et de l’urée présentent des angles

très similaires (~ 30-32°).

tation moyenne des chaînes alkyles

axes moléculaires locaux (θ) par rapport à la normale à la surface

) que font les moments de transitions associés aux CH

la normale à la surface et de l’équation (24) reliant ces angles trièdres (voir chapitre II

(°) (°)

Epoxyde/Urée 58,7

49,0 56,8

Epoxyde/Amide 58,5

48,5 57,5

15. Angle moyen des axes moléculaires locaux (θ) par rapport à la normale à la surface.

P a g e | 147

est supérieure à celle du composé silicié

dans la couche qu’à l’état

hydrogène intermoléculaires est donc

est plus faible que celle du

La formation des liaisons hydrogène intermoléculaires est

permet de déterminer l’inclinaison moyenne (γ)


) associées à cette vibration. La Figure

rbonyle de l’urée et de

Détermination de l’angle d’inclinaison moyen des différents moments de transition.

s (α) d’inclinaison par

par rapport à la normale à la surface est

associés aux CH2 par rapport à

chapitre II).

P a g e | 148

Cet angle (~ 49°) est le même quelque soit la fonc tion (urée ou amide) présente au sein du

film. Toutefois, ces résultats montrent aussi que les chaines alkyles sont plutôt désordonnées.

3. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayo ns X (XPS)

L’analyse XPS révèle l’existence de platine (0,2-0,5 %) dans les deux films mais aussi du

chlore (~ 0,3 %) pour la SAM-Epoxyde/Urée. La présence du chlore est cohérente avec l’attribution de

la bande à 1695 cm-1 à l’acide trichloroacétique sur le spectre PM-IRRAS de la SAM-Epoxyde/Urée.

La présence de platine s’explique par l’utilisation du catalyseur de Karstedt lors de l’hydrosilylation.

L’XPS révèle la présence d’azote (2,2 % pour la SAM-Epoxyde/Urée, 1,7 % pour la SAM-

Epoxyde/Amide) sur les échantillons ce qui n’était pas le cas sur les surfaces initiales comme l’indique

la Figure 16.


404 402 400 398 396

SAM-Epoxyde/Urée Surface initiale

Com

ptes

/s


404 402 400 398 396

Com

ptes

/s


SAM-Epoxyde/Amide Surface initiale

Figure 16. Spectres XPS N(1s) de la surface initiale (SiO2/Or) et des SAMs-Epoxyde.

Les rapports atomiques N/C obtenu sur ces échantillons sont présentés dans le Tableau 2.

N/C théorique N/C expérimental

SAM-Epoxyde/Urée 0,080 0,052 SAM-Epoxyde/Amide 0,042 0,046

Tableau 2. Valeur N/C théorique et expérimentale pour les SAMs-Epoxyde.

La valeur expérimentale pour la SAM-Epoxyde/Amide est très proche de celle théorique ce qui

indique que la molécule est bien présente sur la surface. Par contre, le rapport N/C expérimental pour

la SAM-Epoxyde/Urée est inférieur à la valeur théorique ce qui pourrait être dû à une contamination

carbonée (tel que le TCA).

P a g e | 149

4. Microscopie à force atomique (AFM)

Les images AFM ont été réalisées en mode contact intermittent sur deux supports greffés :

une lame SiO2/Au utilisée pour la spectroscopie PM-IRRAS et un wafer de silicium avec sa couche

d’oxyde natif. La pointe AFM est en silicium (PPP-FMR, Nanosensors), d'un rayon de courbure de 6

nm, d’une constante de raideur de 2,8 N/m et d’une fréquence de résonance de 82 kHz

approximativement.

a. SAM-Epoxyde/Urée

L’image d’amplitude (4 x 4 µm²) en mode contact intermittent de la SAM-Epoxyde/Urée sur

surface SiO2/Au, présentée en Figure 17, est homogène sans anomalie particulière. La rugosité de la

surface (Rms), calculée sur l’image de hauteur (non présentée), est de 1,4 nm alors que celle de la

surface initiale était de 0,9 nm.

Figure 17. Image d’amplitude (4 x 4 µm²) en mode contact intermittent de la SAM-Epoxyde/Urée.

b. SAM-Epoxyde/Amide

La SAM-Epoxyde/Amide a été imagée dans les mêmes conditions que la SAM-Epoxyde/Urée.

L’image d’amplitude (4 x 4 µm²) de cette surface est présentée dans la Figure 18. La rugosité de la

surface (Rms) est de 2,5 nm ce qui est supérieur à la surface initiale (0,9 nm). Ceci est dû à la

présence de petits agrégats en surface.

Figure 18. Image d’amplitude (4 x 4 µm²) en mode contact intermittent de la SAM-Epoxyde/Amide.

P a g e | 150

5. Microscopie à épifluorescence

Afin de vérifier l’accessibilité et la réactivité des fonctions époxydes de la surface, une sonde

fluorescente, la dansylcadavérine (λexc.= 335 nm, λémis.= 508 nm), a été accrochée sur les lames de

verre modifiées par les SAMs. Les intensités moyennes de fluorescence des SAMs-Epoxyde avant et

après traitement avec la dansylcadaverine sont présentées sur la Figure 19.

0

100

200

300

400

500

600

SAM-Epoxyde/Amide

SAM-Epoxyde/Amide

+ dansylcadaverine

SAM-Epoxyde/Urée

SAM-Epoxyde/Urée

+ dansylcadaverine

Inte

nsité

(u.

a.)

Figure 19. Intensités moyennes de fluorescence des SAMs-Epoxyde avant et après traitement par la dansylcadaverine.

Les SAMs-Epoxyde sans fluorophore présentent une faible intensité de fluorescence

contrairement à celles qui ont été traitées par la dansylcadaverine. De plus, les deux surfaces

étudiées ont une intensité de fluorescence très proche, ce qui semble indiquer que la densité des

groupes époxydes accessibles en surface est similaire. Les différentes mesures réalisées sur les

surfaces traitées avec la dansylcadaverine indiquent que le fluorophore est réparti de manière

homogène sur toute la surface. Cette réaction de surface confirme la présence des fonctions

époxydes intactes en surface ainsi que leurs bonnes accessibilités.

De plus, les spectres d’excitation et d’émission de la SAM-Epoxyde/Urée traitée par la

dansylcadaverine (Figure 20) coïncident avec ceux de la dansylcadaverine en solution dans du

méthanol (C ≈ 10-6 M).

P a g e | 151

Dansylcadaverine en solution dans le méthanol SAM-Epoxyde/Urée avec la dansylcadaverine

300 350 400 450 500 550 600 650 7000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Spectre d'excitation Spectre d'émission

Inte

nsité

(x

10-5)

Longueur d'onde (nm)

335

535

300 350 400 450 500 550 600

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Inte

nsité

(x

105 )

Longueur d'onde (nm)

330 nm

513 nm

Spectre d'excitation Spectre d'émission

Figure 20. Spectres d’excitation et d’émission d’une solution de dansylcadaverine dans du méthanol et de la SAM-Epoxyde/Urée modifiée avec la dansylcadaverine.

Le spectre d’émission de la SAM-Epoxyde/Urée avec la dansylcadaverine a une large bande

centrée à 513 nm alors qu’elle est à 535 nm sur le spectre d’émission de la dansylcadaverine en

solution dans le méthanol. Lu et al.27 expliquent que cette différence serait due aux groupes dansyle

suffisamment proches les uns des autres pour former un domaine apolaire. En effet, le spectre

d’émission des fluorophores dansyle est connu pour être sensible à la polarité de l’environnement

chimique proche.28 Les mêmes observations ont été faites avec la SAM-Epoxyde/Amide.

E. Immobilisation de nanoparticules d’or recouverte s de protéines A

Dans les chapitres IV et V, l’immobilisation des nanoparticules d’or recouvertes de protéines A

a été réalisée sur des surfaces qui ont subi différentes étapes de modifications chimiques. Dans ce

chapitre, cette immobilisation s’effectue en une seule étape sur la monocouche glycidyle. Comme

précédemment, les surfaces greffées ont été immergées dans une solution aqueuse (PBS, tampon

phosphate salin) ajustée à un pH = 8 contenant les nanoparticules d’or pendant 2 h à 37°C. La

monocouche modifiée avec des protéines A sera notée par la suite : SAM-PA.

1. Spectroscopie de réflexion absorption par modula tion de polarisation

Les spectres PM-IRRAS dans la région des carbonyles sont présentés dans la Figure 21.

Ceux-ci montrent après l’immobilisation des nanoparticules d’or recouvertes de protéines A une

augmentation significative de l’intensité des bandes Amide I et Amide II pour les SAMs-Epoxyde. Ces

observations confirment la présence de la protéine A sur le substrat.

27 F. Lü, Y. Fang, G. J. Blanchard Langmuir 2008, 24, 8752-8759. 28 F. Grieser, P. Thistlethwaite, R. Urquhart, L. K. Patterson J. Phys.Chem. B. 1987, 91, 5286-5291.

P a g e | 152


1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010 SAM-PA SAM-Epoxyde/Urée

1-(R

p/R

s)


1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,002

0,004

0,006

1-(R

p/R

s)


SAM-PA SAM-Epoxyde/Amide

Figure 21. Spectres PM-IRRAS dans la région des carbonyles avant et après immobilisation de la protéine A sur les SAMs-Epoxyde.

2. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayo ns X (XPS)

L’analyse XPS révèle que la bande de l’azote centrée à 400,1 eV (Figure 22) augmente

significativement ce qui est cohérent avec la présence d’une molécule biologique. En effet, cette

bande correspond à un azote lié à un carbonyle, en accord avec la valeur obtenue par Clegg et

Hutchinson pour une monocouche d’alcanethiol contenant une fonction amide (399,7 eV).24


404 402 400 398 396

après immobilisation avant immobilisation

Com

ptes

/s


404 402 400 398 396

Com

ptes

/s


après immobilisation avant immobilisation

Figure 22. Evolution des spectres N (1s) des SAMs-Epoxyde avant et après immobilisation de la protéine A.

Les spectres C (1s) avant et après immobilisation de la protéine A sont présentés dans la Figure 23.

Amide I Amide I

Amide I I Amide II

P a g e | 153

SAM-Epoxyde/Urée/PA SAM-Epoxyde/Amide/PA

290 288 286 284 282

Com

ptes

/s


1

2

3

4

567

290 288 286 284 282

Com

ptes

/s


1

2

3

4

56


2 284,7 eV C-C, C-H 3 285,5 eV C*-CO, C-NO2 4 286,4 eV C-N, C-O 5 287,2 eV C=O 6 288,2 eV C(=O)N amide 7 289,2 eV N-C(=O)-N


2 284,6 eV C-C, C-H 3 285,4 eV C*-CO, C-NO2 4 286,3 eV C-N, C-O 5 287,4 eV C=O 6 288,2 eV C(=O)N amide

Figure 23. Spectres XPS C (1s) des SAMs-Epoxyde avec déconvolution.

Le Tableau 3 montre, qu’après immobilisation de la protéine A sur les deux SAMs-Epoxyde, le

pourcentage relatif de la bande à 288,2 eV, caractéristique d’un amide, augmente significativement ce

qui confirme la présence de la protéine A sur la surface.

SAM-Epoxyde/Urée SAM-Epoxyde/Amide Avant Après Avant Après

% relatif de la bande à 288,2 eV 1,22 % 5,83 % 1,20 % 6,70 %

Tableau 3. Evolution du pourcentage relatif de la bande à 288,2 eV avant et après immobilisation de la protéine A.

3. Microscopie à force atomique

Le greffage a également été réalisé sur des wafers monocristallins de silicium qui présentent

l’avantage d’être de faible rugosité. Ces surfaces ont été étudiées plus en détail avec une pointe

« super-sharp » (SSS-NCL) dont le rayon de courbure est de 2 nm. Les autres caractéristiques de la

pointe sont une raideur de 48 N/m et une fréquence de résonance proche de 185 kHz.

a. SAM-Epoxyde/Urée/PA

L’image d’amplitude (0,45 x 0,45 µm²) de la SAM-Epoxyde/Urée est différente de celle avec la

protéine A (Figure 24). La rugosité de surface (Rms), calculée sur l’image de hauteur (non présentée)

est de 2,2 nm pour la SAM-Epoxyde/Urée alors qu’elle est de 1,5 nm avec la protéine A. Ces

observations confirment la modification chimique de la surface.

P a g e | 154

SAM-Epoxyde/Urée SAM-Epoxyde/Urée/PA

Figure 24. Image d’amplitude (0,45 x 0,45 µm²) de la SAM-Epoxyde/Urée et de celle avec la protéine A.

Les images (0,45 x 0,45 µm²) de hauteur, d’amplitude et de phase, dans les deux sens du

balayage, sont présentées dans la Figure 25.

Hauteur

Amplitude Phase

Figure 25. Images AFM de la SAM-Epoxyde/Urée avec protéines A en mode contact intermittent.

Par définition, les images de hauteur sont rigoureusement identiques dans les deux sens de

balayage, alors que les images d’amplitude sont inversées. Les images de phase sont identiques

dans les deux sens. Les images de phase, comparées à celle de hauteur, révèlent la présence de

billes noires qui sont d'une nature chimique différente de celle de la surface.

Les billes noires ont des tailles comprises entre 11 et 15 nm après déduction du rayon de

courbure de la pointe (2 nm) ce qui correspond au diamètre moyen (15 nm) des nanoparticules d’or

recouvertes de protéines A (Figure 26).

Sens du balayage

Sens du balayage

Hauteur

Phase

Figure 26. Identification des nanoparticules d’or recouvertes de protéines Aà partir de l’image

Microscopie à force atomique (AFM) couplée

La présence des nanoparticules d’or a été également confirmée par microscopie à force de

Kelvin (KFM). Cette technique permet de mesurer à la fois la

potentiels électrostatiques locaux

extraire un électron du volume d’un matériau.

Les résultats présentés ici sur le potentiel de surface sont

par KFM. Les images de la SAM

ont été obtenues en mode KFM avec un AFM (Agilent 5500) muni d’

silicium recouvertes de Cr/Pt conductrice (Multi75E,

pointe est inférieur à 10 nm (aucune précision supplémentaire

de raideur est de 3 N/m. La fréquence de résonance est de 75 kHz et la longueur du levier est de 225

µm.

La SAM-Epoxyde/Urée

images de hauteur et de potentiel de surface sur ce

1

2

3

Identification des nanoparticules d’or recouvertes de protéines Aà partir de l’image de hauteur et de phase.

icroscopie à force atomique (AFM) couplée au mode Kelvin (KFM)


Cette technique permet de mesurer à la fois la différence de travaux de sortie et

potentiels électrostatiques locaux. Le travail de sortie correspond à l’énergie minimale nécessaire pour

du volume d’un matériau.

Les résultats présentés ici sur le potentiel de surface sont des résultats préliminaires

SAM-Epoxyde/Urée avec nanoparticules d’or recouvertes de protéines A

en mode KFM avec un AFM (Agilent 5500) muni d’une pointe et

de Cr/Pt conductrice (Multi75E, Budget Sensors). Le rayon de courbure de la

érieur à 10 nm (aucune précision supplémentaire fournie par le fabricant) et la constante

N/m. La fréquence de résonance est de 75 kHz et la longueur du levier est de 225

a été rayée volontairement afin d’évaluer l’épaisseur du film

et de potentiel de surface sur ces rayures sont présentées dans la

19,6 nm – (2 x 2) nm = 15,6 nm

17,1 nm – (2 x 2) nm =

15,3 nm – (2 x 2) nm =

P a g e | 155

Identification des nanoparticules d’or recouvertes de protéines A


différence de travaux de sortie et les

l’énergie minimale nécessaire pour

préliminaires obtenus

avec nanoparticules d’or recouvertes de protéines A

une pointe et d’un levier en

). Le rayon de courbure de la

fournie par le fabricant) et la constante

N/m. La fréquence de résonance est de 75 kHz et la longueur du levier est de 225

volontairement afin d’évaluer l’épaisseur du film. Les

sont présentées dans la Figure 27.

(2 x 2) nm = 15,6 nm

(2 x 2) nm = 13,1 nm

(2 x 2) nm = 11,3 nm

P a g e | 156

Hauteur Potentiel de surface

Figure 27. Images de hauteur et de potentiel de surface de la SAM-Epoxyde/Urée

avec des particules d’or recouvertes de protéines A.

La rayure de la surface nous a permis de mettre en évidence une différence de potentiels. En

effet, d’après les profils présentés en Figure 28, la profondeur de cette rayure est de l’ordre du

diamètre moyen de la nanoparticule d’or (~ 10 nm) ce qui indique que les nanoparticules d’or ont été

éliminées de la surface. De plus, la différence de potentiel observée entre la zone non rayée et celle

rayée est, en valeur absolue, de 300 mV. Ainsi, ces observations tendent à démontrer la présence des

particules d’or recouvertes de protéines A sur les SAMs-Epoxyde.

a)

b)

Figure 28. a) Profil de hauteur et b) en potentiel de surface.

b. SAM-Epoxyde/Amide/PA

Les images (1 x 1 µm²) d’amplitude (Figure 29A) et de hauteur (Figure 29 B) de la SAM-

Epoxyde/Amide est différente de celle avec la protéine A. La rugosité de surface (Rms) est de 2,7 nm

pour la SAM-Epoxyde/Amide alors qu’elle est de 2,3 nm avec la protéine A. Ces observations

confirment la modification chimique de la surface.

300 mV

Zone non rayée

Zone rayée

P a g e | 157

SAM-Epoxyde/Amide SAM-Epoxyde/Amide/PA

A

B

Figure 29. Images d’amplitude (A) et de hauteur (B) (1 x 1 µm²) de la SAM-Epoxyde/Amide et de celle avec la protéine A.

Les images de hauteur, d’amplitude et de phase, dans les deux sens du balayage, pour la

SAM-Epoxyde/Amide/PA sont présentées dans la Figure 30.

Hauteur Amplitude Phase

Figure 30. Images AFM de la SAM-Epoxyde/Amide/PA en mode contact intermittent.

Les images de phase mettent en évidence la présence de tâches noires dont le diamètre (de

Sens du balayage

Sens du balayage

12 à 17 nm) est compatible avec

la Figure 31.

Hauteur

Phase

Figure 31. Identification des nanoparticules d’or recouvertes de protéines A en examinant l’image

1

2

3

t compatible avec des nanoparticules d’or recouvertes de protéines A


en examinant l’image de hauteur et en phase.

16,4 nm –

21,4 nm –

20,3 nm – (2 x 2) nm = 16,3

P a g e | 158

des nanoparticules d’or recouvertes de protéines A comme l’indique


(2 x 2) nm = 12,4 nm

(2 x 2) nm = 17,4 nm

16,3 nm

P a g e | 159

CONCLUSION

Les synthèses de deux nouveaux agents de couplages siliciés possédant un groupe glycidyle

et une fonction capable d’auto-association par liaisons hydrogène (amide ou urée) ont été présentées

dans ce chapitre. Les conditions de greffage de ces organosilanes sont les mêmes que celles établies

dans le chapitre III. Comme l’indiquent les analyses IR et AFM, la formation de la monocouche est

plus rapide avec une molécule possédant une fonction s’auto-associant par liaisons hydrogène que

pour une molécule purement chaine alkyle.

La spectroscopie PM-IRRAS a confirmé la présence des molécules sur le substrat ainsi que

des liaisons hydrogène intermoléculaires au sein du film. Compte tenu du désordre des chaînes

alkyles (observé en IR), il est raisonnable de penser que l’assemblage des molécules sur le substrat

est plutôt assuré par l’établissement de liaisons hydrogène intermoléculaires que par des interactions

de Van der Waals. Les chaînes alkyles sont désordonnées, à cause de la présence d’une fonction

encombrante (amide ou urée) dans la chaîne carbonée.

L’orientation des chaînes alkyles (~49°) ne dépen d pas de la nature de la fonction d’auto-

association. De plus, cette valeur est proche de celle déterminée dans le chapitre III pour une

monocouche d’organotriméthoxysilane analogue terminée par un ester méthylique (SAM-C10OMe,

50,7°). Ces fonctions en surface génèrent donc le m ême encombrement stérique puisque ces SAMs

présentent le même désordre des chaînes alkyles. Par contre, la fonction terminale aurait une

influence sur l’orientation du carbonyle de l’urée. En effet, la valeur obtenue sur une monocouche

terminée par un ester méthylique et possédant une fonction urée (~ 25-27°) est légèrement plus faible

que celle déterminée pour les SAMs-Epoxyde (30-32°).

Les analyses faites en épifluorescence montrent clairement que les fonctions époxydes des

deux SAMs-Epoxyde présentent une accessibilité similaire en surface et qu’elles peuvent donc être

utilisées pour l’immobilisation de molécules biologiques. L’immobilisation de la protéine A sur ces

surfaces a été réalisée avec succès comme l’indique les différentes analyses XPS, PM-IRRAS et

AFM. En AFM, les nanoparticules d’or ont été facilement identifiées par contraste de phase. Les

mesures réalisées par KFM, bien qu’encore préliminaires, ont permis de confirmer la présence des

nanoparticules d’or et donc indirectement la présence de la protéine A sur la surface. Les deux

monocouches étudiées ne montrent aucune différence quant à l’immobilisation de la protéine A.

P a g e | 160

P a g e | 161

Chapitre VII : INTRODUCTION D’UNE DEUXIEME FONCTION

D’AUTO-ASSEMBLAGE PAR LIAISONS HYDROGENE

P a g e | 162

SOMMAIRE

A. Synthèse d’un organosilane avec un acétate terminal et une fonction amide ................... 163

B. Synthèse d’un organosilane avec un acétate terminal , une fonction amide et urée ......... 163

C. Etude sur l’auto-association des molécules à l’état solide et en milieu dilué .................... 165

D. Greffage et caractérisation des surfaces modifiées .............................................................. 166

1. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesure d’angle de contact ............................... 167

2. Spectroscopie de réflexion-absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS) ............. 167

3. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X............................................................ 170

4. Microscopie à force atomique (AFM)....................................................................................... 170

P a g e | 163

Dans le cas des SAMs d’alcanethiols, la présence de plusieurs fonctions amides permet de

diminuer la longueur du segment carbonée pour avoir un système ordonnée.1L’objectif de ce chapitre

est d’étudier, dans le cas des SAMs à partir d’organosilanes, l’influence d’une fonction amide et d’une

fonction urée sur l’organisation et l’orientation moléculaire d’une monocouche. Deux monocouches

terminées par un acétate ont été préparées : l’une avec une seule fonction amide et l’autre avec une

fonction amide et une fonction urée (Figure 1).

SAM-Ester/Amide SAM-Ester/AmideUrée

Figure 1. Structure des monocouches étudiées.

A. Synthèse d’un organosilane avec un acétate termi nal et une fonction amide

La synthèse utilisée pour préparer cet organosilane avec un acétate et une fonction amide est

présentée dans la Figure 2.

Figure 2. Hydrosilylation du composé insaturé 26.

La synthèse du composé insaturé 26 a déjà été décrite dans le chapitre VI. L’hydrosilylation

de 26 a été réalisée avec du triméthoxysilane (5 éq.) en présence du catalyseur de Karstedt (0,025

éq. en Pt). La disparition des protons éthyléniques a été vérifiée en RMN1H et aucune isomérisation

de la double liaison n’a été observée.

B. Synthèse d’un organosilane avec un acétate termi nal, une fonction amide et urée

La synthèse de cet organosilane est présentée dans la Figure 3.

1 R. S. Clegg, S. M. Reed, R. K. Smith, B. L. Barron, J. A. Rear, J. E. Hutchison Langmuir 1999, 15, 8876-8883.

P a g e | 164

Figure 3. Réactifs et conditions : a) Boc2O, CH2Cl2. b) CDI (1,4 éq.), mono-boc-diaminododécane 37 (1,3 éq.), CH2Cl2. c) TFA. d) NEt3 (1,1 éq.), Allylisocyanate (1,2 éq.), CH2Cl2. e) HSi(OMe)3 (5 éq.), cat. Karstedt (0,025

éq.), 65 °C, 20 h.

La synthèse de l’acide 10-acétoxy décanoïque 23 a déjà été décrite dans le chapitre VI La

mono-protection de la diamine (étape a) a été réalisée avec du di-tertbutylcarbonate car ce

groupement est stable vis-à-vis de la plupart des nucléophiles et bases. L’activation de l’acide 23 en

ester activé (étape b) a été réalisée par le carbonyldiimidazole (CDI). Cette méthode présente

l’avantage de former un seul sous-produit de réaction (imidazole) qui peut être facilement éliminé par

lavage à l’eau. Par contre, une autre méthode avec DCC/NHS a été utilisée. L’activation régénère la

N-hydroxysuccinimide (NHS) mais conduit également à former de la dicyclohexylurée (DCU) qui, ici,

n’a pas pu être éliminée en totalité.

Le groupe amino du composé 39 est ensuite déprotégée (étape c) avec de l’acide

trifluoroacétique (TFA) dans du CH2Cl2. Le produit est obtenu sous la forme d’un sel de

trifluoroacétate d’ammonium 40. La fonction urée est obtenue (étape d) en faisant réagir le sel de

trifluoroacétate ammonium 40 avec l’allylisocyanate commercial en présence de triéthylamine. Cette

base permet de régénérer in situ la forme amine nucléophile. En raison d’une insolubilité du composé

41 formé dans les solvants organiques à température ambiante, les spectres RMN 1H/13C ont été

enregistrés dans du DMSO à 75°C.

L’hydrosilylation du composé insaturé 41 (étape e) a été réalisée dans les mêmes conditions

que pour le composé 26 avec du triméthoxysilane (5 éq.) en présence du catalyseur de Karstedt

(0,025 éq. en Pt).

P a g e | 165

C. Etude sur l’auto-association des molécules à l’é tat solide et en milieu dilué

L’auto-association des composés insaturés 26 et 41 a été étudiée en spectroscopie

infrarouge. Seules les régions des carbonyles et des CH2 qui présentent un intérêt seront présentées.


Les spectres des composés 26 et 41 à l’état solide (ATR) et en milieu très dilué (5.10-3 M dans

du chloroforme) sont présentés dans la Figure 4.

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

Abs

orba

nce

(u. a

.)


en milieu liquide à l'état solide

composé 26A

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

Abs

orba

nce

(u.a

.)


B en milieu liquide à l'état solide

composé 41

Figure 4. Spectres IR dans la région des carbonyles des composés insaturés en milieu liquide et à l’état solide : A) composé insaturé 26 et B) composé insaturé 41.

Les valeurs ∆v (Amide I – Amide II), caractéristiques de la force de la liaison hydrogène, pour

les deux composés 26 et 41 sont présentées dans le Tableau 1.

En milieu très diluée A l’état solide

26 Amide I (cm-1) 1661 1632 Amide II (cm-1) 1517 1537 ∆v (cm-1) Amide 144 95

41

Amide I (cm-1) 1663 1624 Amide II (cm-1) Amide

1527 1542

Amide II (cm-1) Urée 1574 ∆v (cm-1) Amide

136 82

∆v (cm-1) Urée 50

Tableau 1. Valeur ∆v obtenues pour les composés 26 et 41 à l’état solide et en milieu liquide.

Pour le composé 41 (Figure 4B), les bandes Amide II de l’urée et de l’amide, observées

respectivement à 1542 cm-1 et à 1574 cm-1 à l’état solide, sont confondues en solution très diluée.

Pour les deux SAMs-Ester, les valeurs ∆v sont plus faibles (50, 82 et 95 cm-1) à l’état solide qu’en

milieu très dilué (136-144 cm-1). En milieu très dilué, les liaisons hydrogène sont quasi inexistantes.

Toutefois, à l’état solide, les valeurs ∆v pour la fonction amide (82 cm-1, 95 cm-1) sont supérieures à

celle de la fonction urée (50 cm-1). Les liaisons hydrogène sont donc plus fortes entre deux urées

qu’entre deux amides. De plus, les liaisons hydrogène entre les fonctions amides sont plus fortes dans

le composé 41 (82 cm-1) que dans le composé 26 (95 cm-1). La présence de deux fonctions d’auto-

C=O Ester

Amide I Amide / Urée

Amide I Amide

Amide II Urée Amide II

Amide

Amide II Amide / Urée

Amide II Amide

C=O Ester

Amide I

Amide / Urée

P a g e | 166

assemblage par liaison hydrogène améliore donc l’interaction intermoléculaire.

La valeur ∆v obtenue à l’état solide pour le composé 26 (95 cm-1) est en bon accord avec celle

déterminée dans le chapitre VI, pour un composé avec le même squelette carboné terminé par un

époxyde (89 cm-1).

Dans la région des CH 2

Les spectres des bandes associées aux modes CH2 des deux composés insaturés 26 et 41

sont présentés dans la Figure 5.

3000 2950 2900 2850 2800

0,00

0,02

0,04

0,06

Abs

orba

nce

(u. a

.)


A en milieu liquide à l'état solide

composé 26

3000 2950 2900 2850 2800

0,00

0,02

0,04

0,06

Abs

orba

nce

(u. a

.)


B en milieu liquide à l'état solide

composé 41

Figure 5. Spectres IR dans la région des CH2 des composés insaturés en milieu liquide et à l’état solide : A) composé insaturé 26 et B) composé insaturé 41.

Les nombres d’onde des bandes de vibrations des CH2 sont présentés dans le Tableau 2.

Tableau 2. Nombres d’onde des bandes de vibrations des CH2 pour les composés insaturés 26 et 41 à l’état solide et en milieu liquide.

En solution, les bandes de vibrations associées aux modes asymétrique et symétrique des

CH2 respectivement à 2930,0 cm-1 et à 2856,5 cm-1 des CH2 sont caractéristiques d’un désordre

important des chaînes alkyles. A l’état solide, les chaînes alkyles s’organisent puisque les bandes CH2

se déplacent respectivement à 2920,0 cm-1 et à 2851,5 cm-1. Ces valeurs observées sont

caractéristiques de chaînes alkyles présentant peu de défaut gauche.

D. Greffage et caractérisation des surfaces modifié es

Les surfaces ont été greffées suivant les conditions de greffage établies dans le chapitre III.

Toutefois, le composé silicié 41, insoluble dans le toluène, a d’abord été solubilisé dans 1 mL de

chloroforme anhydre, dilué ensuite avec du toluène.

En milieu très diluée A l’état solide

26 (CH2) (cm-1) 2930,0 2920,0 (CH2) (cm-1) 2856,5 2851,5

41 (CH2) (cm-1) 2930,0 2921,5 (CH2) (cm-1) 2856,5 2851,5

(CH2) (CH2)

(CH2) (CH2)

P a g e | 167

1. Spectroscopie infrarouge en transmission et mesu re d’angle de contact

Les spectres infrarouges en transmission des SAM-Ester/Amide et SAM-Ester/AmideUrée

sont présentés dans la Figure 6.

Figure 6. Spectres IR en transmission des SAMs-Ester.

Pour les deux monocouches étudiées, les bandes de vibrations associées aux modes

asymétrique et symétrique des CH2 sont caractéristiques de chaînes alkyles désordonnées

(Tableau 3). Les interactions de van der Waals sont donc faibles au sein de ces deux films. Toutefois,

pour la SAM-Ester/AmideUrée, les nombres d’onde des bandes CH2 sont plus faibles que celles pour

la SAM-Ester/Amide. La SAM-Ester/AmideUrée serait donc plus ordonnée. La présence de la fonction

urée permettrait donc une meilleure organisation de la chaîne alkyle entre le silicium et la fonction

amide.

Tableau 3. Fréquences des bandes de vibrations des CH2 pours les SAMs-Ester.

Les angles de contact avec l’eau de la SAM-Ester/Amide et de la SAM-Ester/AmideUrée sont

respectivement de 68,7 ± 0,6° et 67,9 ± 0,7°. Ces v aleurs sont proches de celle obtenue pour une

monocouche préparée avec un trichlorosilane en C11 terminé par un acétate (67,0 ± 2,0°). 2 Les

auteurs n‘ont pas étudié l’organisation de la chaîne alkyle par spectroscopie infrarouge.

2. Spectroscopie de réflexion-absorption par modula tion de polarisation (PM-IRRAS)

Les spectres PM-IRRAS des SAMs-Ester sont présentés dans la Figure 7. Les bandes de

vibration du carbonyle de l’ester ainsi que celles caractéristiques (Amide I et Amide II) de l’amide ou

de l’amide et de l’urée sont présentes sur les spectres PM-IRRAS.

2 L. A. Wenzler, G. L. Moyes, G. N. Raikar, R. L. Hansen, J. M. Harris, T. P. Beebe Langmuir 1997, 13, 3761-3768.

(CH2) (cm-1) (CH2) (cm-1) SAM-Ester/Amide 2927,5 2855,5

SAM-Ester/AmideUrée 2926,0 2853,5

3000 2950 2900 2850 2800

0,0000

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,0010

0,0012

0,0014

0,0016

SAM-Ester/AmideUrée SAM-Ester/Amide

Abs

orba

nce


(CH2)

(CH2)

2926,0

2927,5

2853,5 2855,5

P a g e | 168

3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

1-(R

p/R

s)


A

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

1-(R

p/R

s)


B

3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

1-(R

p/R

s)


C

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

1-(R

p/R

s)


D

Figure 7. Spectre PM-IRRAS de la SAM-Ester/Amide de 3200 à 1500 cm-1 (A), dans la région des carbonyles (B) et Spectre PM-IRRAS de la SAM-Ester/AmideUrée de 3200 à 1500 cm-1 (C), dans la région des carbonyles (D).

Le spectre de la SAM-Ester/Amide a une seule bande centrée à 1708 cm-1 pour le carbonyle

de l’ester (Figure 7B) tandis que celui de la SAM-Ester/AmideUrée présente une bande majoritaire à

1713 cm-1 avec un épaulement à 1738 cm-1 (Figure 7D). Ceci semble indiquer des différences dans

l’orientation et donc dans l’environnement chimique du carbonyle de l’ester comme cela a été évoqué

dans le chapitre III. Les bandes associées au mode d’élongation du carbonyle de l’ester situées à

1708 cm-1 (SAM-Ester/Amide) et à 1713 cm-1 (SAM-Ester/AmideUrée) semblent indiquer que ce

carbonyle est orienté majoritairement vers l’extérieur de la monocouche.

Présence des liaisons hydrogène intermoléculaires

Les valeurs ∆v pour les deux SAMs-Ester sont présentées dans le Tableau 4. Ces valeurs

(68,5 cm-1 et 61,5 cm-1) sont bien plus faibles que celles en milieu très dilué (Ester/Amide 26 : 144,0

cm-1, Ester/AmideUrée 41 : 136,0 cm-1). Il y a donc une auto-association par liaisons hydrogène

intermoléculaires des molécules sur la surface. Puisque les interactions de Van der Waals sont faibles

entre les chaînes alkyles, l’auto-assemblage des molécules sur le substrat est principalement assurée

par les liaisons hydrogène intermoléculaires entre les fonctions amide et les fonctions urée.

C=O Ester

C=O Ester

Amide I

Amide I Amide II

Amide II

1738

1713

1708

1629,5

1561,0

1573,5 1635,0

P a g e | 169

SAM-Ester/Amide SAM-Ester/AmideUrée Amide I (cm-1) 1629,5 1635,0 Amide II (cm-1) 1561,0 1573,5 ∆v (cm-1) 68,5 61,5

Tableau 4. Valeur ∆v pour les différentes SAMs-Ester.

La valeur ∆v est plus faible pour la SAM-Ester/AmideUrée que pour la SAM-Ester/Amide. Ceci

est sans doute dû à la présence de la fonction urée supplémentaire dans la molécule qui augmente

les interactions intermoléculaires.


Les spectres simulés isotrope et anisotrope des SAMs-Ester, présentés dans la Figure 8, sont

comparés aux spectres expérimentaux.

SAM-Ester/Amide SAM-Ester/AmideUrée

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

1-(R

p/R

s)


Spectre expérimental Modèle isotrope

1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

0,018

0,0201-

(Rp/

Rs)


Spectre expérimental Modèle isotrope Modèle anisotrope

Figure 8. Comparaison des spectres simulés isotrope et anisotrope avec le spectre expérimental.

Pour la SAM-Ester/Amide, le rapport des intensités relatives Amide I et Amide II du spectre

simulé isotrope est le même que celui du spectre expérimental. Ainsi, la fonction amide est dite

isotrope, c'est-à-dire que cette fonction ne présente pas d’orientation préférentielle.

La position de la bande associée au mode d’élongation du carbonyle de l’ester est différente entre le

spectre expérimental (1708 cm-1) et le spectre simulé (1740 cm-1). Ceci confirme que, l’environnement

du carbonyle de l’ester dans la SAM-Ester/Amide est différent de celui à l’état solide.

Pour la SAM-Ester/AmideUrée, la bande du carbonyle de l’ester à 1743 cm-1 a la même

intensité sur le spectre isotrope que sur le spectre anisotrope. Cette fonction n’aurait donc pas

d’orientation préférentielle par rapport à la surface. La bande Amide I (à 1629 cm-1) est plus faible sur

le spectre anisotrope que sur le spectre isotrope. De plus, la bande Amide II de l’urée (à 1575 cm-1)

est plus intense sur le spectre anisotrope alors que l’intensité de la bande Amide II de l’amide (à 1545

cm-1) varie peu entre les deux spectres simulés. Ces observations indiquent que la fonction urée est

plus parallèle par rapport à la surface que la fonction amide.

C=O Ester

Amide I

Amide II Urée

Amide II Amide

C=O Ester

Amide I

Amide I I

A partir de l’équation (23)

plan (,) et hors du plan () des

de l’urée (γ) par rapport à la

compréhension de ces données, l

Tableau 5.

SAM-Ester/Amide

SAM-Ester/AmideUrée

Tableau 5. Détermination de l’angle moyen

Pour la SAM-Ester/Amide

de 54,7° (dit « angle magique »).

orientation préférentielle (isotrope)

avec le même squelette carboné, l’angle moyen de la fonction amide est de 32° (

montre l’influence de la fonction terminale sur l’orientation de la

SAM-Ester/AmideUrée, l’angle moyen (

à la parallèle à la surface. La présence d’une fonction urée permet donc d’améliorer l’orientation des

carbonyles et donc l’établissement de liaison hydrogène ce qui est cohérent avec des val

faible pour le ∆v.

3. Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X

L’étude XPS montre également la présence d’azote dans les deux

non négligeable (SAM-Ester/Amide

sur la surface initiale. Les rapports atomiques N/C obtenus p

le Tableau 6. Les valeurs obtenues expérimentalement sont assez

SAM-Ester/AmideSAM-Ester/AmideUrée

Tableau 6. Rapport N/C

4. Microscopie à force atomique

Les deux SAMs-Ester ont été caractérisées par

pointe en silicium (PPP-NCL, Nanosensors

225 µm et la fréquence de résonance est de 190 kHz.

(23) présentée dans le chapitre II et des coefficients d’extinction

des vibrations C=O et N-H, l’angle moyen d’inclinaison

par rapport à la normale à la surface peut être déterminé.

compréhension de ces données, l’angle complémentaire (α = 90° - γ) est également présenté dans le

, ° α(°)

amide 0,3274 0,3274 54,7 isotrope 0,0791 0,0791 54,7 isotrope 0,5748 0,2039 67,2 22,8 0,0581 0,0188 68,1 21,9

Détermination de l’angle moyen (α) par rapport à la parallèle à la surface de l’amide et/ou de l’urée.

/Amide, l’angle (γ) des moments de transition des liaisons C=O et N

»). Cette valeur indique que la fonction amide ne présente

(isotrope). Dans le cas d’une monocouche terminée par un groupe glycidyle

même squelette carboné, l’angle moyen de la fonction amide est de 32° (

la fonction terminale sur l’orientation de la fonction d’auto-

moyen (α) des carbonyles de l’amide et de l’urée est

La présence d’une fonction urée permet donc d’améliorer l’orientation des

carbonyles et donc l’établissement de liaison hydrogène ce qui est cohérent avec des val

Spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X

L’étude XPS montre également la présence d’azote dans les deux SAMs

Ester/Amide : 1,9 %, SAM-Ester/AmideUrée : 4,48 %) ce qui n’étai

Les rapports atomiques N/C obtenus pour ces échantillons

Les valeurs obtenues expérimentalement sont assez proches des valeurs

N/C expérimental N/C théorique Ester/Amide 0,056 0,043

Ester/AmideUrée 0,105 0,107

apport N/C expérimental et théorique pour les deux SAMs-Ester

Microscopie à force atomique (AFM)

ont été caractérisées par AFM en mode contact intermittent avec une

Nanosensors) de rayon de courbure 6 nm. La longueur du levier est de

25 µm et la fréquence de résonance est de 190 kHz.

P a g e | 170

s coefficients d’extinction dans le

moyen d’inclinaison de l’amide et/ou

Pour une meilleure

est également présenté dans le

par rapport à la parallèle

moments de transition des liaisons C=O et N-H est

Cette valeur indique que la fonction amide ne présente aucune

Dans le cas d’une monocouche terminée par un groupe glycidyle

même squelette carboné, l’angle moyen de la fonction amide est de 32° ( chapitre VI). Ceci

-assemblage. Pour la

est de 23° par rapport

La présence d’une fonction urée permet donc d’améliorer l’orientation des

carbonyles et donc l’établissement de liaison hydrogène ce qui est cohérent avec des valeurs plus

SAMs-Ester en quantité

) ce qui n’était pas le cas

our ces échantillons sont présentés dans

proches des valeurs théoriques.

Ester.

en mode contact intermittent avec une

de rayon de courbure 6 nm. La longueur du levier est de

P a g e | 171

SAM-Ester/Amide

L’image d’amplitude de la surface SiO2/Au et celle de la SAM-Ester/Amide sont données en

Figure 9. La surface SiO2/Au a une structure plus fine que celle de la SAM-Ester/Amide. Cette

observation confirme le greffage sur ces substrats.

Surface SiO2/Au SAM-Ester/Amide

Figure 9. Images (0,5x 0,5 µm) d’amplitude de la surface SiO2/Au et de la SAM-Ester/Amide.

L’image d’amplitude de la SAM-Ester/Amide, présentée dans la Figure 10, est plutôt

homogène et présente peu d’agrégats. La rugosité moyenne de surface (Rms) est de 2,3 nm. Cette

valeur est supérieure à celle de la surface initiale SiO2/Au (0,9 nm). Les petits agrégats présents sur la

surface ont été éliminés en essuyant la surface à plusieurs reprises avec du papier optique imbibé de

chloroforme. Aucune altération de la monocouche n’a été observée en AFM et en PM-IRRAS

Figure 10. Image d’amplitude (5 x 5 µm²) en mode contact intermittent de la SAM-Ester/Amide sur SiO2/Au.

SAM-Ester/AmideUrée

L’image d’amplitude de la surface SiO2/Au et celle de la SAM-Ester/AmideUrée sont données

en Figure 11. La surface SiO2/Au a une structure plus fine que celle de la SAM-Ester/AmideUrée.

Cette observation confirme le greffage sur ces substrats.

P a g e | 172

Surface SiO2/Au SAM-Ester/AmideUrée

Figure 11. Images (0,5x0,5 µm) d’amplitude de la surface SiO2/Au et de la SAM-Ester/AmideUrée.

La surface est homogène et présente peu d’agrégats comme l’indique l’image d’amplitude de

la Figure 12. La rugosité de la surface (Rms) calculée sur l’image de hauteur (non présentée) qui est

de 0,98 nm est légèrement supérieure à celle de la surface initiale (Rms = 0,90 nm).

Figure 12. Image d’amplitude 5 x 5 µm² en mode contact intermittent

de la SAM-Ester/AmideUrée sur SiO2/Au.

agrégat

P a g e | 173

CONCLUSION

Dans ce chapitre, deux nouveaux agents de couplage ont été préparés. Le greffage de ces

molécules a été réalisé suivant les conditions établies dans le chapitre III. Le temps d’immersion de

12 h est cohérent avec les résultats obtenus pour les différents composés triméthoxysiliciés. Les

surfaces greffées sont assez homogènes comme l’indique les images AFM.

L’étude infrarouge en transmission semble indiquer une amélioration de l’organisation des

chaînes alkyles quand une deuxième fonction d’auto-assemblage par liaison hydrogène est introduite.

La fonction urée est vraisemblablement trop proche de la surface pour avoir un effet plus marqué sur

l’organisation des chaînes.

Au vu des calculs infrarouge sur l’orientation des carbonyles, la présence d’une deuxième

fonction comme l’urée permet une meilleure auto-association par liaison hydrogène intermoléculaire

comparé à une molécule avec uniquement la fonction amide. De plus, l’orientation de la fonction

amide dépendrait de la fonction terminale en surface. Cette fonction est orientée dans le cas d’une

monocouche terminée par un groupe glycidyle (chapitre VI, 32°) alors qu’aucune orientation

préférentielle n’a été observée avec une fonction ester en surface.

P a g e | 174

P a g e | 175

CONCLUSION GENERALE

L’objectif de ce travail de recherche était de préparer des monocouches à partir d’agents de

couplage siliciés fonctionnels capables d’auto-association par liaisons hydrogène intermoléculaires et

d’utiliser ces films pour immobiliser une molécule biologique.

Dans le cadre de ce travail, 13 nouveaux agents de couplage siliciés ont été synthétisés. Les

synthèses de ces molécules originales ont été développées permettant de s’affranchir des réactions

multi-étapes sur le substrat. L’introduction dans la chaîne carbonée d’une fonction polaire (amide ou

urée) a permis d’une part, d’améliorer la solubilité dans les solvants organiques et d’autre part, de

faciliter la synthèse en réalisant des réactions de couplage entre une amine et un isocyanate ou un

acide carboxylique.

Au vu des résultats en infrarouge, nous avons montré que l’assemblage des molécules au

sein de ces films n’est pas assuré par des interactions de Van der Waals mais plutôt par

l’établissement de liaisons hydrogène intermoléculaires. Les calculs réalisés en PM-IRRAS ont permis

d’évaluer l’orientation du carbonyle de l’urée et de l’amide au sein de ces films qui est généralement

proche de la parallèle à la surface. Les études infrarouge montrent que les chaînes alkyles sont plutôt

désordonnées. La présence d’une fonction urée ou amide au sein de ces films écarterait donc les

chaînes alkyles les unes des autres et minimiserait les interactions de Van der Waals. Toutefois, la

cohésion des molécules entre elles est assurée par les fortes liaisons hydrogène. De plus, les

analyses AFM et IR montrent que ces monocouches se forment plus rapidement par comparaison

avec des molécules purement chaîne alkyle. Les couches ont été obtenues avec un bon taux de

recouvrement, de façon reproductibles et avec une bonne homogénéité.

Les monocouches terminées par des acides carboxyliques ont permis une immobilisation

indirecte de la protéine A via les fonctions amines libres des résidus lysines. Plusieurs stratégies de

synthèse ont été mises en œuvre pour générer des fonctions acides carboxylique en surface. En

utilisant un ester photolabile ou une fonction vinylique, l’intégrité de la couche a été préservée

contrairement à l’hydrolyse des esters.

Pour une immobilisation directe de molécules biologiques, des monocouches terminées par

des groupes glycidyles ont été préparées. Aucune différence significative n’a été notée sur

l’organisation des agents de couplages en fonction de leur nature (amide ou urée), ni sur

l’immobilisation des nanoparticules fonctionnalisées par la protéine A.

Des nanoparticules d’or, recouvertes de recouvertes de protéine A, ont été utilisées pour les

imager plus facilement en AFM (contraste de phase ou mesure de potentiel). Cette protéine permettra

d’immobiliser ultérieurement des anticorps, en contrôlant leurs orientations, afin de développer des

surfaces spécifiques dirigées contre des molécules cibles (antigénes).

P a g e | 176

De plus, la présence d’une fonction amide et d’une fonction urée au sein d’une monocouche

permet de renforcer l’organisation moléculaire. Compte tenu de ces résultats, il serait intéressant

d’envisager une structure moléculaire dans laquelle il y aurait deux fonctions urées pour induire une

meilleure organisation moléculaire.

P a g e | 177

PARTIE EXPERIMENTALE

P a g e | 178

A. Techniques de caractérisations des différents co mposés

Solvants et réactifs

Les manipulations ont été effectuées sous atmosphère d’argon à l’aide d’une rampe à vide. Les

produits commerciaux utilisés proviennent, pour la plupart, des sociétés Sigma-Aldrich et Acros et ont été

utilisés sans purification préalable, sauf mention particulière dans le mode opératoire. Dans les

expériences nécessitant des solvants anhydres, le toluène, le pentane et l’éther diéthylique sont distillés

sur sodium-benzophénone, le dichlorométhane et l’acétonitrile sur P2O5.

Résonance magnétique nucléaire du proton 1H, du carbone 13C et du silicium 29Si

Les spectres RMN du 1H et du 13C ont été enregistrés sur des spectromètres Bruker AC-250, AC-

200 et DPX 300. La nature des solvants deutérés utilisés est précisée pour chaque produit et les

déplacements chimiques sont donnés en ppm par rapport à une référence interne, le tétraméthylsilane

(TMS). Pour décrire les différents spectres, les abréviations suivantes ont été utilisées : s pour un

singulet, d pour un doublet, t pour un triplet, q pour un quadruplet, dd pour un doublet de doublet, td pour

un doublet de triplet, tapp pour un triplet apparent et m pour un multiplet complexe ou un massif.

La faible abondance naturelle du silicium 29Si (4,7%) et son rapport gyromagnétique moyen

(-5,3188 rad.T-1.s-1) et les temps de relaxation généralement longs imposent l’accumulation de

nombreuses FID (Free Induction Decay) et l’utilisation de complexes paramagnétiques tels que

l’acétylacétonate de chrome (Cr(acac)3) au système pour diminuer le temps de relaxation. Malgré cela, le

temps d’acquisition d’un spectre reste relativement long.1 L’utilisation de séquence de transfert de

polarisation telle que l’INEPT (Insensitive Nuclei Enhancement by Polarization Transfer) permet de

s’affranchir de ce problème et d’obtenir un spectre en quelques minutes. Ces spectres ont été enregistrés

sur un spectromètre Bruker DPX 300.

Spectrométrie Infrarouge

Les spectres infrarouges ont été enregistrés par la méthode dite à réflexion totale atténuée (ATR)

sur un spectromètre Perkin Elmer spectrum one à transformée de Fourier.

Spectrométrie de masse

Les spectres de masse ont été enregistrés à la plateforme analytique de l’ISM : CESAMO (Centre

d’Etude et d’Analyse des Molécules Organiques) sur un appareil LCQ Thermo qui fonctionne en mode

électrospray.

Points de fusion

Les points de fusion sont mesurés sur l’appareil Stuart scientific SMP 3 et sont exprimés en

degrés centigrades.

1 M. W. Daniels, J. Sefcik, L. F. Francis, A. V. Mc Cormick J. of Colloid and Interface Sci. 1999, 219, 351.

P a g e | 179

Analyses élémentaires

Les analyses centésimales des différents produits ont été effectuées par le Service Central

d’Analyse du CNRS à Lyon-Vernaison.

B. Préparation des précurseurs moléculaires

1. Estérification de l’acide γ-aminobutanoïque (GABA) et de l’acide aminododécano ïque

A une suspension d’amino-acide dans du méthanol HPLC (env. 0,2 M) est ajouté lentement à 0°C

du chlorure de thionyle (4 éq.). Le mélange est agité à température ambiante pendant 16 h. La solution

devient transparente. L’excès de méthanol et de SOCl2 est évaporé sous pression réduite. Le solide blanc

formé est alors dissous dans un minimum de méthanol, puis de l’éther diéthylique est additionné (approx.

4 fois le volume en méthanol) et un précipité se forme. Le solide est récupéré par filtration, lavé avec de

l’éther diéthylique puis, séché sous P2O5 au dessiccateur.

• Synthèse du chlorhydrate du 12-aminododécanoate de méthyle (1)

C13H28ClNO2 (MM = 265,00 g.mol-1) Rendement : 68 % Aspect : solide blanc

Point de fusion : 159-161°C (litt. 2 157-160°C).

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 8,19 (m : 3 H, NH3) ; 3,59 (s : 3 H, OCH3) ; 2,91 (m : 2 H, CH2NH3+) ;

2,23 (t : 2 H, J = 7,5 Hz, CH2CO) ; 1,19-1,69 (m : 18 H, 9 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 174,2 (CO) ; 51,3 (OCH3) ; 39,9 (CH2NH3+) ; 29,4-24,9 (8 CH2).

IRTF (cm -1) : 1734 ( ester).

Analyse élémentaire : Calculée : % C : 58,74 ; % H : 10,62 ; % N : 5,27 ; % Cl : 12,03.

Trouvée : % C : 58,00 ; % H : 10,41 ; % N : 5,34 ; % Cl : 12,80.

SM-ESI (m/z) : 230 (M+-Cl-).

• Synthèse du chlorhydrate du 4-aminobutanoate de méthyle (2)

C5H12ClNO2 (MM = 153,61 g.mol-1) Rendement : 64 % Aspect : solide blanc

Point de fusion : 104-106°C (litt. 3 105-107°C).

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,68 (s : 3 H, OCH3) ; 3,14 (m : 2 H, CH2NH3+) ; 2,53 (t : 2 H, J = 7,2

Hz, CH2CO) ; 2,12 (m : 2 H, CH2).

2 J. Banerjee, A. J. Hanson, B. Gadam, A. I. Elegbede, S. Tobwala, B. Ganguly, A. V. Wagh, W. W. Muhonen, B. Law, J. B. Shabb, D. K. Srivastava, S. Mallik Bioconjugate Chem.2009, 20, 1332. 3 L. Gros, S. O. Lorente, C. J. Jimenez, V. Yardley, L. Rattray, H. Wharton, S. Little, S. L. Croft, L. M. Ruiz-Perez, D. Gonzalez-Pacanowska, I. H. Gilbert J. Med. Chem. 2006, 49, 6094-6103.

P a g e | 180

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 173,4 (CO) ; 51,9 (OCH3) ; 39,4 (CH2NH3+) ; 30,9 (CH2CO) ; 22,6

(CH2).

IRTF (cm -1) : 1731 ( ester).

2. Synthèse du 10-isocyanatodécène (3)

C11H19NO (MM = 181,15 g.mol-1) Rendement : 61 % Aspect : liquide incolore

A une suspension d’azoture de sodium (1,73 g ; 26,6 mmol) dans 20 mL de Toluène anhydride

refroidi à 0°C et sous agitation vigoureuse, sont i ntroduits lentement 2,69 g (13,3 mmol) du chlorure de

10-undécènoyle. Le mélange réactionnel est agité pendant 4 heures en laissant revenir à température

ambiante. La formation de l’azoture de 10-undécènoyle a été observée en RMN 1H/13C.

La solution d’azoture précédemment obtenue est ensuite canulée dans un tricol sous atmosphère inerte

contenant 200 mL de toluène à 75°C. La solution est maintenue sous agitation à cette température

pendant 20 heures. Le mélange réactionnel est ensuite filtré sur célite® puis, le solvant est évaporé.

L’isocyanate est purifié par distillation sous pression réduite (105°C ; 0,05 mmHg).

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,79 (m : 1 H, =CH) ; 4,96 (m : 2 H, CH2=) ; 3,27 (t : 2 H, J = 6,8 Hz,

CH2NCO) ; 2,05 (q : 2 H, J = 7,0 Hz, =CH-CH2) ; 1,65-1,30 (m : 12 H, 6 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 138,9 (=CH) ; 114,1 (CH2=) ; 42,9 (CH2NCO) ; 33,7 (=CH-CH2) ;

31,2-26,4 (7 CH2).

IRTF (cm -1) : 2268 () ; 2856 ( CH2) ; 2928 ( CH2).

Analyse élémentaire : Calculée : % C : 72,88 ; % H : 10,56 ; % N : 7,73 ; % O : 8,83.

Trouvée : % C : 72,69 ; % H : 10,63 ; % N : 7,73 ; % O : 8,84.

3. Synthèse du 6-isocyanatohéxène (4)

C7H11NO (MM = 125,17 g.mol-1) Rendement : 73 % Aspect : huile incolore

A une solution de 1,47 g de l’acide 6-hepténoïque (11,47 mmol) dans 8 mL de THF fraîchement

distillée (env. 1 M) sont ajoutés 2,46 g de 1,8-Bis(diméthylamino)naphthalène (Proton SpongeTM, 11,47

mmol). Le mélange résultant est agité pendant 15 minutes à température ambiante. 2,52 mL d’azoture de

diphénylphosphoryle (DPPA, 11,47 mmol) sont alors ajoutés lentement. La réaction est chauffée à reflux

pendant 6 heures. Après retour à température ambiante, le sel de phosphate d’ammonium précipite. Il est

éliminé par filtration en lavant avec de l’éther diéthylique anhydre. Le filtrat est concentré et l’isocyanate

est purifié sous pression réduite.

P a g e | 181

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,75 (m : 1 H, =CH) ; 5,00 (m : 2H, CH2=) ; 3,32 (t : 2H, J = 6,4 Hz,

CH2NCO) ; 2,08 (q : 2 H, J = 7,0 Hz, =CH-CH2) ; 1,69-1,42 (m : 4 H, 2 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 138,0 (=CH) ; 115,0 (CH2=) ; 42,8 (CH2NCO) ; 32,9 (=CH-CH2) ;

32,9/30,6/25,7 (3 CH2).

4. Réactions entre le chlorhydrate du 12-aminododéc anoate de méthyle et les isocyantes

A une suspension de chlorhydrate de 12-aminododécanoate de méthyle (1) dans du CH2Cl2

préalablement distillé (env. 70 mM), la triéthylamine (1,1 éq.) est additionnée goutte à goutte sous courant

d'argon. Après 1 h d’agitation, l'isocyanate insaturé (1,2 éq.) est ajouté à 0°C. La solution devient

transparente. Elle est agitée pendant 16 heures à température ambiante. Le solvant est ensuite évaporé

à la rampe. Le solide blanc ainsi obtenu est placé sur un fritté, puis lavé avec du pentane sec pour

éliminer l'excès d'isocyanate. Ensuite, le solide est lavé avec de l’eau distillé pour éliminer le sel de

triéthylamine qui s’est formé au cours de la réaction. Le produit pur est isolé après séchage sous pression

réduite.

• Synthèse du 12-(allylureido)dodecanoate de méthyle (5)

C17H32N2O3 (MM = 312,45 g.mol-1) Rendement : 77 % Aspect : solide blanc

Point de fusion : 92-93 °C

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,83 (m : 1 H, =CH) ; 5,12 (m : 2 H, CH2=) ; 3,75 (m : 2 H, =CH-CH2);

3,64 (s : 3 H, OCH3) ; 3,10 (m : 2 H, CH2N) ; 2,28 (t : 2 H, CH2CO) ; 1,61-1,36 (m : 18 H, 9 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 174,4 (COester) ; 158,5 (COurée) ; 138,5 (=CH) ; 114,6 (CH2=) ; 51,4

(OCH3) ; 40,3 (CH2N) ; 34,1-33,4 (=CH-CH2, CH2CO) ; 30,3-24,9 (9 CH2).

IRTF (cm -1) : 1572 (, ) ; 1616 ( urée) ; 1727 ( ester) ; 2851 ( CH2) ; 2921 ( CH2) ; 3333

().


Trouvée : % C : 64,71 ; % H : 10,19 ; % N : 9,01 ; % O : 15,08.

SMHR-ESI Calculée pour C20H38N2O3Na [M+Na]+ 335,2305, trouvée 335,2310.

• Synthèse du 12-[(hex-5-enyl)ureido]dodecanoate de méthyle (6)



RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,77 (m : 1 H, =CH) ; 4,95 (m : 2 H, CH2=) ; 3,58 (s : 3 H, OCH3) ;

3,14 (m : 4 H, 2x CH2N) ; 2,29 (t : 2 H, J = 7,3 Hz, CH2CO) ; 2,06 (q : 2 H, =CH-CH2) ; 1,63-1,23 (m : 22

H, 11 CH2).

P a g e | 182


(OCH3) ; 40,5-40,3 (CH2N) ; 34,1-33,4 (=CH-CH2, CH2CO) ; 30,3-24,9 (11 CH2).


().


Trouvée : % C : 67,79 ; % H : 11,15 ; % N : 7,73 ; % O : 13,75.


• Synthèse du 12-[(decyl-9-enyl)ureido]dodecanoate de méthyle (7)



RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,76 (m : 1 H, =CH) ; 4,87 (m : 2 H, CH2=) ; 3,59 (s : 3 H, OCH3) ;

3,08 (m : 4 H, 2x CH2N) ; 2,23 (t : 2 H, J = 7,6 Hz, CH2CO) ; 1,99 (q : 2 H, J = 6,8 Hz, =CH-CH2) ; 1,93-

1,21 (m : 30 H, 15 CH2).


(OCH3) ; 40,6 (CH2N) ; 34,1-33,7 (=CH-CH2, CH2CO) ; 30,2-28,9 (12 CH2).


().


Trouvée : % C : 70,48 ; % H : 11,39 ; % N : 6,92 ; % O : 11,97.


5. Synthèse du 4-[(dec-9-enyl)ureido]butanoate de méthyle (8)


Le chlorhydrate du 4-aminobutanoate de méthyle (0,33 g ; 2,15 mmol) est dissout dans 20 mL de

CH2Cl2 distillé. La triéthylamine (0,32 mL ; 2,36 mmol ; 1,1 éq.) est additionnée lentement sous

atmosphère inerte. Après 30 minutes d’agitation, le 10-isocyanatodécène (0,47 g ; 2,58 mmol ; 1,2 éq.)

est ajoutée à 0°C. Le mélange est agité 16 heures à température ambiante. Le solvant est ensuite

évaporé sous pression réduite puis, le solide blanc est lavé abondamment au pentane pour éliminer

l’excès d’isocyanate. Le solide résultant est dissout dans du CH2Cl2. La solution chlorée obtenue est

lavée avec une solution saturée en NaCl, séchée sur MgSO4 et concentrée sous pression réduite pour

donner le composé pur.

Point de fusion : 87-88°C

P a g e | 183

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,75 (m : 1 H, =CH) ; 5,05 (m : 2 H, CH2=) ; 3,64 (s : 3 H,

OCH3) ; 3,20-3,13 (m : 4 H, 2x CH2N) ; 2,36 (t : 2 H, J = 7,3 Hz, CH2CO) ; 2,03 (q : 2 H, J = 6,8 Hz, =CH-

CH2) ; 1,80 (q : 2 H, J = 7,2 Hz, CH2CH2CO) ; 1,46-1,25 (m : 12 H, 6 CH2).


(OCH3) ; 40,4 (NCH2CH2CH2CO) ; 39,6 (CH2N) ; 33,7 (=CH-CH2) ; 31,3 (CH2CO) ; 30,2-25,4 (6 CH2).


().


Trouvée : % C : 64,38 ; % H : 10,17 ; % N : 9,30 ; % O : 15,98.


6. Hydrosilylation des esters insaturés avec le tri chlorosilane

C24H47Cl3N2O3Si (MM = 545,77 g.mol-1)

Conversion totale

Le toluène anhydre est ajouté sous atmosphère inerte à l’ester insaturé pour avoir une

concentration de 0,1 M. Le catalyseur de Karstedt (Platine(0)-1,3-divinyl-1,1,3,3-tétraméthyldisiloxane

dans du xylène, 0,1 éq. en Pt) puis le trichlorosilane fraîchement distillé (16 éq.) sont introduits. Le milieu

réactionnel est alors porté à 40°C pendant 2 heures . Après retour à température ambiante, le toluène et

l'excès de trichlorosilane sont évaporés sous pression réduite.

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,65 (s : 9 H, (OCH3)3) ; 3,27 (m : 4 H, 2x CH2NH) ; 2,29 (t : 2 H, J =

7,6 Hz, CH2CO) ; 2,01-0,90 (m : 36 H, 18 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 174,4 (COester) ; 159,5 (COurée) ; 51,4 (OCH3) ; 41,8 (CH2N) ; 34,1

(CH2CO) ; 24,9-29,4 (20 CH2) ; 21,4 (CH2Si).

7. Hydrosilylation des esters insaturés avec le tri méthoxysilane

Sous atmosphère inerte, le toluène anhydre est ajouté à l’ester insaturé de telle sorte que la

concentration soit de l’ordre de 0,1 M. Le catalyseur de Karstedt (Platine(0)-1,3-divinyl-1,1,3,3-

tétraméthyldisiloxane dans du xylène, 0,025 éq. en Pt) puis, le triméthoxysilane (5 éq.) sont introduits.

Lors de l’ajout du triméthoxysilane, la solution devient rapidement jaune. Le milieu réactionnel est agité à

60°C pendant 20 heures avant d’évaporer le toluène et l’excès de triméthoxysilane sous pression réduite.

En RMN 1H, la disparition complète des multiplets associés à la double liaison (à 5,0–5,8 ppm) indique

que la conversion est totale.

P a g e | 184

• Synthèse du N-[N-((triméthoxysilyl)propyl)ureido]dodécanoate de méthyle (12)

C20H42N2O6Si (MM = 434,64 g.mol-1) Conversion totale

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,64 (s : 3 H, OCH3) ; 3,52 (s : 9 H, Si(OCH3)3) ; 3,10 (m : 2 H,

CH2NH) ; 2,28 (t : 2 H, J = 7,3 Hz, CH2CO) ; 1,61-1,36 (m : 18 H, 10 CH2) ; 0,60 (m : 2 H, CH2Si).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 174,4 (COester) ; 158,5 (COurée) ; 51,4 (OCH3) ; 50,4 (Si(OCH3)3) ;

40,3 (2x CH2N) ; 34,1 (CH2CO) ; 30,3-24,9 (11 CH2) ; 22,3 (CH2CH2Si) ; 9,1 (CH2Si).

RMN 29Si (59 MHz, CDCl 3, δδδδ ppm) : -41,70.

SMHR-ESI Calculée pour C20H42N2O6NaSi [M+Na]+ 457,2704, trouvée 457,2701.

• Synthèse du N-[N-((triméthoxysilyl)héxyl)ureido]dodécanoate de méthyle (13)


RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,62 (s : 3 H, OCH3) ; 3,52 (s : 9 H, Si(OCH3)3) ; 3,11 (m : 4 H, 2x

CH2N) ; 2,26 (t : 2 H, J = 7,3 Hz, CH2CO) ; 1,57-1,22 (m : 26 H, 13 CH2) ; 0,59 (m : 2 H, CH2Si).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 174,3 (COester) ; 158,6 (COurée) ; 51,3 (OCH3) ; 50,4 (Si(OCH3)3) ;

40,4-40,3 (CH2N) ; 34,0 (CH2CO) ; 32,7-24,8 (12 CH2) ; 22,4 (CH2CH2Si) ; 9,0 (CH2Si).


IRTF (cm -1) : 1582 (, ) ; 1621 ( urée) ; 1733 ( ester) ; 2850 ( CH2) ; 2921 ( CH2).


• Synthèse du N-[N-((triméthoxysilyl)décyl)ureido]dodécanoate de méthyle (14)


RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,63 (s : 3 H, OCH3) ; 3,50 (s : 9 H, Si(OCH3)3) ; 3,13 (m : 4 H, 2x

CH2N) ; 2,26 (t : 2 H, J = 7,5 Hz, CH2CO) ; 1,57-1,22 (m : 34 H, 17 CH2) ; 0,60 (m : 2 H, CH2Si).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 174,2 (COester) ; 158,7 (COurée) ; 51,3 (OCH3) ; 50,4 (Si(OCH3)3) ; 40,3

(2x CH2N) ; 34,0 (CH2CO) ; 33,0-24,8 (16 CH2) ; 22,5 (CH2CH2Si) ; 9,0 (CH2Si).



• Synthèse du N-[N-((triméthoxysilyl)décyl)ureido]butanoate de méthyle (15)


P a g e | 185

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,65 (s : 3 H, OCH3) ; 3,55 (s : 9 H, Si(OCH3)3) ; 3,22-3,08 (m : 4 H,

2x CH2N) ; 2,36 (t : 2 H, J = 7,2 Hz, CH2CO) ; 1,80 (q : 2 H, J = 7,1 Hz, CH2CH2CO) ; 1,48-1,25 (m : 16 H,

8 CH2) ; 0,62 (m : 2 H, CH2Si).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 174,1 (COester) ; 158,5 (COurée) ; 51,6 (OCH3) ; 50,4 (Si(OCH3)3) ; 40,5

(NCH2CH2CH2CO) ; 39,7 (CH2N) ; 33,0 (CH2CO) ; 31,3-25,4 (8 CH2) ; 22,5 (CH2CH2Si) ; 9,1 (CH2Si).



8. Synthèse de l’acide 12-(tert-butoxycarbonylamino )dodécanoïque (16)

C17H33NO4 (MM = 315,45 g.mol-1) Rendement : 59 % Aspect : solide blanc

L’acide aminododécanoïque (2 g ; 9,30 mmol) est dissout dans un mélange de t-butanol/eau (3/1,

20 mL) dont le pH est ajusté à 13-14 avec une solution de NaOH 1 N. Le di-tert-butyl dicarbonate (2,84

g ; 13,00 mmol ; 1,4 éq.) est lentement ajouté à 0°C. Après 16 heures à température ambiante, une

solution de HCl 10% est lentement ajoutée à 0°C jus qu’à pH 2. La phase aqueuse est extraite à l’acétate

d’éthyle (3 x 50 mL) puis les phases organiques sont récupérées, séchées sur MgSO4 et concentrées

sous pression réduite. Le produit est purifié par recristallisation dans l’acétonitrile.


RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,07 (m : 2 H, CH2N) ; 2,28 (t : 2 H, J = 7,6 Hz, CH2CO) ; 1,60-1,22

(m : 27 H, 3 CH3, 9 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 179,0 (COacide) ; 156,0 (COboc) ; 78,9 (CH) ; 40,5 (CH2N) ; 34,0

(CH2CO) ; 29,9-28,3 (5 CH2) ; 26,6 (CH2CH2NH) ; 24,6 (CH2CH2CO).

IRTF (cm -1) : 1518 (δNH) ; 1686 ( boc) ; 1700 ( dimère acide) ; 1716 ( acide) ; 2851 ( CH2) ;

2873 ( CH3) ; 2917 ( CH2) ; 2977 ( CH3) ; 3368 ().


Trouvée : % C : 64,45 ; % H : 10,56 ; % N : 4,45 ; % O : 21,16.

SMHR-ESI Calculée pour C17H33NO4Na [M+Na]+ 338,2301, trouvée 338,2317.

9. Synthèse du 12-(tert-butoxycarbonylamino)dodécan oate de 2-nitrobenzyle (17)


A une solution d’acide 12-(tert-butoxycarbonylamino)dodécanoïque 16 (1,30 g ; 4,12 mmol) dans

20 mL de CH2Cl2 sont ajoutés sous atmosphère inerte la 4-diméthylaminopyridine (0,50 g ; 4,12 mmol),

P a g e | 186

l’alcool nitrobenzylique (0,50 g ; 3,3 mmol ; 0,8 éq.) et la dicyclohexylcarbodiimide (0,85 g ; 4,12 mmol).

Après 20 heures à température ambiante, la dicylohexylurée (DCU) formée est filtrée puis la solution est

lavée avec une solution saturée en NaCl. Les phases organiques sont rassemblées, séchées sur MgSO4

et concentrées. Le produit est purifié par chromatographie sur gel de silice (Eluant : 100% CH2Cl2).


RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 8,11 (d : 1 H, Hb) ; 7,65-7,47 (m : 3 H, Hc, Hd, He) ; 5,52 (s : 2 H,

CH2Ar) ; 3,10 (m : 2 H, CH2N) ; 2,41 (t : 2 H, J = 7,5 Hz, CH2CO) ; 1,62-1,27 (m : 28 H, 3 CH3, 9 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 173,0 (COester) ; 155,9 (COboc) ; 147,5 (Cf) ; 133,6 (Cb) ; 132,1 (Ca) ;

128,9 (Cc) ; 128,6 (Cd) ; 124,9 (Ce) ; 78,8 (CH) ; 62,6 (CH2Ar) ; 40,5 (CH2N) ; 34,0 (CH2CO) ; 29,9-29,0 (7

CH2) ; 28,3 (CH3) ; 26,6 (CH2CH2NH) ; 24,7 (CH2CH2CO).

IRTF (cm -1) : 1337 ( NO2) ; 1521 (, ) ; 1530 ( NO2) ; 1688 ( boc) ; 1748 ( ester) ; 2852

(νs CH2) ; 2878 ( CH3) ; 2919 ( CH2) ; 2975 ( CH3) ; 3372 ().


Trouvée : % C : 64,25 ; % H : 8,56 ; % N : 6,21 ; % O : 19,87.


10. Déprotection du 12-(tert-butoxycarbonylamino)do décanoate de 2-nitrobenzyle (18)

C21H31F3N2O6 (MM = 464,48 g.mol-1) Rendement : 95 % Aspect : huile

L’acide trifluoroacétique (0,79 mL ; 10,65 mmol ; 12 éq.) est ajouté à une solution de 12-(tert-

butoxycarbonylamino)dodécanoate de 2-nitrobenzyle 17 (0,40 g ; 0,89 mmol) dans 20 mL de CH2Cl2. Le

milieu réactionnel est agité à température ambiante 4 heures avant d’évaporer le solvant. L’acide

trifluoroacétique est éliminé en formant un azéotrope avec le toluène.

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 8,11 (d : 1 H, Hb) ; 7,65-7,49 (m : 3 H, Hc, Hd, He) ; 5,50 (s : 2 H,

CH2Ar) ; 2,89 (m : 2 H, CH2NH3+) ; 2,40 (t : 2 H, J = 7,5 Hz, CH2CO) ; 1,65-1,25 (m : 18 H, 9 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 173,2 (COester) ; 147,5 (Cf) ; 133,6 (Cb) ; 132,2 (Ca) ; 129,0 (Cc) ;

128,7 (Cd) ; 125,0 (Ce) ; 62,7 (CH2Ar) ; 39,8 (CH2N) ; 34,1 (CH2CO) ; 29,3-26,2 (8 CH2) ; 24,8

(CH2CH2CO).

IRTF (cm -1) : 1338 ( NO2) ; 1529 ( NO2) ; 1673 ( CO2-) ; 1744 ( ester) ; 2853 ( CH2) ; 2922

( CH2).

Analyse élémentaire : Calculée : % C : 54,30 ; % H : 6,73 ; % N : 6,03.

Trouvée : % C : 53,29 ; % H : 6,72 ; % N : 5,88.

SMHR-ESI Calculée pour C19H31N2O4 [M-TFA] 351,2278, trouvée 351,2293.

P a g e | 187

11. Synthèse du 12-[(dec-9-enyl)ureido]dodécanoate de nitrobenzyle (19)

HN

HN

O

O

O

11

O2N

ab

c

d

e

f8


A une solution de sel de trifluoroacétate d’ammonium 18 (0,34 g ; 0,73 mmol) dans 15 mL de

CH2Cl2 anhydre sont ajoutés de la triéthylamine (0,12 mL ; 0,80 mmol ; 1,1 éq.) et l’isocyanatodécène

(0,17 g ; 0,95 mmol ; 1,3 éq.). Après 16 heures d’agitation à température ambiante, le solvant est

évaporé. Le solide est ensuite lavé abondamment avec du pentane pour éliminer l’excès d’isocyanate. Le

solide résultant est alors repris dans du CH2Cl2 et cette solution est lavée avec une solution saturée en

NaCl, séchée sur MgSO4 et concentrée sous pression réduite.


RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 8,11 (d : 1 H, J = 8,1 Hz, Hb) ; 7,65-7,49 (m : 3 H, Hc, Hd, He) ; 5,80

(m : 1 H, =CH) ; 5,50 (s : 2 H, CH2Ar) ; 4,93 (m : 2 H, CH2=) ; 3,13 (m : 4 H, 2x CH2N) ; 2,40 (t : 2 H, J =

7,5 Hz, CH2CO) ; 2,04 (q : 2 H, J = 6,8 Hz, =CH-CH2) ; 1,68-1,25 (m : 30 H, 15 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 173,2 (COester) ; 158,5 (COurée) ; 147,5 (Cf) ; 139,1 (=CH) ; 133,6 (Cb);

132,2 (Ca) ; 129,0 (Cc) ; 128,7 (Cd) ; 125,0 (Ce) ; 114,1 (CH2=) ; 62,7 (CH2Ar) ; 40,6 (2x CH2N) ; 34,1

(CH2CO) ; 33,7 (=CH-CH2) ; 30,2-26,9 (14 CH2) ; 24,8 (CH2CH2CO).

IRTF (cm -1) : 1332 ( NO2) ; 1531 ( NO2) ; 1570 (, ) ; 1615 ( urée) ; 1645 () ; 1734 (

ester) ; 2850 ( CH2) ; 2922 ( CH2) ; 3335 ().


Trouvée : % C : 67,76 ; % H : 9,50 ; % N : 8,05 ; % O : 13,90.


12. Hydrosilylation du 12-((dec-9-enyl)ureido)dodéc anoate de nitrobenzyle (20)


Dans un schlenk, sous atmosphère inerte, sont ajoutés à température ambiante 13,3 mg du 12-

[(dec-9-enyl)ureido]dodécanoate de nitrobenzyle 19 (2,5.10-5 mol), 0,2 mL de toluène anhydre, le

catalyseur de Karstedt (0,025 éq.) et le triméthoxysilane (5 éq.). Le milieu est agité à 65°C pendant 20

heures. Le solvant est ensuite évaporé sous pression réduite.

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 8,10 (d : 1 H, J = 8,1 Hz, Hb) ; 7,65-7,48 (m : 3 H, Hc, Hd, He) ; 5,50

(s : 2 H, CH2Ar) ; 3,54 (s : 9 H, Si(OCH3)3) ; 3,13 (m : 4 H, 2x CH2N) ; 2,40 (t : 2 H, J = 7,5 Hz, CH2CO) ;

1,67-1,25 (m : 30 H, 15 CH2) ; 0,63 (m : 2 H, CH2Si).

P a g e | 188

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 173,1 (COester) ; 158,5 (COurée) ; 147,5 (Cf) ; 133,6 (Cb) ; 132,2 (Ca) ;

129,0 (Cc) ; 128,7 (Cd) ; 125,0 (Ce) ; 62,7 (CH2Ar) ; 50,4 (Si(OCH3)3) ; 40,5 (2x CH2N) ; 34,1 (CH2CO) ;

30,3-26,9 (15 CH2) ; 24,8 (CH2CH2CO) ; 22,5 (CH2CH2Si) ; 9,1 (CH2Si).


IRTF (cm -1) : 1084-1194 ( Si-O) ; 1334 ( NO2) ; 1532 ( NO2) ; 1576 (, ) ; 1617 ( urée) ;

1736 ( ester) ; 2850 ( CH2) ; 2925 ( CH2).

13. Synthèse du 1-(dec-9-enyl)-3-[triméthoxysilylpr opyl]urée (21)

C17H36N2O4Si (MM = 360,29 g.mol-1) Rendement : 80 % Aspect : huile incolore très visqueuse

Dans un schlenk, 0,52 mL de (3-aminopropyl)triméthoxysilane (3,04 mmol ; 1,1 éq.) sont ajoutés

goutte à goutte à 0°C à une solution de 0,50 g de 10-isocyanatodécène 3 (2,76 mmol) dans 30 mL de

CH2Cl2 préalablement distillé. Le mélange est agité pendant 16 heures à température ambiante. Le

solvant est ensuite évaporé et l’excès de (3-aminopropyl)triméthoxysilane est éliminé par distillation à la

Kugelrohr (80°C, 0,01 mmHg).

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,82 (m : 1 H, =CH) ; 4,93 (m : 2 H, CH2=) ; 4,32-4,45 (m : 2 H, 2x

NH) ; 3,56 (s : 9 H, Si(OCH3)3) ; 3,14 (m : 4 H, 2x CH2N) ; 2,04 (q : 2 H, J = 6,8 Hz, CH2-CH=) ; 1,28-1,66

(m : 14 H, 7 CH2) ; 0,65 (m : 2 H, CH2Si).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 158,3 (COurée) ; 139,1 (=CH) ; 114,1 (CH2=) ; 50,5 (Si(OCH3)3) ; 42,8-

40,6 (CH2N) ; 33,7 (=CH-CH2) ; 33,7-23,4 (8 CH2) ; 6,3 (CH2Si).


IRTF (cm -1) : 1089 ( Si-O) ; 1576 (, ) ; 1633 ( urée) ; 2855 ( CH2) ; 2928 ( CH2).

Analyse élémentaire : Calculée : % C : 56,03 ; % H : 10,06 ; % N : 7,77 ; % Si : 7,79.

Trouvée : % C : 56,50 ; % H : 10,20 ; % N : 7,55 ; % Si : 7,75.

SM-ESI (m/z) : 383,3 [M+Na]+

14. Synthèse du 10-undécényl acétate (22)

C13H24O2 (MM = 212,33 g.mol-1) Rendement : 92 % Aspect : huile incolore

A une solution de 10-undécéne-1-ol (0,50 g ; 3,20 mmol) dans 10 mL de pyridine, de l’anhydride

acétique (3 éq. ; 9,60 mmol) a été ajoutée. Le mélange a été agité à 60°C pendant 3 heures. Le produit a

alors été extrait avec de l’AcOEt (25 mL). Puis, elle a été lavée avec du HCl 1 N (25 mL x5) et une

solution saturée en NaCl (25 mL). La phase organique a été séchée avec MgSO4, concentrée sous

pression réduite pour obtenir une huile légèrement jaune. Le produit a été purifié par chromatographie sur

gel de silice (Eluant : AcOEt/Pentane, 5/95).

P a g e | 189

CCM : Rf = 0,83-0,85 (AcOEt/Pentane, 5/95)


CH2OCO) ; 2,04 (s : 3 H, CH3) ; 2,02 (m : 2 H, =CH-CH2) ; 1,63-1,25 (m : 14 H, 7 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 171,2 (COester) ; 139,1 (=CH) ; 114,1 (CH2=) ; 64,6 (CH2O) ; 33,7

(=CH-CH2) ; 29,4-25,8 (7 CH2) ; 20,9 (CH3).

IRTF (cm -1) : 1247 ( ester) ; 1641 () ; 1726 ( ester) ; 2856 ( CH2) ; 2926 ( CH2).

Analyse élémentaire : Calculée : % C : 73,54 ; % H : 11,39 ; % O : 15,07.

Trouvée : % C : 73,63 ; % H : 11,32 ; % O : 15,15.

SMHR-ESI Calculée pour C13H24O2Na [M+Na]+ 235,1668, trouvée 235,1677.

15. Synthèse de l’acide 10-acétoxy décanoïque (23)

C12H22O4 (MM = 230,30 g.mol-1) Rendement : 91 % Aspect : huile légèrement jaune

L’oléfine, 10-undécènyl acétate 22 (1 g ; 4,71 mmol), a été dissoute dans du DMF (18 mL ; 0,2 M)

et du tétroxyde d’osmium (47 µmol ; 0,01 éq. ; dans 2,5 % de t-BuOH) a été ajouté. Après avoir agité

pendant 5 min, 11,58 g d’Oxone® (18,84 mmol ; 4 éq.) ont été ajoutés. La réaction est très exothermique.

Le mélange a été agité à température ambiante pendant 3 heures. Du Na2SO3 (6 éq.) a été ajouté pour

réduire l’Os(VIII) restant, puis la réaction a été agitée une heure supplémentaire. Le produit est extrait

avec de l’AcOEt et les sels sont solubilisés avec de l’HCl 1 N. La phase organique est lavée avec du HCl

1 N (3x) et une solution saturée en NaCl, puis séchée avec MgSO4. Le solvant est évaporé sous pression

réduite pour conduire à l’acide.

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 4,02 (t : 2 H, J = 6,8 Hz, CH2OCO) ; 2,31 (t : 2 H, J = 7,5 Hz,

CH2CO2H) ; 2,02 (s : 3 H, CH3) ; 1,62-1,22 (m : 14 H, 7 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 179,6 (COacide) ; 171,4 (COester) ; 64,6 (CH2O) ; 29,2-24,5 (7 CH2) ;

20,9 (CH3).

IRTF (cm -1) : 1247 ( ester) ; 1698 ( dimère acide) ; 1718 ( acide) ; 1726 ( ester) ; 2850 (

CH2) ; 2917 ( CH2).

Analyse élémentaire : Calculée : % C : 62,58 ; % H : 9,63 ; % O : 27,79.

Trouvée : % C : 62,57 ; % H : 10,04 ; % O : 26,23.

SMHR-ESI Calculée pour C12H22O4Na [M+Na]+ 253,1410, trouvée 253,1415.

16. Synthèse du 11-azido-1-undécène (24)

C11H21N3 (MM = 195,31 g.mol-1) Rendement : 92 % Aspect : huile incolore

.

P a g e | 190

A une solution de 11-bromoundécène (4 g ; 17,15 mmol) dans 40 mL de DMF, sont introduits

1,34 g d’azoture de sodium (22,29 mmol ; 1,3 éq.). Le mélange est agité vigoureusement pendant 6

heures. Le bromure de sodium formé est éliminé par filtration. Après avoir évaporé le solvant, le produit

est extrait au pentane (4x 30 mL), séché sur MgSO4 et concentré sous pression réduite. L’azoture est

ensuite purifié par chromatographie sur gel de silice (Eluant : 5% CH2Cl2/MeOH).


CH2N3) ; 2,05 (q : 2 H, J = 6,8 Hz, =CH-CH2) ; 1,65-1,30 (m : 14 H, 7 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 139,1 (=CH) ; 114,1 (CH2=) ; 51,4 (CH2N3) ; 33,8 (=CH-CH2) ; 33,8-

26,7 (7 CH2).

IRTF (cm -1) : 2093 (N=N=N) ; 2856 ( CH2) ; 2926 ( CH2).


Trouvée : % C : 67,82 ; % H : 10,74 ; % N : 20,53.

17. Synthèse du 11-amino-1-undécène (25)

C11H23N (MM = 169,18 g.mol-1) Rendement : 74 % Aspect : huile incolore

Dans une solution de 11-azido-undécène 24 (2,09 g ; 10,70 mmol) dans 7 mL de THF sont

ajoutés la triphénylphosphine (4,21 g ; 16,05 mmol ; 1,5 éq.) et de l’eau (0,7 mL, 35,31 mmol ; 3,3 éq.).

Après 3 heures d’agitation à 40°C, le solvant est é vaporé sous pression réduite. L’oxyde de

triphénylphosphine est précipité en ajoutant du pentane puis éliminé par filtration. Le produit est purifié

par distillation sous pression réduite.


CH2N) ; 2,04 (q : 2 H, J = 6,4 Hz, =CH-CH2) ; 1,45-1,30 (m : 14 H, 7 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 139,1 (=CH) ; 114,0 (CH2=) ; 42,1 (CH2NH2) ; 33,8 (=CH-CH2) ; 33,5-

26,8 (7 CH2).

SMHR-ESI Calculée pour C11H24N [M+H]+ 170,1903, trouvée 170,1899.

18. Synthèse du 10-acétoxy-N-(undec-10-enyl)décanam ide (26)


A une solution d’acide 10-acétoxy décanoïque 23 (1,40 g ; 6,80 mmol) dans 70 mL de CH2Cl2

distillé sont ajoutés du N-hydroxysuccinimide (NHS ; 0,77 g ; 6,68 mmol ; 1,1 éq.) puis du

dicyclohexylcarbodiimide (DCC ; 1,38 g ; 6,68 mmol ; 1,1 éq.) sous atmosphère inerte. Le mélange est

agité pendant 2 heures à température ambiante avant d’éliminer par filtration la dicyclohexylurée (DCU)

P a g e | 191

formée. Le 11-amino-1-undécène 25 (1,44 g ; 8,51 mmol ; 1,4 éq.) est alors ajouté lentement. La solution

est laissée 16 heures à température ambiante. Le milieu réactionnel est filtré puis, le filtrat est lavé avec

une solution saturée en NaCl. La phase organique est séchée sur MgSO4, filtrée et concentrée sous

pression réduite. La dicyclohexylurée résiduelle est alors complètement éliminée par filtration à 0°C dans

de l’acétate d’éthyle. Le produit est purifié par chromatographie sur gel de silice (Eluant : AcOEt/Pentane,

60/40).

CCM : Rf (AcOEt/Pentane, 60/40) = 0,66-0,68



CH2OCO) ; 3,18 (q : 2 H, CH2N) ; 2,11 (t : 2 H, CH2C(O)N) ; 1,98 (m : 5 H, CH3,=CH-CH2) ; 1,55-1,22 (m :

28 H, 14 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 173,0 (COamide) ; 171,0 (COester) ; 138,9 (=CH) ; 114,0 (CH2=) ; 64,4

(CH2OCO) ; 39,3 (CH2N) ; 36,6 (CH2(CO)N) ; 33,6 (=CH-CH2) ; 29,5-25,6 (12 CH2) ; 20,8 (CH3).

IRTF (cm -1) : 1537 (, ) ; 1632 ( amide) ; 1734 ( ester) ; 2851 ( CH2) ; 2919 ( CH2) ;

3309 ().


Trouvée : % C : 72,64 ; % H : 11,69 ; % N : 3,61 ; % O : 11,33.


19. Hydrosylilation du 10-acétoxy-N-(undec-10-enyl) décanamide (37)

C26H53NO6Si (MM = 503,79 g.mol-1) Conversion totale


acétoxy-N-(undec-10-enyl)décanamide 26 (2,5.10-5 mol), 0,2 mL de toluène anhydre, le catalyseur de

Karstedt (0,025 éq.) et le triméthoxysilane (5 éq.). Le milieu est agité à 65°C pendant 20 heur es. Le

solvant est ensuite évaporé sous pression réduite.

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 4,01 (t : 2 H, J = 6,8 Hz, CH2OCO) ; 3,54 (s : 9 H, Si(OCH3)3) ; 3,17

(q : 2 H, CH2N) ; 2,12 (t : 2 H, CH2C(O)N) ; 2,01 (s : 3 H, CH3) ; 1,61-1,16 (m : 32 H, 16 CH2) ; 0,61 (m : 2

H, CH2Si).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 172,9 (COamide) ; 171,2 (COester) ; 64,5 (CH2OCO) ; 50,5 (Si(OCH3)3) ;

39,4 (CH2N) ; 36,8 (CH2CO) ; 33,0 (CH2CH2CH2Si) ; 29,5-25,8 (15 CH2) ; 22,5 (CH2CH2Si) ; 20,9 (CH3) ;

9,1 (CH2Si).


SMHR-ESI Calculée pour C26H53NO6NaSi [M+Na]+ 526,3534, trouvée 526,3524.

P a g e | 192

20. Synthèse du 10-hydroxy-N-(undec-10-enyl)décanam ide (27)


L’10-acétoxy-N-(undec-10-enyl)décanamide 26 (0,64 g ; 1,68 mmol) est agité pendant 20 heures

avec du carbonate de potassium (0,40 g ; 2,89 mmol) dans 10 mL de méthanol. La déprotection complète

de l’alcool a été contrôlée par chromatographie sur couche mince (CCM) dans un mélange

CH2Cl2/MeOH : 95/5. Le mélange est filtré puis le filtrat est évaporé. 10 mL d’eau sont ajoutés au

concentré récupéré et le tout est extrait à l’éther. Les phases éthérées sont séchées sur MgSO4 et

concentrées sous pression réduite pour donner l’alcool.

Point de fusion : 73 °C

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,81 (m : 1 H, =CH) ; 4,92 (m : 2 H, CH2=) ; 3,59 (t : 2 H, CH2OH) ;

3,20 (q : 2 H, CH2N) ; 2,18 (t : 2 H, CH2C(O)N) ; 1,94 (q : 2 H, =CH-CH2) ; 1,55-1,22 (m : 28 H, 14 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 173,2 (COamide) ; 139,1 (=CH), 114,0 (CH2=) ; 62,7 (CH2OH) ; 39,4

(CH2N) ; 36,7 (CH2(CO)N) ; 33,7 (=CH-CH2) ; 32,6-25,6 (12 CH2).

IRTF (cm -1) : 1539 (, ) ; 162 ( amide) ; 2850 ( CH2) ; 2916 ( CH2) ; 3310 ().


Trouvée : % C : 73,36 ; % H : 12,23 ; % N : 3,86.


21. Synthèse du 10-(oxiran-2-ylmethoxy)-N-(undec-10 -enyl)decanamide (28)


Le 10-hydroxy-N-(undec-10-enyl)décanamide (0,56 g ; 1,65 mmol) a été ajouté goutte à goutte à

une suspension d’hydrure de sodium (87 mg ; 2,19 mmol ; 1,3 éq.) dans 3 mL de THF sous atmosphère

inerte. Le mélange est alors agité à 60°C pendant 3 heures avant l’ajout d’épichlorhydrine (0,71 mL ; 9,07

mmol ; 5,5 éq.) La réaction est agitée pendant 18 heures supplémentaires au reflux. Pour éliminer l’excès

de NaH, une solution aqueuse de Na2HPO4 0,25 M (pH 7,0) est ajoutée. La phase organique est extraite

avec de l’Et2O, lavée à l’eau distillée jusqu’à neutralité, séchée sur MgSO4, filtrée et concentrée sous

pression réduite. Le produit est purifié par chromatographie sur gel de silice (Eluant : AcOEt/CH2Cl2,

60/40).

CCM : Rf (AcOEt/CH2Cl2, 60/40) = 0,67-0,69


RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,82 (m : 1 H, =CH) ; 4,99 (m : 2 H, CH2=) ; 3,65 (dd : 1 H, J = 11,3,

3,1 Hz, OCH2-époxyde) ; 3,41 (q : 2 H, CH2O) ; 3,31 (dd : 1 H, J = 11,4, 5,8 Hz, OCH2-époxyde) ; 3,16 (q :

2 H, CH2N) ; 3,09 (m : 1 H, CH époxyde) ; 2,73 (tapp : 1 H, J = 4,9 Hz, CH2 époxyde) ; 2,55 (m : 1 H, J =

P a g e | 193

5,2, 2,6 Hz, CH2 époxyde) ; 2,07 (t : 2 H, J = 7,5 Hz, CH2C(O)N), 1,98 (t : 2 H, =CH-CH2), 1,55-1,15 (m :

28 H, 14 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 173,0 (COamide) ; 138,9 (=CH) ; 113,9 (CH2=) ; 71,5-71,3 (CH2OCH2) ;

50,7 (CH époxyde) ; 44,1 (CH2 époxyde) ; 39,3 (CH2N) ; 36,6 (CH2CO) ; 33,6 (=CH-CH2) ; 29,4-25,6 (14

CH2).

IRTF (cm -1) : 853 ( cycle) ; 906 ( cycle) ; 1545 (, ) ; 1634 ( amide) ; 2851 ( CH2) ; 2916

( CH2) ; 3316 ().


Trouvée : % C : 72,44 ; % H : 11,59 ; % N : 3,76 ; % O : 12,33.


22. Synthèse du 10-(oxiran-2-ylmethoxy)-N-(undec-10 -enyl)decanamide (29)

C27H55NO6Si (MM = 517,81 g.mol-1) Conversion totale


(oxiran-2-ylmethoxy)-N-(undec-10-enyl)decanamide 28 (2,5.10-5 mol), 0,2 mL de toluène anhydre, le



RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,69 (dd : 1 H, OCH2 époxyde) ; 3,54 (s : 9 H, Si(OCH3)3) ; 3,49 (q : 2

H, CH2O) ; 3,41 (dd : 1 H, OCH2-époxyde) ; 3,33 (dd : 1 H, OCH2-époxyde) ; 3,17 (q : 2 H, CH2N) ; 3,10

(m : 1 H, CH époxyde) ; 2,77 (t : 1 H, CH2 époxyde) ; 2,58 (m : 1 H, CH2 époxyde) ; 2,09 (t : 2 H,

CH2C(O)N) ; 1,64-1,23 (m : 30 H, 15 CH2) ; 0,64 (m : 2 H, CH2Si).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 172,9 (COamide) ; 71,6-71,4 (CH2OCH2) ; 51,0 (CH époxyde) ; 50,4

(Si(OCH3)3) ; 44,2 (CH2 époxyde) ; 39,4 (CH2N) ; 36,8 (CH2CO) ; 33,0 (CH2CH2CH2Si) ; 29,6-25,6 (15

CH2) ; 22,5 (CH2CH2Si) ; 9,1 (CH2Si).

IRTF (cm -1) : 913 ( cycle) ; 1085 ( Si-O) ; 1548 (, ) ; 1646 ( amide) ; 2853 ( CH2) ; 2925

( CH2) ; 3300 ().

SMHR-ESI Calculée pour C27H55NO6NaSi [M+Na]+ 540,3690, trouvée 540,3690.

23. Synthèse du 11-bromo-tert-butyldiphénylsilyloxy undécane (30)

C27H41BrOSi (MM = 490,07 g.mol-1) Rendement : 72 % Aspect : huile incolore

A une solution de 11-bromoundécanol (3 g ; 11,94 mmol) dans 25 mL de CH2Cl2 sont ajoutés de

l’imidazole (2,03 g ; 29,85 mmol ; 2,5 éq.) et du chlorure de tert-butyldiphénylsilane (3,94 g ; 14,33 mmol ;

P a g e | 194

1,2 éq.). Le mélange est agité à température ambiante pendant 16 heures avant l’addition d’une solution

aqueuse saturée en NH4Cl. La phase chlorée est mise de côté tandis que la phase aqueuse est traitée

avec de l’Et2O (3x). Les phases organiques sont combinées, lavées avec une solution saturée en NaCl,

séchées sur MgSO4 et concentrées sous pression réduite. Le produit est purifié par chromatographie sur

gel de silice (Eluant : Pentane/AcOEt, 95/5).

CCM : Rf (Pentane/AcOEt, 95/5) = 0,86

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 7,71-7,68 (m : 4 H, Hc,e) ; 7,45-7,37 (m : 6 H, Hb,d,f) ; 3,68 (t : 2 H, J =

6,8 Hz, CH2O) ; 3,43 (t : 2 H, J = 7,0 Hz, CH2Br) ; 1,88 (m : 2 H, CH2CH2Br) ; 1,58-1,28 (m : 16 H, 8 CH2) ;

1,08 (s : 9 H, 3 CH3).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 135,6 (Cb,f) ; 134,1 (Ca) ; 129,5 (Cd) ; 127,6 (Ce,c) ; 64,0 (CH2O) ; 34,0

(CH2Br) ; 32,8 (CH2CH2O) ; 32,6 (CH2CH2Br) ; 29,5-25,7 (7 CH2) ; 26,8 (3 CH3) ; 19,2 (CH).


IRTF (cm -1) : 1100-1110 ( Si-C, Si-O) ; 2855 ( CH2) ; 2928 ( CH2).

Analyse élémentaire : Calculée : % C : 66,24 ; % H : 8,44 ; % Br : 16,32 ; % Si : 5,74.

Trouvée : % C : 66,35 ; % H : 8,70 ; % Br : 15,75 ; % Si : 5,36.

SMHR-ESI Calculée pour C27H41ONaSiBr [M+Na]+ 511,2002, trouvée 511,2005.

24. Synthèse du 11-azido-tert-butyldiphénylsilyloxy undécane (31)

C27H41N3OSi (MM = 451,72 g.mol-1) Rendement : 74 % Aspect : huile incolore

A une suspension d’azoture de sodium (0,62 g ; 7,30 mmol ; 1,3 éq.) dans 20 mL de DMF est

ajouté le 11-bromo-tert-butyldiphénylsilyloxyundécane 30 (3,58 g ; 7,30 mmol). Le mélange est agité

vigoureusement pendant 6 heures. Le bromure de sodium formé est éliminé par filtration. Puis, le produit

est extrait au pentane, séché sur MgSO4 et concentré sous pression réduite.

RMN 1H (300 M Hz, CDCl3, δδδδ ppm) : 7,71-7,68 (m : 4 H, Hc,e) ; 7,45-7,37 (m : 6 H, Hb,d,f) ; 3,70 (t : 2 H, J =

6,4 Hz, CH2O) ; 3,29 (t : 2 H, J = 7,0 Hz, CH2N3) ; 1,66-1,32 (m : 18 H, 9 CH2) ; 1,10 (s : 9 H, 3 CH3).


(CH2N3) ; 32,5 (CH2CH2OSi) 29,5-25,7 (7 CH2) ; 26,8 (3 CH3) ; 19,2 (CH).


IRTF (cm -1) : 1100-1110 ( Si-C, Si-O) ; 2093 ( -N=N=N) ; 2856 ( CH2) ; 2928 ( CH2).


Trouvée : % C : 71,85 ; % H : 9,39 ; % N : 9,40 ; % Si : 5,76.

SMHR-ESI Calculée pour C27H41N3ONaSi [M+Na]+ 474,2911, trouvée 474,2904.

P a g e | 195

25. Synthèse du 11-amino-1-tert-butyldiphénylsilylo xyundécane (32)

C27H43NOSi (MM = 425,72 g.mol-1) Rendement : 84 % Aspect : huile incolore

Après deux cycles vide/H2 pour éliminer l’air du milieu réactionnel, 10 % Pd/C (5 % en masse) est

ajouté à une solution d’azoture 31 (1,01 g ; 2,23 mmol) dans de l’AcOEt distillé (env. 0,1 M). Le mélange

est hydrogéné à température et pression ambiante pendant 3 heures. Le solvant est évaporé puis l’huile

résultante est reprise dans du MeOH avant de filtrer sur célite®. Le filtrat est évaporé sous pression

réduite avant de purifier l’amine par chromatographie sur gel de silice (Eluant : CH2Cl2/MeOH/NH4OH,

94/5/1).

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 7,71-7,68 (m : 4 H, Hc,e) ; 7,45-7,37 (m : 6 H, Hb,d,f) ; 3,69 (t : 2 H, J =

6,6 Hz, CH2O) ; 2,57 (t : 2 H, J = 7,0 Hz, CH2N) ; 1,59-1,26 (m : 18 H, 9 CH2) ; 1,09 (s : 9 H, 3 CH3).


(CH2NH2) ; 33,5 (CH2CH2 O) ; 32,6 (CH2CH2NH2) ; 29,6-25,8 (7 CH2) ; 26,8 (3 CH3) ; 19,0 (CH).



Trouvée : % C : 75,71 ; % H : 10,03 ; % N : 3,01.

SMHR-ESI Calculée pour C27H44NO2Si [M+H]+ 426,3186, trouvée 426,3188.

26. Synthèse du 1-(11-(tert-butyldiphenylsilyloxy)u ndecyl)-3-(dec-9-enyl)urée (33)

C38H62N2O2Si (MM = 607,00 g.mol-1) Rendement : 80 % Aspect : solide blanc (cire)

A une solution de dérivé aminé 32 dans du CH2Cl2 (env. 0,2 M) sont ajoutés sous atmosphère

inerte le 10-isocyanatodécène 3 (0,9 éq.). Après 18 heures d’agitation à température ambiante, le solvant

est évaporé. Le résidu est alors purifié par chromatographie sur gel de silice (Eluant : 100% CH2Cl2 puis,

5% AcOEt dans CH2Cl2).

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 7,71-7,68 (m : 4 H, Hc,e) ; 7,45-7,37 (m : 6 H, Hb,d,f) ; 5,83 (m : 1 H,

=CH) ; 4,97 (m : 2 H, CH2=) ; 3,68 (t : 2 H, CH2O) ; 3,16 (m : 4 H, 2x CH2N) ; 2,06 (q : 2 H, =CH-CH2) ;

1,63-1,28 (m : 32 H, 16 CH2) ; 1,09 (s : 9 H, 3 CH3).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 159,0 (COurée) ; 138,9 (=CH) ; 135,4 (Cb,f) ; 133,9 (Ca) ; 129,3 (Cd) ;

127,4 (Ce,c) ; 114,1 (CH2=) ; 64,0 (CH2O) ; 40,3 (2x CH2N) ; 33,5 (=CH-CH2) ; 32,6 (CH2CH2O) ; 30,4-25,7

(15 CH2) ; 26,8 (3 CH3) ; 19,1 (CH).


P a g e | 196

IRTF (cm -1) : 1100-1110 ( Si-C, Si-O) ; 1573 (, ) ; 1617 ( urée) ; 2852 ( CH2) ; 2924 (

CH2) ; 3338 ().


Trouvée : % C : 75,21 ; % H : 10,28 ; % N : 4,56 ; % Si : 3,35.


27. Synthèse du 1-(dec-9-en-1-yl)-3-(11-hydroxyundé cyl)urée (34)


A une solution d’éther silylé dans du THF anhydride (env. 0,1 M) sont ajoutés du fluorure de

tetrabutylammonium (1 M THF, 1,8 éq.). Le mélange est agité pendant 16 heures à température ambiante

avant d’y ajouter une solution saturée en NH4Cl. Le précipité blanc est récupéré par filtration puis, lavé

abondamment à l’eau puis à l’éther diéthylique.

Point de fusion : 105-106 °C.

RMN 1H (300 MHz, DMSO-d6, 75°C, δδδδ ppm) : 5,94 (m : 1 H, =CH) ; 5,10 (m : 2 H, CH2=) ; 3,52 (t : 2 H,

CH2O) ; 3,11 (m : 4 H, 2x CH2N) ; 2,14 (q : 2 H, =CH-CH2) ; 1,57-1,35 (m : 30 H, 15 CH2).

RMN 13C (75 MHz, DMSO-d6, 75°C, δδδδ ppm) : 158,9 (COurée) ; 139,4 (=CH) ; 115,0 (CH2=) ; 61,5 (CH2OH)

; 40,0 (2x CH2N) ; 33,7 (=CH-CH2) ; 33,2 (CH2CH2O) ; 30,7-26,2 (15 CH2).

IRTF (cm -1) : 1578 (, ) ; 1610 ( urée) ; 1642 () ; 2849 ( CH2) ; 2921 ( CH2) ; 3328

() ; 3328 ().


Trouvée : % C : 71,62 ; % H : 12,30 ; % N : 7,43 ; % O : 8,34.


28. Synthèse de 1-(dec-9-enyl)-3-(11-(oxiran-2-ylme thoxy)undécyl)urée (35)

C25H48N2O3 (MM = 424,40 g.mol-1) Rendement : 21 %

Aspect : solide blanc.

La synthèse du 1-(dec-9-enyl)-3-(11-(oxiran-2-ylmethoxy)undécyl)urée 35 s’effectue selon le

même mode opératoire que celui utilisé pour le 10-(oxiran-2-ylmethoxy)-N-(undec-10-enyl)decanamide, à

partir du 1-(dec-9-en-1-yl)-3-(11-hydroxyundécyl)urée 34 et de l’épichlorhydrine.

CCM : Rf (AcOEt/CH2Cl2, 60/40) = 0,74-0,76.

Point de fusion : 79-80 °C.

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 5,82 (m : 1 H, =CH) ; 4,99 (m : 2 H, CH2=) ; 3,69 (dd : 1 H, OCH2

époxyde) ; 3,52 (q : 2 H, CH2O) ; 3,35 (dd : 1 H, OCH2-époxyde) ; 3,16 (m : 5 H, 2x CH2N, CH époxyde) ;

P a g e | 197

2,77 (t : 1 H, CH2 époxyde) ; 2,61 (m : 1 H, CH2 époxyde) ; 2,07 (m : 2 H, =CH-CH2) ; 1,98-1,15 (m : 30 H,

15 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 158,3 (COurée) ; 139,1 (=CH) ; 114,1 (CH2=) ; 71,7-71,4 (CH2OCH2) ;

50,9 (CH époxyde) ; 44,3 (CH2 époxyde) ; 40,5 (2x CH2N) ; 33,7 (=CH-CH2) ; 29,6-26,0 (15 CH2).

IRTF (cm -1) : 906 ( cycle) ; 1578 (, ) ; 1613 ( urée) ; 1641 () ; 2850 ( CH2) ; 2921 (

CH2) ; 3333 ().


Trouvée : % C : 70,01 ; % H : 11,27 ; % N : 6,33 ; % O : 11,82.


29. Hydrosilylation du 1-(dec-9-enyl)-3-(11-(oxiran -2-ylmethoxy)undécyl)urée (36)

C28H58N2O6Si (MM = 546,86 g.mol-1) Rendement : Conversion totale Aspect :


(dec-9-enyl)-3-(11-(oxiran-2-ylmethoxy)undécyl)urée 35 (2,5.10-5 mol), 0,2 mL de toluène anhydre, le



RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,69 (dd : 1 H, OCH2-époxyde) ; 3,54 (s : 3 H, OCH3) ; 3,49 (q : 2 H,

CH2O) ; 3,35 (dd : 1 H, OCH2-époxyde) ; 3,14 (m : 5 H, 2x CH2N, CH époxyde) ; 2,77 (t : 1 H, CH2

époxyde) ; 2,61 (m : 1 H, CH2 époxyde) ; 1,56-1,24 (m : 30 H, 15 CH2) ; 0,62 (m : 2 H, CH2Si).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 158,5 (COurée) ; 71,7-71,4 (CH2OCH2) ; 50,9 (CH époxyde) ; 50,4

(Si(OCH3)3) ; 44,3 (CH2 époxyde) ; 40,5 (2x CH2N) ; 33,1 (CH2CH2CH2Si) ; 30,3-22,6 (CH2CH2Si) ; 9,1

(CH2Si).

IRTF (cm-1) : 907 ( cycle) ; 1085 ( Si-O), 1572 (, ) ; 1616 ( urée) ; 2849 ( CH2) ; 2924

( CH2) ; 3333 ().


30. Synthèse du mono-boc-1,12-diaminododécane (38)


Le di-tert-butyl dicarbonate (0,74 g ; 3,41 mmol) préalablement dissout dans 50 mL de CH2Cl2 est

ajouté très lentement à 0°C à une solution de 1,12-diaminododécane (4,10 g ; 20,49 mmol ; 6 éq.) dans

100 mL de CH2Cl2. Le milieu réactionnel a été agité à température ambiante pendant 14 heures,

P a g e | 198

concentré, et purifié par chromatographie sur gel de silice (Eluant : CH2Cl2/MeOH, 95/5 puis

CH2Cl2/MeOH/NH4OH, 90/9/1) pour donner la diamine monoprotégée.

RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 3,00 (t : 2 H, CH2NHBoc) ; 2,57 (t : 2 H, CH2NH2) ; 1,36-1,17 (m : 25

H, 3 CH3, 8 CH2).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 157,2 (CO) ; 78,5 (CH) ; 41,5 (CH2NH2) ; 40,3 (CH2NHBoc) ; 32,8-

26,9 (10 CH2).

IRTF (cm -1) : 1519 (, ) ; 1687 () ; 2852 ( CH2) ; 2918 ( CH2) ;

SMHR Calculée pour C17H37N2O2 [M+H]+ 301,2849, trouvée 301,2854.

31. Synthèse du 10-((12-((tert-butoxycarbonyl)amino )dodécyl)amino)-10-oxodécyl acétate

C29H56N2O5 (MM = 512,77 g.mol-1) Rendement : 55 %

Aspect : solide blanc

L’acide 10-acétoxy décanoïque 23 (0,30 g ; 1,30 mmol) est dilué dans 16 mL de CH2Cl2

anhydride (env. 0,08 M) puis 0,29 g de carbonyldiimidazole (CDI ; 1,82 mmol ; 1,4 éq.) est ajouté. Le

milieu réactionnel est agité 2 heures à 40°C avant d’ajouter 0,58 g de mono-boc-diaminododécane 38

(0,58 g ; 1,95 mmol ; 1,5 éq.). Après 16 heures à température ambiante, la solution est lavée avec une

solution saturée en NaCl. La phase organique est ensuite séchée sur MgSO4 et concentrée sous pression

réduite. Le résidu est ensuite lavé au pentane avant d’être purifié par chromatographie sur gel de silice

(Eluant : 50/50, CH2Cl2/AcOEt).


CCM : Rf (CH2Cl2/AcOEt, 50/50) = 0,66-0,68

RMN 1H (300 MHz, MeOD, δδδδ ppm) : 4,01 (t : 2 H, J = 6,8 Hz, CH2OCO) ; 3,18 (q : 2 H, J = 6,8 Hz,

CH2NH(C=O)) ; 3,05 (q : 2 H, J = 6,6 Hz, CH2NHboc) ; 2,12 (t : 2 H, CH2C(O)N) ; 2,03 (m : 5 H, CH3,

=CH-CH2) ; 1,66-1,30 (m : 34 H, 17 CH2).

RMN 13C (75 MHz, MeOD, δδδδ ppm) : 173,0 (COamide) ; 171,1 (COester) ; 115,8 (COboc) ; 78,6 (CH) ; 64,6

(CH2O) ; 40,5 (CH2NHBoc) ; 39,5 (CH2NH) ; 36,7 (CH2(CO)N) ; 29,9-25,7 (17 CH2) ; 28,3 (CH3 boc) ; 20,9

(CH3 acétate).

IRTF (cm -1) : 1527 (, ) ; 1640 ( amide) ; 1684 ( boc) ; 1738 ( ester) ; 2857 ( CH2) ; 2921

( CH2).



Trouvée : % C : 67,57 ; % H : 11,32 ; % N : 5,74 ; % O : 15,56.

P a g e | 199

32. Synthèse du 12-N-(9-acetoxynonylamino)dodecylam monium trifluoroacetate (40)

C26H49F3N2O5 (MM = 526,66 g.mol-1) Rendement : 95 %

Aspect : solide blanc.

L’amide est traité à l’acide trifluoroacétique (1,72 mL ; 8 éq.) dans 10 mL de CH2Cl2 pendant 5

heures. L’acide trifluoroacétique est éliminé par formation d’un azéotrope avec un mélange 50% toluène

dans du méthanol (3 x). Le sel de trifluoroacétate est précipité par ajout d’eau, récupéré par filtration puis,

lavé à l’Et2O.

RMN 1H (300 MHz, MeOD, δδδδ ppm) : 4,06 (t : 2 H, CH2OCO) ; 3,17 (t : 2 H, CH2N) ; 2,93 (q : 2 H,

CH2NH3+) ; 2,19 (t : 2 H, CH2C(O)N) ; 2,03 (m : 5 H, CH3, =CH-CH2) ; 1,66-1,30 (m : 34 H, 17 CH2).

RMN 13C (75 MHz, MeOD, δδδδ ppm) : 173,4 (COamide) ; 171,3 (COester) ; 64,6 (CH2O) ; 39,9 (CH2NH3+) ; 39,5

(CH2NH) ; 36,7 (CH2(CO)N) ; 29,5-25,8 (17 CH2) ; 21,0 (CH3).

IRTF (cm -1) : 1538 (, ) ; 1629 ( amide) ; 1629 ( CO2-) ; 1685 ( CO2

-) ; 1735 ( ester) ;

2851 ( CH2) ; 2920 ( CH2).

SMHR-ESI Calculée pour C24H49N2O3 [M-TFA]+ 413,3737, trouvée 413,3749.

33. Synthèse du 10-(12-(allylureido)dodecylamino)-1 0-oxodecyl acetate (41)

C28H53N3O4 (MM = 495,40 g.mol-1)

Rendement : 66 %

Aspect : solide blanc

Le 12-N-(9-acétoxynonylamino)dodecylammonium trifluoroacétate 40 (0,44 g ; 0,83 mmol) est

dissout dans 15 mL de CH2Cl2 avant d’ajouter sous atmosphère inerte de la triéthylamine (0,13 mL ; 0,92

mmol ; 1,1 éq.). La solution est agitée à température ambiante pendant 30 minutes. L’allylisocyanate (90

µL ; 1 mmol ; 1,2 éq.) est ensuite ajouté. Après 16 heures d’agitation, le solvant et l’excès

d’allylisocyanate sont évaporés sous pression réduite. Le solide est ensuite lavé abondamment à

l’acétate d’éthyle pour éliminer le sel d’ammonium puis, séché sous P2O5 au dessiccateur.

RMN 1H (400 MHz, DMSO-d6, 75°C, δδδδ ppm) : 5,92 (m : 1 H, =CH) ; 5,21 (m : 2 H, CH2=) ; 4,11 (t : 2 H,

CH2O) ; 3,75 (m : 2 H, =CH-CH2) ; 3,13 (t : 2 H, CH2N) ; 2,16 (t : 2 H, CH2C(O)N) ; 2,10 (s : 3 H, CH3) ;

1,68-1,38 (m : 34 H, 17 CH2).

RMN 13C (75 MHz, DMSO-d6, 75°C, δδδδ ppm) : 172,9 (COamide) ; 171,0 (COester) ; 158,9 (COester) ; 137,8

(=CH) ; 115,0 (CH2=) ; 64,6 (CH2OCO) ; 42,8 (=CH-CH2) ; 40,4 (CH2Nurée) ; 39,3 (CH2Namide) ; 36,4

(CH2CO) ; 30,8-26,1 (17 CH2), 21,3 (CH3).

IRTF (cm -1) : 1541 (, amide) ; 1577 (, urée) ; 1623 ( urée) ; 1629 ( amide) ; 1739 (

ester) ; 2850 ( CH2) ; 2920 ( CH2).


P a g e | 200

34. Hydrosilylation du 10-(12-(allylureido)dodecyla mino)-10-oxodecyl acetate (42)

C31H63N3O7Si (MM = 611,29 g.mol-1)

Conversion totale


(12-(allylureido)dodecylamino)-10-oxodecyl acetate 41 (2,5.10-5 mol), 0,2 mL de toluène anhydre, le



RMN 1H (300 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 4,02 (t : 2 H, J = 6,8 Hz, CH2OCO) ; 3,54 (s : 9 H, Si(OCH3)3) ; 3,17

(m : 4 H, 2x CH2N) ; 2,14 (t : 2 H, CH2C(O)N) ; 2,02 (s : 3 H, CH3) ; 1,59-1,23 (m : 32 H, 16 CH2) ; 0,62

(m : 2 H, CH2Si).

RMN 13C (75 MHz, CDCl3, δδδδ ppm) : 173,1 (COamide) ; 171,2 (COester) ; 158,5 (COurée) ; 64,5 (CH2OCO) ;

50,5 (Si(OCH3)3) ; 42,8 (CH2CH2CH2Si) ; 40,4 (CH2Nurée) ; 39,4 (CH2Namide) ; 36,8 (CH2CO) ; 30,2-25,8 (24

CH2) ; 23,5 (CH2CH2Si) ; 20,9 (CH3) ; 6,3 (CH2Si).


IRTF (cm -1) : 1074-1193 (Si-O), 1547-1569 (, amide/urée) ; 1629-1653 ( amide/urée) ; 1739

( ester) ; 2849 ( CH2) ; 2928 ( CH2).


.

C. Protocole de silanisation

Un réacteur à double enveloppe a été utilisé afin de réaliser la réaction de silanisation sous

atmosphère inerte d’argon à température contrôlée. Il a été préalablement lavé avec une solution

détergente à 2% d’Hellmanex® (société Hellma GMBH) pendant 2 heures à température ambiante, puis

rincé abondamment à l’eau distillée. Le réacteur est alors séché avec un décapeur puis placé sous la

hotte à flux laminaire, avant introduction des échantillons.

Les substrats sont tout d’abord découpés puis lavés successivement à l’eau MilliQ (18 MΩ.cm) et

au chloroform à ébullition (au moins 10 minutes). Ensuite, les substrats ont été traités aux UV/O3 (λ =

185-254 nm) pendant 30 minutes chaque face avant de les introduire dans le réacteur de silanisation.

La procédure de silanisation dépend principalement de la nature du groupement silicié utilisé,

chloré ou méthoxy.

1. Greffage des trichlorosiliciés

Dans un schlenk, le composé trichlorosilicié, fraîchement préparé en quantité voulue, est

solubilisé sous atmosphère inerte dans du toluène préalablement distillé de manière à obtenir une

solution de silanisation de dilution adéquate (2,5.10-4 M).

P a g e | 201

La solution de silanisation est ensuite introduite dans le réacteur où les lamelles de verre restent

immergées 45 min à 18°C. Une fois la réaction termi née, les substrats sont retirés du réacteur, puis

rincés dans du toluène avant d’être nettoyés aux ultrasons successivement dans des solvants organiques

: toluène (5 min), chloroforme (5 min) et dans de l’eau MilliQ (10 min). Puis, ils sont lavés à l’eau MilliQ et

séchées sous vide pendant 10 min. Cette étape permet de retirer les molécules de solvants physisorbées

sur la surface ne laissant que le film greffé (chimisorption) sur le substrat.

2. Greffage des triméthoxysiliciés

Dans un schlenk, le composé triméthoxysilicié, fraîchement préparé pour obtenir une solution de

concentration 2,5.10-4 M, est solubilisé sous atmosphère inerte dans du toluène. Ensuite, 10% d’acide

trichloroacétique (TCA) est ajouté à cette solution. La solution de silanisation est ensuite introduite dans

le réacteur puis les lames de verres restent immergées dans cette solution pendant plusieurs heures à

18°C. Les lames silanisées sont ensuite retirées du réacteur, puis traitées selon la procédure

précédemment citée.

3. Modification chimique de surface

a. Oxydation des groupes vinyles en acides carboxyliques

Les lames sont placées dans une solution oxydante constituée de 10% permanganate de

potassium (KMnO4) à 5 mM, 10% de periodate de sodium (NaIO4) à 195 mM, 10% de carbonate de

potassium (K2CO3) à 18 mM et de 70% d’eau MilliQ. Après 24 heures, elles sont lavées plusieurs fois

avec du bisulfite de sodium (NaHSO3) à 0,3 M pour éliminer l’excès de permanganate de potassium puis,

avec de l’eau MilliQ. Elles sont ensuite nettoyées aux ultrasons dans de l’eau MilliQ (5 min) avant de les

sécher sous flux d’argon.

b. Photoclivage d’ester de o-nitrobenzyle

Les lames fonctionnalisées par un ester de o-nitrobenzyle sont irradiées à température ambiante

avec une lampe au mercure haute pression à 365 nm à travers une plaque de verre pyrex pour couper

<300 nm. Les lames irradiées sont nettoyées aux ultrasons dans de l’éthanol puis du chloroforme

pendant 10 minutes avant de les sécher sous flux d’argon.

c. Activation des acides carboxyliques

Les acides carboxyliques des films ont été mis en présence d’un mélange d’EDC ((1-(3-

diméthylaminopropyl)-3-éthylvarbodiimide hydrochloride, 50 mg/mL) et de NHS (N-hydroxysuccinimide,

25 mg/mL) dans 20 mL d’une solution de MES (acide 2-(N-morpholino)éthanesulfonique) à 0,3 M pendant

3 heures. Puis, les lames sont rincées à l’eau MilliQ et nettoyées aux ultrasons dans du chloroforme (5

min) avant de caractériser les surfaces

d. Immobilisation de nanoparticules d’or recouverte de protéines A

P a g e | 202

Dans 10 mL d’une solution de tampon phosphate salin (PBS : 0,14 M NaCI, 0,01 M PO4, 0,003 M

KCI) ajustée à pH = 8 avec du KOH 0,5 M est ajoutée une solution tamponnée à pH = 8,2 de

nanoparticules avec une concentration en protéines de 4,1 µg/mL. Les surfaces activées sont alors

immergées dans ce mélange pendant 2 heures à 37°C. Les lames sont lavées abondamment avec de

l’eau MilliQ pour enlever les sels puis nettoyées aux ultrasons dans de l’eau MilliQ (3-5 min) pour éliminer

les particules physisorbées.

e. Réaction avec une amine (décylamine)

Les surfaces activées sont placées dans 4 mL d’une solution de DMF contenant 60 µL de

décylamine et 5 µL de triéthylamine. Après 2 heures à température ambiante, les lames sont rincées à

l’eau MilliQ, nettoyées aux ultrasons dans du chloroforme (5 min) puis, séchées sous flux d’argon.

f. Greffage d’une sonde fluorescente

Les lames sont immergées dans une solution saturée de dansylcadaverine (N-(5-Aminopentyl)-5-

dimethylaminonaphthalene-1-sulfonamide) dans du toluène (10-4 M) pendant 3 heures à 37°C. Les

surfaces sont alors nettoyées aux ultrasons dans du toluène puis, dans de l’eau pendant 10 min. Elles

sont ensuite séchées sous flux d’argon.

Synthèses de nouvelles monocouches auto-assemblées à partir d’organosilanes fonctionnels capables

d’auto-association par liaisons hydrogène

Résumé

Il existe une très forte demande en biocapteurs pour la détection d’agents pathogènes dans le

domaine environnemental et médical. Dans ce contexte, le contrôle de l’état de surface des

biocapteurs joue un rôle crucial. Les monocouches auto-assemblées (Self-Assembled Monolayers,

SAMs) permettent de fonctionnaliser de manière homogène et reproductible ces surfaces. Ces SAMs

sont généralement obtenues à partir d’agents de couplage siliciés à longue chaîne alkyle. Mais, ces

composés sont souvent difficiles à synthétiser et à purifier en raison de leurs faibles solubilités dans

les solvants organiques. C’est pour cela que nous avons proposé d’introduire une fonction polaire

(amide ou urée) au sein de ces films. Ces fonctions permettent également un auto-assemblage des

molécules sur le substrat au moyen de liaisons hydrogène entre les molécules. Les nouvelles

monocouches fonctionnelles ont été caractérisées entre autres par spectroscopie infrarouge de

réflexion-absorption par modulation de polarisation (PM-IRRAS) ce qui a permis d’identifier les

différents groupes moléculaires. Ces monocouches ont aussi montré leurs capacités à immobiliser

une molécule biologique (Protéine A).

Mots clés : agents de couplage siliciés, monocouches auto-assemblées (SAMs), liaisons hydrogène,

AFM, PM-IRRAS, XPS, nanoparticules, protéine A.

Synthesis of new self-assembled monolayers with fun ctional organosilanes capable of auto-association by H-bond s

Abstract

There is an increasing demand for biosensors to detect pathogens in environmental and medical

fields. In this context, the control of the surface properties plays an important role. Self-Assembled

Monolayers (SAMs) allow to functionalize these surfaces homogeneously and reproducible. SAMs on

silicon based surfaces are usually obtained from silylated coupling agents with long alkyl chain.

However, these compounds are often difficult to purify owing to their low solubility in organic solvents.

That’s why we proposed to introduce a polar function (amide or urea) in the molecular structure. These

precursors were also capable of association by H-bonds and offer possibilities to control the organic

assembly on the surfaces. The new functional monolayers were characterized by Polarization

Modulation Infrared Reflection Adsorption Spectroscopy (PM-IRRAS) and others techniques such as

XPS and contact angle in order to identify the different molecular groups on the surface. These

functionalized monolayers have also shown their ability to immobilize biomolecules (Protein A).

Keywords: silylated coupling agent, self-assembled monolayers (SAMs), hydrogen bond, AFM, PM-

IRRAS, XPS, nanoparticles, protein A.

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