Les dendrimères : des outils pour une chimie innovatrice

n° 383 - avril 2000

 
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Qu'est ce qu'un dendrimère ?
Un dendrimère* est une macromolécule, constituée de monomères** qui s'associent selon un processus arborescent autour d'un cœur central plurifonctionnel. La construction arborescente s'effectue par la répétition d'une même séquence de réactions jusqu'à l'obtention à la fin de chaque cycle réactionnel d'une nouvelle génération et d'un nombre croissant de branches identiques. Après quelques générations, le dendrimère prend généralement une forme sphérique, hautement ramifiée et plurifonctionnalisée grâce aux nombreuses fonctions terminales présentes en périphérie (schéma 1). Les diverses ramifications ménagent entre elles des cavités internes, proches du cœur. Deux types de méthodes de synthèse peuvent être employés pour obtenir des dendrimères : la synthèse divergente et la synthèse convergente. La synthèse divergente s'effectue du cœur vers la périphérie, en greffant un nombre de plus en plus grand de petites molécules sur la surface multifonctionnalisée du dendrimère (schéma 2). La synthèse convergente consiste à construire le dendrimère de la périphérie vers le cœur à l'aide de fragments dendritiques appelés dendrons qui sont rattachés lors d'une étape finale à un cœur plurifonctionnel.



Schéma 1 : Représentation de la structure d'un dendrimère.
Schéma 2 : Différentes étapes de la synthèse divergente d'un dendrimère.


Les dendrimères sont des polymères plurifonctionnels aux propriétés particulières de solubilité, viscosité, stabilité thermique. Ils offrent une large palette d'applications allant de la chimie moléculaire et supramoléculaire à la biochimie en passant par la biologie, les nanosciences, les matériaux, etc. Ces applications découlent des propriétés intrinsèques des polymères mais aussi et surtout des caractéristiques des dendrimères : fonctions aisément accessibles en surface, porosité de ces nanomolécules, flexibilité des branches internes, présence de cavités fonctionnalisables, accessibilité au cœur, etc. La plupart des grands secteurs industriels sont concernés par l'émergence de cette nouvelle classe de polymères.

Dendrimères et chimie combinatoire
En pharmacologie et en agrochimie, l'utilisation de supports solides présente des avantages comme l'élimination facile des réactifs par simple lavage ou l'obtention de l'équivalent d'une très haute dilution qui diminue les réactions secondaires. Cependant la transposition d'une réaction en solution à une réaction en phase solide n'est pas facile (faible solvatation, accessibilité différente des sites réactifs...). De plus, il est très difficile de contrôler en routine les réactions en phase solide. Le très grand nombre de fonctions en surface d'un dendrimère en fait l'équivalent d'une " bille " de support solide dont la structure est parfaitement définie et reproductible et dont la solubilité autorise des réactions de couplage en phase liquide homogène.

Dendrimères et catalyse
La synthèse de métalladendrimères ouvre de vastes perspectives d'avenir en catalyse hétérogène. On peut greffer un grand nombre de métaux (Rh, Ru, Pd, Pt, Au, Fe, etc.) soit à la surface des dendrimères, soit à l'intérieur des cavités plus ou moins près du cœur. De plus, ces métalladendrimères sont hydrosolubles et conduisent à des processus propres de catalyse asymétrique compatibles avec des contraintes économiques et de préservation de l'environnement. Les catalyseurs sont récupérables par ultrafiltration et recyclables.

Dendrimères et nanoélectronique
Une nouvelle chimie supramoléculaire est en train de naître avec les réseaux tridimensionnels de clusters (agrégats moléculaires) métalliques. Des superclusters (ex. [Au55]55 à base d'or) organisés en réseaux sous forme d'hexagones très purs pourraient constituer des systèmes performants en nanoélectronique. De tels réseaux tridimensionnels de rhodium, ruthenium, palladium, platine ont, en outre, des propriétés particulières en catalyse hétérogène.

Dendrimères et polyélectrolytes
L'introduction d'un grand nombre de charges dans les structures dendritiques devrait conduire à des matériaux conducteurs (polymères chargés du type polyphosphazene, à motif phosphore azote, ou polysiloxane, à motif silicium oxygène).

Dendrimères et matériaux hybrides organiques-inorganiques
Les matériaux minéraux constituent des supports de choix pour la catalyse hétérogène, pour des techniques de dépollution, de purification, d'encapsulation de diverses substances, etc. Une nouvelle génération de matériaux est en train de naître : perméables à l'oxygène, hydrophiles, flexibles, non cassants, usinables et résistants aux rayures (revêtement des lentilles de vue).

Dendrimères et capteurs
Les dendrimères se déposent parfaitement sous forme de films minces monocouches sur diverses surfaces (quartz, mica, or,...) pour la construction de systèmes multicouches. Des applications dans le domaine des capteurs chimiques, des biocapteurs sont envisageables (i.e. systèmes multicouches à alternance dendrimère polycationique, polymère polyanionique ou enzyme, glucose oxydase).

Dendrimères et polymères
Les polymères à motif phosphore-azote ont fait leur entrée dans divers domaines : photochimie, cristaux liquides, optique non linéaire, électro ou photochromisme, céramiques, piezoélectricité, tribologie, holographie, biomédecine, membranes, etc. Certains de ces polymères se comportent comme des matériaux biologiquement actifs (antitumoraux, fertilisants). Ils sont utilisés comme additifs dans des filtres synthétiques, pour des matériaux à base de cellulose, pour des polyuréthannes (comme agents protecteurs). Des applications sont possibles en optique non linéaire.

Dendrimères et nanoparticules

Un des objectifs fondamentaux de la chimie des colloïdes est le contrôle de la taille et de la morphologie des particules afin d'éviter les phénomènes d'agrégation. Les dendrimères sont des macromolécules de choix pour la stabilisation des colloïdes et pour le contrôle de leur taille puisqu'ils sont modulables à souhait et porteurs en surface de fonctions variées pouvant assurer ce rôle de stabilisant (groupements thiols, phosphines, amines...).

Dendrimères, médecine et diagnostic
Les dendrimères connaissent aujourd'hui leurs premières grandes applications comme agents de diagnostic ou agents thérapeutiques : prévention d'infection par des virus ou par des bactéries, thérapie de certains cancers, thérapie génique, agents de contrastes en imagerie médicale, etc. La libération lente et contrôlée de substances actives dans l'organisme représente un véritable défi (possibilité d'emprisonner des substances actives dans les cavités des dendrimères). Autres applications spécifiques : enzymes, polypeptides.

Dendrimères, systèmes photoactifs
L'absorption d'énergie par des groupements placés en périphérie de dendrimères et la transmission d'énergie de la surface vers le cœur du dendrimère à travers des liaisons covalentes (effet d'antenne) devrait conduire au développement de systèmes photoactifs performants.

Dendrimères et environnement
Les dendrimères constituent de véritables pièges à métaux et jouent un rôle déterminant dans les processus classiques de catalyse (récupération et recyclage du catalyseur à base de dendrimère, par ultrafiltration), de traitement des effluents (membranes à base de dendrimères). Objectif : élaborer une chimie propre.

Autres domaines d'application des dendrimères
Chromatographie par exclusion de taille ; cristaux liquides ; antioxydants ; encres à base de colorants fixés sur dendrimères ; membranes pour la séparation et la purification de gaz ; formulation ; adhésion ; phénomènes de frictions, usures (amélioration considérable de la durée de vie de disques durs) ; milieux micellaires, dendrimères amphiphiles ; agrochimie ; immunologie ; etc.
L'étude des dendrimères devrait connaître, dans les dix prochaines années, un essor considérable, car on a ici un matériau extraordinairement adaptable, aux performances tout à fait inégalables en ce sens que sa structure, sa flexibilité, sa porosité, sa morphologie peuvent être adaptées à loisir pour l'obtention de la propriété désirée. C'est une véritable légochimie*** qui se place au carrefour des sciences exactes telles que la chimie, bien sûr, mais aussi les matériaux, les médicaments, les nanosciences en général, la biologie et la médecine.

* Dendrimère ou arbre moléculaire (dendri = arbre, en grec ; mère pour polymère).

** Monomère : unité constitutive d'un polymère.
Polymère : édifice composé par la répétition d'un ou de plusieurs groupes d'atomes, ou motifs (monomères), attachés les uns aux autres par des liaisons chimiques.

*** Expression inventée par Pierre-Gilles de Gennes.