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Une technique de RMN révolutionnaire pour caractériser les composés de surface de matériaux complexes

L’équipe de David Farrusseng du laboratoire IRCELYON (CNRS / Université Lyon 1) vient de franchir une première étape dans la synthèse des métalloenzymes artificielles bio-inspirées, plus robustes que les enzymes actuellement utilisées pour le traitement des déchets ou dans des procédés de chimie verte. Un des problèmes reste leur caractérisation à l’échelle moléculaire. Une équipe du Centre de RMN à Hauts Champs (CRMN) de Lyon (1) vient de mettre au point une méthode de RMN (2) révolutionnant la caractérisation de ces matériaux, la DNP ou polarisation dynamique nucléaire, permettant notamment de réaliser des spectres sans enrichissement isotopique et dans des temps record ! Ces travaux font l’objet de deux articles dans les revues Chemical Communications et Angewandte Chemie.

Les technologies utilisant les enzymes sont aujourd’hui en effervescence pour répondre aux grands enjeux liés au traitement des déchets, à la chimie verte et à l’énergie. Mais les enzymes sont des systèmes biologiques fragiles qui ne supportent généralement pas les températures excédant 100°C et qu’il est souvent difficile de caractériser à l’échelle moléculaire tant leur flexibilité est grande. C’est pourquoi, de nombreuses recherches portent actuellement sur la synthèse de métalloenzymes artificielles bio-inspirées, plus robustes et plus simples au niveau architectural.

Dans ce contexte, J. Canivet et D. Farrusseng du laboratoire IRCELYON synthétisent des polymères de coordinations poreux (MOFs)(3) sur les parois desquels ils cherchent à greffer des acides aminés, constituants élémentaires des enzymes. La méthode classiquement utilisée permet théoriquement ce greffage, puis la croissance de ces acides aminés pour former des enchaînements peptidiques par addition successive d’acides aminés en présence d’un catalyseur. Cependant, ces conditions de synthèse ne peuvent s’appliquer directement aux MOFs car (i) la surface de leurs cavités ne permet pas le premier greffage, (ii) la taille des pores est petite, de l’ordre de 1-2 nanomètres, et empêche la diffusion du catalyseur et (iii) leur stabilité chimique est relativement faible.
Les chercheurs viennent de mettre au point un procédé de synthèse levant une grande partie de ces verrous. Ils sont parvenus à obtenir des MOFs robustes, dont les cavités portent maintenant des groupements –NH₂ indispensables au premier greffage, et on réussit à y ancrer des acides aminés ; une première étape vers des métallo-enzymes artificielles !

La question de la localisation de ces groupements –NH₂ et leur environnement s’est ensuite posée. En effet, la caractérisation des groupements organiques comme celui-ci à la surface de solides hybrides organique-inorganiques reste aujourd’hui un défi technique majeur. De la réponse à ces questions va dépendre la faisabilité du greffage d’acides aminés, première étape à la formation des enchainements peptidiques recherchés.

Expérimentalement, la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) en phase solide est la technique la plus appropriée pour répondre à ces questions. Cependant, la quantité d’espèces greffées (les acides aminés) dans le réseau ne représente en général qu’une petite partie de l’échantillon (quelques pourcents). D’autre part, la caractérisation détaillée à l’échelle de l’atome de ces matériaux nécessite la mise en œuvre d’expériences impliquant différents éléments chimiques tels que le proton, le carbone ou l’azote, très coûteuses en temps d’acquisition. Ainsi, l’acquisition d’un seul spectre RMN ¹³C-1H ou ¹⁵N-¹H mettant en évidence les acides aminés prendrait plusieurs semaines. Faisable en théorie, irréaliste en pratique.
Une seule solution : augmenter de façon significative la sensibilité de l’expérience RMN.

L’équipe de L. Emsley et A. Lesage du CRMN vient de montrer que la technologie DNP (Polarisation Nucléaire Dynamique), qui consiste à transférer l’aimantation d’électrons non célibataires aux noyaux environnants pouvait être appliquée à la caractérisation structurale d’espèces de surface dans des matériaux hybrides, poreux ou non.
Les résultats obtenus sont remarquables car ils permettent d’augmenter la sensibilité du signal RMN (jusqu’à un facteur 100 pour le ²⁹Si ou le ¹³C !) et donc de diminuer considérablement les temps d’enregistrement des spectres (jusqu’à des facteurs 10 000 !).
Ainsi, dans le cas de MOFs partiellement fonctionnalisés par un acide aminé, l’utilisation de cette technologie a permis l’enregistrement d’un spectre RMN de corrélation ¹H-¹³C (4) et un spectre RMN ¹⁵N en quelques heures seulement sans enrichissement isotopique (5).

Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives, jusqu'alors inenvisageables, pour la caractérisation de composés de surface dans des matériaux d’importance clé en recherche fondamentale ou industrielle.

(1) L. Emsley et A. Lesage Centre de RMN à Hauts Champs (CRMN) de Lyon (CNRS / Université de Lyon 1 / Institut des Sciences Analytiques / ENS de Lyon).

(2) La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique de spectroscopie qui permet de réaliser des analyses structurales. Cette technique est également utilisée pour l’imagerie médicale.

(3) Les MOFs sont des solides poreux, constitués de squelettes inorganiques et/ou hybrides et de pores (cages, tunnels) conférant des propriétés adsorbantes particulièrement intéressantes.

(4) Les spectres de corrélation entre deux atomes, dits à deux dimensions (2D) donnent plus informations que les spectres classiques à une dimension et sont particulièrement utiles pour déterminer la structure de molécules complexes.

(5) Certains isotopes qui donnent le signal RMN présentent parfois une abondance naturelle faible. Il est alors nécessaire de faire subir à l’échantillon un traitement chimique pour l’enrichir en isotope et augmenter ainsi l’intensité du signal RMN, procédure parfois complexe, souvent coûteuse..

farrusseng

Références

Canivet, J., S. Aguado, G. Bergeret, and D. Farrusseng

Amino Acid Functionalized Metal-Organic Framework by Soft Coupling-Deprotection Sequence

Chemical Communications, 2011. 47(42): p. 11650-11652.

Rossini, A.J., A. Zagdoun, M. Lelli, J. Canivet, S. Aguado, O. Ouari, P. Tordo, M. Rosay, W.E. Maas, C. Copéret, D. Farrusseng, L. Emsley, and A. Lesage

Dynamic Nuclear Polarization Enhanced Solid-State NMR Spectroscopy of Functionalized Metal–Organic Frameworks

Angewandte Chemie International Edition, 2012. 51(1): p.123-127.

Savonnet, M., D. Bazer-Bachi, N. Bats, J. Perez-Pellitero, E. Jeanneau, V. Lecocq, C. Pinel, and D. Farrusseng

Generic postfunctionalization route from amino-derived metal-organic frameworks

Journal of the American Chemical Society, 2010. 132(13): p. 4518-4519.