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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Plus loin dans la détection des isotopes naturellement abondants

 

Connaître et analyser la distribution isotopique (1) naturelle des molécules est incontournable pour comprendre l'origine (géographique ou botanique) de biomolécules et/ou les mécanismes enzymatiques conduisant à leur formation.  Si les avancées en spectroscopie RMN permettent aujourd’hui de détecter les isotopes (1) faiblement abondants (2H, 13C, 15N…) et d’identifier leur environnement chimique, observer par RMN des isomères (2) possédant deux isotopes de faible abondance naturelle reste un défi analytique. Flirtant avec les limites de détection de la RMN moderne, un chercheur de l’Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay (ICMMO - CNRS/Université de Paris Sud 11) en collaboration avec un enseignant-chercheur de l’Unité de Catalyse et de Chimie du Solide (UCCS – CNRS/Université de Lille 1) a démontré la possibilité de détecter expérimentalement des isotopomères-(2H-13C) en abondance naturelle dans des liquides et dans les cristaux liquides chiraux.  Ces résultats viennent de paraître dans la revue Analytical Chemistry.

 

La détection RMN d'isotopes faiblement abondants reste un challenge permanent pour les spectroscopistes!  Heureusement, les progrès récents en termes d’instruments (très haut champ magnétique, sonde cryogénique…) et méthodologiques (DNP, acquisition/traitement du signal, ...) ont considérablement abaissé le seuil de détection des isotopomères.  En revanche, la possibilité de détecter simultanément et en abondance naturelle des isomères isotopiques (ou isotopomères) possédant deux types de noyaux magnétiquement actifs couplés entre eux mais peu abondants comme, par exemple, les isomères isotopiques contenant simultanément un atome de Deutérium (2H) et de Carbone-13 (13C), notés isotopomères-(2H-13C), revient à observer une molécule parmi 600 000, soit une abondance naturelle de 1.7x10-4 %.  Les deux chercheurs ont réussi cette prouesse!

 

Travailler en limite de sensibilité d’une méthode exige de se placer dans des conditions expérimentales optimales.  Pour bénéficier d’une sensibilité instrumentale maximale, ce travail a été réalisé sur l’une des « très grandes infrastructures de recherche » du CNRS  (TGIR-RMN de Lille, FR 3050), en utilisant un spectromètre RMN de 21,1 T (900 MHz) muni d’une sonde cryogénique.  Même si les signaux 2H et 13C sont enregistrés à des fréquences relativement élevées de 138 et 224 MHz, respectivement, la faible abondance naturelle des isotopomères-(2H-13C) ne permet pas (encore) de détecter les isotopomères de molécules de haut poids moléculaires.  Pour cette première tentative, une «petite» molécule modèle mais idéalement choisie a été retenue : l’alcool benzylique.  En effet, ce composé organique prochiral possède une très bonne solubilité en phase isotrope et cristal-liquide, et sa structure conduit à des sites 2H/13C spectralement équivalents et inéquivalents.  En outre, il possède des isotopomères-(2H-13C) chiraux (par substitution 1H/2H sur son centre prostéréogène) appelés aussi énantio-isotopomères-(2H-13C).  Ces molécules, images l’une de l’autre dans un miroir, peuvent être discriminées par RMN au sein d’un environnement cristal-liquide chiral.

 

Baptisées «NASDAC» (Natural Abundance Spectroscopy of Deuterium And Carbon), les expériences RMN 2D hétéronucléaires développées permettent l’observation de tous les isotopomères-(2H-13C) en abondance naturelle d’une molécule sur une carte spectrale unique.  Une des prouesses de cette étude a aussi été de montrer qu’il est possible de supprimer la totalité des signaux associés aux isotopomères-(1H-13C) et (2H-12C).  En effet, en raison de leur abondance naturelle 1000 et 100 fois plus élevée, respectivement, ces isotopomères pourraient masquer le signal des isotopomères-(2H-13C).

 

Les premières expériences réalisées dans un solvant isotrope ont permis de valider cette approche et de détecter (après 18 heures d’acquisition) les premiers signaux de corrélation associés à des isotopomères-(2H-13C) d’une molécule.  Compte tenu de la quantité de soluté utilisée, la concentration pour une paire (2H-13C) donnée est estimée à environ 8 μmol.L-1 dans l’échantillon.

 

Fort de ce premier résultat, l’expérience a été reproduite dans un solvant cristal-liquide chiral (solutions orientées de polypeptides).  Dans ce type de solvant, les directions internucléaires 2H-13C appartenant à des isotopomères-(2H-13C) énantiomères (ou énantio-isotopomères) n’ont pas la même orientation.  Il est donc possible de distinguer par RMN 2H les énantio-isotopomères-(2H) d’un composé.  Toutefois, la complexité des spectres 2H enregistrés dans un cristal liquide chiral rend parfois difficile l’attribution des résonances 2H, et l’utilisation d’expériences RMN 2D hétéronucleaires est requise pour en simplifier l’analyse spectrale.  De façon remarquable, l’expérience NASDAC en milieu cristal-liquide chiral (enregistrée toujours en 18 heures) a permis de distinguer, pour la première fois, des énantio-isotopomères-(2H-13C) en abondance naturelle.  En outre, dans ce cas, les signaux 2H peuvent attribués, de façon univoque, grâce aux corrélations avec les déplacements chimiques 13C.  Ces nouveaux résultats constituent encore une première dans l’histoire de RMN, mais aussi une petite révolution dans le domaine de l’analyse de la chiralité par spectroscopie RMN.

 

Comme prévu, les résonances des noyaux 13C liés à des noyaux 2H sont différentes de celles des noyaux 13C liées à un proton (effet isotopique 1H/2H), ce qui se traduit par un déplacement des fréquences 13C sur le spectre 2D NASDAC par rapport au spectre RMN 1D 13C-{1H} classique, que ce soit en milieu isotrope ou anisotrope. Jusqu’à présent, cet effet isotopique n’avait été observé que pour des molécules deutérées, mais jamais en abondance naturelle.

 

Ces résultats novateurs repoussent les frontières de la RMN, tout en ouvrant de nombreuses perspectives dans des domaines analytiques variés, tels que l’analyse chirale, l’authentification moléculaire, les études du métabolisme, voir à terme la lutte contre la contrefaçon.

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Centre RMN de Lille. © CNRS

 

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Aimant du spectromètre RMN 900 MHz installé à Lille et équipé de sa sonde cryogénique. © CNRS

 

(1) Deux atomes sont dits isotopes si leurs noyaux ont le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons.  Par exemple, si l'élément Carbone présente un isotope majoritaire, le «Carbone-12» (symbole: 12C), dont les noyaux contiennent 12 nucléons (6 protons et 6 neutrons), il existe deux autres isotopes du Carbone, le «Carbone-13» et «Carbone-14» (notés 13C et 14C), contenant respectivement 13 et 14 nucléons.

(2) On parle d'isomérie lorsque deux molécules possèdent la même formule brute mais ont des formules semi-développées ou des formules développées différentes.  Ici, l’isomèrie isotopique ou isotopomèrie est un cas particulier où deux molécules diffèrent uniquement par la nature et le nombre des isotopes qui les composent.  Deux isomères ont des propriétés physiques, chimiques et biologiques différentes.

 

Référence

Philippe Lesot, Olivier Lafon
Experimental Detection of Achiral and Chiral Naturally Abundant 13C-2H Isotopomers by 2D-NMR in Liquids and Chiral Oriented Solvents
 Analytical Chemistry, mai 2012, DOI : 10.1021/ac300667n, Volume : 84 , issue : 10  Pages : 4569-4573

 

Contact chercheur

Philippe Lesot, RMN en Milieu Orienté, Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay
Tél: 01 69 15 47 59
Courriel : philippe.lesot@u-psud.fr

 

Olivier Lafon, Unité de Catalyse et de Chimie du Solide - Lille

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

10 septembre 2012

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