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Chimie supramoléculaire
La chimie supramoléculaire, définie comme étant « la chimie au-delà de la molécule » , est une branche de la chimie qui est basée sur la notion de reconnaissance moléculaire.
L’origine de la chimie supramoléculaire remonte à la fin du 19ème siècle avec le modèle clé-serrure proposé par H.E. Fischer pour décrire les interactions enzyme-substrat mises en jeu; à travers le phénomène de reconnaissance moléculaire et en introduisant les notions d’affinité et de sélectivité . L’un des premiers pionniers dans ce domaine fut le Pr. Jean-Marie Lehn qui a donné une définition bien adaptée à cette discipline en 1978, dans son ouvrage « La chimie supramoléculaire : concepts et perspectives ». Il désigne la chimie supramoléculaire comme étant la chimie des assemblages et de la liaison intermoléculaire.
En 1987, cette discipline a été reconnue avec le prix Nobel de chimie partagé par D. J. Cram , J.-M. Lehn , et C. Pedersen pour leurs travaux sur l’élaboration et l’utilisation de molécules exerçant, du fait de leurs structures, des interactions hautement sélectives. Les trois chercheurs et leurs équipes travaillaient respectivement sur les cryptates, les sphérants, et les éthers couronnes. Plus précisément, cette discipline a pour objet l’assemblage de molécules existantes et l’étude de ses propriétés. L’assemblage est effectué dans un ordre précis pour créer des systèmes montrant des propriétés nouvelles et particulières. Ces propriétés peuvent être à la base d’applications importantes, (comme dans le cas des complexes d’inclusion des CDs).
Domaines d’applications des cyclodextrines
Grace à leur propriété, les cyclodextrines sont impliquées dans différents domaines tels que les domaines pharmaceutiques, agrochimiques, analytiques, catalytiques, et alimentaires.
Domaine pharmaceutique : C’est en 1953, que l’on a pu découvert le potentiel des CD dans le domaine pharmaceutique. Les méthodes classiques d’amélioration de la solubilité des médicaments faisaient appel à l’emploi de Co-solvants organiques (éthanol, propylène glycol) et de surfactants non ioniques (TWEEN80, chromophore). Malheureusement, lors de l’administration par voie intraveineuse, ces produits induisent des irritations locales et deviennent très toxiques. Les recherches se sont donc orientées vers les cyclodextrines et plus particulièrement vers leurs dérivés qui présentent des meilleures solubilités que les CD natives .
Les CD agissent en tant que système de transport de médicament en raison de leur capacité de changer les propriétés des molécules invitées par formation des complexes d’inclusion . Les cyclodextrines peuvent intervenir, encore dans le stockage ; la protection de dégradation et l’absorption du médicament. Elles peuvent encore éliminer ou diminuer l’odeur ou le gout désagréable .
Domaine alimentaire : Les cyclodextrines ont trouvé de nombreuses applications dans l’industrie alimentaire. Elles formaient des complexes d’inclusion avec une variété de molécules comprenant des graisses, des arômes et des décolorants.
Elles sont utilisées pour supprimer ou masquer les composants indésirables et pour reléguer avec le temps les constituants désirés. Les cyclodextrines sont également utilisées pour protéger et faire reléguer les arômes . Les arômes naturels et artificiels sont des huiles ou des liquides volatils, et leur complexations avec des cyclodextrines fournit une alternative prometteuse aux technologies conventionnelles d’encapsulation pour la protection des arômes.
Les flavonoïdes et les terpenoides sont bons pour la santé en raison de leurs propriétés antioxydantes et antimicrobiennes mais ils ne peuvent pas être utilisés comme des produits alimentaires à cause de leur faible solubilité et leur gout amer. Sumiyoshi a discuté l’amélioration des propriétés des composés par la complexation avec la cyclodextrine.
Les conséquences d’une inclusion
L’inclusion des invités dans la cavité des CD, influence un grand nombre de propriétés de ceux-ci, ouvrant la voie à de nombreuses études tant théoriques qu’industrielles. Les propriétés physico-chimiques des invités se trouvent modifiées du fait de la formation de complexe d’inclusion: Modification de la réactivité chimique lors de l’inclusion. Le déplacement chimique en RMN est modifié du fait de ce changement d’environnement anisotropique. Lorsque des composés achiraux sont inclus dans une CD, le complexe formé devient optiquement actif. Parfois le maximum en UV est déplacé de plusieurs nm.
La fluorescence est aussi très influencée car la molécule fluorescente passe d’un milieu aqueux à un milieu apolaire. La diffusion et la volatilité des substances sont modifiées par addition de CDs.
Les interactions non-covalentes en chimie supramoléculaire
L’objectif principal de la chimie supramoléculaire est de parvenir à acquérir la maîtrise sur la liaison intermoléculaire non-covalente. La cohésion des assemblages supramoléculaires constitués de différentes entités est assurée par des liaisons non covalentes telles que les liaisons de coordination métal-ligand, les liaisons hydrogène, les interactions π-π, les interactions hydrophobes et les forces de van der Waals. Toutes
Ces interactions intermoléculaires forment la base des processus hautement spécifiques et jouent un rôle fondamental dans des domaines variés, avec par exemple, la fixation d’un substrat à un récepteur protéique, les réactions enzymatiques, l’association immunologique antigène-anticorps et tous les autres aspects de la communication cellulaire.
Les cyclodextrines
Bien qu’Il existe une variété importante de molécules présentant les propriétés « pièges moléculaires » telles que les molécules minérales (zéolithes, kaolinites, …) et organiques (éthers-couronnes, cryptophanes, cucurbiturils …), les cyclodextrines semblent être les plus intéressantes pour plusieurs raisons.
L’exploitation des capacités d’inclusion et la biocompatibilité des CDs ont entraîné un accroissement du nombre et de la diversité des applications scientifiques et industrielles. Les propriétés d’auto-association des cyclodextrines ont été mises à profit pour solubiliser, stabiliser et augmenter la biodisponibilité de plusieurs molécules à visée thérapeutiques .
Table des matières
Introduction générale
Références bibliographiques
Chapitre I. Chimie supramoléculaire, Complexes d’inclusion des cyclodextrines
I.1 Chimie supramoléculaire
I.1.1 Les interactions non-covalentes en chimie supramoléculaire
I.1.1.1 Les forces de van der Waals
I.1.1.2 Les liaisons hydrogène
I.1.1.3 L’effet hydrophobe
I.2 Les cyclodextrines
I.2.1 Structure
I.2.2 Propriétés physico-chimiques
I.2.3 Domaines d’applications des cyclodextrines
I.2.3.1 Domaine pharmaceutique
I.2.3.2 Domaine alimentaire
I.2.3.3 Analyse chimique
I.2.3.4 Cosmétologie
I.2.3.5 Environnement
I.3 La molécule invitée, 4-aminobenzoate d’éthyle (Benzocaïne :BZC)
I.3.1 Structure et propriétés physico-chimiques
I.3.2 Propriétés pharmacologiques
I.4 Les complexes d’inclusion des cyclodextrines
I.4.1 Définition d’un complexe d’inclusion
I.4.2 Phénomène d’inclusion en phase aqueuse
I.4.3 Les conséquences d’une inclusion
I.4.4 Techniques analytiques de caractérisation des complexes d’inclusion
I.4.5 Méthodes théoriques de caractérisation des complexes d’inclusion
Références bibliographiques
Chapitre II. Concepts et méthodes de la chimie quantique
II.1 Introduction
II.2 Rappel sur les Fondamentaux de la Chimie Quantique
II.2.1 Equation de Schrödinger pour un système à plusieurs corps
II.2.2 Approximation de Born-Oppenheimer (BO)
II.2.3 Approximation Spin-orbitales
II.2.4 Approximation Hartree-Fock
II.3 Notion de corrélation électronique
II.4 La théorie de la fonctionnelle de la densité
II.4.1 Théorèmes de Hohenberg-Kohn
II.5 Différents niveaux d’approximation en DFT
II.5.1 Approximation de la densité locale (LDA)
II.5.2 Approximation du gradient généralisée (GGA)
II.5.3 Approximation méta-GGA
II.6 Les différentes fonctionnelles utilisées
II.6.1 Les fonctionnelles hybrides
II.6.1.1 B3LYP
II.6.1.2 CAM-B3LYP (Coulomb-Attenuating Method B3LYP)
II.6.2 Les fonctionnelles du Minnesota
II.7 Différentes bases d’orbitales atomiques
II.7.1 Orbitales type Slater (STO)
II.7.2 Orbitales type Gaussienne (GTO)
II.7.2.1 Base minimale STO-nG
II.7.2.2 Bases de Pople N-MLG (split valence)
II.8 Méthodes semi empiriques
II.8.1 Méthode PM6
II.9 Grandeurs Thermodynamiques
II. 10 Modélisation des interactions intermoléculaires
II.10.1 Orbitales moléculaires frontières HOMO-LUMO
II.10.2 Analyse topologique QTAIM
II.10.2.1 Gradient de la densité et Bassin atomique
II.10.2.2 Points critiques
II.10.2.3 Nature de l’interaction interatomique
II.10.2.4 Notion de chemin de liaison (Bond Path)
II.10.2.5 Ellipticité de la densité électronique
II.10.3 Orbitale naturelle de liaison NBO (Natural Bond Orbital)
II.10.3.1 Evaluation de l’énergie des orbitales NBOs
II. 11 Conclusion partielle
Références bibliographiques
Chapitre III. Résultats et discussion
III.1 Introduction
Première partie
III.2 construction des molécules du départ
III.3 méthodologie d’insertion
III.4 Méthodologie de calcul d’énergie
III.5 Discussion des résultats
III.5.1 La minimisation de l’énergie
III.5.2 Analyse des grandeurs thermodynamiques
III.5.3 Analyse des orbitales frontières HOMO/LUMO
Deuxième partie
III.6 Etude avec la théorie DFT
III.6.1 Optimisation géométrique
III.6.2 Paramètres structuraux
Troisième partie
III.7 Investigation des interactions mutuelles
III.7.1 Analyse Topologique (AIM)
III.7.2 Analyse NBO
III.7.3 Analyse par résonance magnétique nucléaire du proton (RMN 1H)
Références bibliographiques
Conclusion et perspectives
Annexe
