POLYMERES A EMPREINTES MOLECULAIRES*
L'impression moléculaire
Plan de l'étude
1) Généralités
2) Principe de
capture de la molécule cible
3) Principe général
de synthèse d'un PEM
3-1)
Les composants
3-2)
Les étapes de l'élaboration du PEM
3-3)
Différentes molécules mises en jeu
4) Des exemples de
synthèse de PEM
4-1)
Approche covalente
5) Une application
en synthèse
Annexe 1
Schéma synoptique d'élaboration d'un PEM
Les
polymères à empreintes moléculaires (PEM) sont des matériaux qui ont la
capacité de capturer sélectivement une molécule.
On met
à profit cette propriété pour analyser des composés à l'état de traces dans des
échantillons complexes.
Le
développement de ces matériaux est actuellement en plein essor dans divers
domaines : séparation chromatographique chirale, tests immunologiques, capteurs,
synthèse et catalyse, et notamment capture sélective.
Les
techniques de chimie analytique ont profondément évolué ces dernières années
afin de répondre à une demande de plus en plus forte dans différents secteurs
notamment l’environnement, l’agroalimentaire, et la médecine. Cependant, des
difficultés persistent compte tenu de la complexité des échantillons à analyser
(sang, urine, eaux de surface, matrice alimentaire) et de la faible teneur en
composés recherchés. De nombreuses méthodes physiques, chimiques ou
spectroscopiques sont disponibles, mais elles manquent de sélectivité. Dans ce
contexte, des outils biomimétiques synthétiques ont été développés. Ils sont
fondés sur le principe d’impression moléculaire au même titre que des
anticorps, des récepteurs ou encore des enzymes afin de détecter une molécule
cible ou d’en évaluer la teneur dans un échantillon. Ces nouveaux matériaux,
capables de se lier sélectivement à une cible donnée, ont été baptisés
polymères à empreintes moléculaires (MIP en anglais pour Molecularly Imprinted
Polymer).
2)
Principe de capture de la molécule cible
On a
fabriqué le polymère de telle sorte qu'il possède des cavités munies de
molécules pouvant s'unir à la cible que l'on étudie.
Deux
impératifs à respecter :
- il faut que les molécules que l'on
y place aient des fonctions chimiques leur permettant de se lier à la cible.
- il faut que dans l'espace, ces
molécules soient placées de telle façon qu'elles puissent se lier à la cible
suivant un modèle clé-serrure.
3)
Principe général de synthèse d'un PEM
Dans
cette synthèse il y a quatre intervenants :
- Des monomères
fonctionnels
On en
verra des exemples au paragraphe 3-3
- La molécule cible
(ou molécule empreinte)
- L'agent réticulant
Par
polymérisation, il permet la formation de la matrice du polymère
et par
copolymérisation l'accrochage sur celle-ci de l'ensemble monomères
fonctionnels-molécule cible (polymère réticulé).
- Le solvant
Il
permet de travailler en milieu homogène.
3-2) Les étapes
de l'élaboration du PEM
- Les monomères
fonctionnels s'accrochent à une molécule cible, modèle de celles qui
devront être captées, pour former un complexe de pré-polymérisation :
- L'agent réticulant
se polymérise et constitue la matrice avec des cavités ; par copolymérisation
le complexe de pré-polymérisation s'accroche à la paroi de ces cavités
- Par des réactions
et des solvants appropriés, on extrait et on élimine la molécule cible des
monomères fonctionnels à présent fixés sur la matrice et on obtient le polymère
présentant des cavités empreintes de la molécule cible.
Le
polymère obtenu est dit polymère imprimé car il possède des sites de
reconnaissance spécifiques de la molécule cible. Cela signifie que si ce PEM
est mis en présence de la même molécule cible dans des conditions adéquates,
celle-ci pourra se loger dans les sites de reconnaissance (ou cavités) à
l’image de sa structure (principe clé-serrure) :
Un schéma synoptique (annexe 1) résume
l'ensemble de ces étapes.
3-3) Différentes molécules mises en jeu
On va donner
quelques exemples de molécules utilisées comme monomères fonctionnels, comme
agents réticulants et comme solvants, puis faire quelques remarques concernant
les molécules cibles.
- Des monomères
fonctionnels
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Acide acrylique |
Acide méthacrylique |
Méthacrylate de méthyle |
Acrylamide |
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Méthacrylamide |
2-hydroxyméthacrylate |
Styrène |
Acide 4-vinylbenzoïque |
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4-vinylpyridine |
1-vinyl-2-imidazoline |
Méthacrylate de N-triméthyléthanolamine |
Acide 2-(trifluorométhyl)acrylique |
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Acide itaconique |
N-(2-aminoéthyl) méthacrylamide |
Phénylacrylamide |
Allylamine |
- Les agents
réticulants
Rappelons
que ce sont les monomères qui constitueront le polymère de la matrice.
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Diméthacrylate d'éthylène glycol |
1,4- Divinylbenzène |
Triméthacrylate de triméthylolpropane |
1,4-Bis(acryloyl)pipérazine |
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N,N'-phénylène diacrylamide |
N,N'-méthylène diacrylamide |
N,O-bisacryloyl-phénylalaninol |
Pentaérythritol tétraacrylate |
- Quelques solvants
Le
solvant doit être porogène c'est-à-dire capable de créer des cavités dans le
polymère.
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Toluène |
Chloroforme |
Dichlorométhane |
Acétonitrile |
Remarques :
* Les
molécules cibles
Les molécules
les plus adaptées sont celles des médicaments, des pesticides, des acides
aminés, des peptides, des sucres, des stéroïdes, des nucléotides.
Les
grosses molécules (protéines par exemple) ne rentrent pas dans le réseau
polymère et ne conviennent donc pas, pour l'instant, à ce type d'analyse.
D'une
façon générale les molécules cibles doivent être compatibles avec tous les
traitements et les conditions opératoires nécessaires à la formation du
complexe de pré-polymérisation et du polymère.
* Les initiateurs
de polymérisation
Les
initiateurs de polymérisation sont des molécules qui restent fixées à
l'extrémité de la chaîne qu'ils ont amorcée.
Les
polymérisations et copolymérisations qui interviennent dans l'élaboration des
PEM sont pratiquement toutes radicalaires.
Les
principaux initiateurs de polymérisation sont le
1-1'-Azobis(isobutyronitrile) ou AIBN
qui se décompose par chauffage (60°C) ou sous l'action d'UV et génère des
radicaux libres, ou bien le 2,2'-Azobis-(2,4-diméthylvaléronitrile) qui lui
aussi se décompose par chauffage mais dès 40°C et permet donc une
polymérisation dans des conditions plus douces.
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1-1'-Azobis(isobutyronitrile) |
2,2'-Azobis-(2,4-diméthylvaléronitrile) |
Décomposition
de l'AIBN
:
On peut
citer aussi le 2,2-diméthoxy-2-phénylacétophénone qui est décomposé par les UV
comme l'indique la figure ci-dessous.
4)
Des exemples de synthèse de PEM
La
première étape du processus de synthèse des PEM est la formation d'un complexe
de pré-polymérisation par liaison des molécules monomères à la molécule
empreinte.
Selon
la nature des liaisons qui s'établissent entre le(s) monomère(s) fonctionnel(s)
et la molécule empreinte deux types d'approches peuvent être distinguées :
- Premier exemple
Dans
l’approche covalente, le(s) monomère(s) fonctionnel(s) et la molécule empreinte
se lient de manière covalente. L’illustration de la figure ci-dessous montre un
exemple pour lequel un seul monomère fonctionnel (un diol) réagit sur la
molécule empreinte (ici l'acétophénone). Une fois la polymérisation effectuée,
la molécule empreinte est extraite du polymère pour conduire au PEM représenté.
Cela implique donc une rupture des liaisons formées au cours de la première
étape.
Le
complexe de pré-polymérisation formé est un cétal résultat de la réaction d'un
diol sur une fonction cétone.
- Deuxième exemple
* La molécule
empreinte est le [1,1'-binaphtalène]-6,6'-diol
* Le
monomère fonctionnel est l'acide méthacrylique
L'extraction
de la molécule empreinte consiste à rompre les liaisons qui relient la molécule
empreinte au réseau polymère puis à entraîner la molécule empreinte hors du
polymère.
Ceci
est réalisé en trois étapes :
Etape 1 : le polymère
précurseur est tout d’abord traité au reflux par une solution aqueuse de soude
de concentration égale à 1 mol.L-1 dans du méthanol.
Etape 2 : le polymère est filtré,
rincé, puis acidifié par une solution aqueuse d’acide chlorhydrique (HCl) dans
du méthanol.
Etape 3 : l’entraînement de
la molécule empreinte hors du solide précédent est réalisée à chaud avec de
l’acétonitrile (CH3CN) comme solvant.
Dans
l’approche non covalente, des interactions faibles s’établissent entre le(s)
monomère(s) fonctionnel(s) et la molécule empreinte au moment de la formation
du complexe de pré-polymérisation.
Le
schéma ci-dessous rend compte de cette approche pour le cas d’un dipeptide qui
s’associe à cinq monomères fonctionnels identiques dans le complexe de
pré-polymérisation. Une fois la polymérisation réalisée, la cassure des
liaisons faibles entre le dipeptide et le polymère permet de récupérer le PEM.
L’approche non covalente reste la plus utilisée parce que sa mise en œuvre est
aisée et qu’un grand nombre de monomères fonctionnalisés sont disponibles
commercialement.
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Complexe de pré-polymérisation |
Polymère précurseur du PEM |
PEM |
5)
Une application en synthèse **
Outre
les applications de reconnaissance et de dosage de certaines molécules dans des
mélanges, il existe d'autres applications comme celle ci-dessous permettant
d'orienter une réaction chimique lorsqu'on souhaite par exemple
acyler
un stéroïde sur un groupe hydroxyle spécifique en préservant les autres
présents dans la molécule.
Schéma
synoptique d'élaboration d'un PEM
*Article bâti autour du sujet de chimie du concours
Agro-Veto 2016 dont il contient de larges extraits.
**Exemple extrait d'un article de l'Actualité chimique
2001 "Polymères à empreintes moléculaires – Principe et
applications" (Karsten Haupt, Maître de conférences et Alain Fradet,
Professeur).