La géométrie moléculaire de solides organiques révélée par Résonance Magnétique Nucléaire
Publié par Redbran le 02/03/2020 à 08:00
Source: CNRS INC
Les propriétés d'un matériau dépendent de sa structure. Cependant, la structure atomique ou moléculaire d'un solide reste très difficile à déterminer lorsque le matériau à analyser ne forme pas de cristaux de taille et qualité élevées, limitant ainsi la possibilité de développer de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) pour des applications ciblées. Récemment, des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) de Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle...) Radicalaire de Marseille ont démontré que la Résonance Magnétique Nucléaire (La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.) (RMN) en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) solide peut permettre d'obtenir de manière non invasive une information structurale difficilement accessible pour des matériaux organiques sous forme de poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de...): la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) des molécules qui composent le solide.


© Ella Maru / scientific-illustrations.com

La Résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres....) Magnétique Nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) (RMN) est un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une...) clé pour déterminer la structure chimique d'un composé. Elle permet d'obtenir des informations structurales, telles que le type de groupes fonctionnels et de liaisons chimiques entre les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...), et ce, de manière non invasive. Dans les années 60, le Prix Nobel Martin Karplus révolutionne la RMN en découvrant l'existence d'une relation simple entre la valeur du couplage J entre deux atomes séparés par trois liaisons chimiques (3J), mesurable par RMN, et l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de torsion (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés agissant dans des plans parallèles.) (ou dièdre) du fragment moléculaire correspondant. Cette découverte a démontré que la RMN est non seulement utile pour déterminer la formule semi-développée d'un composé, mais aussi pour déterminer sa structure tri-dimensionelle. Essentiellement de nature empirique, ces relations, connues depuis sous le nom d'équations de Karplus, ont été largement exploitées dans les quarante dernières années pour la détermination de la géométrie moléculaire dans des composés organiques en phase liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), que ce soit des petites molécules ou des protéines, aidant à éclaircir les relations entre leur structure et leur activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.).

Avoir accès à la structure 3D est d'autant plus important pour les solides moléculaires, car la géométrie des molécules qui composent le solide contribue à la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) des propriétés physico chimiques ainsi que de réactivité chimique du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) et détermine ses applications d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) macroscopique. Cependant, à cause de la difficulté à observer et mesurer les couplages J en phase solide, aucune étude démontrant l'existence de relations de type Karplus pour l'analyse de composés solides avait été reportée dans la littérature, jusqu'à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...).

Dans une étude parue dans la revue Angewandte Chemie International Edition en Novembre dernier et affichée dans la quatrième de couverture, les chercheurs de l'Institut de Chimie Radicalaire de Marseille ont prouvé pour la première fois l'existence d'une relation de type Karplus pour des systèmes en phase solide.

L'existence d'une telle relation a été initialement révélée par de calculs ab initio, et ensuite validée expérimentalement par RMN du solide en analysant un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de composés organiques solides constitués d'acides aminés, de sucres et de principes actifs de médicament (Un médicament est une substance ou une composition présentée comme possédant des propriétés curatives, préventives ou administrée en vue...). Cela a permis d'obtenir pour la première fois l'expression mathématique d'une fonction de type Karplus pour des matériaux: telle qu'un "goniomètre (Un goniomètre est un appareil servant à mesurer les angles.) moléculaire", cette fonction constitue un outil simple pour déterminer des angles de torsion en phase solide par RMN, et accéder ainsi à la géométrie moléculaire des matériaux organiques avec une précision de 10°. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l'utilisation de la RMN dans l'analyse de matériaux solides qui ne forment pas de cristaux de taille et qualité suffisamment élevées pour être analysés par diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les...) des rayons X, et se positionne encore plus comme un outil indispensable en sciences des matériaux.

Références:
P. Thureau, I. Carvin, F. Ziarelli, S. Viel, G. Mollica* “A Karplus Equation for the Conformational Analysis of Organic Molecular Crystals” Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16047-16051.
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