Section 12 Architectures moléculaires : synthèses, mécanismes et propriétés

V. Outils pour l'analyse des molécules

A. Introduction

Sans la contribution des Sciences Analytiques et Théoriques, les Sciences Chimiques n'auraient certainement pas connu l'essor observé durant ces dix dernières années dans des domaines scientifiques variés tels la synthèse totale, la méthodologie de synthèse, l'élaboration des matériaux ou l'architecture des biomolécules.

Sans minimiser le rôle des spectroscopies IR, UV ou des méthodes optiques, cinq grandes méthodes d'analyse indispensables à la communauté des biochimistes ont bénéficié de développements méthodologiques spectaculaires. Ces progrès ont permis d'accéder à une information ciblée et résolue à la fois dans le temps et dans l'espace (à l'échelle de la molécule, voire des atomes) mais aussi d'atteindre des limites de détection toujours plus basses. À titre d'exemple, on pourra citer les progrès remarquables de la chromatographie moderne (nanochromatographie liquide à haute pression : nanoUHPLC, nanoUltraPerformance Liquid...), la spectrométrie de masse, SM, (résolution isotopique, technique multidimensionnelle, imagerie...), les rayons X (RX), (efficacité des détecteurs, mesures résolues en temps, instruments portables), la résonance paramagnétique électronique, RPE, (imagerie, technique pulsée, hauts champs) et la résonance magnétique nucléaire, RMN très haut champs (THC), sondes cryogéniques, polarisation dynamique nucléaire, RMN ultrarapide).

Indéniablement, si ces différentes avancées, à la fois technologiques et méthodologiques, ont déjà permis de lever de nombreux verrous analytiques, elles présagent aussi de leur capacité à résoudre les « défis chimiques » de demain. Seules ou en combinaison (HPLC/SM, RMN/HRMS, HPLC/RMN), ces méthodes (dont l'automatisation grandissante facilite leur utilisation) jouent un rôle essentiel à la fois dans le processus d'identification moléculaire (analyse de routine ou d'échantillons complexes) mais aussi dans la compréhension des interactions à l'échelle moléculaire et supramoléculaire.

B. Spectrométrie de masse

La spectrométrie de masse est une technique ubiquitaire. Elle se caractérise par la grande diversité des géométries d'appareillages disponibles (entre les techniques d'ionisation, les types d'analyseurs et les couplages chromatographiques) et, en conséquence, par une dispersion des coûts d'acquisition extrêmement importants (supérieurs à vingt).

Ces dernières années, des avancées majeures ont été réalisées. D'une part, l'apparition des analyseurs de type Orbitrap a permis un accès généralisé aux mesures de masse haute résolution en routine, avec une résolution supérieure à cent mille et une précision atteignant quelques ppm. L'introduction de la mobilité ionique a également autorisé la distinction d'isomères géométriques (par exemple des oligomères linéaires ou ramifiés de même masse). D'autre part, l'introduction de source de désorption de champ (FD/FI field desorption/field ionization) de nouvelle génération a facilité l'analyse des complexes organométalliques. Par ailleurs, l'apparition de sources de type DESI (desorption electrospray ionization) autorise maintenant l'analyse de molécules organiques directement déposées sur une surface et à pression atmosphérique.

À champ magnétique constant, les derniers instruments de type FT-ICR (Fourier transform ion cyclotron resonance) utilisant des cellules ICR harmonisées ont vu leur résolution multipliée par un facteur dix. La possibilité d'atteindre un facteur résolutif de dix millions et une précision de quelques ppb (partie par milliard) permet de résoudre les pics isotopiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives, en traçage et identification des molécules organiques mais aussi de suivre l'évolution de mélanges très complexes (pétrole, biohuiles) lors de leur raffinage.

À l'interface entre la chimie et de la biologie, les domaines les plus actifs sont la métabolomique, la protéomique et l'analyse environnementale. Ces domaines voient leurs champs d'applications s'étendre par la conjonction de progrès conséquents en instrumentation (miniaturisation conduisant à des gains en sensibilité) et en développement d'outils d'analyse informatique performant. Par exemple, à partir de moins d'un microgramme de protéines, il est aujourd'hui possible d'identifier plus de vingt milles peptides (via les spectres de fragmentation). Un millier de protéines sont ainsi caractérisées sur la base d'une analyse.

Les objectifs actuels sont tournés vers l'analyse des molécules intactes (lipides, protéines, complexes protéiques jusqu'à plusieurs millions de Da...) sans aucune hydrolyse en leurs constituants. Les techniques décrites précédemment sont également étendues à l'étude des polymères agro-sourcés natifs ou modifiés.

Les instruments FT-ICR sont accessibles à la communauté dans le cadre du TGE CNRS FT-ICR à haut champ. La diversité des méthodes d'ionisation et d'activation du parc de spectromètres combinée à une expertise/compétence spécifique (protéomique « bottom-up » et « top-down », métabolomique, pétroléomique, glycomique, ADN et complexes non-covalents, polymères, etc.) des différents sites du réseau offre la possibilité d'analyser des molécules de structures aussi variées que complexes. L'acquisition d'instruments FT-ICR de nouvelle génération et de plus haut champ (15 Tesla) devrait permettre à la communauté scientifique d'accéder à ces objectifs et de maintenir une visibilité internationale.

Enfin, couplé à la puissance des récents moyens de calcul et des algorithmes de traitement des « big data », le développement de techniques 2D analogues à celles utilisées en spectroscopie RMN est désormais exploré.

C. La RPE

Au cours des dernières années, les développements significatifs de la RPE, à la fois technologiques (hauts champs, nouvelles cavités, efficacité impulsionnelle...) et méthodologiques (DEER : double electron-electron resonance, HYSCORE : hyperfine sub-level correlation...), ont conduit également à des avancées remarquables et remarquées dans de nombreux domaines (biologie structurale, matériaux organiques, inorganiques et hybrides, molécules sondes, nanoélectronique). Par exemple, la RPE apparaît aujourd'hui comme un outil indispensable à l'étude et à l'optimisation de nouveaux matériaux dédiés à l'énergie ou la catalyse, notamment via une plus grande compréhension des mécanismes fondamentaux et du rôle spécifique des espèces paramagnétiques (radicaux organiques ou inorganiques) dans le contrôle de leurs propriétés.

Récemment, une interaction très forte avec la RMN a émergé, permettant des développements importants notamment pour les techniques d'hyperpolarisation (Polarisation Dynamique Nucléaire « DNP » (dynamic nuclar polarisation) associées à la RMN du solide, liquide et l'IRM) ou l'étude biostructurale de protéines paramagnétiques. Les chimistes organiciens de la section 12 ont également contribué à ces avancées, en développant notamment de nouvelles sondes paramagnétiques avancées.

La mise en place d'une plate-forme nationale TGE CNRS RPE (réseau RENARD) proposant un ensemble de spectromètres RPE et de compétences variées (bas et hauts champs, ondes continue et impulsionnelle, imagerie, basses températures) offre la possibilité d'étudier de manière détaillée (processus dynamiques, structures géométriques et électroniques) de nombreux systèmes. L'accès aux différents sites de cette plate-forme ouvre la voie à un large panel de collaborations impliquant de nombreux utilisateurs non-experts.

L'imagerie et la microscopie RPE sont actuellement des champs qui devraient connaître de forts développements dans les années à venir. Compte tenu des enjeux liés à la chimie des matériaux, l'arrivée d'appareillages RPE « très haut champs » (263 GHz) permettrait à la communauté française RPE de maintenir une visibilité à l'échelle européenne et internationale.

D. La RMN

La commercialisation de spectromètres RMN « haut champs » et « très haut champs » (HC/THC) (jusqu'à 1,0 gigahertz en 2009), dédiés à l'analyse des solides ou des liquides, et utilisant (ou non) la technologie des sondes de mesure cryogéniques multi-noyaux performantes a conduit à des avancées importantes en chimie structurale et analytique (noyaux peu sensibles ou faiblement abondants) mais aussi en protéomique et en métabolomique.

Il est à noter que des progrès techniques significatifs ont été réalisés en RMN du solide de composés dia- ou paramagnétiques, notamment depuis la commercialisation de sonde RMN « MAS » (Magic Angle Spinning) capables de mettre en rotation des rotors de 0,75 mm de diamètre externe à une vitesse de 110 kilohertz. Couplées à des progrès méthodologiques (technique de découplage et/ou de polarisation, synchronisation, séquences d'impulsion multi-dimensionnelles), les performances analytiques de la RMN du solide commencent à égaler celles du liquide. Une harmonisation complète de ces deux outils si différents a priori est clairement envisageable durant la prochaine décennie.

Récemment, le développement de spectromètres RMN équipés pour la DNP (Dynamic Nuclear Polarisation) en rotation à l'angle magique (fréquences MAS < à 20 kHz) a permis d'augmenter la sensibilité de la RMN de plusieurs ordres de grandeur, révélant l'importance de cette technologie. Les premiers équipements RMN-DNP 400 et 800 MHz implantés en France ont démontré l'intérêt de cette approche pour de nouvelles problématiques analytiques, telles que la caractérisation de surfaces de matériaux hybrides nanostructurés, de microcristaux, de biomolécules, inaccessibles avec des spectromètres RMN conventionnels. En 2014, le premier système RMN-DNP 800 MHz commercial a été installé afin d'améliorer la résolution de cette technique. Cependant, les gains en sensibilité observés à 800 MHz restent inférieurs à ceux obtenus à 400 MHz et l'efficacité de la DNP à très hauts champs doit encore être améliorée.

D'un point de vue plus magnétique, l'apparition de matériaux supraconducteurs « haute température » (HTSC) offre de nouvelles opportunités pour le développement des aimants RMN à très hauts champs (> 1 000 MHz). Un projet national de spectromètre RMN opérant à 1 200 MHz a été sélectionné en 2014 pour être basé à Lille. Pour être réellement impactant, ce projet d'envergure devra impérativement s'accompagner d'un « saut » technologique majeur dans le domaine de la conception des aimants supraconducteurs. En terme de sensibilité, ce nouveau type d'aimant offrira notamment de nouvelles opportunités pour la détection des isotopes peu sensibles, qui représentent presque la moitié des isotopes observables par RMN mais aussi la caractérisation des défauts, ou des interfaces dans les matériaux organiques, inorganiques ou hybrides. Par ailleurs le gain en résolution et la sensibilité obtenue à 1,2 gigahertz pourront se révéler déterminants pour l'étude des systèmes biologiques complexes ou des matériaux avancés.

L'accès ou l'utilisation de très grands instruments dans le cadre des grandes infrastructures de recherche multi-sites (les TGE-RMN, TGE FT-ICR et TGE-RPE) est un atout remarquable. Ces plate-formes techniques ont apporté énormément à la communauté des physico-chimistes puisque l'accès à des instruments d'exception, dans le cadre de projets de recherche préalablement évalués, est possible. Si ces infrastructures de pointe (uniques en Europe) sont cruciales dans un contexte scientifique très compétitif, elles doivent aussi et surtout s'appuyer sur une recherche nationale solide constituée d'un ensemble d'entités actives de plus petites tailles (laboratoire, équipe, groupe), possédant une expertise et des thématiques de recherches originales et propres, originales et variées.

E. Analyse structurale et modélisation

Le domaine de la modélisation des réactions chimiques recouvre plusieurs aspects. Même s'ils sont connectés par une méthodologie sous-jacente issue de la mécanique quantique, ils sont néanmoins sensiblement différents dans leur mise en œuvre. La compréhension des phénomènes fondamentaux autour de la liaison chimique est un axe très important qui reste cependant du ressort d'équipes de recherche très spécialisées. En revanche, l'utilisation des outils issus de ces groupes a largement percolé vers les groupes de chimie expérimentale via trois voies : l'adjonction d'un spécialiste en chimie computationnelle, l'implication d'un chercheur réorientant ses compétences vers la modélisation et la mise en place d'une collaboration forte avec un groupe spécialisé en simulation.

Il est actuellement possible de dégager trois grands axes où les apports de la modélisation, en lien avec les observations expérimentales, sont de plus en plus notables. Le premier axe est évidemment celui de la description des étapes élémentaires mises en œuvre au cours d'une réaction chimique. Il s'agit de comprendre l'enchaînement des étapes au cours de synthèse d'objets moléculaires de plus en plus complexes, tant du point de vue de la taille que de la structure électronique. L'étape ultime dans ce domaine reste la compréhension des sélectivités et on peut noter que l'approche incluant une meilleure exploration de l'espace conformationnel est récemment en expansion. Le second axe est celui de la structure tridimensionnelle des objets moléculaires. Il y a là un changement conceptuel important qui n'apparaît pas toujours dans la bibliographie scientifique. Il est désormais classique d'engager la mise au point d'une nouvelle classe de réactions ou de catalyseurs par une optimisation des structures fondées sur une approche théorique. On peut noter, en particulier, qu'il est désormais possible de concevoir « ab initio » des théozymes et que celles-ci ont montré des activités catalytiques intéressantes. Le troisième axe est lié au second puisqu'il concerne à nouveau les structures mais en lien avec les différentes analyses permettant de les identifier.

Il est maintenant usuel de simuler les paramètres de la spectroscopie IR ou RMN et de confronter les résultats théoriques aux valeurs expérimentales. Cette méthodologie a été à l'origine de la réattribution (stéréochimique) de centres stéréogènes de produits naturels, au cours des dernières années, via la prédiction des spectres de dichroïsme circulaire, par exemple. On peut aussi citer l'optimisation des paramètres structuraux en lien avec des contraintes issues des couplages internucléaires scalaires et dipolaires (RMN), ce qui permet d'accéder à la structure de composés microcristallins non-résolvable par les techniques cristallographiques.

Globalement toutes les méthodes analytiques sont touchées par cette évolution : attribution des bandes de transition électronique, prédiction à l'aveugle des fragmentations en spectrométrie de masse, analyse de signaux RPE, calcul des paramètres Mössbauer... Évidemment, cette explosion des méthodes théoriques se fait en lien avec l'accroissement notable des moyens de calculs, que ce soit à l'échelle des unités via l'acquisition de clusters de calculs, via la structuration des méso-centres de calculs à l'échelon régional ou encore par la montée en puissance des équipements nationaux (GENCI).