Interaction study of moxifloxacin with Cu(II) ion using square-wave voltammetry and its application in the determination in tablets

This work presents an electroanalytical method for the determination of moxifloxacin (MOXI) in tablets by its interaction with Cu(II) ion and subsequent electrochemical reduction at hanging mercury drop electrode (HMDE). A well-defined reduction peak at -0.21 V vs. Ag/AgCl in Phosphate buffer 0.04 mol L-1 pH 8.0 was observed for the complex reduction MOXI-Cu(II), using square-wave voltammetry (SWV). Using a 10 s of accumulation time at -0.40 V was found a limit detection of 3.60x10-8 mol l-1. The obtained results have shown good agreement with those obtained by spectrophotometric method.

Spectrophotometric determination of arsenic in soil samples using 2-(5-bromo-2-pyridylazo)-5-di-ethylaminophenol (Br-PADAP)

In this paper, a new, simple and sensitive method for arsenic determination in soil is proposed. This is based on the reduction of silver (I) and iron (III) ions by arsine followed by a complexation reaction of iron (II) with the spectrophotometric reagent Br-PADAP 2-(5-bromo-2-pyridylazo)-5-di-ethylaminophenol. Arsenic determination with a Sandell's sensitivity of 3.1 10-4 cm-2, linear range from 0.1 µg ml-1 to 2.0 µg ml-1 (r560 = 0.9995), molar absorptivity of 2.45 10(5) l mol-1 cm-1 and a concentration detection limit of 1.4 ng ml-1 (3s) were obtained using a 10 ml sample volume. Selectivity was increased with the use of EDTA as a masking agent. The proposed method was applied for arsenic determination in the presence of several ions amounts in digested soil samples. The results revealed that antimony (III), mercury (II), germanium (IV), platinum (IV) interferes at all analyzed proportions. The interferences can be easily removed by the use of EDTA. Precision and accuracy obtained were satisfactory with a R.S.D. < 5 %. Recovery of arsenic in soil samples varied from 95.55 to 102.70 % with a mean of 99.63 %. These results demonstrated that the proposed method is applicable for arsenic analysis in different soil samples.

Element speciation and behaviour in metal-rich Boreal river and estuarine systems using ultrafiltration and chemical modelling

The bioavailability of metals and their potential for environmental pollution depends not simply on total concentrations, but is to a great extent determined by their chemical form. Consequently, knowledge of aqueous metal species is essential in investigating potential metal toxicity and mobility. The overall aim of this thesis is, thus, to determine the species of major and trace elements and the size distribution among the different forms (e.g. ions, molecules and mineral particles) in selected metal-enriched Boreal river and estuarine systems by utilising filtration techniques and geochemical modelling. On the basis of the spatial physicochemical patterns found, the fractionation and complexation processes of elements (mainly related to input of humic matter and pH-change) were examined. Dissolved (<1 kDa), colloidal (1 kDa-0.45 μm) and particulate (>0.45 μm) size fractions of sulfate, organic carbon (OC) and 44 metals/metalloids were investigated in the extremely acidic Vörå River system and its estuary in W Finland, and in four river systems in SW Finland (Sirppujoki, Laajoki, Mynäjoki and Paimionjoki), largely affected by soil erosion and acid sulfate (AS) soils. In addition, geochemical modelling was used to predict the formation of free ions and complexes in these investigated waters. One of the most important findings of this study is that the very large amounts of metals known to be released from AS soils (including Al, Ca, Cd, Co, Cu, Mg, Mn, Na, Ni, Si, U and the lanthanoids) occur and can prevail mainly in toxic forms throughout acidic river systems; as free ions and/or sulfate-complexes. This has serious effects on the biota and especially dissolved Al is expected to have acute effects on fish and other organisms, but also other potentially toxic dissolved elements (e.g. Cd, Cu, Mn and Ni) can have fatal effects on the biota in these environments. In upstream areas that are generally relatively forested (higher pH and contents of OC) fewer bioavailable elements (including Al, Cu, Ni and U) may be found due to complexation with the more abundantly occurring colloidal OC. In the rivers in SW Finland total metal concentrations were relatively high, but most of the elements occurred largely in a colloidal or particulate form and even elements expected to be very soluble (Ca, K, Mg, Na and Sr) occurred to a large extent in colloidal form. According to geochemical modelling, these patterns may only to a limited extent be explained by in-stream metal complexation/adsorption. Instead there were strong indications that the high metal concentrations and dominant solid fractions were largely caused by erosion of metal bearing phyllosilicates. A strong influence of AS soils, known to exist in the catchment, could be clearly distinguished in the Sirppujoki River as it had very high concentrations of a metal sequence typical of AS soils in a dissolved form (Ba, Br, Ca, Cd, Co, K, Mg, Mn, Na, Ni, Rb and Sr). In the Paimionjoki River, metal concentrations (including Ba, Cs, Fe, Hf, Pb, Rb, Si, Th, Ti, Tl and V; not typical of AS soils in the area) were high, but it was found that the main cause of this was erosion of metal bearing phyllosilicates and thus these metals occurred dominantly in less toxic colloidal and particulate fractions. In the two nearby rivers (Laajoki and Mynäjoki) there was influence of AS soils, but it was largely masked by eroded phyllosilicates. Consequently, rivers draining clay plains sensitive to erosion, like those in SW Finland, have generally high background metal concentrations due to erosion. Thus, relying on only semi-dissolved (<0.45 μm) concentrations obtained in routine monitoring, or geochemical modelling based on such data, can lead to a great overestimation of the water toxicity in this environment. The potentially toxic elements that are of concern in AS soil areas will ultimately be precipitated in the recipient estuary or sea, where the acidic metalrich river water will gradually be diluted/neutralised with brackish seawater. Along such a rising pH gradient Al, Cu and U will precipitate first together with organic matter closest to the river mouth. Manganese is relatively persistent in solution and, thus, precipitates further down the estuary as Mn oxides together with elements such as Ba, Cd, Co, Cu and Ni. Iron oxides, on the contrary, are not important scavengers of metals in the estuary, they are predicted to be associated only with As and PO4.

Modelling of potentiometric ion sensors

Potentiometric ion sensors are a very important subgroup of electrochemical sensors, very attractive for practical applications due to their small size, portability, low-energy consumption, relatively low cost and not changing the sample composition. They are investigated by the researchers from many fields of science. The continuous development of this field creates the necessity for a detailed description of sensor response and the electrochemical processes important in the practical applications of ion sensors. The aim of this thesis is to present the existing models available for the description of potentiometric ion sensors as well as their applicability and limitations. This includes the description of the diffusion potential occurring at the reference electrodes. The wide range of existing models, from most idealised phase boundary models to most general models, including migration, is discussed. This work concentrates on the advanced modelling of ion sensors, namely the Nernst-Planck-Poisson (NPP) model, which is the most general of the presented models, therefore the most widely applicable. It allows the modelling of the transport processes occurring in ion sensors and generating the potentiometric response. Details of the solution of the NPP model (including the numerical methods used) are shown. The comparisons between NPP and the more idealized models are presented. The applicability of the model to describe the formation of diffusion potential in reference electrode, the lower detection limit of both ion-exchanger and neutral carrier electrodes and the effect of the complexation in the membrane are discussed. The model was applied for the description of both types of electrodes, i.e. with the inner filling solution and solidcontact electrodes. The NPP model allows the electrochemical methods other than potentiometry to be described. Application of this model in Electrochemical Impedance Spectroscopy is discussed and a possible use in chrono-potentiometry is indicated. By combining the NPP model with evolutionary algorithms, namely Hierarchical Genetic Strategy (HGS), a novel method allowing the facilitation of the design of ion sensors was created. It is described in detail in this thesis and its possible applications in the field of ion sensors are indicated. Finally, some interesting effects occurring in the ion sensors (i.e. overshot response and influence of anionic sites) as well as the possible applications of NPP in biochemistry are described.

An EDTA-β-cyclodextrin adsorbent for the adsorption of rare earth elements and its application in preconcentration of ultratrace rare earth elements from seawater

The objectives of this work were synthesizing an EDTA-β-CD adsorbent and investigating its adsorption potential and applications in preconcentration of REEs from aqueous phase. The adsorption capacity of EDTA-β-CD was investigated. The adsorption studies were performed by batch techniques both in one- and multi-component systems. The effects of pH, contact time and initial concentration were evaluated. The analytical detection methods and characterization methods were presented. EDTA-β-CD adsorbent was synthesized successfully with high EDTA coverage. The maximum REEs uptake was 0.310 mmol g-1 for La(III), 0.337 mmol g-1 for Ce(III) and 0.353 mmol g-1 for Eu(III), respectively. The kinetics of REEs onto EDTA-β-CD fitted well to pseudo-second-order model and the adsorption rate was affected by intra-particle diffusion. The experimental data of one component studies fitted to Langmuir isotherm model indicating the homogeneous surface of the adsorbent. The extended Sips model was applicable for the isotherm studies in three-component system. The electrostatic interaction, chelation and complexation were all involved in the adsorption mechanism. The preconcentration of RE ions and regeneration of EDTA-β-CD were successful. Overall, EDTA-β-CD is an effective adsorbent in adsorption and preconcentration of REEs.

Reactivity characteristics of cytochrome c, cytochrome oxidase and the electrostatic cytochrome c - cytochrome oxidase complex /

The mechanism whereby cytochrome £ oxidase catalyses elec-. tron transfer from cytochrome £ to oxygen remains an unsolved problem. Polarographic and spectrophotometric activity measurements of purified, particulate and soluble forms of beef heart mitochondrial cytochrome c oxidase presented in this thesis confirm the following characteristics of the steady-state kinetics with respect to cytochrome £: (1) oxidation of ferrocytochrome c is first order under all conditions. -(2) The relationship between sustrate concentration and velocity is of the Michaelis-Menten type over a limited range of substrate. concentrations at high ionic strength. (3) ~he reaction rate is independent from oxygen concentration until very low levels of oxygen. (4) "Biphasic" kinetic plots of enzyme activity as a function of substrate concentration are found when the range of cytochrome c concentrations is extended; the biphasicity ~ is more apparent in low ionic strength buffer. These results imply two binding sites for cytochrome £ on the oxidase; one of high affinity and one of low affinity with Km values of 1.0 pM and 3.0 pM, respectively, under low ionic strength conditions. (5) Inhibition of the enzymic rate by azide is non-c~mpetitive with respect to cytochrome £ under all conditions indicating an internal electron transfer step, and not binding or dissociation of £ from the enzyme is rate limiting. The "tight" binding of cytochrome '£ to cytochrome c oxidase is confirmed in column chromatographic experiments. The complex has a cytochrome £:oxidase ratio of 1.0 and is dissociated in media of high ionic strength. Stopped-flow spectrophotometric studies of the reduction of equimolar mixtures and complexes of cytochrome c and the oxidase were initiated in an attempt to assess the functional relevance of such a complex. Two alternative routes -for reduction of the oxidase, under conditions where the predominant species is the £ - aa3 complex, are postulated; (i) electron transfer via tightly bound cytochrome £, (ii) electron transfer via a small population of free cytochrome c interacting at the "loose" binding site implied from kinetic studies. It is impossible to conclude, based on the results obtained, which path is responsible for the reduction of cytochrome a. The rate of reduction by various reductants of free cytochrome £ in high and low ionic strength and of cytochrome £ electrostatically bound to cytochrome oxidase was investigated. Ascorbate, a negatively charged reagent, reduces free cytochrome £ with a rate constant dependent on ionic strength, whereas neutral reagents TMPD and DAD were relatively unaffected by ionic strength in their reduction of cytochrome c. The zwitterion cysteine behaved similarly to uncharged reductants DAD and TI~PD in exhibiting only a marginal response to ionic strength. Ascorbate reduces bound cytochrome £ only slowly, but DAD and TMPD reduce bound cytochrome £ rapidly. Reduction of cytochrome £ by DAD and TMPD in the £ - aa3 complex was enhanced lO-fold over DAD reduction of free £ and 4-fold over TMPD reduction of free c. Thus, the importance of ionic strength on the reactivity of cytochrome £ was observed with the general conclusion being that on the cytochrome £ molecule areas for anion (ie. phosphate) binding, ascorbate reduction and complexation to the oxidase overlap. The increased reducibility for bound cytochrome £ by reductants DAD and TMPD supports a suggested conformational change of electrostatically bound c compare.d to free .£. In addition, analysis of electron distribution between cytochromes £ and a in the complex suggest that the midpotential of cytochrome ~ changes with the redox state of the oxidase. Such evidence supports models of the oxidase which suggest interactions within the enzyme (or c - enzyme complex) result in altered midpoint potentials of the redox centers.

Kinetic and mechanistic studies for the molybdenum- catalyzed oxidation of organic sulfides and olefins by t- DuO2H

This research was focussed on the effects of light, solvent and substituents in the molybdenum-catalyzed oxidation of phenylmethyl sulfides with t-Bu02H and on the effect of light in the molybdenum-catalyzed epoxidation of l-octene with t-Bu02H. It was shown that the Mo(CO)6-catalyzed oxidation of phenylmethyl sulfide with t-Bu02H~ at 35°C, proceeds 278 times faster underUV light than under laboratory lighting, whereas the Mo02(acac)2-catalyzed oxidation proceeds only 1.7 times faster under UV light than under normal laboratory lighting. The difference between the activities of both catalysts was explained by the formation of the catalytically active species, Mo(VI). The formation of the Mo(VI) species, from Mo(CO)6 was observed from the IR spectrum of Mo(CO)6 in the carbonyl region. The Mo(CO)6-catalyzed epoxidation of l-octene with t-Bu02H showed that the reaction proceeded 4.6 times faster under UV light than in the dark or under normal laboratory lighting; the rates of epoxidations were found to be the same in the dark and under normal laboratory lighting. The kinetics of the epoxidations of l-octene with t-Bu02H, catalyzed by Mo02(acac)2 were found to be complicated; after fast initial rates, the epoxidation rates decreased with time. The effect of phenylmethyl sulfide on the Mo(CO)6-catalyzed epoxidation of l-octene waS studied. It was shown that instead of phenylmethyl sulfide, phenylmethyl sulfone, which formed rapidly at 85°C, lowered the reaction rate. The epoxidation of l-octene was found to be 2.5 times faster in benzene than in ethanol. The substituent effect on the Mo02(acac)2-catalyzed oxidations of p-OH, p-CHgO, P-CH3' p-H, p-Cl, p-Br, p-CHgCO, p-HCO and P-N02 substituted phenylmethyl sulfides were studied. The oxidations followed second order kinetics for each case; first order dependency on catalyst concentration was also observed in the oxidation of p-CHgOPhSMeand PhSMe. It was found that electron-donating groups on the para position of phenylmethyl sulfide increased the rate of reaction, while electronwithdrawing groups caused the reaction rate to decrease. The reaction constants 0 were determined by using 0, 0- and 0* constants. The rate effects were paralleled by the activation energies for oxidation. The decomposition of t-Bu02H in the presence of M.o (CO)6, Mo02 (acac)2 and VO(acac)2 was studied. The rates of decomposition were found to be very small compared to the oxidation rates at high concentration of catalysis. The relative rates of the Mo02(acac)2-catalyzed oxidation of p-N02PhSMe by t-Bu02H in the presence of either p-CH30PhSMe or PhSMe clearly show that PhSMe and p-CHgOPhSMe act as co-catalysts in the oxidation of p-N02PhSMe. Benzene, mesity1ene and cyclohexane were used to determine the effect of solvent in the Mo02 (acac)2 and Mo(CO)6-catalyzed oxidation of phenylmethyl sulfide. The results showed that in the absence of hydroxylic solvent, a second molecule of t-Bu02H was involved in the transition state. The complexation of the solvent with the catalyst could not be explained.The oxidations of diphenyl sulfoxide catalyzed by VO(acac)2, Mo(CO)6 and Mo02(acac)2 showed that VO(acac)2 catalyzed the oxidation faster than Mo(CO)6 and Mo02 (acac)2_ Moreover, the Mo(CO)6-catalyzed oxidation of diphenyl sulfoxide proceeded under UV light at 35°C.

Kinetic and product studies for the oxidtion of organic sulfides and sulfoxides in the presence of transition metal complexes

Rates and products of the oxidation of diphenyl sulfide, phenyl methyl sulfide, p-chlorophenyl methyl sulfide and diphenyl sulfoxide have been determined. Oxidants included t-Bu02H alone, t-Bu02H plus molybdenum or vanadium catalysts and the molybdenum peroxo complex Mo0(02)2*HMPT. Reactions were chiefly carried out in ethanol at temperatures ranging from 20° to 65°C. Oxidation of diphenyl sulfide by t-Bu02H in absolute ethanol at 65°C followed second-order kinetics with k2 = 5.61 x 10 G M~1s"1, and yielded only diphenyl sulfoxide. The Mo(C0)g-catalyzed reaction gave both the sulfoxide and the sulfone with consecutive third-order kinetics. Rate = k3[Mo][t-Bu02H][Ph2S] + k^[Mo][t-Bu02H][Ph2S0], where log k3 = 12.62 - 18500/RT, and log k^ = 10.73 - 17400/RT. In the absence of diphenyl sulfide, diphenyl sulfoxide did not react with t-Bu02H plus molybdenum catalysts, but was oxidized by t-Bu02H-V0(acac)2. The uncatalyzed oxidation of phenyl methyl sulfide by t-Bu02H in absolute ethanol at 65°C gave a second-order rate constant, k = 3.48 x 10~"5 M^s""1. With added Mo(C0)g, the product was mainly phenyl methyl sulfoxide; Rate = k3[Mo][t-Bu02H][PhSCH3] where log k3 = 22.0 - 44500/RT. Both diphenyl sulfide and diphenyl sulfoxide react readily with the molybdenum peroxy complex, Mo0(02)2'HMPT in absolute ethanol at 35°C, yielding diphenyl sulfone. The observed features are mainly in agreement with the literature on metal ion-catalyzed oxidations of organic compounds by hydroperoxides. These indicate the formation of an active catalyst and the complexation of t-Bu02H with the catalyst. However, the relatively large difference between the activation energies for diphenyl sulfide and phenyl methyl sulfide, and the non-reactivity of diphenyl sulfoxide suggest the involvement of sulfide in the production of an active species.

Nuclear magnetic resonance studies of boron trihalide complexes of 1,1-BIS (dimethylamino) ethylene and related bases

Boron tribalide complexes of 1,1-bis(dimethylamino)ethylene (DME) , t etramethylurea (TMU), tetramethylguanidine (TMG) , and pentamethylguanidine (PMG) and also mixed boron t r ihalide adducts of DME have been investigated by 1H and 19F NMR spectroscopy. Both nitrogen and the C-Q-H carbon of DME are possible donor a toms to boron trihal ides but complexation has been found to occur only at carbon of DME. The initial adduct acts as a Bronsted acid and gives up a proton to free DME in solut ion. A side reaction in the DME-BF, system gives rise to trace amounts of a complex aSSigned as (DME)2BF2+. (DME)2BF2+ is produced in much larger quantities in t he DME-BF3-BC13 and DME-BF,-BBr, systems by reaction of free DME with DME:BF2X (X = Cl, Br). Restricted r otation about the C-N bonds of TMUlBC13 and n1U:BBr3 has been observed at low temperatures. This complements previous work in this system and confirms oxygen donation of TMU to boron trihalides . Restricted rotation at low temperatures also has been observed in DMEboron trihalide systems

Synthesis of new zirconium complexes

L'étude suivante décrit la synthèse des ligands nacnacxylH, nacnacBnH, nacnacR,RH et nacnacCyH en utilisant une méthode générale qui implique des rendements élevés et des coûts raisonnables, la complexation de ces ligands au Zr, la caractérisation de ces complexes et l’investigation de leurs réactivités. Les complexes de zirconium ont été obtenus en utilisant deux méthodes synthétiques principales : la première consiste en traitement du sel de lithium du ligand avec le ZrCl4. La seconde est la réaction du ligand neutre avec les complexes d’alkyl-zirconium(IV) par protonation de l'alkyle coordonné. Le ligand adopte deux modes de coordination avec le Zr. Une coordination 2 est observée dans les complexes octaèdriques contenant un ou deux ligands nacnac. En présence d'un autre ligand ayant une coordonnation 5, par exemple Cp ou Ind, le ligand nacnac se trouve en coordination x avec le centre métallique de zirconium. En solution, les complexes obtenus de (nacnac)2ZrX2 montrent un comportement dynamique via un « Bailar-twist » et les paramètres d'activation de cette isomérisation ont été obtenus. Le complexe octaèdrique (nacnacBn)2ZrCl2, 2c, n'a pas montré de réactivité dans la carbozirconation et son alkylation n'était pas possible par l’échange des chlorures avec les alkyles. L’analogue dimethylé (nacnacBn)2ZrMe2, 2d, peut être préparé par alkylation du ZrCl4 avant la complexation du ligand. Ce dernier a été prouvé aussi de ne pas être réactif dans la carbozirconation.

Polyoxométallates hybrides : vers des systèmes covalents photoactifs dans le visible

Réalisé en cotutelle, sous la direction du Pr. Bernold Hasenknopf, à l'Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI, France) et dans le cadre de l'Ecole Doctorale "Physique et Chimie des Matériaux" - Spécialité Chimie Inorganique (ED397).

Propriétés supramoléculaires des cations diimidazolium disubstitués : des complexes d’inclusion en solution aux interactions à l’état cristallin et cristal liquide

Les sels d’imidazolium ont un rôle important dans certaines protéines et acides nucléiques et ont été utilisés à de nombreuses reprises dans des assemblages supramoléculaires en raison de leurs propriétés uniques. Les sels de diimidazolium dérivés sont toutefois moins connus. Ils ont pour l’instant uniquement été utilisés comme des précurseurs de carbènes N-hétérocycliques. Ils sont donc à la base de plusieurs catalyseurs utilisés pour des réactions de couplage croisés mais leurs propriétés sont toutefois méconnues dans le cadre de la chimie supramoléculaire. Cette classe de composés a nottament attiré notre attention en raison de la facilité de modification de leurs propriétés physico-chimiques par modification de leur structure chimique. L’objectif général des travaux présentés dans cette thèse est l’étude des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium disubstitués en solution (aqueuse ou organique), ainsi qu’en phase solide ou cristal-liquide. L’influence de l’espaceur entre les deux noyaux imidazolium ainsi que l’influence des substituants latéraux et des contre-ions a été étudiée. Dans un premier temps, les propriétés de complexation des sels de diimidazolium à des macrocycles sont étudiées. Les sels bromure sont étudiés en solution aqueuse avec plusieurs cyclodextrines et le cucurbit[7]uril, et les sels hexafluorophosphate sont étudiés en solution organique pour leur complexation avec l’éther couronne DB24C8 et un calix[4]arène. Cette nouvelle classe de composés a montré de très bonnes propriétés de complexation à ces différents macrocycles en solution et a également permis de contrôler différents assemblages supramoléculaires à l’interface air-eau. Dans un deuxième temps, l’étude des sels de phénylènediimidazolium a permis de modifier les propriétés de complexation en solution pour obtenir la formation de complexes multiples avec le cucurbit[7]util en solution aqueuse. Cette même famille de composés a également permis la formation de cristaux liquides ioniques lorsque les substituants sont des chaînes alkyles plus longues. La résolution de plusieurs structures cristallines de différents sels de diimidazolium a finalement permis de comprendre la nature des interactions intermoléculaires à l’état cristallin. La recherche présentée dans cette thèse a donc permis une étude détaillée des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium dans tous les états de la matière qui leur sont accessibles.

Micelles polyioniques ternaires pour la libération intracellulaire d’oligonucleotides

Les oligonucléotides (ONs) antisens présentent un fort potentiel en tant qu’agents thérapeutiques. Toutefois, leurs propriétés physicochimiques limitent leur utilisation en thérapie génique. Pour pallier aux divers obstacles, des systèmes de vectorisation, tels que les micelles polyioniques (PICMs), ont été développés. Grâce à leur structure unique, les micelles protégent l’ON contre une dégradation prématurée et le couplage d’un ligand à leur surface augmente leur spécificité et leur internalisation. Dans d’autres systèmes, un polymère adjuvant aux propriétés pH-sensibles peut être ajouté pour faciliter la sortie de l’endosome et augmenter l’efficacité de l’ON. L’objectif général de ce mémoire était de mettre au point des PICMs ternaires ciblées pour l’administration d’ONs. Ces micelles assureraient à la fois l’internalisation cellulaire de leur cargaison en interagissant avec des récepteurs cellulaires et sa fuite de l’endosome grâce à un mécanisme de déstabilisation de la membrane endosomale. Pour cela, des PICMs composées d’un copolymère cationique de type poly(éthylène glycol)-bloc-poly(méthacrylate d’(alkylamino)éthyle) et d’un copolymère d’acide méthacrylique ont été préparées. Les propriétés physicochimiques de ces vecteurs ont démontré qu’ils permettaient une condensation efficace de l’acide nucléique et ce, indépendamment de la nature du polymère cationique et de l’acide nucléique. Finalement, une approche de couplage par pont disulfure a été développée afin de greffer au copolymère un fragment d’anticorps dirigé contre les récepteurs de la transferrine. En conclusion, ces travaux démontrent la versatilité et le potentiel des PICMs ternaires en tant que vecteurs d’acide nucléique, et proposent une méthodologie de couplage d’un ligand afin de formuler des PICMs ciblées.

Formation et propriétés des cristaux colloïdaux issus de l’auto-assemblage de microsphères de polymère

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider.

Films minces supramoléculaires de copolymères de PS-P4VP réalisés par trempage

Bien que ce soit un procédé industriel répandu, les films de copolymères à blocs préparés par trempage (« dip-coating ») sont moins étudiés que ceux obtenus par tournette (« spin-coating »). Pourtant, il est possible grâce à cette technique de contrôler précisément les caractéristiques de ces films. Au-delà de la méthode de fabrication, la capacité de modifier la morphologie des films trempés à l’aide d’autres facteurs externes est un enjeu primordial pour leur utilisation dans les nanotechnologies. Nous avons choisi, ici, d’étudier l’influence d’une petite molécule sur la morphologie de films supramoléculaires réalisés par « dip-coating » à partir de solutions de poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dans le tétrahydrofurane (THF). En présence de 1-naphtol (NOH) et d’1-acide napthoïque (NCOOH), qui se complexent par pont hydrogène au bloc P4VP, ces films donnent, respectivement, une morphologie en nodules (sphères) et en stries (cylindres horizontaux). Des études par spectroscopie infrarouge ont permis de mesurer la quantité de petite molécule dans ces films minces, qui varie avec la vitesse de retrait mais qui s’avère être identique pour les deux petites molécules, à une vitesse de retrait donnée. Cependant, des études thermiques ont montré qu’une faible fraction de petite molécule est dispersée dans le PS (davantage de NOH que de NCOOH à cause de la plus faible liaison hydrogène du premier). La vitesse de retrait est un paramètre clé permettant de contrôler à la fois l’épaisseur et la composition du film supramoléculaire. L’évolution de l’épaisseur peut être modélisée par deux régimes récemment découverts. Aux faibles vitesses, l’épaisseur décroît (régime de capillarité), atteint un minimum, puis augmente aux vitesses plus élevées (régime de drainage). La quantité de petite molécule augmente aux faibles vitesses pour atteindre un plateau correspondant à la composition de la solution aux vitesses les plus élevées. Des changements de morphologie, à la fois liés à l’épaisseur et à la quantité de petite molécule, sont alors observés lorsque la vitesse de retrait est modifiée. Le choix du solvant est aussi primordial dans le procédé de « dip-coating » et a été étudié en utilisant le chloroforme, qui est un bon solvant pour les deux blocs. Il s’avère qu’à la fois la composition ainsi que la morphologie des films de PS-P4VP complexés sont différentes par rapport aux expériences réalisées dans le THF. Premièrement, la quantité de petite molécule reste constante avec la vitesse de retrait mais les films sont plus riches en NCOOH qu’en NOH. Deuxièmement, la morphologie des films contenant du NOH présente des stries ainsi que des lamelles à plat, tandis que seules ces dernières sont observables pour le NCOOH. Ce comportement est essentiellement dû à la quantité différente de petite molécule modulée par leur force de complexation différente avec le P4VP dans le chloroforme. Enfin, ces films ont été utilisés pour l’adsorption contrôlée de nanoparticules d’or afin de guider leur organisation sur des surfaces recouvertes de PS-P4VP. Avant de servir comme gabarits, un recuit en vapeurs de solvant permet soit d’améliorer l’ordre à longue distance des nodules de P4VP, soit de modifier la morphologie des films selon le solvant utilisé (THF ou chloroforme). Ils peuvent être ensuite exposés à une solution de nanoparticules d’or de 15 nm de diamètre qui permet leur adsorption sélective sur les nodules (ou stries) de P4VP.