Bibliographie
I. Chélates de Gd(III) mono-aqua
I.2. Etudes structurales en solution
I.2.1. Etudes par RMN 1 H
- Etude des complexes avec le ligand bpatcn3-
Les complexes des ions Ln(III) (Ln = La, Lu, Eu) avec les différents ligands ont été étudiés par RMN 1H en solution aqueuse. De nombreuses études structurales avec des ligands polyaminocarboxylate cycliques de type DOTA ont été reportées dans la littérature pour lesquels la présence d’équilibres conformationels ou d’équilibres de coordination a été observée.[7-11] En effet, dans les complexes avec le ligand DOTA ou ses dérivés, le cyclène peut adopter deux conformations (λλλλ ou δδδδ) selon la valeur des angles de torsion N-C-C-N. De même, les bras acétate peuvent avoir deux orientations (gauche (Λ) ou droite (∆)) donnant naissance à l’existence de quatre stéréoisomères en solution. Ainsi, des phénomènes d’interconversion entre les stéréoisomères peuvent avoir lieu en solution. Un comportement analogue pourrait être envisagé pour nos complexes. Nous présenterons ici le cas des complexes avec ligand H3bpatcn dont la structure est rappelée ci-dessous (Figure III. 5).
N N
N
O
O-
N -O
O N O
O-
H11
H10
H9
H7H7'
H8'b H8'a H11' H10'
H9'
H8a H8b Ln3+
1 2 3
4
65 1'2' 3' 4'
5'6'
Figure III. 5 : Représentation schématique des complexes [Ln(bpatcn)].
Sondes magnétiques
cycle ou de l’hélicité des bras conduit à l’obtention d’un énantiomère. Un échange dissocié du cycle ou des bras permet d’obtenir un diastéréoisomère.
L n N N
N
O O
N O O N O
O
Ln N
N
N O
O
N O
O N
O O Ln N
N
N O
O-
N O
O N
O O
N N
N
O O L n
N O O N O
O
Λ ( λ λ λ ) Λ ( δ δ δ )
∆ (δδδ)
∆ (λλλ)
Ring In v e r s i o n R i n g I n v e r sion
ArmRotation
ArmRotation Rotation des bras Rotation des bras
Inversion du cycle
Inversion du cycle
Figure III. 6 : Représentation schématique des différents mécanismes d’échange entre les isomères du complexe [Ln(bpatcn)].
Dans le cas d’une coordination rigide des huit atomes donneurs du ligand, la formation d’une espèce de symétrie C1 en solution est attendue et donne lieu à l’obtention de 24 signaux sur le spectre RMN
1H. Plusieurs situations peuvent se présenter selon le nombre d’espèces en solution et la dynamique :
- les deux paires de diastéréoisomères sont présentes et aucune interconversion n’a lieu : deux ensembles distincts de 24 pics sont observés par RMN 1H ;
- une seule paire de deux énantiomères est présente et aucun processus d’échange n’a lieu : 24 signaux distincts sont obtenus ;
- un rapide échange entre les deux énantiomères a lieu : une espèce moyenne de symétrie Cs est observée et correspond à la coalescence des 24 signaux en un seul ensemble de 11 pics.
Comme il s’agit d’une espèce dissymétrique, nous pouvons également envisager le retournement d’un seul des bras, à savoir le bras acétate le plus mobile.
Figure III. 7 : Spectre RMN 1H du complexe [Lu(bpatcn)] (D2O, pD = 4.2, 25°C).
Le spectre RMN 1H du complexe de Lu(III) (D2O, pD = 4.2, 25°C) possède 24 signaux diamagnétiques (Figure III. 7). Six signaux sont attribués aux protons des pyridines, douze résonances qui se recouvrent partiellement correspondent aux protons du macrocycle et six résonances sont observées pour les protons des groupements méthylène des bras. L’attribution des signaux a pu être réalisée par l’analyse simultanée des couplages scalaires (expérience 2D-COSY) et de l’effet Overhauser (expérience 1H-1H NOESY). Les protons des groupements CH2 (H7 /H7’, H8a/H8b et H8a’/H8b’) sont diastéréotopiques, indiquant que les azotes du macrocycle restent coordinés au métal.
Un fort effet NOE est observé entre les protons H8a/H8b et H8a’/H8b’ et les protons aromatiques H9 et H9’ respectivement. Les protons éthyléniques du cycle 1,4,7-triazacyclononane forment une série de multiplets, de doublets de doublets et de triplets qui sont seulement partiellement attribués. Nous pouvons noter que le spectre reste inchangé dans la gamme de pH 4.2-9. Ainsi, l’allure du spectre est en accord soit avec la présence d’un couple d’énantiomères (Λ(λλλ)/∆(δδδ) ou Λ(δδδ)/∆(λλλ)) (en échange dynamique ou non) en solution, soit avec la coalescence de deux espèces de symétrie C1 pour lesquelles le bras acétate est en échange rapide. Afin de mettre en évidence un possible phénomène d’échange en solution, nous avons répété ces spectres pour des températures variant de 5°C à 70°C.
Aucun changement significatif du spectre mono-dimensionnel n’est observé dans la gamme de température considérée.
Sondes magnétiques
donc forcément de deux énantiomères rigides en solution. Cependant, à 70°C des tâches de corrélation sont visualisées entre le groupe de protons 1 à 11 et leurs analogues 1’ à 11’ (Figure III. 5), générant ainsi un plan de symétrie perpendiculaire au macrocycle. Cette interaction correspond à un échange lent entre deux espèces à 70°C. L’échange est trop lent pour pouvoir être observé par RMN mono- dimensionnelle et la largeur des signaux n’est pas affectée par la température. Comme le spectre à 25°C est en accord avec la présence de deux énantiomères, nous avons interprété cet échange en terme d’échange lent entre les deux énantiomères.
Le spectre de l’Y(III), de nombre de coordination et de rayon ionique similaire à l’Er(III), est voisin de celui observé avec le Lu(III) et indique également une symétrie C1 en solution.
Le spectre RMN 1H du lanthane dans D2O à 25°C (pD = 7.1) est représenté ci-dessous (Figure III. 8).
Figure III. 8 : Spectre RMN 1H du complexe [La(bpatcn)] (D2O, pD = 7.1, 25°C) (# traces de l’électrolyte du pH-mètre).
Contrairement à ce qui a été observé pour les complexes avec les ions plus petits (Lu(III), Y(III)), le spectre compte seulement neuf signaux distincts. Trois signaux sont attribués aux protons aromatiques des pyridines et deux doublets, dont un est mal résolu, correspondent aux protons méthyléniques des bras porteurs du groupement picolinate. Un singulet est associé aux protons de l’acétate et trois pics larges au cycle triazacyclononane. Comme mentionné plus haut, un ensemble de onze signaux bien résolus est attendu dans le cas d’une espèce moyenne de symétrie Cs. Ainsi, le spectre observé indique qu’un processus dynamique est en cours à cette température. A 70°C, le spectre est similaire avec quatre signaux correspondants aux protons du macrocycle. Même si la coalescence n’est pas encore atteinte aux températures étudiées, le phénomène observé correspond bien à une interconversion rapide entre deux énantiomères (Λ(λλλ)/∆(δδδ) ou Λ(δδδ)/∆(λλλ)) mettant en jeu un mécanisme
[La(bpatcn)] ont également été réalisés dans l’eau à des températures comprises entre 5°C et 25°C et dans un mélange eau/méthanol à basses températures (- 40 < T < 5°C). Des signaux de plus en plus larges sont observés, en accord avec un ralentissement de la cinétique d’interconversion. Un ralentissement du processus devrait être observé jusqu’à atteindre une vitesse nulle et retrouver 24 signaux distincts. Cependant, cette limite n’est pas atteinte dans la gamme de température étudiée.
278 K 343
298
ppm (t1)25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 -5.0 -10.0 -15.0
8a’/8b’
8a/8b
#
#
8a’/8b’
1/2 3/4 3/4 5/6
1/2 5/6 1’/2’
#
7/7’
9’
9
10’
11’ 10
11
7/7’
8a/8b 1’/2’
5’/6’
5’/6’
3’/4’ 3’/4’
6 5.5 5.0 5 4.5 4.0 4 3.0 3 2 2.0 2 1.5 1.0 1 0.5 7.0 7
#
5°C 25°C 70°C
278 K 343
298
ppm (t1)25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 -5.0 -10.0 -15.0
8a’/8b’
8a/8b
#
#
8a’/8b’
1/2 3/4 3/4 5/6
1/2 5/6 1’/2’
#
7/7’
9’
9
10’
11’ 10
11
7/7’
8a/8b 1’/2’
5’/6’
5’/6’
3’/4’ 3’/4’
6 5.5 5.0 5 4.5 4.0 4 3.0 3 2 2.0 2 1.5 1.0 1 0.5 7.0 7
#
5°C 25°C 70°C
Figure III. 9 : Spectres RMN 1H du complexe [Eu(bpatcn)] (D2O, pD = 9.1) à 5, 25 et 70°C. (# électrolyte du pH-mètre).
A 70°C, le spectre RMN 1H du complexe d’Eu(III) (D2O, pD = 9.1) possède, tout comme le complexe de Lu(III), un seul ensemble de 24 signaux fins en accord avec la présence d’espèces de symétrie C1 en solution : soit un couple d’énantiomère, soit de deux diastéréoisomères en coalescence. Les signaux ont complètement été attribués en combinant les résultats des expériences bidimensionnelles COSY et NOESY (Figure III. 9). Comme dans le cas du complexe de Lu(III), des tâches de corrélation sont observées par EXSY à 70°C entre les protons des deux unités pyridine d’une part, et des protons diastéréotopiques du cycle triazacyclononane d’autre part. Ainsi, à cette température, un échange entre deux espèces a lieu. Plusieurs spectres RMN 1H ont été enregistrés entre 70°C et 5°C. En
Sondes magnétiques
signaux plus larges et légèrement déplacés (Figure III. 9). Ce processus complexe est vraisemblablement lié au ralentissement de l’un des phénomènes d’interconversion par rapport à l’autre (échange du cycle / des bras). Ainsi, les quatre espèces seraient présentes en solution à des concentrations très différentes mais l’espèce minoritaire ne serait pas détectée par RMN 1H à cause de sa très faible concentration. Un comportement similaire a été déjà observé par S. Aime et ses collaborateurs avec un dérivé du DOTA comportant un substituant p-nitrophényle. Il avait été également interprété en terme d’échange entre une espèce majoritaire et une espèce minoritaire dont la concentration change avec la température.[12]
Alors qu’aucun phénomène dynamique n’avait été observé pour les complexes [Ln(tpatcn)],[13] nous venons de mettre en évidence l’existence de processus d’interconversion du cycle triazacyclononane et des bras pour les complexes du ligand bpatcn3-. Ces processus sont classiquement rencontrés dans la série du DOTA mais ont également été mis en évidence pour les complexes du ligand NOTA3-[14] et du ligand 1,4,7-tris-(carbamoylmethyl)-1,4,7-triazacyclononane.[15] De plus, ces études ont montré la formation d’espèces rigides de symétrie C1 en solution avec les petits lanthanides (Lu(III) et Y(III)
~Er(III)) pour lesquelles aucune décoordination des bras ou des azotes du macrocycle n’est observée.
En revanche, la flexibilité conformationnelle est accrue pour les ions de taille supérieure comme le lanthane(III). Cette étude suggère des structures similaires pour les deux séries [Ln(tpatcn)] et [Ln(bpatcn)] avec une rigidité différente. Une étude similaire a été récemment réalisée par M.
Schröder et ses collaborateurs sur des complexes de Ln(III) avec un ligand assymétrique dérivé du 1,4,7-triazacyclononane comportant deux substituants iminocarboxylate. Ils ont observés une flexibilité accrue des complexes en solution par rapport à l’analogue symétrique mais des géométries de coordination similaires à l’état solide pour les deux séries de complexe.
Une étude similaire a été réalisée avec les autres systèmes dérivés du 1,4,7-triazacyclononane. Le même processus d’interconversion entre une paire d’énantiomères (Λ(λλλ)/∆(δδδ) ou Λ(δδδ)/∆(λλλ)) a été observé. Toutefois, nous allons voir que la flexibilité conformationnelle des complexes varie en fonction de l’architecture du ligand.
- Etude des complexes avec le ligand ebpatcn3-
A 70°C, le spectre RMN 1H du complexe [Eu(ebpatcn)] (D2O, pD = 7.4) possède, similairement au complexe [Eu(bpatcn)], un seul ensemble de 26 signaux fins en accord avec la présence d’une espèce rigide de symétrie C1 en solution (Figure III. 10). Des expériences COSY et NOESY ont été également réalisées à 25°C et à 70°C. L’attribution partielle des signaux est donnée Figure III. 10. Aucune tâche d’échange n’est observée à 25°C et à 70°C.
-10 -10 0
0 10
10 20
20 30
30
N N
N
-O N
O N
O-
H12 H11 H10 H9'b
H9'a H12' H11'
H10'
H9a H9b Ln3+
1 2
3 4
6 5 1' 2' 3' 4'
5' 6'
O O- H7'a
H7'b 8
H11/H11’
H12 H12’
H9a /H9b H10
H10’
H9a /H9b
H9a’/H9b’
H9a’/H9b’
H11/H11’
-10 -10 0
0 10
10 20
20 30
30
N N
N
-O N
O N
O-
H12 H11 H10 H9'b
H9'a H12' H11'
H10'
H9a H9b Ln3+
1 2
3 4
6 5 1' 2' 3' 4'
5' 6'
O O- H7'a
H7'b 8
-10 -10 0
0 10
10 20
20 30
30
N N
N
-O N
O N
O-
H12 H11 H10 H9'b
H9'a H12' H11'
H10'
H9a H9b Ln3+
1 2
3 4
6 5 1' 2' 3' 4'
5' 6'
O O- H7'a
H7'b 8
H11/H11’
H12 H12’
H9a /H9b H10
H10’
H9a /H9b
H9a’/H9b’
H9a’/H9b’
H11/H11’
Figure III. 10 : Spectre RMN 1H du complexe [Eu(ebpatcn)], D2O, 70°C, 400 MHz, pD = 7.4.
Le motif reste inchangé dans une gamme de températures allant de 5°C à 70°C. Deux interprétations peuvent être envisagées pour expliquer ces résultats :
i) un seul couple d’énantiomères (Λ(λλλ)/∆(δδδ) ou Λ(δδδ)/∆(λλλ)) est présent en solution et l’échange entre les deux espèces est trop lent pour pouvoir être observé par RMN. Ce comportement avait déjà été observé pour le complexe de Lu(III) avec le ligand bpatcn3-. Cette hypothèse indiquerait un échange ralenti pour le complexe [Eu(ebpatcn)] par rapport à celui observé avec le complexe [Eu(bpatcn)]. Cette augmentation de rigidité pourrait être interprétée par une meilleure adaptation du ligand ebpatcn3- à l’ion Eu(III).
ii) les deux couples d’énantiomères (Λ(λλλ)/∆(δδδ) et Λ(δδδ)/∆(λλλ)) sont présents en solution mais l’espèce minoritaire est présente à de trop faibles concentrations pour pouvoir être détectée par RMN. Ce comportement avait déjà été observé avec le complexe [Eu(bpatcn)]. Toutefois, aucun ralentissement d’un des processus dynamiques (échange
Sondes magnétiques
Des expériences complémentaires sont envisagées afin d’accéder à une meilleure compréhension du système.
De manière similaire au complexe [Lu(bpatcn)], le complexe [Lu(ebpatcn)] possède une structure figée en solution. Le spectre RMN 1H indique la présence de 26 signaux qui se recouvrent partiellement (Figure III. 11). Il est inchangé dans une gamme de température allant de 5°C à 70°C.
1.5 1.5 2.0 2.0 2.5 2.5 3.0 3.0 3.5 3.5 4.0 4.0 4.5 4.5 5.0 5.0 5.5 5.5 6.0 6.0 6.5 6.5 7.0 7.0 7.5 7.5 8.0 8.0 8.5 8.5
(CH2)tcn (CH2)py
py
1.5 1.5 2.0 2.0 2.5 2.5 3.0 3.0 3.5 3.5 4.0 4.0 4.5 4.5 5.0 5.0 5.5 5.5 6.0 6.0 6.5 6.5 7.0 7.0 7.5 7.5 8.0 8.0 8.5 8.5
(CH2)tcn (CH2)py
py
Figure III. 11 : Spectre RMN 1H du complexe [Lu(ebpatcn)], D2O, 25°C, 400 MHz, pD = 7.9.
Nous avions vu précédemment que la flexibilité conformationnelle des complexes avec le ligand bpatcn3- était accrue pour l’ion La(III), de taille supérieure. Ici encore, un phénomène dynamique est observé en faisant varier la température. A 25°C, le spectre RMN 1H du [La(ebpatcn)] possède 26 signaux en accord avec une espèce rigide de symétrie C1 en solution. Cependant, à 70°C, un élargissement du spectre est observé et indique qu’un phénomène dynamique a lieu (Figure III. 12).
De plus, seulement trois signaux distincts sont observés pour les six protons des pyridines, un massif mal résolu correspond aux quatre protons méthyléniques des bras et un signal très large aux douze protons du cycle triazacyclononane. Ce motif est en accord avec un échange rapide entre un couple d’énantiomères de symétrie C1, donnant lieu à un spectre moyen de symétrie CS. Contrairement au complexe [La(bpatcn)], cet échange est encore très lent à 25°C, en accord avec une meilleure adaptation de la sphère de coordination aux gros lanthanides.
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5
70°C
25°C
(CH2)tcn
(CH2)tcn
= (CH2)py
py
py
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5
70°C
25°C
(CH2)tcn
(CH2)tcn
= (CH2)py
py
py
Figure III. 12 : Spectres RMN 1H du complexe [La(ebpatcn)] à 25°C et à 70°C, D2O, 400 MHz, pD = 6.9.
- Etude des complexes avec le ligand pbpatcn4-
Les spectres RMN 1H du complexe [Eu(pbpatcn)]- (D2O, pD = 5.5) indiquent également la présence d’une espèce rigide de symétrie C1 en solution . A 70°C, 26 résonances sont observées et correspondent aux 26 protons du ligand ; à 25°C et en dessous, le motif reste inchangé et les pics ne sont pas élargis (Figure III. 13). Les 26 protons ont été attribués au moyen d’expériences NOESY et COSY à différentes températures. Ces résultats indiquent un comportement similaire pour les deux complexes [Eu(pbpatcn)]- et [Eu(ebpatcn)].
Sondes magnétiques
Figure III. 13 : Spectres RMN 1H des complexes [Eu(pbpatcn)]- à 25°C et à 70°C, D2O, 400 MHz, pD = 5.5.
- Etude des complexes avec le ligand mpatcn3-
Un phénomène d’interconversion des deux énantiomères est observé pour le complexe [Lu(mpatcn)]
dès 25°C, indiquant une moins bonne adaptation du ligand au petit ion Lu(III), en acccord avec une flexibilité conformationnelle accrue. Dès 25°C, seulement neuf signaux distincts sont observés sur le spectre RMN 1H, en accord avec une symétrie CS en solution (Figure III. 14). Les protons des méthylènes adjacents au cycle picolinate sont diastéréotopiques et indiquent l’absence de décoordination des azotes du ligand en solution.
-12 -12 -10 -10 -8 -8 -6 -6 -4 -4 -2 -2 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 12 12 14 14 16 16 18 18 20 20 22 22 24 24
70°C
-10 -10 0
0 10
10 20
20 25°C
70°C
N N
N
P
N -O
O N O
O-
H11 H10 H9 H7H7'
H8'b H8'a H11' H10'
H9'
H8a H8b O O-O-
Ln3+
1 2 3
4
6 5 1'2' 3' 4'
5'6'
H8a/8b H8a’/8b’
H7/7’
H9/9’
H10/10’
H8a/8b
H10/10’
H9/9’
H7/7’
H11/11’
H11/11’
-12 -12 -10 -10 -8 -8 -6 -6 -4 -4 -2 -2 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 12 12 14 14 16 16 18 18 20 20 22 22 24 24
70°C
-10 -10 0
0 10
10 20
20 25°C
-12 -12 -10 -10 -8 -8 -6 -6 -4 -4 -2 -2 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 12 12 14 14 16 16 18 18 20 20 22 22 24 24
70°C
-10 -10 0
0 10
10 20
20 25°C
70°C
N N
N
P
N -O
O N O
O-
H11 H10 H9 H7H7'
H8'b H8'a H11' H10'
H9'
H8a H8b O O-O-
Ln3+
1 2 3
4
6 5 1'2' 3' 4'
5'6'
H8a/8b H8a’/8b’
H7/7’
H9/9’
H10/10’
H8a/8b
H10/10’
H9/9’
H7/7’
H11/11’
H11/11’
70°C
N N
N
P
N -O
O N O
O-
H11 H10 H9 H7H7'
H8'b H8'a H11' H10'
H9'
H8a H8b O O-O-
Ln3+
1 2 3
4
6 5 1'2' 3' 4'
5'6'
H8a/8b H8a’/8b’
H7/7’
H9/9’
H10/10’
H8a/8b
H10/10’
H9/9’
H7/7’
H11/11’
H11/11’
3.0 3.0 3.5 3.5 4.0
4.0 4.5 4.5 5.0
5.0 5.5 5.5 6.0 6.0 6.5 6.5 7.0 7.0 7.5 7.5 8.0 8.0 8.5 8.5 py
(CH2)tcn
H11 H7
H11
3.0 3.0 3.5 3.5 4.0
4.0 4.5 4.5 5.0
5.0 5.5 5.5 6.0 6.0 6.5 6.5 7.0 7.0 7.5 7.5 8.0 8.0 8.5 8.5 py
(CH2)tcn
H11 H7
H11
N N
N
-O O-
H11a H11b Ln3+
1 2
3 4
6 5
H7 H7
N O
-O
O O
H8
H9
H10
3.0 3.0 3.5 3.5 4.0
4.0 4.5 4.5 5.0
5.0 5.5 5.5 6.0 6.0 6.5 6.5 7.0 7.0 7.5 7.5 8.0 8.0 8.5 8.5 py
(CH2)tcn
H11 H7
H11
3.0 3.0 3.5 3.5 4.0
4.0 4.5 4.5 5.0
5.0 5.5 5.5 6.0 6.0 6.5 6.5 7.0 7.0 7.5 7.5 8.0 8.0 8.5 8.5 py
(CH2)tcn
H11 H7
H11
N N
N
-O O-
H11a H11b Ln3+
1 2
3 4
6 5
H7 H7
N O
-O
O O
H8
H9
H10
Figure III. 14 : Spectre RMN 1H du complexe [Lu(mpatcn)], D2O, 70°C, 400 MHz, pD = 7.0.
Ce même phénomène d’échange est également observé pour le complexe avec l’ion Eu(III). A 70°C, le spectre RMN 1H indique la présence de neuf signaux distincts caractéristiques d’une symétrie CS. Les résonances ont été attribuées aux différents protons à l’aide d’expériences COSY et NOESY (Figure III. 15). Des tâches d’échange entre les protons diastéréomériques du cycle sont observées à 70°C et à 25°C, confirmant la présence d’un échange entre les deux espèces. Un élargissement des signaux est observé par refroidissement de la solution de 70°C à 5°C, indiquant que le processus dynamique est ralenti.
Sondes magnétiques
-4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
H11 H11
H9
H8 H7 H10
5°C 25°C 70°C
-4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
H11 H11
H9
H8 H7 H10
-4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
H11 H11
H9
H8 H7 H10
5°C 25°C 70°C
Figure III. 15 : Spectres RMN 1H du complexe [Eu(mpatcn)] à 5, 25 et 70°C, D2O, 400 MHz, pD = 7.2.
I.2.2. Détermination du nombre de molécules d’eau coordinées