Parmi les interactions spécifiques, celle intervenant entre deux molécules chirales comportant en particulier un carbone asymétrique, revêt une importance considérable dans la chimie du vivant (catalyse enzymatique, activité des médicaments). Le phénomène de reconnaissance chirale qui intervient dans les systèmes biologiques ou dans les méthodes analytiques de séparation des isomères optiques repose sur la formation de diastéréoisomères qui pour des raisons stériques diffèrent dans leur énergie de formation. En formant de tels complexes diastéréoisomères, nous avons étudié pour la première fois la discrimination d'énantiomères en phase gazeuse et cherché à comprendre les interactions responsables de la reconnaissance chirale à l'échelle moléculaire. 
    Nos études se basent sur l'utilisation conjointe des jets supersoniques et de la spectroscopie laser. Les jets supersoniques nous permettent de former des diastéréoisomères (complexes entre molécules chirales) froids (refroidissement des degrés internes de liberté de l'ordre de quelques K) et isolés (absence de solvant). On peut alors sonder ces complexes par spectroscopie de fluorescence induite par laser (une molécule qui absorbe la lumière la réémet  i.e. toute molécule a une signature spectroscopique). Les conditions expérimentales utilisées permettent d'obtenir des spectres fins et donc "unique" pour chaque espèce étudiée. Il existe bien évidemment plusieurs types de spectroscopies faisant intervenir de la lumière, et nous avons utilisé la spectroscopie U.V. domaine des transitions électroniques des aromatiques et la spectroscopie IR, domaines des transitions vibrationnelles.

        Toutes les résultats qui suivent ont été obtenus en utilisant le chromophore suivant : le 2-naphtyléthanol. Lorsque le cycle naphtalène dans son état fondamental S₀ est soumis à une excitation laser, il passe dans un état excité S₁. Cet état excité a une durée de vie de quelques dizaines de ns et nous pouvons suivre sa désexcitation à l'aide d'un photomultiplicateur (P.M.) relié à un système d'acquisition. En faisant varier la longueur d'onde d'excitation, nous obtenons les différentes transitions vibrationnelles de la molécule de 2-naphtyléthanol. Nous avons ainsi réalisé un spectre d'excitation de la fluorescence (ou de fluorescence induite par laser :FIL). Ce spectre est propre à la molécule étudiée et est modifié lorsque la molécule est complexée avec d'autres espèces.
      Ainsi le spectre d'excitation suivant montre la modification du spectre lorsque l'on complexe du 2-naphtyléthanol avec du 1-propanol. On peut voir sur cet exemple l'apparition de nouvelles bandes dans la partie basses fréquences du spectre. Ces bandes correspondent à la signature spectroscopique du ou des complexes formés dans le jet supersonique. En effet, différents complexes peuvent être formés. D'une part des complexes faisant intervenir les différents conformères des molécules en présence, d'autre part des complexes de stoechiométries différentes: une molécule du chromophore avec une molécule de solvant (1:1) ou une molécule de chromophore avec deux molécules de solvant (1:2) : dans nos conditions expérimentales nous n'observons que rarement des rapports plus élevés.
            Nous utilisons ensuite une technique de double résonance IR/UV pour obtenir la signature IR de la molécule ou des complexes dans leur état fondamental. Cette signature est très utile car directement reliée aux vibrations du système étudié, qui peuvent être parallèlement calculées par des méthodes de chimie quantique. La confrontation des résultats expérimentaux et des résultats théoriques, nous permet d'avoir une bonne image des structures et donc de comprendre les interactions importantes dans telle ou telle étude.
 

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      La première étude que nous avons réalisée concernait les interactions entre le 2-napthyléthanol et les alcools secondaires qui sont chiraux (mis à part le 2-propanol). Dans un premier temps nous avons montré qu'il était possible d'utiliser le 2-naphtyléthanol comme agent discriminant.  En effet, on peut l'utiliser sous une de ses formes (S) énantiomériquement pures et le complexer à chacun des deux énantiomères (s et r) de la molécule à étudier. On forme ainsi séparément les deux diastéréoisomères Ss et Sr qui ont généralement des spectres d'excitation de la fluorescence différents, comme le montre l'exemple suivant avec le 2-Butanol. Sur le spectre ci-contre, les zones entourées en bleu indique les raies dues à la formation de complexes. Nous avons pu par la suite montrer que chacune des grandes raies correspondaient à des complexes avec des conformères différents du solvant (g ou a 2-butanol). Par une comparaison avec des calculs semi-empiriques, nous avons attribuées chacune des raies à une géométrie bien précise du complexe et tenté de comprendre les interactions responsables de la discrimination.

• Les complexes étudiés mettent en jeu une liaison hydrogène entre le groupement OH du chromophore (agissant comme donneur) et le solvant alcool qui est non stéréosélective.
• L'énantiosélectivité observée dépend de la conformation du solvant. Elle est plus grande pour les formes "anti" qui adoptent une géométrie repliée au dessus du cycle naphtalène que pour les formes "gauches" qui ont une géométrie de type étendue : la chaîne aliphatique du solvant n'interagit que très peu avec le chromophore. 
• Les forces dispersives, dues principalement à l'interaction entre la chaîne aliphatique du solvant et le cycle naphtalène du chromophore, dans les complexes de type replié (avec les formes "anti") sont responsables du déplacement le plus rouge (vers les basses fréquences) de la transition S₀---S₁ du chromophore. 

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      Ce travail s’est fait au CEN Saclay en collaboration avec M. Mons, F. Piuzzi et I. Dimicoli. La méthode utilisée est l’ionisation biphotonique par l’intermédiaire d’un état résonant, et repose sur la mesure de l’intensité du courant d’ions fragments issus de la dissociation du complexe en fonction de l’énergie déposée dans le système. Le schéma suivant résume le principe de l’expérience: un premier laser est en résonance avec une transition électronique d’une espèce donnée (la condition de résonance assure la sélectivité: on n’excite que l’espèce, molécule ou complexe, qui absorbe à cette longueur d’onde). Le deuxième laser, balayable en longueur d’onde, ionise le système: si l’énergie qu’il apporte au complexe est suffisante, l’ionisation s’accompagne d’une dissociation. On déduit l’énergie de liaison D0 du complexe dans son état fondamental de la mesure du seuil d’apparition (AP) des ions fragments en fonction de l’énergie apportée au système et du potentiel d’ionisation adiabatique IPad de la molécule M isolée:
 

    De telles mesures, bien qu’apparemment simples dans leur principe, sont délicates à deux titres : d’une part, le seuil d’ionisation du chromophore peut être difficile à définir si la géométrie de l’ion est très différente de celle du neutre : l’ionisation verticale conduit à la formation d’ions vibrationnellement excités, et on mesure un potentiel d’ionisation supérieur au potentiel adiabatique. D’autre part, la structure la plus stable du complexe peut impliquer ses composants dans une géométrie différente de celle qui est la plus stable quand ils sont isolés. Ces deux raisons conduisent à une sous estimation de l’énergie de liaison mesurée, et rendent difficile la comparaison de systèmes très différents. On peut cependant comparer des complexes impliquant le même chromophore, et le même type d’interaction: par exemple deux complexes liés par liaison hydrogène où dans les deux cas le chromophore joue le rôle de donneur. Nous avons ainsi comparé les complexes diastéréoisomères du 1-phényl-éthanol avec le butan-2-ol et montré que le complexe homochiral était plus stable de 0.7 kcal/mol que le complexe hétérochiral. Ce type de mesure a été faite de façon systématique pour les complexes du 1-phényl-éthanol avec une série d’alcools.

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     Dans l'étude précédente, les molécules de solvant ne présentaient qu'un groupe hydroxyl susceptible de participer à une liaison hydrogène forte avec le solvant. Nous avons pu montrer que la seconde interaction importante (et responsable de la discrimination chirale) était l'interaction entre le cycle naphtalène et la chaîne aliphatique du solvant. Avec l'idée de former des complexes plus rigides, nous nous sommes alors intéressés à l'étude de la discrimination chirale d'une série d'aminoalcools par le S-Napg1. Ces molécules présentent à la fois une groupe hydroxyl et un groupe amine, susceptibles de former une liaison hydrogène avec le OH du chromophore, soit en tant que donneur soit en tant qu'accepteur. Ils peuvent également former une liaison de type OH--- (NH--- ) avec le cycle naphtalène. Si l'on considère que les forces de dispersion entre la chaîne aliphatique de solvant et le cycle naphtalène peuvent encore jouer un rôle important les possibilités de conformation des complexes sont multiples (avant même de considérer tout effet de chiralité). Pour la suite, nous allons nous intéresser au cas plus particulier du 1-amino-2-propanol (am2pro).
    Les molécules représentées de part et d'autre représentent les deux conformères du s-am2pro qui se complexent avec le S-napG1. La forme A présente une liaison OH--N intramoléculaire et sera appelée dans ce qui suit forme "fermée" tandis que la forme B présente un OH libre et sera appelée par opposition forme "ouverte".
    Le spectre d'excitation de la fluorescence du complexe S-napg1/s-am2pro met en évidence l'apparition de deux nouvelles bandes dans la partie basse fréquence du spectre (dans le rouge de la transition origine de la molécule isolée). Ces transitions ont été sondées par spectroscopie de double résonance IR/UV et les résultats sont présentés en rouge sur la figure suivante. Nous pouvons tout d'abord constater que les deux spectres ne sont pas les mêmes et donc ne correspondent pas à la même espèce. Nous avons pu montrer par des comparaisons avec des calculs ab-initio, que le complexe SsI correspond à un complexe entre le S-napG1 et la forme ouverte B du s-am2pro. Une forte liaison hydrogène intermoléculaire OH---N est formée entre le groupe hydroxyl du chromophore et l'azote du solvant . Cette interaction se caractérise par la bande de vibration à 3275 cm^-1 tandis que la bande de faible intensité à 3636 cm-1 caractérise l'interaction OH--- entre le groupe hydroxyl du solvant et le cycle aromatique du chromophore (compSsI). Nous n'avons pas observé de tels complexes pour le diastéréoisomère Sr.
    Nous pouvons voir sur le spectre du complexe SsII deux bandes très proches l'une de l'autre (3445 et 3466 cm^-1). Elles correspondent aux vibrations des (OH) au sein du compSsII entre la forme "fermée" A du s-am2pro et le S-napg1. Ces deux transitions ne peuvent plus être attribuées à l'une ou l'autre des vibrations localisées sur chacun des deux groupes hydroxyl mais plutôt à des combinaisons en phase ou en opposition de phase de ces modes localisés. En effet, il y a dans le système deux liaisons hydrogènes équivalentes une liaison OH---O "classique" et un liaison OH---N "faible" due aux contraintes stériques propres au solvant. Les vibrations associées à ces deux types de liaison sont très proches en énergie et les modes peuvent donc être mélangés.
    Concernant la formation du complexe Sr, une seule nouvelle transition apparaît sur le spectre d'excitation de la fluorescence. Lorsque l'on sonde cette transition par spectroscopie de double résonance IR/UV on obtient le spectre du complexe Sr ci-contre. Nous avons donc pu identifier ce complexe à un complexe de même type que le compSsII (compSr), en effet les raies sont situées quasiment aux mêmes fréquences (3446 et 3470 cm^-1), seules les intensités relatives changent.  
   
    L’étude systématique d’une série d’aminoalcools (aminoéthanol, 1-amino-2-propanol, 2-amino-1-butanol, 2-(N-méthylamino)éthanol et 2-(N,N-diméthylamino)éthanol) nous a permis de mettre en évidence que ce sont les seuls complexes observés dans les conditions de détente d’un jet supersonique. En effet le complexe calculé comme étant le plus stable, et correspondant à l’insertion du groupe hydroxy du chromophore dans la liaison hydrogène intramoléculaire du solvant sous sa forme fermée, n’est jamais observé. La formation d’un tel complexe implique une importante déformation du solvant : rupture de la liaison hydrogène et ouverture de l’angle dièdre OCCN d’environ 20° ce qui se traduit par une énergie de déformation d’environ 3 kcal/mol. Cette valeur élevée nous permet d’expliquer que ce complexe d’insertion n’est pas observé dans les conditions expérimentales liées à l’utilisation des jets supersoniques. En effet le refroidissement des espèces (molécules ou complexes) étant très rapide, seules de légères modifications de géométrie des molécules sont permises.
                Par ailleurs, le complexe de type compSsI (N-addition) n’est observé que lors de la formation des complexes homochiraux entre le naphtyléthanol et les deux aminopropanols étudiés. Il existe aussi pour le système modèle naphtyléthanol/aminoéthanol ainsi que pour le système naphtyléthanol/2-(N-méthylamino)-éthanol qui présentent quasiment le même spectre d’excitation de la fluorescence que le complexe homochiral du système naphtyléthanol/(+/-)2-amino-1-propanol. Ces résultats semblent indiquer une forte discrimination lors de la formation des diastéréoisomères, cependant cette sélectivité n’est plus observée lorsque la taille du système croit puisque le complexe de type N-addition n’est pas observé lors de la formation des diastéréoisomères Ss et Sr entre le Naphtyléthanol et le 2-amino-1-butanol.

           Nous avons commencé, en collaboration avec avec Nicole Borho et Martin Suhm de l'Institut für Physikalische Chemie der Universität de Göttingen, l’étude de la discrimination chirale dans le système 2-naphtyl-1-éthanol/(+/-)-méthyllactate. Ce système s’avère présenter une forte sélectivité dès l’étape de formation des complexes puisque la co-détente du naphtyléthanol et du méthyllactate aboutit à la formation de complexes de stœchiométrie 1:1 et 1:2 pour le diastéréoisomère hétérochiral (Sr) alors que pour le complexe homochiral (Ss) nous n’observons que la formation du 1:2 et encore très difficilement comme le montrent les spectres d’excitation de la fluorescence ci-dessous.                                                                                                                                 Ces spectres ont pour origine des énergies, la transition origine S₀-S₁ du chromophore isolé, et les bandes indiquées par un astérisque correspondent à des transitions du naphtyléthanol isolé. Nous pouvons par une étude en pression déterminer la stœchiométrie des complexes, cette étude consiste à mesurer l’intensité de fluorescence en fonction de la pression partielle de solvant. Si la dépendance est linéaire alors le complexe formé est de stœchiométrie 1:1, si la dépendance est quadratique, le complexe formé est de stœchiométrie 1:2.
     Sur le spectre du complexe Sr, une bande à –107 cm^-1 apparaissant uniquement à forte pression de méthyllactate a été attribuée à un complexe 1:2 alors que toutes les autres bandes, y compris la bande à +48 cm^-1, sont attribuées à des complexes 1:1. En fait, il y a très probablement deux complexes 1:1, le spectre d’excitation de la fluorescence du premier correspondant à la progression vibrationnelle observée dans la zone basses fréquences du spectre et l’autre correspondant à la transition à +48 cm^-1. Dans le cas du complexe Ss, nous observons une structure très différente du spectre d’excitation de la fluorescence et l’étude en pression a montré que toutes les bandes étaient associées à la formation de complexes 1:2.
    L’étude par spectroscopie de double résonance IR/UV montre qu’il existe bien, pour le complexe hétérochiral, deux types de complexes de stœchiométrie 1:1 , dont les géométries sont très semblables. Ces deux complexes sont liés par une liaison hydrogène dirigée du groupe hydroxy du NapOH vers le groupe hydroxy du solvant. La différence entre les deux vient du positionnement de la chaine du solvant par rapport au cycle aromatique du chromophore. Pour le complexe O-add1, la chaine du solvant est repliée sur le cycle tandis que pour le O-add2, elle est éloignée. On a donc attribué la progression vibrationnelle observée sur le spectre du mélange hétérochiral à la fluorescence du complexe O-add1, un mouvement de basse fréquence de la molécule de sovant au dessus du cycle permettant d'expliquer la progression, tandis que la bande toute seule à +48 cm^-1 correspond à la fluorescence du complexe O-add2.
        Cependant les différences calculées entre les énergies de liaison des complexes Ss et Sr, pour une géométrie donnée, sont assez faibles et ne nous permettent pas de comprendre, pourquoi les complexes 1:1 ne sont observés que pour le mélange hétérochiral.
     Nous avons également comparé ces résultats à ceux obtenus lors de la complexation du naphtyléthanol avec les systèmes non chiraux méthylglycolate (CH₂OH-COOCH₃) et méthyl-2-méthylglycolate ((CH₃)₂COH-COOCH₃). Il semblerait que le complexe naphtyléthanol/méthylglycolate se comporte comme le complexe SR avec formation de deux complexes 1:1. Tandis que le complexe naphtyléthanol/methyl-2-méthylglycolate présente de fortes similitudes avec le complexe SS. Ceci semble indiquer que la présence du méthyl (ou de l’hydrogène) sur le carbone chiral du méthyllactate gouverne fortement la formation des complexes et la sélectivité chirale.

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