Les « cages moléculaires » sont des structures de taille nanométrique qui peuvent lier et transporter d'autres molécules comme des composés médicinaux. Afin de les libérer à nouveau de manière ciblée, des informations sur leur structure et leurs propriétés sont nécessaires, mais ces composés paramagnétiques sont difficiles à analyser. Crédit :Université de Kiel
La chimie et la biologie structurale utilisent les méthodes standard de spectroscopie RMN (RMN =résonance magnétique nucléaire) pour examiner la structure des molécules, y compris les grosses molécules comme les protéines en solution. Les noyaux actifs en RMN, comme les atomes d'hydrogène, sont excités à l'aide d'impulsions radiofréquences dans des spectromètres à forts champs magnétiques. Les différents environnements des noyaux peuvent être détectés et des conclusions sur la structure moléculaire peuvent être tirées de l'analyse des spectres générés.
Avec de telles méthodes RMN, la structure des molécules diamagnétiques peut déjà être très bien étudiée. Dans ces molécules, les électrons sont appariés et leurs spectres RMN sont simples à analyser car les signaux sont généralement nets et dans des régions distinctes en fonction de la structure de la molécule. Cependant, avec les méthodes RMN, il est difficile d'étudier la structure des composés paramagnétiques, qui ont des électrons non appariés. Ceux-ci inclus, par exemple, certains produits de contraste médicaux. Ils sont attirés par les champs magnétiques externes et interfèrent avec les mesures. Les chimistes de l'Université de Kiel (CAU) ont maintenant réussi à développer une boîte à outils de méthodes RMN qui, pour la première fois, permettre une analyse structurelle détaillée des complexes paramagnétiques en solution. Ils ont récemment démontré les vastes possibilités d'application de leur boîte à outils dans divers domaines de la chimie et au-delà dans la célèbre revue Angewandte Chemie .
Même les "cages moléculaires" complexes peuvent être analysées plus en détail que jamais
"Le nombre de méthodes de RMN appropriées pour les complexes paramagnétiques a été limité jusqu'à présent. Les informations structurelles sont généralement perdues car les signaux sont larges et dans des régions moins prévisibles, " explique Anna McConnell, Professeur junior à l'Institut de chimie organique Otto Diels de la CAU. Elle étudie les "cages moléculaires paramagnétiques, " où plusieurs molécules s'auto-assemblent en structures plus complexes avec une cavité qui peut lier d'autres molécules. Comme objectif à long terme, ces molécules pourraient être, par exemple, substances médicinales qui sont transportées et libérées dans des parties particulières du corps. "Mais pour cela, nous avons d'abord besoin de plus d'informations sur les structures de ces complexes paramagnétiques, " continue McConnell.
En collaboration avec une équipe de recherche des Instituts de Chimie Organique et Inorganique, McConnell a développé diverses méthodes RMN pour obtenir et interpréter de manière fiable les données RMN sur les composés paramagnétiques. Utilisé en combinaison, les méthodes de leur boîte à outils fournissent une image complète de ces structures moléculaires. Dans certains cas, les résultats sont encore meilleurs que ceux avec des méthodes standard comparables pour les composés diamagnétiques conventionnels, l'équipe a trouvé. "L'acquisition de données pour les composés paramagnétiques était beaucoup plus rapide et, dans certains cas, nous avons obtenu les informations structurelles dans une expérience paramagnétique au lieu de plusieurs expériences pour un composé diamagnétique, " a déclaré McConnell.
Avec les techniques de l'équipe de Kiel, les spectromètres conventionnels tels que celui du département de spectroscopie de l'institut de chimie organique Otto Diels peuvent être adaptés pour étudier les composés paramagnétiques. Crédit :Julia Siekmann, CAU
Le manuel d'instructions permet une adaptation facile à n'importe quel spectromètre
L'équipe de recherche a mené des investigations détaillées sur les spectromètres 500 et 600 MHz dans le département de spectroscopie de l'Institut de chimie organique Otto Diels pour déterminer comment adapter les expériences standard pour l'analyse des complexes paramagnétiques. Avec ça, ils ont produit un manuel d'instructions sur la façon d'appliquer la boîte à outils à d'autres complexes paramagnétiques et spectromètres. "Le développement de ces méthodes de RMN paramagnétique est une grande avancée pour notre recherche quotidienne et nous espérons qu'elles aideront d'autres chercheurs autant que nous, " a déclaré Marc Lehr, doctorat étudiant dans le groupe de McConnell et premier auteur de l'article. L'équipe de recherche espère que cela contribuera à l'application de ces méthodes dans différents domaines de la chimie et au-delà. Dans leur étude, ils ont démontré la grande polyvalence de la boîte à outils pour au moins des domaines allant de la chimie de coordination et des complexes de croisement de spin à la chimie supramoléculaire.
Comme prochaine étape, l'équipe de recherche envisage d'appliquer ces méthodes à l'analyse de cages paramagnétiques plus grandes et encore plus complexes. "Les cages moléculaires dont les structures peuvent être modifiées par irradiation avec la lumière sont un exemple de cage plus complexe. En utilisant des cages sensibles à la lumière, nous pourrions être en mesure de libérer les molécules invitées de manière vraiment ciblée à l'avenir, " espère McConnell.
