Optimisation des propriétés émissives du BODIPY en phase condensée par modulation de la nature des substituants

Optimization of the fluorescence properties of BODIPY derivatives by tuning the nature of the substituants

• Auteur / Autrice : Thanh-Truc Vu
• Direction : Rachel Méallet-Renault, Robert Pansu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 12/07/2011
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Delaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Gustavsson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gion Calzaferri, Suzanne Fery-Forgues

Mots clés

Mots clés contrôlés

Encombrement stérique

Fluorescence

Mots clés libres

BODIPY

Fluorescence

État condensé

Encombrement stérique

Sonde pH

RAFT

BODI¨Y

Fluorescence

Résumé

Une investigation des propriétés d’émission de fluorescence à l’état condensé a été effectuée sur des dérivés encombrés du Boron DIPYrromethene (BODIPY). L’objectif est de déterminer la nature de l’encombrement stérique afin d’optimiser l’efficacité d’émission en minimisant les interactions intermoléculaires. L’étude en films de PMMA du 3,5-di-adamantane, 8-mésityle BODIPY a mis en évidence la formation prépondérante d’agrégats H et celle de dimères J, dont le rendement quantique de fluorescence n’est diminué que d’un facteur 5 par rapport à la molécule non agrégée. Une deuxième étude spectroscopique en films évaporés a également été effectuée sur une série de quatre dérivés substitués sur les positions 3 et 5 par des groupements [2.2]paracyclophane et sur les positions 2 et 6 par les groupements respectifs : propyle, éthyle, méthyle et H (BODIPY H-, Alkyl-PcP). L’absence de substitution sur les positions 2 et 6 favorise la formation des agrégats H tandis que la présence d’une chaîne alkyle conduit à la formation prépondérante d’agrégats J. La mesure des rendements quantiques relatifs ainsi que l’analyse des images de fluorescence résolues en temps démontrent une augmentation de l’efficacité d’émission et de la durée de vie de fluorescence de la phase solide lorsque la chaîne alkyle s’allonge. Les composés BODIPY Et-PcP et Pr-PcP présentent tous deux une émission de fluorescence supérieure à un dérivé non encombré. Enfin, une étude préliminaire des phases solides de dérivés BODIPY substitués par des groupements insaturés planaires (benzothiophène, p-bromo-diphényle) a été menée afin d’étudier l’influence de la géométrie des substituants. La synthèse de l’ensemble des résultats permet de conclure que les substituants insaturés planaires ne conduisent pas systématiquement à une perte du rendement quantique de fluorescence à l’état solide, en comparaison aux substituants saturés et insaturés sphériques. Deux méthodes d’élaboration de particules ont été explorées : la première consiste à greffer des dérivés d’aza-BODIPY sur des billes de polystyrène afin d’obtenir des particules sondes de pH - la deuxième approche repose sur la polymérisation d’un dérivé BODIPY selon la méthode RAFT suivie de la formulation du polymère amphiphile obtenu en micelles de taille nanométrique. Ces particules offrent la possibilité d’une post-fonctionnalisation permettant d’élaborer des capteurs.

Fluorescence properties of Boron DIPYromethene derivatives (BODIPY) bearing bulky moieties are studied in condensed state in order to frame the nature of the substituents that would give the best emission efficiency. 3,5-bis-adamantane 8-mesityl BODIPY derivative shows a preponderant formation of H aggregates as well as J dimers, which fluorescence quantum yield is up to only about 5 times less than the monomer. Spectroscopic properties in solid state have also been studied on a set of four BODIPY derivatives substituted by [2.2]paracyclophane (PcP) on positions 3 and 5 on one hand, respectively H, methyl, ethyl and propyl on positions 2 and 6 on the other hand (BODIPY H-, Alkyl-PcP). BODIPY H-PcP shows aggregation preferentially in H type whereas substitution by an alkyl chain in position 2 and 6 favours the formation of J aggregates. The longer is the alkyl chain the more the BODIPY derivative emits, according to the measurement of relative quantum yield and the analysis of fluorescence lifetime imaging data. Both BODIPY Et-PcP and Pr-PcP show better emission efficiency than a non hindered BODIPY derivative. Preliminary work on derivatives bearing benzothiophene and p-Bromo-bisphenyl moieties on positions 3 and 5 supports the conclusion that unsaturated and planar substituents do not necessarily lead to more &#960--&#960- stacking, responsible for fluorescence quenching in solid state, compared to alkyl substituents or unsaturated and spherical substituents (Ad, PcP). Particles have also been obtained through two different approaches : the first one consists in fonctionnalizing aza-BODIPY derivatives on polystyrene beads in order to build a pH sensor - in the second one, a BODIPY derivative is polymerized according to RAFT method to give an amphiphilic polymer which is then reorganized into micelles. Those particles can be easily post-functionnalized to give a broad range of sensors.