Développement d’une méthode de criblage de molécules chélatantes de l’uranium : applications à l’extraction sélective de U(VI) en milieu sulfurique

Development of a method for screening uranyl chelates : applications for selective extraction of U(VI) in sulfuric media

• Auteur / Autrice : Sacha Pasquier
• Direction : Jean-Claude Berthet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/12/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de radiolyse et des molécules organiques (Paris) - Laboratoire de Chimie Moléculaire et Catalyse pour l'Energie (Saclay)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Van der Rest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Berthet, Guillaume Van der Rest, Isabelle Billard, Michel Meyer, Thomas Vercouter, Krzysztof Jankowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Billard, Michel Meyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diphosphonates

Hydrazones

Mots clés libres

Uranyle

Criblage

Ligands

Di-hydrazones

Phosphonates

Pouvoir complexant

Sélectivité

Arsénazo

Uranyl

Screening

Ligands

Di-hydrazones

Phosphonates

Complexing power

Selectivity

Arsenazo

Résumé

La recherche de molécules ayant une affinité spécifique pour un métal est à la base de nombreux procédés de récupération sélective. C’est le cas pour l’uranium extrait de site minier, et isolé à la suite de plusieurs étapes dont une extraction par solvant à partir d’un jus concentré d’acide sulfurique. Pour corriger certains inconvénients du procédé d’extraction actuel, le potentiel de nouvelles molécules chélatantes de l’uranium doit être déterminé. Ceci est possible par l’utilisation d’une méthode de criblage servant à comparer rapidement un grand nombre de molécules. A ce jour, aucune méthode n’existe pour tester efficacement le pouvoir complexant et la sélectivité de molécules vis-à-vis de l’uranium en milieux très acides. La méthode de criblage proposée dans ce travail est basée sur le suivi colorimétrique et spectrophotométrique de la réaction de compétition entre un complexe chromophore de référence Arsénazo III-UO₂²⁺ avec des ligands compétiteurs. Plusieurs ligands issus de 4 familles (hydrazides, di-hydrazones et (mono, bis)-phosphonates) ont été criblés. Ces tests, réalisés en mélange monophasique MeOH/H₂SO₄, ont permis de déterminer un ordre d’affinité des di-hydrazones selon la fonctionnalisation du « squelette di-hydrazones ». L’effet de substituants sur la coordination avec l’ion UO₂²⁺ a pu être reproduit par des calculs de modélisation moléculaire. D’autre part, une approche indépendante par spectrométrie de masse à ionisation électrospray a permis de retrouver cet ordre d’affinité et d’évaluer la sélectivité vis-à-vis du fer(III), élément souvent présent quantitativement dans les jus traités. La méthode de criblage, appliquée à des bis-phosphonates (en milieu aqueux H₂SO₄) déjà étudiés pour la décorporation de l’uranium en conditions biologiques, a mis en évidence des affinités remarquables, dont certaines inattendues. Ces résultats ont permis de montrer des relations entre les structures des molécules bis-phosphonates et leur efficacité de complexation. Avec cette nouvelle méthode de recherche, validée sur quelques familles moléculaires, de nouvelles pistes peuvent être envisagées pour le choix du design moléculaire, ou l’utilisation de molécules dans des procédés d’extraction innovants.

The search of molecules with a specific affinity for a metal is at the basis of many processes for selective recovery. This is the case for uranium that is extracted from mines, and isolated as a result of several steps among which a solvent extraction step from a concentrated juice of sulfuric acid. To overcome some drawbacks of the current extraction process, new chelating molecules of uranium must be determined. This is possible by using a screening method to quickly compare a large number of molecules. To date, there is no method to effectively test the complexing power and selectivity of molecules for uranium in highly acidic media. The screening method proposed in this work is based on ligand displacement reactions observed by UV-visible from the Arsenazo III-UO₂²⁺ reference complex where Arsenazo III is a chromogenic molecule displaying a strong affinity for uranium. Several ligands out of four molecular families (hydrazides, dihydrazones and (mono, bis)-phosphonates) were screened. These tests - carried out in monophasic MeOH/H₂SO₄ mixtures - provided an affinity order of di hydrazones related to the nature of functionalization of the ''di-hydrazone skeleton''. The effect of substituents on coordination with the UO₂²⁺ ion could be reproduced by DFT calculations (Density Functional Theory). Moreover, an independent approach by electrospray ionization mass spectrometry permitted to corroborate the affinity order and to evaluate the U(VI)/Fe(III) selectivity, as iron(III) is often found quantitatively in juices. The screening method applied to bis-phosphonate ligands (in H₂SO₄ aqueous medium), already studied for the in vivo removal of uranium in biological conditions, showed very strong uranophiles while some of them were unexpected. These results highlight relationships between the bis phosphonate structures and their complexation efficiency. With this new method of search, validated on some molecular families, new trails can be considered for the selection of molecular design or the use of innovative molecules in extraction processes.