Etude de l'encapsulation de polluants aromatiques par la β-cyclodextrine en présence d'alcools aliphatiques linéaires

Investigation of encapsulation of Aromatic polluants by β-Cyclodextrin in presence of linear aliphatic alcohols

• Auteur / Autrice : Shivalika Tanwar
• Direction : Nathalie Dupont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 26/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Chimie bioorganique, biophysique et biomatériaux pour la santé (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université Sorbonne Paris Nord (Bobigny, Villetaneuse, Seine-Saint-Denis ; 1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Schoenstein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erwan Guénin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Landy, Florence Djedaïni-Pilard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie Raman

Rayons X -- Diffraction

Résonance magnétique nucléaire

Encapsulation (chimie)

Composés aromatiques polycycliques

Dynamique moléculaire

Cyclodextrines

Polluants organiques

Mots clés libres

Β-Cyclodextrines

Alcools aliphatiques

Hydrocarbures aromatiques

Polluants polycycliques

Modélisation moléculaire

Β-Cyclodextrin

Aliphatic alcohols

Aromatic Hydrocarbons

Molecular modelling

PXRD - Power X-ray Diffraction

DSC -Differential scanning Colorimetry

Résumé

La pollution de l’environnement par les composés organiques est devenue une préoccupation mondiale majeure. Les molécules aromatiques comme les cycles benzéniques et leurs dérivés ont attiré une attention considérable en raison de la toxicité reconnue et de la cancérogénicité. Principalement utilisées en chimie supramoléculaire,les cyclodextrines sont des structures moléculaires en forme de cône tronqué ayant une surface externe hydrophile et une cavité hydrophobe. Ainsi, ils peuvent théoriquement encapsuler un grand nombre de molécules organiques hydrophobes pour former des complexes d'inclusion solubles dans l'eau. Cette propriété de complexation a une application potentielle dans le domaine de la détection et de la quantification des polluants polycycliques aromatiques dans les eaux environnementales par des moyens spectroscopiques portables. Nous souhaitons comprendre ce phénomène d’inclusion en combinant des approches théoriques et expérimentales appliquées à l’état solide et en solution. Il a été observé que seules quelques structures cristallines de complexes de cyclodextrines, molécules aromatiques pures, apparaissent dans les bases de données structurelles après un court examen. L'objectif principal de nos recherches est donc de nous concentrer plus précisément sur les interactions entre les alcools aliphatiques et les molécules de cyclodextrine. Pour cela,afin de corréler nos études expérimentales et théoriques, les résultats obtenus ont été suivis de manière systématique par différentes techniques spectroscopiques afin d'observer l'interaction entre les molécules. De plus, les poudres et les cristaux obtenus en faisant varier la solubilité des mélanges ont été soumis à une analyse physico-chimique, à une diffraction des rayons X et à une surveillance DSC pour étayer nos résultats. Ce travail comprend également la modélisation de complexes d'inclusion en utilisant différentes approches, comme la combinaison de méthodes semi-empiriques de la chimie quantique (DFT / TD-DFT) et de la mécanique moléculaire polarisable. Des calculs ont été effectués sur des clusters internes, ce qui permettra de mettre en évidence des facteurs structurels et énergétiques de complexation.

Environmental water pollution by organic compound has become a major worldwide concern. Aromatic molecules like benzene rings and their derivatives have gained considerable attention due to officially documented toxicity and carcinogenicity. Mostly used in supramolecular chemistry, Cyclodextrins are truncated cone-shaped molecular structures having a hydrophilic outer surface and a hydrophobic cavity. Thus, they can theoretically encapsulate a large number of hydrophobic organic molecules to form water-soluble inclusion complexes. This complexation property has potential application in the field of detection and quantification of aromatic polycyclic pollutants in environmental water by portable spectroscopic means. We are interested in understanding this phenomenon of inclusion by combining theoretical and experimental approaches applied to solid state and in solution. It has been observed that only a few crystalline structures of cyclodextrin- pure aromatic molecule complexes appear in the structural databases after a brief review. Therefore, the main objective of our research is to focus more precisely on the interactions between the aliphatic alcohols and cyclodextrin molecules. For this purpose, to correlate our experimental and theoretical studies, the results obtained were monitored by various spectroscopic techniques in a systematic manner to observe the interaction between the molecules. Moreover, the powders and crystals obtained by varying the solubility of the mixtures were further subjected to physico-chemical analysis, X-ray diffraction, and DSC monitoring to support our findings. This work also includes modeling of inclusion complexes using different approaches like combining semi-empirical methods of quantum chemistry (DFT / TD-DFT) and polarizable molecular mechanics. Calculations were carried out on homemade clusters, which will allow the implementation of evidence of structural and energetic factors for complexation.