Conception d'agents polarisants pour la RMN optimisée par polarisation nucléaire dynamique (DNP)

Design and evaluation of polarizing agents for DNP enhanced solid-state nuclear magnetic resonance''

• Auteur / Autrice : Rania Harrabi
• Direction : Gaël De Paëpe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique moléculaire et structurale
• Date : Soutenance le 24/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Modélisation et exploration des matériaux (Grenoble ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Renaudet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaël De Paëpe, Gerd Buntkowsky, Fabien Aussenac
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Giulia Mollica, Franck Fayon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance magnétique nucléaire

Polarisation (physique nucléaire)

Mots clés libres

Résonance magnétique nucléaire

Polarisation nucléaire dynamique

Agents Polarisants

Nuclear Magnetic Resonance

Dynamic Nuclear Polarization

Polarazing agents

Résumé

La polarisation nucléaire dynamique (DNP) est une méthode d’hyperpolarisation poly- valente, utilisée pour améliorer de plusieurs ordres de grandeur la sensibilité intrinsèque- ment limitée de la résonance magnétique nucléaire à l’état solide (ssNMR) par rotation à angle magique (MAS). Utilisant des centres paramagnétiques comme agents de po- larisation (PA), la DNP repose sur le transfert de polarisation entre les électrons et les spins nucléaires, tirant parti de la polarisation intrinsèquement plus importante des élec- trons. La récente croissance de l’intérêt pour le développement de la méthode MAS-DNP génère une forte motivation pour développer des PAs robustes pour une meilleure sens- ibilité. Participant à ces efforts, cette thèse se concentre sur le développement et l’étude de nouveaux PAs de différentes familles. L’idée principale est de s’appuyer sur la struc- ture chimique, les relaxations et les propriétés des radicaux pour développer des PAs très performants, comparés aux standards omniprésents, non seulement pour révéler une plus grande efficacité de la DNP dans des solutions gelées et des régimes modérés mais aussi pour être capable de polariser efficacement des systèmes difficiles dans des régimes difficiles.Dans l’ensemble, nous montrons que les nouveaux PAs proposés pour la MAS-DNP se distinguent des PAs standards omniprésents, car ils permettent d’abord d’améliorer la sensibilité de la DNP-NMR, ensuite leur efficacité a été démontrée sur des systèmes d’application difficiles et des régimes difficiles de champ élevé et de MAS rapide. Leur évaluation a été complétée sur la base de différents paramètres, notamment l’effet de dé- polarisation, les constantes de temps d’accumulation et la sensibilité globale, ainsi qu’une compréhension approfondie de leurs propriétés rationalisées par des simulations de dy- namique moléculaire (MD) et de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ainsi que par la résonance paramagnétique électronique (RPE) à haut champ. Les résultats obtenus illustrent la contribution de cette thèse au développement des PAs et par conséquent au développement de la méthode MAS-DNP.

Dynamic Nuclear Polarization (DNP) is a versatile hyperpolarization method, used to enhance the intrinsically limited sensitivity of Magic Angle Spinning (MAS) solid-state Nuclear Magnetic Resonance (ssNMR), by several orders of magnitude. Employing para- magnetic centers as Polarizing Agents (PAs), DNP relies on polarization transfer between the electrons and the nuclear spins, taking advantage of the intrinsically larger polarization of electrons. The recent growth of interest in developing the MAS-DNP method gener- ates a strong motivation to develop robust PAs for improved sensitivity. Participating to these efforts, this thesis focuses of the development and the study of newly designed PAs of different family. The main idea is to rely on the chemical structure, relaxations and Electron Paramagnetic Resonance (EPR) properties of the radicals to develop a highly performing PAs, compared to ubiquitous standards, not to only reveal a higher DNP effi- ciency at frozen solutions and moderate regimes but also to be able to efficiently polarize challenging systems at challenging regimes.Overall, we show that the proposed new PAs for MAS-DNP stands out compared to ubiquitous standards PAs, as they first yield improved DNP-NMR sensitivity, seconds their efficiency were demonstrated on challenging application systems and challenging regimes of high field and fast MAS. Their evaluation were completely assessed based on different parameters including depolarization effect, build up time constants and overall sensitiv- ity as well as deep understanding of their properties rationalized by Molecular Dynamics (MD) and Density functional Theory (DFT) simulations along with high field electron Paramagnetic Resonance (EPR). The obtained results illustrate the contribution of this thesis on the development of PAs and consequently on the development of MAS-DNP method.