Structure moléculaire et équilibres ioniques des colorants fluorogènes dans les solvants aprotiques polaires

Molecular structure and ionic equilibria of fluorogenic dyes in polar aprotic solvents

• Auteur / Autrice : Olena Moskaieva
• Direction : François-Alexandre Miannay, Mykola O. Mchedlov-Petrossyan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organique, minérale, industrielle
• Date : Soutenance le 02/03/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Avancé de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement (LASIRE)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Chazallon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Minh Huong Ha Thi, Alexander Ishchenko, Abdenacer Idrissi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Oksana Tananaiko, Sophie Fourmentin-Lamotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure moléculaire

Tautomérie

Équilibre ionique

Fluorescence

Mots clés libres

Colorants fluorogènes

Nitrofluorescéine

BODIPY (colorants)

Solvants dipolaires aprotiques

Fluorogenic dyes

Nitrofluorescein

Tautomeric constant

Bodipy

Dipolar aprotic solvents

Fluorescence

Résumé

Les colorants à la fluorescéine sont largement utilisés dans différents brunchs de la chimie et des sciences connexes, tout d'abord en raison de leurs propriétés fluorescentes uniques. Parmi ces composés, les dérivés nitrés sont beaucoup moins explorés. Ce travail visait à divulguer les principales propriétés protolytiques et spectrales dans des solutions non aqueuses de ces colorants.Une série de nitrofluorescéines et de plusieurs dérivés aminés, 22 composés au total, a été étudiée en détention principalement par des méthodes spectroscopiques.Le comportement de ces composés diffère significativement de celui d'autres colorants à base de fluorescéine, par exemple des dérivés halogénés très populaires. Le déplacement de l'équilibre tautomère des formes neutres des colorants est déplacé vers la lactone. La particularité des colorants portant quatre groupes NO2 dans la partie xanthène de la molécule est la formation de lactones anioniques, provoquée par l'éloignement de la densité électronique de l'atome de carbone nodal. Une autre caractéristique est la facilité de rupture du cycle pyrane dans des solutions fortement alcalines.Les valeurs des colorants ont été déterminées par la méthode spectrophotométrique dans des solutions tampons dans du DMSO et dans plusieurs cas dans de l'acétonitrile contenant 4 % en masse de DMSO, à 25 oC.L'interprétation des valeurs nécessite une compréhension de l'état des équilibres tautomères. Par exemple, la différence entre les s de dissociation par étapes des colorants, dans le DMSO varie de 1,2 pour la 5'-nitrofluorescéine à 7,6 pour la 4,5-dinito-2,7-dibromofluorescéine. L'analyse des spectres d'absorption dans le visible permet d'identifier les structures moléculaires et ioniques des colorants. L'évaluation des fractions des tautomères a permis de calculer les constantes d'équilibre dites microscopiques, décrivant la dissociation des tautomères simples. Ces derniers coïncident avec ceux des composés modèles : les esters, l'éther et un analogue sulfo.Une étude spéciale a été consacrée à révéler la transmission des effets électroniques dans la molécule de fluorescéine en examinant l'influence des substituants NO2 et NH2 dans le résidu d'acide phtalique sur le 's des groupes OH dans la partie xanthène.L'introduction d'un groupe nitro dans la partie phtalique de la fluorescéine éteint l'émission. Étonnamment, les colorants avec quatre groupes NO2 dans la partie xanthènes présentent une fluorescence brillante dans le DMSO et aprotic. En conséquence, un nouvel indicateur fluorescent indépendant du pH, l'ester méthylique de la 2,4,5,7-tétranitrofluorescéine, très sensible à la capacité du solvant à former des liaisons hydrogène, est proposé. En outre, les conditions des anions à charge simple et double de la 5'-aminofluorescéine dans des solutions de nature différente sont élucidées.L'étude d'un mélange de solvants aprotiques et donneurs de liaisons hydrogène avec des composés modèles (BODIPY) nous permettra d'étudier plus en détail le mécanisme de l'effet des liaisons hydrogène sur les dérivés de la fluorescéine.

Fluorescein dyes are widely used in different brunches of chemistry and related sciences, first of all owing to their unique fluorescent properties. Among these compounds, nitro derivatives are much less explored. This work was aimed to disclose the main protolytic and spectral properties in non-aqueous solutions of these dyes.A series of nitrofluoresceins and several amino derivatives, 22 compounds in total, was studied in detain mainly by spectroscopic methods.The behavior of these compounds differs significantly from that of other fluorescein dyes, e.g., very popular halogen derivatives. The shift of the tautomeric equilibrium of the neutral forms of the dyes is shifted toward the lactone. The peculiar feature of the dyes bearing four NO2 groups in the xanthenes portion of the molecule is formation of anionic lactones, caused by the pulling electron density away from the nodal carbon atom. Another feature is the ease of the rupture of the pyran ring in highly alkaline solutions.The values of the dyes were determined by the spectrophotometric method in buffer solutions in DMSO and in several cases in acetonitrile that contains 4 mass % DMSO, at 25 oC.Interpreting the values require an understanding of the state of tautomeric equilibria. For instance, the difference between the values of stepwise dissociation of the dyes, , in DMSO vary from 1.2 for 5'-nitrofluorescein to 7.6 to 4,5-dinito-2,7-dibromofluorescein. The analysis of the absorption spectra in the visible region allows identifying the molecular and ionic structures of the dyes. The evaluation of the fractions of the tautomers made it possible to calculate the so-called microscopic equilibrium constants, describing the dissociation of single tautomers. The last-named coincide with those of model compounds: esters, ether, and a sulfo analogue.A special study was devoted to revealing the transmittance of the electronic effects in the fluorescein molecule by examining the influence of NO2 and NH2 substituents in the phthalic acid residue on the s of the OH groups in the xanthenes part.Introduction of a nitro group in the phthalic part of fluorescein quenches the emission. Surprisingly, the dyes with four NO2 groups in the xanthenes part exhibit bright fluorescence in DMSO and aprotic solvents. As result, a new pH-independent fluorescent indicator, methyl ester of 2,4,5,7-tetranitrofluorescein, very sensitive to the ability of the solvent to hydrogen bonding, is proposed. Also, the conditions of single- and double-charged anions of 5'-aminofluorescein in solutions of different nature are elucidated.The study of a mixture of aprotic and hydrogen bond donor solvents with model compounds (BODIPY) will allow us to further study in more detail the mechanism of the effect of hydrogen bonds on fluorescein derivatives.