Polarisation Nucléaire Dynamique à température variable pour la spectroscopie RMN du solide à champ magnétique élevé appliquée à l'étude de matériaux et biomolécules avancés

Dynamic Nuclear Polarization at variable temperature for high magnetic field solid state NMR spectroscopy applied to the study of advanced materials and biomolecules

• Auteur / Autrice : Lorenzo Niccoli
• Direction : Anne Lesage, Moreno Lelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 21/11/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure en cotutelle avec Università degli Studi di Firenze
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de RMN à très hauts champs de Lyon (Lyon ; 2008-....) - Centre de Résonance Magnétique (Florence, Italie)
• Jury : Président / Présidente : Marina Bennati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Lesage, Moreno Lelli, Marina Bennati, Markus Weingarth, Guinevere Mathies, Gabriele Stevanato
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Markus Weingarth, Guinevere Mathies

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarisation (physique nucléaire)

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

RMN

PDN

Agents de polarisation

NMR

DNP

Polarising Agents

Résumé

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil clé pour la caractérisation de systèmes solides complexes, telles que des matériaux fonctionnalisés, des formulations pharmaceutiques ou encore des assemblages viraux. Malgré son large éventail d'applications, cette spectroscopie souffre d’une faible sensibilité intrinsèque. La Polarisation Dynamique Nucléaire (PDN) s’est récemment développé comme un outil incontournable pour accroitre de façon très significative la sensibilité de la RMN en phase solide sous rotation à l’angle magique, permettant de réaliser des analyses poussées dans des temps d’expérimentation raisonnables. La PDN repose sur un transfert de polarisation de spins électroniques vers des spins nucléaires voisins. La source d’électrons est le plus souvent exogène, et est introduite dans le système étudié sous forme de radicaux libres, appelés les agents de polarisation. Cette thèse a concerné le développement de nouvelles formulations pour la PDN à haut champ magnétique et/ou haute température. La principale contribution a été le développement de nouveaux agents de polarisation, permettant de réaliser efficacement l’effet PDN à haut champ magnétique et haute vitesse de rotation. En particulier, nous nous sommes intéressés à de nouvelles familles de binitroxides solubles dans l’eau, dérivés des TinyPols introduits en 2020. Nous avons montré que l’addition de chaines protonées sur la structure des biradicaux augmentent significativement leur performance DNP et expliqué cet effet par l’analyse conjointe de données de Résonance Paramagnétique Electronique (RPE) et de simulations de Dynamique Moléculaire. En particulier, nous avons montré que les molécules de glycérol deutérées présentes dans la matrice de polarisation se trouvent principalement localisées dans la deuxième couche de solvatation du radical NO, limitant l'accès aux molécules d'eau protonées et restreignant les voies de diffusion de spin. Des simulations de dynamique de spins sur de larges ensembles de spins représentant la matrice PDN ont été effectuées pour confirmer ces observations et le rôle déterminant des chaines protonées dans le transfert de l’hyperpolarisation. Des facteurs d’amplification PDN de ~200 ont été mesurés avec l'un des meilleurs dérivés du TinyPol, appelé M-TinyPol-(OH)4, dans une sonde de 0,7 mm, avec une fréquence de rotation de 60 kHz, à 18,8 T et 100 K. Ces facteurs sont presque deux fois plus importants que ceux obtenues avec les plus performants dinitroxides disponibles aujourd’hui. Les performances de ce radical ont été soigneusement comparées à celles d'autres agents polarisants de référence. En parallèle, nous avons étudié l’effet de la température sur le facteur d’amplification PDN du radical hybride HyTEK2, composé d’un nitroxide et d’une unité 1,3-Bis(diphenylene)-2-phenylallyl (BDPA), dans l’ortho-terphenyl (OTP). Des simulations numériques nous ont permis d’interpréter les données expérimentales obtenues par RMN et RPE. Notamment, le rôle clé des temps de relaxation a été mise en évidence. Les résultats obtenus dans cette thèse ouvrent la voie au développement de nouvelles formulations pour la PDN à haut champ et/ou haute température.

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a key tool for characterizing complex solid systems, such as functionalized materials, pharmaceutical formulations or viral assemblies. Despite its wide range of applications, this spectroscopy suffers from an intrinsic low sensitivity. Dynamic nuclear polarization (DNP) has recently emerged as an essential tool for significantly increasing the sensitivity of solid-state NMR spectroscopy under magic angle spinning, enabling advanced analyses to be carried out in reasonable experimental times. DNP is based on a polarization transfer from electron spins to neighboring nuclear spins. The electron source is usually exogenous, and is introduced into the system under study in the form of free radicals, known as polarizing agents. This thesis focused on the development of new formulations for DNP at high magnetic fields and/or high temperatures. The main contribution was the development of new polarizing agents, for efficient DNP at high magnetic fields and high spinning frequencies In particular, we focused on new families of water-soluble binitroxides, derived from the TinyPols radicals introduced in 2020. We have shown that the addition of protonated chains to the biradical structure significantly enhances their DNP performance, and explained this effect through the joint analysis of Electron Paramagnetic Resonance (EPR) data and Molecular Dynamics simulations. In particular, we have shown that deuterated glycerol molecules present in the polarization matrix are mainly located in the second solvation layer of the nitroxide radical, limiting access to protonated water molecules and restricting spin diffusion pathways. Extensive spin dynamics simulations on a large number of spin ensemble representing the DNP matrix were carried out to confirm these observations and the decisive role of protonated chains in hyperpolarization transfer. DNP enhancement factors as high as ~200 were measured with one of the best TinyPol derivatives, dubbed M-TinyPol-(OH)4, in a 0.7 mm probe; with a MAS frequency of 60 kHz, at 18.8 T and 100 K. This is nearly a factor 2 larger than the enhancements obtained with the previous best performing dinitroxides. The performance of this radical has been carefully compared with other gold standard polarizing agents. In parallel, we studied the effect of temperature on the DNP enhancement factor of the HyTEK2, a hybrid biradical introduced in 2018 composed of a nitroxide and a 1,3-Bis(diphenylene)-2-phenylallyl (BDPA) unit, in ortho-terphenyl (OTP). Numerical simulations were implemented to interpret the experimental NMR and EPR data. In particular, the importance of the relaxation times of both radical moieties has been highlighted. The results obtained in this PhD thesis pave the way for the development of new DNP formulations suitable for high-field and/or high-temperature hyperpolarized solid-state NMR.