NOUVEAUX COMPLEXES DE LANTHANIDES

Propriétés spectroscopiques des lanthanides (III)

Les propriétés spectroscopiques uniques (bandes d’émission intense et forte avec une pureté de couleur élevée et un rendement quantique élevé) des lanthanides en font de bons candidats pour l’utilisation comme bio – marqueurs ou détecteurs sélectifs. L’attractivité des lanthanides en tant qu’agents d’imagerie futurs ainsi que l’intérêt récent pour leur utilisation potentielle dans les milieux biologiques, a augmenté la nécessité de comprendre le comportement des lanthanides en présence d’autres ions ou dans des milieux ioniques. La complexité des milieux biologiques, la diversité et la variabilité des ions qui y sont présents rendent importante l‘étude de toute interaction entre le milieu et les ions métalliques. Tous les ions lanthanides, excepté La(III) et Lu(III) (de configurations respectives 4f0 et 4f14) sont luminescents. Les transitions f – f sont théoriquement interdites par les règles de sélection électrique dipolaire (règle de Laporte et règle du spin). En pratique, le couplage des états électroniques avec les états vibrationnels et les mélanges de fonctions d‘ondes de 29 différents nombres quantiques J ou de différentes parités atténuent cette interdiction. De ce fait, les ions lanthanides ont des coefficients d‘extinction molaire faibles (entre 1 et 10 L.mol−1 .cm−1) et certains ions présentent une durée de vie de luminescence longue (de l‘ordre de la milliseconde pour les ions Eu(III) et Tb(III). Nous avons vu précédemment que du fait du blindage des électrons 4f, le champ cristallin a une faible influence sur les orbitales 4f. Ainsi, la longueur d‘onde d‘émission du métal est indépendante du ligand organique utilisé et n‘est pratiquement pas déplacée. Par ailleurs, l‘absorption et l‘émission sont quasi– monochromatiques. L‘efficacité de la luminescence des ions Ln(III) est liée à la différence d‘énergie entre les niveaux excités et le niveau fondamental: plus la différence d‘énergie est faible, plus les processus de retour à l‘état fondamental (que nous nommerons « désexcitation », par la suite) non radiatifs sont probables. Le diagramme partiel d‘énergies de certains ions Ln(III) aqueux, est représenté (Figure 11). Les ions Tb(III) et Eu(III) ont des temps de vie raisonnables (autour de la milliseconde) et émettent dans le visible: vert λem= 550 nm et rouge λem= 620 nm, respectivement. De ce fait, ce sont les ions les plus utilisés pour l‘application comme sondes luminescentes pour l‘analyse et le diagnostic biomédical. Dans une moindre mesure, Sm(III) (orange λem = 590 nm) et Dy(III) (jaune – orange λem = 570 nm) sont également employés. L‘utilisation des ions émettant dans l‘infrarouge (Nd(III) : λem = 1065 nm, Er(III) : λem = 1550 nm et Yb(III) : λem = 978 nm), délaissée il y a quelque temps, est aujourd‘hui en plein essor. Initialement utilisés dans le développement de fibres optiques, de lasers et d‘amplificateurs pour les télécommunications, [80, 81] ils suscitent aujourd‘hui un intérêt remarquable pour le développement de sondes luminescentes pour l‘analyse biomédicale. En effet, une émission dans l‘infrarouge permet de s‘affranchir de l‘absorption de l‘eau et du milieu biologique qui deviennent transparents aux longueurs d‘ondes supérieures à 900 nm. Cela permet ainsi d‘explorer des tissus beaucoup plus profonds (20 cm au lieu de quelques millimètres). L‘ion Gd(III), en revanche, est peu utilisé car son émission dans l‘ultraviolet interfère avec les processus d‘absorption ou d‘émission des composés  

La luminescence est une des propriétés remarquables de certains lanthanides

Lorsqu‘un lanthanide entouré de ligands (oxyde ou molécule) est excité, il peut y avoir transfert de l‘excitation du ligand vers un état excité de l‘ion lanthanide qui se désexcite en émettant de la lumière, de couleur différente en fonction de l‘élément (utilisation dans les écrans d‘affichage de téléviseurs). C‘est une application importante des lanthanides. Pour l‘absorption, le champ des ligands n‘ayant pas une forte influence sur les niveaux d‘énergie, les raies d‘absorption sont fines, on peut s‘en servir pour calibrer les spectromètres (raies de l‘holmium notamment) 83. Pendant de nombreuses années, la luminescence des ions lanthanides était presque exclusivement réservée aux ions qui émettaient dans la région visible comme l’europium (III) et le terbium (III). Ces ions ont une durée de vie de luminescence de l‘ordre de la 31 milliseconde. La séparation résolue dans le temps de l’émission centrée sur les lanthanides de la lumière diffusée et de la fluorescence de fond, a permis le développement de techniques d’imagerie. Un exemple de ce type est la dissociation qui favorise le dosage par fluoroimmunodosage de lanthanide DELFIA (Dissociation – Enhance lanthanide Fluorescence(TRF) Intensity technology, (Figure 12) 84, 85, qui a été appliqué aux protéines hormonaux 67, 68. NH3 + Antibody NCS N(CH2CO2 -)2 N(CH2CO2 -)2 HN N(CH2CO2 -)2 N(CH2CO2 -)2 Antigen bonds to surface bound Antibody Antibody bonds to bound antigen Eu3+ Ln bearing antigen binds to surface bound antibody i) Unbound antibody washed off ii) pH adjusted to 4 to realease lanthanide Eu(L)3 Lanthanide complex with the enhancing ligand is lu,inescent Figure 12 : Dosage par fluoroimmunodosage de lanthanide L’europium est le premier lanthanide à être étudié en solution. Freed et al. 86 ont découvert que les intensités relatives des lignes d’émission spectrale exposées par l’europium (III) étaient affectées par le solvant dans lequel il a été étudié, et par la suite Weissman 87 a découvert que ces complexes exhibaient une luminescence intense lors de l’irradiation par la lumière UV. Cependant, ce n’est qu’en 1960 que le terbium (III) et l’europium (III) furent enfin étudiés en détail 88, 89. Ils possèdent de longues durées de luminescence de l’ordre de la milliseconde, contrairement à celle des espèces biologiques (c’est – à – dire organiques) qui présentent des durées de vie de quelques nanosecondes, en raison des processus dans lesquels 32 la luminescence peut être désactivée. Dans certains systèmes, les états excités d’europium peuvent être désactivés de manière non radiative par un transfert de charges métalliques (LMCT) ou photoinductique (PET), en réduisant l’europium (III) en europium (II) (f6 à f7 ). L’efficacité de ce type de transfert d’électrons est régie par la grandeur de l’énergie libre du processus de transfert d’électrons (DGET) et la proximité du donneur et de l’accepteur 90. Généralement, plus le donneur et l’accepteur sont proches, plus il est probable que le taux de transfert d’électrons soit similaire à celui de l’absorption des photons, et plus il est probable que l’absorption des photons soit entravée. L’europium émet de la lumière avec des maximas d’émission principaux se produisant à 595 et 615 nm, tandis que le terbium émet à des longueurs d’onde de 480 et 545 nm.

 Approche thermodynamique de la complexation des lanthanides 

 Dans cette partie nous allons faire un bilan des propriétés thermodynamiques des complexes de lanthanides (III) avec des ligands neutres et chargés à atomes donneurs oxygénés et azotés dans l‘eau et dans les solvants organiques. Ainsi, nous allons voir quels sont les paramètres thermodynamiques (entropie ou enthalpie) qui gouvernent la complexation des lanthanides (III) dans ces différents milieux avec des exemples bien choisis. 

 Comportement dans l’eau 

Comme nous l‘avons vu précédemment, les cations lanthanides (III) sont des acides de Lewis durs, par conséquent, ils se lient fortement à des bases dures telles que l‘oxygène ce qui explique leur forte affinité pour les molécules d‘eau. Ceci implique donc des valeurs d‘enthalpie d‘hydratation élevées qui diminuent du La3+ (–3326 kJ. mol–1) au Lu3+ (–3759 kJ. mol–1) [91]. Les énergies libres et les enthalpies d‘hydratation des lanthanides trivalents ont approximativement une dépendance linéaire avec le rayon ionique du cation ce qui traduit une 33 augmentation de l‘interaction ion – dipôle avec l‘augmentation de la densité de charge du cation (Tableau 5). 

Complexation des ions lanthanides trivalents avec les ions carboxylates

 Dans ce domaine, beaucoup de travaux ont été axés sur la conception et l’assemblage des acides carboxyliques , β – dicétone [98], cryptands [99, 100], calixarènes [101, 102], podands [103, 104], ligands hétérocycliques et protéines. La complexation des lanthanides Ln(III) par des acides carboxyliques est assez récente, puisque les premières études datent de la fin des années 1980 et présentent un grand intérêt du point de vue théorique et pratique à savoir la coordination, l‘environnement des ions lanthanides et le mode de coordination des ligands. 

 Mode de coordination des fonctions carboxylate

 L‘ion carboxylate est très versatile dans son mode de coordination (schéma 2). Le symbole utilisé est alors η. η a : L‘oxygène 1 coordine « a » métal (aux). η b : L‘oxygène 2 coordine « b » métal (aux). μc : c, le nombre total de métaux coordinés à la fonction carboxylate.