Brevet FR2915685A1 — publié le 20081107

Composé fluorescent à l'état solide dans l'eau, procédé de synthèse et utilisation dans des capteurs L'invention concerne des composés fluorescents utilisés dans de très nombreuses applications telle que la sécurité ou au sein de certains types de détecteurs d'explosifs. Ils sont également utilisés dans les biotechnologies comme marqueurs. II existe de nombreuses variétés de composés fluorescents (ou fluorophores). Certains sont fluorescents en solution dans l'eau. On peut par exemple citer la fluorescéine (utilisée comme marqueur en biologie ou encore en ophtalmologie) ou encore la famille des Rhodamines (utilisée comme colorant laser). D'autres sont solubles dans les solvants organiques (le (E)-stilbène utilisé lui aussi comme colorant laser par exemple). II est à noter cependant que la plupart des matériaux fluorescents en solution ne le sont pas ou très peu à l'état solide. En effet, lorsqu'ils se trouvent sous forme de matière condensée, il se forme la plupart du temps des dimères non-•fluorescents (excimères). De plus, les composés non solubles dans l'eau mais fluorescents à l'état solide voient en général leur fluorescence diminuer sérieusement, allant même jusqu'à disparaître, lorsqu'ils sont en contact avec de l'eau. Alors qu'en biologie et dans d'autres applications, l'utilisation de fluorophore à l'état solide pour des applications en milieu aqueux est très prometteuse. En effet, il existe un réel besoin dans ces domaines et notamment des sociétés impliquées dans les biosenseurs ont exprimé le besoin de disposer de chromophores fluorescents à l'état solide dans l'eau. Dans ce contexte et pour répondre aux besoins exprimés ci-dessus, la présente invention a pour objet une nouvelle famille de composés fluorescents capables de conserver leur fluorescence lorsqu'ils se trouvent en dispersion dans l'eau ou au contact de l'eau et de rester stable chimiquement et photochimiquement au contact de l'eau. Un avantage supplémentaire de ces molécules fluorescentes à l'état solide est leur aptitude à amplifier la diminution de l'intensité de fluorescence 30 par effet d'antenne sur une distance au rayon de Foster ( quelques nanonmètres). 5 2 Plus précisément, l'invention a pour objet un composé fluorescent à l'état solide dans l'eau, à base de naphtalimide répondant à la formule chimique suivante : avec : R : une chaîne alkyl ou alkenyl, ramifiée ou non, ou un groupement 10 contenant un cycle aromatique ; RI, R2, R3, R4, R5 : des chaînes alkyl ramifiées ou non ou des atomes d'hydrogène. Le groupement R peut également comprendre une fonction réactive afin de permettre un greffage sur par exemple une subtance biologique 15 (ADN) ou d'une manière générale sur un transducteur. La fonction réactive peut être avantageusement choisie parmi les groupes suivants : alcool, amine, acide, uréthane, époxy, halogène. Selon une variante de l'invention, le composé de l'invention 20 comprend un groupement R allyl, des groupements R2, R3, R5 hydrogène et des groupements RI et R4 terbutyl. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un composé fluorescent à base de naphtalimide comprenant les étapes suivantes : 25 - la réaction d'un anhydride bromo-naphtalique ou chloronaphtalique) et d'une amine aromatique en présence d'acétate de zinc permettant d'obtenir un premier produit intermédiaire ( bromo ou chloro naphtalimide ) la réaction dudit produit intermédiaire avec une amine en présence de carbonate de potassium et de diméthyltétrahydropyrimidone (DMPU). Avantageusement la réaction de l'anhydride bromo-naphtalique ou 5 chloro-naphtalique et del' acétate de zinc est effectuée à température élevée voisine de 200 C. Avantageusement, après réaction de l'anhydride bromo-naphtalique ou chloro-naphtalique et de l'acétate de zinc, effectuée à température élevée voisine de 200 C, puis refroidissement , le produit ainsi obtenu est coulé 1 o dans de l'eau acide. 15 Avantageusement, après réaction dudit produit intermédiaire avec une amine en présence de carbonate de potassium et de diméthyltétrahydropyrimidone, puis refroidissement, le produit ainsi obtenu est coulé dans de l'eau acide. L'invention a également pour objet un capteur ou un biosenseur 20 comportant un composé selon l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce à la figure 1 qui illustre les principales étapes d'un exemple de synthèse d'un 25 composé selon l'invention. De manière générale, les composés selon l'invention permettent d'éviter la formation d'excimères (dimères à l'état excité, généralement non fluorescents) afin de conserver les propriétés de fluorescence à l'état solide. 30 En effet, pour éviter le II-stacking correspondant à l'empilement de composés aromatiques du fait d'interactions entre leurs orbitales n du groupement naphtalimide, un substituant encombrant (par exemple, un Avantageusement, la réaction dudit produit intermédiaire avec une carbonate de potassium et de est effectuée à une température voisine de amine en présence de diméthyltétrahyd ropyrimidone 80 C. 10 groupement 2,5-ddertiobutylphényl) est pour cela greffé sur l'atome d'azote de la fonction imide. La présence de l'amine secondaire sur le cycle aromatique permet de conserver la fluorescence en présence d'eau. L'invention va être décrite ci-après pour une famille particulièrement intéressante de composés à base de 1,8-naphtalimide répondant à la formule chimique suivante : H // \N R avec R une chaîne alkyl, alkényl ou aromatique, par exemple un groupe hexyl , RI, R4, étant des chaînes alkyl encombrées par exemple des groupes tertiobutyle ; 15 R2, R3, R5 étant des atomes d'hydrogène. Ces molécules sont stables chimiquement et photochimiquement. Elles ont une bonne tenue au flux pour éviter le photoblanchiment. L'emcombrement au niveau du groupement phényl permet d'éviter la formation d'excimères. 20 Elles peuvent posséder une fonction réactive, utile pour le greffage sur des molécules biologiques (ADN par exemple). Exemple de procédé de synthèse de composés selon l'invention 25 La synthèse comporte les 2 étapes suivantes illustrées en figure 1 : Etape 1 : Synthèse du 4-bromo-N-2,5ditertiobutylphenvl-1,8-naphtalimide 1 : A 25 g d'anhydride 4-bromo-1,8-naphthalique (0.09 mol) et 37 g de 2,5-ditertiobutylaniline (0,18 mol) en solution dans 125mL de quinoléine, sont ajoutés à température ambiante, 5,9 g d'acétate de zinc (0.027 mol). Le mélange réactionnel est chauffé à 210 C pendant 5 heures. 5 Après avoir refroidi à température ambiante, le milieu réactionnel est coulé dans 3 litres d'eau acide (HCI 1M). Le solide qui précipite est récupéré et rincé avec de l'eau puis séché sous vide. Le produit brut est ensuite purifié par chromatographie sur colonne 1 o avec pour éluant le toluène. Le produit est ensuite repurifié par recristallisation dans l'Ethanol. Un solide beige est récupéré (m=28,05 g, Rdt=65 %). Etape 2 : Synthèse du 4-(N-allyl)-N-2,5ditertiobutvlphenvl-1,8-naphthalimide 15 2 : A 4,64 g de 1 (10 mmol) et 1,71 g de N-allylamine (30 mmol) en solution dans 40 ml de DMPU sont ajoutés 1,38 g de carbonate de potassium (10 mmol). Le mélange réactionnel est ensuite chauffé à 80 C pendant 16 20 heures. Après avoir refroidi à température ambiante, le milieu réactionnel est coulé dans 1 L d'eau acide (HCI 1M). Le précipité jaune marron obtenu est ensuite récupéré par filtration, rincé et séché sous vide. 25 Le produit brut est ensuite purifié par chromatographie sur colonne avec pour éluant le toluène. Un solide jaune orangé est récupéré (m=3,80 g, Rdt=86 %) Le composé obtenu est non soluble dans l'eau et sa durée de vie de 30 fluorescence n'est pas modifiée en milieu aqueux et présente un déclin biexponentiel. Les temps d'extinction sont les suivants : T = 0,89 ns pour 66% de fluorescence persistante T = 2,4 ns pour 16% de fluorescence persistante et ce aussi bien en absence qu'en présence d'eau. 5 Les longueurs d'onde d'excitation et d'émission sont dans le visible, respectivement Xabs= 441 nm, et lem= 556nm. 10 REVENDICATIONS 1. Composé fluorescent à l'état solide dans l'eau, à base de 5 naphtalimide répondant à la formule chimique suivante : avec : 10 R : une chaîne alkyl ou alkenyl, ramifiée ou non, ou un groupement contenant un cycle aromatique ; R,, R2, R3, R4, R5 : des chaînes alkyl ramifiées ou non ou des atomes d'hydrogène. 15 2. Composé fluorescent selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupement R comporte une fonction réactive de type alcool, amine, acide, uréthane, époxy ou halogène pour permettre le greffage sur un transducteur pouvant être une substance biologique. 20 3. Composé fluorescent selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un groupement R allyl, des groupements R2, R3, R5 hydrogène et des groupements RI et R4 terbutyl. 4. Procédé de synthèse d'un composé fluorescent à base de 25 naphtalimide selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :la réaction d'un anhydride bromo-naphtalique ou chloronaphtalique et d'une amine aromatique en présence d'acétate de zinc permettant d'obtenir un premier produit intermédiaire bromo ou chloro-naphtalimide ; - la réaction dudit produit intermédiaire avec une amine en présence de carbonate de potassium et de diméthyltétrahydropyrimidone. 5. Procédé de de synthèse d'un composé fluorescent à base de naphtalimide selon la revendication 4, caractérisé en ce que la réaction de l'anhydride bromo-naphtalique ou chloro-naphtalimide et de l'amine aromatique en présence d'acétate de zinc est effectuée à température élevée voisine de 200 C. 6. Procédé de de synthèse d'un composé fluorescent à base de naphtalimide selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la réaction dudit produit intermédiaire avec l'amineen présence de carbonate de potassium et de diméthyltétrahydropyrimidone est effectuée à une température voisine de 80 C. 7. Capteur comportant un composé selon l'une des revendications 1 à 3.25