L’équipe SACS s’intéresse aussi au développement de la méthode du spin trapping  pour la détection, l’identification et la quantification d’intermédiaires radicalaires formés transitoirement lors de divers processus chimiques ou biologiques. L’étude de ces composés, présents à l’état de traces dans des matrices souvent complexes, requiert des techniques sensibles, avec des acquisitions rapides, et pouvant révéler de manière précise leur structure ou celles de composés dérivés.

Bien que la résonance paramagnétique électronique (RPE) soit la méthode de choix d’étude des radicaux, les intermédiaires radicalaires ont généralement une durée de vie trop courte pour atteindre une concentration stationnaire suffisant à leur détection directe par RPE. Le piégeage de spin (spin trapping) peut permettre de contourner cette difficulté.La technique implique l’utilisation d’un piège diamagnétique P (nitrone ou composé nitroso) qui réagit avec un radical fugace R· pour conduire à un adduit de spin paramagnétique PR· (un nitroxyde) plus stable et détectable par RPE. L’analyse du spectre de RPE de l’adduit permet de remonter à des informations sur l’espèce piégée. Le plus souvent, les pièges utilisés sont de types nitrone ou nitroso.

Dans ce domaine, nos recherches concernent trois thèmes majeurs : i) l’élaboration de nouvelles approches expérimentales en spin trapping ;  ii) l’étude des propriétés de nouveaux agents de piégeages; iii) l’application du spin trapping à l’étude de mécanismes radicalaires en chimie ou à la production de radicaux en milieux biologiques.

Nouvelles approches expérimentales en spin trapping

Dans la majorité des cas, le spin trapping est couplé à une détection par spectrométrie RPE en bande X. Dans ce domaine, nous avons adapté les procédures SVD (décomposition en valeurs singulières) et déconvolution par la méthode du pseudo-inverse au traitement des signaux RPE. En parallèle, nous avons développé de nouveaux modèles cinétiques du piégeage de divers type de radicaux par des nitrones. L’ensemble de ces méthodes, maintenant utilisées par d’autres équipes, a permis par exemple de déterminer de façon fiable et parfaitement reproductible les vitesses de piégeage du radical superoxyde dans différents milieu par une large gamme de nitrones.

La méthode spin trapping/RPE est largement appliquée à l’étude d’espèces radicalaires de courte durée de vie. Dans quelques cas favorables, le radical piégé est identifié sur la base du seul spectre de RPE de l’adduit. Néanmoins, des radicaux de structures proches présentent souvent le même spectre de RPE. De plus, les adduits formés peuvent être transformés en espèces diamagnétiques non détectables en RPE, notamment à la suite de processus d’oxydo-réduction. Ces observations nous ont conduits à élaborer une méthode de détection et d’identification d’intermédiaires radicalaires combinant les techniques de spin trapping, de RPE et de spectrométrie de masse en tandem, sans séparation chromatographique préalable. Utilisée avec des aldo-nitrones, des cétonitrones et des composés nitroso, cette méthode a trouvé des applications dans le domaine de l’élucidation de mécanismes réactionnels en chimie organique.

Actuellement, nous travaillons au développement d’un approche analogue fondée sur l’utilisation de la RMN du noyau 31P. Très souvent en milieu biologique, les adduits de spin, sous la forme de nitroxydes, sont très vites réduits par les antioxydants en hydroxylamines diamagnétiques, donc silencieuses en RPE mais potentiellement détectables par RMN. Afin d’éviter des étapes de purification du milieu, notre approche envisage l’utilisation de spin traps phosphorés du type PPN,  DEPNP ou encore DEPMPO. La première étape consiste à établir une base de données RMN des adduits de différents radicaux.

Etude des propriétés de nouveaux pièges à radicaux

Bien que la synthèse de nouvelles molécules n’entrent plus dans nos activités, nous avons par le passé participé à la conception de très nombreux spin traps, notamment phosphorés (DEPMPO, PPN et dérivés, …). Actuellement, nous travaillons en collaboration avec des équipes de synthèse organique qui nous confient de nouvelles nitrones dont nous déterminons les capacités de piégeage vis-à-vis de toutes sortes de radicaux dans divers milieux (aqueux, organiques, organisés, …). En particulier, dans le cadre de collaborations avec les équipes du Dr G. Durand à l’Université d’Avignon et du Pr F. Villamena à Ohio State University, les cinétiques de piégeage de radicaux et la stabilité des adduits formés sont corrélées à divers paramètres tels que l’activité anti-oxydante ou encore leur potentiels rédox.

Application de la méthode du spin trapping à l’étude de mécanismes radicalaires

Une grande part de nos travaux de recherche actuels consiste à appliquer l’ensemble de toutes ces méthodes (spin trapping/RPE, spin trapping/MS, modélisation cinétique, traitement du signal,…) à l’élucidation de mécanismes réactionnels en chimie organique.

En particulier, nous collaborons ou avons  collaborés avec les équipes de Christiane André-Barrès (SPCMIB, Toulouse : élucidation d’un mécanisme d’endopéroxydation « interdit », réactivité de composés diénoliques cycliques), de Jean-Luc Parrain (ISM2, Marseille ; réactivité d’un benzocyclobutène vis-à-vis des radicaux ; intermédiaires radicalaires organoborés) et Emmanuel Magnier (IL, Versailles ; intermédiaires organofluorés, photocatalyse rédox). 

Actuellement, la méthode est aussi utilisée dans le cadre d’une collaboration avec l’IMBE pour étudier la production de radicaux dans des feuilles de chêne soumis à un stress hydrique.

Mots clés :

Spin trapping, RPE, adduits de spin, nitroxydes, pièges à radicaux, nitrones, pièges nitroso, mécanismes radicalaires.