Faculté des sciences

Construction of a new forward and backward scattering raman optical activity spectrometer and graphical analysis of measured and calculated spectra for (R)-[²H₁, ²H₂, ²H₃]-neopentane

Haesler, Jacques ; Hug, Werner (Dir.) ; Weis, Antoine (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2006 ; no 1509.

La construction d’un instrument unique au monde pour la détermination de la configuration absolue de composés chiraux, par spectroscopie d’activité optique vibrationnelle Raman (AOVR), constitue la majeure partie du travail réalisé durant cette thèse. Le développement d’un programme informatique muni d’une interface graphique, ainsi que son utilisation dans l’analyse comparative... Plus

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    Résumé
    La construction d’un instrument unique au monde pour la détermination de la configuration absolue de composés chiraux, par spectroscopie d’activité optique vibrationnelle Raman (AOVR), constitue la majeure partie du travail réalisé durant cette thèse. Le développement d’un programme informatique muni d’une interface graphique, ainsi que son utilisation dans l’analyse comparative de résultats expérimentaux et computationnels, présentent les capacités de cette méthode encore trop peu connue. Le Professeur Hug possède un spectromètre d’AOVR, issu de son propre développement, situé à l’Université de Zürich. Cet appareil fait office de référence dans le domaine de l’AOVR et est utilisé de nos jours pour des mesures de routine. Dans le but de continuer le développement de la méthode et profitant des technologies existantes, un nouveau spectromètre d’AOVR a été construit dans nos laboratoires de Fribourg durant cette thèse. La géométrie de mesure standard a dans un premier temps été reprise, elle correspond à une mesure en diffusion retour avec analyse du contenu de polarisation circulaire de la lumière diffusée (SCP(π)). Cette géométrie de mesure a ensuite été complétée par la première implémentation d’un arrangement en diffusion avant SCP(0). La mise en place de cette extension a été réalisée sur le même appareil que précédemment cité, ce qui fait de lui le seul instrument au monde capable d’effectuer des mesures d’AOVR selon ces deux arrangements. Des mesures de composés d’importance biologique comme la vitamine C et la L-alanine ont été effectuées pour la première fois en diffusion avant. Les spectres ROA correspondant sont d’ailleurs de haute qualité. La diffusion avant semble également posséder de réels avantages, comme une simplification générale des spectres ainsi qu’une sensibilité moindre face aux influences de solvents. Il est dès lors évident que la mise en place de cette nouvelle méthode de mesure profite à la toute la communauté scientifique active dans le domaine de l’AOVR. Les conditions de mesures ont été étendues par rapport à l’instrument de référence grˆace au développement d’un porte-cellule à température contrôlée. Toutes nos cellules y sont acceptées, notamment celles à base de micro-capillaires. Ces avancées techniques ont permis d’effectuer les premières mesures de composés gazeux à température ambiante. Il s’agit de mesures réalisées à 0°C du 2,2-diméthylpropane (néopentane) et de son homologue deutéré. Un isotopomère intéressant de ces deux molécules, le (R)-[2H1,2H2,2H3]- néopentane, chiral par substitution isotopique, a fait l’objet d’une analyse théorique de la mesurabilité de son activité optique vibrationnelle. Cette molécule de symétrie Td est considérée comme un archétype, car ne devant son activité optique qu’à une distribution chirale des masses de ses noyaux, alors que son environnement électronique est purement achiral. Une nouvelle méthode de simulation des spectres d’AOVR développée durant cette thèse, par l’approximation de fonctions de Voigt à l’aide de simples gaussiennes, qui tient compte des largeurs différentes des bandes isotropes et anisotropes, laissent supposer que notre spectromètre constitue le seul instrument au monde capable de déterminer la configuration absolue du (R)-[2H1,2H2,2H3]-néopentane, et ce en dépit des effets d’annulation et de compensation dues à la présence de 9 rotamères. Sa synthèse est en cours et nous espérons pouvoir confirmer nos simulations dans un avenir proche.
    Summary
    The construction of a unique instrument for the determination of the absolute configuration of chiral compounds, by means of Raman optical activity (ROA) spectroscopy, represents the main achievement of this thesis. The development of a program with a graphical interface, which incorporates previously but also newly developed graphical tools, as well as its application in comparative studies of experimental and computed data, illustrates the power of ROA in general. Professor Hug had developed an ROA spectrometer at the University of Zurich. This instrument is still considered as a reference in the ROA community and is used nowadays for routine measurements. In order to continue its development, and taking advantage of the existing technologies, a new ROA spectrometer has been constructed in Fribourg during this thesis. First, the standard geometry of measurement was chosen, which corresponds to scattered circular polarisation recorded in backscattering (SCP(π)). Secondly, this geometry was extended for the first time by a forward scattering scheme (SCP(0)). This extension was realised on the same instrument, which is now the only ROA spectrometer in the world on which both kinds of measurements are possible. In particular, the forward scattering mode was used for the first time to record high quality ROA spectra of biologically relevant compounds. Forward scattering seems to feature interesting advantages, such as a general simplification of the spectra and a reduced sensitivity to the influence of solvent molecules. The ROA community will certainly benefit from that first implementation of SCP(0). Furthermore, the range of measuring conditions has been extended thanks to the development of a temperature regulated sample holder, which accepts all our measurement cells, in particular those based on disposable capillaries. These technical advances made it possible to measure for the first time 2,2- dimethylpropane (neopentane) and its deuterated homologue at 0◦C, both of which are gases at room temperature. An interesting isotopomer of these latter compounds, chiral by isotopic substitution, is (R)-[2H1,2H2,2H3]-neopentane. A complete analysis of the vibrational optical activity measurability of this compound has been achieved. Within Td symmetry, this molecule is considered as a chiral archetype, as its chirality arises solely by the mass distribution of its nuclei, while its electron distribution is completely achiral. The careful simulation of its ROA spectra, by the use of approximated line shapes of the Voigt type, and by taking into account the different bandwidths of isotropic and anisotropic bands, showed that our spectrometer should be the only apparatus in the world capable to determine the absolute configuration of (R)-[2H1,2H2,2H3]-neopentane, despite extensive cancellation and compensation effects due to the presence of 9 rotamers. The synthesis of this compound is in progress and we hope to confirm our simulations in a near future.