WO2007048924A1 - Procede de greffage de molecules d'interet sur des surfaces inorganiques, surfaces obtenues et applications - Google Patents
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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-
- H—ELECTRICITY
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Definitions
- silicon surfaces are often coated with an oxide layer having insulating properties. Few examples involve a grafting on silicon directly. Gold graft directly on silicon can have advantages, such as avoiding the presence of an oxide layer that widens the dimensions of the device, or that may screen the semiconductor silicon molecule.
- the surfaces of native silicon are also of major interest in the field of electronics and methods other than those previously exposed have been developed to modify them.
- the grafting method according to the invention is applicable to silicon semiconductor substrates having surface hydride (Si-H) functions.
- Silicon wafers (known as "wafers") are readily available.
- the silicon surfaces are advantageously Si (100) or Si (111) surfaces.
- the contact angle of the surface thus prepared is 68-70 °.
- MIR spectra infrared surface multireflection
- native surface native oxide - Figure 1: fine line
- activated surface HF 5%
Landscapes
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Abstract
La présente invention est relative à un procédé de greffage de molécules d'intérêt sur un substrat de silicium par l'intermédiaire d'un composé espaceur, ledit greffage mettant en œuvre au moins une réaction de chimie clic, plus connue sous le terme anglais de 'click chemistry', aux supports ainsi obtenus et à leurs applications dans les domaines des nano et nanobio technologies, comme l'électronique moléculaire, la fabrication de biopuces ou encore de capteurs.
Description
PROCEDE DE GREFFAGE DE MOLECULES D'INTERET SUR DES SURFACES INORGANIQUES, SURFACES OBTENUES ET APPLICATIONS
La présente invention est relative au greffage de molécules d'intérêt sur un substrat inorganique, en particulier de silicium, par l'intermédiaire d'un espaceur, ledit greffage mettant en œuvre au moins une réaction de chimie clic, plus connue sous le terme anglais de "click chemistry", aux surfaces ainsi greffées et à leurs applications dans les domaines des nano et nanobio technologies, comme l'électronique moléculaire, la fabrication de biopuces ou encore de capteurs.
Les procédés de miniaturisation des composants électroniques atteignent aujourd'hui leurs limites et un grand effort est déployé afin de trouver une ou plusieurs techniques permettant de diminuer la taille des composants actuels, qui semblent devenir obsolètes. C'est pourquoi, des systèmes au fonctionnement complètement différent doivent être proposés.
Les travaux effectués dans le domaine de l'électronique moléculaire vont dans ce sens, et de nombreuses recherches sont lancées afin de développer de nouveaux dispositifs de microélectronique "tout moléculaire" ou "hybrides" (par exemple : silicium / molécules organiques). Par ailleurs, suite à ces nombreux travaux menés en parallèle, ces nouvelles approches de miniaturisation trouvent également d'autres domaines d'applications comme les biotechnologies. En effet, en plus de répondre à la question de la miniaturisation des composants électroniques, ces nouveaux systèmes pourraient permettre, ou seraient adaptables à, la fabrication d'imageurs médicaux, de récepteurs, ou encore de transporteurs moléculaires de tailles nanoscopiques pouvant être ingérés par le patient.
Ces nouveaux dispositifs nécessitent très souvent l'ancrage d'une molécule ou d'un élément de taille nanométrique sur une surface afin d'utiliser le système sous une forme totalement solide. Les surfaces de silicium sont très utilisées lors des travaux de recherches actuels car les propriétés de ce matériau sont connues notamment grâce à l'utilisation qui en est faite dans le domaine de l'électronique.
Depuis une dizaine d'années, ce domaine est en pleine expansion et l'on peut répertorier plusieurs techniques de greffage. Certaines sont directes, d'autres indirectes, c'est-à-dire qu'après la phase de préparation de la surface, le greffage de la molécule souhaitée nécessite encore une ou plusieurs étapes. Les surfaces étudiées
sont nombreuses : l'or, la silice (SiO2), le silicium, le graphite, le platine. La spécificité de chaque technique de greffage repose sur le matériau sur lequel est tentée l'expérience ainsi que sur le nombre d'étapes effectuées et sur la chimie employée.
Dans le domaine de l'électronique, les surfaces de silicium sont souvent recouvertes d'une couche d'oxyde possédant des propriétés isolantes. Peu d'exemples impliquent un greffage sur silicium directement. Or greffer directement sur silicium peut avoir des avantages, comme éviter la présence d'une couche d'oxyde qui élargit les dimensions du dispositif, ou qui risque d'écranter la molécule du silicium semi-conducteur. Les surfaces de silicium natif sont par ailleurs d'un intérêt capital dans le domaine de l'électronique et des méthodes autres que celles exposées précédemment ont été développées pour les modifier.
C'est ainsi que certains auteurs, tels que Menzel H. et al, Langmuir, 1997, 13(4), 723-728, proposent une méthode de modification d'une surface de silicium par du polyglutamate à l'aide d'un espaceur. La surface doit tout d'abord être nettoyée par différents traitements qui génèrent des liaisons Si-OH superficielles, puis l'espaceur, un bromoalcane trichlorosilylé, est ancré par l'intermédiaire de liaisons Si-O-Si avec la surface. Le traitement de la surface ainsi obtenue avec une solution de NaN3 permet de substituer des azotures aux atomes de brome, lesdits azotures étant ensuite réduits au LiAlH4. Cette dernière réaction permet d'obtenir une surface hydrosilylée recouverte par des aminoalcanes. Le N-carboxyanhydride benzylglutamate est alors greffé par réaction avec les groupements NH2 terminaux sur la surface. Le taux de recouvrement de la surface a été estimé à 20-40 %. Cette méthode reste cependant relativement restreinte de par la préparation laborieuse de la surface ainsi que par le nombre d'étapes nécessaires pour réaliser l'ancrage du polyglutamate.
Les surfaces de silicium natif, outre un nettoyage, peuvent subir des étapes de préparation avant le greffage des composés d'intérêt. Ainsi, Effenberger F. et al, Langmuir, 2004, 20(24), 10375-10378, décrivent une méthode de greffage consistant à modifier une surface de silicium pour y ménager des groupes hydroxyle libres qui réagissent avec des trichlorosilanes ; la méthode est illustrée par le greffage d'esters à longue chaîne qui sont stables dans les conditions de réaction. Les fonctions
ester sont ensuite réduites en alcool puis, après réaction avec du phosgène, les chloroformâtes correspondants sont obtenus. Une réaction de substitution du chlore en présence de NaN3 est alors effectuée pour conduire à Pazidoformate correspondant. L'exposition aux radiations UV de cette surface conduit à l'élimination d'azote pour former une surface terminée par un carbamate. Une autre modification envisageable est une substitution nucléophile sur le carbamate électrophile par une molécule aminée. Selon cette méthode, on obtient, une surface activée, qu'il est ensuite possible de faire réagir avec des molécules d'intérêt ayant des fonctions susceptibles de s'additionner sur les aminés ou les carbamates. Ce protocole, proche de celui proposé par Menzel H. et al. (précité) est cependant délicat à mettre en œuvre car il nécessite l'utilisation de phosgène et représente un nombre important d'étapes. Par ailleurs, la fonctionnalisation proposée, bien que pouvant aboutir à deux résultats différents, ne permet pas de greffer des molécules très variées en dehors des aminés. Le taux de recouvrement est estimé à 73-78 %. D'autres auteurs, tels que Sudhôlter E. J. R. et al., (Langmuir, 1999,
15(23), 8288-8291), proposent une méthode thermique de fonctionnalisation de surface à l'aide d'hexadécène. Les conditions opératoires, particulièrement la haute température, impliquent l'utilisation de solvants particuliers. Ces conditions, relativement drastiques, ne paraissent pas compatibles avec des groupements labiles ou instables et n'offrent pas de perspective à cette méthode. Les auteurs évoquent un second procédé qui nécessite une modification de la surface de silicium natif par substitution des atomes d'hydrogène présents par des atomes de chlore ou de brome. La surface modifiée désirée est alors obtenue par réaction d'un organomagnésien ou d'un organolithien. Les taux de recouvrement ne sont pas indiqués. Afin d'immobiliser des molécules d'ADN, Wayner D. D. M. et ah,
Langmuir, 2004, 20(26) 11713-11720, ont montré qu'il était possible de greffer l'acide undécènoïque sur une surface de silicium sous irradiation UV. La surface, ainsi terminée par une fonction acide carboxylique, est alors activée à l'aide de la N-hydroxysuccinimide (NHS) en présence de N-éthyl-N'-(3-diméthylamino-propyl) carbodiimide, afin de réagir avec un ADN simple brin portant un groupe 5'-dodécylamine. Le taux de recouvrement n'est pas spécifié par les auteurs.
He J., et al, Chem. Phys. Lett, 1998, 286, 508-514 décrivent une méthode de fonctionnalisation selon laquelle des molécules de thiophène sont greffées sur une surface de Si (111). Selon cette méthode, il est d'abord effectué une réaction de bromation avec de la N-bromosuccinimide ou du bromochloroforme, en utilisant du benzoylperoxide comme initiateur radicalaire. On obtient ainsi une surface réactive ayant des liaisons Si-Br superficielles. Toujours selon cette méthode, il est ensuite effectué une réaction d'alkylation entre les liaisons superficielles et un organolithien, le thiophène lithié. Ainsi, le thiophène est immobilisé sur Si par l'intermédiaire d'une liaison Si-C. Ce type de chimie de surface peut également se faire en faisant une chloration de la surface, et en utilisant un organomagnésien à la place d'un organolithien pour la réaction d'alkylation.
Linford et al., dans Langmuir, 2005, 2093-2097, ont exploré la réaction de chlorure d'acide à chaîne longue sur des surfaces de silicium activées particulières ("scribed silicon"). Les auteurs montrent que les chlorures d'acide réagissent directement avec ces surfaces de silicium pour conduire à leur alkylation. Néanmoins, il semble que des réactions secondaires aient également lieu et il se forme ainsi des produits secondaires du type Si-C(O)-R ou Si-O-C(O)-R. Les conditions opératoires sont déterminantes dans cette procédure et les auteurs estiment que le taux de recouvrement est compris entre 20 et 60 %. Les molécules d'intérêt sont ici greffées sur la surface de façon aléatoire. Selon les méthodes de greffage exposées précédemment, les surfaces sont soit fonctionnalisées directement par les molécules d'intérêt, soit fonctionnalisées indirectement. Dans ce dernier cas, après l'ancrage d'une première molécule, une réaction secondaire a lieu à la surface entre la fonction terminale de la molécule immobilisée, et la fonction terminale de la molécule d'intérêt. Parmi les types de réactions secondaires mises en œuvre, à la surface, on peut notamment citer les hydrolyses d'ester, la réduction d'ester et leur clivage, la formation d'ester, l'activation de liaisons terminales C-H suivie par la formation d'amide ou de sulfonamide, ou encore la polymérisation. Ces réactions secondaires sont intéressantes, mais ont parfois des rendements moyens. A la lecture des méthodes présentées ci-dessus, il apparaît que le greffage de molécules d'intérêt présente un certain nombre d'inconvénients et peut être encore amélioré notamment en ce qui concerne le nombre d'étapes nécessaires au
greffage, la chimie employée lors des réactions secondaires ainsi que la variété des molécules susceptibles d'être greffées.
Les Inventeurs se sont donc donnés pour but d'élaborer une méthode de greffage de molécules d'intérêt sur des surfaces inorganiques qui soit efficace et facile à mettre en œuvre, notamment dans le processus de fabrication de surfaces modifiées, qui pourront ensuite être employées selon les désirs de l'utilisateur. L'utilisation de la chimie clic, plus largement connue sons la dénomination anglophone de "click chemistry", récemment définie par Sharpless K. B. et al. (Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 2004-2021) a permis aux Inventeurs de mettre au point une telle méthode.
Les Inventeurs proposent donc dans cette demande un procédé de greffage covalent d'au moins une molécule à la surface d'un substrat inorganique portant au moins un espaceur, en mettant en œuvre une réaction de "click chemistry". Ainsi que cela a été amplement décrit dans l'article de Sharpless K. B. et al. (précité) la "click chemistry" correspond aux réactions conduisant à la formation d'au moins une liaison covalente entre un atome de carbone et un hétéroatome dans des conditions opératoires simples à mettre en œuvre et où la présence d'eau ou d'oxygène n'a généralement pas d'influence sur le déroulement de la réaction. Ces réactions s'effectuent parfois sans solvant ou en présence d'un solvant non polluant (tel que l'eau) ou aisément éliminable. Le produit désiré est facilement isolable et obtenu avec de bons rendements, sans formation de sous-produits gênants. De manière plus générale, il est reconnu que ce type de réaction a, en outre, une force motrice supérieure à 20 kcal.mol" . Dans ce type de réaction, la mise en présence de deux substrats principaux, dont les fonctions "réactives" sont complémentaires, conduit efficacement au produit désiré.
Parmi les principales réactions de "click chemistry" on peut notamment citer :
- les cycloadditions d'espèces insaturées, comme les cycloadditions 1,3-dipolaires ou les réactions de type Diels- Aider (hétéro Diels Aider incluses), - les substitutions nucléophiles, notamment les ouvertures d'hétérocycles électrophiles contraints comme les époxydes, les aziridines, les ions aziridinium et les ions épisulfonium,
- les réactions sur les carbonyles, en dehors de la chimie des aldols, telles que notamment la formation des urées, thio-urées, hétérocycles aromatiques, éther oximes, hydrazones et amides,
- les réactions d'addition sur des liaisons carbone- carbone multiples, notamment les oxydations, comme l'époxydation, la dihydroxylation, l'aziridination, l'addition d'halogénure de sulfényle et les additions de type Michaël.
La "click chemistry" est très utilisée pour fonctionnaliser des molécules biologiques. En effet, les conditions opératoires douces (par exemple : réaction à température ambiante en utilisant de l'eau comme solvant de la réaction) liées au rendement très élevé de ces réactions sont très bien adaptées pour traiter les molécules fragiles. Ces avantages font également penser que d'autres molécules pourraient également réagir aussi bien dans des conditions similaires.
La présente Invention a donc pour premier objet un procédé de greffage covalent d'au moins une molécule d'intérêt à la surface d'un substrat de silicium comportant des fonctions hydrure de surface, ledit substrat portant au moins un espaceur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
(a) une première étape d'ancrage covalent, à la surface dudit substrat, d'au moins un composé espaceur de formule générale (I) suivante :
(X)n-E-(Y)n, (I) dans laquelle :
-E représente un groupement choisi parmi les radicaux alkyle et aryle,
-X représente une double liaison C=C,
-Y représente un groupe fonctionnel terminal choisi parmi les doubles et triples liaisons entre deux atomes de carbone, les triples liaisons entre un atome de carbone et un atome d'azote, les aziridines, les chlorures d'acyle et leurs fonctions complémentaires azotures et aminés, ledit groupe fonctionnel étant susceptible de réagir avec au moins un groupe fonctionnel Z complémentaire porté par une molécule d'intérêt dans une réaction conduisant à la formation d'une liaison covalente entre un atome de carbone et un hétéroatome appartenant respectivement et indifféremment aux groupes fonctionnels Y et Z (réaction de "click chemistry"),
- m et n, indépendamment l'un de l'autre, sont des nombres entiers compris entre 1 et 3 inclusivement,
(b) une deuxième étape de couplage covalent audit composé espaceur de formule (I) ainsi ancré à la surface dudit substrat, d'au moins une molécule d'intérêt par formation, selon une réaction de chimie clic ("click chemistry"), d'au moins une liaison covalente de type -C-Het- dans laquelle Het est un hétéroatome, par réaction d'au moins un groupe fonctionnel Z porté par ladite molécule d'intérêt et choisi parmi les doubles et triples liaisons entre deux atomes de carbone, les triples liaisons entre un atome de carbone et un atome d'azote, les aziridines, les chlorures d'acyle et leurs fonctions complémentaires azotures et aminés, et d'au moins un groupe Y dudit composé espaceur de formule (I), Z et Y étant aptes à former ensemble ladite liaison covalente.
Au sens de la présente invention, l' "ancrage" se réfère à l'immobilisation d'un composé espaceur de formule (I) sur une surface de silicium portant des fonctions hydrure de surface par l'intermédiaire d'une liaison covalente. Le terme "couplage" décrit la réaction entre au moins un groupe fonctionnel terminal Y (non immobilisé) du composé espaceur de formule (I) et au moins un groupe fonctionnel Z complémentaire de la molécule d'intérêt. Le "greffage" décrit l'ensemble de ces deux actions. Ainsi, la molécule d'intérêt est greffée sur la surface du substrat inorganique suite à l'ancrage du composé espaceur de formule (I) conforme à l'Invention, suivi du couplage de la molécule d'intérêt et de ce composé espaceur par une liaison covalente de type -C-Het-, selon une réaction de chimie clic ("click chemistry").
Selon l'Invention, le radical alkyle défini pour E est de préférence un radical comportant de 1 à 20 atomes de carbone, non substitué ou éventuellement mono- ou polysubstitué, linéaire, ramifié ou cyclique, saturé ou insaturé. Lorsqu'ils sont mono ou polysubstitués, le ou les substituants de ces radicaux alkyle sont de préférence choisis parmi les atomes d'halogène, les groupements hydroxyle, amino, carboxyle, alkyle en C1 à Ci0, aryle substitué ou non, lesdits substituants pouvant eux- mêmes contenir un ou plusieurs atomes d'halogène tels que F ou Cl et/ou un ou plusieurs hétéroatomes tels que N, O, P, Si et S conduisant ainsi par exemple à des groupements alcoxy en C1-C10 tel que par exemple les groupements méthoxy et
éthoxy ; éther-oxyde ; aryloxy ; aminoalkyle en C1-C1O ; aminoaryle ; hydroxyalkyle en C1-Ci0 , ' hydroxyaryle ; thioalkyle en C1-C1O comme par exemple le groupement mercapto ; cyano ; céto ; halogénoalkyle en C1-Ci0 ; hétéroalkyle en Ci-C10 ; halogénoaryle et hétéroaryle. Parmi de tels radicaux alkyle saturés et non substitués, on peut en particulier citer les radicaux méthyle, éthyle, propyle, isopropyle, butyle, isobutyle, tert-butyle et pentyle.
Parmi les radicaux alkyle insaturés et non substitués, on peut en particulier citer les éthényles, propényles, isopropényles, butényles, isobutényles, tert- butényles, pentényles et acétylényles.
Selon l'Invention, le radical aryle défini pour E est de préférence une structure carbonée aromatique ou hétéroaromatique, éventuellement mono- ou polysubstituée, constituée d'un ou plusieurs cycles aromatiques ou hétéroaromatiques, le ou les hétéroatomes pouvant être choisis parmi N, O, P, Si et S. Selon une forme de réalisation particulière de l'Invention, et lorsque les radicaux alkyle ou aryle sont polysubstitués, les substituants peuvent être différents les uns des autres. Parmi les substituants des radicaux alkyle et aryle, on peut notamment citer les atomes d'halogène, les groupes alkyle, halogénoalkyle, aryle substitués ou non, hétéroaryle substitués ou non, amino, cyano, azido, hydroxy, mercapto, céto, carboxy, éther-oxyde et alcoxy tel que par exemple méthoxy.
Selon l'Invention, E est de préférence choisi parmi les radicaux alkyle et aryle, plus préférentiellement parmi les radicaux alkyle tels que définis précédemment, encore plus particulièrement parmi les radicaux alkyle en C1 à C20, préférentiellement non ramifiés afin de ne pas avoir de gène stérique lors de l'ancrage avec des structures déjà ancrées et obtenir un taux de recouvrement acceptable.
Le procédé de greffage selon l'Invention s'applique aux substrats semi-conducteurs de silicium comportant des fonctions hydrure de surface (Si-H). Les plaquettes de silicium (connues sous le terme anglophone de "wafers") sont facilement disponibles. Les surfaces de silicium sont avantageusement des surfaces de Si(IOO) ou de Si(111).
Selon une forme de réalisation préférée de l'Invention, le procédé de greffage comprend en outre une étape de préparation de la surface, préalable à
l'ancrage des composés espaceurs de formule (I), afin de maximiser la quantité de liaisons Si-H de surface et de diminuer l'éventualité de l'apparition d'une couche d'oxyde. Dans ce cas, l'étape de préparation consiste avantageusement à décaper la surface avec une solution d'un acide faible telle que par exemple une solution d'acide fluorhydrique. Cette étape peut être optimisée en observant les vibrations infrarouges des liaisons Si-H et Si-O après décapage de plusieurs surfaces avec des solutions d'acide fluorhydrique de concentrations différentes afin de choisir la concentration conduisant au meilleur résultat. Les surfaces sont ensuite de préférence rincées à l'eau déminéralisée. Les composés espaceurs de formule générale (I) s'ancrent à la surface du substrat par au moins un groupe fonctionnel X. En fonction de la valeur de n, les composés espaceurs de formule (I) peuvent comporter plusieurs groupes fonctionnels X. Cependant, selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'Invention, on utilise des composés espaceurs de formule (I) dans lesquels n = 1, c'est-à-dire ne comportant qu'un seul groupe fonctionnel X pour amoindrir la gêne stérique.
Selon l'Invention, l'ancrage des composés espaceurs de formule (I) sur la surface d'un substrat de silicium lors de l'étape (a) se fait par l'intermédiaire d'une liaison Si-C, celle-ci étant particulièrement forte et stable. L'étape (a) d'ancrage est donc une réaction d'hydrosilylation entre la surface d'un substrat de silicium portant des fonctions hydrure (-Si-H) et au moins un composé espaceur de formule (I) et la fonction C-C du ou des groupes fonctionnels X. Cette réaction est de type radicalaire et peut-être initiée thermiquement, photochimiquement, électrochimiquement ou catalytiquement. Selon l'Invention, les initiations photochimique et thermique sont préférées ; avantageusement on utilisera l'initiation photochimique puisqu'elle implique l'utilisation de conditions douces et adaptées à la manipulation de molécules thermo sensibles. Par ailleurs, cette forme d'initiation permet d'utiliser de moins grandes quantités de produit.
De manière préférée, le groupe fonctionnel Y des composés espaceurs de formule (I) représente une fonction azoture, alcyne ou nitrile.
Selon l'Invention, le procédé de greffage décrit ci-dessus permet de greffer des molécules d'intérêt variées. De manière préférée, Z est un groupe
fonctionnel portant au moins un carbone hybride sp, de préférence un groupe C≡C (obtenu par couplage Sonogashira par exemple) ou C≡N ; le groupe fonctionnel Z peut également être un groupe azoture qui est le partenaire complémentaire privilégié dans une réaction de "click chemistry" avec un alcyne ou un nitrile. Avantageusement la molécule d'intérêt porte de un à quatre groupes fonctionnels Z, et de préférence un seul.
Parmi les couples complémentaires entre le ou les groupes fonctionnels Y des composés espaceurs de formule (I) et le ou les groupes fonctionnels Z des molécules d'intérêt, on peut donc mentionner : - les couples alcyne ou nitrile (groupe Y) / azoture (groupe Z) ;
- les couples azoture (groupe Y) / alcyne ou nitrile (groupe Z) ;
Un couple particulièrement préféré selon l'Invention est le couple azoture (groupe Y) / alcyne (groupe Z).
Parmi les composés espaceurs de formule (I) ci-dessus, on peut en particulier citer ceux dans lesquels :
- n ≈ l ;
- E représente un radical alkyle en C6 à Cj2 ;
- Y représente un azoture et m = 1.
Parmi de tels composés figurent notamment, T azoture d'hexényle, l'azoture d'heptényle, l'azoture d'octényle, l'azoture de nonadécényle, l'azoture de décényle, l'azoture d'undécényle et l'azoture de dodécényle.
Les composés espaceurs de formule (I) utilisés selon le procédé conforme à l'Invention peuvent être facilement préparés selon les méthodes de synthèse classiques utilisables par l'homme du métier, par exemple en utilisant les procédés de synthèse décrits par Scriven E et al. (Chemical Reviews, 1998, 88(2),
297-368) ou par Alvarez S. G. étal (Synthesis, 1997, 413-414).
Selon l'Invention, l'étape (b) de couplage covalent entre le composé espaceur de formule (I) et la molécule d'intérêt (réaction entre les groupes Y et Z) est de préférence une réaction de 1,3-cycloaddition entre un dipôle, qui peut être par exemple un groupe azoture N3, et un dipolarophile, qui peut être par exemple :
- soit un groupe alcyne ; la réaction conduisant dans ce cas à un triazole,
- soit un groupe nitrile ; la réaction conduisant dans ce cas à un tétrazole, le groupe Y étant, dans ce cas, de préférence, le dipôle. Lorsque le dipolarophile est un alcyne, il est préférable qu'il soit terminal pour être accessible. Le couplage covalent à l'espaceur, obtenu en (a), d'au moins une molécule portant au moins un groupe Z peut se faire en présence d'un catalyseur.
Dans le cas d'un couplage par 1,3 -cycloaddition, et notamment 1,3-cycloaddition de Huisgen, il est recommandé d'utiliser un catalyseur métallique, avantageusement un métal de transition et particulièrement du Cu1. On peut en effet distinguer deux sortes d'alcynes et de nitriles utilisables à titre de groupe fonctionnel Y ou Z.
La première sorte est constituée par les dipolarophiles ayant un groupement attracteur d'électrons qui sont dits "activés" et qui réagissent facilement avec le dipôle. Ces alcynes ou nitriles "activés" peuvent parfois réagir avec Pazoture de façon quasi-quantitative en absence de catalyseur.
La deuxième sorte est constituée par des alcynes et nitriles dits "non- activés" pour lesquels les réactions de cycloadditions, et en particulier de 1,3-cycloaddition de Huisgen, les mettant en œuvre nécessitent une activation préalable par action d'un catalyseur, de préférence en complément d'une base. A titre d'exemple, on peut notamment utiliser un catalyseur cuivrique Cu1 généré in situ, par réaction d'une source de Cu11, telle que (CuSO4, 5 H2O), et d'une base telle que l'ascorbate de sodium, qui réduira le Cu11 en Cu1. Si le solvant est aqueux,- cette approche est favorisée. Dans le cas des alcynes non activés, l'ajout d'une base est recommandé pour faciliter la perte du proton de l' alcyne et ainsi favoriser le démarrage de la réaction. En effet, le mécanisme envisagé pour cette réaction passe par un cycle où la base déprotorrne l'alcyne et l'acétylure de cuivre est alors formé. L'acétylure réagit ensuite avec l'azoture. On obtient ainsi la formation du nouveau ligand dérivé de triazole. Ce nouveau complexe perd alors Cu1. Le catalyseur est régénéré et le produit final est obtenu. Bien que les réactions de "click chemistry", et en particulier de
1,3-cycloadditions, soient assez peu sensibles au solvant de la réaction, l'utilisation de solvants polaires peut les faciliter. Ainsi, l'étape (b) de couplage covalent est de
préférence réalisée en présence d'au moins un solvant polaire pouvant être notamment choisi parmi l'eau, les alcools, l'acétone, l'acétonitrile, le diméthylformamide (DMF), et leurs mélanges.
Le procédé de greffage conforme à la présente Invention permet de greffer tout type de molécule d'intérêt comportant, naturellement ou après modification, au moins un groupe fonctionnel Z tel que décrit précédemment, et apte à réagir avec au moins un groupe fonctionnel Y des composés espaceurs de formule (I) selon les conditions précisées ci-dessus.
Au sens de la présente Invention, on entend par molécule d'intérêt, tout élément de taille nanométrique, c'est-à-dire présentant au moins une dimension à l'échelle de longueur nanométrique (avantageusement comprise entre 1 et 100 nanomètres). Cet élément peut notamment être une molécule organique ou inorganique, un agrégat ou un cluster, un assemblage supramoléculaire, un nanofil, un nanocristal, etc. Avantageusement les molécules d'intérêt pouvant être greffées selon le procédé de l'Invention, sont des molécules multistables, le. possédant plusieurs minima énergétiques séparés par des barrières d'activation. Ainsi, les molécules d'intérêt peuvent passer d'un état à l'autre de manière réversible ou irréversible. Parmi les molécules d'intérêt multistables, on peut en particulier citer les molécules électroactives qui existent sous plusieurs états redox, les dérivés de spiropyrranes photosensibles, les composés photo-isomérisables du type azobenzène, etc....
Les molécules d'intérêt pouvant ainsi être greffées selon le procédé conforme à la présente Invention sont de préférence des molécules organiques choisies parmi les biomolécules telles que les molécules d'acide nucléique telles que I1ADN et l'ARN ; les nucléotides ; les oligonucléotides ; les protéines ; les peptides ; les sucres ou les polysaccharides ; les porphyrines telles que la tétrakis [méso(4-éthynylphényl)porphyrine, la 1,10-(4-éthynylphényl)5 , 15-
(4-mésityl)porphyrine et la l-(4-éthynylphényl)5,10,15-(4-mésityl)porphyrine) dont la présence sur une surface est particulièrement utile dans le domaine de l'électronique moléculaire ; les composés présentant une isomérie cis-trans tels que les dérivés des diaryléthylènes, des spiropyrannes, des spiroxazines, des fulgides ou de l'azobenzène
dont la présence sur une surface est particulièrement utile pour la fabrication d'interrupteurs moléculaires photocontrolés.
Le procédé de greffage conforme à l'Invention présente de multiples avantages au regard de l'art antérieur. En plus de la phase de préparation de la surface, les techniques de greffage actuelles comprennent un nombre d'étapes conséquentes et souvent laborieuses, contrairement au procédé de greffage conforme à la présente
Invention qui n'implique qu'un nombre limité d'étapes.
D'une manière générale, le taux de recouvrement global est lié aux rendements de la première étape (a) d'ancrage et de la seconde étape (b) de couplage. Compte tenu de la nature particulière du support (silicium), le procédé de greffage conforme à la présente Invention autorise la mise en œuvre de réactions de hauts rendements, comme l'hydrosilylation d'un alcène sur une surface de silicium, et comme la cycloaddition de Huisgen qui est une réaction de "click chemistry" quasi- quantitative. Le recouvrement global obtenu est donc très important. Le procédé, objet principal de l'Invention, permet un greffage sur un substrat de silicium, en seulement deux étapes grâce à la click chemistry. Il est adaptable à différentes molécules portant les fonctions terminales adéquates, et permet de greffer facilement les molécules étudiées sur une surface de silicium. Les avantages de la présente Invention pourront être exploités par des industriels de différents domaines, comme la microélectronique, les biotechnologies ou encore l'industrie de l'environnement. Les propriétés des molécules greffées différencieront les domaines intéressés puisque ce sont elles qui définissent le champ d'application conféré à la surface.
La présente Invention a donc également pour objet les supports de silicium comportant au moins une surface fonctionnalisée par au moins une molécule d'intérêt, lesdits support étant susceptibles d'être obtenus en mettant en œuvre le procédé de greffage tel que défini ci-dessus.
Ces supports sont caractérisés par le fait qu'ils comportent au moins une surface de silicium ayant des fonctions hydrure de surface, sur laquelle est greffée, de façon covalente, au moins une molécule d'intérêt par l'intermédiaire d'au moins un composé espaceur de formule (I) suivante :
(X)n-E-(Y)111 (I)
dans laquelle X, Y, E, n et m ont la même signification que précédemment indiqué et dans lequel le ou les groupements fonctionnels Y sont engagés dans une liaison covalente -C-Het avec au moins un groupe fonctionnel Z complémentaire porté par ladite molécule d'intérêt. L'ensemble des molécules d'intérêt ainsi greffées à la surface du support par l'intermédiaire des composés espaceurs de formule (I) forme un film particulièrement stable et robuste, notamment parce que l'ancrage des composés espaceurs de formule (I) sur la surface du support est assuré par une liaison Si-C.
Ces films se présentent sous la forme d'une couche monomoléculaire. En effet, certaines techniques de greffage actuelles, engageant des réactions radicalaires, conduisent à la formation de dépôt de multi-couches de molécules sur la surface. Le contrôle de ces réactions, dans le but de restreindre ce dépôt à une monocouche, n'est pas encore bien connu. Dans le cadre de l'Invention, même si le greffage des composés espaceurs de formule (I) se fait par une réaction radicalaire, celle-ci ne peut pas aboutir à la formation de polymère. Ainsi, la réaction ne se fait que sur les sites superficiels disponibles conduisant donc à la formation d'une couche monomoléculaire.
Par ailleurs, dans le domaine des surfaces de silicium, la liaison Si-O est habituellement largement utilisée. Les énergies des liaisons Si-O et Si-C sont équivalentes et présentent donc une stabilité thermodynamique identique mais il existe une différence au niveau de la cinétique. La liaison Si-O est fortement polarisée et ainsi beaucoup plus sensible à l'hydrolyse acide ou basique que la liaison Si-C. Les surfaces mettant en jeu ces liaisons Si-O risquent donc de se dégrader plus rapidement. Par ailleurs, les surfaces obtenues par l'intermédiaire de liaisons Si-O sont souvent moins organisées car elles résultent de la réaction d'un siloxane multifonctionnel (RSi(OR')3 par exemple) susceptible de réagir avec la surface mais aussi avec une autre molécule en solution. Les couches obtenues par cette méthode sont difficilement monomoléculaires et le taux de recouvrement peut varier d'un échantillon à l'autre. Par contre, selon l'Invention, le support comporte une surface de silicium sur laquelle les composés espaceurs de formule (I) sont ancrés de façon covalente par l'intermédiaire d'une liaison -Si-C et forment un film monomoléculaire.
Cette forme de réalisation assure une très bonne stabilité. Ainsi, les surfaces obtenues pourront être conservées plus longtemps, sans risque de décomposition de la couche de molécules, et ne seront pas affectées par les conditions extérieures au dispositif. On peut facilement comprendre que cet avantage est très important si on veut transférer ce genre de surfaces dans les composés électroniques du futur.
En fonction de la nature des molécules d'intérêt couplées aux composés espaceurs de formule (I) (les acides nucléiques, les nucléotides, les oligonucléotides, les protéines, les peptides, les sucres et les polysaccharides, les porphyrines, les diaryléthylènes, les spiropyrannes, les spiroxazines, les fulgides et les azobenzènes), le support conforme à l'invention constitue respectivement une puce à acides nucléiques, une puce à nucléotides, une puce à oligonucléotides, une puce à protéines, une puce à peptides, une puce à sucres, une puce à polysaccharides, une puce à porphyrines, une puce à diaryléthylènes, une puce à spiropyrannes, une puce à spiroxazines, une puce à fulgides ou une puce à azobenzènes. Les supports conformes à l'Invention peuvent avantageusement être utilisés dans les domaines des nano et nano biotechnologies comme l'électronique, en particulier de l'électronique moléculaire, les biotechnologies et l'environnement.
L'utilisation des supports conformes à l'Invention dans le domaine de l'électronique moléculaire est très intéressante puisque le procédé de l'Invention permet de greffer des molécules bistables (multistables à deux minima) directement sur silicium. Dans la majorité des exemples cités, les molécules sont ancrées sur une couche de silice isolante. Cette couche d'oxyde aura toujours un rôle important dans le comportement du dispositif. Il est alors difficile de décrypter la relation directe entre le changement d'état de la molécule et les changements des propriétés semi- conductrices du silicium. D'ailleurs, si cette couche est trop épaisse les propriétés du matériau ne seront pas du tout affectées par le changement d'état des molécules et l'intérêt de les greffer sur cette surface sera perdu. Les molécules greffées multistables sont souvent des molécules électroactives qui existent sous plusieurs états redox ou des composés présentant une photoisomérisation cis-trans, tels que les dérivés des diaryléthylènes, des spiropyrannes, des spiroxazines, des fulgides ou de l'azobenzène. Ainsi modifiée, la surface devrait reproduire cette multistabilité qui sera le plus souvent avantageusement convertie en signal électrique. La fabrication de ce type de
surfaces est intéressante pour les industriels de la microélectronique dans leur quête de la miniaturisation des dispositifs existants. De plus, dans ce domaine, les molécules sont directement greffées sur silicium ce qui permettra d'étudier l'effet du basculement d'état des molécules multistables sur les propriétés semi-conductrices du Si. La fabrication de dispositifs d'électronique hybrides, comme des mémoires hybrides ou des transistors moléculaires, sera facilitée par ces surfaces.
Dans le domaine de la bio-industrie et notamment dans la confection des puces à acides nucléiques (ADN, ARN), la facilité de greffage du procédé objet de l'Invention sera mise à profit. En effet, la reconnaissance intermoléculaire entre une molécule greffée et une molécule en solution peut être caractérisable par fluorescence lorsque l'une des deux molécules a cette propriété, ou par un changement des propriétés semiconductrices du substrat lorsque les propriétés de la molécule greffée sont modifiées suite aux interactions spécifiques supramoléculaires (liaisons hydrogène, électrostatiques, π-π...) entre cette molécule et celle qui est en solution. Ainsi l'Invention permet la production de biopuces avec des molécules d'intérêt, qui pourront être utilisées par exemple pour détecter des anti-corps ou encore pour déterminer où se situent les lésions sur un brin d'ADN lésé...
Les supports conformes à la présente Invention peuvent également être utilisés à titre capteurs dans le domaine de l'environnement, notamment pour la recherche et/ou l'élimination de polluants. En effet, des surfaces réceptrices peuvent être préparées selon le procédé conforme à l'Invention de telle façon que dans un certain milieu une reconnaissance spécifique ait lieu entre une molécule d'intérêt greffée et un des différents polluants en solution. On pourra ainsi détecter et/ou éliminer sélectivement certains polluants. Outre les dispositions qui précèdent, l'Invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre, qui se réfère à des exemples de synthèse d'un composé espaceur de formule (I) et de molécules d'intérêt, à un exemple décrivant des réactions tests de cycloaddition en solution entre des composés espaceurs de formule (I) et des molécules d'intérêt et à un exemple de préparation d'un support fonctionnalisé par un composé espaceur de formule (I) couplé à une molécule d'intérêt, ainsi qu'aux figures 1 et 2 annexées dans lesquelles :
- la figure 1 représente les spectres Infra-Rouge de surface en multiréflexion (MIR) d'une surface de silicium native (trait fin) et de la même surface après régénération par de l'acide fluorhydrique (HF) (trait épais). A la suite de ce traitement la surface possède des groupements -Si-H réactifs ; - la figure 2 représente les spectres MIR d'une surface de silicium hydrogénée (trait fin) et de la même surface après fonctionnalisation par de l'azoture de undécényle.
Il doit être bien entendu toutefois que ces exemples sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'Invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation.
EXEMPLES
Les exemples qui suivent sont réalisés sur des surfaces de silicium. Il a été choisi d'immobiliser notamment une molécule électroactive aromatique dérivée d'hétérocycles. Il s'agit d'une métalloporphyrine ayant quatre triples liaisons C≡C terminales. Celle-ci est greffée par l'intermédiaire d'un espaceur ayant une chaîne aliphatique de onze atomes de carbone. La réaction de "click chemistry" mise en œuvre lors du procédé est une cycloaddition entre un groupe alcyne sur la métalloporphyrine et le groupe azoture de l' espaceur.
EXEMPLE 1 : SYNTHESE D'UN COMPOSE ESPACEUR DE FORMULE (I) : l'azoture de undécényle
Dans cet exemple on a préparé un composé espaceur de formule (I) : l'azoture de undécényle de formule (Ij) suivante :
Pour ce faire, de l'azoture de sodium (2,781 g, 43 mmoles) a été dissous dans 170 ml de diméthylformamide (DMF). 5 ml de bromure d'undécényle
(36 mmoles) ont été ajoutés, sous agitation, au milieu réactionnel, qui a ensuite été chauffé à 8O0C pendant 24 heures. Le mélange a été mis à refroidir jusque la température ambiante, puis, 100 ml d'eau ont été ajoutés par portions. On a ensuite procédé à une extraction avec de l'éthanol (3 x 100 ml) puis la phase organique a été lavée avec de l'eau (3 x 100 ml) et séchée sur sulfate de sodium (Na2SO4). Enfin, le
solvant a été évaporé et 2,58 g d'azoture de undécényle (20,3 mmoles ; rendement 60 %) ont été isolés sous la forme d'une huile transparente de couleur jaune pâle. EXEMPLE 2 : SYNTHESE DE MOLECULES D'INTERET
Dans cet exemple on a synthétisé plusieurs molécules d'intérêt. Elles dérivent d'un noyau central de type porphyrine. Ces molécules ont été choisies car elles présentent un intérêt dans plusieurs domaines d'application de l'Invention. Le cœur porphyrinique, permettant la complexation de métaux, est d'un intérêt majeur dans des applications à la biologie ou au domaine de l'environnement. De plus, les métalloporphyrines présentant plusieurs états redox, celles-ci ont un grand potentiel en électronique et photo-électronique.
1) Synthèse de Ia tétrakis (4-triméthyIsiIyIéthynylephényl) porphyrine (TEPP Protégée) (1) :
Cette molécule peut être représentée par la formule (1) suivante :
Une solution de 700 mg (0,7 mmole) de TEPP Protégée (1) obtenue ci-dessus dans 500 ml d'un mélange chloroforme/tétrahydrofurane (THF) (1/1 v/v) a été refroidie dans un bain d'azote liquide et d'acétone à une température comprise entre - 30 et - 50°C puis une solution à 1 mol/1 de fluorure de tétrabutylammonium (TBAF) dans le THF (259 mg, 0,99 mmol dans 1 ml) a été ajoutée au mélange réactionnel qui a ensuite été agité pendant 20 heures. La remontée en température n'a pas été contrôlée. Le solvant a ensuite été évaporé et la porphyrine déprotégée (2) a été obtenue sous la forme d'une poudre violette (747 mg, 1,05 mmoles). 3) Synthèse de Ia tétrakis (4-éthynyIephényI)-porphyrine de fer (FeCI-TEPP) (3) :
Une solution de FeCl3, 4 H2O (4,56 g ; 28,13 mmoles) dans le DMF (100 ml) a été ajoutée par portions à une solution de 1 g (1,4 mmoles) de porphyrine TEPP (2), telle qu'obtenue ci-dessus à l'étape précédente, dans 400 ml de DMF et
l'ensemble a été mis à reflux pendant 24 heures. 10 ml de 2,6-lutidine ont alors été ajoutés, et le reflux a été repris pour 48 heures. Le chauffage a été arrêté et le solvant évaporé sous pression réduite. Le résidu a été repris dans 50 ml d'eau et agité pour éliminer un maximum de sels et de TBAF, puis filtré sur papier. Le résidu a été dissous dans 100 ml de chloroforme et la phase organique lavée avec une solution aqueuse saturée en chlorure de sodium (3 x 100 ml) pour s'assurer que le ligand axial du fer est un atome de chlore. La phase organique a ensuite été séchée sur sulfate de sodium et le solvant a été évaporé. La tétrakis (4-éthynylephényl)-porphyrine de fer (FeCl-TEPP) (3) (813 mg ; 1,02 mmoles ; rendement : 73 %) a été obtenue sous la forme d'une poudre de couleur violet/noir, et marron en solution dans le chloroforme. 4) Synthèse de Ia tétrakis (4-éthynyIephénγl) porphyrine de cobalt (Co-TEPP) (4) :
Une solution de 8,71 g (35 mmoles) d'acétate de cobalt tétrahydrate (Co(CH3COO)2, 4 H2O) dans 100 ml de DMF a été ajoutée par portions à une solution de 1,7 g (2,39 mmoles) de porphyrine TEPP (2) telle qu'obtenue ci-dessus à l'étape 2) dans 500 ml de DMF. Le mélange obtenu a été mis à reflux pendant 20 heures. Le chauffage a été arrêté et 150 ml d'eau ont été ajoutés au milieu réactionnel. Le mélange a ensuite été extrait avec de l'éthanol (4 x 200 ml) puis la phase organique a été évaporée. Le résidu a été dissous dans 300 ml d'éthanol, et la phase organique a été lavée avec 3 x 200 ml d'eau et séchée sur sulfate de sodium. Le solvant a été évaporé et la tétrakis (4-éthynylephényl) porphyrine de cobalt (Co-TEPP) (4) (1,19 g ;
1,55 mmoles ; rendement : 65 %) a été obtenue sous la forme d'une poudre de couleur violet/noir, et rouge en solution dans le chloroforme.
5) Synthèse de la tétrakis (4-éthynylephényI) porphyrine de manganèse (MnCI- TEPP) (5) :
Une solution de 5,5 g (27,8 mmoles) de chlorure de manganèse tétrahydrate (MnCl2, 4 H2O) dans 160 ml de DMF a été ajoutée par portions à une solution de 1 g (1,4 mmoles) de porphyrine TEPP (2) telle qu'obtenue à l'étape 2) ci-dessus et dissoute dans 200 ml de DMF. Le mélange a été mis au reflux pendant 72 heures. Après retour à température ambiante, le solvant a été évaporé sous pression réduite. Le résidu a été repris dans 50 ml de chloroforme et les sels de manganèse ont été éliminés par filtration sur célite. Le filtrat liquide a été évaporé et le résidu a ensuite été dissous dans 100 ml d'éthanol et lavé avec 3 x 100 ml d'eau pour éliminer le TBAF. Après évaporation, le résidu a été dissous dans du chloroforme et cette phase organique a été à son tour lavée avec une solution aqueuse saturée en chlorure de sodium (3 x 100 ml) pour s'assurer que le ligand axial du manganèse est un chlore, et enfin lavé avec 2 x 100 ml d'eau pour éliminer les traces de chlorure de sodium. La phase organique a ensuite été séchée sur sulfate de sodium et le solvant évaporé. Lors de la première extraction avec l'éthanol et l'eau comme solvants, une partie de la porphyrine a précipité. Ce précipité a été filtré et gardé. Il a ensuite été redissous dans le chloroforme pour pouvoir être ajouté à la phase organique lors du lavage avec le chlorure de sodium. 700 mg (0,88 mmoles ; rendement 63 %) de tétrakis (4-éthynylephényl) porphyrine de manganèse (MnCl-TEPP) (5) ont été obtenus sous
la forme d'une poudre de couleur violet/ noir qui est verte en solution dans le chloroforme.
EXEMPLE 3 : REACTIONS TESTS DE CYCLOADDITION EN SOLUTION
Ces réactions ont été effectuées en l'absence de tout support pour étudier la matérialité de la formation d'une liaison de type — C-Het entre un composé espaceur de formule (I) et une molécule d'intérêt comportant un groupe fonctionnel Z. 1) Synthèse de la tétrakis(méso[4-(l-hexyl-[l,2,31triazole- 4/5-vDphénvn) porphyrine de manganèse (6)
A une solution d'azoture d'hexyle (91,1 mg ; 0,72 mmole) dans 18 ml d'eau, ont été ajoutées successivement sous agitation une solution d'iodure de cuivre (6,7 mg ; 0,035 mmole) dans 25 ml d'acétonitrile, puis 0,09 ml de triéthylamine et enfin une solution de FeCl-TEPP (3) telle qu'obtenu ci-dessus à l'exemple 2 étape 3) (54,2 mg ; 0,07 mmole) dans 60 ml d'acétone. Le mélange a été chauffé à 80°C pendant environ 6 jours puis le solvant a été évaporé. Le produit a été obtenu sous la forme d'une poudre noire.
3) Synthèse de Ia tétrakis(méso[4-(l-dodécanyl-[l,2,31triazole- 4/5-vDphényrD porphyrine de manganèse (8)
Pour ces 3 réactions, les spectres de masse (non représentés) vérifient que les réactions ont été totales, et qu'il n'y pas eu de production de sous- produits. Afin d'améliorer les temps de réaction, on peut ajouter une base encombrée comme la N,N-diisopropyléthylènediamine (DIPEA) ou encore utiliser une plus grande quantité de catalyseur.
Nous remarquerons également que dans le cas d'une porphyrine n'ayant qu'une seule fonction réactive, le temps de réaction est considérablement diminué. Par ailleurs, il suffit qu'une seule de ces fonctions réagisse avec le composé espaceur de formule (I) ancré sur le silicium pour que la molécule soit elle-même greffée sur la surface. Ainsi, il n'est pas nécessaire de faire réagir la surface modifiée et la porphyrine pendant aussi longtemps qu'en solution. EXEMPLE 4 : PREPARATION D'UN SUPPORT FONCTIONNALISE PAR UN COMPOSE ESPACEUR DE FORMULE (I) SUR LEQUEL EST COUPLEE UNE MOLECULE D'INTERET
1) Préparation de Ia surface de silicium
Les surfaces de silicium qui ont été utilisées dans cet exemple sont des morceaux de wafers de silicium Si(IOO) de dimensions 2 x 10 cm2 dopés p et de résistivité 14 à 22 Ω.cm. Leur préparation et les étapes suivantes ont été réalisées en salle blanche pour éviter toute contamination. La surface de silicium non oxydée a été régénérée par trempage du substrat dans de l'acide fluorhydrique dilué (5 %) pendant un temps court (quelques dizaines de secondes). Après un rinçage à l'eau désionisée, le substrat a été séché sous flux d'azote puis conservé sous atmosphère inerte. La surface obtenue possède des liaisons Si-H superficielles.
2) Ancrage d'un composé espaceur de formule (I)
Cette étape est la première étape de greffage d'une molécule d'intérêt sur le silicium, elle correspond à l'ancrage du composé espaceur de formule (I) sur la surface du support. Il s'agit ici d'une réaction d'hydrosilylation de type radicalaire entre l'azoture de undécényle (1) tel que préparé ci-dessus à l'exemple 1 et la surface de silicium régénérée comme indiqué ci-dessus en 1). Le substrat préparé comme ci-dessus en 1) a été plongé dans une solution à 6 % d'azoture de undécényle dans le mésitylène. La réaction a eu lieu sous argon à 150°C pendant 12 heures.
Cette réaction peut-être amorcée catalytiquement, thermiquement, photochimiquement ou électrochimiquement. Dans cet exemple, la réaction a été amorcée thermiquement.
Les réactions conduisant au greffage des composés espaceurs de formule (I) peuvent être représentées selon le schéma A ci-dessous :
SCHEMA A
Sur ce schéma R correspond à la partie E-(Y)m du composé espaceur de formule (I).
Après, l'étape d'initiation, une liaison Si-H perd un électron (étape a)) et on obtient ainsi un radical Si', qui réagit ensuite (étape b)) avec la double ou triple liaison terminale de la molécule d'intérêt à greffer. La liaison Si-C est ainsi formée et le radical C sur le carbone en β du Si va alors réagir, lors de l'étape c), avec la liaison Si-H du site d'ancrage voisin et produire un -CH2 et un radical Si'. La propagation du radical pourra initier ces réactions de formation de liaisons Si-C sur les autres sites.
Le substrat a ensuite été rincé successivement par 200 ml de divers solvants (toluène, acétone, éthanol, eau). Après réaction du composé espaceur de formule (I) à la surface on obtient une surface qui ne possède plus de liaison Si-H de surface, mais des fonctions azotures très réactives.
Caractérisation :
L'angle de contact de la surface ainsi préparée est de 68-70°. Les spectres MIR (Infra-rouge de surface en multiréflexion) de la surface native (oxyde natif- figure 1 : trait fin), de la surface activée (HF 5%) (figure 1 : trait épais et figure
2 : trait fin) et de la surface fonctionnalisée (N3) (figure 2 : trait épais) ont été acquis et comparés.
Ces spectres sont représentés sur les figures 1 et 2 respectivement.
La figure 1 représente les spectres MIR de la surface de silicium native (trait fin) et de la même surface après régénération par l'acide fluorhydrique
(HF) (trait épais) ; la figure 2 représente les spectres MIR de la surface hydrogénée
(trait fin) et de la même surface après fonctionnalisation par l'azoture de undécényle
(trait épais) ;
La figure 1 montre clairement la disparition de l'oxyde natif (liaisons O-H, bande centrée à 1200 cm'1). La figure 2 indique la modification de la forme de la bande à 2100 cm"1, interprétée comme la disparition de la vibration d'élongation des liaisons Si-H et l'apparition de la vibration d'élongation du groupement azoture terminal.
R2006/002395
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3) Couplage d'une molécule d'intérêt sur le support fonctionnalisé par "click chemistry"
L'azoture ayant été greffé à la surface du support selon l'étape 2) ci- dessus, on l'a fait réagir avec la tétrakis (4-éthynylephényl) porphyrine (2) telle que préparée ci-dessus à l'étape 2) de l'exemple 2.
Les métalloporphyrines n'étant pas solubles dans l'eau, on a utilisé un mélange de solvants organiques : acétone/acétonitrile/eau (10/5/3 v/v). Suite aux réactions tests effectuées entièrement en solution en milieu homogène et telles que décrites ci-dessus à l'exemple 4, la réaction a été effectuée en présence de 0,1 équivalent de catalyseur (Cu1) et de 2 équivalents de base (la triéthylamine ou la diéthylisopropylamine), à 8O0C. La réaction a été transposée à une surface de silicium et les molécules d'intérêt ont été greffées sur la surface modifiée qui peut être contrôlée par MIR, ATR, XPS (Spectroscopie des photoélectrons aux rayons X),
STM/AFM (AFM - Microscope à force électronique, STM - Surface Tunneling Microscopy) ou électrochimie.
On obtient ainsi des puces à porphyrines qui pourront être utilisées par exemple comme mémoires moléculaires ou comme détecteurs de gaz ou de substances biologiques.
Claims
1. Procédé de greffage covalent d'au moins une molécule d'intérêt à la surface d'un substrat de silicium comportant des fonctions hydrure de surface, ledit substrat portant au moins un espaceur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
(a) une première étape d'ancrage covalent, à la surface dudit substrat, d'au moins un composé espaceur de formule générale (I) suivante :
(X)n-E-(Y)n, (I) dans laquelle :
- E représente un groupement choisi parmi les radicaux alkyle et aryle,
-X représente une double liaison C=C,
- Y représente un groupe fonctionnel terminal choisi parmi les doubles et triples liaisons entre deux atomes de carbone, les triples liaisons entre un atome de carbone et un atome d'azote, les aziridines, les chlorures d'acyle et leurs fonctions complémentaires azotures et aminés, ledit groupe fonctionnel étant susceptible de réagir avec au moins un groupe fonctionnel Z complémentaire porté par une molécule d'intérêt dans une réaction conduisant à la formation d'une liaison covalente entre un atome de carbone et un hétéroatome appartenant respectivement et indifféremment aux groupes fonctionnels Y et Z ;
- m et n, indépendamment l'un de l'autre, sont des nombres entiers compris entre 1 et 3 inclusivement,
(b) une deuxième étape de couplage covalent audit composé espaceur de formule (I) ainsi ancré à la surface dudit substrat, d'au moins une molécule d'intérêt par formation, selon une réaction de chimie clic, d'au moins une liaison covalente de type -C-Het-, dans laquelle Het est un hétéroatome, par réaction d'au moins un groupe fonctionnel Z porté par ladite molécule d'intérêt et choisi parmi les doubles et triples liaisons entre deux atomes de carbone, les triples liaisons entre un atome de carbone et un atome d'azote, les aziridines, les chlorures d'acyle et leurs fonctions complémentaires azotures et aminés, et d'au moins un groupe Y dudit composé espaceur de formule (I), Z et Y étant aptes à former ensemble ladite liaison covalente.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le radical alkyle défini pour E est un radical comportant de 1 à 20 atomes de carbone, non substitué ou mono- ou polysubstitué, linéaire, ramifié ou cyclique, saturé ou insaturé.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le radical alkyle défini pour E est mono- ou polysubstitué et que le ou les substituants sont choisis parmi les atomes d'halogène, les groupements hydroxyle, amino, carboxyle, alkyle en C1 à C10, aryle substitués ou non, lesdits substituants pouvant eux-mêmes contenir un ou plusieurs atomes d'halogène et/ou un ou plusieurs hétéroatomes.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que E est un radical alkyle non ramifié en Q à C20.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre une étape de préparation de la surface consistant à décaper la surface avec une solution d'un acide faible.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les composés de formule (I) sont choisis parmi ceux dans lesquels n = 1.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le groupe fonctionnel Y des composés espaceurs de formule (I) représente une fonction azoture, alcyne ou nitrile.
8. Procédé selon selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le groupe fonctionnel Z des composés espaceurs de formule (I) représente une fonction azoture, alcyne ou nitrile.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les couples complémentaires entre le ou les groupes fonctionnels Y des composés espaceurs de formule (I) et le ou les groupes fonctionnels Z des molécules d'intérêt sont choisis parmi :
- les couples alcyne ou nitrile (groupe Y) / azoture (groupe Z) ; et
- les couples azoture (groupe Y) / alcyne ou nitrile (groupe Z).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les composés espaceurs de formule (I) sont choisis parmi ceux dans lesquels :
- n = l ; - E représente un radical alkyle en C6 à Cn , '
- Y représente un azoture et m = 1.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les composés espaceurs de formule (I) sont choisis parmi Pazoture d'hexényle, l'azoture d'heptényle, l'azoture d'octényle, l'azoture de nonadécényle, l'azoture de décényle, l'azoture d'undécényle et l'azoture de dodécényle.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'étape (b) de couplage covalent entre le composé espaceur de formule (I) et la molécule d'intérêt est une réaction de 1,3 -cycloaddition entre un dipôle et un dipolarophile en présence d'un catalyseur métallique.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'étape (b) de couplage covalent est réalisée en présence d'au moins un solvant polaire choisi parmi l'eau, les alcools, l'acétone, l'acétonitrile, le diméthylformamide et leurs mélanges.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les molécules d'intérêt sont choisies parmi les molécules multistables.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que les molécules d'intérêt sont des molécules organiques choisies parmi les molécules d'acide nucléique, les nucléotides, les oligonucléotides, les protéines, les peptides, les sucres ou les polysaccharides, les porphyrines et les composés présentant une photoisomérisation cis-trans.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé par le fait que les composés présentant une photoisomérisation cis-trans sont choisis parmi les dérivés des diaryléthylènes, des spiropyrannes, des spiroxazines, des fulgides et de l'azobenzène.
17. Support fonctionnalisé par au moins une molécule d'intérêt et susceptible d'être obtenu selon le procédé de greffage tel que défini à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit support comporte au moins une surface de silicium, ayant des fonctions hydrure de surface, sur laquelle est greffée, de façon covalente, au moins une molécule d'intérêt par l'intermédiaire d'au moins un composé espaceur de formule (I) suivante : (X)n-E-(Y)n, (I) dans laquelle X, Y, E, n et m ont la même signification que celle indiquée dans l'une quelconque des revendications précédentes, et dans lequel le ou les groupements fonctionnels Y sont engagés dans une liaison covalente -C-Het avec au moins un groupe fonctionnel Z complémentaire porté par ladite molécule d'intérêt.
18. Support selon la revendication 17, caractérisé par le fait que l'ensemble des molécules d'intérêt greffées à la surface du support par l'intermédiaire des composés espaceurs de formule (I) forme un film se présentant sous la forme d'une couche monomoléculaire.
19. Support selon la revendication 18 ou 19, caractérisé par le fait que les molécules d'intérêt sont choisies parmi les acides nucléiques, les nucléotides, les oligonucléotides, les protéines, les peptides, les sucres et les polysaccharides, les porphyrines, les diaryléthylènes, les spiropyrannes, les spiroxazines, les fulgides et les azobenzènes et qu'il constitue respectivement une puce à acides nucléiques, une puce à nucléotides, une puce à oligonucléotides, une puce à protéines, une puce à peptides, une puce à sucres, une puce à polysaccharides, une puce à porphyrines, une puce à diaryléthylènes, une puce à spiropyrannes, une puce à spiroxazines, une puce à fulgides ou une puce à azobenzènes.
20. Utilisation d'un support tel que défini à l'une quelconque des revendications 17 à 19 dans les domaines de l'électronique, des biotechnologies ou de l'environnement.
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