Synthèse de Securingine B permettant la conception de matériaux photoréactifs
Contexte de la recherche
Les produits naturels jouent depuis longtemps un rôle important dans la découverte de médicaments, en fournissant de nombreux composés bioactifs et les principes fondamentaux pour le développement de substances pharmaceutiques. Cependant, la recherche sur la synthèse des produits naturels ne se limite pas au domaine pharmaceutique ; leur utilisation en science des matériaux suscite également un intérêt croissant. En particulier, les produits naturels présentant des propriétés photoresponsives attirent l’attention en raison de leur potentiel d’application dans des domaines tels que les matériaux commutateurs photosensibles (photoswitching materials) et les cristaux liquides photoresponsifs (photoresponsive liquid crystals).
Le securingine B est un produit naturel contre-thermodynamique, dont la synthèse représente un défi majeur. Comparée à son isomère plus stable thermodynamiquement, le secu’amamine D, la synthèse du securingine B nécessite de surmonter le biais thermodynamique. Des études antérieures ont montré que le secu’amamine D pouvait être transformé par voie photochimique en securingine B, mais les détails du mécanisme de ce processus et son potentiel d’application restaient sous-explorés. Ainsi, une équipe de recherche de l’Institut coréen des sciences et technologies avancées (KAIST) s’est attachée à synthétiser le securingine B par voie photochimique et, sur cette base, à développer de nouveaux matériaux photoresponsifs.
Origine de l’étude
Cet article a été conjointement réalisé par Sangbin Park, Gyumin Kang, Wantae Kim et d’autres chercheurs de KAIST. Les auteurs correspondants sont Dong Ki Yoon et Sunkyu Han. L’article a été publié le 13 mars 2025 dans la revue « Chem » sous le titre « Synthesis of Securingine B Enables Photoresponsive Materials Design ». Cette recherche a bénéficié du soutien de la Fondation nationale de la recherche de Corée (National Research Foundation of Korea).
Processus et résultats de la recherche
1. Synthèse photochimique du securingine B
L’équipe de recherche a d’abord converti, par photochimie, le secu’amamine D en securingine B. Ils ont constaté que l’irradiation d’une solution de secu’amamine D avec une lumière bleue à 427 nm, en présence de thioxanthone comme photosensibilisateur, donnait un rendement en securingine B atteignant 90 %. Par ailleurs, sous irradiation UV à 370 nm et même sans photosensibilisateur, le rendement atteignait 80 %. Ces résultats démontrent que la conversion du secu’amamine D en securingine B peut être efficacement réalisée par la photochimie.
Pour tester la généralité de cette réaction, l’équipe a également appliqué ce protocole photochimique à la phyllantidine et a réussi à obtenir également son produit contre-thermodynamique. À l’aide de calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), les chercheurs ont élucidé le mécanisme de cette réaction photochimique : après photo-excitation, le secu’amamine D forme un intermédiaire triplet, suivi d’une homolyse de la liaison C–O générant un diradical, lequel se recombine ensuite pour donner le securingine B.
2. Réaction inverse thermodynamique
Les chercheurs ont également observé que le securingine B pouvait être reconverti en secu’amamine D sous l’effet de la chaleur. Ainsi, le chauffage d’une solution de securingine B à 130 °C a permis d’obtenir secu’amamine D avec un rendement de 93 %. Ceci indique que le couple secu’amamine D / securingine B est réversible par stimulus externe (lumière ou chaleur), ce qui pose les bases théoriques pour le développement de nouveaux matériaux photoresponsifs.
3. Développement de matériaux photochromiques
Sur la base de ces découvertes, l’équipe a conçu un nouveau matériau photochromique. Ils ont introduit un groupe donneur d’électrons dans le groupe ester conjugué de la phyllantidine afin de construire un système « push-pull ». Ce matériau peut passer du jaune à l’incolore sous irradiation bleue, puis retrouver sa couleur jaune sous UV à 310 nm. Le changement est rapide, présente un rendement quantique élevé, et révèle d’excellentes performances photoresponsives.
4. Dopant chiral photoresponsive pour cristaux liquides
L’équipe a également développé un dopant chiral photoresponsive basé sur le securingine B pour cristaux liquides. Par l’introduction d’un motif pyrene dans la phyllantidine, ils ont conçu une molécule pouvant se réorganiser sous l’action de la lumière ou de la chaleur. Ce dopant chiral permet de modifier de façon significative la structure hélicoïdale des cristaux liquides et, sous lumière bleue, d’ajuster de façon réversible les propriétés optiques des cristaux. Cette découverte fournit ainsi un nouvel outil pour le contrôle dynamique des propriétés optiques des cristaux liquides.
Conclusions et portée
Cette étude a permis, pour la première fois, la synthèse du securingine B, et a mis en évidence le mécanisme de conversion photochimique et thermodynamique réversible entre securingine B et secu’amamine D. Sur cette base, l’équipe a conçu de nouveaux matériaux photochromiques et des dopants chiraux photoresponsifs, illustrant le large potentiel d’application des produits naturels en science des matériaux.
La valeur scientifique de ce travail réside dans le fait qu’il offre non seulement de nouvelles méthodes pour la synthèse de produits naturels, mais élargit également les perspectives pour la conception de matériaux photoresponsifs. En particulier, la synthèse de produits contre-thermodynamiques par voie photochimique ouvre de nouvelles pistes pour le développement de matériaux commutateurs optiques dotés de fonctionnalités particulières. Enfin, le dopant chiral photoresponsive développé offre un outil prometteur pour la modulation dynamique des propriétés optiques des écrans à cristaux liquides.
Points forts de l’étude
- Première synthèse du securingine B : Synthèse réussie d’un produit naturel contre-thermodynamique, le securingine B, par méthode photochimique, comblant ainsi une lacune dans la littérature.
- Conversion réversible photochimique et thermodynamique : Élucidation du mécanisme de conversion réversible entre secu’amamine D et securingine B, apportant une base théorique au développement de matériaux photoresponsifs.
- Nouveau matériau photochromique : Conception, sur la base d’un squelette naturel, d’un matériau photochromique présentant des performances remarquables, démontrant son potentiel pour les applications en commutateurs optiques.
- Dopant chiral photoresponsive pour cristaux liquides : Développement d’un dopant chiral capable de moduler dynamiquement les propriétés optiques des cristaux liquides sous irradiation lumineuse ou chauffage, ouvrant de nouvelles perspectives pour les dispositifs d’affichage à cristaux liquides.
Cette recherche fait progresser non seulement le champ de la synthèse des produits naturels, mais fournit aussi de nouveaux concepts et outils pour la conception de matériaux photoresponsifs en science des matériaux, démontrant une valeur scientifique et applicative importante.