Développement d’une nouvelle classe de matériaux hybrides organique-inorganique incorporant des boronates/ benzoxaborolates – BOROMAT

Les voies de synthèse des matériaux hybrides sont choisies en fonction du type de matrice inorganique mise en jeu. Cependant, la même méthodologie de caractérisation est utilisée dans tous les cas. La détermination de la structure locale autour des anions boronate/benzoxaborolate apparaît importante pour pouvoir comprendre les propriétés des matériaux synthétisés, et rationaliser leur comportement à long terme et leur évolution structurale dans des environnements particuliers.
Comme les signatures spectroscopiques d’ions boronates/ benzoxaborolates à l’état solide n’ont pas été entièrement établies pour le moment, une série de boronates métalliques modèles cristallisés a d’abord dû être synthétisée dans le cadre de ce projet. Chaque phase cristalline a été caractérisée par une large gamme de techniques d’analyse, allant de la diffraction des rayons X aux spectroscopies IR et RMN du solide. Une approche combinée expérience/théorie est à présent utilisée pour interpréter ces spectres et établir des corrélations entre l’environnement local des boronates/benzoxaborolates et les paramètres IR (fréquences de vibration) et RMN (déplacements chimiques…). Grâce à ces corrélations, il sera alors possible de remonter à l’environnement local des boronates/benzoxaborolates au sein des différentes familles de matériaux hybrides synthétisés.

Pendant la première année de projet, différentes avancées ont pu être faites sur le projet, parmi lesquelles:
- la synthèse de nouveaux matériaux cristallisés impliquant des boronates/ benzoxaborolates; il est à noter que la caractérisation par DRX, IR et RMN solide multinucléaire de ces matériaux est largement avancée, et que l'étude de la modélisation de ces phases par des calculs DFT est en cours;
- la préparation et caractérisation des premiers matériaux hybrides associant des boronates/benzoxaborolates à des hydroxydes double-lamellaires.

Dans la deuxième année de projet, les principaux objectifs seront
- de finaliser les études sur les phases boronate/benzoxaborolate cristallisées;
- de poursuivre les travaux sur la préparation de matériaux hybrides complexes, notamment par incorporation de boronates/benzoxaborolates dans des matrices à base de silice;
- d'évaluer les applications de ces matériaux hybrides dans le domaine de la santé.

* 3 publications:
- S. Sene, D. Berthomieu, B. Donnadieu, S. Richeter, J. Vezzani, D. Granier, S. Bégu, P. H. Mutin, C. Gervais, D. Laurencin, A combined experimental-computational study of benzoxaborole crystal structures, CrystEngComm 2014, 16, 4999-5011.
- D. Berthomieu, C. Gervais, G. Renaudin, M. Reinholdt, S. Sene, M. E. Smith, C. Bonhomme, D. Laurencin, Coordination Polymers Based on Alkylboronate Ligands: Synthesis, Characterization, and Computational Modelling, Eur. J. Inorg. Chem. 2014, doi : 10.1002/ejic.201402561.
- D. Laurencin, «Acides boroniques et boronates comme briques élémentaires pour la construction de matériaux«, Actualité Chimique, 2014, accepté (à paraître en décembre 2014).

* 4 présentations orales dans des congrès internationaux, parmi lesquels:
- Congrès E-MRS (Lille, 26-30 Mai 2014) : S. Sene, D. Laurencin, C. Gervais, S. Bégu et al, « Development of the first hybrid formulations of benzoxaborole drugs. »
- Congrès IME-Boron (Prague, 24-28 Août 2014) : D. Laurencin, C. Gervais, D. Berthomieu, S. Sene, S. Bégu et al, « Development of a novel class of organic-inorganic materials based on boronates ».

* Plusieurs autres présentations orales et par affiche, en France et à l'étranger

Les acides boroniques (R-B(OH)2) constituent une famille de molécules qui a été largement étudiée au cours des dix dernières années, en chimie moléculaire comme en chimie des matériaux. Leur domaine d’application s’étend de la synthèse organique (couplage de Suzuki) au développement de capteurs et de molécules anticancéreuses comme le bortézomib, ou encore à la préparation de matériaux poreux (Covalent Organic Frameworks). Au vu de l’énorme intérêt que présentent ces molécules, plusieurs entreprises se sont d’ailleurs spécialisées dans la synthèse d’acides boroniques.
Les ions boronate (R-B(OH)3-) ont quant à eux fait l’objet de beaucoup moins de recherches pour le moment. En particulier, aucune étude portant spécifiquement sur la synthèse de matériaux hybrides organique-inorganique incorporant des boronates n’a été décrite à ce jour. Ce projet vise donc à effectuer une étude fondamentale sur la préparation et caractérisation de tels matériaux.

L’un des aspects du projet consistera à développer des voies de synthèse de matériaux hybrides organique-inorganique incorporant soit des boronates, soit leurs dérivés cycliques (les benzoxaborolates). Ceci constituera un défi en soi, étant donné le pKa élevé des acides boroniques et la fragilité de la liaison B-C. Dans ce projet, l’association de boronates/benzoxaborolates à trois différentes matrices inorganiques sera envisagée: les hydroxydes double lamellaires (HDL), les hydroxyapatites, et les bioverres mésoporeux. Ces matrices ont été sélectionnées parce qu’elles devraient permettre (i) d’explorer un large éventail de modes d’interaction différents entre les boronates/benzoxaborolates et le matériau inorganique (interaction électrostatique, liaison métal-ligand, liaison hydrogène…) ; (ii) d’offrir aux boronates /benzoxaborolates different types d’environnement au sein des matériaux (milieu confiné dans le cas des bioverres et HDL, simple greffage en surface de particules dans le cas des apatites); et (iii) d’envisager en cas de succès l’application directe de ce type de matériaux à la formulation de principes actifs contenant des fonctions acide boronique.

Un autre aspect du projet consistera à analyser en détail l’environnement local des boronates/benzoxaborolates au sein de ces matériaux hybrides. La détermination de la structure locale autour de ces anions apparaît en effet importante pour pouvoir comprendre les propriétés des matériaux synthétisés, et rationaliser leur comportement à long terme et leur évolution structurale dans des environnements particuliers. Cependant, comme les signatures spectroscopiques d’ions boronates/benzoxaborolates à l’état solide n’ont pas été entièrement établies pour le moment, une série de boronates métalliques modèles cristallisés sera d’abord synthétisée. Chaque phase cristalline sera caractérisée par une large gamme de techniques d’analyse, allant de la diffraction des rayons X aux spectroscopies IR et RMN du solide. Une approche combinée expérience/théorie sera ensuite utilisée pour interpréter ces spectres et établir des corrélations entre l’environnement local des boronates/benzoxaborolates et les paramètres IR (fréquences de vibration) et RMN (déplacements chimiques…). Grâce à ces corrélations, il sera alors possible de remonter à l’environnement local des boronates/benzoxaborolates au sein des matériaux hybrides synthétisés.

Ce projet de recherche fondamentale devrait conduire à de nouvelles avancées dans la chimie des boronates/benzoxaborolates, ainsi qu'en chimie des matériaux et spectroscopie. Une comparaison directe des trois différentes approches de synthèse des matériaux hybrides sera réalisée, qui devrait permettre à l’avenir de sélectionner la stratégie la plus adaptée pour la synthèse de nouveaux matériaux hybrides, selon l'application visée. L’une des applications potentielles de ces matériaux sera la mise au point de nouvelles formulations de principes actifs contenant des fonctions acide boronique ou benzoxaborole.