Cristallographie à haute résolution des complexes acides minéraux bases azotées ou acides aminés

285 Pages·2008·19.96 MB·French

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Nancy-Université
FACULTEDES SCIENCES ET TECHNIQUES
U.F.R. Sciences etTechniques de laMatière et des Procédés sen UHP NANCY 1
Bibliothèque des Sciences
Ecole Doctorale EMMA.
Rue du Jardin Botaniq~e - CS 20148
Département de FormationDoctorale STMP.
1546010 VI~ LES ~CY CEDEX
THESE
Présentée pour l'obtention du titre de
Docteur de l'Université Henri Poincaré, Nancy-I
En Physique et Chimie de la matière et des Matériaux
Par
EI-Eulmi BENDEIF
TITRE
Cristallographie à haute résolution des complexes acides minéraux bases azotées ou
acides aminés: Etude des interactions intermoléculaires.
Soutenuepubliquement le 15 novembre 2006.
Membres du Jury:
Président Pr. D. LUNEAU Professeur, LMI, Université de Lyon1.
Rapporteurs:
Pr. P. BECKER Professeur, Ecole Centrale des Arts etManufactures, Paris.
Dr. N. LUGAN Directeurde recherche, LCC (UPR 8241), Toulouse.
Examinateurs :
Pr. N. BENALI-CHERlF Professeur, Centre Universitaire de Khenchela, Algérie.
Pr. C. LECOMTE Professeur, LCM3B, UHP Nancy 1.
Dr. S. DAHAOUI Maître de conférences, LCM3B, UHP Nancy 1.
Laboratoirede CristallographieetModélisation desMatériauxMinéraux etBiologiques, UMR CNRS 7036.
Remerciements
Ce travail de recherche a été réalisé dans le cadre d'une collaboration Franco
Algérienne entre le Laboratoire de Cristallographie et de Modélisation des Matériaux
Minéraux et Biologiques (LCM3B) (UMR-CNRS 7036) de la Faculté des Sciences et
Techniques de l'université Henri Poincaré, Nancy 1 et le Laboratoire de Chimie
Moléculaire de contrôle de l'environnement et de Mesures Physico-chimique
(LACMOM) de l'Université Mentouri de Constantine (Algérie).
Je remercie le Professeur Claude LECOMTE pour m'avoir accueilli dans son
Laboratoire et dirigé ce travail. Je lui témoigne toute ma gratitude pour son soutien et les
judicieuxconseils qu'il m'a apportés. Je lui suis reconnaissant d'avoirbienvoulu me faire
profiterde son expérience et de ces compétences scientifiques.
Vifs remerciements à Monsieur Slîmane DAHAOUI, Maître de Conférence au
LCM3B, pour son encadrement scientifique, sa grande disponibilité, pour ses conseils et
son optimisme. Je n'oublie pas non plus son soutien et ses encouragements dans les
moments difficiles.
Que Monsieur le Professeur Nourredine BENALI-CHERIF, trouve ici mes
sentiments de profonde gratitude d'avoir accepté de faire partie de ce jury, pour m'avoir
apporté des connaissances approfondies en cristallographie etpour ses conseils fructueux.
J'exprime toute ma reconnaissance auxmembres dujury :
A Messieurs les Professeurs Pierre BECKER et Noël LUGAN qui m'ont fait
l'honneur de juger ce travail, qu'ils trouvent ici l'expression de mes sincères
remerciements.
Je suis très sensible à l'honneur que me fait Monsieur le Professeur Dominique
LUNEAU, enparticipant aujuryde cettethèse,jetiens àleremercier.
Je remercie chaleureusement Monsieur Alain COUSSON et Atoine GOUJON du
LLB à Saclay et Monsieur Garry MCINTYRE de L'ILL à Grenoble pour les expériences
de diffraction neutronique. Je tiens à remercier également Monsieur Wolfgang
MORGENROTH du HASYLAB à Hambourg pour les mesures synchrotrons. Au cours
des expériences réalisées avec leur collaboration, j'ai pu apprécier leur gentillesse, leur
disponibilité etleur savoir faire.
Je remercie également Monsieur le Professeur Michel FRANCOIS du LCSM,
pour sonaide concernant les analyses calorimétriques.
Que Messieurs Christian JELSCH Chargé de Recherche au LCM3B et Benoît
GUILLOT, Maître de Conférence au LCM3B sont également remerciés pour leur aide à
l'utilisationde MoPro etpourles nombreuses discussions très constructives.
Je tiens à exprimer ma reconnaissance à l'Agence Universitaire de la
Francophonie (AUF) pour son soutien financier.
Je tiens à remercier tout le personnel du laboratoire qui m'a permis de passer les
années de ma thèse dans un cadre le plus agréable possible.
J'exprime toute ma reconnaissance à madame Anne CLAUSSE sans oublier
mesdames Jacqueline PALIN et Valérie RICHALET, pour leur sympathie, leur
disponibilité. Je remercie également Alexandre BOUCHE, Emmanuel WENGER, Fabien
PASCAL, Cyril PALIN etJacques REYMANN pourleurassistance technique.
Je n'oublierai pas l'ensemble des étudiants et camarades du laboratoire qui savent
apporter une très bonne ambiance. Une pensée toute particulière va à mes collègues de
thèse PILAR et ANGELIQUE. Merci à vous deux pour toutes ces heures passées
ensemble etbon courage.
Je tiens à remerciertout particulièrementJENNIFER, qui m'a toujours soutenue et
encouragée.
Enfin, je tiens à remercie mes amis, ma famille, mes sœurs, mon frère et en
particulier mes parents pour leurs soutien et leurs encouragements pour mener à bien ce
travail.
Notes Liminai.res
Géneralites
(Sine),. 1
' 1· d' d l' , . A-
La reso utIonest onnee ans espace reclproque ~ et s expnme en .
11&
Les différentes cartes de densité électronique représentées utilisent des contours de
El»
0,05 elA3•
• Les contours positifs correspondent aux traits bleus, les contours négatifs aux trais
rouges et le contourzéro entraitsjaunes.
Composés
rn-CPADP :méta CarboxyPhényleAmmoniumDihydrogène Phosphate
(NH C H COOH+.H P0
-).
3 6 4 2 4
rn-CPAMP :meta Carboxyphényle AmmoniumMonohydrogène Phosphite
(NH C H COOH+.H P0
4 2 3-).
3 6
Acronymes
PBT: Phase Basse Température.
PHT :Phase Haute Température.
I.A.M : Independent Atom Model (modèle d'atomes indépendants: neutres et
sphérique).
Tc: Température Critique de latransition.
Pc: Point critique (dans l'analysetopologique de ladensité électronique).
C.C.D.C : Cambridge Crystallographic Data Centre (banque de données
cristallographique de Cambridge).
SOMMAIRE
INTRODUCTION 1
- CHAPITRE 1 : Rappels bibliographiques
I- 1- LaMéthode des graphes 4
I- 2- Les hybrides àbase de phosphite 6
I- 3- Les hybrides àbases de monophosphates 10
I- 4- Références bibliographiques 16
- CHAPITRE II: METHODES EXPERIMENTALES
1-Méthodes de préparation et de cristallogenèse 19
I- 1- Synthèse surune résine échangeuse de cations 19
I- 1-1- Principe de l'échange ionique 19
I- 1-2- Caractéristiques etconditionnement de larésine 20
I- 1- 3-Préparation de larésine 20
1- 1- 4- Réaction acido-basique 22
I-2- Synthèse directe 23
I- 3- Synthèses des composés àbase de guanine 24
11-Techniqu.es de caractérisation 26
II- 1- Spectrométriede vibration infrarouge IR 26
II- 2- Spectroscopie de Résonance MagnétiqueNucléaire (RMN) 27
II- 3- Calorimétrie àbalayage différentielDSC 27
II- 4- Études cristallographiques 28
II-4- 1- Diffractiondes rayons X surmonocristal 28
II- 4- 2- Diffractionneutronique surmonocristal 35
II-4- 2- 1- Spécificité des neutrons 35
II- 4-3- Correctiondes intensités collectées 37
II- 4- 3- 1-Phénomène d'absorption 37
a- Absorptiondes rayons X parlamatière 37
b- Absorptionde neutrons parlamatière 39
II- 4- 3-2- Phénomène d'extinction 40
II-4- 3- 3- Diffusionthermique diffuse (TDS) 41
II- 4- 4- Instruments utilisés pourles mesures de diffraction 43
II- 4- 4- 1- Diffraction des rayons X sur source de
Laboratoire 43
II- 4- 4- 2- Diffraction de rayonnement synchrotron: 44
Caractéristiques techniques de laligne D3 (Hasylab) 44
II-4- 4- 3- Diffraction de neutrons:
ligne 5C2, LLB, Saclay 45
111- Les modèles de densité électronique 47
III- 1- Modèle d'atome indépendant (<<LA.M») 47
III- 2- Modélisation de ladensité électronique: Modèle multipolaire 47
III-3- Estimationde laqualité des affinements 49
III- 3- 1- Les facteurs d'accord 49
III- 3-2- Cartes de densité électronique 50
III-3-3- Test de la liaisonrigide 51
IV-Les propriétés physiques dérivées de la densité électronique 52
IV- 1- Les charges atomiques nettes 52
IV- 2- Lepotentiel électrostatique 52
IV- 3- Potentieî électrostatique cristallin 54
IV- 4- Topologie de la densité électronique 54
IV- 4- 1-Le Laplaciende ladensité électronique 55
IV-4- 2- Bassins atomiques 56
V-Références bibliographiques 58
- CHAPITRE III : STRUCTURES CRISTALLINES
- PARTIE A- Structures étudiées à Constantine 61
1-Structure cristalline de NH C H COOH+.H P0 (m-CPADP) 62
-
3 6 4 2 4
1- 1- Synthèse et caractérisations spectroscopiques 62
1-2- Étude structurale 65
11- Structure cristalline de NH C H COOH+.H P0 (m-CPAMP) 74
-
3 6 4 2 3
II- 1- Synthèse 74
II- 2- Caractérisations spectroscopiques 74
II-2- 1- Spectroscopie IR 74
II-2- 2- Spectroscopie RMN 76
11- 3- Étude structurale 78
II- 4- Comparaisondes deux structures 85
HI- Strucfure cristalline de NH C H COOH+.H P0 86
-
3 3 6 2 4
III- 1- Synthèse etcaractérisations spectroscopiques 86
III- 2- Étude structurale 88
IV-Conclusion 95
V-Références bibliographiques 97
- PARTIE B : Structures cristallines des composés hybrides
à base de guanine 99
1- Etude bibliographique 99
H- Partie expérimentale 103
II- 1- Synthèses 103
II-2- Mesures des données de diffraction des rayons X 103
II- 3- Déterminationdes structures cristallines 104
HI- Description des structures cristallines 106
III- 3- Structure cristalline de C H N O+.H P0 .H 0 119
S 6 s 2 4- 2
IV-Discussion 124
IV- 1- Comparaison des structures des composés (1) et (II) 127
V-Affinement des atomes d'hydrogène 128
VI- Conclusion 131
VII- Références bibliographiques 132
- CHAPITRE IV : TRANSITION DE PHASE DE (m-CPAMP)
1- Mise en évidence cristallographique de la transition de phase 134
1- 1- Evolutiondes paramètres de maille etphénomène
d'hystérèsis 135
1- 2- Les coefficients de dilatation/contractionthermique 138
1- 3- Comparaison avec les mesures calorimétrique 140
U- Effet de latransition sur les distances inter etintramoléculaire 141
II- 1- Mesures des données de diffractiondes rayons X 141
II- 2- L'expérience de diffractionneutronique 141
II- 2- 1-Enregistrementdes données à 100 K 142
II- 2- 2- Enregistrementdes données à293 K 143
II- 3-Affinement structuraux de m-CPAMP 143
II-4- Résultats et descriptiondes structures cristallines 145
II-4- 1- Structure de laphasebasse température 145
II- 4- 2- Discussion des résultats des RX etde
neutrons à 100 K 151
II-4- 3- Structure de laphase haute température 152
II- 4- 4- Comparaisondes structures des deux phases 153
II- 5- Evolutionde la structure en fonction de latempérature 157
II- 5- 1- Variation des distances etdes angles de liaison 157
II- 5- 2- Variation des interactions intermoléculaires 168
II- 5- 3- Variationdes paramètres de d'agitation
thermique 173
II- 5- 4- Analyse TLS de l'agitationthermique 182
IU- Conclusion 196
IV-Références bibliographiques 192
- CHAPITRE V: Etude de la densité électronique de m-CPAMP
1-Introduction 194
U- L'expérience de diffraction par rayonnement synchrotron 194
II- 1- Enregistrementdes données à 100K 194
IU- Affinement de la densité électronique 197
III- 1- Stratégie d'affinement 197
III- 1- 1- AffinementI. A. M à grands angles 197
III- 1- 2- Paramètres de déplacement atomique des
atomes d'hydrogène 199
III- 1- 3- Densité de déformation expérimentale 201
III- 1- 4- Affinementmultipolaire 203
IV- Qualité de l'affinement multipolaire 205
IV- 1- Cartesrésiduelles 205
IV- 2- Testde laliaisonrigide 207
V-Description de la densité électronique de rn-CPAMP 207
V- 1- Densitéde défonnation statique 207
V-2- Charges nettes dans l'hypothèse de densité
électronique sphérique: affinementKappa 212
V- 3- Topologie de ladensité électronique 214
V- 3- 1- Charges etvolumes atomiques 214
V- 3- 2- Topologie des liaisons covalentes 217
V- 3- 3- Topologie des liaisons hydrogène 222
VI- Potentiel électrostatique 225
VI- 1- Potentiel autour de l'anion H P0 225
-
2 3
VI- 2- Potentiel autourdu cation NH C H COOH+ 227
3 6 4
VI- 3- Potentiel autourde la liaisonhydrogèneNI...03 228
VTI- Conclusion 230
VITI- Références bibliographiques 231
- CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 233
-ANNEXES 236