Journal of Photochemistry and Photobiology, A: Chemistry, 51 (1990) 197 - 206 197

ETUDE DE LA FLUORESCENCE DE L’ION URANYLE EN FONCTION DU pH ET EN PRESENCE DE ,%CYCLODEXTRINE

M. ARVIS, C. ROUSSEAU et B. HICKEL

CEA CEN/Saclay, DLPC/SCM URA 331 CNRS 91191 Gif sur Yvette Cbdex (France)

(Requ le 27 fhvrier 1989; en forme revisee le 18 mai 1989)

Summary

The luminescence of excited uranyl ions between pH 1 and 12 in the presence of /3-cyclodextrin was studied using conventional fluorometry and at pH 1 and low uranyl concentration (5 X 10e4 mol dmv3) using laser flash photolysis. A monoexponential luminescence decay is observed and p- cyclodextrin gives a good Stern-Volmer plot with a constant Ksv = 208 + 20 mol-’ dm3. This result, together with the linear variation in the decay rate with /3-cyclodextrin concentration, shows that quenching of uranyl luminescence by fl-cyclodextrin is not static but dynamic, with a quenching rate constant k, = (9.8 f 0.5) X lo7 mol-’ dm3 s-l. At pH 3, the lumines- cence undergoes a b&exponential decay. The decay rate of the longer life- time component depends on pH. Laser flash photolysis studies reveal that the bi-exponential decay can be interpreted in terms of the deactivation of the excited uranyl aquo-ions and the hydrolysis product of Uvl which is soluble in Hz0 in the presence of /3-cyclodextrin.

At pH 10, the signal of the fluorescence decay disappears (k > 10’ s-l). In this case, the quenching of the fluorescence is due to an intramolecular process.

Resume

La fluorescence de l’etat excite de l’ion uranyle *UOz2+ entre pH 1 et 12 en presence de P-cyclodextrine a 6th 6tudiCe & la fois par spectrofluorime- trie et par photolyse laser. A pH 1 et pour des concentrations en U02’+ de 5 X 1O-4 mol dmh3, le declin de la fluorescence est monoexponentiel et suit une cinetique de Stem-Volmer de constante Ksv = 208 f 20 mol-l dm3. Ce resultat ainsi que la variation linkire de la vitesse de disparition de *U02’+ en fonction de la concentration de /3-cyclodextrine, montrent que l’inhibition de la fluorescence est purement dynamique de constante de vitesse bimoleculaire k, = (9,8 4 0,5) X lo7 mol-’ dm3 s-r. A partir de pH 3 le declin de la fluorescence n’est plus monocinetique mais se compose de deux cinetiques du premier ordre dont l’une depend du pH. Celle-ci est attri- b&e i la d&activation de l’etat excite de composes hydrolyses de l’uranyle

lOlO-6030/90/$3.50 @ Elsevier Sequoia/Printed in The Netherlands

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plus ou moins condensk et solubles dans l’eau en prkence de P-cyclodex- trine.

A pH 10, le signal dfi a la fluorescence disparait rapidement (k >lOg s-r). L’inhibition de la fluorescence a lieu dans ce cas par un processus intramoleculaire.

1. Introduction

L’interBt portk a l’etude de la chimie des composes d’inclusion n’a fait que croitre ces dernieres annkes. La recente attribution du prix Nobel de Chimie a J. M. Lehn [l] inventeur des cryptandes, macrocycles capables d’in- serer dans leur cavitk une molecule ou un ion de taille convenable, a incitd les chercheurs $ s’interesser de plus pres a la physico-chimie de ces nouveaux composes.

Les cyclodextrines ou cycloamyloses ti, /3 et y font partie de cette famille de composes macrocycliques form& respectivement de 6, 7 ou 8 maillons constitues de residus glucopyrannose lies entre eux par des ponts oxygsne. Lews propri&& physiques et structurales sont bien connues [ 21. Ces composes sont solubles dans l’eau, le moins soluble &ant la fl-cyclodex- trine. Leur structure constitue leur principale particularite. Elle contient d’une part des parties fonctionnelles polaires, constituees par les hydroxyles, d’autre part une cavite centrale hydrophobe. Tout comme un enzyme ou une protkne, ce site recepteur permet d’accueillir un ion ou une molecule (qui peut Stre apolaire) appelks “invitks” et former ainsi des composes d’inclu- sion.

L’environnement de la molecule invitee n’etant plus le solvant mais la cavite elle-mEme, 1’interGt de l’etude d’un tel systeme concerne les modifi- cations Cventuelles des propri&& spectroscopiques photophysiques et photo- chimiques de la molecule. On peut aussi exciter selectivement une espece ou un chromophore situ& 1 l’extdrieur du macrocycle et regarder sa desactiva- tion soit par transfer% d’energie, soit par transfert d’electron sur la molecule in&&e.

Les propri&& photophysiques et photochimiques de l’ion uranyle excite *UOZ2+ en solution aqueuse et en milieu acide Ctant bien Btablies [ 31 notre choix s’est port& sur cette espece reactive. Par ailleurs, B notre con- naissance aucune etude sur la photochimie de U02*+ en solution neutre ou alcaline n’a 6th rapport&e dans la litterature. En effet, l’uranyle 1 des con- centrations de lo-* mol dma3 s’hydrolyse d&s que l’on atteint un pH de 3 environ et precipite. Les cyclodextrines ont pour particular&e de solubiliser les hydroxydes d’uranium et d’uranyle jusqu’a des pH t&s alcalins [ 41.

Avant d’aborder des etudes systematiques sur le transfert d’energie ou d’electron dans les complexes d’inclusion, il s’avere nkcessaire de connaitre le comportement de *U02’+ en presence de /3-cyclodextrine @CD). Ce m&moire fait reference i nos travaux sur la photochimie laser du systeme UOZ2+-PCD dans une gamme de pH de 1 a 12.

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2. Conditions experimentales

2.1. Pr6paration des solutions Le nitrate d’uranyle hexahydrati (UOz(N0s)2-6H,0), l’acide perchlori-

que et la soude sont des produits Merck de qualite “suprapur” ou “Pour Analyse”. La fl-cyclodextrine hydratee ou anhydre 99% provient indiffbrem- ment des Laboratoires Janssen ou Sigma. Elle est utilide sans aucune purifi- cation. La reproductibilitk des resultats n’est pas affectee par cette double provenance. L’eau est tridistillee sous atmosphere d’oxygene.

La dissolution du se1 d’uranyle dans l’eau modifie son pH initial. Ainsi la dissolution de nitrate d’uranyle a la concentration 5 X low4 mol dmp3 dans une eau 1 pH 5 abaisse le pH de la solution i 3,8. Des precautions par- ticulieres se sont done averees necessaires low, de la preparation des echantil- lons pour ajuster et controler le pH des solutions. L’emploi de solutions tam- pons &ant formellement prohibe pour eviter toute complexation de l’ura- nyle, la fixation du pH a Bte faite a l’aide d’une solution acide 10-l mol dmw3 pour les pH < 4 et d’une solution de soude lo-’ mol dmp3 pour les pH > 4. Les solutions a pH acide se stabilisent instantankment; par contre, la stabilisation des solutions entre pH 4 et 10 n’intervient que tres lentement au bout de 24 i 48 h. Toutes ces precautions &ant prises, nous obtenons des solutions stables et limpides. L’excitation i 308 nm ayant lieu dans la bande de transfert de charge de l’ion uranyle de coefficient d’extinction moleculaire Gleve, il est possible d’utiliser une concentration initiale en uranyle de 5 X 10m4 mol dmm3 afin de minimiser, d’une part, la formation de dim&e et, d’autre part, le self-quenching de l’uranyle excite.

La concentration de P-cyclodextrine varie entre 5 X 10m4 et lop2 mol dmm3.

2.2. Appareillage Les spectres d’absorption ont ete observ& sur un spectrophotometre

Per-kin-Elmer Lambda 5. Les spectres de fluorescence de l’ion uranyle sont realis& & l’aide d’un spectrofluorim&tre Perkin-Elmer LS5. Le montage experimental utilise pour les etudes de fluorescence r&olue dans le temps comporte deux parties, l’excitation et la detection.

2.2. I. L’excitation La source de lumiere excitatrice est fournie par un laser a exciplexe

Lambda Physics EMG 102 E fonctionnant en XeCl. L’energie de l’impulsion laser a 308 nm en sortie varie de 150 mJ en remplissage argon h 90 mJ en remplissage helium. La largeur i mi-hauteur de l’impulsion est de 35 ns en argon et de 15 ns en helium. Pour les etudes ;i basse energie, le remplissage helium est done favorable, le temps de resolution &ant meilleur. Nous observons une bonne stabilite en hnergie, la variation d’un tir & l’autre n’excedant pas 10%. Le faisceau de lumiere de forme rectangulaire passe h travers un diaphragme destine & Bliminer les inhomogenkitcs des bords de la tache lumineuse. Une lame separatrice en quartz interposhe sur le faisceau,

200

renvoie environ 6% de la lumi&e incidente sur la sonde pyroklectrique d’un mesureur d’energie synchronise avec le declenchement de l’impulsion laser. On controle ainsi l’energie du laser, A la sortie de la lame separatrice, le faisceau est focalise par l’intermediaire d’une lentille cylindrique sur la face d’entree de la cuve Gchantillon. L’energie tombant sur la cuve est de 60 mJ en argon et 35 mJ en helium.

2.2.2. La de’tection La lumiere de fluorescence kmise perpendiculairement au faisceau

laser est focalisee sur la fente d’entree d’un monochromateur Jobin Yvon H25, puis est envoyee en sortie sur la photocathode d’un photomultiplica- teur Hamamatsu R928. Le signal delivre par le photomultiplicateur est en- suite renvoye sur un oscilloscope convertisseur analogique digital Tektronix 7912 AD. Le signal numerise est trait6 par un calculateur Tektronix 4105.

3. Rksultats et discussion

3.1. Fluorescence de Petat excite’ de l’umnyle en prbence de P-cyclodextrine a’pH1

Le declin de l’emission de fluorescence de l’ion uranyle excite *UOz2+ en fonction de la concentration de fl-cyclodextrine @CD) h pH 1 est suivi B 510 nm. La Fig. l(A) represente la variation du rapport IO/I de l’intensite de fluorescence en absence et en pr&ence d’inhibiteur en fonction de la concen- tration croissante de PCD. Ce trace suit parfaitement une cinetique de Stern- Volmer de constante Ksv = 208 + 20 mol-’ dm3. En utilisant la technique de spectroscopic resolue dans le temps, nous avons Bgalement trach la varia- tion de la constante de declin de la fluorescence de *UOz2’ (k) en prCsence

I I t I I I I I 1 I I 0 2 L 0 L a 12

IpCDl (~10~ mol dms31

Fig. 1. (A) Courbe de Stern-Voher. (B) Variation de la constante de vitesse du d&h de la fluorescence de *UOz’+ en fonction de la concentration de PCD. pH = 1, [UO,(NO,),] = 5 X lop4 mol dme3, he, = 510 nm h,, = 308 nm.

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de /3CD (Fig. l(B)). Dans le domaine de concentration de nitrate d’uranyle utilisde (5 X 10e4 mol dme3), le declin de la fluorescence est monoexponen- tiel. La pente de la droite de la Fig. l(B) nous donne la valeur de la constante de vitesse bimoleculaire d’inhibition de la fluorescence de l’uranyle excite par la ficyclodextrine k, = (9,8 f 0,5) X lo7 mol-’ dm3 s-l. Nous en dedui- sons la duree de vie r. = K,/k, = 2,l + 0,3 ps, de l’espece excitee de l’ura- nyle en l’absence de /3-cyclodextrine. La determination directe de r. = l/h pour [PCD] = 0, a partir de la courbe de la Fig. l(B) conduit au meme resul- tat (f. = 2, 12 ps). Ces valeurs sont en accord avec de precedents resultats [5-81.

Le trace de Stern-Volmer ainsi que la vitesse de disparition de *UOz2+ augmentant lineairement. avec la concentration de /3CD, montrent que l’in- hibition de la fluorescence de *U022+ est purement dynamique. Par ailleurs, l’invariabilite du spectre d’absorption de l’ion uranyle dans cette zone de pH apres addition de PCD, tend a montrer l’absence dans les conditions experimentales employees, de complexe dans l’etat fondamental entre l’ion uranyle et la P-cyclodextrine. L’existence d’un complexe dans I’ktat excite est egalement improbable car le spectre de fluorescence du systeme U022’-/3CD est identique a celui de l’uranyle excite.

3.2. Etudes spectroscopiques du syste’me U022’-/3CD d 1 < pH < 12 3.2.1. Effet du pH sur les spectres d’absorption et d’emission de fluorescence Dans la gamme de pH exploree, la dissolution de la P-cyclodextrine

n’entral?ne aucune variation du pH. La reaction d’hydrolyse de U022+ correspondant i l’arrachement d’un proton d’une molecule d’eau a un pK = 4 [9]. L’augmentation du pH au deli de 3 a done pour effet de favoriser l’hydrolyse de U022+ pour donner des espPces polynucleaires hydroxylees avec en particulier une constante d’equilibre de 10v6 mol dmp3 pour le dim&e (U02)2(OH)22’ [lo, 111. Ces espkes qui ont tendance a precipiter, sont solubilisees en presence de PCD, leurs etudes spectroscopiques et photo- chimiques deviennent done accessibles. La repartition de ces produits con- denses au sein de la solution varie en fonction du pH et en fonction de la concentration initiale en ions uranyle [ 12 - 141. Ainsi Baes et Mesmer [ 121 montrent que pour une concentration initiale en ions uranyle de 10-l mol dme3, dans la gamme de pH 1 a 6 et pour une force ionique de 1 mol dmB3, l’hydrolyse commence a pH 2, les especes binucleaire (U02)2(OH)22’ et trinucleaire (U02)3(OH)S+ &ant selon le pH les produits majeurs. Par contre pour une concentration initiale de 10d5 mol dme3 l’hydrolyse ne commence que vers pH 3 - 3,5.

Bien que nous ayons volontairement omis de fixer la force ionique des solutions afin d’eviter toute d&excitation par des ions &rangers, nous pensons que pour une concentration de 5 X lop4 mol dme3 l’hydrolyse ne s’opere qu’i pH > 3 et qu’il existe h partir de ce pH et jusqu’l pH 12 plu- sieurs especes hydrolysees possddant un spectre d’absorption different de celui de l’ion aqueux U02(H20)5 2’ Les spectres d’absorption de solution de .

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nitrate d’uranyle et de /3CD i differents pH reproduits sur la Fig. 2 en appor- tent la confirmation. Nous observons un effet a la fois bathochrome (Ax z 20 nm) et hyperchrome de l’ensemble du spectre. Visuellement il y a accen- tuation de la couleur jaune des solutions; l’effet hyperchrome Btant en general une des caracteristiques spectroscopiques des composes condens&. Bien que les conditions experimentales mises en oeuvre dans des travaux antdrieurs [15, 161 different, ces auteurs constatkent des effets semblables.

0,l f

0,12

2 c 8 o.oe K iz 6 D

0,04

0

I I I I I 1 I :(I I

! ! \ .“.f

D.16

0.12

0,OfJ

0,04

3

h (nm)

Fig. 2. Spectres d’absorption du syst6me uranyle-P-cyclodextrine 1 differents pH. [UO~NO&] = 5 X low4 mol dmP3; [/ED] = 10P3 mol dmw3; cuve de 1 cm. aSpectre d’absorption du nitrate d’uranyle 1 pH 1 et A concentration 1,74 X 10-l mol dm-3, cuve de 1 cm.

Le spectre d%mission de fluorescence de l’etat excite subit dgalement un effet bathochrome avec perte de structure. La variation de l’intensiti de la fluorescence en fonction du pH realisee dans des conditions station- naires d ‘excitation a 308 nm, est reproduite sur la Fig. 3. Le rendement de fluorescence faible jusqu’i pH 3,5 environ augmente ensuite brusque- ment jusqu’i pH 6 pour diminuer de nouveau; le signal s’eteint totalement a partir de pH 10.

Comme nous le signalons dans le precedent paragraphe, il existe au sein de la solution et selon le pH a des concentrations variables des composes plus ou moins condenses. La Fig. 2 montre en particulier une exaltation maximum des bandes du spectre h pH 6. L’augmentation de la fluorescence dans ce domaine de pH, trouve ici un element d’explication.

203

- 16

0 2 4 6 a

PH Fig. 3. Variation de l’intensitb de fluorescence (A) et de la constante de vitesse du d&h de la fluorescence en fonction du pH: (e) kl. (0) = kz; [UOdNO&] = 5 X lo-’ mol dmw3, [@D] = lOA mol dme3, X,, = 510 nm, h,, = 308 nm.

Par ailleurs bien que le spectre a pH 12,3 revele un effet hyperchrome plus important qu’a pH 6, nous verrons que le processus de d&excitation de l’espece excitee & ce pH est different de celui dans les conditions de pH infe- rieur a 8.

Miguel et al. [17] ont observe dans une gamme de pH plus restreinte il est vrai, des effets identiques. Un decalage du maximum de rendement de fluorescence de plusieurs unites pH inferieures est a noter. Ce decalage peut s’expliquer par l’utilisation par ces autews de solutions de concentration ini- tiale en ions uranyle superieure i celle utihde dans ce travail, ce qui a pour effet d’accelerer et d’amplifier les phenomenes d’hydrolyse comme nous le signalons precedemment.

3.2.2. Cine’tique du d&in de 1 Enission de fluorescence de l’urany2e excite’ La photolyse laser de solutions aqueuses a&rGes de nitrate d’uranyle

5 X 10p4 mol dmw3 et de fi-cyclodextrine 10e3 mol dme3 donne lieu 1 une emission de fluorescence dont la decroissance exponentielle varie en fonction du pH. La Fig. 3 oh est repartee la variation de la constante de vitesse de declin de l’kmission a $10 nm traduit le phknomene.

Entre pH 0,8 et pH 2,5, le declin de l’kmission de fluorescence est monoexponentiel avec une constante de vitesse k1 qui augmente et passe par un maximum. Un coefficient de correlation proche de 1 lors de la determina- tion de la constante de vitesse au calculateur effect&e entre 250 ns et 4 ps (c’est-d-dire sur plusieurs durees de demi-vie), apporte la preuve de son unicite dans cette gamme de pH.

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La duke de vie moyenne (1,3 ps) de l’espke excithe que l’on attribue g l’ion uranyle aqueux, est lbg&-ement infkrieure $ la duke de vie de dCs- excitation de l’ion uranyle dans l’eau (2 ps). Cette diffkrence provient de la pr&ence de la P-cyclodextrine. Quant i3. l’augmentation de la constante de vitesse k 1 jusqu ‘i pH 2,5 on peut penser, comme le suggkent Moriyasu et al. [6] que la d&excitation par les molkules d’eau est plus efficace que par les ions hydronium, ou que cet effet est comparable i l’hydratation de l’ura- nium Gtravalent, syst&me dans lequel la vitesse d’khange des molkcules d’eau entre la sphere interne de coordination de UIv et le solvant s’accroTt quand l’aciditk du milieu diminue [ 181 , Miguel et al. [ 171 ont kgalement mont& dans le cas de leur mod&e, un effet semblable sur les constantes de vitesse de d&activation radiative.

A partir de pH 3, la con&ante de vitesse de dkclin apparente diminue. Les mauvais coefficients de corrklation des calculs ciktiques par micro-ordi- nateur suggcrent que le signal est compo& d’une dkroissance complexe. En effet le traitement de ce signal par la m&hode d’analyse d’une courbe de dkroissance composke [ 81 fait apparake deux con&antes de vitesse du ler ordre k, et k,. La con&ante kI, de valeur moyenne 7,5 X ~O’S-~, ne semble pas (ou peu) dkpendre du pH. Nous pensons qu’elle correspond i la dkexci- tation de la fraction des ions uranyle excitb non hydrolys&.

La constante de vitesse k2 correspond i la d&excitation du complexe dim&e excitk *(U02)2(OH)z2+, composk qui devient & partir de pH 3, le produit majeur au sein de la solution. Cette espke fluoresce et se d&excite plus lentement que les ions uranyle aqueux. En effet, les vitesses d’khange avec le solvant sont plus lentes dans le cas du complexe excitd car le nombre des mol6cules d’eau disponibles de la sphke de solvatation de l’ion, diminue ce qui ralentit la constante k2 quand le pH augmente. A partir d’un certain pH, !e dim&e fait place i un ou plusieurs polymBres. Les vitesses d’khange entre ces compos6 polynucl&aires excitis et le solvant sont de plus en plus faibles, ce que traduit la courbe de la Fig. 3.

La Fig. 4 reprhsente les spectres d’absorption de la /3CD en fonction du pH. Ces spectres mettent en Evidence un changement sensible de la structure du macrocycle i partir de pH 6,9. Le pK klevk de la @CD (pK = 12) [19] imputable aux liaisons intramol6culaires entre les hydroxyles secondaires traduit la faible rkactivith de ces groupes. La difficult& que l’on kprouve pour deutkrer les cyclodextrines par la rbaction d’khange CD-OH + D20 + CD- OD + H20, 06 CD-OH repr&ente le groupe hydroxyle de la cyclodextrine, en est la preuve. Les unit& amyloses qui ne comportent pas de telles liaisons sont par contre plus faciles 6 deutkrer.

Mais la prkence en solution d’ions hydroxydes a pour effet de ddpro- toner partiellement ou totalement les fonctions alcool et de rendre ces groupes plus &actifs.

La disparition du signal de fluorescence ?I pH 10 montre que la d&excitation des uranyles excitk est trb rapide (k > lo9 s-l). La formation d’un complexe entre les ions uranyle et la PCD, vraisem- blablement par l’intermbdiaire des O- de la cyclodextrine dbprotonke,

205

0 200 250 300 350

A (nml

Fig. 4. Spectres d’absorption de la fiyclodextrine en solution aqueuse B differents pH ([PCD] = 5 x 1O-3 mol dme3, cuve de 1 cm): (1) pH 3,3; (2)pH 6,9;(3) pH 7,8;(4) pH 8,l; (5) pH 8,4; (6) solution NaOH 0,l mol dmp3.

favorise l’inhibition de la fluorescence par un processus intramole- culaire.

4. Conclusion

La P-cyclodextrine favorise l’dtude de la luminescence de l’ion uranyle excite d des pH t&s alcalins en empkhant la precipitation des composes d’hydrolyse de l’uranyle. A partir de pH 10, la formation d’un complexe entre l’uranyle et la cyclodextrine inhibe totalement la fluorescence. Par contre, le peu d’affinite entre l’ion uranyle excite et la cyclodextrine permet d’imaginer des etudes en solution aqueuse de la reactivitk de cet ion vis-a-vis de molecules organiques insolubles dans l’eau, mais pouvant s’inserer dans le macrocycle de la cyclodextrine. Enfin l’emploi de cyclodextrines modifiees obtenues par exemple par methylation ou phosphatation des OH secondaires peut permettre d’elargir le champ d’investigation de ces travaux.

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