Foldamères fonctionnels photo-commutables

Le développement de systèmes moléculaires commutables constitue une voie pertinente pour la création de nouveaux matériaux intelligents, qui pourraient trouver des applications dans des domaines aussi différents que les nanotechnologies⁸⁷ ou la pharmacologie.⁸⁸ Sur cette base et compte tenu du caractère dynamique des foldamères, contrôler les propriétés de ces derniers grâce à une stimulation extérieure et ce, de manière réversible, constitue un défi

81 Ferrand, Y.; Kendhale, A. M.; Garric, J.; Kauffmann, B.; Huc, I., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2010, 49, 1778.

82 Stephens, O. M.; Kim, S.; Welch, B. D.; Hodsdon, M. E.; Kay, M. S.; Schepartz, A., J. Am. Chem. Soc.

2005, 127, 13126.

83 Vezenkov, L. L.; Martin, V.; Bettache, N.; Simon, M.; Messerschmitt, A.; Legrand, B.; Bantignies, J.-L.; Subra, G.; Maynadier, M.; Bellet, V.; Garcia, M.; Martinez, J.; Amblard, M., ChemBioChem 2017, 18, 2110.

84 Bornhof, A.-B.; Bauzá, A.; Aster, A.; Pupier, M.; Frontera, A.; Vauthey, E.; Sakai, N.; Matile, S., J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4884.

85 Denisov, S. A.; Gan, Q.; Wang, X.; Scarpantonio, L.; Ferrand, Y.; Kauffmann, B.; Jonusauskas, G.; Huc, I.; McClenaghan, N. D., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1328.

86 Zhang, D.-W.; Zhao, X.; Li, Z.-T., Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1961.

87 Abendroth, J. M.; Bushuyev, O. S.; Weiss, P. S.; Barrett, C. J., ACS Nano 2015, 9, 7746.

Chapitre 1. Foldamères Aromatiques Hélicoïdaux : Structures, Propriétés et Fonctions

40

excitant. Les aptitudes de ces espèces étant largement associées à leurs géométries si particulières, la description de nouvelles stratégies permettant de moduler leur conformation constitue un jalon important.

Dans ce cadre, une attention particulière a été portée à l’introduction d’unités photo-isomérisables de type azobenzène au cœur ou à la périphérie de foldamères.89 Cette unité présente une photochimie remarquable puisqu’elle subit une isomérisation E-Z par irradiation dans le domaine UV et peut reprendre sa configuration E d’origine par irradiation dans le visible ou simplement grâce à l’agitation thermique (Schéma 1-6). 90 Les diastéréoisomères Z et E de l’azobenzène présentent des géométries très différentes : la forme E est plane et les liaisons situées en positions 4 et 4’ sont orientées à 180° l’une de l’autre, tandis que la forme Z est tordue et présente des liaisons en positions 4 et 4’ séparées d’un angle de 60° environ. Il n’est donc pas étonnant que cette unité ait été sélectionnée pour piloter la conformation de divers foldamères.

Schéma 1-6. Isomérisation de l’azobenzène.90

A.1. Repliement et dépliement photo-commutable

Dès 2006, les équipes de Parquette et Hecht décrivent respectivement la synthèse et la caractérisation des foldamères I-3091,92 et I-31.93 Dans le premier cas, les auteurs ont montré que le processus d’isomérisation était plus efficace pour les groupements azobenzène terminaux qu’au cœur de ces oligomères et que la réaction d’isomérisation permettait de moduler l’énergie d’activation nécessaire à l’interconversion entre hélices M et P (Schéma 1-7). Hecht et Coll. ont quant à eux montré que le caractère hélicoïdal du foldamère I-31 était perdu par isomérisation transcis et restauré par simple relaxation thermique. Néanmoins, seuls 40% des foldamères perdent leur structure secondaire hélicoïdale à l’état photostationnaire. Il faudra finalement attendre 2011 pour que le même groupe décrive une séquence de

89 Yu, Z.; Hecht, S., Chem. Commun. 2016, 52, 6639.

90 Bandara, H. M. D.; Burdette, S. C., Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 1809.

91 Tie, C.; Gallucci, J. C.; Parquette, J. R., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1162.

92 King, E. D.; Tao, P.; Sanan, T. T.; Hadad, C. M.; Parquette, J. R., Org. Lett. 2008, 10, 1671.

Foldamères fonctionnels photo-commutables

41

repliement/dénaturation d’un oligomère, menée quantitativement par voie photochimique. Ce défi a pu être relevé à l’aide du foldamère I-32,94 qui adopte une conformation hélicoïdale uniquement si les groupements azobenzène le constituant sont de configuration Z.

Schéma 1-7. Structures des foldamères photostimulables I-30,91,92 I-31,93 I-32.94

Fort de ce succès, Hecht et son équipe ont effectué différentes avancées au cours des dernières années et ont montré grâce à cette famille de foldamères que : 1) l’équilibre entre structure hélicoïdale et brin déstructuré peut être sondé par résonance paramagnétique électronique, à condition de marquer l’oligomère à l’aide d’unités radicalaires (e.g. TEMPO),⁹⁵ 2) les réactions de photoisomérisation présentent un certain degré de coopérativité au sein de foldamères comportant plusieurs unités photostimulables identiques,⁹⁶ et 3) différents photochromes peuvent être introduits et stimulés indépendamment dans un oligomère donné, afin de piloter un changement de configuration/géométrie au cœur ou à la périphérie du foldamère.⁹⁷

A.2. Contrôle photochimique de la reconnaissance d’anions chlorures

Comme évoqué dans l’introduction de ce paragraphe, le contrôle conformationnel des foldamères présentent notamment un intérêt pour le relargage (ou la capture) contrôlée d’espèces invitées. À ce jour, les preuves d’un tel concept n’ont pu être apportées qu’avec l’ion

94 Yu, Z.; Hecht, S., Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 1640.

95 Yu, Z.; Weidner, S.; Risse, T.; Hecht, S., Chem. Sci. 2013, 4, 4156.

96 Yu, Z.; Hecht, S., Chem. Eur. J. 2012, 18, 10519.

Chapitre 1. Foldamères Aromatiques Hélicoïdaux : Structures, Propriétés et Fonctions

42

chlorure par les équipes de Flood98,99 et Jiang, respectivement avec les foldamères I-33100 et I-34.101

Dans sa configuration (trans, trans), I-33 forme un complexe relativement stable avec l’ion chlorure dans le solvant compétiteur que constitue l’acétonitrile (Ktrans,trans = 3000). Sous irradiation, I-33 est converti en diastéréoisomère (cis, cis), dont l’afffinité pour l’ion chlorure est plus faible (Kcis, cis = 380). Une partie des ions chlorure est donc libérée lors de ce processus photochimique (Figure 1-20).

Figure 1-20. Structure du foldamère I-33 et représentation schématique du relargage contrôlé de l’ion chlorure.100

De manière remarquable, le foldamère I-34 (Figure 1-21), décrit par Jiang et coll., présente une tendance inverse, puisque l’affinité de la forme cis pour les ions chlorure dans l’acétone (K = 290) est supérieure à celle du diastéréoisomère trans (K = 70). Cet effet étant bien plus marqué pour les ions chlorure que pour les ions nitrate ou hydrogénosulfate, les auteurs expliquent ce comportement par une plus grande complémentarité de forme dans le cas du stéréoisomère cis.

98 Hua, Y.; Liu, Y.; Chen, C.-H.; Flood, A. H., J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14401.

99 Lee, S.; Hua, Y.; Flood, A. H., J. Org. Chem. 2014, 79, 8383.

100 Hua, Y.; Flood, A. H., J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12838.

Foldamères commutables par voie redox

43

Figure 1-21. Reconnaissance d’anions photocontrôlée.101,89

A.3. Double hélice photo-stimulable

À notre connaissance, seul un exemple d’hélice double photo-stimulable a été décrit dans la littérature avec le foldamère trans-I-35 (Figure 1-22). Ce dernier photo-isomérise sans dissociation de l’homoduplexe, avec une élongation de l’hélice double d’environ 15% et constitue donc un ressort moléculaire photo-commutable. ¹⁰²

Figure 1-22. Photo-isomérisation du duplex I-35 décrit par Yashima.102