Synthèse de [1]rotaxanes par la méthode de reconnaissance active pour le développement d'une polymérase artificielle autonome et adaptative

Pour l'obtention du grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées

Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers - IC2MP (Diplôme National - Arrêté du 25 mai 2016)

École doctorale : Sciences pour l'environnement - Gay Lussac (La Rochelle) Secteur de recherche : Chimie organique, minérale et industrielle

Présentée par : Noël Pairault

Synthèse de [1]rotaxanes par la méthode de reconnaissance active pour le développement d'une polymérase

artificielle autonome et adaptative

Directeur(s) de Thèse : Sébastien Papot

Soutenue le 13 décembre 2016 devant le jury

Jury :

Président Sébastien Thibaudeau Professeur des Universités, Université de Poitiers

Rapporteur Frédéric Coutrot Maître de conférences, Université de Montpellier 2

Rapporteur Mélanie Ethève-Quelquejeu Professeur des Universités, Université Paris Descartes

Membre Sébastien Papot Professeur des Universités, Université de Poitiers

Membre Isabelle Opalinski Chargée de recherche CNRS, Université de Poitiers

Membre Vincent Aucagne Chargé de recherche CNRS, CBM d'Orléans

Pour citer cette thèse :

Noël Pairault. Synthèse de [1]rotaxanes par la méthode de reconnaissance active pour le développement d'une

polymérase artificielle autonome et adaptative [En ligne]. Thèse Chimie organique, minérale et industrielle. Poitiers

Pour l’obtention du grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS

(Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées) (Diplôme National – Arrêté du 7 août 2006)

Ecole Doctorale : Sciences Pour l’Environnement – Gay-Lussac Secteur de Recherche : Chimie Organique, Minérale et Industrielle

Présentée par :

Noël PAIRAULT

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

SYNTHESE DE [1]ROTAXANES PAR LA METHODE DE

RECONNAISSANCE ACTIVE POUR LE DEVELOPPEMENT D’UNE

POLYMERASE ARTIFICIELLE AUTONOME ET ADAPTATIVE

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

Directeur de Thèse :

Pr. Sébastien PAPOT, Professeur, Université de Poitiers

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

Soutenue le 13 décembre 2016 devant la Commission d’Examen

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

JURY

Dr. F. COUTROT Maître de conférences, Université Montpellier 2 Rapporteur

Pr. M. ETHEVE-

QUELQUEJEU Professeur, Université Paris Descartes Rapporteur

Dr. V. AUCAGNE Chargé de Recherche CNRS, CBM, Orléans Examinateur

Pr. S. PAPOT Professeur, Université de Poitiers Examinateur

Dr. I. OPALINSKI Chargée de Recherche CNRS, Université de Poitiers Examinateur

A mon Père A ma Mère A mes soeurs

Matériaux de Poitiers, de m’avoir accueilli dans cet ensemble de laboratoires de chimie qu’est l’IC2MP. Merci également à Yves Blériot, responsable de l’équipe de Synthèse Organique dans laquelle j’ai travaillé durant ces trois années.

J’exprime ma profonde gratitude à mon directeur de thèse, Sébastien Papot, Professeur de l’Université de Poitiers qui m’a permis de réaliser et de mener à bien ces travaux. Je le remercie pour les temps d’échanges autant ponctués de discussions sérieuses que de boutades douteuses… De même que pour sa confiance au travers de l’autonomie et de la liberté de choix qu’il m’a accordées. Enfin, je tiens à lui exprimer ma reconnaissance pour ses conseils qui m’ont toujours été utiles pour remonter la pente dans les moments difficiles.

Merci à Mélanie Ethève-Quelquejeu, Professeur de l’Université Paris Descartes et à Frédéric Coutrot, Maître de Conférences de l’Université de Montpellier 2, pour avoir accepté d’être les rapporteurs de ce travail de thèse et pour leurs jugements pertinents sur ce manuscrit. Je remercie également Vincent Aucagne, Chargé de recherches CNRS à l’institut CBM d’Orléans, et Sébastien Thibaudeau, Professeur de l’Université de Poitiers, d’avoir participé au jury de cette thèse et de l’intérêt porté à ces travaux.

Je tiens à remercier Isabelle Opalinski, Chargée de recherches CNRS à l’IC2MP, d’avoir participé en tant que membre de mon jury de thèse. Je la remercie aussi de m’avoir épaulé dans la réalisation de certaines expériences dans les tout derniers mois de ce doctorat. De plus, je lui dois le fait de ne pas avoir été submergé sous mes cartons et ainsi pouvoir terminer ces travaux sans encombre !

J’exprime ma reconnaissance aux membres de l’équipe « Systèmes Moléculaires Programmés » pour la bonne ambiance toujours présente, les discussions plus ou moins sérieuses (surtout moins finalement… !) et leur aide. Merci donc à Adrien (Monsieur Chounard !), Alexandre (José Tendresse pour les intimes), Romain, Jérôme, Thibault, Guillaume et Nathalie. Un remerciement spécial à Brigitte Renoux, Chargée de recherches CNRS à l’IC2MP, pour sa disponibilité, sa gentillesse mais aussi sa rigueur (ce qui nous aura valu quelques remontés de bretelles justifiées!). Et non Brigitte, je ne dormais pas au labo quand tu me voyais tôt le matin et tard le soir !

bienveillance et pour son aide sur les analyses de masses.

Merci à Frédéric Lecornué, Jérôme Guillard et Eric Bourdeau pour leur aide, leurs conseils ainsi que pour les discussions quelquefois loufoques !

Ensuite, je tiens particulièrement à remercier les personnes suivantes avec qui la thèse a été plus facile à vivre

Un grand merci donc à toi, Alexandra, pour les délires - pétages de plombs dans les labos, le soutien dans les moments les plus durs et les soirées autour de verres bien dosés (Tu vois, on y est arrivé !!).

Merci aussi à Jaufret pour ses imitations (Oh mon grand !!! T’oublieras pas que je t’ai aidé, hein ?!?!?), ses conseils informatiques et ses nombreux cookies.

Merci à Anne-Juliette pour les pauses relax et son soutien dans les longs weekends de labos (récompensés par des bières bien méritées !). Merci à eux deux aussi pour avoir rendu la rédaction beaucoup plus simple à vivre durant ce long été grâce aux pique-niques, discussions et siestes derrière le bâtiment.

MerciàAmélie(MissVIPencongrès)etUgopourleursoutien,lessoiréesetlesdélires.
Merci à Quentinde nous avoir suividurant cette période(bonne chance pour lasuite !).
Merci à Alexandre (Le Breton !) et Benoit (Oh poussin !!!) de nous avoir accompagné

en début de thèse, notamment autour de quelques verres au PLB… Avec modération ! De même, cette thèse n’aurait jamais été ce qu’elle est sans la présence d’amis, toujours présents pour me soutenir. De ce fait, un grand merci à Mika, Mélissa, Julien & Mélanie, Julien & Flore, Mathilde & Amaury ! Cette thèse est un peu la votre aussi !

Enfin, je n’oublie pas de remercier mes parents et mes sœurs pour m’avoir toujours soutenu, de m’avoir supporté lorsque mon humeur était plus que détestable mais aussi quand j’atteignais enfin mes buts. J’en sors grandi et fier.

Petite note pour mes neveux et nièces s’ils devaient lire ce manuscrit dans le futur : je suis peut être Docteur mais je ne soigne pas les gens ! Maintenant, à votre tour…

NOTES A L’ATTENTION DU LECTEUR

Pour parler d’un groupement volumineux nécessaire à la stabilité d’une molécule entrelacée, le terme français bouchon peut être utilisé mais nous préférons employer l’anglicisme stoppeur.

TABLE DES MATIERES ... 1

ABREVIATIONS ... 7

INTRODUCTION GENERALE ... 9

I. Les machines moléculaires ... 11

A. Généralités ... 11

B. Les machines moléculaires du vivant ... 13

1. Le filament de myosine II ... 13

2. Les kinésines ... 14

3. Les pompes à ions ... 15

4. Les machines moléculaires entrelacées du vivant ... 16

a. La λ-exonucléase ... 16

b. L’ATP synthase ... 17

A. Introduction aux molécules entrelacées ... 19

1. Les nœuds moléculaires ... 19

2. Les rotaxanes ... 21

3. Les méthodes de synthèses de rotaxanes ... 22

a. Méthode directe ... 23

b. Méthode de fermeture de l’axe (capping) : ... 23

c. Méthode de fermeture du macrocycle (clipping) : ... 24

d. Méthode de glissement (slipping) : ... 25

e. Méthode de reconnaissance active par un métal (active metal template) ... 26

II. Les machines moléculaires entrelacées synthétiques ... 28

A. Les interrupteurs moléculaires ... 28

1. Le muscle Cu/Zn ... 28

1. Les catalyseurs on/off ... 29

2. Les sondes fluorescentes ... 30

3. Le moteur moléculaire synthétique de Leigh ... 33

C. Les machines moléculaires à activité biologique ... 34

1. Les boucliers moléculaires ... 34

2. Les nanovalves ... 35

3. Les agents de bio-imagerie optiques ... 36

III. Les machines moléculaires entrelacées artificielles et autonomes pour la synthèse itérative de molécules. ... 37

A. L’époxydase synthétique de Nolte ... 37

B. La polymérase synthétique d’Harada ... 39

C. Le ribosome synthétique de Leigh ... 41

IV. Les [1]rotaxanes ... 44

A. Généralités ... 44

1. Historique ... 44

2. Stabilité d’un [1]rotaxane ... 45

B. Voies de synthèses de lassos moléculaires ... 47

1. Réaction de substitution nucléophile d’ordre 2 (SN2) ... 47

2. Formation d’une liaison amide ... 47

a. Par transamidation ... 47

b. Par couplage de type peptidique ... 48

3. Les réactions métallo-catalysées ... 49

c. Réaction catalysée au Cu(I) : réaction de CuAAC ... 49

b. Réaction catalysée au Cu(II) : couplage d’Eglinton ... 50

c. Réactions catalysées au palladium ... 50

d. Réactions catalysés au Ru(II) : métathèse ... 51

4. Autres réactions ... 52

C. Utilisation des [1]rotaxanes comme machines moléculaires ... 53

1. Le [1]rotaxane comme muscle moléculaire ... 53

V. Présentation du sujet de thèse ... 58

CHAPITRE I : SYNTHESE DE [1]ROTAXANES PAR LA METHODE DE RECONNAISSANCE ACTIVE CATALYSEE AU CUIVRE(I) ... 63

I. Introduction ... 65

A. Objectif du projet ... 65

B. Rappels bibliographiques ... 65

1. Cycloaddition 1,3-dipolaire de type Huisgen : formation de 1,2,3-triazoles ... 65

2. Synthèses de molécules entrelacées par la méthode de reconnaissance active catalysée au Cu(I) ... 68

a. Synthèse de [2]rotaxane ... 68

b. Synthèse d’un [3]rotaxane ... 69

c. Synthèse de [2]caténane ... 70

d. Synthèse de nœud moléculaire ... 71

C. Etude de la synthèse de [1]rotaxanes par RA-CuAAC ... 71

1. Présentation ... 71

2. La chiralité mécanique ... 72

3. Conception des premiers [1]rotaxanes 155 ... 75

II. Synthèse des lassos moléculaires 155 ... 77

A. Stratégie de synthèse ... 77

B. Préparation des précurseurs du macrocycle 154 ... 78

1. Synthèse de la dianiline 160 ... 78

2. Synthèse de la partie Sud 161 ... 79

C. Macrocyclisation ... 80

D. Essais de formation des lassos moléculaires 155 ... 82

1. Synthèse de l’espèce non-entrelacée 177 ... 82

a. Stratégie de synthèse ... 82

b. Synthèse de l’azoture 123 ... 83

c. Synthèse du bis-carbonate 178 ... 83

A. Stratégie de synthèse ... 88

B. Synthèse du bis-carbonate 188 ... 88

C. Synthèse du macrocycle 187 ... 89

D. Essai de formation des lassos moléculaires 186 ... 90

1. Synthèse de la molécule linéaire 194 ... 90

a. Stratégie de synthèse ... 90

b. Synthèse du bis-carbonate couplé 198 ... 91

c. Synthèse de la molécule non-entrelacée 194 ... 92

2. Essai de formation des lassos moléculaires 186 ... 93

IV. Introduction d’un frein moléculaire pour la synthèse de [1]rotaxanes ... 93

A. Intérêts et mise à l’épreuve des freins moléculaires ... 93

B. Etude du frein moléculaire 197 ... 95

1. Stratégie de synthèse du macrocycle 198 ... 95

2. Synthèse du bis-carbonate 199 ... 96

3. Synthèse du macrocycle 198 ... 96

4. Essais de rotaxanation à partir du macrocycle 198 ... 97

C. Etude de la phénylalanine à partir du macrocycle 207 ... 99

1. Stratégie de synthèse du macrocycle 207 ... 99

2. Synthèse du bis-carbonate 208 ... 99

a. Méthode n°1 ... 99

b. Méthode n°2 ... 101

c. Méthode n°3 ... 102

3. Synthèse du macrocycle 207 ... 103

4. Synthèse de la molécule non-entrelacée 227 ... 104

5. Essais de rotaxanation à partir du macrocycle 207 ... 105

D. Etude de la phénylalanine à partir du macrocycle 229 ... 109

1. Synthèse du bis-carbonate 213 ... 109

4. Essais de rotaxanation à partir du macrocycle 229 ... 111

E. Etude de la phénylalanine à partir du macrocycle 236-(S) ... 113

1. Stratégie de synthèse ... 113

2. Synthèse du macrocycle 236-(S) ... 114

3. Synthèse de la molécule non-entrelacée 231-(S) ... 117

4. Essais de formation de [1]rotaxanes par le macrocycle 236-(S) ... 118

a. Synthèse et caractérisation des molécules entrelacées 254-(S) ... 118

b. Optimisation de la réaction de rotaxanation ... 121

c. Hypothèses sur le rôle joué par Cu(OAc)2 ... 123

d. Piste pour expliquer la diastéréosélectivité de la réaction ... 126

V. Conclusion ... 131

CHAPITRE II : DEVELOPPEMENT D’UNE POLYMERASE ARTIFICIELLE ADAPTATIVE BASEE SUR UNE ARCHITECTURE ENTRELACEE ... 135

I. Introduction ... 137

A. Objectif du projet ... 137

B. Quelques rappels bibliographiques sur l’élongation des rotaxanes ... 138

II. Travaux réalisés ... 140

A. Etude des [2]rotaxanes 277 ... 140

1. Stratégie de synthèse ... 141

2. Synthèse du macrocycle 278 ... 141

3. Synthèse des [2]rotaxanes 277 ... 142

4. Synthèse du fil 287 ... 144

5. Etude du fonctionnement des [2]rotaxanes 277 ... 144

B. Etude des [2]rotaxanes 288 ... 146

1. Structure des [2]rotaxanes 288 ... 146

2. Essais de déprotection et mise en fonctionnement des [2]rotaxanes 288... 147

III. Conclusion ... 149

CONCLUSION GENERALE ... 151

PARTIE EXPERIMENTALE ... 155

B. Suivi de réactions et purification ... 158

C. Analyse des composés synthétisés ... 158

D. Analyse et purification par HPLC ... 159

II. Modes opératoires ... 161

A

Å : angström ACN : acétonitrile AcOEt : acétate d’éthyle Ar. : argon

arom. : aromatique

ADN : acide désoxyribonucléique ADP : adénosine diphosphate

APTS : acide para-toluènesulfonique ATP : adénosine triphosphate

B Boc : tert-butoxycarbonyle BOP : hexafluorophosphate de (benzotriazol-1-yloxy)tris(diméthylamino)phospho nium C

CCM : chromatographie sur couche mince CD : cyclodextrine

CLHP : chromatographie liquide haute performance

CuAAC : cycloaddition (2 + 3) alcyne-azoture catalysée par le Cu(I) Cys : cystéine D DCC : dicyclohexylcarbodiimide DCE : dichloroéthane DCM : dichlorométhane DIPEA : N,N-diisopropyléthylamine DMAP : 4-diméthylaminopyridine DME : 1,2-diméthoxyéthane DMF : N,N-diméthylformamide DMSO : diméthylsulfoxyde DMNB : 4,5-diméthoxy-2-nitrobenzyle DPPNP : 2,6-diphényl-para-nitrophényle E

e.d. : excès diastéréoisomérique EDC :

1-éthyl-3-(3-diméthylaminopropyl)carbodiimide EDTA.2Na : sel disodique d’acide

éthylènediaminetétraacétique EDTA.4Na : sel tétrasodique d’acide

éthylènediaminetétraacétique ELSD : evaporating light scattering

detector EP : éther de pétrole éq. : équivalent

ESI+ : ionisation positive par électrospray ESI- : ionisation négative par électrospray Et2O : éther diéthylique Et3N : triéthylamine et coll. : et collaborateurs F Fmoc : fluorénylméthoxycarbonyle G Gly : glycine

h : heures

HOBt : hydroxybenzotriazole Hz : hertz

I

i.e. : id est (littéralement, « c’est-à-dire ») IUPAC : international union of pure and

applied chemistry J j : jour M M : masse molaire MeNO2 : nitrométhane MeOH : méthanol min : minute N NHS : N-hydroxysuccinimide Nu : nucléophile P Pf : point de fusion pH : potentiel hydrogène Ph : phényl Pi : phosphate inorganique

PNPOCOCl : chloroformiate de para-nitrophényle

ppm : partie par million

Q

RA : reconnaissance active Rdt : rendement

Rf : rapport frontal

RMN : résonance magnétique nucléaire

S

SEAr : substitution électrophile aromatique SMHR : spectrométrie de masse haute

résolution

SN2 : substitution nucléophile d’ordre 2

T

TA : température ambiante

TBAF : fluorure de tétrabutylammonium TBAI : iodure de tétrabutylammonium tbpy : 4-tert-butylpyridine

t_{Bu : tertiobutyl}

Teoc : (2-(triméthylsilyl)éthoxycarbonyl) TFA : acide trifluoroacétique

TMS : triméthylsilyle THF : tétrahydrofurane TIPS : triisopropylsilyle Tr : temps de rétention U UV : ultraviolet Symboles δ : déplacement chimique ∆ : chauffage à reflux

I.

Les machines moléculaires

Le Centre National de Ressources Textuelles et Lexicales définit le terme « machine » comme étant un objet fabriqué complexe capable de transformer une forme d'énergie en une autre et/ou d'utiliser cette transformation pour produire un effet donné, pour agir directement sur l'objet de travail afin de le modifier selon un but fixé1.

A l’échelle moléculaire, le terme « machine » fait référence à un ensemble de dispositifs dans lequel les composantes moléculaires peuvent effectuer des changements dans leurs positions relatives comme une conséquence d’un ou de plusieurs stimuli externes2. Ces machines moléculaires ont aussi besoin d’énergie pour opérer et de signaux pour communiquer avec l’opérateur.

Parmi les machines moléculaires, on retrouve deux grandes familles : les moteurs et les interrupteurs3. Dans le cas des moteurs moléculaires, le système produit un travail au cours de son retour à l’état initial comme un moteur thermique. Après un cycle de fonctionnement, celui-ci est dans son état initial mais a permis la production d’un travail mécanique, responsable de la mise en rotation des roues d’une brouette4 ou d’une voiture5 moléculaire par exemple (schéma 1A).

Pour ce qui est des interrupteurs, le mouvement d’une portion de la machine entraine simplement un changement d’état du système. Lorsque cette partie de la machine retourne à sa position initiale, le système retrouve son état de base, à l’instar des interrupteurs pour l’allumage/extinction d’une ampoule (schéma 1B). Il est à noter que les moteurs moléculaires sont des systèmes qui peuvent inclure des interrupteurs.

1 _{http://www.cnrtl.fr/definition/machine}

2 _{(a) V. Balzani, A. Credi, M. Venturi, in Non-Covalent Assem. Mol. Mach. (Eds.: J.-P. Sauvage, P. Gaspard), Wiley-VCH} Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany, 2010, pp. 157–212 (b) V. Balzani, A. Credi, M. Venturi, Molecular

Devices and Machines, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany, 2008.

3 _{E. R. Kay, D. A. Leigh, F. Zerbetto, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 72–191.}

4 _{(a) G. Jimenez-Bueno, G. Rapenne, Tetrahedron Lett. 2003, 44, 6261–6263 (b) L. Grill, K.-H. Rieder, F. Moresco, G.} Jimenez-Bueno, C. Wang, G. Rapenne, C. Joachim, Surf. Sci. 2005, 584, L153–L158.

5 _{T. Kudernac, N. Ruangsupapichat, M. Parschau, B. Maciá, N. Katsonis, S. R. Harutyunyan, K.-H. Ernst, B. L. Feringa,}

A l’échelle de la molécule, les forces qui interviennent dans le fonctionnement de ces machines sont différentes de celles appliquées aux systèmes macroscopiques. Au fur et à mesure que l’échelle diminue, l’influence de la gravité et du moment d’inertie décroit au profit des forces de viscosité et du mouvement Brownien.

Schéma 1. Principe simplifié de fonctionnement A) d'un moteur moléculaire ; B) d'un interrupteur moléculaire

Certaines de ces machines sont des molécules entrelacées, dont les différentes parties sont liées par une liaison mécanique. Le Professeur Stoddart donne la définition suivante de la liaison mécanique : liaison avec laquelle au moins deux composants deviennent entrelacés mécaniquement l’un à l’autre, de quelque manière qu’elle soit6. L’architecture entrelacée permet d’accéder à des propriétés uniques :

- La liaison mécanique au sein de ces systèmes garantit la stabilité de la machine tout en ayant une liberté dans la disposition de leurs éléments.

- Cette structure particulière permet de limiter l’amplitude des mouvements des composantes et ainsi de réduire l’entropie du système.

- L’état du système, qui est déterminé par les interactions entre ses unités, peut être modulé par des stimulations externes.

Plusieurs de ces machines font partie intégrante des processus du vivant et ont inspiré les chimistes pour le développement de leurs propres machines moléculaires. Les paragraphes suivants vont exposer quelques-unes des machines du vivant, pour se focaliser plus Etat A Etat A Etat A Etat B Travail Etat A Travail Etat B Travail A) B)

particulièrement sur certaines d’entre elles qui possèdent une architecture entrelacée. Enfin, nous terminerons cette partie en présentant les machines entrelacées de synthèse.

B. Les machines moléculaires du vivant

1. Le filament de myosine II

Le premier exemple présenté est le filament de myosine II. C’est une protéine capable de se déplacer le long d’un filament d’actine grâce à deux unités motrices à son extrémité (figure 1). Cette action permet de générer le rapprochement ou l’éloignement de ces fibres et de produire la contraction/décontraction des sarcomères présents dans les muscles.

Figure 1. Structure d'un sarcomère, constituant des fibres musculaires

Ce fonctionnement est possible grâce à un processus cyclique composé de quatre étapes clés. Tout d’abord, une molécule d’adénosine triphosphate (ATP) interagit avec la myosine II, fortement liée au filament d’actine (étape 1, figure 2)7. Ceci entraine la dissociation du complexe ATP- myosine du filament d’actine, ainsi qu’une modification de conformation de la myosine. Dès lors, l’hydrolyse de l’ATP permet la formation d’un complexe [adénosine diphosphate/phosphate inorganique] (ADP.Pi) - myosine. L’énergie libérée entraine une rotation de l’extrémité de la myosine qui vient se lier au filament d’actine (étape 2). Puis, un motif Pi est relargué, permettant à la myosine d’adopter à nouveau sa conformation initiale et de se déplacer d’une distance de 5,3 nm lors de son repliement (étape 3)8. Finalement le

7 _{K. C. Holmes, Curr. Biol. 1997, 7, R112–R118.}

8 _{(a) K. Kitamura, M. Tokunaga, A. H. Iwane, T. Yanagida, Nature 1999, 397, 129–134 (b) Y. Ishii, A. Ishijima, T.} Yanagida, TRENDS Biotechnol. 2001, 19, 211–216.

système adopte à nouveau son état initial, après libération d’une molécule d’ADP (étape 4). Grâce à la mise en réseau d’un nombre très important de fibre de myosines, il est possible d’extraire de ces machines un travail suffisant pour entrainer la contraction musculaire.

Figure 2. Mécanisme d'action de la myosine II

2. Les kinésines

Les kinésines sont également des machines moléculaires pouvant se déplacer linéairement (figure 3). Elles représentent une famille de transporteurs du vivant, acheminant aussi bien des organelles que des protéines complexes au sein des cellules.

Comme un filament de myo microtubule par l’action d’AT libérée par l’hydrolyse de l’AT devant l’autre, et ainsi entrepre

3. Les pompes à ion Outre le déplacement générer des flux d’ions au tr pompes à calcium permettent extracellulaire grâce à un systè s’ouvrir vers le cytoplasme p ensuite entrainer la fermeture permettant aux cations de circ l’origine de la mise en mouv contraction ou d’élongation d’

Figure 4. A) Mécan

De même, les pompes à Na+/ volume cellulaire ou l’homéo manière que les pompes à c 9 _{(a) R. D. Vale, R. A. Milligan, Science} Selvin, Proc. Natl. Acad. Sci. 2009, 106, 10 _{(a) C. Olesen, M. Picard, A.-M. L. W} 1036–1042 (b) M. Brini, T. Calì, D. Otto 11 _{J.-D. Horisberger, Physiology 2004, 19}

A)

yosine, la kinésine est capable de se dépl ATP sur ses deux unités motrices terminales9 ATP, les « pieds » de la kinésine vont alternati prendre un déplacement linéaire sur le microtub

ons

nt linéaire, le vivant possède aussi des dispo travers des membranes cytoplasmiques. A ti

nt de faire circuler des ions Ca2+ _{du cytopla}

stème de sas10 (figure 4A). Dans un premier te pour laisser un ion Ca2+ y pénétrer. Une m ure de ce sas et induire son ouverture du c

irculer à l’extérieur de la cellule. Ce processu uvement des filaments de myosines, lors d’ d’un muscle.

anisme d'une pompe à Ca2+ ; B) Mécanisme d'une pompe à Na

/ K+ sont au cœur des processus vitaux tels éostasie du pH11 (figure 4B). Elles fonction calcium, toujours alimentées grâce à l’ATP

nce 2000, 288, 88–95 (b) E. Toprak, A. Yildiz, M. T. Hoffm

, 12717–12722.

Winther, C. Gyrup, J. P. Morth, C. Oxvig, J. V. Møller, P. N ttolini, E. Carafoli, FEBS J. 2013, 280, 5385–5397.

19, 377–387.

B)

placer le long d’un

9_{. Grâce à l’énergie}

ativement passer l’un ubule.

spositifs capables de titre d’exemple, les lasme vers le milieu temps, ce dernier va molécule d’ATP va côté extracellulaire, sus est notamment à d’un mouvement de Na+/K+ ls que le contrôle du ionnent de la même TP : trois atomes de man, S. S. Rosenfeld, P. R. . Nissen, Nature 2007, 450,

sodium se déplacent du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire, alors que deux atomes de potassium font le chemin inverse12. La différence de charge, générée au cours d’un cycle de transfert, permet de maintenir le gradient électrochimique, nécessaire au bon fonctionnement de la pompe.

4. Les machines moléculaires entrelacées du vivant

Il existe une classe particulière de machines moléculaires du vivant qui utilise des architectures entrelacées pour mettre en place certains processus biologiques.

a. La λ-exonucléase

La λ-exonucléase est une enzyme, composée de trois protéines, formant une large cavité macrocyclique dans laquelle vient se positionner un double brin d’ADN pour y subir l’hydrolyse d’un de ses deux brins (figure 5A). Le mécanisme de cette machine passe par une structure de type pseudorotaxane : l’enzyme capte un double brin d’ADN via l’ouverture la plus large de la cavité pour rencontrer le centre catalytique en son sein. L’autre ouverture de l’enzyme étant plus étroite, elle favorise l’hydrolyse d’un des deux brins d’ADN et la libération du second, et cela, de manière continue (figure 5B)13.

Figure 5. A) Structure DRX de la λ-exonucléase ; B) Structure entrelacée de la λ-exonucléase en fonctionnement

12 _{(a) G. Scheiner-Bobis, Eur. J. Biochem. 2002, 269, 2424–2433 (b) L. D. Faller, Arch. Biochem. Biophys. 2008, 476, 12–} 21.

b. L’ATP synt L’ATP synthase est u responsable de la producti biologiques14. Cette enzyme s sert de rotor et du deuxième d rôle de stator15. Il est à noter q par l’unité γ et que cette u (représenté par la flèche verte stabilité de la structure, faisa particulièrement un semi-rotax

Figure 6.A) Mécanisme de productio

Son mécanisme d’action se dé protons, qui existe du milieu rotation du cylindre c et du br rotation est transmise au bra déformation d’un couple α/β p

l’énergie nécessaire à la synthè cycle complet de cette machin 14 _{M. Schliwa, Ed. , Molecular Motors, W} 15 _{K. Kinbara, T. Aida, Chem. Rev. 2005} 16 _{C. Mavroidis, A. Dubey, M. L. Yarmu}

A)

nthase

t un autre exemple de machine entrelacée d ction d’ATP, source d’énergie indispensab se compose du domaine vert (figure 6A, sous domaine orange (figure 6A, sous-unités a, b, r que la cavité dessinée par les composantes α

unité possède un bras perpendiculaire au s te, figure 6B). De plus, la présence du lien b isant de l’ATP synthase l’un des plus célè taxane) du vivant.

tion d'ATP par l'ATP synthase ; B) Implication du bras γ dans

déroule en deux étapes16. Dans un premier tem eu extracellulaire au milieu intracellulaire, pe

bras γ, à l’image d’un moulin à eau. Dans un s

ras γ situé dans la tête α/β de l’enzyme, p pour chaque angle de 120° parcouru. Cette d thèse de l’ATP, via une molécule d’ADP et d’u hine produit trois molécules d’ATP et peut au

, Wiley-VCH, Weinheim, 2003. 05, 105, 1377–1400.

ush, Annu. Rev. Biomed. Eng. 2004, 6, 363–395.

B)

e du vivant, qui est sable aux systèmes us-unités c, γ, ε) qui , α, β, δ) qui joue le

α et β, est traversée sein de cet espace permet d’assurer la lèbre rotaxane (plus

ns la synthèse de l’ATP

temps, le gradient de permet de générer la n second temps, cette provoquant ainsi la déformation apporte ’un Pi. De ce fait, un aussi être réversible,

i.e. produire un gradient de protons lorsque l’enzyme est en présence d’une forte concentration d’ATP17.

Ainsi, au regard de ces quelques exemples, le vivant regorge d’une grande diversité de machines moléculaires, qui fonctionnent sur une base commune. Un apport d’énergie entraine la mise en fonction du système, de manière itérative jusqu’à ce que le processus arrive à la fin de son programme ou bien lorsqu’il est en manque d’énergie. Dans le but de mieux comprendre le fonctionnement de ces systèmes biologiques, les chimistes se sont inspirés du vivant afin de mettre au point leurs propres machines moléculaires, parmi lesquelles se trouvent des moteurs, des transporteurs, des catalyseurs on/off, des pinces (figure 7) etc.18

Figure 7. Exemples de machines moléculaires non entrelacées

Cependant, l’architecture entrelacée apporte des propriétés inédites, pour le fonctionnement de ces machines synthétiques et fait apparaitre des perspectives intéressantes pour leur développement. C’est pourquoi la suite du manuscrit va s’attacher plus particulièrement à ces molécules.

A. Introduction aux molécules entrelacées

Tout d’abord, rappelons qu’une molécule entrelacée se définit comme un agencement d’une ou de plusieurs unités, liées entre elles par une liaison mécanique, ce qui la distingue des édifices supramoléculaires. La liaison mécanique permet de maintenir l’ensemble des éléments du système liés entre eux. En outre, il est nécessaire de rompre une liaison covalente pour pouvoir séparer les différentes parties (figure 8). Dès lors, cet agencement moléculaire permet l’émergence de nouvelles propriétés, notamment la diminution de l’entropie du système grâce à l’augmentation de la probabilité de rencontre de ses différentes unités19_{. Les}

molécules entrelacées sont classées en deux catégories : les nœuds moléculaires et les rotaxanes.

Figure 8. A) Exemple de molécule entrelacée : l’Olympiadane (Stoddart et coll.)20; B) Exemple d'assemblage

supramoléculaire (Leigh et coll.)21

1. Les nœuds moléculaires

Les nœuds moléculaires forment une grande famille de composés, constitués d’une ou de plusieurs structures macrocycliques, possédant au minimum un point de croisement lorsqu’ils sont représentés dans un plan22. La figure 9 met en évidence la diversité de ces nœuds moléculaires notés xzy, suivant la nomenclature d’Alexander-Briggs23 : x représente le nombre de croisements, y le nombre de composants et z le classement du nœud parmi les autres systèmes possédant le même nombre de croisements et d’unités. Il est à noter que lorsque y = 1, il n’est pas nécessaire de le faire apparaitre dans la description.

19 _{E. A. Neal, S. M. Goldup, Chem. Commun. 2014, 50, 5128.}

20 _{D. B. Amabilino, P. R. Ashton, A. S. Reder, N. Spencer, J. F. Stoddart, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1994, 33, 1286–1290.} 21 _{B. A. Blight, C. A. Hunter, D. A. Leigh, H. McNab, P. I. T. Thomson, Nat. Chem. 2011, 3, 244–248.}

22 _{C. C. Adams, The Knot Book, American Mathematical Soc., 1994.} 23 _{J. W. Alexander, G. B. Briggs, Ann. Math. 1926, 28, 562.}

Ces structures ne sont pas uni milieux biologiques. A titre d topoisomérase I de E. coli, se p

Figure 10. A) P

3

A)

Figure 9. Table des nœuds

niquement synthétiques mais peuvent aussi se d’exemple, la protéine RecA (figure 10), pr e présente sous la forme d’un nœud de trèfle (n

Protéine RecA en nœud de trèfle ; B) Topologie nœud de trèfl

1 2 3 1 3 B)

se retrouver dans les produite par (noté 31 ,figure 9)24.

èfle

2. Les rotaxanes

L’autre grande famille de molécules entrelacées est celle des rotaxanes. Ils peuvent être définis comme étant constitués d’une ou de plusieurs unités macrocycliques (communément appelées macrocycles), situées autour d’un ou de plusieurs ensembles linéaires (fils), disposant de groupements volumineux (stoppeurs), à leurs extrémités (figure 11). La présence de ces stoppeurs empêche le désenfilement du macrocycle et assurent la stabilité de la molécule25. La nomenclature définit un nombre entre crochets qui renseigne sur le nombre total d’unités (linéaires et macrocycliques) liées de manière mécanique au sein du rotaxane.

Figure 11. Structure simplifiée d'un [2]rotaxane

Le premier [2]rotaxane 3 a été synthétisé par Harrison et Harrison en 1967. Il est composé, en vert, d’une α-hydroxy-cétone cyclique et d’une chaine alkyle en noir, se terminant à ses extrémités par un éther de trityle volumineux, en rouge (schéma 2)26.

Schéma 2. Synthèse statistique de [2]rotaxane (Harrison & Harrison)

25 _{(a) P. Waelès, B. Riss-Yaw, F. Coutrot, Chem. – Eur. J. 2016, 6837–6845 (b) K. D. Haenni, D. A. Leigh, Chem. Soc. Rev.} 2010, 39, 1240–1251.

Celui-ci a été formé à partir d’une résine sur laquelle est greffée le macrocycle 1, mis en réaction avec du chlorure de trityle et le décan-1,10-diol 2 suivant une méthode statistique (schéma 2). Cette procédure conduit à la formation du fil au sein du macrocycle sans aucune interaction stabilisante. Cette méthode reste toutefois très limitée pour la synthèse d’architectures entrelacées car après plus de 70 cycles réactionnels successifs, et le clivage de la résine, le [2]rotaxane 3 n’a pu être isolé qu’avec un faible rendement de 6 %.

Ainsi, les chimistes ont entrepris l’étude de nouvelles méthodes permettant de synthétiser des rotaxanes de façon plus efficaces.

3. Les méthodes de synthèses de rotaxanes

A ce jour, cinq voies de synthèses existent pour préparer des rotaxanes : la méthode directe, la fermeture de l’axe au sein du macrocycle (capping), la fermeture du macrocycle autour de l’axe (clipping), le glissement du macrocycle (slipping) et enfin la reconnaissance active par un métal (active metal template) (figure 12).

Figure 12. Stratégies de synthèses d'un [2]rotaxane : A) méthode directe ; B) par fermeture de l'axe ; C) par glissement ; A)

B)

C)

D)

Ces méthodes font intervenir diverses interactions (π-stacking, liaisons hydrogène, complexes

métalliques de coordination, interactions ions-dipôles, liaison covalente…etc.), sans lesquelles il serait extrêmement compliqué de réaliser la synthèse de molécules entrelacées. Les méthodes de synthèse décrites dans les exemples suivants s’appliquent à la préparation de [2]rotaxanes mais sont tout à fait valables pour des rotaxanes d’ordres supérieures.

a. Méthode directe

La méthode directe a vu le jour avec la synthèse de Schill publiée dans les années 60 et fait intervenir un précurseur du rotaxane attendu, composé uniquement de liaisons covalentes27. Mais cette synthèse est fastidieuse avec un grand nombre d’étapes et des rendements très faibles en molécules entrelacées. Il faudra attendre les années 2000 pour voir apparaitre les premières synthèses directes de [2]rotaxanes avec de très bonnes sélectivités et de bons rendements28. La stratégie d’Hirose et coll. consiste en la formation multi-étapes du précurseur de rotaxanes 4 constitué uniquement de liaisons covalentes. L’attaque nucléophile de la 3,5-diméthylbenzylamine par la face la moins encombrée conduit alors au [2]rotaxane 5 avec un rendement de 82 % (schéma 3)29.

Schéma 3. Synthèse d'un [2]rotaxane par la méthode directe (Hirose et coll.)

b. Méthode de fermeture de l’axe (capping) :

Cette méthode est basée sur la pré-organisation du macrocycle autour du fil grâce à des interactions supramoléculaires, donnant forme à un [2]pseudorotaxane (un [2]rotaxane sans les deux stoppeurs), suivie de la fermeture de l’axe par l’ajout de stoppeurs à ses extrémités, aboutissant ainsi au [2]rotaxane correspondant.

27 _{G. Schill, H. Zollenkopf, Justus Liebigs Ann. Chem. 1969, 721, 53–74.}

28 _{(a) K. Hiratani, J. Suga, Y. Nagawa, H. Houjou, H. Tokuhisa, M. Numata, K. Watanabe, Tetrahedron Lett. 2002, 43,} 5747–5750 (b) H. Kawai, T. Umehara, K. Fujiwara, T. Tsuji, T. Suzuki, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 4281–4286. 29 _{K. Hirose, K. Nishihara, N. Harada, Y. Nakamura, D. Masuda, M. Araki, Y. Tobe, Org. Lett. 2007, 9, 2969–2972.}

Le premier [2]rotaxane 6, synthétisé sur la base de cette méthode, a été publié par Ogino en 1981, à partir d’un sel de cobalt (III) volumineux, de la 1,12-diaminododécane et d’une α-cyclodextrine (α-CD) (schéma 4)30. Dans le DMSO, la diamine est stabilisée au sein de la CD grâce aux effets hydrophobes, ce qui produit la formation d’un pseudorotaxane. Deux complexes amine/Co(III) sont alors formés à partir des amines terminales et le sel de cobalt (III), bloquant ainsi la cyclodextrine autour du fil. D’autres synthèses ont été publiées depuis en utilisant, par exemple, les liaisons hydrogène31 ou bien encore des interactions ions/dipôles32 pour favoriser le pré-assemblage des éléments entrelacés.

Schéma 4. Synthèse d'un rotaxane par la méthode de fermeture de l'axe (Ogino)

c. Méthode de fermeture du macrocycle (clipping) :

Cette méthode utilise le fil déjà fonctionnalisé par ces stoppeurs et les fragments qui composeront le macrocycle. Grâce à des interactions stabilisantes, le fil et les fragments du futur macrocycle vont se pré-assembler et réagir ensemble pour former le rotaxane33.

L’équipe du Professeur Stoddart a notamment utilisé cette méthode pour la synthèse du [5]rotaxane 10 grâce à une réaction de couplage entre la dianiline 7 et le dialdéhyde 9, en présence du fil 8 tétra-chargé (schéma 5)34_{. Grâce aux quatre fonctions ammonium situées sur}

le fil 8 et aux interactions ions/dipôles avec le macrocycle, il leur a été possible de synthétiser la molécule 10 avec un impressionnant rendement de 96 %.

30 _{H. Ogino, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 1303–1304.}

31 _{A. Tron, P. J. Thornton, M. Rocher, H.-P. Jacquot de Rouville, J.-P. Desvergne, B. Kauffmann, T. Buffeteau, D. Cavagnat,} J. H. R. Tucker, N. D. McClenaghan, Org. Lett. 2014, 16, 1358–1361.

32 _{S. J. Rowan, S. J. Cantrill, J. F. Stoddart, Org. Lett. 1999, 1, 129–132.}

33_{(a) J. Yin, X. Han, G. Liu, S. Liu, Org. Biomol. Chem. 2016, DOI 10.1039/C6OB01581F (b) J. Wu, K. C.-F. Leung, J. F.} Stoddart, Proc. Natl. Acad. Sci. 2007, 104, 17266–17271.

Schéma 5. Synthèse du [5]rotaxane 10 par la méthode de fermeture du macrocycle (Stoddart et coll.)

d. Méthode de glissement (slipping) :

La méthode de glissement permet la synthèse de [2]rotaxanes à partir d’un macrocycle et d’un fil, dont les stoppeurs ont été préalablement installés. Comme son nom l’indique, cette méthode permet au macrocycle de « glisser » le long du fil, nécessitant un contrôle délicat de la taille de sa cavité et de celle des stoppeurs. L’énergie thermique doit être suffisante pour permettre au macrocycle de passer la barrière énergétique liée à la gêne stérique des stoppeurs. Cependant, la stabilisation apportée après réaction, i.e. lorsque le macrocycle se trouve autour du fil, doit être suffisamment grande pour éviter le désentrelacement de la structure. Ceci fait que cette méthode est actuellement peu utilisée pour le développement de molécules entrelacées.

L’exemple proposé par l’équipe de Tiburcio met bien en évidence le contrôle délicat de la taille des éléments lors de l’utilisation de cette méthode35_{. A partir de la}

dibenzo-24-couronne-8 (DB24C8) et de fils comportant un pyridinium commun et un ammonium de

différente taille, ils ont tenté de réaliser l’enfilement du macrocycle sur la partie linéaire (schéma 6). Les interactions ions/dipôles entre les éléments permettraient de garantir la stabilité de la molécule entrelacée.

Schéma 6. Synthèse du [2]rotaxane 14 par la méthode de glissement (Tiburcio et coll.)

Ils ont ainsi pu mettre en évidence la taille trop petite du motif pipéridine 11 et trop grosse du motif à 8 atomes 13 pour cette réaction. Seule un motif azépane 12 possède la taille idéale pour permettre le passage du macrocycle (sous forme azépanium) ainsi que sa rétention sous la forme du rotaxane 14 après déprotonation de l’ammonium.

e. Méthode de reconnaissance active par un métal (active metal template) Cette dernière méthode, développée en 2006 par l’équipe du Professeur Leigh, fait intervenir un métal, chélaté au centre d’un macrocycle36. Ce métal joue un double rôle. Il va tout d’abord pré-assembler les éléments de la réaction sur chacune des faces du macrocycle et ensuite, servir de catalyseur à la réaction de synthèse du fil au sein de la cavité, débouchant sur la formation d’un rotaxane. Cette méthode a été utilisée avec plusieurs cations métalliques différents (Ni2+, Cu+, Zn2+, Pd2+, …)37.

A titre d’exemple, l’équipe de Leigh a réalisé la synthèse du rotaxane 19 grâce à la réaction oxydante de Heck en présence de Pd(II) (schéma 7)38_.

36 _{V. Aucagne, K. D. Hänni, D. A. Leigh, P. J. Lusby, D. B. Walker, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 2186–2187.} 37 _{J. E. Beves, B. A. Blight, C. J. Campbell, D. A. Leigh, R. T. McBurney, Angew. Chem.-Int. Ed. 2011, 50, 9260–9327.}

Schéma 7. Mécanisme réactionnel de la synthèse de [2]rotaxane par reconnaissance active catalysée au Pd(II)

pour la réaction de Heck (Leigh et coll.)

La réaction débute par la chélation du Pd(II) au sein du macrocycle 15 par la bipyridine endocyclique. La transmétallation avec l’acide arylboronique 16 permet le positionnement du premier motif sur l’une des faces du macrocycle. La π-coordination entre l’alcène 18 et le centre métallique 17 s’effectue alors sur la face opposée, pour des raisons stériques. Une insertion migratoire puis une β-élimination d’hydrure permet de former l’alcène conjugué au sein de la cavité et, par conséquent, le [2]rotaxane 19 avec un rendement de 73 %. Comme la réaction de Heck libère un atome de Pd(0) et que seul le cation métallique Pd(II) est chélaté par le macrocycle, une étape d’oxydation du palladium par le couple O2-benzophenone

permet d’entreprendre cette réaction dans des conditions catalytiques en cation métallique. Ces méthodes ont permis l’émergence d’une grande diversité de molécules entrelacées depuis plus de trente ans et les chimistes ont alors pu se pencher sur l’étude de machines moléculaires plus complexes, en utilisant les propriétés inhérentes à ce type d’architecture.

II.

Les machines moléculaires entrelacées synthétiques

Rappelons qu’un interrupteur moléculaire est un système qui réalise un travail pour aller de l’état initial A vers l’état final B, puis l’annule lors de son retour à l’état initial A.

1. Le muscle Cu/Zn

En 2000, Sauvage et coll. ont montré la synthèse et le fonctionnement du premier muscle moléculaire artificiel39. Sa structure est le dimère d’un macrocycle dont la chaine latérale passe au centre de la cavité du deuxième et la stabilité assurée par un groupement tri(4-(tert-butyl)phényl)méthyle (schéma 8).

Schéma 8. Fonctionnement d’un muscle moléculaire avec la forme contractée 21 et étendue 20 (Sauvage et coll.)

Cet interrupteur moléculaire fonctionne via une permutation réversible entre les cations métalliques Zn2+ et Cu+. La forme décontractée du muscle 20 est obtenue lors de la chélation du Cu(I) par l’ensemble des motifs phénantrolines alors que la forme contractée 21 est générée par une ligation du Zn(II) par les motifs phénantrolines des macrocycles et les terpyridines des fils. Cette différence de structure est liée à la géométrie de coordination penta-coordinée dans le cas du Zn(II) et pseudo-tétraédrique pour le Cu(I). Le système est alors capable d’entreprendre un changement d’état avec un déplacement estimé de 18 Å, soit un résultat comparable aux muscles naturels (≈ 27%).

1. Les catalyseurs on/off

Ces interrupteurs peuvent être utilisés en tant que catalyseurs fonctionnant suivant un système on/off. En 2012, Leigh et coll. ont présenté la synthèse d’un de ces exemples, sous la forme du [2]rotaxane 22, dont l’amine du fil est le motif catalytique pour l’addition de Michael d’un thiol sur un aldéhyde conjugué (schéma 9)40. Cette machine fonctionne par un contrôle acido-basique. Le macrocycle se positionne au niveau de l’amine protonnée 22-(+) grâce à des interactions ion/dipôles et « empoisonne » ainsi le catalyseur en empêchant toute réaction. En présence de base, le macrocycle se déplace vers les méthyltriazoliums, où les interactions sont plus importantes qu’avec l’amine libre, qui peut alors jouer son rôle de catalyseur. Le processus est réversible car l’ajout d’acide trifluoroacétique inhibe à nouveau toute activité catalytique du [2]rotaxane 22.

Schéma 9. Représentation des modes on/off du catalyseur 22 (Leigh et coll.)

2. Les sondes fluorescentes

Les sondes fluorescentes sont des machines moléculaires capables de détecter une cible et de traduire cette détection par un signal optiquement visible. L’équipe de Smith a synthétisé la machine 23, à partir d’un macrocycle tétra-lactame, capable d’encapsuler un squaraine41_{. La fluorescence de cette machine peut être contrôlée par l’ajout d’ions Cl}

-(schéma 10). En l’absence de chlorures, le macrocycle reste positionné sur le squaraine alors qu’en leur présence, le macrocycle se déplace vers l’une des stations phénol, entrainant une modification de la bande d’émission du squaraine et une augmentation de la fluorescence. Finalement, l’extraction de l’anion Cl- du rotaxane déclenche le retour du macrocycle autour du squaraine avec pour conséquence une diminution de la fluorescence.

Schéma 10. Fonctionnement du senseur fluorescent 23 (Smith et coll.)

B. Les moteurs moléculaires

Les moteurs moléculaires font partie de ces molécules capables d’accomplir un cycle de fonctionnement et de pouvoir produire un travail, tels que la myosine ou la kinésine dans le vivant. Plusieurs exemples de moteurs moléculaires synthétiques ont déjà été publiés.

1. La « poutre cantilever » moléculaire

En 2005, Stoddart, Ho et coll. ont utilisé le [3]rotaxane 24 pour mettre au point une « poutre cantilever » moléculaire, capable d’entrainer la courbure d’une surface d’or (schéma 11). Ce rotaxane possède deux stations préférentielles pour chaque cyclophane tétracationique cyclobis(paraquat-para-phenylene) (CBPQT4+_{) : le motif tétrathiafulvalène}

(TTF) et un naphtalène (NP), d’affinité plus faible pour le macrocycle42_.

O O O S S S S O O O O O O S S O O O N N N N S S N N N N O O O O O O O O O O O N N N N O O O O SS N N N N O O O O S S O O O O O S S O O O O SS SURFACE D'OR SURFACE D'OR S S S S S S S S Fe(ClO4)2 Oxydation acide ascorbique Réduction 24

Schéma 11. Fonctionnement d’une « poutre cantilever » moléculaire sous la forme du [3]rotaxane 24 (Stoddart, Ho et coll.)

Cette machine est dirigée par des processus d’oxydo-réduction. Lorsque la machine est mise en présence de Fe(ClO4)3, l’unité TTF est oxydée en ion TTF2+, ce qui génère des répulsions

coulombiennes avec l’anneau CBPQT4+ _{et oblige le macrocycle à se déplacer vers la station}

NP. Ce rapprochement des macrocycles, de 2,8 nm environ, produit une courbure locale de la surface d’or qui, par effet cumulatif, aboutit à une déflexion générale de la surface de 35 nm.

42 _{Y. Liu, A. H. Flood, P. A. Bonvallet, S. A. Vignon, B. H. Northrop, H.-R. Tseng, J. O. Jeppesen, T. J. Huang, B. Brough,} M. Baller, S. Magonov, S. D. Solares, W. A. Goddard, C.-M. Ho, J. F. Stoddart, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9745–9759.

L’introduction d’acide ascorbique entraine la réduction de la station TTF2+, suivie du déplacement du macrocycle vers cette station, induisant le retour à l’état initial de la surface métallique. Ils ont aussi montré que le processus est bien lié à l’architecture entrelacée car l’expérience réalisée avec le fil seul n’a pas permis d’observer une quelconque courbure.

2. Le tapis roulant moléculaire

Dans la même année, Leigh, Rudolf, Zerbetto et coll. ont présenté la fonctionnalisation d’une surface d’or par le [2]rotaxane 25, capable de modifier la tension de surface d’un support en exposant ou masquant un motif tétrafluorosuccinamide (schéma 12)43_.

Schéma 12. Fonctionnement de la machine moléculaire 25 (à gauche) et mise en mouvement d’une goutte de CH2I2 avec une

surface fonctionnalisée de composé 25 (à droite) (Leigh, Rudolf, Zerbetto et coll.).

Le système fonctionne sous irradiation UV, ce qui provoque l’isomérisation de la double liaison du groupement fumaramide, empêchant une stabilisation du macrocycle par liaisons hydrogène. Ce dernier se déplace alors vers le segment fluoré du fil. Ce changement de station diminue l’énergie de surface, ce qui permet de réaliser le transport d’une goutte de diiodométhane dans le sens ascendant d’une pente de 12 %. Lors de l’irradiation de sa partie haute, la goutte accumule une certaine énergie, liée à la différence de tension de surface entre

les parties irradiée et non irradiée. Lorsque cette énergie est suffisante, toute la goutte se déplace vers la zone irradiée, où la surface de contact est maximale et la tension de surface minimale. Il est à noter que c’est l’ensemble des [2]rotaxanes déposés sur la surface qui joue le rôle de moteur moléculaire car chaque molécule est considérée comme un interrupteur.

3. Le moteur moléculaire synthétique de Leigh

Récemment, l’équipe de Leigh a utilisé l’architecture entrelacée d’un [2]caténane pour mettre au point la molécule 26 comme un véritable moteur moléculaire. En effet, la consommation d’un carburant entraine la mise en mouvement unidirectionnel d’un des macrocycles par rapport à l’autre (schéma 13)44.

Schéma 13. Fonctionnement du moteur moléculaire 26 alimenté en FmocCl (Leigh et coll.)

Cette machine fonctionne grâce à un processus de protection/déprotection d’alcool via un carbonate de Fmoc et à deux stations fumaramides (Fum et Fum-2D). Le macrocycle est en équilibre entre ces deux stations lorsque celles-ci sont accessibles (états 2 et 4). La protection de l’alcool est dépendante de la position du macrocycle alors que sa déprotection ne l’est pas.

Le système peut alors passer de l’état 1 à l’état 2 ou 4 de manière égale. Toutefois, la protection de l’alcool est favorisée lorsque le macrocycle est loin de sa position. Le système passe donc majoritairement de l’état 2 à l’état 3 et de l’état 4 à l’état 1.

Ces différences de cinétiques permettent d’orienter le mouvement du macrocycle vert dans une direction définie, en consommant deux équivalents de chlorure de Fmoc lors d’un cycle de fonctionnement de la machine.

C. Les machines moléculaires à activité biologique

Les systèmes entrelacés à activité biologique sont une famille émergente de la « machinerie moléculaire », notamment pour la conception de biotechnologies. L’entrelacement peut apporter des propriétés inédites qui pourraient permettre à ces machines de devenir les outils thérapeutiques de demain45.

1. Les boucliers moléculaires

En 2012, Aucagne, Leigh, Papot et coll. ont conçu le [2]rotaxane 27, capable de vectoriser la Met-enképhaline 29 dans l’environnement d’une cellule cancéreuse (schéma 14)46. Dans ce cas, le macrocycle joue le rôle de bouclier moléculaire afin d’éviter la dégradation prématurée de la Met-enképhaline par les peptidases plasmatiques. Sous l’action de la β-galactosidase, le stoppeur galactosylé est clivé, libérant le phénol 28, lequel subit alors

une élimination 1,6, suivie d’une décarboxylation spontanée, donnant lieu au désentrelacement de la structure et la libération du peptide 29.

Alors que le peptide seul est dégradé en moins de 5 minutes dans le plasma humain, le [2]rotaxane 27 est récupéré à plus de 95 %, après trois jours dans les mêmes conditions , ce qui prouve l’intérêt de dériver ces peptides sous forme de rotaxanes pour leurs usages thérapeutiques.

45_{N. Pairault, R. Barat, I. Tranoy-Opalinski, B. Renoux, M. Thomas, S. Papot, Comptes Rendus Chim. 2016, 19, 103–112.} 46 _{A. Fernandes, A. Viterisi, F. Coutrot, S. Potok, D. A. Leigh, V. Aucagne, S. Papot, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6443–}

Schéma 14. Mécanisme de libération de la Met-enkephaline par action de la β-galactosidase sur le [2]rotaxane 27 (Aucagne, Leigh, Papot et coll.)

2. Les nanovalves

Stoddart, Zink et coll. ont été les premiers à utiliser des nanovalves pour stocker et libérer des molécules organiques47. Cela repose sur l’utilisation de nanoparticules de silice mésoporeuses fonctionnalisées par des [2]rotaxanes, conçues pour délivrer des composés bioactifs via un stimulus externe. L’équipe de Zhao a accompli la synthèse du système 30/31 et vérifié le fonctionnement de ces nanovalves in vivo48. Il est composé d’une unité azobenzène, station privilégiée pour la α-CD représentant le macrocycle du [2]rotaxane (schéma 15).

Schéma 15. Utilisation des [2]rotaxanes 30/31 comme valve moléculaire pour la libération contrôlée

in vivo de molécules de curcumine (Stoddart, Zink et coll.)

47 _{T. D. Nguyen, H.-R. Tseng, P. C. Celestre, A. H. Flood, Y. Liu, J. F. Stoddart, J. I. Zink, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.} 2005, 102, 10029–10034.

48 _{H. Yan, C. Teh, S. Sreejith, L. Zhu, A. Kwok, W. Fang, X. Ma, K. T. Nguyen, V. Korzh, Y. Zhao, Angew. Chem. Int. Ed.} 2012, 51, 8373–8377.

A partir du système trans 31, la α-CD peut accéder à cette station et permettre l’accès des mésopores aux molécules de curcumines. Sous irradiation UV à 365 nm, l’isomérisation trans-cis de l’azobenzène modifie l’encombrement stérique autour du macrocycle, qui se déplace vers la station triazole, bloquant ainsi l’entrée des mésopores. Les molécules sont alors piégées au sein des nanoparticules. Lorsque ces nanoparticules sont injectées chez des larves de poissons zèbres pourvus d’insuffisance cardiaque, l’incubation à 37°C suffit pour permettre la relargage continu de curcumines et réguler ainsi le débit cardiaque.

3. Les agents de bio-imagerie optiques

Les squaraines peuvent être utilisés en tant que sonde pour la bio-imagerie. L’équipe de Smith a réalisé la synthèse de plusieurs rotaxanes capables de protéger ces motifs de toute dégradation dans les milieux biologiques49.

En 2010, ils ont réussi à développer le [2]rotaxane 32 capable de produire à la fois de la fluorescence mais aussi de la chimiluminescence (schéma 16)50. Des microparticules ont été fonctionnalisées par ces rotaxanes et testées in vivo chez des souris. Une fois activée à 37°C, le [2]rotaxane 32 entreprend une réaction de cycloréversion du péroxyde endocyclique, découlant sur la libération d’une molécule d’oxygène singulet avec l’émission d’un rayonnement proche IR. Du fait de ces deux propriétés optiques, ce système est particulièrement intéressant à utiliser en tant que sondes moléculaires bimodales.

Schéma 16. Réaction de cycloréversion au sein du [2]rotaxane 32 (Smith et coll.)

49 _{(a) J. J. Gassensmith, J. M. Baumes, B. D. Smith, Chem. Commun. 2009, 6329 (b) E. Arunkumar, N. Fu, B. D. Smith,}

Chem. - Eur. J. 2006, 12, 4684–4690 (c) E. Arunkumar, C. C. Forbes, B. C. Noll, B. D. Smith, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127,

3288–3289.

III.

Les machines moléculaires entrelacées artificielles et autonomes pour

la synthèse itérative de molécules.

Au regard des machines moléculaires du vivant et des propriétés extrêmement intéressantes qu’offre l’entrelacement de molécules, certains chimistes se sont attelés à la conception de machines moléculaires entrelacées capables de synthétiser d’autres molécules. Ces machines sont des systèmes capables de produire d’autres espèces moléculaires grâce à leurs architectures qui leur confèrent la capacité de mimer les processus autonomes et itératifs du vivant.

A. L’époxydase synthétique de Nolte

En 2003, Nolte et coll. ont présenté la synthèse du macrocycle 33, dont la partie supérieure est composée d’un motif porphyrine, chélatant un ion Mn(III). Sa fonction est l’époxydation itérative d’une chaine poly-cis-butadiène, au sein de la cavité macrocyclique, à la manière d’une époxydase (schéma 17)51.

Schéma 17. Structure chimique de la machine 33 et utilisation lors de l’époxydation d'un poly-cis-butadiène (Nolte et coll.)

Le mécanisme de cette réaction se déroule suivant le cycle catalytique décrit sur le schéma 18. Pour des raisons stériques, la 4-tert-butylpyridine (tbpy) chélate et active l’atome de manganèse (III) sur la face extérieure de la porphyrine (34). L’atome d’oxygène de l’iodosylbenzène PhIO se lie alors au manganèse (III) puis l’oxydation en manganèse (V) entraine la libération d’une molécule d’iodobenzène et la formation de la double liaison O=Mn(V) 35 au sein du macrocycle52. Cette espèce réagit ensuite sur l’alcène via

51 _{P. Thordarson, E. J. Bijsterveld, A. E. Rowan, R. J. Nolte, Nature 2003, 424, 915–918.}

52 _{(a) B. Meunier, Chem. Rev. 1992, 92, 1411–1456 (b) M. Guo, H. Dong, J. Li, B. Cheng, Y. Huang, Y. Feng, A. Lei, Nat.}

l’intermédiaire cyclique à quatre chainons 36, pour former l’époxyde 37 et libérer le manganèse.

Schéma 18. Mécanisme d'époxydation d'un alcène par la machine 33

Afin d’étudier le fonctionnement d’une telle machine moléculaire, Nolte et al ont synthétisé le [3]rotaxane 38, comportant deux macrocycles 33 et un fil polybutadiène, grâce à la méthode de fermeture de l’axe (figure 13).

Figure 13. Structure chimique du [3]rotaxane - époxydase synthétique 38 (Nolte et coll.)

Ils ont pu montrer qu’une des étapes limitantes de la réaction est l’introduction du polymère alcénique dans la cavité de la machine. Lorsque le composé 33 et le polymère réagissent ensemble, de manière non entrelacée, l’activité catalytique est égale de moitié à celle obtenue avec le [3]rotaxane 38. En effet, lors d’une catalyse, il existe trois phénomènes consécutifs que sont l’adsorption, la réaction et la désorption des réactifs. Dans le cas du rotaxane 38,

d’augmenter la cinétique globale et donc une meilleure activité catalytique53. Ce résultat est alors comparable à l’activité catalytique du système oxydant du cytochrome P450.

Quatre ans après la publication de ces travaux, Nolte et Rowan ont suggéré que le processus mis en jeu dans cette réaction est un processus aléatoire et non séquentiel54. Toutefois, il n’en reste pas moins que ce modèle fonctionne de manière itérative. Tant que le système reste approvisionné en « oxygène », la machine continue d’entreprendre l’époxydation des alcènes, jusqu’au moment où l’ensemble de ces fonctions aura été consommé.

B. La polymérase synthétique d’Harada

Le second exemple de machine moléculaire tirant profit de son entrelacement est le système 39 développé par Harada et coll. en 2011, dont la fonction est la polymérisation à fort degré de la δ-valérolactone55. Il est composé d’une α-CD, d’une β-CD, ainsi que d’une unité séparatrice de type benzodiamide (schéma 19). Chaque motif du dispositif possède un rôle important pour le fonctionnement de la machine. La β-CD est utilisée comme site actif alors

que la α-CD sert à la fois de guide pour l’évacuation des motifs greffés et de groupement protecteur du centre réactionnel contre l’attaque de l’hydroxyde terminal. Entre ces deux blocs se trouve un espaceur dont le but est d’assurer le lien entre les deux CD et d’apporter la distance suffisante pour éviter toute hydrolyse ou inhibition du centre catalytique.

Schéma 19. Structure chimique de la polymérase synthétique de la δ-valérolactone (Harada et coll.)

Le fonctionnement de la machine moléculaire est déclenché par l’introduction d’une molécule de δ-valérolactone au sein de la β-CD, dont l’un des groupements hydroxyles va effectuer une

transestérification (schéma 20). L’ouverture de cette lactone est notamment guidée par la α

53_{S. F. M. van Dongen, J. A. A. W. Elemans, A. E. Rowan, R. J. M. Nolte, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 11420–11428.} 54 _{P. Hidalgo Ramos, R. G. E. Coumans, A. B. C. Deutman, J. M. M. Smits, R. de Gelder, J. A. A. W. Elemans, R. J. M.} Nolte, A. E. Rowan, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 5699–5702.

55 _{Y. Takashima, M. Osaki, Y. Ishimaru, H. Yamaguchi, A. Harada, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7524–7528.} 39

CD, dont la cavité sert de canal d’évacuation des produits de réaction. Le système adopte alors la conformation 40 d’un [1]pseudorotaxane. Ainsi une deuxième lactone peut s’insérer dans la cavité de la β-CD, qui subit à son tour une transestérification avec un groupement OH

voisin de l’ester réactif. L’alcool formé lors de l’ouverture de la lactone va alors lui aussi effectuer une attaque nucléophile sur l’ester formé lors de la première étape et ainsi allonger la chaine polyester 41 d’une nouvelle unité.

Schéma 20. Mécanisme de polymérisation de la δ-valérolactone initié par la machine 39

Cette étude met une nouvelle fois en lumière l’intérêt qu’apporte l’entrelacement dans la machinerie moléculaire de synthèse. En effet, lorsque la réaction s’effectue à partir de l’initiateur entrelacé 40, la réaction est quasi quantitative, alors qu’avec la structure non-entrelacé 42, la réaction ne dépasse pas les 4 % de conversion (schéma 21). Ceci s’explique par le fait que dans la structure entrelacée, la α-CD permet une meilleure élongation de la chaine polyester mais aussi sécurise l’ester réactif responsable de la polymérisation.

Schéma 21. Influence de l'entrelacement sur la conversion de la δ-valérolactone

41 40 39