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Molécules entrelacées : conception, photocapture et commutation photoinduite

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Academic year: 2021

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HAL Id: tel-01408453

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Submitted on 5 Dec 2016

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Molécules entrelacées : conception, photocapture et

commutation photoinduite

Arnaud Tron

To cite this version:

Arnaud Tron. Molécules entrelacées : conception, photocapture et commutation photoinduite. Chimie organique. Université de Bordeaux, 2015. Français. �NNT : 2015BORD0277�. �tel-01408453�

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THÈSE PRÉSENTÉE

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR DE

L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES

SPÉCIALITÉ : CHIMIE ORGANIQUE

Par Arnaud TRON

Molécules Entrelacées : Conception, Photocapture et

Commutation Photoinduite

Sous la direction du : Dr. Nathan D. McClenaghan

Soutenue le 4 décembre 2015

Membres du jury :

M. BOCHET, Christian, Professeur, Univ. Fribourg Rapporteur

M. WEISS, Jean, Directeur de recherche au CNRS, Univ. Strasbourg Rapporteur

M. BOCK, Harald, Directeur de recherche au CNRS, Univ. Bordeaux Président

M. De SILVA, A Prasanna, Professeur, Queen’s University Belfast Examinateur

M. PINA, Fernando, Professeur, Universidade Nova de Lisboa Examinateur

M. DESVERGNE, Jean-Pierre, Directeur de recherche émérite au CNRS, Univ. Bordeaux Invité

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Remerciements

Ce manuscrit est l’aboutissement de trois années de doctorat que j’ai pu réalisé sous la direction du Dr. Nathan McClenaghan, au sein de l’Institut des Sciences Moléculaires associé à l’Université de Bordeaux (UMR CNRS 5255) dans le groupe Nanostructures Organiques (NEO). Je remercie le Dr. Philippe GARRIGUES, directeur de l’ISM, pour m’avoir accueilli et permis de faire mon doctorat dans son institut. Je tiens aussi à remercier Jean-Marc VINCENT, pour m’avoir accueilli dans le groupe NEO. Un groupe formidable où il y fait bon vivre et où y règne une ambiance excellente. Je tiens particulièrement à remercier le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche pour avoir financé ma thèse, ainsi les divers financements, qui m’ont permis de participer à des projets annexes.

Je tiens tout spécialement à remercier Nathan, mon directeur de thèse, de m’avoir fait confiance et pour l’encadrement privilégié depuis maintenant 6 ans, lors de mon stage de Licence 3, qui m’a permis d’apprendre énormément que ce soit sur le plan scientifique, par ses nombreux conseils, explications et savoirs sur d’innombrables sujets, mais également sur le plan humain, en particulier, par ses nombreux barbecues qui m’ont permis de découvrir le fameux Christmas pudding et de nombreux déplacements.

Je remercie tous les membres du jury d’avoir accepté d’évaluer mes résultats de thèse et pour la pertinence de leurs questions et remarques : Professeur Christian Bochet de l’université de Fribourg, Docteur Jean Weiss de l’université de Strasbourg, Professeur A Prasanna de Silva de « Queen’s University Belfast », Professeur Fernando Pina de l’ « Universidade Nova de Lisboa », et le Docteur Harald Bock de l’université de Bordeaux, pour l’honneur qu’ils m’ont fait de juger ce manuscrit.

Merci au Pr. James Tucker, qui m’a permis de travailler au sein de son laboratoire rattaché à l’université de Birmingham avant de pouvoir commencer ma thèse, me permettant de me former efficacement à la synthèse de certains récepteurs. Je remercie James et Peter Thornton pour leurs contributions à cette thèse par leur expérience dans la conception de récepteurs photoactifs. Je tiens aussi à remercier le Pr Alberto Crédi et le Dr. Massimo Baroncini, d’avoir pu me fournir de leurs composés, ce qui a pu me permettre une étude préliminaire, qui se montra importante dans le succès de certains résultats de cette thèse.

Je suis très reconnaissant au Dr. Jean-Pierre Desvergne, d’avoir accepté de juger mes résultats de thèse et pour avoir relu et coriger ce manuscrit ainsi que de m’avoir grandement conseillé et soutenu tout au long de ces années, que ce soit sur des sujets scientifiques ou pour des conseils plus personnels.

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Je tiens à remercier Brice Kauffman (IECB, Université Bordeaux), pour les analyses des structures cristallographiques que j’ai pu lui apporter au long de ces trois dernières années. Ainsi que le Dr Thierry Buffeteau, pour ces analyses de mes systèmes par spectroscopie infrarouge et d’avoir pu m’en enseigner des bases. Je remercie le Dr. Guillaume Vives de m’avoir formé à la réalisation d’animation pour la présentation de mes résultats.

Je souhaite également remercier, le Dr. José Berna et le Dr. Alberto Martinez-Cuezva de m’avoir fourni le système moléculaire qu’ils ont pu développer, afin de me permettre de l’utiliser dans une étude approfondie au cours de ma thèse. Merci au Dr. Stephen Goldup, d’avoir pu m’accueillir au sein de son laboratoire à Southampton durant 3 semaines pendant la fermeture exceptionnelle de l’Institut et qui m’a permis de me perfectionner dans le domaine de la conception d’architectures entrelacées et de m’avoir permis également de pouvoir rencontrer son groupe avec qui j’ai pu grandement échanger.

Mes remerciements vont aussi à Aurélien, Robin, Henri-Pierre, Lucas, Sergey et Peter membres de l’équipe de Nathan à mon arrivée en doctorat en octobre 2012, avec lesquels j’ai passé d’excellents moments et qui m’ont apporté énormément scientifiquement et humainement. Aurélien, seul compatriote dans ce groupe où se rassemble de nombreuses nationalités, pour m’avoir transmis ses conseils depuis mon arrivé en Licence. Robin toujours là pour faire rire et me conseiller sur différentes techniques de synthèse et d’analyse. Henri-Pierre qui m’a énormément apporté par son savoir dans la conception de machines moléculaires et également humainement. Lucas et Peter deux formidables Post-Doc qui m’ont apporté de nombreux conseils et expériences que ce soit en synthèse, en analyse photophysique et sur divers concepts. Ainsi que Sergey doctorant puis Post-Doc qui m’a grandement aidé pour réaliser différentes études spectroscopiques dans de nombreux projets annexes à mon projet de thèse.

De nombreuses expériences RMN n’auraient pu être enregistrées sans l’équipe du CESAMO, et en particulier Jean-Michel, Noël et la directrice de ce service, Isabelle que je remercie pour leurs aides, leurs conseils, leurs disponibilités et leurs gentillesse durant ma thèse.

Je remercie Pascale Godard, récemment assistante ingénieur et ACMO principale à l’institut, pour tout ce qu’elle a pu faire pour moi, par ses conseils et son attention, durant ces 6 années. Il est certain que toutes mes expériences n’auraient pas été possibles sans elle, toujours là pour répondre aux demandes du groupe. Ainsi que Clothilde et Damien toujours prêt à rendre service, mais surtout pour leur bonne humeur communicative et leurs disponibilité.

Enfin pour finir, je voudrais remercier l’ensemble des personnes qui ont pu travailler dans le groupe NEO durant ma thèse pour avoir rendu mes journées très agréables par de nombreux fous rires et de nombreuses discussions à n’en pas finir.

(8)

Table des matières

Liste des Sigles et Abréviations ... 1

Introduction Générale ... 3

Chapitre 1

Introduction ... 7

1.1

Chimie supramoléculaire ... 9

1.1.1

Forces intermoléculaires ... 9

1.1.2

Récepteurs cycliques ... 11

1.1.3

Topologie moléculaire ... 13

1.1.3.1

Les caténanes ... 14

1.1.3.2

Les rotaxanes ... 18

1.2

Récepteurs de type Hamilton ... 26

1.2.1

Reconnaissance moléculaire: Catalyse, détection et allostérie ... 28

1.2.2

Systèmes supramoléculaires multi-récepteurs: Oligomères supramoléculaire, dendrimères, polymères et gels ... 31

1.2.3

Processus photoactivés au sein d’assemblages supramoléculaires ... 34

1.3

Photochimie générale ... 41

1.3.1

Absorption de la lumière ... 41

1.3.2

Transitions électroniques, états excités ... 42

1.3.3

Processus de désactivation des états électroniques excités ... 43

1.3.4

Caractéristiques de l’émission de fluorescence ... 44

1.3.5

Processus photophysiques principaux ... 45

1.3.5.1

Rappels sur la théorie du transfert d’électron photoinduit (PET) ... 46

1.3.5.2

Processus de transfert d’énergie électronique ... 48

1.3.6

Photochimie de l’anthracène ... 50

1.3.7

Photochimie du complexe de [Ru(bpy)3]2+ ... 54

Références ... 57

Chapitre 2

Conception de structures entrelacées via un récepteur de type

Hamilton

... 63

2.1

Introduction ... 65

2.2

Conception d’un gabarit de type Hamilton/barbiturique utilisant des liaisons hydrogène multiples ... 66

2.2.1

Stratégie de développement du récepteur cyclique ... 66

2.2.2

Synthèse du macrocycle ... 68

(9)

2.2.4

Etude de la formation du complexe supramoléculaire en présence de barbiturique ... 69

2.3

Conception d’une architecture [2]rotaxane par réaction de « bouchonnage » sur un motif barbiturique/Hamilton ... 75

2.3.1

Synthèse de bouchon fonctionnalisé par un groupement terminal alcyne ... 75

2.3.2

Synthèse d’architectures [2]rotaxanes ... 77

2.3.3

Etude de la formation et caractérisation du [2]rotaxane II-19 ... 79

2.4

Formation de [2]rotaxanes à partir du récepteur de type Hamilton utilisant un « gabarit actif » ... 88

2.4.1

Stratégie de conception d’un [2]rotaxane via un processus de « gabarit actif » ... 88

2.4.2

Etude de la complexation de cuivre(I) par le récepteur cyclique ... 90

2.4.3

Synthèse de deux architectures de type [2]rotaxane ... 91

2.4.4

Etude et caractérisation de la formation des [2]rotaxanes II-22 et II-24 ... 94

2.4.5

Etude de la complexation des [2]rotaxanes par divers invités ... 94

2.5

Conclusions ... 101

Références ... 102

Chapitre 3

Photocapture et photo-interconversion d’architectures

entrelacées ... 105

3.1

Introduction ... 107

3.2

Formation et étude d’architectures entrelacées via un processus de photocapture ... 109

3.2.1

Conception et modélisations moléculaires ... 109

3.2.2

Synthèse des récepteurs photoactifs ... 114

3.2.3

Etudes de l’association du complexe II-18⊂III-5 ... 115

3.2.4

Formation du [2]rotaxane par un processus de photocapture ... 121

3.2.5

Etudes du processus de photodimérisation et du retour thermique ... 122

3.2.6

Caractérisation du [2]rotaxane II-18⊂III-5bC par spectroscopie RMN 1H ... 129

3.2.7

Tests de glissement et analyse des produits potentiels non-interpénétrés ... 135

3.3

Perspective de photocapture pour la formation de polyrotaxanes ... 140

3.3.1

Stratégie et concept d’un processus de polyphotocapture ... 141

3.3.2

Synthèses de l’unité barbiturique coplanaire et des récepteurs acycliques ... 142

3.3.3

Etude préliminaire du processus de polyphotocapture pour la formation de [3]rotaxanes ... 144

3.4

Interconversion topologique [2]rotaxane-[2]caténane via un processus de photodimérisation ... 149

3.4.1

Conception et modélisation moléculaire du système interconvertible ... 150

3.4.2

Conception de l’architecture de type [2]rotaxane ... 152

(10)

3.4.4

Analyse de l’interconversion topologique via un processus de photodimérisation intramoléculaire ..

... 155

3.5

Conclusions ... 160

Références ... 161

Chapitre 4

Régulation de machines moléculaires par transfert d’électron

ou de processus photoinduit ... 163

4.1

Introduction ... 165

4.2

Désenfilage d’un piston moléculaire induit par la concaténation de deux processus photophysiques ... 165

4.2.1

Stratégie et concept de désenfilage d’un piston moléculaire ... 165

4.2.2

Synthèse du pseudorotaxane et des photosensibilisateurs ... 169

4.2.3

Analyse et étude du système de désenfilage du piston moléculaire ... 170

4.3

Vers la conception d’architectures entrelacées bichromophoriques ... 177

4.3.1

Concept et modélisation d’architectures entrelacées comprenant un processus REET ... 177

4.3.2

Développement d’unités « bouchons » photoactives ... 179

4.3.3

Conception de macrocycles incorporant un groupement pyrène ... 180

4.3.4

Vers la synthèse d’architectures entrelacées bichromophoriques par un processus de « gabarit actif » ... 183

4.4

Photocontrôle de l’amplitude du mouvement d’un macrocycle au sein d’un [2]rotaxane via un effecteur chimique ... 187

4.4.1

Stratégie et concept du processus de photocontrôle de l’amplitude du mouvement d’un macrocycle au sein d’un [2]rotaxane via un effecteur chimique ... 187

4.4.2

Etude de l’association du barbital dans différents complexes ... 190

4.4.3

Analyse du photocontrôle du mouvement translationnel du macrocycle au sein de l’architecture entrelacée ... 200

4.4.4

Etude du processus de photoéjection du messager barbiturique ... 205

4.5

Conclusions ... 207

Références ... 208

Chapitre 5

Conclusion générale et perspectives ... 211

Chapitre 6

Partie expérimentale ... 217

6.1

Solvents ... 219

6.2

Thin layer chromatography, silica and alumina columns ... 219

6.3

Nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) ... 219

(11)

6.5

Electronic absorption (UV-Vis) and fluorescence spectroscopy ... 220

6.6

Fluorescence quantum yield ... 220

6.7

Photochemical quantum yield. ... 221

6.8

FTIR spectroscopy ... 222

6.9

Molecular modelling ... 222

6.10

Photodimerisation experiments ... 222

6.11

Synthesis ... 223

6.12

Single crystal X-ray crystallographic information ... 271

Références ... 272

Publications ... 274

(12)

1

Liste des Sigles et Abréviations

Solvants et réactifs:

AcOEt Acétate d’éthyle bpy 2,2’-bipyridine

DCM Dichlorométhane CMP Cytidine monophosphate

DMF Diméthylformamide DABCO 1,4-diazabicyclo[2,2,2]octane

DMSO Diméthylsulfoxyde DMAP 4-Diméthylaminopyridine

EtOH Ethanol GMP Guanosine monophosphate

MeOH Méthanol ITO Oxyde d’indium-étain (« Indium

tin oxide »)

MeCN Acétonitrile LDA Diisopropylamidure de lithium

THF Tétrahydrofurane PI Phosphate inorganique

ADP Adénosine triphosphate PPI Pyrophosphates

AMP Adénosine monophosphate TBTA

tris[(1-benzyle-1H-1,2,3-triazole-4-yl)méthyle}amine

ATP Adénosine biphosphate TFA Acide trifluoacétique

Barbital Acide 5,5'-diéthylbarbiturique

Abréviations et symboles:

δ Déplacement chimique en ppm MC Orbitale centrée sur le métal

J Constante de Couplage en Hz MLCT Transfert de charge métal-ligand

ν Nombre d'onde en cm-1 Rdt Rendement de réaction

A Absorbance SAM Monocouche auto-assemblée

mixte

τ Durée de vie en ns Φr Rendement quantique de réaction

Coll. Collaborateurs Φf Rendement quantique de

fluorescence CuAAC 1,3-cycloaddition Alcyne-Azoture

catalysée par du Cuivre(I)

λexc Longueur d'onde d'excitation

CuAAC-AT 1,3-cycloaddition Alcyne-Azoture par gabarit actif au Cuovre(I)

λem Longueur d'onde d'émission

Equiv. Equivalent ε Coefficient d'extinction molaire

en L.mol-1.cm-1

Kass ou Ka Constante d’association m/z Rapport de masse sur charge

(13)

2

Techniques de caractérisation:

AFM Microscopie à force atomique (« Atomic Force Microscope »)

HRMS Spectrométrie de masse de haute résolution

CCM Chromatographie sur couche

mince

IR Infrarouge

COSY Spectroscopie de corrélation via les couplages scalaires

(« Correlation spectroscopy »)

NOESY Spectroscopie par effet

Overhausser nucléaire (« Nuclear

Overhauser effect

spectroscopy ») DOSY Spectroscopie par diffusion

ordonnée (« Diffusion-ordered spectroscopy »)

RMN (NMR)

Résonance Magnétique Nucléaire

ESI+ Spectrométrie de masse par injection électrospray, en mode positif

ROESY Spectroscopie d’effet Overhauser dans le référentiel tournant (« Rotating frame Overhauser effect spectroscopy »)

FD Spectrométrie de masse par

désorption de champ (Field Desorption)

UV-Vis Ultraviolet-visible

Unités:

°C Degré Celsius L Litre (1L = 10-3 m3)

A.U. Unité Arbitraire M Molaire (1M = 1 mol.L-1)

g Gramme ppm Partie par million

Hz Hertz Th Thomson

(14)

3

(15)
(16)

5

Le développement d’architectures supramoléculaires, impliquant des interactions non-covalentes, est un domaine de recherche en plein essor dû à ses applications potentielles dans de nombreux domaines relevant des nanosciences et pour comprendre des interactions biologiques. Parmi les applications, les machines moléculaires – typiquement des molécules entrelacées où un stimulus provoque un mouvement sub-moléculaire nanométrique – occupent récemment une place prépondérante. Feynman1,2 évoqua lors du congrès annuel de l’American Society of Physics en 1959, des idées visionnaires sur les possibilités de la miniaturisation, en élaborant des objets en partant d’atomes et/ou de molécules (approche ascendante ou bottom-up). Bien qu’à l’époque cette vision était novatrice, ce mode de « construction » est courant dans les systèmes biologiques3,4 où sont

formées des architectures de grande complexité fonctionnant à l’échelle macroscopique. Les moteurs et les machines moléculaires sont au cœur d’une panoplie de processus biologiques : l’exploitation de l'énergie solaire, le stockage de l'énergie, le transport ionique au sein de la cellule, la génération de force motrice (aux niveaux moléculaires et macroscopiques), pratiquement, chaque tâche biologique implique des machines moléculaires, avec comme exemple la kinésine ou l’ATP synthase.3 La kinésine est une protéine qui fonctionne comme une navette moléculaire; la synthèse de l’ATP (adénosine triphosphate) à partir de l’ADP (adénosine diphosphate) grâce à l’action d’une enzyme : l’ATP Synthase (Figure 0-1) moteur moléculaire naturel permettant de produire trois molécules d’ATP pour chaque rotation complète du rotor.

Figure 0-1. Structure et mouvement de la kinésine (A) et de l’ATP Synthase (B).

Ce mouvement fut mis en évidence par Yoshida et Futai en 1997.5 Loin de pouvoir égaler la

nature, la conception et la construction de nombreuses machines moléculaires artificielles rudimentaires6,7,8 sont rendues possibles grâce à de nombreuses découvertes dans l’analyse des objets

microscopiques, en photophysique et dans la chimie supramoléculaire, ainsi que divers mécanismes chimiques et biologiques.

A travers cette thèse, les objectifs principaux ont été de concevoir des motifs chimiques inédits pour la construction de molécules entrelacées / machines moléculaires et d’utiliser la lumière pour

(17)

6

moduler la topologie moléculaire ou bien l’assemblage / le désassemblage. Des prototypes moléculaires pour la communication chimique entre molécules, bio-inspirée et photoguidée ont également été entrepris.

Le chapitre 1 rapporte une étude bibliographique sur les récepteurs de type bis(2,6-diamidopyridine), nommés Hamilton, qui complexent des unités de type barbiturique en utilisant des liaisons-hydrogène multiples, et sur les architectures entrelacées, avec en particulier une étude des voies de formation des structures de type rotaxane. Un rappel des bases de la chimie supramoléculaire et de la photochimie, particulièrement sur la photochimie de l’anthracène et la photophysique du ruthénium, est également présenté.

Le chapitre 2 porte sur la synthèse et l’étude d’architectures supramoléculaires artificielles inédites, utilisant le motif de type Hamilton/barbiturique comme gabarit pour la formation d’architectures moléculaires interpénétrantes de type pseudorotaxanes et [2]rotaxanes.

Le chapitre 3 présente des structures supramoléculaires rendues photochimiquement actives en développant des analogues de récepteur de type Hamilton incorporant des groupements photodimérisables de type 9-alkoxyanthracène, dont la photodimérisation et la retrodimérisation en présence d’un fil barbiturique comportant des groupements stériquement encombrés (dites « bouchons ») engendrent l’assemblage et le désassemblage de rotaxanes mécaniquement entrelacés. De même, dans un second exemple, ces unités 9-alkoxyanthracène jouent le rôle de bouchons dans la formation d’un [2]rotaxane, la photoirradiation de ces bouchons photoactifs résulte en une interconversion topologique rotaxane-caténane inhabituelle.

Le chapitre 4 se focalise sur l’utilisation d’un phénomène d’expulsion photoinduit d’un invité barbiturique par un récepteur spécifique, moyen d'induire de la communication intermoléculaire via un messager organique. Ceci est démontré par la modulation de l’amplitude du glissement d’un anneau au sein d’un [2]rotaxane. De plus, la formation d’architectures entrelacées a été développée dans le but de former par la suite un rotaxane montrant un processus de transfert d’énergie électronique réversible entre son bouchon et son macrocycle mobile. Egalement, la concaténation des processus de transfert d’énergie électronique réversible et de transfert d’électron photoinduit a été démontrée, afin d’améliorer le désenfilage d’un pseudorotaxane (dit « piston moléculaire ») induit par des stimuli lumineux.

(18)

7

(19)

8

Article scientifique associé à ce chapitre :

Tron, A.; Rocher, M.; Thornton, P. J.; Tucker, J. H. R.; McClenaghan, N. D.

“Supramolecular Architectures Incorporating Hydrogen-Bonding Barbiturate Receptors” (Special issue)

(20)

9

1.1 Chimie supramoléculaire

Si la chimie est la science des interactions et des transformations par la combinaison d’atomes conduisant à des molécules, la nature permet d’observer la combinaison de molécules conduisant à la formation de supermolécules. En effet, au delà de la chimie moléculaire fondée sur les liaisons covalentes entre les atomes, émerge un domaine qu’on peut nommer chimie supramoléculaire integrant la chimie des interactions moléculaires par formation de liaisons non covalentes, dites « faibles ». Ces interactions sont utiles pour assembler différentes molécules entre elles de façon non covalente permettant d’acquérir des propriétés qu'elles ne possédaient pas avant l'établissement des dites liaisons faibles, tout en gardant leurs intégrités chimiques. En effet, les molécules interagissent entre elles, induisant des perturbations mutuelles donnent lieu à des propriétés inédites qui n’existent que par cette synergie. Cette science concerne de nombreux domaines d’applications divers et variés dont la nanoélectronique, les matériaux ou les biotechnologies.

Ce domaine de la chimie s’est considérablement développé depuis le prix Nobel de Jean-Marie Lehn qu’il partagea avec Donald J. Cram et Charles J. Pedersen en 1987, pour le développement et l’utilisation de molécules présentant des interactions spécifiques de grande sélectivité. Le fort intérêt pour cette jeune discipline se trouve dans la possibilité de mettre en oeuvre de nouvelles fonctionnalités et construire des machines moléculaires artificielles biomimétiques, ainsi que comprendre des architectures naturelles avec comme par exemple la kinésine et l’ATP Synthase.3 En effet, les machines moléculaires sont omniprésentes dans la nature qui regorge de processus biologiques induits par des machines naturelles, qui sont des sources d’inspiration dans l’optique de les imiter en les transposant dans des machines supramoléculaires artificielles et de pouvoir générer un mouvement spécifique dans des systèmes artificiels. Un mouvement unidirectionnel au sein des machines moléculaires, par exemple, a donné lieu à des moteurs moléculaires artificiels.9

L’importance de ce domaine se reflète dans l’étendue conceptuelle dont il a fait et continu de faire preuve depuis de nombreuses années. De la chimie organique à la chimie des matériaux en passant par la biologie moléculaire ou en la physique de la matière de nombreuses notions ont émergé grâce à la chimie supramoléculaire. Ce jeune domaine est caractérisé par la formation d’interactions intermoléculaires, essentielle à la formation d’agent structurant aux machines moléculaires.

1.1.1 Forces intermoléculaires

La majorité des interactions qui sont à la base de la chimie supramoléculaire, sont des interactions non-covalentes, caractérisées par leurs faibles énergies (1 à 290 kJ.mol-1) par rapport aux

liaisons covalentes (140 à 440 kJ.mol-1). L’ensemble de ces interactions est reporté dans la Table 1-1

selon leur nature, telles que les interactions π-donneur π-accepteur, ou la formation de liaisons hydrogène.

(21)

10

Table 1-1 Exemples de forces intermoléculaires Types d’interactions Energie de

liaisons (kJ.mol-1) Exemples

Interaction Hydrophobe < 8 Interaction π – π 0 - 50 Interaction π -cation 4 - 80 Liaison halogène 4 - 60 Liaison hydrogène 4 - 125 Interaction dipôle-dipôle 4 - 50

Interaction ion – dipôle 50 - 200

Interaction ionique 200 - 290

Cependant, d’autres propriétés telles que les caractères hydrophiles/hydrophobes, ou les forces de type ion/ion, dipôles/dipôles peuvent également être responsables d’interactions intermoléculaires dans la formation de supermolécules. En particulier, les liaisons hydrogène sont des liaisons qui ont OH HO H N H O O N Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl N N H O O N N H N N N H H H H Cl H Cl O O O O O O K+ Na+ Cl

(22)

-11

lieu entre un donneur et un accepteur de liaison hydrogène. Le donneur est constitué d’un hétéroatome (azote, oxygène, fluor) porteur d’un atome d’hydrogène (comme dans les imides, amides, alcools,…) alors que l’accepteur est composé d’un hétéroatome porteur de doublets d’électrons libres (Figure 1-1). Lorsqu’une liaison hydrogène s’établit, les deux hétéroatomes se trouvent à une distance moyenne d’environ 2 à 3 Å. Cette liaison est directionnelle et sa force dépend de la distance entre les sites donneur et accepteur.

Figure 1-1 Représentation d’une liaison hydrogène.

L’interaction entre les différentes molécules, formant un assemblage moléculaire peut être renforcée par la multiplication et la combinaison de ces différentes liaisons, mais est également dépendante de la distance qui sépare les éléments en interaction. Ceci montre de l’importance de concevoir des sous-unités moléculaires optimisées afin de favoriser ces forces intermoléculaires, en jouant à la fois sur la forme, la taille et les propriétés électroniques des substrats mais également sur les éléments chimiques tels que la conformation ou encore la concentration, le solvant, le pH, la température.

1.1.2 Récepteurs cycliques

Un effort particulier s’est porté sur la formation de machines moléculaires artificielles, ayant pour fonction la reconnaissance moléculaire grâce à des interactions intermoléculaires entre un hôte et un invité. Une grande variété de systèmes a vu le jour depuis ces dernières décennies, faisant varier la nature de leur fonctionnalité et les éléments les caractérisant. La notion de récepteur moléculaire cyclique fait intervenir deux types de molécules : la molécule hôte comportant une cavité, et la molécule invitée (Figure 1-2).10

Figure 1-2 Equilibre thermodynamique entre un récepteur cyclique et un invité.

N H

N

(23)

-12

Ainsi, la conception de tels systèmes a suscité un grand intérêt dans le domaine de la recherche. De nombreux récepteurs cycliques ont été synthétisés ces dernières années, pouvant être de différente nature (Figure 1-3) tels que des coronands, des cryptands ou encore des macrocycles préorganisés (calixarènes, cyclodextrines).

Figure 1-3 Représentation de différents coronands, cryptands, calixarènes et cyclodextrines.

Les coronands de type éthers couronnes sont des composés chimiques hétérocycliques caractérisés par des oligomères cycliques d’oxyde d’éthylène. Les éthers couronnes sont connus pour leur capacité à fortement coordinner des cations. Les cryptands constituent une famille de systèmes polybicycliques, équivalents tridimensionnels aux éthers couronnes, où les substrats sont piégés dans une « crypte ». La famille des calixarènes a connu un vif succès et un important développement. Ces

(24)

13

molécules présentent une cavité pouvant accueillir une espèce invitée, généralement ionique. Les cyclodextrines (oligosaccharides cycliques) sont utilisées comme récepteurs moléculaires d’ions ou de molécules neutres, qui sont communément reconnues pour leur solubilité dans l’eau et pour leur grande diversité de taille, par exemple α-, β- et γ-cyclodextrines sont formées de 6, 7 et 8 sous-unités, respectivement.

1.1.3 Topologie moléculaire

La topologie moléculaire a suscité un grand intérêt au sein de la chimie supramoléculaire, au cours de ces 30 dernières années.11 Ce domaine regroupe les molécules à topologie non triviale, c’est-à-dire les molécules qui ne peuvent être représentées en deux dimensions sans croisement ou intersection. Ainsi, la plupart des molécules organiques possèdent une topologie triviale. D’un point de vue macroscopique, les maillons d’une chaîne ou les nœuds sont des objets à topologie non triviale. Un exemple probant est représenté par la Figure 1-4, photo du drapeau olympique symbole le plus reconnaissable des jeux olympiques, illustrant l’entrelacement de cinq anneaux représentant les cinq continents unis par l’olympisme.

Figure 1-4 Photographie du drapeau olympique

Les homologues moléculaires de ces objets représentent des défis synthétiques pour les chimistes, en plus d’être attractives d’un point de vue esthétique, l’étude et la conception de ces architectures sont essentielles à la compréhension des processus biologiques induits par les moteurs et machines moléculaires naturels. Cependant, loin d’atteindre ce niveau de complexité, les chimistes supramoléculaires se contentent dans un premier temps de développer des machines moléculaires artificielles rudimentaires, présentant des fonctions simples. La plupart de ces machines moléculaires ont des architectures entrelacées grâce à des stratégies synthétiques faisant intervenir la présence d’agents structurants développant des forces intramoléculaires.

Les architectures entrelacées appartiennent à une famille où les sous-unités moléculaires sont électroniquement indépendantes. Leur séparation nécessite la rupture d’une liaison covalente. Ces

(25)

14

molécules sont schématisées dans la Figure 1-5; elles peuvent se classer en deux catégories: les rotaxanes et les nœuds. La catégorie des nœuds incorpore une sous-catégorie appelée les caténanes. Cette étude bibliographique concerne principalement les caténanes et les rotaxanes.

Figure 1-5 Représentation schématique d’architectures entrelacées. 1.1.3.1 Les caténanes

D’après l’IUPAC, les caténanes (composés « catena ») sont des architectures formées de deux ou plusieurs anneaux connectés, comme des maillons de chaînes, sans être reliés par des liaisons covalentes. Cette classe de composés inclut également les dérivés fonctionnels des caténanes et leurs analogues hétéros.12 Les caténanes sont nommés en utilisant une nomenclature par un préfixe

indiquant entre crochets le nombre d’éléments constituant l’architecture (Figure 1-6).

Figure 1-6 Représentation schématique de [2]caténane et [3]caténane.

Certaines formes caténaniques (Figure 1-7) ont été également identifiées dans le monde du vivant, représentant une forme parmi les isomères topologiques possibles de l’ADN, observés par microscopie électronique.13

(26)

15

Figure 1-7 Image AFM de molécules d’ADN caténées.

Même si l’existence des caténanes a été envisagée depuis le début du 20ème siècle, il a fallu attendre les années 1960 pour que Frisch et Wasserman énoncent les diverses approches permettant leur synthèse.14 La première stratégie de synthèse mise au point par Schill en 1964,15 reposa sur la caténation statistique de deux macrocycles reliés l’un à l’autre de façon covalente (Figure 1-8), suivie par la rupture de cette liaison ; elle implique 22 étapes avec un rendement global faible.

Figure 1-8 Synthèse du premier [2]caténane artificiel par une stratégie dite « statistique ».

(27)

16

Grâce au développement de stratégies synthétiques, un grand nombre de systèmes a pu être élaboré, comme par exemple la synthèse d’un « olympiadane » qui est un [5]caténane (Figure 1-9) reproduisant la forme du symbole olympique16,17à l’échelle du nanomètre.

De nos jours, diverses méthodes de synthèse ont été développées, les plus utilisées, sont celles par approches statistiques et par effet gabarit. D’autres méthodes de synthèse existent elles seront brièvement décrites dans le chapitre 3. Le principe de l’approche dite “statistique” consiste à cycliser une molécule linéaire bifonctionnalisée autour d’un macrocycle, de telle sorte qu’après cyclisation les deux cycles se retrouvent entrelacés. Cependant, il faut que la molécule linéaire passe par la cavité du macrocycle pour former le caténane: dans le cas contraire, le système est formé alors de deux cycles indépendants (Figure 1-10).

Figure 1-10 Approche dite « statistique » pour l’élaboration de caténanes.

L’approche utilisant un « effet gabarit » repose sur la faculté de certains groupements à interagir en formant un complexe organisé selon une géométrie prédéterminée. Les modes de synthèse de molécules entrelacées utilisant cette voie furent l’objet d’un grand nombre d’études.

Figure 1-11 Exemple d’agent structurant par liaison de coordination métal-ligand pour la formation de [2]caténane après décomplexation du cuivre. Copyright (1996) American Chemical Society.

En effet, la présence de divers sites de reconnaissance sur les précurseurs de ces molécules permet de former un complexe préarrangé favorable à la formation de caténanes. La majorité des

(28)

17

synthèses par « effet gabarit » utilise des interactions métal/ligands,18ou non-covalentes telles que les interactions π-donneur π-accepteur,19 ou la formation de liaisons hydrogène.20 Cependant, d’autres

propriétés telles que les caractères hydrophiles/hydrophobes, ou les forces de type ion/ion, dipôles/dipôles peuvent également jouer un rôle dans l’effet gabarit. Le préarrangement induit par ces diverses interactions, permet d’envisager de développer des [2]caténanes, en utilisant un agent structurant comme illustré dans la Figure 1-11.

La faculté de certains caténanes à pouvoir adopter sélectivement différents états stables, leur confère une place importante dans le domaine émergeant du stockage de l’information à l’échelle moléculaire. Le codage de l’information est basé sur l’existence d’au moins deux états différents ; chacun des deux états stables permet de donner un signal différent de type «1» ou «0». Le changement de configuration peut être induit par l’application d’un stimulus. Sans son application, le caténane garde la même configuration stable permettant le stockage de l’information à l’échelle moléculaire.21 Cette notion de conversion entre deux états stables différents par des mouvements peut être associée à un mouvement unidirectionnel qui est une amorce pour l’élaboration de moteurs moléculaires artificiels. Ces différents mouvements peuvent être spontanés ou également contrôlables par une induction chimique22,23, électrochimique24 ou bien, par une voie photochimique.25,26

Deux exemples d’applications sont envisageables, au vu des propriétés des caténanes: la génération d’un mouvement unidirectionnel et l’élaboration de récepteurs spécifiques pour certains analytes tel que l’acétylcholine.27

Figure 1-12 Rotation unidirectionnelle photoinduite au sein d’un [3]caténane incorporant 4 sites de reconnaissance.28 Copyright (2003) Nature Publishing Group.

La plupart des systèmes contrôlables développés permettent de générer des mouvements d’interconversion du complexe entre deux états stables. Cependant, le mouvement, pouvait être

(29)

18

considéré, jusqu’à présent de type « Brownien ». En effet, le macrocycle peut spontanément passer d’un site à l’autre par deux chemins différents. C’est pourquoi l’élaboration de moteurs moléculaires incorporant un ensemble de processus séquentiels permet d’imposer un mouvement unidirectionnel. Des premières études ont été developpées par le groupe de Leigh,28 basées sur des [3]caténanes

composés de deux petits macrocycles pouvant être animés d’un mouvement de rotation contrôlable le long d’un grand anneau détenant quatre sites de reconnaissance différents. Les stimuli utilisés pour induire le mouvement permettent d’obtenir des configurations stables illustrées par la Figure 1-12. Ces recherches ont permis de réaliser des systèmes capables d’être animés par un mouvement unidirectionnel contrôlable, ouvrant un champ d’étude vers le développement de moteurs moléculaires proches de ceux rencontrés dans certains métabolismes naturels comme la synthèse de l’ATP.29

Les [2]caténanes synthétisés par « effet gabarit » donnent naissance, après démétallation, à des espèces ligands : les [2]caténands. Ces architectures ont la particularité d’être des récepteurs pour les gabarits utilisés.22 Le groupe de Sanders a utilisé cette propriété pour développer un récepteur

spécifique à l’acétylcholine.27 L’approche utilisée pour la synthèse de cette architecture est basée sur la chimie combinatoire dynamique : le neurotransmetteur est ajouté à une solution de dipeptide-hydrazone, éléments qui se combinent réversiblement autour de liaisons hydrazone. Cette approche offre la possibilité de développer des récepteurs sélectifs, pour des espèces spécifiques, en utilisant une sphère de coordination tridimensionnelle.

1.1.3.2 Les rotaxanes

La nomenclature IUPAC définit les rotaxanes comme un « arrangement moléculaire comprenant au moins une molécule dotée d’une section linéaire traversant au moins une partie macrocyclique d’une autre, ou de la même molécule, et possédant des groupements terminaux suffisamment volumineux pour empêcher un désenfilement.30 Comme pour les architectures de type

caténane, les rotaxanes sont dénommés en utilisant un préfixe indiquant entre crochets le nombre d’éléments constituant la molécule (Figure 1-13). Cette nomenclature a l’avantage d’être simple, mais se retrouve très rapidement limitée en raison de l’insuffisance d’informations données par le nom de l’architecture.

(30)

19

Le premier rotaxane a été synthétisé par le groupe de Harrison en 1967 (Figure 1-14).31 De même que pour le premier caténane, la stratégie de synthèse du premier rotaxane reposait sur une méthode statistique. D’autres synthèses plus efficaces ont été réalisées par la suite par le groupe de Zilkha.32 Comme pour la formation d’architectures caténanes, les rotaxanes sont accessibles par

plusieurs stratégies de synthèse, dont l’approche dite « statistique » est la plus simple.32,33 Mais la

méthode, la plus répandue, est celle utilisant un effet gabarit. L’accroissement des connaissances sur l’auto-assemblage, gouverné sur la reconnaissance mutuelle de molécules complémentaires par l’intermédiaire d’interactions non covalentes, en est à l’origine.

Figure 1-14 Structure du premier rotaxane synthétisé en 1967.

De nombreux motifs complémentaires ont été utilisés pour emprisonner un anneau nanoscopique autour d’un brin moléculaire incorporant deux bouchons à ses extrémités afin d’assurer l’intégrité structurelle de l’architecture rotaxane. Plusieurs méthodes peuvent permettre la formation d’architectures rotaxane en utilisant un « effet gabarit » (Figure 1-15).

(31)

20

Une première stratégie de bouchonnage (Figure 1-15a) du fil moléculaire (« threading » = enfilement) peut être utilisée. Cette stratégie de synthèse repose sur la formation d’un complexe d’inclusion de type pseudorotaxane suivie par une réaction de bouchonnage par des groupements volumineux (bouchons) implantés aux extrémités du fil moléculaire, alors que celui-ci est maintenu au sein de la cavité de l’élément macrocyclique par une ou plusieurs interactions supramoléculaires (Figure 1-16).

Figure 1-16 Exemple de synthèse de rotaxane par une stratégie de bouchonnage d’un fil moléculaire.34 Copyright (2012) American Chemical Society.

Une deuxième méthode, consiste en une fermeture de la molécule macrocyclique (« clipping », Figure 1-15b). Dans cette stratégie, le fil moléculaire est déjà fonctionnalisé à ses extrémités par les bouchons, et associé à une molécule acyclique se refermant autour de lui (Figure 1-17a). Une troisième méthode consiste en un glissement ou un enfilement des molécules entre elles (« slippage » = glissement). La synthèse d’un rotaxane par cette méthode est très délicate car elle repose sur une maîtrise de l’encombrement des bouchons et de la taille de la cavité du macrocycle. Cette stratégie consiste à réaliser l’architecture à partir d’éléments déjà entièrement formés (Figure 1-15c). Cet enfilement est réalisé par activation thermique des composés, afin de rendre la conformation du macrocycle favorable à l’insertion du fil moléculaire (Figure 1-17b).

(32)

21

Figure 1-17 Exemples de synthèses de rotaxanes utilisant une méthode de fermeture macrocyclique35

(a), ou par une méthode de glissement36 (b).

Bien que les stratégies permettant de préassembler les éléments soient très variées par la formation de diverses forces intermoléculaires, il n’existe qu’un faible nombre d’agents structurants assurant la formation d’architecture rotaxane. Certains des motifs devenus classiques utilisant la formation de liaisons hydrogène sont reportés dans la Figure 1-18:

O O N H NH O O NH HN Ph Ph N H O N N H H N O O N NH O Ph Ph Ph Ph N H O N N H H N O O N NH O Ph Ph NH2 NH2 O Cl O Cl NEt3 CHCl3 O O O O N N O O 2PF6 O O O O O O O O O O CH3CN à 60°C O O O O N N O O 2PF6 O O O O O O O O O O a) b)

(33)

22

Figure 1-18 Représentation d’agents structurants par liaisons hydrogène populaires pour la formation d’architectures rotaxane.35,37,38,46

Une autre méthode de formation de ces architectures est très utilisée depuis 2007, en utilisant une stratégie de gabarit actif. Dans cette méthode, un métal (Cuivre, Nickel) joue le double rôle de « gabarit », dans le but de former un préassemblage de l’architecture, et également le rôle de catalyseur dans des réactions de bouchonnage, permettant la formation d’architectures rotaxanes en suivant le processus illustré par Figure 1-19. Cette méthode sera abordée plus en détail dans le chapitre 2.

Figure 1-19 Représentation de la synthèse de rotaxanes par une stratégie utilisant un gabarit actif.

Ces structures ont ensuite été exploitées pour le développement des machines moléculaires. Les molécules entrelacées sont plébiscitées pour ces applications. Comme pour les architectures caténanes, les rotaxanes peuvent subir un mouvement unidirectionnel sub-moléculaire, amorce pour l’élaboration de machines moléculaires artificielles. Ces différents mouvements peuvent être

(34)

23

spontanés ou également contrôlables par une induction chimique,41 électrochimique39 et également photochimique.40

Figure 1-20 Représentation d’un élévateur moléculaire incorporant un tripode statique dont chaque axe possède deux unités de reconnaissance et d’une plateforme rigide possédant trois macrocycles

DB24C8.41 Copyright (2004) American Chemical Society for the advancement of Science.

De nombreuses machines moléculaires artificielles ont été développées à partir d’architectures de type rotaxane, comme par exemple en utilisant un macrocycle de type éther-couronne dibenzo-24-couronne-8 (DB24C8) utilisé dans la construction de machines moléculaires dont un nanoascenseur.41 Le macrocycle est traversé par une chaîne organique sur laquelle se positionnent deux motifs différents et complémentaires, un ammonium et un viologène42 (4,4’-dipyridinium) (Figure 1-20). Il apparaît que l’interaction est plus forte avec l’ammonium, mais lorsque celui-ci est déprotoné par l’ajout d’une base, l’ordre est inversé, et le macrocycle effectue un mouvement mécanique vers le viologène.43 Dans ce cas, le stimulus est donc de nature chimique. Le regroupement de trois de ces

systèmes reliés par une plateforme rigide constitue l’élévateur.

Une navette moléculaire a également été synthétisée en 1997,44 elle incorpore un macrocycle contenant une phénanthroline au sein d'un [2]rotaxane dont l'axe contient une phénanthroline et une terpyridine, la présence de Cu(I) implique la coordination du macrocycle au niveau de la phénanthroline. Lorsque le Cu(I) est oxydé en Cu(II), le macrocycle se déplace au niveau de la terpyridine. La réduction du Cu(II) en Cu(I) induit un retour du macrocycle au niveau de la phénanthroline (Figure 1-21). Ces mouvements de rotation et de translation pour les systèmes cuivrés, qui sont ici électrochimiquement induits, peuvent également être amorcés photochimiquement ou chimiquement.45

(35)

24

Figure 1-21 Représentation d’une navette moléculaire développée par Sauvage.44 Copyright (1997)

Royal Society of Chemistry.

Figure 1-22 Principe de fonctionnement de la navette moléculaire développée par Leigh.46 Copyright

(2001) American Chemical Society for the advancement of Science.

Un processus de translation photoinduite a également été réalisé par le groupe de Leigh en 2001.46 En effet, ce groupe a synthétisé un [2]rotaxane contenant deux stations au niveau desquelles

l'anneau peut se fixer par liaisons hydrogène (Figure 1-22). La première station est un succinamide, très bon accepteur de liaisons hydrogène, la seconde est un naphtalimide, moins bon accepteur de liaisons hydrogène. Par conséquent, l'anneau stationne majoritairement au niveau du succinimide.

(36)

25

Figure 1-23 Principe de fonctionnement du ribosome artificiel développé par Leigh.47 Copyright

(2014) Royal Society of Chemistry.

Cependant, lorsque le rotaxane est irradié en présence d'un réducteur très doux comme le 1,4-diazabicyclo[2,2,2]octane (DABCO), le naphtalimide accepte un électron et devient ainsi un meilleur accepteur de liaison H que le succinimide. Cela induit alors un mouvement de translation de l'anneau

(37)

26

vers le naphtalimide. Une recombinaison de charge spontanée entre le naphtalimide réduit et le DABCO oxydé, se produit par la suite, provoquant ainsi le retour de l'anneau à sa position initiale.

Un dernier exemple récent de machine moléculaire artificielle,47 décrit le fonctionnement d’un rotaxane permettant de mimer simplement un processus de ribosome (Figure 1-23). Le système est capable de réaliser la synthèse séquentielle d’une chaîne peptidique. Par l’intermédiaire d’un [2]rotaxane incorporant une chaîne dotée de plusieurs acides aminés. A l’état initial, le macrocycle incorporant une chaîne d’acides aminés possédant un thiol protégé, est bloqué entre un bouchon triphényle tertiobutyle et un premier acide aminé, faisant également office de bouchon. Une fois le thiol déprotégé, le macrocycle peut alors former une chaîne aminée plus longue en se liant avec le premier acide aminé présent sur le fil moléculaire. Le macrocycle est ensuite libre de se lier avec les acides aminés suivants, jusqu’à sa libération totale du fil moléculaire par désenfilage. La nouvelle chaîne peptidique fraîchement formée et le macrocycle sont ensuite séparés, prouvant la formation d’une chaîne peptidique d’une seule séquence.

1.2 Récepteurs de type Hamilton

L'assemblage d’architectures supramoléculaires multicomposantes est intimement relié à des interactions non-covalentes, souvent faibles, entre sous-unités moléculaires. Alors que de nombreuses interactions non-covalentes sont non-directionnelles, lorsqu'un réseau de liaisons hydrogène est employé, elles peuvent permettre la complexation d’architectures de type hôte-invité (« Host-guest ») auto-assemblées ou assemblées à plusieurs composants d'une façon préétablie. Dans ce domaine en plein essor, différents motifs moléculaires de reconnaissance utilisant des liaisons hydrogène, ont été longuement étudiés.48,49,50,51 Dans cette courte étude bibliographique, nous allons nous concentrer exclusivement sur un système type hôte-invité permettant la formation d’un réseau de liaison hydrogène: à savoir un invité de type barbiturique (ou un cyanurate structurellement similaire, où le carbone-sp3 central est remplacé par un groupe NR) et un récepteur 2,6-di(amidopyridine)

complémentaire (Figure 1-24), le récepteur dénommé Hamilton, après la publication de la première synthèse et les études d'une série de nouveaux récepteurs artificiels de liaison hydrogène pour barbital (acide 5,5'-diéthylbarbiturique, I-1) par A. D. Hamilton.52,53

Figure 1-24 Structures de type barbiturique (A), cyanurate (B) et du récepteur de type Hamilton (C).

N N O O O H H X X N N N O O O H H X O N O N H H N N N H O X N H O X

Barbiturique Cyanurate Récepteur de type Hamilton

(38)

27

Ces deux unités associées sont représentées sur la Figure 1-25, où l'interaction entre elles repose sur six liaisons hydrogène complémentaires entre le motif barbiturique et le récepteur via des interactions donneur (D) accepteur (A), selon le schéma ADAADA (barbiturique) et DADDAD (récepteur). La partie supérieure du récepteur est une unité centrale de pontage consistant en un cycle aromatique, le plus souvent un cycle benzènique substitué par deux unités 2,6-diamidopyridine. Ces dernières fournissent les six liaisons hydrogène avec le barbiturique, et le cycle aromatique qui joue le rôle d’espaceur entre ces deux unités complexantes. Il est à noter que l'unité de pontage peut être différente de l'unité benzène 1,3-disubstitué initialement introduite dans les récepteurs Hamilton. En effet, la substitution de cette unité peut conduire à l'amélioration de la solubilité, l'abaissement de toute tendance à l'agrégation du récepteur ou de conférer une fonctionnalité spécifique qui peut, par exemple, être activée lors de la complexation avec l’invité.

Figure 1-25 Interaction par liaison hydrogène entre l’invité barbital et le récepteur Hamilton dans les

complexes 1:1 suivant I-1⊂ I-2, I-1⊂ I-3 et I-1⊂ I-4.2

Il convient de noter que, bien que les représentations de la Figure 1-25 impliquant un complexe hôte-invité coplanaire, des structures monocristallines par diffraction des rayons X ont été obtenues sur des complexes 1:1 entre le récepteur Hamilton et le barbital. Elles montrent que l’invité n’est pas parfaitement coplanaire avec les unités de type pyridine, mais incliné d’un angle aigu, par rapport au carbone-sp3 du barbiturique et les six liaisons hydrogène potentielles sont impliquées dans la formation du complexe supramoléculaire,52b une de ces structures cristallines est présentée dans la

Figure 1-26: O N O N H H N N N N H H O N N O O O O H H O N O N H H N N N N H H O N N O O O O H H O O O N O N H H N N N N H H O N N O O O O H H O O

I-1

(39)

28

Figure 1-26 Structure cristalline par diffractions des rayons X d’un complexe supramoléculaire 1:1 hôte-invité du récepteur I-4 avec le barbital I-1.

Des interactions entre barbituriques-triaminopyrimidine et barbituriques-mélamine ont été décrites, notamment pour la formation de feuillets 1D et 2D. Comme ces structures supramoléculaires sont en dehors du champ de cette étude, les travaux de Reinhoudt, Whitesides et Lehn ne sont pas reportés dans cette étude.54,55,56,57

Les constantes d’association élevées pour la formation des complexes 1:1 de type hôte-invité, d’ordre de grandeur 104 - 105 M-1, sont généralement obtenues dans des solvants aprotiques, tels que le dichlorométhane pour les systèmes acycliques des récepteurs Hamilton. Des valeurs plus élevées ont été obtenues avec des analogues cycliques qui comprennent un site de reconnaissance préorganisé, avec par exemple log Kass de 4,3 et 6,1 dans CDCl3 pour I-1⊂ I-2 et I-1⊂ I-3, respectivement,

déterminé par l'intermédiaire d’un titrage par spectroscopie RMN.52a Ces valeurs élevées pour les

versions cycliques et acycliques permettent la formation d'un éventail de différentes structures en solution diluée. Pluth et McGrath ont examiné l'effet sur l’association des invités (barbital et 3-méthyle-7-propylxanthine) sur différents paramètres comme la préorganisation, la rigidité ainsi que l’encombrement stérique des récepteurs de type Hamilton contenant un phényle et un lien propyle entre les groupes diamidopyridine ainsi qu’une paire de fragment de diamidopyridine.58 Cette étude a été suivie d’une série de titrages et de calculs DFT de type B3LYP/6-31G(d,p), confirmant qu'il existe une relation entre la préorganisation et les interactions stériques pour établir des interactions favorables dans les systèmes auto-assemblés par liaison hydrogène.

1.2.1 Reconnaissance moléculaire: Catalyse, détection et allostérie

Les récepteurs de liaison hydrogène ont d'abord été considérés dans le domaine de la catalyse,59,60,61,62,63 plus précisément pour la catalyse de réactions de transfert de phosphoryle, où les

(40)

29

exploitées.59 Ils ont également été utilisés dans des approches biomimétiques pour essayer de mimer et/ou décrypter des mécanismes enzymatiques. Des réactions favorisées par des arrangements préalables des réactifs lors de la liaison entre des dérivés de ces récepteurs et des barbituriques ont été étudiées, ainsi que le transfert d'acyle,60 de décarboxylation des N-carboxyimidazolidinone61 et de la

thiolyse.62

Des versions chirales du récepteur Hamilton ont également été décrites,64,65,66 incluant des récepteurs contenant un (R) BINOL (BINOL = 1,1'-bi-2-naphthole) où un fragment modifié de désoxycholate permet de lier le récepteur cyclique. Ces molécules ont ensuite été utilisées pour effectuer des cycloadditions 1,3-dipolaires asymétriques sur des acides barbituriques achiraux cinnamiques. Cependant, les énantiosélectivités de ces réactions se sont montrées plutôt faibles, dues à la géométrie des barbituriques. En effet, comme mentionné ci-dessus, l’invité ne se trouve pas dans le même plan moyen que le récepteur. Ainsi, la partie réactive des barbituriques peut être assez éloignée de la fraction chirale du récepteur. Des récepteurs macrocycliques similaires comprenant un (R)-BINOL, mais possédant une cavité trop petite pour lier les barbituriques ont été étudiés, pour leurs diverses affinités à former des liaisons hydrogène avec de nombreux substrats, comme des agents solvatants chiraux.65,66 Plus récemment, Anzenbacher Jr. a montré que des macrocycles chiraux connectés pouvaient être une pierre angulaire, pour la détection de divers anions chiraux par des mesures colorimétriques et / ou de fluorescence. En effet, un réseau de capteurs avec deux ou quatre récepteurs chiraux ont était capables de discriminer entre sept anions phosphate chiraux (AMP, ADP, ATP, CMP, GMP, Pi, et PPI) avec une précision de 100%.67 Un assemblage supramoléculaire

multicomposant de ruthénium-alcynyle répondant à des nitroaromatiques a était aussi récemment décrit.68

Des analogues structurels, où le pont de l'acide isophtalique a été remplacé par du ferrocène-1,1' ou de l'acide 1,3-dicarboxylique de ferrocène (I-5 et I-6, respectivement, sur la Figure 1-27) ont également été appliqués à la catalyse, afin d'effectuer de la détection électrochimique et une association par commutation redox.69,70,71 Les constantes d’association ont été déterminées avec la

triméthyle urée de 25 M-1 (± 5%) et avec un barbital de 2150 M-1 (± 5%) par des titrages RMN dans

CDCl3 à 293K. Le composé I-6 a donné une oxydation (Eox = 0,41 V) quasi-réversible (Fe(II)/Fe(III))

dans du CH2CI2 sec par rapport au couple ferrocène/ferrocénium. Les données électrochimiques ont

indiqué que la force de la liaison du barbital en présence des récepteurs I-5 et I-6 peut être modulée en partie par un processus redox se produisant sur le groupement ferrocène.

(41)

30

Figure 1-27 Senseur de barbiturique électroactif contenant un ferrocence.

Les récepteurs Hamilton qui contiennent des groupements pyridine peuvent complexer des métaux de transition ainsi que les unités barbituriques. L’association préférentielle de métaux de transition entraine à une réorganisation structurelle, et par conséquent, au déplacement/éjection de l’invité barbiturique préalablement lié par liaisons hydrogène.72 Ainsi, la liaison d'ions zinc par deux

ligands bipyridine greffés sur un récepteur de type Hamilton (I-7) modifie la conformation de la cavité, l'empêchant de se lier avec un barbital, voir la Figure 1-28. En l'absence de zinc une constante d'association de 2,8 x 103 M-1 a été mesurée dans du CD2Cl2/CD3CN; 9:1, v/v.73 La gamme d'ions

métalliques affectant ces récepteurs allostériques a ensuite été étendue pour inclure des métaux différents de fer, de platine et de ruthénium.74

Figure 1-28 Système allostérique ditopique de type hôte:invité sensible aux unités barbituriques et Zn2+.72

L'idée de lier des cations métalliques en plus des barbituriques a également été étudiée dans un système comprenant un récepteur Hamilton analogue substitué avec deux bras de triéthylèneglycol qui

Fe O N H N N H O O N H N N H O Fe O N H N N H O O N H N N H O

I-5

I-6

O N O N H H N N N N H H O O N N N N N N N N Zn2+ O N O N H H N N N N H O O H Zn(OTf)2 CH2Cl2, CH3CN

I-7

(42)

31

peut se lier à la fois à du Na+ et des barbituriques, avec des constantes d’association élevées pour le sodium et les invités barbituriques. Le barbiturique est substitué de telle sorte qu'il fournit un troisième bras de triéthylèneglycol participant entre autre à la liaison de l'ion sodium.75 Une amélioration du transport de sodium à travers une membrane liquide par l'intermédiaire du complexe ternaire a été démontrée.

1.2.2 Systèmes

supramoléculaires

multi-récepteurs:

Oligomères

supramoléculaire, dendrimères, polymères et gels

Le récepteur Hamilton a également été greffé sur des polymères, conférant ainsi des propriétés de reconnaissance des barbituriques,76,77,78,79,80,81 et des nanoparticules.78,79,80 Une autre application dans le domaine des polymères concerne la synthèse de polymères dotés de groupes thymine et des cyanurates, ainsi que d’unités diamidopyridine (un site de complexation pour la thymine) et de récepteurs Hamilton (pour les cyanurâtes), afin d’étudier l'autotriage de polymeres.80 Un autre article,

décrit des récepteurs de type Hamilton se liés à du polystyrène afin d'en extraire sélectivement des composés d'acide barbiturique par chromatographie.82 De nombreux autres exemples incorporant des

récepteurs mettant en jeu des liaisons hydrogène dans des polymères (par exemple RAFT, ROMP) sont connus, par exemple les nombreux systèmes réalisés au laboratoire de Binder.83,84,85,86

Lehn et ses collaborateurs ont décrit un fil oligomère linéaire intégrant trois récepteurs de type Hamilton, par une alternance de cinq motifs diamidopyridine en présence de trois ponts d’unités isophtaliques.87 Le brin (I-8) a une conformation ajustée pour former des liaisons hydrogène avec un

invité de type cyanurate (I-9), et peut adopter plusieurs géométries dynamiques différentes. Avec deux unités cyanurates, l'oligomère est censé être capable de présenter plusieurs conformations entre une forme en "C", une forme en "S" et une architecture hélicoïdale (voir Figure 1-29). Le système est finalement sous l’influence d’interactions d'empilement solvophobes conduisant à des structures semblables à des disques hélicoïdaux permettant de produire des nanofibres révélées par microscopie électronique. D’autres contributions de ce groupe dans le domaine des polymères supramoléculaires88,89,90 ont été réalisées, afin de produire par autoassemblage des composants mono-, di- et tritopiques.

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Figure 1-29 Trois conformations adoptées par un foldamère d’oligomère intégrant des récepteurs de type Hamilton (I-8).87

La combinaison d'un récepteur homoditopique (I-10) (Figure 1-30) et un substrat homoditopique complémentaire (I-11) conduit à la formation de polymères linéaires. La combinaison judicieuse de briques monomères moléculaires a conduit à une série de structures macromoléculaires dynamiques avec des propriétés différentes, prouvant une adaptation à des stimuli ou des facteurs environnementaux (concentration et relatives concentrations, température, solvant), et finalement à l'autoréparation de l’architecture. En effet, le récepteur monotopique ou l’invité peuvent être considérés comme un agent terminal du polymère, tandis qu'un récepteur homotritopique pourrait induire des ramifications et/ ou des réticulations. Certaines propriétés mécaniques de ces polymères

N O H N N H O N O H N N H C9H19 O N O H N N H O O N H N N H O C9H19 N N N O O O H H C10H21 C10H21 H H O O O N N N C10H21 C10H21 C10H21 N O H N NH C9H19 O N O H N N H O O N H N N H O O N H N N H C9H19 O C10H21 C10H21 C10H21 C10H21 H H O O O N N N C10H21 H H O O O N N N N O H N N H C9H19 O N O H N N H O O N H N N H O ON H N N H C9H19 O C10H21 C10H21 C10H21 C10H21 H H O O O N NN C10H21 H H O O O NN N

"C"-conformère

"S"-conformère

Conformère-Hélicoïdale

I-8

I-9

Références

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