Supra-structures auto-assemblées à base de carbo-benzènes liquides cristallins – Supracarbo

Le projet envisage l'étude de mésophases constituées de molécules, ci-après dites « carbo-mésogènes », construites autour d'un cœur carbo-benzène en C18. Ce type inédit de cœur réunit les particularités suivantes : composition totalement carbonée, symétrie hexagonale, planéité étendue, aromaticité magnétique élevée, flexibilité « acétylénique », caractère discotique creux (diamètre ˜ 0,8 nm). En quête de nouveaux types de cristaux liquides (CL) thermotropes, l'étude s’orientera sur des carbo-mésogènes à 2 ou 3 motifs dispersifs en symétrie respective quadripolaire 1,10-D2-C18Ar4 ou octupolaire 1,7,13-D3-C18Ar3, où D = 3,4,5- (RO) 3-C6H2-C=C-, R est une chaîne aliphatique plus ou moins fluorée de longueur n = 8 et Ar = 4-X-C6H4, X = H , CF3, CmH2m + 1, 5 = m = 8. Au-delà de son caractère discotique censé favoriser les phases colonnaires, la version quadripolaire pourrait également conduire à des phases moins ordonnées, plus smectiques que nématiques en raison de la taille du cœur par rapport à celles des deux groupes de dispersion. L'objectif plus général est l'étude par des outils d'analyse adaptés d’assemblages supramoléculaires dans diverses conditions : en phase cristalline (XRD), en mésophase CL 3D (POM, DSC, TGA, PXRD de rayon synchrotron), en couche 2D sur surface HOPG (STM), en solution (RMN), ou in silico (calculs DFT). Le travail sera systématiquement réalisé en deux temps exploitant au mieux l'expertise spécifique de chacun des partenaires : synthèse et caractérisation des carbo-mésogènes à Toulouse, études des mésophases 3D et 2D à Taipei. Dans chacune des deux séries, quadripolaire et octupolaire, les effets de la variation des substituants R et Ar du cœur carbo-benzène seront examinés. La forme du macrocycle en C18 étant plus circulaire que discoïde (diamètre de la lumière de van der Waals ˜ 3,5 Å), des composés d'inclusion sont aussi naturellement envisagés : les espèces hôtes étant censées apporter des propriétés spécifiques optiques, électriques ou magnétiques, les ions métalliques seront plus particulièrement considérés.
La pertinence du projet et du partenariat repose sur les premiers résultats récemment publiés concernant la synthèse, les propriétés thermotropes et les assemblages supramoléculaires 2D du carbo-mésogène Ar = Ph, R = n-C12H25, et mettant en évidence un comportement CL de type discotique colonnaire rectangulaire à 115 ° C.
Les résultats théoriques préliminaires suggèrent également la stabilité et la structure prévue de complexes hôtes-invités carbo-benzène-cations de métaux de transition. Tout en abordant des aspects fondamentaux encore peu explorés (chimie « carbo-supramoléculaire »), le projet s'appuie sur une utilisation rationnelle d’outils d’analyse encore non exploités en série carbo-mère. Après l’optique non-linéaire et la conductivité électrique (projet ANR financé en 2011), un nouveau domaine d'application de matériaux carbo-mères fonctionnels est envisagé : celui des cristaux liquides qui, au-delà d'une utilisation dans de nombreux dispositifs commerciaux (LCD par exemple), doit plus que jamais faire face à des défis spécifiques ne pouvant être relevés que par la conception de nouveaux types de structures mésogènes. Le déroulement du projet est envisagé sur 4 objectifs généraux (synthèse de carbo-mésogènes, détermination de relations structure-propriété des assemblages supramoléculaires 3D et 2D, découverte de nouveaux types de CL, évaluation des effets coopératifs de complexes d'inclusion dans des carbo-mésogènes), et fondé sur 4 tâches particulières (optimisation des carbo-mésogènes quadripolaires par la variation des groupes Ar et R, exemplification de carbo-mésogènes octupolaires, étude des complexes d'inclusion de métaux de transition dans des carbo-mésogènes).