Des FoldaRotaxanes pour la Synthèse généralisée de Molécules Entrelacées Improbables – FoldaRotaxanes

Dans une première approche, des sites d'interactions spécifiques aux foldamères et à des macrocycles éther couronnes ont été introduits dans des axes moléculaires afin de pouvoir synthétiser des foldaxanes, d'une part et des rotaxanes d'autre part. Ces structures ont constitué des points de départ pour la préparation des structures plus complexes foldarotaxanes. Dans une seconde approche, les foldarotaxanes ont été synthétisés et caractérisés et leur aptitude à générer des mouvements contrôlés au sein de l'édifice étudiée.

Différents foldaxanes et rotaxanes cibles ont été synthétisés et étudiés. A partir de ces structures, différentes architectures supramoléculaires foldarotaxanes inédites ont été obtenues. Ces structures originales ont été caractérisées et étudiées.
Il a été montré que la présence et la localisation du macrocycle influençait grandement l'affinité du foldamère pour son axe moléculaire. De façon réciproque, la très forte affinité du foldamère pour son axe a permis de séquestrer le macrocycle autour d'une section de l'axe pour laquelle il n'a aucune affinité, permettant ensuite la synthèse d'une molécule entrelacée improbable.

Grâce aux différents résultats obtenus, nous envisageons désormais des navettes moléculaires foldarotaxanes dans lesquels les déplacements coordonnés et induits du macrocycle et du foldamère le long de l'axe seraient possibles. Différentes molécules cibles ont été synthétisées et sont en cours d'étude.

[1] Interplay between a foldamer helix and a macrocycle in a foldarotaxane architecture, M. Gauthier, V. Koehler, C. Clavel, B. Kauffmann, I. Huc, Y. Ferrand and F. Coutrot, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 8380-8384
[2] Weinreb amide as secondary station for the DB24C8 in a molecular shuttle, M. Gauthier and F. Coutrot, Eur. J. Org. Chem. 2019, 21, 3391-3395.
[3] Study of [2] and [3]rotaxanes obtained by post-synthetic aminolysis of a kinetically stable though activated carbonate-containing pseudorotaxane, P. Waelès, M. Gauthier and F. Coutrot, Eur. J. Org. Chem. 2022, e202101385.
[4] [3]Foldarotaxane-Mediated Synthesis of an Improbable [2]Rotaxane, V. Koehler, M. Gauthier, C. Yao, K. Fournel-Marotte, P. Waelès, B. Kauffmann, I. Huc, F. Coutrot and Y. Ferrand, Chem. Commun. 2022, 58, 8618-8621.
[5] Directional Threading and Sliding of a Dissymmetrical Foldamer Helix on Dissymmetrical Axles, X. Wang, Q. Gan, B. Wicher, Y. Ferrand, I. Huc, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4205-4209.
[6] Discrepancy regarding the dethreading of a DB24C8 macrocycle through a perfluorobutyl end in [2]pseudorotaxanes, M. Gauthier and F. Coutrot, Eur. J. Org. Chem. 2022, e202101201.
[7] Challenges and opportunities in the post-synthetic modification of interlocked molecules, P. Waelès, M. Gauthier and F. Coutrot, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 16778-16799.
[8] Post-synthetic macrocyclization of rotaxane building blocks, M. Gauthier, P. Waelès and F. Coutrot, ChemPlusChem 2022, 87, e202100458.
[9] Foldaxanes: Rotaxane-like Architectures from Foldamers, V. Koehler, A. Roy, I. Huc and Y. Ferrand, Acc. Chem. Res. 2022, 55, 1074-1085.

Les molécules entrelacées sont des composés séduisants qui comprennent plusieurs éléments généralement non liés de manière covalente, mais dont l’assemblage est maintenu par des liaisons dites mécaniques. Leur architecture moléculaire permet le déplacement de certain(s) élément(s) les uns par rapport aux autres, ce qui leur confère un grand intérêt pour le design et le fonctionnement de machines moléculaires, dont les propriétés physicochimiques sont dépendantes de la localisation des éléments entrelacés. Les premiers composés entrelacés ont été laborieusement synthétisés avec des rendements très faibles via des stratégies de synthèse statistique (entrelacement de 2 espèces n’ayant aucune affinité l’une pour l’autre) ou encore en utilisant des liaisons covalentes au cours de séquences réactionnelles très longues. Dans les années 80, le développement de la chimie supramoléculaire a donné un coup d’accélérateur au développement des synthèses dites dirigées car utilisant les liaisons de coordination ou d’autres interactions faibles comme forces motrices pour pré-organiser divers éléments avant de les assembler en architectures entrelacées stables. Ces progrès ont permis l’accès efficace aux molécules entrelacées et aux machines moléculaires, une famille de composés qui vient juste d’être mise sous les feux des projecteurs par l’attribution du prix de Nobel 2016 de chimie. Toutefois, les méthodes de synthèse efficace actuelles se restreignent aux structures qui possèdent des sites d’interactions entre les éléments assemblés, ce qui constitue une limitation importante au développement de cette famille de composés. De plus, dans les machines moléculaires, la présence nécessaire de sites d’interactions fortes peut interférer en ralentissant les mouvements que l’on peut attendre ultérieurement dans une telle molécule, ce qui peut diminuer leur intérêt. Les exemples de composés entrelacés pour lesquels les éléments imbriqués n’ont que des très faibles, voire aucune affinité les uns pour les autres sont extrêmement rares. Ces composés étant dotés de propriétés très distinctes de celles de leurs analogues non-entrelacés, la synthèse généralisée à n’importe quelle molécule entrelacée apparaît du plus grand intérêt. Dans ce projet, nous proposons la synthèse de molécules entrelacées variées dénuées de tout site d’interactions entre les éléments assemblés. La stratégie originale repose sur l’utilisation de 2 molécules auxiliaires, qui, globalement, permettent de capter un macrocycle autour d’un axe avant de le relarguer autour d’un axe pour lequel il n’a aucune affinité. Une molécule, nommée translocateur, est conçu : (1) pour se lier efficacement au macrocycle grâce à un « effet template » ; (2) être allongé par un axe à encapsuler ; (3) de telle manière que le site d’interaction puisse être masqué dans le but de conférer au macrocycle une liberté de mouvement de translation le long de l’axe allongé ; (4) pour que le lien entre le translocateur et l’axe à encapsuler soit clivable afin de fournir les molécules entrelacées cibles (jugées impossible d’accès par les méthodes classiques) et de régénérer le translocateur. La seconde molécule auxiliaire est un foldamère, qui a pour rôle de se lier avec une grande affinité à la partie translocateur de l’axe allongé : une nouvelle architecture que nous appelons foldarotaxane (un axe entouré d’un macrocycle et d’un foldamère) est alors générée. Le résultat obtenu de cette association est un changement de la position du macrocycle autour de la partie de l’axe pour lequel il n’a aucune affinité. Cette translation est induite par un mouvement de piston du foldamère le long de l’axe. Au-delà du développement de nouveaux accès synthétiques à n’importe quelle molécule entrelacée, le projet engage de très originales architectures foldarotaxanes dont la structure et les mouvements coordonnés du macrocycle et des foldamères après stimulus doivent être étudiées de manière approfondie.