DS03 - Stimuler le renouveau industriel

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

Des FoldaRotaxanes pour Synthétiser des Molécules Entrelacées Improbables

Les méthodes de synthèse des molécules entrelacées les plus populaires sont actuellement basées sur la reconnaissance des éléments moléculaires à assembler. De ce fait, elles ne permettent pas l'accès à toutes molécules entrelacées, notamment celles qui sont dénuées de site d'interactions. Aussi, ce projet propose de remédier à ce problème de limitation en utilisant une stratégie faisant intervenir une structure originale foldarotaxane.

Synthèse et utilisation de nouvelles structures supramoléculaires entrelacées et étude des mouvements des éléments assemblés après stimulus externe

L’objectif initial du projet est de synthétiser des nouvelles architectures moléculaires entrelacées appelées foldarotaxanes. Ces structures consistent en un axe moléculaire entouré d’un macrocycle et d’un foldamère. Une fois l’accès à ces structures validé, nous proposons d’étudier la machinerie moléculaire relative au déplacement coordonné le long de l’axe du foldamère et du macrocycle. Enfin, compte tenu de la différence d’affinité foldamère/axe vs macrocycle/axe, nous souhaitons évaluer la possibilité d’utiliser le foldamère pour compartimenter le macrocycle autour d’une portion de l’axe pour lequel il n’a aucune affinité. Si ceci s’avère possible, nous utiliserons cette stratégie pour la synthèse de tous types de molécules entrelacées, notamment celles pour lesquelles il n’y a pas d’interaction entre les éléments assemblés, ce qui relève d’un réel challenge synthétique.

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 constituent des points de départ pour la préparation des structures plus complexes foldarotaxanes. Dans une seconde approche, les foldarotaxanes synthétisés sont caratérisés 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, une première architecture moléculaire foldarotaxane inédite a été obtenue. Cette structure originale a été caractérisée et le mouvement contrôlé et coordonné du foldamère et du macrocycle le long de l'axe moléculaire est actuellement à l'étude.

Une fois la machinerie moléculaire établie sur l'architecture inédite foldarotaxane, l'élément foldamère sera utilisé comme auxiliaire encombrant pour compartimenter le macrocycle autour d'une région de l'axe moléculaire pour laquelle il n'a aucune affinité. Si ces résultats sont concluants, alors il sera possible d'utiliser des structures foldarotaxanes pour la préparation de rotaxanes qui relèvent du challenge synthétique car dénués de sites d’interaction entre les éléments à assembler.

1. M. Gauthier, F. Coutrot, Eur. J. Org. Chem. 2019, 21, 3391-3395
2. X. Wang, Q. Gan, B. Wicher, Y. Ferrand, I. Huc, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4205 –4209

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.

Coordinateur du projet

Monsieur Frédéric COUTROT (Institut des Biomolécules Max Mousseron)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IBMM Institut des Biomolécules Max Mousseron
CBMN Chimie et Biologie des Membranes et des Nanoobjets

Aide de l'ANR 382 453 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2018 - 48 Mois

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