Cours du Collège de France Topochimie moléculaire www.ccr.jussieu.fr/lcmc Cours du Collège de France www.college-de-france.fr enseignement

Topochimie Moléculaire Topologie étude des propriétés invariantes des objets lorsqu ’on leur applique une déformation continue X Topochimie synthèse de molécules aux formes complexes

Molécules enlacées Associations moléculaires via des liaisons faibles

Chimie Supramoléculaire Prix Nobel de chimie 1987 Donald Cram (UCLA) Jean-Marie Lehn (Strasbourg) Charles Pedersen (DuPont) Les éthers-couronnes Crown Ethers

Éthers couronnes

Les éthers R-O-R R O : Réactivité due au doublet libre sur l ’oxygène éther diéthylique CH3-CH2-O-CH2-CH3 Éthers cycliques H2C CH2 O TétraHydroFurane Propriétés de solvant

Éthers couronnes C12H24O6 C8H16O4 C10H18O5 12-C-4 15-C-5 18-C-6 (18-crown-6) m = nb. de chaînons n = nb. d’atomes d’oxygène m-C-n Terminologie

Formation des éthers couronnes 16-crown-8 ether triethylène glycol + dichlorure de triethylène glycol OH O Cl KOH - D THF 18-Couronne-6

CH2 O Couronne extérieure non polaire hydrophobe cavité intérieure polaire hydrophile

Distribution des charges au sein du 12-C-4 positive neutre négative Forte charge négative concentrée au sein de la cavité Charges positives réparties sur tout l’extérieur

Cs+ Propriétés complexantes Charges négatives concentrées dans la cavité Formation de complexes acid-base de lewis stables

Dissolution d’un composé ionique dans un solvant organique KMnO4 toluène KMnO4 n’est pas soluble dans le toluène 18-C-6 KMnO4 est passé dans le toluène

1. Éthers couronnes

Sélectivité liée à la taille de la cavité

Découvert par Corbaz et al. en 1955 dans une souche bactérienne Propriétés antibiotiques de la Nonactine Découvert par Corbaz et al. en 1955 dans une souche bactérienne K+ Cycle à 32 atomes 20 C 12 O Complexation de K+ par 8 oxygènes

Transfert à travers une membrane phospholipidique Propriétés thérapeutiques

Pseudo-Rotaxanes Association favorisée par des interactions donneur-accepteur d’électrons liaisons hydrogène hydrophile - hydrophobe empilement p-p liaison métal - ligand

Association d’un éther couronne - alkylammonium NH4+ R-NH3+ NH4+ R-NH3+

Association d’un éther couronne - alkylammonium R-NH3+ R-NH2+-R

J. Chem. Soc. Dalton Trans. (2000) 3715-34

Interaction entre les protons de R2-NH2+ dibenzo[24]couronne-8 DB24C8 dibenzylammonium DBA+ Interaction entre les protons de R2-NH2+ et les atomes d’oxygène de l’éther couronne [DBA]+[PF6]- + [DB24C8] [DB24C8-DBA]+

solvant-éther couronne Compétition solvant-éther couronne O Complexe peu stable dans des solvants polaires DMSO, DMF Complexe très stable dans des solvants peu polaires MeCN, CHCl3 NH

Extension à des systèmes comprenant plusieurs groupes NH2+

2 3 4

Extension à des systèmes comprenant plusieurs groupes NH2+ [4]pseudorotaxane [3]pseudorotaxane

Assemblages supramoléculaires obtenus par dimérisation des fonctions carboxyliques ac. terephtalique ac.isophtalique

On ajoute une fonctionnalité carboxylate ‘ COO- ’ association ‘ tête-bêche ’ dans le solide solution solide C O OH HO pas de dimérisation des groupes carboxyliques par liaison hydrogène en raison de l’encombrement stérique

2 groupements COOH On obtient bien un pseudo-rotaxane

Formation de liaison hydrogène entre les COOH terminaux Dimérisation par association p-p et non pas par dimérisation COOH Formation de liaison hydrogène entre les COOH terminaux et l’acétone solvant C-OH …… O=C CH3 O R

dans le solide association par (conformation favorable) Formation du pseudo-rotaxane dans le solide association par dimérisation des COOH (conformation favorable)

Associations plus complexes

Assemblages variés

Formation de dimères ‘tête-bêche’ dans le solide 3,36 Å Formation de dimères ‘tête-bêche’ dans le solide liaisons hydrogène N-H …..O associations ‘ p-p ’

Synthèse d’un rotaxane dimère Association de 2 entités par complexation de Cu(I)

éther-couronne pouvant accueillir 2 invités Précurseurs bifonctionnels Deux fonctions NH+ éther-couronne pouvant accueillir 2 invités

PF6-

Formation de chaînes dans le solide des contre-anions [PF6]- avec alternance des contre-anions [PF6]-

précurseurs trifonctionnels triple association avec des précurseurs trifonctionnels

Vers des chaînes infinies !

Associations réversibles association p-p interactions électrostatiques

Rotaxanes Anneau entourant une molécule linéaire terminée par deux groupements volumineux pour éviter la dissociation

3 voies de synthèse possibles glissement fermeture blocage

nécessite une énergie d’activation élevée glissement peu favorable nécessite une énergie d’activation élevée

Voie 1 Voie 2

groupement encombrant après Greffage d’un groupement encombrant R-Si(OR)3 avant

Caténanes anneaux entrelacés

Caténanes

Caténanes J.P. Sauvage (1983) [n]catenane = n anneaux entrelacés

Synthèse des anneaux

Comment faire un anneau moléculaire ? Solutions très diluées - additions lentes pour éviter la formation de polymères

Caténanes

Cyclisation en présence d’un anneau très faible rendement ≈ 1% Synthèse aléatoire Cyclisation en présence d’un anneau très faible rendement ≈ 1% jusqu’aux années 1980

assemblage fermeture

Synthèse du caténane par fermeture de cycle p-p fermeture

templates ou liens auxiliaires Synthèse dirigée Utilisation de templates ou liens auxiliaires afin d’éviter la fermeture des cycles en maintenant éloignées les extrémités réactives

Templates utilisés pour la synthèse de caténates donneur-accepteur p Templates utilisés pour la synthèse de caténates Liaisons hydrogène Ion métallique

Utilisation de cations métalliques comme templates pour lier les anneaux gf 2 demi-anneaux que l’on ferme 1 anneau + 1/2 anneau que l’on ferme

Template Cu(I) association des 2 unités via la complexation de Cu+

1. Couplage via CuI tétraédrique Dietrich-Buchecker et al., JACS, 1984 1. Couplage via CuI tétraédrique La coordinence Td impose l’orthogonalité des ligands

2. Fermeture des cycles

CuI

3. Elimination du cuivre Complexation par CN-

Utilisation du complexe [Ru(bipyr)3]2+ comme template pour la synthèse d’un caténane

Élimination photochimique d’un fragment Ru(phen)2 Excitation optique dans les O.M. antiliantes jaune rouge Jean-Paul Collin et al. Les 2 réactions, photochimique et thermique, sont quantitatives

Synthèse Complexation par les 4 N et les 2 L L = ligand auxiliaire Substitution L <-> N cyclisation Ru(II)

Complexation du Ru(II) par le ligand macrocyclique (21%) 2+ M = Ru(II) L = CH3CN

Ru(II)

Remplacement de L (MeCN) (i) (56%) 140°C dans HOCH2CH2OH r = 56% Remplacement de L (MeCN)

Fermeture du cycle par métathèse

2 caténanes ont été synthétisés anneau à 50 atomes anneau à 63 atomes Dans les deux cas, l’entité ‘ bipy ’ comporte 42 atomes

Pierre Mobian & Jean-Marc Kern Décomplexation photochimique et recoordination thermique de l ’entité ‘ bipy ’ Pierre Mobian & Jean-Marc Kern

Synthèse en une seule étape 92% RCM = Ring-Closing Metathesis Complexation du CuI par les deux chaînes ouvertes Suivie de la fermeture des oléfines terminales par métathèse

Les Knotanes Molecular knots 1989 première synthèse 44 (2005) 1456-77 Les Knotanes Molecular knots 1989 première synthèse d’un nœud moléculaire

Synthèse d’un nœud moléculaire avec Cu(I) template [Cu(CH3CN)4]+ Cs2CO3

Le nœud de trèfle

Nœud de trèfle (Escher)

Synthèse sans template NH2 H2N Synthèse sans template H2N NH2

Auto-assemblage de knotanes + ligand pontant X

Tétramère en chaîne SO2Cl ClO2S

Tétramères en étoile Tétraknotane

Oligomères cycliques knotanophanes

Isomérie

Propriétés complexantes des knotanes Complexation de Cu(I) J.P. Sauvage et al. JACS. 119 (1997) 4599 Cu(I) coordiné par 4 N

Complexes d’inclusion inclusion de 2 molécules de solvant DMSO DMSO DE = 42 kcal.mol-1 HMPA, C6H6, CHCl3 trop gros CH3OH trop petit

Anneaux de Borromée

Il y a de nombreuses façons d’assembler 3 anneaux

Anneaux de Borromée Blason de princes italiens de la renaissance gravé sur le fronton de leur château sur l’une des îles Borromée du lac majeur Isola bella

Symbole Chintoïste Triangle d’Odin Sainte Trinité

Portail de l’église ‘ San Sigismondo ’ Anneaux de Borromée Portail de l’église ‘ San Sigismondo ’

Les anneaux ne sont pas enlacés deux à deux (≠ caténanes) 3 anneaux entrelacés qui se séparent lorsque l’on coupe l’un d’entre eux

Les anneaux ne sont pas enlacés deux à deux (≠ caténanes) 3 anneaux entrelacés qui se séparent lorsque l’on coupe l’un d’entre eux

Synthèse chimique J.F. Stoddart et al. Science, 304 (2004) 1308 Nécessité de créer 6 points de croisement

plusieurs stratégies de synthèse (c) (d) anneau-anneau cyclisations multiples (b)

association d’un double éther couronne Formation d’un double anneau association d’un double éther couronne avec deux R2NH2+ 1 J.F. Stoddart et al. J. Chem. Soc. Dalton Trans.(2000) 3715

association anneau-anneau Première synthèse D.H. Busch et al. Adv. Supramol. Chem. 5 (1999) 237 association anneau-anneau complexation éther-couronne 2 donneur p accepteur p Les deux cycles aromatiques d’un éther-couronne bis-para-phénylène sont entourés par un cyclophane bisbipyridinium

D.H. Busch et al. Adv. Supramol. Chem. 5 (1999) 237 fermeture de cycle

Formation d’un double anneau par complexation avec des ions métalliques J.S. Siegel et al. Angew. Chem. 42 (2003) 5702 Ru2+ Complexation du Ru(II)

cyclisation Formation du deuxième anneau à l’intérieur du premier

formation de 6 brins d ’ADN réunion des deux trimères Formation d’anneaux de Borromée par association de brins d’ADN + N.C. Seeman et al. Nature, 386 (1997) 137 formation de 6 brins d ’ADN assemblage par 3 en hélices gauches (extérieures) et droites (intérieures) réunion des deux trimères associations par liaisons hydrogène

+ Formation d’anneaux de Borromée par association de brins d’ADN N.C. Seeman et al. Nature, 386 (1997) 137

Association par complexation d’ions métalliques + association cyclisation

Zn2+ Stoddart et al. Science (2004) Schalley, Angew. Chem. (2004) cyclisation

Zn(Oac)2

La démétallation entraîne la rupture des anneaux

démétallation NaBH4 EDTA J.F. Stoddart et al. Chem. Commun. (2005) 3394

Assemblagede différentes topologies