SUPRAMOLÉCULAIRE (CHIMIE)

SUPRAMOLÉCULAIRE (CHIMIE)

Au-delà de la chimie moléculaire, fondée sur la liaison covalente, s’étend la chimie supramoléculaire, fondée sur les interactions moléculaires – les associations de deux ou plusieurs espèces chimiques et la liaison intermoléculaire.

Les interactions moléculaires sont à la base des processus hautement spécifiques qui se rencontrent en biologie, tels que la fixation d’un substrat sur une enzyme ou un récepteur, l’assemblage de complexes protéiques, la lecture intermoléculaire du code génétique, l’induction d’un signal par des neurotransmetteurs et la reconnaissance cellulaire. La manipulation correcte des caractéristiques énergétiques et stéréochimiques des forces non covalentes intermoléculaires (forces électrostatiques, liaisons hydrogène, forces de Van der Waals, etc.), à l’intérieur d’une architecture moléculaire déterminée, devrait permettre de concevoir des molécules réceptrices artificielles capables de fixer un substrat fortement et sélectivement pour former des entités supramoléculaires, appelées supermolécules, de structure et fonction parfaitement définies. On pourrait dire que les supermolécules sont aux molécules et à la liaison intermoléculaire ce que les molécules sont aux atomes et à la liaison covalente.

1. De la chimie moléculaire à la chimie supramoléculaire

Pour que le récepteur «reconnaisse» un substrat potentiel et s’y fixe, les deux espèces doivent être complémentaires tant en ce qui concerne la taille et la forme (géométrie) que les sites de fixation (énergie). Il s’agit là d’une extension du concept de «clé et serrure» d’Émile Fischer, de l’ajustement stérique à d’autres propriétés intermoléculaires.

La chimie des récepteurs peut ainsi être considérée comme une chimie de coordination généralisée. Elle étend la finalité des agents complexants organiques artificiels de la coordination des ions métalliques de transition, pour laquelle ils ont été d’abord utilisés, à la coordination de toutes sortes de substrats: cationiques, anioniques et espèces neutres de nature inorganique, organique et biologique.

Si, outre les sites de fixation, le récepteur porte aussi des fonctions réactives, il peut réaliser une transformation chimique du substrat fixé, se comportant ainsi en réactif ou catalyseur supramoléculaire. S’il est muni de groupes lipophiles qui lui permettent de se dissoudre dans une membrane, il peut agir comme transporteur moléculaire, capable d’effectuer la translocation du substrat fixé. Ainsi, la reconnaissance, la transformation et la translocation moléculaires représentent les fonctions de base des espèces supramoléculaires (fig. 1). Des fonctions plus complexes peuvent résulter de l’interaction entre plusieurs sous-unités de fixation au sein d’un même récepteur. En association avec des assemblages polymoléculaires et des phases organisées (couches, membranes, vésicules, cristaux liquides, etc.), des supermolécules fonctionnelles peuvent conduire à la formation de composants moléculaires, dont les propriétés résultent de la mise en œuvre des fonctions supramoléculaires au sein d’un ensemble organisé.

Récepteurs macropolycyliques . La reconnaissance moléculaire exige qu’un récepteur et son substrat aient une grande surface de contact. Ainsi, les récepteurs artificiels doivent contenir des cavités intramoléculaires suffisamment grandes pour permettre l’inclusion du substrat, de même que des éléments structuraux qui dotent l’ossature tridimensionnelle des caractéristiques géométriques et dynamiques prévues: en somme, un équilibre entre flexibilité et rigidité. Cela conduit à des molécules concaves, «creuses», d’architecture déterminée, capables de fixer un substrat par de multiples interactions non covalentes.

Les architectures macropolycycliques satisfont en principe à ces exigences. De grande taille (macro) et fortement connectées (polycyclique), elles sont bien adaptées à la construction de molécules contenant les cavités, crevasses et poches qui permettent l’arrangement des sites de fixation, des groupes réactifs et des espèces fixées.

La fixation d’un substrat par un récepteur macropolycyclique forme un complexe d’inclusion, appelé cryptate, dans lequel le substrat est contenu à l’intérieur d’une cavité moléculaire (crypte) du ligand (cryptant). Bien que nous ayons introduit les cryptates comme une classe de complexes d’inclusion de cations, ils peuvent être considérés comme un type général de composé, indépendant de la nature du récepteur et du substrat. Au fur et à mesure que le travail progressait pour inclure plusieurs classes de structures macropolycycliques – macrocycles, macrobicycles et macrotricycles cylindriques et sphériques (fig. 2) –, les études initiales des cryptates cationiques macrobicycliques ont été étendues à celles de la structure et de la fonction des supermolécules, allant de l’élaboration de récepteurs à celle de catalyseurs et de transporteurs artificiels. Ces espèces peuvent être biomimétiques ou abiotiques, puisqu’elles peuvent aussi bien servir de modèles pour les systèmes et réactions biologiques que donner accès à des processus non biologiques présentant une efficacité et une sélectivité comparables.

2. La reconnaissance sphérique: cryptates cationiques de ligands macrobicycliques

La chimie de coordination (cf. chimie de COORDINATION) des cations alcalins ne s’est développée qu’il y a une quinzaine d’années, après que l’on eut découvert que des macrocycles naturels ou synthétiques (éther-couronnes de Pedersen) et des macrobicycles étaient de puissants ligands. Tandis que les macrocycles définissent un trou bidimensionnel, circulaire, les macrobicycles définissent une cavité tridimensionnelle, sphéroïdale, particulièrement bien adaptée à la fixation des cations sphériques alcalins (C.A.) et alcalino-terreux (C.A.T.).

De fait, les ligands macrobicycliques tels que 1, 2 et 3 forment des cryptates (M^{n +} 說 cryptant), 4, par inclusion de cations métalliques à l’intérieur de la molécule. Les meilleurs cryptates de C.A. et de C.A.T. ont des stabilités supérieures de plusieurs ordres de grandeur à celles des ligands macrocycliques naturels ou synthétiques. Ils montrent une sélectivité prononcée en fonction de la complémentarité de taille entre le cation et la cavité intramoléculaire; on parle alors de reconnaissance sphérique. À mesure que les ponts des macrobicycles s’allongent du cryptant 1 au 3, l’ion le plus fortement fixé est Li⁺, puis Na⁺ et enfin K⁺. Le cryptant 3 possède aussi une sélectivité supérieure pour Sr²⁺ et Ba²⁺ que pour Ca²⁺. Des modifications structurelles appropriées permettent d’obtenir une forte sélectivité de C.A. par rapport à C.A.T. (M⁺ par rapport à M²⁺).

Les cryptants 1 à 3 constituent ainsi des récepteurs pour les cations sphériques. Leurs propriétés spéciales de complexation (cf. COMPLEXES [chimie]) résultent de leur nature macropolycyclique et définissent un effet de cryptate caractérisé par une stabilité et une sélectivité fortes, des vitesses d’échange lentes et une protection efficace de l’ion fixé vis-à-vis de l’environnement.

De nombreux autres cryptants et cryptates macrobicycliques ont été obtenus. Le remplacement des sites oxygène dans les molécules 1 à 3 par des sites soufre ou azote conduit à des cryptants qui montrent une préférence marquée pour les ions métalliques de transition et permettent une complexation hautement sélective des métaux lourds toxiques tels que le cadmium, le plomb et le mercure. La cryptation modifie fortement les propriétés redox de l’ion métallique enfermé et peut stabiliser des états d’oxydation peu fréquents tels que Eu^II (cf. équilibres en SOLUTION).

3. Reconnaissance tétrahédrique et cryptants macrotricycliques

La fixation sélective d’un substrat tétrahédrique nécessite la construction d’une molécule réceptrice avec un site de reconnaissance tétrahédrique. Cela peut être obtenu en disposant quatre sites de fixation appropriés aux sommets d’un tétrahèdre et en les reliant par six ponts. Une telle structure, appelée macrotricycle cylindrique, a été réalisée dans le cryptant sphérique 5, qui contient quatre azotes placés aux sommets d’un tétrahèdre et six oxygènes placés aux sommets d’un octaèdre, comme indiqué en 6.

De fait, le composé 5 fixe le cation NH⁺⁴ avec une force et une sélectivité exceptionnelles (par rapport à K⁺), formant un cryptate d’ammonium, représenté par (NH⁺⁴ 說 5) et montré en 7. Ce complexe présente un haut degré de complémentarité de structure et d’interaction entre le substrat NH⁺⁴ et le récepteur 5. L’ion ammonium entre dans la cavité de 5 et est fixé par un réseau de liaisons hydrogène ⁺N 漣H...N et par des interactions électrostatiques avec les six oxygènes.

Les remarquables caractéristiques de protonation du composé 5 ont conduit à la formulation de l’espèce diprotonée comme le cryptate d’eau (H²O 說 5-2H⁺), 8, dans lequel la molécule d’eau accepte deux liaisons ⁺N 漣H...O des azotes protonés et donne deux liaisons O 漣H...N aux azotes non protonés. La seconde protonation de 5 est facilitée par le substrat; on peut la considérer comme un effet de «coopérativité positive» dans lequel H²O joue le rôle d’effecteur. Quand 5 est tétraprotoné, il forme le cryptate de chlorure (Cl^- 說 5-4H⁺), 9, dans lequel l’anion inclus est fixé par quatre liaisons hydrogène ⁺N 漣H...X^-.

Le macrotricycle sphérique 5 constitue ainsi un récepteur moléculaire possédant un site de reconnaissance tétrahédrique qui fixe les substrats par un réseau tétrahédrique de liaisons hydrogène comme dans 7, 8 et 9. Cela illustre le génie moléculaire nécessaire à la chimie des récepteurs abiotiques.

4. Les applications chimiques des cryptates

La forte fixation des C.A. et C.A.T. par les cryptants neutres des types 1 à 3 conduit à de nombreuses applications, tant en chimie pure qu’en chimie appliquée. La formation de cryptate transforme un petit cation métallique en un cation d’environ 1 nanomètre de diamètre, une sorte de C.A. ou C.A.T. superlourd. Cela permet l’étude de la solvatation ionique et rend les ions fixés beaucoup plus difficiles à réduire. La stabilité des cryptates et la grande distance imposée par l’épaisse couche du ligand organique entre le cation enfermé et l’environnement (l’anion ainsi que le solvant) ont de nombreuses conséquences chimiques et physiques.

Utilisés comme contre-ions, les cryptates peuvent stabiliser des espèces peu communes, telles que les alcalures, comme dans ([Na⁺ 說 3]Na^-), les électrures, comme dans ([M⁺ 說 cryptant]e ^-) et les amas (clusters ) anioniques de métaux lourds «posttransition», comme dans ([K⁺ 說 cryptant]² Pb^52-).

La cryptation favorise la solubilisation des sels et la formation de paires ioniques avec, pour résultat, une forte activation de l’anion. Elle augmente ainsi fortement la vitesse de nombreuses réactions, telles que celles qui mettent en jeu la formation de bases fortes, des substitutions nucléophiles, des réactions de carbanions, des alkylations, des réarrangements, des polymérisations anioniques et des catalyses par transfert de phase. Elle peut même en changer le cours. Inversement, la formation de cryptates inhibe des réactions dans lesquelles le cation joue un rôle important (catalyse électrostatique). Ainsi, les cryptants sont des outils puissants pour étudier le mécanisme de réactions ioniques qui mettent en jeu des cations métalliques susceptibles d’être complexés (cf. COMPLEXES [chimie]). Leur effet sur une réaction est un critère pour déterminer l’équilibre entre l’activation de l’anion et la participation du cation dans des conditions données.

Les cryptants, seuls ou supportés par des polymères, ont été utilisés dans de nombreux processus comprenant l’extraction sélective d’ions métalliques, la solubilisation, la séparation isotopique, l’extraction de métaux radioactifs ou toxiques et des méthodes analytiques sélectives vis-à-vis des cations. De telles applications ont donné lieu à de nombreux brevets.

5. Les récepteurs moléculaires d’anions et la chimie de coordination des anions

Vu le rôle fondamental joué par les anions dans les processus chimiques et biologiques, on pourrait s’attendre à ce que la complexation des anions par des ligands organiques fournisse une multitude de structures nouvelles aux propriétés d’un grand intérêt. Elle n’a cependant reçu que peu d’attention par rapport à la coordination des cations, qui a fait l’objet de nombreuses études. Ce n’est que depuis la fin des années 1970 que la chimie de coordination des anions s’est développée comme un nouveau domaine de la chimie de coordination. Cela est le résultat de la mise au point de divers types de récepteurs moléculaires d’anions, en particulier des polycations macrocycliques et macropolycycliques capables de former des complexes forts et sélectifs avec des anions inorganiques et avec les groupes fonctionnels négativement chargés (tels que carboxylates et phosphates) des substrats organiques et biologiques. La force de liaison et la sélectivité des récepteurs proviennent de sites d’interaction déficients en électrons (tels que les sites positivement chargés des cations polyammonium et polyguanidinium qui peuvent former de multiples liaisons ⁺N 漣H...X^-), disposés de manière appropriée autour d’une cavité intramoléculaire de forme et de taille adaptées au substrat anionique à fixer.

Des macrocycles polyammonium avec des cycles de taille variable (par exemple les composés 10 à 12) se comportent comme des récepteurs d’anions pour les polycarboxylates organiques, avec une stabilité et une sélectivité qui résultent d’effets à la fois électrostatiques et structuraux. La fixation d’anions complexes de métaux de transition, tels que les hexacyanures M(CN)^{6n -}, modifie fortement leurs propriétés redox et photochimiques. La forte complexation des adénosines mono-, di- et triphosphates (A.M.P., A.D.P. et A.T.P.) présente une importance particulière à cause de leur rôle en bioénergétique. Elle offre la possibilité de concevoir des catalyseurs et des transporteurs moléculaires pour ces substrats. Des substances telles que 10 et 11 sont des analogues cycliques des polyamines biologiques et pourraient ainsi interagir avec des biomolécules; de fait, plusieurs polyamines macrocycliques provoquent une polymérisation efficace de l’actine.

Les diamines macrobicycliques protonées forment des catapinates par inclusion d’ions halogénures. Les macrotricycles tétraprotonés, tels que 5-4H⁺, constituant des récepteurs géométriquement adaptés aux anions sphériques et forment des cryptates d’anions avec les halogénures. Ainsi, 5-4H⁺ forme un cryptate de chlorure [Cl^- 說 5-4H⁺], 9, d’une grande stabilité, présentant une forte sélectivité pour le chlorure par rapport au bromure, mais qui ne complexe pas d’autres types d’anions.

La forme hexaprotonée du cryptant ellipsoïdal bis-tren, 13, fixe divers anions mono-et polyatomiques et étend la reconnaissance de substrats anioniques au-delà des halogénures sphériques. La fixation forte et sélective de l’anion triatomique et linéaire ^-3 résulte de sa complémentarité avec le récepteur 13-6H⁺. Dans (N^3- 說 13-6H⁺), 14, le substrat est maintenu à l’intérieur de la cavité par deux réseaux pyramidaux de liaisons hydrogène dont chacun est lié à l’un des azotes terminaux de ^3-.

La non-complémentarité entre le composé ellipsoïdal 13-6H⁺ et les halogénures sphériques a pour conséquence une fixation beaucoup plus faible et des déformations sensibles du ligand, comme on l’a observé dans les structures cristallines des cryptates 15 où l’ion fixé est ^-, Cl^- ou Br^-. Dans ces composés, l’ion ^- est lié par un réseau tétrahédrique de liaisons hydrogène, tandis que les ions Cl^- et Br^- sont liés par un réseau octahédrique. Ainsi 13-6H⁺ constitue un récepteur moléculaire pour la reconnaissance d’espèces triatomiques linéaires de taille compatible avec la taille de la cavité moléculaire.

On observe un effet cryptate aussi bien pour les complexes d’anions que pour les complexes de cations. En général, une augmentation de l’ordre cyclique, depuis l’acyclique jusqu’au macrobicyclique, accroît sensiblement la stabilité et la sélectivité des complexes d’anions formés par les ligands polyammonium.

De plus, dans le composé 14, le récepteur est constitué de deux sous-unités tripodales protonées du type tren, N(CH²CH²NH²)³, situées à chaque pôle de la molécule et qui coopèrent dans la fixation du substrat. Cela est une caractéristique des corécepteurs moléculaires qui seront discutés plus loin.

6. Les récepteurs macrocycliques pour les ions ammonium

Les polyéthers et les azapolyéthers fixent sélectivement les ions ammonium primaires en ancrant le groupe 漣NH³⁺ dans la cavité circulaire par trois liaisons hydrogène ⁺N 漣H...X (X = O, N). Vu le rôle de tels substrats en chimie et en biologie, nous avons cherché un dérivé qui donnerait des complexes plus forts que ceux des macrocycles de départ et porterait des groupes fonctionnels permettant des modifications ultérieures. C’est ainsi qu’a été conçu le macrocycle chiral tétrafonctionnel en 16 qui, par attachement de substituants latéraux au noyau central, a conduit à des récepteurs moléculaires présentant toute une variété de propriétés de fixation.

Le tétracarboxylate 16 a forme les plus forts complexes ion métallique et ion ammonium de tous les éther-couronnes. Il présente une sélectivité marquée en faveur des ions ammonium primaires par rapport aux ions ammonium plus substitués (discrimination centrale). Sa fixation sélective d’ions biologiquement actifs tels que la noradrénaline et la noréphédrine par rapport à leurs dérivés N-méthylés, l’adrénaline et l’éphédrine, est d’un intérêt tout particulier.

Changer les groupes latéraux X en 16 b perturbe les interactions (électrostatique, lipophile, liaisons hydrogène et transfert de charge) entre les groupes latéraux et le groupement R du substrat fixé au centre. Cela modifie à la fois la sélectivité et la stabilité des complexes, ce que l’on appelle la discrimination latérale, et permet de modéliser les interactions récepteur-substrat dans les systèmes biologiques, par exemple l’interaction entre la nicotinamide et le tryptophane.

Les caractéristiques structurales du composé 16 et ses remarquables propriétés de fixation en font une unité intéressante pour la construction de récepteurs macropolycycliques multisites, de catalyseurs moléculaires et de vecteurs pour le transport membranaire.

7. Corécepteurs moléculaires

Les corécepteurs sont définis comme étant des récepteurs moléculaires polytopiques combinant deux ou plusieurs sous-unités de fixation, à l’intérieur de la même architecture macropolycyclique. En termes des fonctions générales des systèmes supramoléculaires, reconnaissance, catalyse et transport, ils peuvent agir comme corécepteurs, cocatalyseurs ou cotransporteurs, dont les sous-unités coopèrent pour la complexation, la transformation ou la translocation, soit de plusieurs substrats fixés individuellement, soit d’un substrat polyfonctionnel fixé en plusieurs points. Selon les sous-unités, de tels corécepteurs peuvent fixer des ions métalliques, des molécules organiques ou les deux. Leur aptitude à la reconnaissance multiple donne accès à des formes supérieures de comportement moléculaire, telles que la coopérativité, l’allostérie, la régulation et la communication (transfert d’un signal).

8. Les cryptates d’ions métalliques di- et polynucléaires

Les ligands macropolycycliques comportant deux ou plusieurs sous-unités de fixation pour des ions métalliques forment des cryptates di- ou polynucléaires, dans lesquels la distance et la disposition des cations maintenus à l’intérieur de la cavité moléculaire peuvent être contrôlées par la conception du ligand. Ils permettent l’étude des interactions cation-cation (couplage magnétique, transfert d’électrons, propriétés redox et photochimiques), ainsi que l’inclusion de substrats pontants pour donner des complexes en cascade, qui sont d’un grand intérêt pour la modélisation bio-inorganique et la catalyse multicentre-multiélectron.

Selon la nature et le nombre des sous-unités de fixation et des ponts de liaison utilisés comme éléments de construction, on peut envisager une grande variété de structures macropolycycliques. Des ligands ditopiques comportant deux unités, qui peuvent être chélatantes, tripodales ou macrocycliques, fixent deux ions métalliques pour former des cryptates dinucléaires de divers types (fig. 3). La combinaison de trois ou quatre telles sous-unités conduit à des récepteurs d’ions métalliques tri- et tétratopiques. Des ligands dissymétriques, qui contiennent des sous-unités avec des sites de fixation «durs» et «mous», donnent des complexes dans lesquels les ions fixés agissent soit comme centres redox, soit comme acides de Lewis. Des représentants de ces types de ligands et de complexes ont été obtenus et étudiés.

Ainsi, les cryptates dinucléaires de cuivre (II) formés par des ligands macrocycliques (par exemple 12) ou des ligands macropolycycliques (par exemple 13) et contenant des groupes pontants (imidazolato, hydroxy ou azido) présentent un couplage antiferromagnétique ou ferromagnétique entre les ions et rappellent les sites dinucléaires des protéines à cuivre. Les macrobicycles latéraux sont dissymétriques dans leur conception même; ainsi, la réduction monoélectronique du Cu(II), fixé à la sous-unité macrocyclique (12)-²S² dans le cryptate bis-Cu(II) 17, donne un complexe de valence mixte Cu(I)-Cu(II). Le macrotricycle 18 forme lui aussi un cryptate dinucléaire Cu(II), qui agit comme un récepteur diélectronique et échange deux électrons en une seule vague électrochimique.

Les récepteurs polytopiques ont la capacité d’assembler des ions métalliques et des espèces pontantes à l’intérieur de leur cavité moléculaire. Ainsi, le macrocycle bis-chélatant 12 donne le complexe 19 dans lequel une unité triplement pontée [Rh(CO)³Rh]²⁺ est encastrée dans la cavité du ligand. Un ligand tritopique donne naissance au complexe trinucléaire 20 contenant un groupe [tris-Cu(II), bis- 猪³-hydroxo] dans la cavité. Ces quelques exemples ont pu au moins montrer la richesse du domaine des cryptates polynucléaires de cations métalliques, tant dans leur structure que dans leurs propriétés. Jusqu’à présent, leur réactivité chimique et leur utilisation en catalyse ont été à peine étudiées.

9. Les cryptates diammonium des corécepteurs macrotricycliques

Quand les deux sous-unités de fixation sont situées aux pôles d’un corécepteur moléculaire, la complexation d’un substrat difonctionnel dépend de la complémentarité entre la distance séparant les deux sites de fixation dans le récepteur et la longueur séparant les deux groupes fonctionnels correspondants dans le substrat. Une telle reconnaissance linéaire par des corécepteurs ditopiques a été obtenue aussi bien pour des substrats dicationiques que dianioniques, les ions diammonium et dicarboxylate respectivement; elle correspond aux modes de fixation représentés en 21 et 22.

Les macrotricycles cylindriques 23 a à 23 d, qui contiennent deux sous-unités macrocycliques capables de fixer les groupes 漣NH⁺³, donnent des cryptates moléculaires avec les ions diammonium. Le substrat est situé dans la cavité moléculaire centrale du corécepteur et ancré par chaque groupe 漣NH⁺³ terminal à un macrocycle (18)-²² par trois liaisons hydrogène, comme l’a confirmé la structure cristalline de [⁺H³N 漣 (CH²)⁵ 漣NH⁺³ 23 d], 25.

Le substrat ⁺H³N 漣(CH²)ⁿ 漣NH⁺³, qui est fixé préférentiellement, a une longueur complémentaire de la longueur de la cavité moléculaire, avec n = 4, 5, et 7 pour 23 a, 23 b et 23 c respectivement. Ainsi, le ligand 23 b discrimine entre les cations cadavérine (n = 5) et putrescine (n = 4). On peut s’attendre à des effets similaires pour des polyamines de diverses longueurs de chaînes telles que l’ornithine, la lysine, les dipeptides diammonium ou la spermine. Des séquences de sélectivité différentes ont été obtenues avec d’autres macrotricycles, et des récepteurs cylindriques triplement pontés montrent un haut degré de sélectivité dans la formation de leurs cryptates diammonium, 26. Ces résultats montrent que la complémentarité structurale des récepteurs et des substrats est à la base de la reconnaissance moléculaire linéaire.

Des études de complexes du type 24 par résonance magnétique nucléaire du carbone 13 indiquent que des paires récepteur-substrat complémentaires présentent des mouvements moléculaires similaires, un fort couplage dynamique en plus de leur ajustement stérique. Ainsi, la complémentarité entre les composants d’une espèce supramoléculaire s’exprime à la fois dans ses propriétés structurales et dynamiques.

10. Les corécepteurs ditopiques d’anions dicarboxylates

Les deux macrocycles hexa-ammonium 27 a et 27 b possèdent les caractéristiques de corécepteurs moléculaires ditopiques pour des substrats dianioniques, puisqu’ils contiennent deux sous-unités triammonium chélatantes qui peuvent servir de site de fixation pour un groupe chargé négativement, comme on le voit en 28. Ils complexent les dicarboxylates avec une sélectivité qui dépend de la longueur de chaîne des substrats, 漣²C 漣(CH²)^m 漣C^-2. La fixation préférentielle des substrats avec m = 2 et 3 par 27 a et des substrats avec m = 5 et 6 par 27 b correspond à un accroissement équivalent dans la longueur des chaînes polyméthylène séparant les sous-unités de fixation dans les substrats et dans les récepteurs. Les récepteurs 27 a et 27 b fixent aussi les dicarboxylates biologiques de longueur de chaîne compatible, respectivement des dicarboxylates acides aminés et dipeptides.

Comme dans la fixation des substrats diammonium aux corécepteurs macrotricycliques, cette sélection de la longueur de chaîne décrit un processus de reconnaissance linéaire, fondé sur une complémentarité structurale dans un mode de fixation ditopique, 20. Dans les deux cas, le récepteur agit comme un capteur discriminant de longueur moléculaire.

11. Les spéléants et les spéléates de cations moléculaires

La combinaison de sous-unités de fixation polaires avec des composants de forme, apolaires, plus ou moins rigides, conduit à des corécepteurs amphiphiles macropolycycliques du type cryptant, appelés spéléants, qui forment des spéléates par inclusion d’un substrat.

Le spéléant macrocyclique 29 combine deux unités d’acide tartarique avec deux groupes diphénylméthane. Il fixe fortement toute une gamme de cations moléculaires par effets électrostatique et hydrophobe. Non seulement, il donne, avec les ions ammonium primaires, des complexes plus stables que les macrocycles polyéthers habituels (excepté 16 a), mais il fixe aussi fortement les substrats ammonium secondaire, tertiaire et quaternaire. Parmi ces derniers, la complexation de l’acétylcholine est d’un intérêt particulier: elle apporte une réponse spécifique à la question générale du mode de fixation de l’acétylcholine et jette quelque lumière sur le type d’interactions susceptibles de jouer un rôle dans les récepteurs biologiques de l’acétylcholine.

Le spéléant macropolycyclique 30 a combine une sous-unité de fixation macrocyclique (18)-³³ avec un cyclotriveratrylène comme composant de forme. Cette étroite cavité intramoléculaire permet l’inclusion de l’ion CH³ 漣NH⁺³ pour donner le spéléate (CH³ 漣NH⁺³ 30 a) représenté en 30 b.

On peut imaginer de nombreuses combinaisons de sous-unités de fixation (polaires) et de composants architecturaux (apolaires), ce qui rend les spéléants intéressants pour l’élaboration de nouveaux récepteurs moléculaires efficaces.

12. Les métallorécepteurs et les supermolécules à substrats mixtes

Les métallorécepteurs sont des corécepteurs hétérotopiques qui contiennent des sous-unités de fixation sélectives capables de complexer des ions métalliques et des espèces organiques à l’intérieur de la même super-structure.

De telles substances ont été obtenues en introduisant une ou deux unités fixant un ion métallique, telles que porphyrines ou 見, 見’-bipyridines comme ponts dans les macrotricycles du type 23 a à 23 d. Ces composés peuvent complexer les ions diammonium, comme en 24, aussi bien que les ions métalliques. La fixation simultanée de ⁺H³N 漣(CH²)⁹ 漣NH⁺³ et de deux cations Zn²⁺ par un tel métallorécepteur diporphyrine conduit à la supermolécule à substrats mixtes 31. La complexation de plusieurs ions métalliques donne des cryptates polynucléaires. On peut concevoir de nombreuses variations impliquant tant les sous-unités que l’architecture macropolycyclique d’ensemble. La complexation simultanée de substrats organiques et inorganiques offre l’occasion d’induire, ou d’ajuster, les interactions physiques et chimiques et les réactions de métallocatalyse entre les sites réactifs du métal et les substrats moléculaires fixés. Cela permettrait aussi de mimer les caractéristiques essentielles des métalloenzymes. Par exemple, on pourrait envisager, dans des espèces comme le composé 31, l’activation du substrat organique fixé à l’intérieur par les sites métal-porphyrine. En fixant un effecteur, les unités macrocycliques pourraient aussi agir comme des sites de régulation, pour une interaction externe, avec les centres métal-porphyrine, au point d’exercer un contrôle allostérique et une coopérativité.

13. La catalyse supramoléculaire

Des récepteurs moléculaires portant des groupes fonctionnels appropriés peuvent fixer un substrat, réagir avec lui et relâcher les produits. On pourrait parler de catalyse supramoléculaire, une catalyse au sein d’une supramolécule (fig. 4). L’élaboration de catalyseurs moléculaires efficaces et sélectifs peut nous éclairer sur les mécanismes mis en jeu dans les étapes élémentaires de la catalyse, conduire à de nouveaux types de réactifs chimiques et fournir des modèles, les enzymes artificielles, qui mettent en évidence les facteurs contribuant à la catalyse enzymatique.

C’est ainsi que l’on a pu observer des vitesses accrues pour le transfert d’un hydrogène des chaînes latérales 1, 4-dihydropyridyle attachées au récepteur macrocyclique d’ammonium 16 vers le substrat pyridinium fixé, comme le montre la formule 32. Cette réaction interne au complexe est inhibée par addition d’un cation complexable qui déplace le substrat.

On a pu provoquer la coupure d’une liaison ester avec le dérivé tétra-(L)-cystéinyle du composé 16 qui fixe les esters p-nitrophényle (P.N.P.) des acides aminés et réagit avec l’espèce fixée, relâchant le P.N.P. avec une vitesse variable. Cette réaction interne au complexe présente une sélectivité vis-à-vis du substrat, avec un accroissement marqué de la vitesse en faveur des esters dipeptides fixés tels que le glycylglycine-O.P.N.P. dans le complexe 33. Elle est inhibée par un cation métallique complexable, comme K⁺, et présente une grande capacité de reconnaissance chirale entre les énantiomères d’esters dipeptides Gly-(L)Phe-O.P.N.P. et Gly-(D)-Phe-O.P.N.P., le premier réagissant au moins cinquante fois plus vite que le second.

La mise au point de récepteurs moléculaires d’anions permet de réaliser une catalyse moléculaire sur des substrats anioniques d’intérêt chimique ou biologique. Ainsi, on a montré que les polyamines macrocycliques catalysent l’hydrolyse de l’A.T.P., le composé (24)-⁶² protoné, 12 étant particulièrement efficace. Il fixe fortement l’A.T.P. et accélère sensiblement son hydrolyse dans une vaste gamme de pH, probablement par une combinaison de catalyses acide, électrostatique et nucléophile. Cette dernière réaction passe par un intermédiaire N-phosphoryle qui est ensuite hydrolysé, un processus qui rappelle la réaction de catalyse enzymatique de type phosphatase.

Cocatalyse: catalyse de réactions de synthèse. Une étape ultérieure consiste à élaborer des systèmes capables d’induire la formation d’une liaison plutôt que la coupure d’une liaison, effectuant ainsi des réactions de synthèse par rapport aux réactions de dégradation. Pour cela, la présence de plusieurs sites de fixation et de réaction est essentielle. Tel est le cas des corécepteurs moléculaires, dans lesquels des sous-unités peuvent coopérer pour la fixation du substrat et sa transformation. Ils devraient être capables de réaliser une cocatalyse en mettant ensemble substrat(s) et cofacteur(s) et en étant actifs dans des réactions entre eux à l’intérieur de la structure supramoléculaire. Des quantités appréciables de pyrophosphate se forment quand on utilise le composé 12 pour catalyser l’hydrolyse de l’acétylphosphate. Un intermédiaire macrocyclique N-phosphorylé est à nouveau produit, qui est capable de transférer son groupe phosphoryle à un substrat phosphate maintenu à proximité, réalisant ainsi la synthèse de pyrophosphate inorganique (fig. 5). On peut considérer que le macrocycle 12 présente dans ce processus une activité de type kinase.

Ces systèmes possèdent un nombre de propriétés que devrait présenter la catalyse supramoléculaire, c’est-à-dire les propriétés d’une enzyme abiotique (protoase): fixation sélective du substrat, réaction à l’intérieur du complexe supramoléculaire, augmentation de la vitesse, inhibition par des espèces en compétition pour le site de fixation, sélectivité structurale et reconnaissance chirale.

On pourrait imaginer de nombreux autres processus et des travaux ont été effectués dans de multiples laboratoires. D’un intérêt particulier est la mise au point de catalyseurs capables de réaliser des réactions de synthèse, processus de formation de liaison plutôt que de rupture de liaison. Pour cela, la présence au sein du catalyseur moléculaire de plusieurs sites de fixation et de réaction est essentielle. Ainsi, les corécepteurs ouvrent la voie à la conception de cocatalyseurs moléculaires artificiels de type ligase, métallocatalyseur et enzyme-coenzyme, qui agissent sur deux ou plusieurs substrats fixés et orientés dans l’espace.

14. Les processus de transport et l’élaboration d’un transporteur

Parmi les différents mécanismes de transport, la diffusion facilitée, ou transport par l’intermédiaire de porteur, consiste dans le transfert d’un substrat à travers la membrane à l’aide d’une molécule transporteuse (fig. 6). Ce processus cyclique peut être considéré comme une catalyse physique qui effectue la translocation d’un substrat, juste comme la catalyse chimique effectue une transformation. Le porteur est le catalyseur de transport, qui augmente fortement la vitesse de passage d’un substrat par rapport à sa libre diffusion, contrôle sa sélectivité et permet le couplage du transport à d’autres processus, tels que le cotransport de protons (une pompe à protons) ou le cotransport d’électrons. L’espèce active est la supermolécule transporteursubstrat; le transport est ainsi l’une des caractéristiques fonctionnelles de base des systèmes supramoléculaires, au même titre que la reconnaissance et la catalyse.

En fonction de facteurs internes, tels que la structure du ligand ou l’appariement ligand-cation, et de facteurs externes, tels que la nature du contre-ion, la nature de la membrane ou les concentrations des substrats et des transporteurs, les cryptants macrobicycliques des types 1 à 3 sont capables de transporter sélectivement des cations alcalins, même dans des conditions où les macrocycles naturels ou synthétiques montrent peu d’activité. On peut faire varier la vitesse et la sélectivité de transport pour les divers cations alcalins en modifiant la structure du cryptant. Les résultats expérimentaux et l’analyse cinétique indiquent qu’il existe une capacité de fixation optimale pour une très grande efficacité de transport. Des cations moléculaires comme les ions ammonium primaires, physiologiquement actifs, sont transportés sélectivement par les polyéthers macrocycliques.

En principe, les transporteurs d’anions peuvent être dérivés des récepteurs d’anions. Ce domaine a cependant été comparativement peu exploré, bien qu’il soit riche de développements potentiels, par exemple le transport sélectif des anions organiques et biologiques.

Deux exemples illustreront clairement la capacité de concevoir et de réaliser des processus de transport couplés.

Le symport (transport en parallèle) électron-cation a été réalisé dans un processus à deux transporteurs, dans lequel les électrons et les ions K⁺ sont transportés dans la même direction, pompés par un gradient redox. Ce transport utilise simultanément un transporteur d’électron – un complexe de nickel – et un transporteur de cation sélectif – un polyéther macrocycle.

Une régulation frappante de la sélectivité du transport de Ca²⁺ et K⁺ par le pH a été obtenue avec les deux isomères des transporteurs macrocycliques lipophiles de type 16 c dicarboxylate-dicarboxamide. Le processus met en jeu un symport compétitif de Ca²⁺ et de K⁺ couplé à un transport en retour de protons dans un gradient de pH (une pompe à protons). On passe d’un transport préférentiel de K⁺ à un transport préférentiel de Ca²⁺ en fonction du pH. Ces résultats montrent comment une conception appropriée conduit à des transporteurs réalisant une fonction donnée.

Le passage de cations à travers les membranes peut avoir lieu à travers un canal transmembranaire plutôt qu’à l’aide d’un transporteur mobile. Divers travaux sont actuellement menés pour synthétiser une structure canal à partir de sous-unités macrocycliques ou par assemblage de chaînes, par exemple.

Les études de transport fournissent les éléments pour la conception d’effecteurs, l’analyse des étapes élémentaires et des mécanismes du transport, le couplage du transport aux potentiels chimiques, la transduction d’énergie et de signaux, des modèles de processus de transport biologique, etc. Il y a une variété d’applications possibles, par exemple dans la séparation ou la purification, dans les piles, ou dans les systèmes pour la photosynthèse artificielle. À nouveau, la multiplicité des sites dans les corécepteurs devrait permettre la conception de cotransporteurs capables de transporter plusieurs substrats, le transport étant couplé à des gradients électrochimiques.

15. Des supermolécules aux assemblages polymoléculaires

La chimie moléculaire est le domaine des molécules isolées (plus ou moins) indépendantes. La chimie supramoléculaire peut être divisée en deux grands domaines se recouvrant partiellement. Le premier est celui des supermolécules, qui sont des espèces oligomoléculaires bien définies résultant de l’association intermoléculaire de quelques composants (un récepteur et son (ses) substrat(s)) suivant un schéma d’Aufbau incorporé, fondé sur les principes de reconnaissance moléculaire. Le second concerne les assemblages moléculaires, qui sont des systèmes polymoléculaires résultant de l’association spontanée d’un nombre non défini de composants en une phase possédant une organisation microscopique plus ou moins bien définie et des caractéristiques macroscopiques dépendant de sa nature (couches, membranes, vésicules, micelles, phases mésomorphes, etc.).

Des progrès continus sont réalisés dans la conception d’assemblages moléculaires synthétiques, s’appuyant sur une compréhension croissante des relations entre les caractéristiques des composants moléculaires (structure, sites pour la fixation intermoléculaire, etc.), les caractéristiques des processus qui conduisent à leur association et les propriétés supramoléculaires de l’assemblage polymoléculaire résultant.

L’organisation moléculaire, l’autoassemblage et la coopération, la construction de films multicouches, la formation d’agrégats de morphologie bien définie, etc., rendent possible la construction d’architectures supramoléculaires. La polymérisation des sous-unités moléculaires a constitué une étape majeure pour accroître le contrôle sur les propriétés structurales du système polymoléculaire. L’incorporation de groupes ou de composants appropriés peut donner des assemblages fonctionnels capables de réaliser des opérations telles que le transfert d’énergie, d’électrons ou d’ions, le stockage d’information et la transduction de signaux. La combinaison de récepteurs, de porteurs et de catalyseurs traitant électrons et ions comme on l’a vu plus haut, avec des assemblages polymoléculaires organisés, ouvre la voie à la conception de ce que l’on peut appeler des composants moléculaires et supramoléculaires et à l’élaboration de microréacteurs chimiques et de cellules artificielles.

16. Composants moléculaires et supramoléculaires

Les composants moléculaires peuvent être définis comme des systèmes chimiques, possédant une organisation structurelle et une intégration fonctionnelle, assemblés en architecture supramoléculaire. Le développement de tels composants exige l’élaboration d’éléments moléculaires (effecteurs) accomplissant une fonction donnée et capables d’être incorporés dans un réseau organisé tels que ceux auxquels conduisent les différents types d’assemblages polymoléculaires. Les effecteurs peuvent être photo-, électro-, iono-, magnéto-, thermo-, mécano- ou chimioactifs selon qu’ils manipulent des photons, des électrons ou des ions, qu’ils répondent à des champs magnétiques ou à la chaleur, qu’ils présentent des propriétés mécaniques variables ou réalisent une réaction chimique. La caractéristique fondamentale serait que ces éléments, et les composants qu’ils constituent, remplissent leur(s) fonction(s) au niveau moléculaire et supramoléculaire, par opposition au matériau en masse.

Les récepteurs, réactifs, catalyseurs, transporteurs et canaux moléculaires sont des effecteurs potentiels qui peuvent engendrer, détecter, traiter et transférer des signaux grâce à leur capacité de stockage et de lecture d’information tridimensionnelle, mise en œuvre dans la reconnaissance moléculaire, et aux processus de transformation et de translocation d’un substrat liés à la réactivité et au transport. Un couplage et une régulation peuvent intervenir si les effecteurs contiennent plusieurs sous-unités susceptibles d’interagir, de s’influencer mutuellement et de répondre à des stimuli extérieurs tels que lumière, électricité, chaleur et pression.

La nature de l’agent (substrat) sur lequel opèrent les composants moléculaires définit les domaines de la photonique moléculaire , de l’électronique moléculaire et de l’ionique moléculaire . Leur développement exige la conception d’effecteurs capables de manipuler ces agents et l’examen de leur utilisation potentielle comme éléments de composants moléculaires.

Composants photoniques moléculaires . Nombre de processus photochimiques peuvent se dérouler au sein de systèmes supramoléculaires, modulés par l’arrangement des unités fixées, lui-même déterminé par le récepteur organisateur: migration d’énergie photo-induite, séparation de charge par transfert d’électron ou de proton, perturbation de transitions optiques et de polarisabilités, modification de potentiels redox dans les états fondamental ou excité, photorégulation de propriétés de fixation, réactions photochimiques sélectives, etc.

Un composant moléculaire de conversion de la lumière peut être réalisé par un processus absorption-transfert d’énergie-émission (A-T.E.-E), dans lequel l’absorption de lumière par une molécule réceptrice est suivie par un transfert d’énergie intramoléculaire à un substrat fixé qui réémet. C’est le cas, par exemple, pour le cryptate d’europium (III), 34; la lumière ultraviolette absorbée par les groupes photosénoïdes du ligand est transférée au cation lanthanide fixé dans la cavité moléculaire, et réémise sous la forme de lumière visible par le lanthanide.

On peut envisager de nombreuses applications de telles substances, en particulier leur utilisation comme sonde luminescente pour des anticorps monoclonaux, des acides nucléiques et des membranes.

La photogénération d’états de séparation de charge est intéressante pour induire des réactions photocatalytiques (par exemple pour la photosynthèse artificielle) aussi bien que pour le transfert de photosignaux (à travers une membrane par exemple). Cela peut être réalisé dans des systèmes D-P.S.-A dans lesquels l’excitation d’un photosenseur P.S., suivie par deux transferts d’électron d’un donneur D à un accepteur A donne D⁺-P.S.-A^-. Beaucoup de systèmes de ce type sont en cours d’étude dans de nombreux laboratoires du point de vue de la modélisation des centres photosynthétiques.

Composants électroniques moléculaires

On accorde actuellement une attention de plus en plus grande à l’électronique moléculaire et à la possibilité de mettre au point des composants électroniques qui opéreraient au niveau moléculaire. Des redresseurs, transistors et photodiodes moléculaires ont été envisagés, ces derniers nécessitant des caractéristiques semblables à ceux des états de transfert de charges dans les molécules organiques, les complexes métalliques et les systèmes D-P.S.-A (cf. supra ).

Parmi les éléments de base d’un composant électronique au niveau moléculaire, une unité fondamentale est un connecteur ou une jonction permettant au flux d’électrons de s’établir entre les différentes parties du système, c’est-à-dire un fil moléculaire.

Les caroviologènes, dérivés vinylogués du méthylviologène qui combinent les caractéristiques des caroténoïdes et des viologènes, constituent une approche d’une telle unité. Ils présentent les caractéristiques requises pour un fil moléculaire: une chaîne polyène conjuguée pour la conduction électronique; des groupes pyridinium terminaux électroactifs et hydrosolubles pour l’échange réversible d’électrons; une longueur suffisante pour traverser les éléments moléculaires de support typiques tels qu’une monocouche ou une bicouche membranaire (fig. 7).

Composants ioniques moléculaires

Les nombreux récepteurs, réactifs et porteurs moléculaires capables de manipuler des ions inorganiques et organiques sont les éléments potentiels de composants moléculaires et supramoléculaires ioniques qui mettraient en jeu des processus hautement sélectifs de reconnaissance, de réaction et de transport avec possibilité de régulation et de couplage à des facteurs extérieurs. De tels éléments et les composants qu’ils peuvent permettre de construire sont à la base d’une ionique moléculaire, le domaine des systèmes utilisant des espèces ioniques comme support pour le stockage, le traitement et le transfert de signaux et d’information. Les ions possèdent un très grand contenu en information de par la multiplicité de leurs caractéristiques moléculaires (charge, taille, forme et structure) et supramoléculaire (géométrie, force et spécificité de fixation). L’ionique moléculaire apparaît ainsi comme un domaine de recherche riche de promesses, qui peut tirer profit des connaissances et des données déjà acquises sur le traitement des ions par des récepteurs et des porteurs naturels et synthétiques.

Des récepteurs ioniques sélectifs représentent les unités de base pour des transmetteurs ou des détecteurs ioniques; des porteurs d’ions sélectifs correspondent à des transducteurs ioniques. D’autres travaux portent sur des essais de mise au point de canaux ioniques utilisant soit l’organisation présente dans les cristaux liquides pour la mise au point de phases tubulaires formées par l’empilement de molécules creuses (35), soit l’arrangement de chaînes moléculaires en un faisceau définissant un canal central.

Notons que l’information et les signaux biologiques sont transportés par des espèces ioniques et moléculaires (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, acétylcholine, etc.).

Auto-organisation moléculaire

L’autoassemblage et la fixation multiple avec coopérativité positive sont des processus d’organisation moléculaire spontanée qui permettent aussi d’envisager des composants moléculaires d’amplification.

La formation spontanée d’une double hélice d’acides nucléiques représente l’autoassemblage d’une structure supramoléculaire induite par l’ensemble des interactions intermoléculaires fournies par les bases nucléiques complémentaires. Elle implique la reconnaissance et une coopérativité positive dans l’appariement des bases.

Récemment, on a pu mettre en évidence un tel autoassemblage avec des ligands, comme le montre le schéma 36, contenant plusieurs sites de fixation identiques de type bipyridine disposés linéairement. Par traitement avec des ions Cu^I, ils s’assemblent spontanément en hélicates à double brin contenant deux molécules de ligand et un ion Cu^I par groupe bipy de chaque ligand, les deux brins de récepteurs étant enroulés autour des ions métalliques qui les maintiennent ensemble (37). Ainsi, le ligand tris-bipy forme un complexe trinucléaire, dont la structure cristalline a été déterminée, confirmant qu’il s’agit bien d’une double hélice inorganique. Cette formation spontanée d’une structure organisée de type intermoléculaire ouvre la voie à la conception et à l’étude de systèmes qui s’autoassemblent et présentent des caractéristiques de coopérativité, de régulation et d’amplification.

La conception d’un autoassemblage repose sur l’élaboration de composés moléculaires qui s’organiseront spontanément dans l’architecture supramoléculaire désirée. Un tel contrôle de l’autoassemblage au niveau moléculaire est un domaine d’un très grand intérêt en génie moléculaire et est probablement appelé à devenir l’objet d’une activité croissante.

17. La chimionique

Des éléments et des composants moléculaires tels que fils, canaux, résistances, redresseurs, diodes et éléments photosensibles pourraient être assemblés en nanocircuits et combinés avec des assemblages polymoléculaires organisés pour donner des systèmes finalement capables de remplir des fonctions de détection, de stockage, de traitement, d’amplification, de transfert de signaux et d’information au moyen de divers agents (photons, électrons, protons, cations métalliques, anions, molécules) avec couplage et régulation.

La photonique, l’électronique et l’ionique moléculaires sont trois parties de ce domaine fascinant et plutôt futuriste de la chimie que l’on peut nommer chimionique, la conception et la mise en œuvre de composants, de circuits et de systèmes photoniques, électroniques et ioniques pour traiter signaux et information au niveau moléculaire. De telles perspectives se situent, bien sûr, dans un futur lointain, mais elles sont susceptibles de provoquer en chemin de nombreuses retombées et représentent des buts vers lesquels des travaux peuvent être déjà planifiés et réalisés.

Encyclopédie Universelle. 2012.