Tectonique Moléculaire

A travers l’intégralité de ce billet, différent travaux de recherche seront retracés. Cela s’effectuera autour des tectons, des édifices moléculaires qui allient différent type de liaison :

Liaisons de coordination
Liaisons hydrogènes

Dans l’étude présenté ici, les tectons réalisés ce sont intelligemment inspiré de la chimie du vivant et des nucléobases canoniques.

Note :

Ce billet n’est pas forcément fait pour les néophytes, mais certains parties seront plus pédagogiques que d’autres.

Introduction generale
Stratégie de synthèses
Résultat et discussion
Partie Expérimentale

Introduction generale

Définition

Parce qu’il faut bien partir de quelque part, histoire de ne pas vous perdre. Cette introduction est là pour introduire certains concepts et c’est normalement la partie la plus digeste pour le lecteur. Alors reprenons la définition que l’on peut dégager des écrits du professeur Hosseini¹ :

Un cristal est un édifice moléculaire tridimensionnel où les constituants sont proches les uns des autres. En considérant ce dernier comme un édifice supramoléculaire, avec des interactions entre chaque molécules il est possible d’imaginer des réseaux à l’architecture basé sur des motifs reconnaissables. Cette stratégie introduit la notion de tectonique moléculaire.

Ré-adapté des propos de M. W. Hosseini, Acc. Chem. Res., 2005, 38, 313–323

En clair, l’idée est de faire des molécules qui vont s’auto-agencer et former ainsi un réseau dont les caractéristiques macroscopiques dépendrait des propriétés microscopiques. Alors, si la méthode de conception est générique l’extrapolation permettrait d’obtenir un tas de caractéristiques pour un matériaux via plusieurs type de ligand.

L’idée développée autour des tectons

Il nous faut un complexe

Le mieux pour comprendre ce genre de concept, c’est de le voir. La définition ça pique les yeux à qui ça ne parle pas. Alors je vais utiliser à travers l’introduction des schémas dans le but de vous faire comprendre les interactions. Vous avez entendu le mot "complexe" plus haut, ce n’est pas, comme on pourrait le croire vue son nom : si difficile à comprendre.

La preuve en est :

Agencement d'un ligand autour d'un métal.

Faisons simple aussi pour la notion de "ligand" : c’est n’importe quel type de molécule capable de se lier à un métal.²

Montrons les choses tel qu’elles sont, un complexe c’est donc souvent une molécule organique³ lié à un métal. Ici la molécule organique est une pyridine, et le métal est noté $M$ .

Nucléobases

Les nucléobases (ou bases azotées), vous les connaissez surement, ce sont les 4 unités de notation de l’information dans l’ADN. C’est notre $0$ et $1$ de l’information biologique, vous les reconnaitrais à leurs noms : Adénine, Guanine, Cytosine, Thymine.

Les expériences menées s’articulent autour de la guanine et hypothétiquement à son complémentaire Guanine - Cytosine. Ces pairs de nucléobases sont essentielles à la conception de tecton, l’interet de prendre des nucléobase réside dans leur capacités à faire ces agencement. Les assemblages par pairs ressemblent à ceci :

Deux nucléobases qui se lient par interactions intermoléculaire faibles.

Dans notre cas, les nucléobases Guanine - Cytosine s’organisent ainsi :

Liaisons hydrogène visibles entre la cytosine (gauche) et la guanine (droite).

Formons un tecton

Pour former un tecton, il faut allier les deux types de combinaisons que l’on vient de voir. Il faut fabriquer des ligands spéciaux, qui vont être capable de créer des :

Liaisons hydrogènes (ici nucléobases)
Liaisons de coordination (ici avec un métal)

Ce nouveau type de ligand assurera une bonne cohésion de l’édifice. Et permettra d’accueillir un atome métallique et le ligand complémentaire (qui contiendrait la nucléobase antagoniste).

Il suffisait donc de créer des molécules comportant une nucléobase et une portion qui serve de ligand. J’ai personnellement synthétisé les molécules suivantes, qui se bases sur la guanine :

A gauche une pyridine, à droite une terpyridine.

Si l’on souhaite former un premier fragment de tecton, il nous faut un motif que l’on puisse associer et repeter. C’est ce type de motif qu’il nous faut (que l’on obtient par complexation) :

Imaginons que le métal soit de l’argent, et nous aurions cette molécule ci, qui a aussi été synthétisée :

Complexe d'argent en vue de former des tectons.

La perfection ce serait d’avoir la même chose avec de la cytosine pour pouvoir les assembler. Malheureusement mes collègues qui travail sur la cytosine galèrent bien plus… Mais l’idée c’était :

Collection de deux complexes complémentaire

Une fois les deux complexes rencontré, on imagine former cette structure aisément, à l’instar d’une frise, un motif répété :

Molecular Tectonics: From Simple Tectons to Complex Molecular Networks, M. W. Hosseini, Acc. Chem. Res., 2005, 38, 313–323
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Bien sûre cela manque de précision, il faudrait préciser qu’il existe des ligands en biochimie qui n’ont pas le même type d’intéraction avec les substrats que les ligands dont je parle avec les métaux.
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Bah oui, "souvent". Car le monoxyde de carbone ou le cyanure ne sont pas des molécules organiques.
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Stratégie de synthèses

Précurseur chloré

Souvent lorsque l’on manipule les molécules du vivant, on est obligés de s’embêter pour solubiliser les molécules. Comme les sucres, les acides aminés, les nucléobases sont des composés très peu soluble. Et heureusement .

Les êtres vivants ce sont formé parce qu’ils étaient tangible et à peu près compact. Ces molécules essentielles au vivant (protéine, ADN etc.) devaient être présent sous forme d’agrégat et rien d’autre pour être exploitable.

Donc il a fallu travailler avec un substitue de la guanine voyez vous-même :

La molécule avec laquelle nous avons travaillé était une chloro-purine (à gauche ici). Normalement, le chlore devait permettre une meilleur solubilité dans les solvants organique. Pour ainsi nous permettre de faire nos réactions dans des solvants différents de l’eau.

Bien que le chlore ait surement jouer un rôle sur la solubilité du composé. C’était une vraie galère… Toutes les solutions préparés étaient en réalités des suspensions¹ inhomogène².

nous avons donc suivi ce chemin de synthèse :

Couplage

La première idée est de faire une réaction de substitutions assez simpliste :

Isomères

Bien sur il a été difficile (voire impossible) de ne pas faire cette moléculre là ( $N^7$ vs $N^9$ ) :

Perdons le chlore

Comme ça on pourrait croire à une réaction très compliqué… Mais pour ceux qui comprenne l’équilibre céto-énolique ça peut être plus rapide .

Complexation

Une solution contenant des solides qui stagne à tout les niveaux de la solution.
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Oui bon ok, c’est redondant.
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Résultat et discussion

Analyse et purification

Conclusion

Partie Expérimentale

Conclusions : La tectonique c’est pas si démodé.