Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Hôte-Invité-Chimie“

Le développement de procédés catalytiques pour la valorisation chimique du dioxyde de carbone (CO2), suscite un intérêt grandissant en termes de chimie du carbone et de développement durable. Les travaux de cette thèse portent sur l’étude de la synthèse de carbonates cycliques à partir du couplage du CO2 avec des époxydes. De nombreux catalyseurs ont été développés dont les sels d’ammoniums fournissant le nucléophile nécessaire pour initier la réaction par ouverture de l’époxyde. Notre projet propose une nouvelle approche qui consiste à augmenter la nucléophilicité du catalyseur via une chimie hôte-invité dans laquelle des récepteurs moléculaires de type cavitands viennent sélectivement encapsuler les cations ammoniums, libérant ainsi l’anion nucléophile pour une meilleure réactivité. Notre système catalytique, testé à 1 bar de CO2, a notamment démontré tout son potentiel par l’activation accrue de sels de tétraméthylammonium initialement inactifs. Des expériences effectuées sous une pression de CO2 de 10 bar, ont permis d'étudier l’influence de la structure des cavitands et de montrer qu’une double activation était possible grâce à la conception de cavitands comportant des fonctions acides de Brönsted et des propriétés d’encapsulation optimales. Une application à la catalyse hétérogène a finalement été initiée par l’immobilisation des ammoniums ou des cavitands sur des supports à base de silice pour profiter des avantages de tels procédés
The utilization of carbon dioxide (CO2) as a key component in organic transformations has recently drawn much attention as a greener alternative to fossil fuel based resources. The objectives of this work aim at studying the synthesis of cyclic carbonates from the coupling of CO2 with epoxide. Numerous catalysts have been proposed for this reaction among which the ammonium halides providing the nucleophile to initiate the reaction by opening the epoxide. Herein, we propose a new approach based on host-guest chemistry, to improve catalytic reactivity by increasing the nucleophilicity of the halide anion. For this purpose, cavitand molecular receptors able to bind quaternary ammonium ions are used, releasing the anionic nucleophile for the initial epoxide ring-opening reaction. At CO2 atmospheric pressure, our catalytic systems demonstrated a great potential by the dramatic activation of tetramethylammonium halides, whereas when used alone, these catalysts had never shown any activity. The influence of the cavitand structure was investigated through experiments run under 10 bar of CO2 pressure, and revealed that a double activation was possible with cavitand bearing Brönsted acidic hydroxyl functions and optimal recognition properties. The heterogeneization of such catalytic systems was finally studied with the grafting of either ammoniums or cavitands on silica based materials

"La synthèse et l'étude de capsules "hôtes" permettant d'accueillir une ou plusieurs molécules "invités" est l'un des thèmes de pointe de la chimie supramoléculaire. Ici nous présentons la conception, la synthèse et une étude des propriétés de nouvelles capsules unimoléculaires hélicoïdales en forme de pelures de pomme. Ces capsules sont constituées d'une chaîne oligomérique se repliant en hélice et comprenant une séquence d'unités codant pour des diamètres différents. Le repliement de l'iligomère donne naissance à une cavité pouvant stabiliser des molècules invitées par liaisons hydrogène. Le phénomène d'encapsulation a été mis en évidence dans le solide par diffraction des rayons X et en solution par spectroscopie RMN"

La Nature crée des assemblages, de structure primaire (1D) et secondaire (3D) bien maîtrisées, qui réalisent des fonctions biologiques complexes. Dans ce contexte, notre but est de construire des assemblages supramoléculaires hiérarchiques utilisant des monomères de cyclodextrines (CDs), préparés selon la méthode de polyfonctionnalisation des CDs, développée au laboratoire. L'existance d'équilibres compétitifs (auto-inclusion et dimérisation tête à tête) empêchant l'accès aux polymères supramoléculaires (PS) de plus grande taille, a été démontrée. Ainsi, pour s'affranchir de ces espèces compétitives, une stratégie de pontage a été adoptée. Deux familles de composés (mono- et disubstitués) ont été développées montrant des comportements différents. Les composés monosubstitués forment des oligomères supramoléculaires en solution, tandis qu'un assemblage supramoléculaire hiérarchique à l'état solide (trois niveaux) est obtenu avec les dérivés disubstitués. Par ailleurs, le monomère monosubstitué chargé positivement a conduit à une compaction efficace d'une matrice d'ADN double brin, grâce à l'assistance de l'interaction hydrophobe. D'autre part, dans le but de controler la taille d'un polymère supramoléculaire à base de CD, un monomère possédant deux fonctions orthogonales (hôte-invité et paire de base) a été développé. En présence d'une matrice simple brin, la formation d'un pseudo-duplexe d'ADN a été observée, stabilisé grâce à la synergie de l'interaction hydrophobe et de l'appariement des paires de bases
Biological macromolecules and their assemblies (such as enzymes or viruses) perform extremely complex functions, thanks to their structural control. Our aim is to mimic such elaborated tools and build synthetic hierarchical assemblies using building blocks of cyclodextrin (CD). Using the known DIBAL-H reactivity for polyfonctionalization of CDs several monomers were prepared containing host-guest and electrostatic interactions. Thus, we demonstrated that a competitive self-inclusion and head to head dimerization prevent the formation of larger species in solution. To overcome this problem, a bridging strategy was used to cap the CD monomer and attach the two functionalized sugar units. This led to two types of building blocks (mono- and di-substituted) that showed different beahaviour. The monosubstituted compounds formed supramolecular oligomers in solution while disubstituted ones led to a hierarchical supramolecular self-assembly in the solid-state. Furthermore, efficient DNA compaction was performed involving hydrophobic interaction as a result of the use of monosubstituted positively charged CD building blocks. On the other hand, a single stranded DNA was used to control the size of CD-based supramolecular polymers. For this purpose, a CD monomer containing a hydrophobic moiety and a trinucleotide was developed. The host-guest and base pair interaction synergy allowed the formation of a stable DNA pseudo-duplex

La conception de récepteurs moléculaires ditopiques dérivés de calix[6]arènes a été étudiée selon trois méthodologies. La formation, via des processus coopératifs et allostériques, de récepteurs hétéro-assemblés complexes a été réalisée. L'originalité de ces édifices réside dans le fait que les processus sont dirigés par l'inclusion des molécules invitées dont le rôle est d'augmenter la préorganisation des molécules hôtes et ainsi la directionnalité des interactions entre sous-unités. Des réaction de macrocyclisation [1+1] ont conduit efficacement à l'obtention de calix[6]azatubes. Deux nouveaux modes de reconnaissances originaux ont été mis en évidence conduisant à des récepteurs multitopiques. Un intermédiaire clé calix[6]arénique dont trois fonctions amine sur six sont protégées régiosélectivement a été synthétisé quantitativement permettant la formation du premier calix[6]azacyptant apte à effectuer la reconnaissance d'une paire d'ions
The realisation of ditopic molecular receptors derived from calix[6]arenes has been studied according to three different methodologies. The formation, thnaks to cooperative and allosteric processes, of sophisticated hetero self-assembled receptors has been achieved. The originality of theses edifices stands in the fact that the processes are directed by the inclusion of the guests, thus increasing the preorganisation degree of the hosts and directionnality of the interactions between the sub-units. [1+1] macrocyclisation reactions have led efficiently to new calix[6]azacryptands and calix[6]azatubes. Endo-complexation of the guests was accomplished through induced fir processes according to two new original modes of recogintion, thus leading to multitopic receptors. A calix[6]arenic key intermediate possessing three of the six amino groups regioselectively protexted have been obtained quantitatively, conducting to the first ditopic calix[6]azacryptand able to perform ion pair recognition

La formation de structures nanométriques définies dans l'eau demeure un défi pour les chimistes supramoléculaires. L'interaction entre cyclodextrines beta et adamantane a ici été utilisée pour former des polymères supramoléculaires en solution. L'utilisation d'une structure pontée nous a permis d'éviter la formation de l'espèce auto-incluse et d'augmenter la solubilité de nos dérivés. Les polymères supramoléculaires ont été caractérisés par différentes techniques (ROE, ITC, DOSY, SANS), et forment des espèces linéaires en solution allant jusqu'à 26 unités polymérisées. Celles-ci ont été utilisées pour compacter de l'ADN à des concentrations basses en mettant à profit l'association entre monomères. Un deuxième mécanisme, reposant sur des interactions non spécifiques entre cyclodextrines, a aussi été observé. Enfin, les structures synthétisées ont été utilisées dans la transfection d'ADN plasmidique, mais ne sont pas efficaces. Ce comportement pourrait provenir de leur faible densité de charge
The synthesis of defined nanometric structures in water remains a challenge for supramolecular chemists. The interaction between adamantane and beta cyclodextrin was thus used to build new supramolecular polymers in solution. The use of a bridged structure enabled us to suppress the self-inclusion phenomenon and to enchance the solubility of our compounds. Supramolecular polymers were characterised using several techniques (ROE, ITC, DOSY, SANS), forming linear species up to 26 polymerised units. These structures were used to condense DNA at low concentrations, taking advantage on their host-guest behavior. Another condensation mechanism was discovered, involving non-specific interactions between cyclodextrins. The same structures were used to transfect plasmidic DNA, but were inefficient. This could be due to their low charge density

L’unité thiocationique [Mo2O2S2(H2O)6]2+ se condense en milieu aqueux pour former des architectures cycliques. En présence de molécules templates appropriées, un processus d’auto-assemblage intervient et la polycondensation du synthon inorganique aboutit à la formation de systèmes supramoléculaires de type hôte-invité. L’étude structurale et thermodynamique de dix nouveaux composés polyoxothiomolybdiques encapsulant des anions dicarboxylates flexibles, rigides ou semi rigides a permis d’identifier les grandeurs qui gouvernent la formation et la stabilité de ces édifices dont la nucléarité varie de Mo8 à Mo16. L’étude par RMN diffusionnelle déployée au cours de ces travaux s’est révélée un moyen de caractérisation particulièrement puissant pour les systèmes hybrides. Un nouveau type d’interactions supramoléculaires entre cycles polyoxothiomolybdiques et des anions sulfates et sulfonates a été mis en évidence au travers de l’analyse structurale de trois nouveaux composés, ce qui constitue une nouvelle voie de fonctionnalisation des polyoxothiométallates à l’état solide. Enfin, grâce aux propriétés acido-basiques des polyoxothiométallates, il est possible d’inverser le caractère ionique de la cavité. Le cycle anionique ainsi généré est capable d’interagir avec deux cations césium. En solution, l’étude par spectroscopie RMN du césium 133 démontre que l’interaction est maintenue
The sulfur containing containing [Mo2O2S2(H2O)6]2+ building block forms cyclic molecules through polycondensation process in water. In presence of appropriate template molecules, a self assembly process occurs and leads to supramolecular host guest systems. Structural and thermodynamical studies of ten new polyoxothiomolybdic compounds with dicarboxylate anions linked to the inorganic moiety allowed to identify the driving forces governing the encapsulation process and to predict the relative stability of these systems with nuclearity varying in the range Mo8 to Mo16. Diffusion Ordered SpectroscopY proved to be a powerful tool to characterize these hybrids compounds. In supramolecular chemistry, a new way to functionalize cyclic molecular materials was developed using sulfate an sulfonate anions involved in hydrogen bond network with the polyoxothiomolybdic system. Furthermore, an inorganic crown ether-like compound bearing two cesium cations was obtained through pH control and was characterized with 133 Cs NMR spectroscopy which demonstrates that host guest intercations is maintened even in solution

Ce travail de thèse a pour objet la synthèse, la caractérisation et l’étude des propriétés de complexation de cages moléculaires riches en électrons, préparées selon une stratégie d’auto-assemblage dirigé par des métaux, ainsi que l’étude de leur aptitude à complexer ou libérer un substrat à l’aide d’un stimulus redox.Une présentation de la stratégie d’auto-assemblage dirigé par des métaux et de son efficacité pour l’élaboration de structures tridimensionnelles est d’abord proposée.Ce projet repose sur un travail préalable de synthèse de ligands riches en électrons, dérivés de l’unité tétrathiafulvalène (TTF) ou de son dérivé à système-pi étendu (ex TTF), motif dont les propriétés de donneurs pi sont bien établies. Plusieurs ligands tétra-topique sont ainsi été préparés et caractérisés.Les auto-assemblages discrets correspondant ont été obtenus par réaction avec divers complexes métalliques, donnant naissance à des cavités variées,contrôlées en termes de forme et de taille. Ces édifices ont été caractérisés par RMN (dont DOSY),spectrométrie de masse, le cas échéant par diffraction des rayons-X et leurs propriétés électrochimiques ont été étudiées par voltammétrie cyclique. Leur capacité à complexer des invités neutres ou ioniques a également été mise en évidence. Enfin, exploitant les caractéristiques géométriques et électroniques remarquables des dérivés à base ex TTF, l’aptitude de l’une des cages correspondantes à contrôler réversiblement le processus de libération/complexation d’un invité par oxydation/réduction chimique, a pu être démontrée
This work is related to the synthesis and the characterization of electron-rich molecular cages, which are generated through a coordination-driven selfassembly strategy, as well as to the study of their ability to complex or release a substrate using a redox stimulus. A presentation of the metal-driven self-assembly methodology and of the corresponding efficiency in the preparation of three-dimensional structures is first proposed. This project is based on preliminary efforts in the design and the synthesis of electron-rich ligands, which are derived from the tetrathiafulvalene unit (TTF) or its piextended derivative (exTTF), whose pi-donating properties are well-established. Several tetratopic ligands were prepared and characterized. The corresponding discrete self-assemblies were obtained by reaction with various metal complexes, giving rise to various cavities whose shapes and sizes can be triggered. These structures were characterized by NMR (including DOSY), mass spectrometry, X-ray diffraction in some cases. Their electrochemical properties were studied by cyclic voltammetry. Their good binding properties for various neutral and ionic guests were also shown. Finally, exploiting the remarkable geometric and electronic features of exTTF derivatives, the ability of one of the corresponding cages to trigger reversibly the release/complexation process of a guest upon chemical oxidation/reduction, could be demonstrated

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude de plateformes polyphénoliques et, plus spécifiquement, des calixarènes. Des macrocycles oligomériques tels que les calixarènes, cyclodextrines, cyclotrivératrylènes, pillararènes, etc. sont fortement utilisés dans de nombreuses applications telles que la reconnaissance moléculaire, la détection, la séparation, le greffage sur surface, etc. Le développement de telles applications requiert toutefois modification sélective de ces macrocycles pour leur conférer des propriétés utiles aux applications visées (e.g. affinité envers certaines espèces chimiques, hydrosolubilité, activité photoluminescente). La modification sélective de tels macrocycles oligomériques est cependant loin d’être triviale car, en plus de requérir un contrôle des chimio- régio- et stéréosélectivités classiques, la réaction d’un nombre défini de fonctions identiques est une problématique clé qui doit être résolue. En effet, la fonctionnalisation des oligomères cycliques tels que les calixarènes passe par la formation de produits mono-, di-, tri-fonctionnalisés, et ainsi de suite de manière itérative. Par analogie avec des processus itératifs, nous avons proposé le terme « itérosélectivité » pour décrire la sélectivité qui gouverne le nombre de transformations chimiques répétées. Dans ce contexte, nous avons proposé des stratégies rationnelles et hautement sélectives pour la fonctionnalisation de calixarènes. Ces stratégies exploitent principalement des réactions de carbamatation pour introduire sélectivement des groupements tert-butylaminocarbonyle (Bac) sur les positions phénoliques des calixarènes. Citons notamment la carbamatation « all-but-one » qui permet d’introduire itérosélectivement des groupements Bac sur tous les phénols sauf un pour une grande variété de calixarènes. De plus, l’utilisation de ces groupements Bac comme groupe protecteur nous a permis de synthétiser de nombreux dérivés calixaréniques jusqu’alors inaccessibles suivant les voies de fonctionnalisation connues. Certains de ces composés présentent notamment une chiralité inhérente. En dehors de nos travaux, aucune voie de fonctionnalisation sélective de calixarènes décrite à ce jour n’est aussi générale et efficace. Nous avons également présenté une nouvelle voie d’oxydation de calixarènes en calixquinones. Cette voie présente moins de risques pour la santé et l’environnement que la méthode la plus couramment utilisée à ce jour employant un sel de thallium, métal extrêmement toxique. Les différents aspects synthétiques développés ont permis de synthétiser des boites moléculaires originales dérivées de calixarènes qui ont été étudiées pour leurs propriétés intéressantes dans le cadre de la reconnaissance sélective de petites molécules dont l’eau et le DMSO, ainsi que le piégeage de gaz à l’état solide dont l’hexafluorure de soufre qui est le gaz à effet de serre le plus puissant répertorié à ce jour. Pour finir, la caractérisation poussée d’une bibliothèque de dérivés calixaréniques par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire a permis de décrire une méthode générale pour la caractérisation structurale et conformationnelle des calixarènes.
This work concerns the study of polyphenolic platforms, and more particularly, of calixarenes. Oligomeric macrocycles such as calixarenes, cyclodextrins, cyclotriveratrylenes, pillararenes, etc. are widely used as molecular platforms in supramolecular chemistry and in particular for the design of sensors, catalysts, multivalent systems, biomimetic receptors, etc. In general, the synthesis of such supramolecular systems requires the controlled introduction of functional groups on the precursor platform. However, the development of efficient methods for selective modification of macrocyclic oligomers remains extremely challenging. Indeed, in addition to the control of the classical chemo-, regio-, and stereoselectivities, the reaction of a defined number of identical functional groups is a key issue that must be solved. Indeed, the functionalization of oligomeric macrocycles such as calixarenes goes through the formation of mono-, di, tri-functionalized products and so on, iteratively. By analogy with iterative processes, we proposed to name “iteroselectivity” the kind of selectivity that governs the number of repeating chemical transformations. In this context, we proposed rational and highly selective strategies for the functionalization of calixarenes. These strategies are mainly based on the carbamatation of calixarene phenolic functions to introduce tert-butylaminocarbonyl groups (i.e. Bac groups). Our leading example is the “all-but-one” carbamatation which can be used to introduce Bac groups on all but one phenol of a large variety of calixarenes. Moreover, using Bac groups as protecting groups led to the synthesis of numerous calixarene derivatives which were, until now, not accessible through conventional means. It is noteworthy that some of these compounds are inherently chiral. No other selective functionalization method described for calixarenes is as general and efficient than this “all-but-one” carbamatation. Besides, we also described a new oxidation method to synthesize calixquinone starting from calixarenes. This method is less risky and more environment-friendly than the most commonly used method which rely on thallium salts, an extremely toxic metal. Through the various synthetic methods developed herein, we also developed calixarene-based molecular boxes. The host–guest properties of these molecular boxes were studied revealing their ability to include small molecules such as water or DMSO. We also developed a method to sequester gases in the solid state relying on an original concept involving calix[6]arene-based molecular boxes. This was exemplified with the sequestration of SF6, known as the most potent greenhouse gas. At last, the extensive characterization of a library of calixarene derivatives by nuclear magnetic resonance spectroscopy led to the development of a general method for the structural and conformational characterization of calixarenes.
Doctorat en Sciences
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La méthodologie d'auto-assemblage assisté par des métaux (typiquement Pt et Pd) a permis la préparation d'un grand nombre de polygones (triangle, carré, ...) et de polyèdres (cubes, prismes, ...) moléculaires. Néanmoins, très peu à ce jour sont électro-actifs et aucun ne présente une cavité enrichie en électrons. Cette thèse a pour objet la synthèse et la caractérisation des premiers exemples de cages moléculaires riches en électrons auto-assemblées à l'aide de complexes métalliques, ainsi que l'étude de leur aptitude à complexer différents substrats moléculaires. Ces nouvelles structures discrètes auto-assemblées incorporent des parois redox-actives basées sur le motif tétrathiafulvalène (TTF), unité bien établie comme modulateur redox d'architectures moléculaires / supramoléculaires variées. Dans ce contexte, plusieurs voies de synthèse visant à préparer des ligands inédits associant cette unité (ou ses dérivés BPTTF ou exTTF) à deux ou quatre motifs coordinants ont été développées. Les propriétés électroniques (spectroscopie, voltammétrie cyclique) et structurales (calcul DFT, diffraction RX) de ces composés ont été étudiées, et permettent d'anticiper les propriétés des auto-assemblages correspondants. La méthodologie d'auto-assemblage métalla-dirigé a été appliquée à ces ligands à l'aide de complexes métalliques variés. Un triangle moléculaire a été caractérisé et démontre une excellente aptitude à complexer une molécule électrodéficiente complémentaire (C60). Les ligands tétratopiques ont par ailleurs permis l'accès aux premiers exemples de cages (prismes, cubes...) à base TTF (ou dérivés), dont les cavités sont tapissées de motifs riches en électrons. Ces structures ont fait l'objet d'études spectroscopiques variées (dont DOSY, FTICR, ...) et pour certaines, de caractérisations par diffraction de rayons-X sur monocristal. Enfin, l'aptitude de ce nouveau type de cavités à inclure des substrats moléculaires variés est discutée.

En faisant progresser la chimie hôte-invité (H-G), des efforts importants ont été déployés pour synthétiser des molécules hôtes avec des caractéristiques de reconnaissance moléculaire spécifiques et bien définies, y compris de sélectivité et d’affinité ajustable. Une étape importante dans le processus est la caractérisation des forces de liaison des complexes H-G. Cette caractérisation est typiquement réalisée en solution en utilisant la RMN ou la fluorescence. L'étude en phase gazeuse de l'énergétique des systèmes H-G est très importante pour fournir des informations concernant leurs propriétés intrinsèques de liaison. La majeure partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'énergétique des complexes H-G formés par trois hôtes en cage d'hémicryptophane avec diverses molécules invitées biologiquement pertinentes. Parmi les techniques basées sur la spectrométrie de masse en tandem, nous utilisons ici la dissociation radiative infrarouge de corps noir (BIRD), la dissociation induite par collision basse énergie (CID à basse énergie), la dissociation de collision de plus haute énergie (HCD) et la CID haute pression pour les mesures énergétiques des complexes HG. Ces techniques ont été utilisées soit seules, soit en combinaison les unes avec les autres, soit avec la modélisation Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM). Ce travail nous a permis de développer la CID à basse énergie, technique prometteuse mais jusqu’à présent peu employée
In advancing host-guest (H-G) chemistry, considerable effort has been spent to synthesize host molecules with specific and well-defined molecular recognition characteristics including selectivity and adjustable affinity. An important step in the process is the characterization of binding strengths of the H-G complexes. This characterization is typically performed in solution using NMR or fluorescence. Gas-phase investigation of energetics of H-G systems is of great importance in providing information regarding their intrinsic binding properties. The major portion of this thesis is devoted to the study of the energetics of H-G complexes formed by three hemicryptophane cage hosts with various biologically-relevant guest molecules. Among the existing tandem mass spectrometry-based techniques, here we employ blackbody infrared radiative dissociation (BIRD), low-energy collision induced dissociation (low-energy CID), higher-energy collision dissociation (HCD) and high-pressure CID for measurements of energetics of H-G complexes. These techniques were used either alone, or in combination with each other, or with Rice–Ramsperger–Kassel–Marcus (RRKM) modeling. This work has allowed us to develop the low-energy CID, a promising technique, but so far infrequently used