(A) Structure d’un rotaxane (B) Préparation d’un rotaxane en solution qui conduit à un mélange de rotaxanes et d’haltères sans anneau (C) Préparation d’un rotaxane à l’état solide © Holler et al. 2019

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La mécanochimie pour préparer des constituants de machines moléculaires

29 avril 2019

Résultats scientifiques Molécules

Les machines moléculaires peuvent être construites à partir d’entrelacs moléculaires comme des rotaxanes. Ces derniers restent néanmoins difficiles à préparer en solution. Des chercheurs du LIMA (CNRS/Université de Strasbourg/Université de Haute Alsace) ont exploité plutôt la mécanochimie, chimie sans solvant, pour préparer efficacement ces rotaxanes. Publié dans le numéro spécial « 50 Years of Rotaxanes » de la revue European Journal of Organic Chemistry, ce travail devrait faciliter l’accès aux briques de construction pour l’élaboration de machines moléculaires complexes.

Les rotaxanes sont des molécules constituées de deux entités distinctes, un anneau (ou macrocycle) dans lequel est enfilé un axe en forme d’haltère, terminé par deux groupements volumineux (bouchons). Ces molécules ont joué un rôle majeur dans le développement des machines moléculairesL’intérêt des machines moléculaires a été reconnu par un prix Nobel en 2016, récompensant notamment Jean-Pierre Sauvage (Institut de Science et d'Ingénierie Supramoléculaires – CNRS/Université de Strasbourg). En savoir plus : https://www.dailymotion.com/video/k396tC0c7EtNcXoNUIp et offrent de nombreuses perspectives en nanotechnologie, notamment en nanomédecine. En effet, les rotaxanes peuvent servir par exemple d’interrupteurs ou de navettes moléculaires fondées sur le contrôle de la position de l’anneau autour de l’axe. Cependant, leur préparation reste particulièrement difficile : le processus d’assemblage entre l’anneau et l’axe repose sur des interactions faibles et reste donc souvent peu efficace. De plus, l’anneau et l’axe s’associent et se dissocient en permanence en solution, si bien que l’introduction des bouchons conduit aussi bien à la formation du rotaxane désiré qu’à des haltères sans anneau. L’obtention du rotaxane nécessite alors la mise en œuvre de techniques de purification fastidieuses pour le séparer des produits secondaires non désirés. Des chercheurs du LIMA (CNRS/Université de Strasbourg/Université de Haute Alsace) ont résolu ce problème en réalisant la préparation de rotaxanes à l’état solide.

Pour cela, ils ont mélangé deux poudres, le pseudo-rotaxane (anneau et axe sans bouchon) et les bouchons, dans un vibro-broyeur en présence de billes en acier. Les forces de friction permettent alors la réaction entre le bouchon et l’axe du pseudo-rotaxane pour former le rotaxane. Dans ces conditions, le pseudo-rotaxane ne se dissocie pas et les rotaxanes sont obtenus avec d’excellents rendements. En plein essor, ce concept de chimie verte sans solvant, relevant de la mécanochimie, présente de plus l’avantage d’effectuer des transformations chimiques en produisant un minimum de déchets. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives pour la construction de machines moléculaires complexes, leurs composants de base étant maintenant accessibles plus facilement.