Lumière sur les entrelacs moléculaires

Publié par Isabelle le 25/05/2021 à 13:00
Source: CNRS INC

© Jean-François Nierengarten
Les rotoxanes sont des molécules entrelacées constituées de sous-unités moléculaires liées entre elles par des liens mécaniques et dont l'utilisation comme moteur moléculaire (interrupteur ou muscle (Les muscles sont une forme contractile des tissus des animaux. Ils forment l'un des quatre types...) moléculaire) suscite un grand intérêt. Des chercheurs du LIMA (Lima est la capitale et la plus grande ville du Pérou (2005: 8 393 728 habitants). Elle est...) (CNRS/Université de Strasbourg/Université de Haute Alsace) ont développé une nouvelle méthode permettant de les préparer facilement. Publié dans la revue Chemistry-a European Journal, ce travail a d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des...) et déjà été exploité pour la construction d'un système photo-actif, siège d'un processus photo-induit à travers l'espace.

Les rotaxanes sont des molécules aux géométries très particulières composées de sous unités emboitées les unes dans les autres de façon permanente. Un exemple très étudié comprend une sous-molécule en forme d'altère et une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) en forme d'anneau (macrocycle) piégé le long de l'axe de l'altère par ses extrémités plus volumineuses. Ces molécules sont particulièrement intéressantes pour l'élaboration de machines moléculaires utilisées comme composants électroniques (interrupteurs et navettes moléculaires) et dont le fonctionnement est basé sur le mouvement (rotation ou déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) latéral) du macrocycle le long de l'haltère.

Ces machines de rotaxanes peuvent être manipulées à la fois par une action chimique, électrochimique ou photochimique (matériaux opto-électroniques). Leur utilisation comme muscle moléculaire a également été démontrée. Les rotoxanes sont cependant difficiles à préparer car l'assemblage des sous-unités (altère et cycle) est souvent incompatible avec les conditions de synthèse utilisées pour leur construction.

Des chercheurs du Laboratoire d'innovation moléculaire et applications (CNRS/Université de Strasbourg/Université de Haute-Alsace) ont réussi à préparer très efficacement une brique de construction comportant deux groupements réactifs sur les extrémités de l'axe du rotaxane (Un rotaxane est une molécule constituée d'un macrocycle lié mécaniquement...). Ils ont ensuite montré qu'il était possible de remplacer ces groupements par réaction avec divers nucléophiles pour générer des rotaxanes portant diverses fonctions chimiques. Comme ces réactions se font par un mécanisme d'addition-élimination, les groupements présents de part et d'autre de l'axe moléculaire restent toujours volumineux et empêchent la libération du macrocycle. La structure du rotaxane est donc préservée durant les transformations chimiques et de nombreux rotaxanes impossibles à préparer par les méthodes classiques deviennent maintenant facilement accessibles.

En utilisant ce principe de construction, les chercheurs ont préparé un système photoactif associant des chromophores, groupements qui absorbent une certaine longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), complémentaires. L'axe du rotoxane a été fonctionnalisé à chacune de ses extrémités par des fluorophores qui émettent une lumière fluorescente sous excitation lumineuse, tandis que l'anneau (ou macrocycle) du rotaxane porte un groupement fullerène* capable de piéger cette luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui...). Après absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) de lumière par les fluorophores du rotaxane, aucune luminescence n'est observée, ce qui indique que l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) lumineuse captée par les fluorophores est convoyée vers le fullerène (Un fullerène est une molécule composée de carbone pouvant prendre une forme...) qui n'est pas fluorescent. Ce transfert d'énergie est très efficace bien qu'il n'existe aucune liaison chimique (La liaison chimique est le phénomène physique qui lie les atomes entre eux en...) covalente entre les deux types de chromophores qui appartiennent à des sous-unités distinctes du rotaxane. Ce processus se fait donc à travers l'espace. Une meilleure compréhension de ce transfert d'énergie est fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) pour le développement de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) opto-électroniques, composants électroniques qui émettent ou interagissent avec la lumière. Les rotaxanes apparaissent comme des objets d'étude particulièrement bien adaptés dans cette perspective.

Notes:
*fullerène: molécule en forme de cage composée exclusivement d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) ; le buckminsterfullerène ou C60 est le représentant le plus abondant de cette famille de molécules et il a la forme d'un icosaèdre (En mathématiques, et plus précisément en géométrie, un icosaèdre est...) tronqué (c'est en fait la réplique exacte d'un ballon de football).



(A) Echange des bouchons d'un rotaxane par une réaction d'addition-élimination. (B) Rotaxane photoactif.
© Jean-François Nierengarten

Référence:
Pentafluorophenyl Esters as Exchangeable Stoppers for the Construction of Photoactive [2]rotaxanes
Marine Rémy, Iwona Nierengarten, Boram Park, Michel Holler, Uwe Hahn, et Jean-François Nierengarten, Chemistry-a European Journal, 7 avril 2021.
https://doi.org/10.1002/chem.202100943

Contact:
- Jean-François Nierengarten - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...), Laboratoire d'innovation moléculaire et applications (CNRS/Université de Strasbourg/Université de Haute-Alsace) - nierengarten at unistra.fr
- Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie,...) - Chercheur à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) parisien de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) moléculaire & Chargé de mission pour la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) de l'INC - inc.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS - inc.communication at cnrs.fr
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