Rotaxane - Définition
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Introduction
Un rotaxane est une molécule constituée d'un macrocycle lié mécaniquement à un fragment moléculaire linéaire qui le traverse de part en part. Le nom est dérivé du latin rota signifiant roue et du mot axe. Les deux constituants d'un rotaxane sont cinétiquement piégés par des "bouchons" aux extrémités de l'axe, plus gros que le diamètre interne du cycle. Ainsi les deux composants du rotaxane ne peuvent se dissocier sans rupture d'une liaison covalente, car cette dissociation nécessiterait de trop grandes distorsions des liaisons du cycle.
Une grande partie de la recherche concernant les rotaxanes et d'autres architectures moléculaires mécaniquement imbriquées, comme les caténanes, s'est concentrée sur l'efficacité de leur synthèse et leurs utilisations comme composants de machines moléculaires complexes.
Des molécules bioactives naturelles dotées d'une architecture de type rotaxane ont été découvertes, comme les peptides à nœud de cystine, les cyclotides et les peptides-lasso.
Synthèse
La première synthèse publiée d'un rotaxane en 1967 reposait sur la très faible probabilité statistique pour une molécule linéaire de se trouver à travers un macrocycle pour lequel il n'a aucune affinité, cette supramolécule pouvant être piégée par formation de liaisons covalentes avec des molécules à fort encombrement stérique. Pour obtenir une quantité raisonnable de rotaxane, le macrocycle est lié à un support solide de façon à pouvoir répéter la réaction 70 fois, puis séparé du support avec un rendement de 6 %. La synthèse des rotaxanes a cependant bien avancé depuis lors et des rendements excellents peuvent être obtenus en préorganisant les composants à l'aide de liaisons hydrogène, de métaux de coordination, d'effet hydrophobique, de liaisons covalentes ou d'interaction coulombienne. Les trois stratégies les plus classiques sont le « end-capping », le « cliping » et l'« enfilement à chaud », bien que d'autres existent. Une quatrième méthode en émergence permettant de synthétiser des molécules à architectures mécaniquement imbriquées met en jeu un métal de transition complexé à un macrocycle et qui peut catalyser une réaction à travers la cavité de ce dernier.
End-capping
La synthèse par la méthode d'encapage repose fortement sur un effet de reconnaissance thermodynamique : c'est-à-dire que la partie linéaire de l'haltère est maintenue à travers le macrocycle par des interactions non-covalentes. Ce complexe dynamique, également appelé pseudorotaxane, est ensuite converti en rotaxane par réaction entre les bouts de la partie linéaire avec de larges groupements qui empêcheront la dissociation.
Clipage (clipping)
La méthode de clipage est similaire à la réaction d'encapage, sauf que la partie haltère est déjà complète, et reliée à un macrocycle incomplet par des interactions non-covalentes. Le macrocycle subit alors une réaction de cyclisation autour de l'haltère pour former un rotaxane.
Enfilement (slipping)
La méthode de l'enfilement exploite la stabilité cinétique d'un rotaxane. Si les bouts de l'haltère ont la taille appropriée, il est possible de l'enfiler à travers le macrocycle de manière réversible à haute température. En refroidissant le complexe dynamique, celui-ci devient cinétiquement piégé comme rotaxane à basse température.
Méthode de la reconnaissance active (active template)
Leigh et al ont récemment commencé à explorer une stratégie dans laquelle les ions servant à préorganiser les composants peut également jouer un rôle actif dans la formation de la dernière liaison covalente qui produit la structure imbriquée.
