Conception de cryptophanes azotés comme plateformes synthétiques : synthèse, caractérisation et propriétés chiroptiques

Résumé de la thèse

En chimie supramoléculaire, la chimie hôte-invité repose notamment sur la conception de molécules dotées d’une cavité capable d’encapsuler sélectivement certains substrats. Ces systèmes trouvent des applications variées, notamment dans la détection, le piégeage d’espèces invitées ou encore la catalyse en environnement confiné. Dans ce contexte, les cryptophanes constituent une famille de cages moléculaires, souvent chirales, munies d’une cavité hydrophobe apte à accueillir divers substrats d’intérêt. À ce titre, ils font l’objet d’études approfondies, tant pour le développement de biosondes en imagerie par résonance magnétique, en raison de leur capacité à encapsuler le xénon, que pour le piégeage de métaux lourds toxiques, avec lesquels ils présentent une forte affinité. Nous nous intéresserons particulièrement à la capacité des cryptophanes à complexer efficacement l’ion Tl+, un métal lourd extrêmement toxique, dont la dissémination dans l’environnement est étroitement liée aux activités anthropiques. La modification de la structure et de la taille de la cavité des cryptophanes est un moyen efficace pour ajuster leurs propriétés d’encapsulation. L’introduction d’hétéroéléments dans leur structure est également une approche prometteuse pour moduler leurs propriétés de reconnaissance moléculaire. Dans ce contexte, des travaux antérieurs au laboratoire ont montré qu’un cryptophane azoté possédait une très forte affinité et une excellente sélectivité pour le thallium en solution aqueuse. Cependant, la préparation de ce type de cage moléculaire reste actuellement un défi synthétique important. Le principal verrou au développement de nouveaux récepteurs azotés est le faible rendement obtenu, particulièrement lors de l’étape de seconde cyclisation qui permet la formation du squelette de cryptophane ainsi que sa post-fonctionnalisation. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse rapportent le développement de voies de synthèse et la caractérisation de nouveaux cryptophanes azotés qui ont vocation à être utilisés comme plateformes pour la conception d’hôtes destinés à l’encapsulation du thallium. Ainsi, de nombreuses optimisations des conditions opératoires ont été réalisées afin d’améliorer significativement les rendements de seconde cyclisation. Dans la dernière partie de ces travaux, nous nous sommes également intéressés au dédoublement des cryptophanes azotés ainsi qu’à l’étude de leurs propriétés chiroptiques par les techniques de polarimétrie, de dichroïsme circulaire électronique (ECD) et de dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD). Finalement, ces travaux ouvrent la perspective de conception de nouveaux récepteurs pour l’encapsulation d’ions Tl+ en phase aqueuse.

Design of Nitrogen-Containing Cryptophanes as Synthetic Platforms: Synthesis, Characterization, and Chiroptical Properties

In supramolecular chemistry, host-guest chemistry is based in particular on the design of molecules with a cavity capable of selectively encapsulating certain substrates. These systems have a variety of applications, including detection, trapping of guest species, and catalysis in confined environments. In this context, cryptophanes constitute a family of molecular cages, often chiral, equipped with a hydrophobic cavity capable of accommodating various substrates of interest. As such, they are the subject of in-depth studies, both for the development of biosensors in magnetic resonance imaging, due to their ability to encapsulate xenon, and for the trapping of toxic heavy metals, for which they exhibit a high affinity. We will focus in particular on the ability of cryptophanes to effectively complex the Tl+ ion, an extremely toxic heavy metal whose release into the environment is closely linked to human activities. Modifying the structure and size of the cryptophane cavity is an effective way to adjust their encapsulation properties. Introducing heteroatoms into their structure is also a promising approach for modulating their molecular recognition properties. In this context, previous laboratory work has shown that a nitrogen-containing cryptophane exhibits very high affinity and excellent selectivity for thallium in aqueous solution. However, the preparation of this type of molecular cage remains a significant synthetic challenge. The main obstacle to the development of new nitrogen-containing receptors is the low yield obtained, particularly during the second cyclization step, which enables the formation of the cryptophane skeleton and its subsequent post-functionalization. The work carried out as part of this dissertation reports on the development of synthetic routes and the characterization of new nitrogen-containing cryptophanes intended to serve as platforms for the design of hosts for thallium encapsulation. Thus, numerous optimizations of the reaction conditions were performed to significantly improve the yields of the second cyclization step. In the final part of this work, we also investigated the enantiomeric separation of nitrogen-containing cryptophanes and studied their chiral properties using polarimetry, electronic circular dichroism (ECD), and vibrational circular dichroism (VCD). Ultimately, this work opens up the possibility of designing new receptors for the encapsulation of Tl+ ions in the aqueous phase.