Commutation morphologique et dynamique constitutionnelle

par Sébastien Ulrich

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Jean-Marie Lehn.

Soutenue en 2008

à Strasbourg 1 .

mots clés

• Commutateurs moléculaires
• Pinces moléculaires
• Chimie dynamique constitutionnelle
• Chimie supramoléculaire
• Reconnaissance moléculaire
• Autoassemblage
• Chimie combinatoire
• Composés macrocycliques
• Liaisons covalentes

Résumé

La thèse étudie la relation entre morphologie moléculaire et auto-organisation et part de l’hypothèse que les phénomènes d’auto-organisation trouvent une origine dans la morphologie des molécules présentes dans le milieu. Des commutateurs morphologiques métallo-contrôlés, qui sont des molécules adoptant des conformations différentes selon qu’un cation métallique est présent ou pas, ont ainsi été conçus et synthétisés. Les processus de complexation/décomplexation permettent ainsi de réaliser une commutation morphologique. La formation, à partir de ces outils, de systèmes dynamiques a permis de démontrer que la nature constitutionnelle de l’état thermodynamique généré est dépendante de la forme de ces commutateurs. Cela démontre que l’information morphologique détermine l’expression des assemblages les plus favorables. Ces processus ont permis d’opérer une commutation constitutionnelle entre polymères et macrocycles, démontrant ainsi un comportement adaptatif du système afin de répondre aux contraintes morphologiques imposées. Des systèmes fonctionnels ont été conçus et il a été démontré que l’utilisation des commutateurs morphologiques permet de contrôler la fonction exprimée par le système. Ceci souligne ainsi le potentiel de cette démarche de développement des relations constitution-fonction et démontre l’intérêt de pouvoir contrôler la constitution de systèmes dynamiques. Ce travail démontre que la morphologie moléculaire est une information utilisable qui permet de diriger l’auto-organisation de systèmes dynamiques fonctionnels. Ceci révèle ainsi un mécanisme par lequel la matière évolue et s’organise afin d’exprimer les espèces les plus adaptées aux contraintes imposées.

Titre traduit

Morphological switching and constitutional dynamics

Résumé

The thesis concerns the relationship between molecular morphology and self-organization and puts the hypothesis that self-organization is determined by the morphology of the molecules from the medium. Metallo-controlled morphological switches, i. E. Molecules being able to adopt different conformations depending on whether or not a metal ion is present, were designed and synthesized. Complexation/decomplexation processes then induce a morphological switching. The formation, from these tools, of dynamic systems was used to demonstrate that the constitution of a self-assembled system at thermodynamic equilibrium depends on the morphological state of these molecules. It thus demonstrated that molecular morphology determined the assemblies expressed by the system. The use of morphological switching processes makes it possible to reversibly switch a whole system between different constitutional states, polymers and macrocycles for instance, thus demonstrating an adaptive behavior of the system which reacts to morphological constraints. Functional systems were designed and it was demonstrated that the use of morphological switches allow to control the function expressed by the system. It thus showed the tremendous potential of this methodology of developing constitution-function relationships and demonstrated the need to be able to control the constitution of dynamic systems. This work demonstrates that molecular morphology is an information which can be used to control the constitution of functional dynamic systems. This reveals a mechanism through which matter can evolve and self-organize in order to express the species which fit best with the applied constraints.