Les molécules cycliques sont partout, et tout ce qui nous entoure découle de la façon dont ils sont assemblés :pas seulement le goût, la couleur et l'odeur mais aussi (par exemple) les médicaments pharmaceutiques. La nature elle-même forme des anneaux moléculaires de différentes tailles et des chaînes d'anneaux de différentes longueurs que les scientifiques sont capables de reproduire artificiellement. Des chimistes de l'Université de Genève (UNIGE) ont mis au point une nouvelle technique pour créer ces chaînes d'anneaux moléculaires qui n'utilisent pas d'interactions chimiques standards mais le contact avec de grandes surfaces moléculaires pauvres en électrons et inexistantes dans la nature. Contrairement aux procédures standard, cette nouvelle technique fonctionne par autocatalyse, la plus rare, mais aussi le plus ambitieux, type de transformation qui existe en chimie. Les résultats de cette recherche, publié dans la revue Angewandte Chemie , ouvrent de nouvelles perspectives pour la cyclisation moléculaire et fournissent également la première partie de la réponse à une vieille contradiction de la chimie classique.

Les molécules qui nous entourent sont souvent disposées sous forme de cycles, former des stéroïdes, sucres, parfums ou encore médicaments, par exemple. Chimie inorganique, ces anneaux moléculaires peuvent être créés par la technique de la catalyse :la molécule sélectionnée, appelé substrat, est mis en contact avec la molécule qui réalise la transformation, le catalyseur, généralement par des liaisons hydrogène. Mais avec cette seule méthode d'interaction, les possibilités créatives sont réduites. Intégrer de nouveaux modes d'interaction les convertirait différemment, créant ainsi de nouveaux matériaux ayant le potentiel de résoudre des problèmes scientifiques et sociétaux insolubles avec les méthodes conventionnelles.

Stefan Matile est professeur au Département de chimie organique de l'École de chimie et biochimie de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Il est également membre du PRN Biologie Chimique et du PRN Ingénierie des Systèmes Moléculaires. « Notre laboratoire s'est spécialisé dans la mise en place de nouveaux contacts entre molécules, l'un d'eux basé sur de très grandes surfaces moléculaires, connu sous le nom d'aromatiques, qui sont pauvres en électrons hautement délocalisés. » Le professeur Matile ajoute que les contacts avec ces gros, plaines moléculaires vides, qui sont absents dans la nature, semblait prometteur pour la cyclisation d'anneaux moléculaires enchaînés les uns aux autres. Mais quelles sont les conséquences ?

Chaînes d'anneaux moléculaires produites par autocatalyse

Les buts des chimistes genevois étaient :reproduire des cycles de tailles différentes, c'est-à-dire constitués d'un certain nombre d'atomes définis (stéroïdes, par exemple, sont formés de trois cycles de six atomes plus un de cinq); et de relier plusieurs cycles entre eux sans utiliser les liaisons hydrogène mais une surface moléculaire pauvre en électrons délocalisés (dites interactions anion-π). "La principale caractéristique de cette plaine moléculaire est l'espace vide qu'elle offre aux molécules à assembler, " dit Miguel Paraja, chercheur au Département de chimie organique de l'UNIGE. Au contact de ce nouveau, surface spacieuse et déficiente en électrons, les molécules formaient des cycles de tailles différentes (4 à 8 atomes) et de séquences diverses. "Mais la grande nouvelle était la façon dont les transformations se sont produites!" ajoute le chimiste genevois.

Toutes ces cyclisations ont eu lieu de manière autocatalytique. "Avec un catalyseur conventionnel, les cyclisations sont rapides au départ, et puis, comme il y a de moins en moins de substrat, ils ralentissent de plus en plus, explique Xiaoyu Hao, un chercheur dans le même laboratoire. Mais avec l'autocatalyse, c'est tout le contraire qui se passe !" En effet, les transformations moléculaires s'accélèrent à grande échelle. « Bien que cette autocatalyse soit un phénomène de transformation très rare en chimie, c'est aussi le plus étonnant, dit le professeur Matile. "C'est basé sur l'entraide entre molécules :les premières molécules transformées aident les suivantes à se transformer, ce qui n'est pas le cas lors d'une catalyse normale, qui décélère au lieu d'accélérer."

La première étape pour répondre à une vieille contradiction de la chimie classique

Cette découverte permet de répondre à l'une des plus anciennes contradictions de la chimie classique. "Il existe une chaîne très connue d'anneaux moléculaires, appelé brévétoxine, qui se trouve dans la marée rouge et qui a pour effet de tuer les poissons, " explique le professeur Matile. Il a été découvert par une grande figure de la chimie organique, Koji Nakanishi, qui ont avancé une explication de la construction possible de cette chaîne extraordinaire formée de onze anneaux moléculaires consécutifs en une seule réaction. Mais cette hypothèse n'était pas d'accord avec Jack Baldwin, un célèbre chimiste qui a produit les règles expliquant la formation des cycles qui sont maintenant acceptées comme la base de la chimie classique. L'"hypothèse Nakanishi" viole ces règles pour chacun des onze anneaux. "Nos anneaux peuvent être formés selon les règles de Baldwin si nous le voulons, rapporte Paraja. Plus important, nous pouvons également briser les règles de Baldwin à la demande avec nos nouveaux catalyseurs et créer ces anneaux interdits dont Koji Nakanishi rêvait." "La clé du succès, explique Hao, est le grand espace vide offert par nos nouveaux catalyseurs."

Le professeur Matile poursuit :« Avec la découverte de l'autocatalyse dans la formation de molécules cycliques, nos contacts anion-π nous ont aidés à comprendre la manière la plus subtile de transformer les molécules qui existe en chimie. Et cela nous aidera à créer de nouvelles chaînes d'anneaux moléculaires." Les chimistes pourront influencer et orienter la nature de la transformation du prochain substrat, créer de nouveaux matériaux, l'un des principaux objectifs également du PRN Ingénierie des Systèmes Moléculaires. "La plupart des solutions aux problèmes scientifiques, qu'il s'agisse de nourriture, médecine ou environnement, impliquer des molécules et de nouveaux contacts qui peuvent se créer entre elles, ", explique le chimiste genevois.