Le groupe Nitschke de l'Université de Cambridge conçoit des molécules creuses qui agissent comme des capsules ou des cages renfermant des molécules invitées. Ces cages ont des applications potentielles intéressantes dans une variété de domaines. Ils pourraient, par exemple, être adaptés pour délivrer des médicaments là où ils sont nécessaires ou pour éliminer une molécule polluante d'une solution. Dans un ouvrage récemment publié dans le Journal de l'American Chemical Society , l'équipe rend compte des découvertes passionnantes qu'ils ont faites en utilisant des molécules hôtes hiérarchiquement imbriquées, avec un hôte externe encapsulant un hôte interne, qui contient la molécule invitée. Dans leurs molécules de « poupée russe » nouvellement conçues, ils ont découvert que l'encapsulation peut améliorer les propriétés de liaison de l'hôte interne. Leurs résultats présentent également une nouvelle façon de fixer la stéréochimie d'un cadre hôte. De telles molécules pourraient être utilisées dans des applications qui reposent sur la reconnaissance moléculaire, comme la catalyse, séparations, l'administration de médicaments, et sentir.

Programmation des molécules

Toutes les cages conçues par le groupe Nitschke s'auto-assemblent à partir de simples blocs de construction. Leur conception nécessite une compréhension approfondie de la géométrie des molécules précurseurs et de leur assemblage, de sorte que la conception des molécules de cage finales est essentiellement «programmée» dans les blocs de construction. Ces cages peuvent être conçues comme de grosses molécules, et d'avoir une gamme de capacités de liaison avec les invités.

Dans ce travail, l'objectif était d'encapsuler la molécule creuse de cryptophane-111 (CRY) à l'intérieur d'une molécule de capsule FeII4L4 à base de triazatruxène. Les cryptophanes sont un type de cage covalente construite à l'aide de deux unités de cyclotribenzylène. Ils peuvent encapsuler de petites molécules (par exemple du méthane ou du xénon), en plus des cations et des anions.

De nombreux cryptophanes sont des molécules chirales, avec une asymétrie qui signifie que la molécule et son image miroir ne peuvent pas être superposées. (L'exemple classique de chiralité est la main humaine - notre main gauche est une image miroir non superposable de notre main droite.) Une molécule chirale et son image miroir sont appelées énantiomères.

La chiralité – ou la « maniabilité » – peut être très importante. A la fin des années 50 et dans les années 60, un médicament appelé Thalidomide a été prescrit aux femmes enceintes pour contrôler les nausées matinales. Cependant, La thalidomide est une molécule chirale, et tandis que la version pour gaucher est un médicament utile, la version pour droitier est toxique et a causé de graves malformations congénitales chez des milliers d'enfants.

Molécules de poupées russes

Comme vous pouvez l'imaginer, une molécule invitée enfermée dans une capsule à l'intérieur d'une cage externe présente une structure extrêmement complexe. Le groupe Nitschke a un accès BAG à la ligne de lumière I19, apporter des échantillons à Diamond pour la cristallographie tous les quelques mois.

Le professeur Jonathan Nitschke déclare :« Le Dr Tanya Ronson est une brillante cristallographe, et elle et son équipe ont utilisé la diffraction pour résoudre la structure du cristal que le Dr Dawei Zhang a développé. Cela nous a dit la maniabilité des molécules, et nous avons pu voir le cation césium invité à l'intérieur de la structure. I19 est une merveilleuse installation, et nous avons une excellente relation de travail avec le personnel de la ligne de lumière. Les résultats que nous avons obtenus chez Diamond nous ont permis de voir tous les détails de la structure, et nous a donné beaucoup de certitude.

L'invité et la molécule hôte sont tous deux chiraux, et la molécule invitée préfère être encapsulée par une version de l'hôte. Les résultats ont montré que la molécule invitée s'est réorganisée dans la solution pour s'adapter à cette préférence, ce que l'équipe n'avait jamais vu auparavant.

La conception d'une molécule hôte capable de discriminer la chiralité de la molécule invitée (énantiodiscrimination) ouvre des possibilités importantes pour (par exemple) purifier les composés médicamenteux afin qu'ils ne contiennent que la variante utile de la molécule. L'équipe se concentre désormais sur cette piste de recherche, ainsi que le domaine plus large de la purification chimique. Les molécules en cage pourraient bien fonctionner dans des environnements en boucle fermée, par exemple, nécessitant beaucoup moins d'énergie que les systèmes de purification actuels.