supramoléculaire, chimie - chimie.

supramoléculaire, chimie - chimie. 1 PRÉSENTATION supramoléculaire, chimie, branche de la chimie qui étudie les interactions entre molécules. De même que la chimie de synthèse permet de construire des molécules en créant des liaisons covalentes entre atomes, il existe une chimie supramoléculaire, qui permet de construire des complexes voire des édifices moléculaires, en utilisant les interactions entre molécules. Ces interactions peuvent être très diverses : forces de Van der Waals, liaisons électrostatiques, liaison hydrogène, interactions donneur-accepteur d'électrons, répulsion à courte distance, etc. ( voir liaison chimique). En outre, ces interactions sont en général plus faibles que les liaisons covalentes. C'est pourquoi les édifices supramoléculaires présentent une certaine « fragilité «, parfois mise à profit, par exemple lorsqu'il s'agit d'un complexe intermédiaire de réaction. L'objet de cette chimie est donc la synthèse et l'étude des supermolécules, associations entre deux (ou plusieurs) molécules dont l'une est l'hôte (le récepteur) et l'autre l'invité (le substrat), et qui doivent s'ajuster comme une clef dans sa serrure. 2 ÉTENDUE DE LA CHIMIE SUPRAMOLÉCULAIRE La chimie supramoléculaire, branche tout à fait nouvelle de la chimie, a bénéficié des progrès considérables qui ont été réalisés dans la connaissance du fonctionnement de la matière vivante au cours de la seconde moitié du XXe siècle. Elle a été principalement développée en France par Jean-Marie Lehn. Cette branche présente un fort caractère d'interdisciplinarité : à la base de la plupart des processus biologiques, elle couvre les domaines de la chimie organique, inorganique et analytique, et fait largement appel à la physico-chimie des systèmes moléculaires. Deux directions majeures de recherche se dessinent : la chimie biomimétique et la chimie « abiotique «. 2.1 Chimie biomimétique La première voie tente de reproduire des phénomènes naturels particulièrement intéressants, comme la catalyse, le transport ou la reconnaissance de molécules, à l'aide de structures artificielles plus simples à synthétiser. La chimie biomimétique cherche à reproduire des phénomènes biologiques tels que la photosynthèse des plantes, ou le transport de l'oxygène dans le sang par l'hémoglobine. Les succès les plus marquants de cette chimie biomimétique se situent à l'heure actuelle dans le domaine de la catalyse par des complexes métalliques, qui sont des modèles synthétiques d'enzymes naturels. Actuellement se développe aussi une chimie des molécules « cages «, ou « cryptands «, permettant de former des complexes avec des cations alcalins ou même avec des anions. Ce domaine ouvre ainsi la voie à toute une chimie de coordination de composés qu'on ne savait pas manipuler jusqu'ici. Un autre type de cryptands (certaines cyclodextrines) est capable de « convoyer « un principe actif (médicament) vers une cellule cible, et de la reconnaître. Ce procédé pourrait être utilisé dans le domaine des traitements anticancéreux. 2.2 Chimie abiotique L'autre voie de la chimie supramoléculaire tente d'appliquer les connaissances acquises en biologie pour créer des fonctions nouvelles, encore inconnues dans la nature, à l'aide de systèmes moléculaires organisés, capables de remplir des fonctions simples. Cependant, cette chimie vise, à plus long terme, la possibilité de réaliser des fonctions complexes à l'échelle moléculaire (miniaturisation, spécificité, opérations multiples). Actuellement, les fonctionnalités recherchées concernent surtout le traitement de l'information à l'échelle moléculaire : capteurs à la fois sensibles et sélectifs pour la détection de gaz, d'espèces chimiques ou biologiques (reconnaissance moléculaire), effets magnétiques coopératifs, amplification, rectification de signaux. 3 MÉTHODES Dans les deux cas, tout réside dans l'art d'assembler et de faire interagir différentes molécules pour fabriquer de véritables machines ou édifices à l'échelle moléculaire. On recherche des molécules aux propriétés spécifiques et on les assemble en jouant sur les forces intermoléculaires et / ou des réactions de polymérisation pour obtenir des effets coopératifs, et donc produire un matériau dont la structure (pour les solides, par exemple cristaux moléculaires) ou la dynamique (pour les liquides, par exemple cristaux liquides, micelles) ont des propriétés tout à fait nouvelles et surtout différentes de la simple réunion des propriétés de départ. Il ne s'agit pas seulement de différences de propriétés mécaniques, on vise des propriétés dynamiques, « intelligentes «, voire évolutives, à l'exemple de ce qui existe dans la nature. La découverte dans les années soixante de substances naturelles complexant de manière très sélective les ions alcalins et alcalino-terreux -- ions jusque-là difficilement complexés -- a ouvert la voie à la synthèse de supermolécules. Ces molécules sont formées de cycles de grande taille comportant une vingtaine de chaînons appelés macrocycles. Pour obtenir de plus grandes stabilité et sélectivité, les chimistes synthétisent à l'heure actuelle des composés tridimensionnels contenant deux ou plusieurs macrocycles : les macropolycycles. En effet, la reconnaissance d'un substrat par son récepteur est d'autant plus grande que celui entoure complètement et de manière la plus étroite possible le substrat. En pratique, il s'agit donc de concevoir des molécules possédant des cavités. Les macropolycycles ont des cavités sphériques. Or les cations alcalins et alcalino-terreux sont des espèces sphériques qui ne diffèrent que par la taille ; ces cations occupent une place importante dans le monde minéral et le monde vivant, où ils sont notamment à la base des phénomènes d'équilibre. La taille des cavités des macropolycycles peut être ajustée en faisant varier la longueur des chaînons et des ponts les reliant. On peut ainsi obtenir des complexes très stables et très sélectifs avec différents cations : trop petit, le substrat n'est pas retenu ; trop grand, il ne peut être inclus dans la cavité. 4 APPLICATIONS Parmi les composés supramoléculaires, tous obtenus par associations moléculaires, on trouve, par ordre de complexité croissante, le solide organique cristallin (certains de ces cristaux ont des propriétés optiques originales), les cristaux liquides, les micelles (qui ont débouché sur les fameux « liposomes « de l'industrie cosmétique), les gels et les microémulsions, qui ont également une grande importance en pharmacie, en cosmétique et en agroalimentaire, les films moléculaires et molécules « cages «, permettant d'obtenir des membranes sélectives synthétiques ou, comme on l'a vu ci-dessus, des médicaments sélectifs capables d'atteindre une cible particulière, et, enfin, découverts plus récemment, les polymères conducteurs ou magnétiques. Dans ce dernier cas, on a utilisé une réaction de polymérisation pour « figer « les propriétés obtenues par des interactions moléculaires contrôlées et consolider ainsi les édifices moléculaires en vue d'éventuelles applications industrielles. Par ailleurs, la haute spécificité des supermolécules permet de séparer les différents ions d'une solution ; on peut ainsi séparer les isotopes radioactifs dans les produits de réaction de fission nucléaire ou appliquer cette technique de séparation à la dépollution des eaux. Aujourd'hui, seuls les systèmes les plus simples ont été produits industriellement. Il est probable que les systèmes plus complexes, dont certains ont déjà vu le jour en laboratoire, ne connaîtront de véritable essor qu'au cours de la première moitié du XXIe siècle. Un grand espoir est placé dans les systèmes moléculaires organisés présentant des propriétés de stockage et de transfert d'informations. Ces systèmes, qui pourraient révolutionner notre façon de traiter l'information, dépendent du développement d'une nouvelle forme d'électronique et d'informatique moléculaires. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.