De nouvelles capsules moléculaires peuvent donner la chiralité à de grands colorants rigides contenant des métaux

Dans la nature, le concept de chiralité ou de «maintien» est fondamental à la vie elle-même, tout comme nos mains gauche et droite sont des images miroir qui ne peuvent pas être parfaitement chevauchées. La remise moléculaire est cruciale dans les systèmes biologiques – la même molécule avec une chiralité différente agit comme un composé sain ou toxique. Les organismes vivants excellent dans la création de cavités chirales par l’auto-assemblage moléculaire, permettant aux protéines de se lier et de transformer des substrats avec une sélectivité élevée.

Malgré des études intensives en chimie synthétique, reproduire artificiellement de telles cavités chirales polyvalentes reste difficile, en particulier lors de l’utilisation d’une approche d’auto-assemblage. Les approches existantes nécessitent souvent une synthèse étape par étape de cavités chirales rigides, ce qui limite leur applicabilité.

Un obstacle notable a induit une chiralité par des interactions faibles dans des molécules hautement symétriques, telles que celles utilisées dans les matériaux avancés et les catalyseurs. En particulier, les colorants contenant des métaux sont difficiles à «chiraliser» en raison de leurs structures rigides et planes.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Michito Yoshizawa et le professeur adjoint Yuya Tanaka du Laboratoire de chimie et des sciences de la vie à l’Institut de recherche intégrée, Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japon, a développé une approche innovante pour surmonter ces limites.

Leur étude, publiée dans le Journal de l’American Chemical Societyrapporte la création de capsules chirales qui peuvent transmettre de fortes propriétés chirales à des colorants intrinsèquement non chiraux contenant du métal.

L’équipe de recherche a conçu des molécules amphiphiles pliées, ce qui signifie qu’elles avaient à la fois des pièces époustouflantes et réparties dans l’eau. Ceux-ci ont été dérivés de 1,1′-binaphthyl-2,2′-diol ou binol, une composante aromatique chirale bien connue. Lorsqu’ils sont dissous dans l’eau, les molécules s’auto-assemblent spontanément dans des capsules chirales sphériques environ 3 nanomètres de diamètre.

Contrairement aux systèmes précédents, ces capsules créent des cavités chirales fermées mais flexibles qui peuvent encapsuler de manière adaptative diverses colorants contenant des métaux, y compris les métalloporphyrines, les métallophthalocyanines et les métallonorrols.

Après des analyses expérimentales optiques, les chercheurs ont découvert que les colorants encapsulés présentent une forte activité chirale, interagissant efficacement avec la lumière polarisée à un niveau auparavant impossible à atteindre sans modifications chimiques directes.

“À notre connaissance, les capsules actuelles sont les premiers outils moléculaires pour induire des propriétés chirales dans les colorants communs contenant du métal par une simple encapsulation”, explique Tanaka et Yoshizawa. L’équipe a démontré avec succès l’induction de la chiralité dans plusieurs types de colorants contenant des métaux, y compris les métallophthalocyanines qui sont notoirement difficiles à chiraliser en raison de leurs structures relativement rigides et complètement planes.

De plus, les chercheurs ont découvert que les propriétés chirales des colorants encapsulés peuvent être réglés à l’aide de stimuli thermiques. En appliquant un chauffage contrôlé, ils pouvaient ajuster irréversiblement l’intensité de la chiralité induite, selon les colorants. Cette réactivité thermique transforme la capsule en une nanotool sophistiquée qui permet un contrôle précis sur les propriétés moléculaires importantes.

Dans l’ensemble, la technologie actuelle pourrait s’avérer utile dans des domaines allant de la chimie fondamentale à la science appliquée, où un contrôle précis sur la chiralité moléculaire est essentiel. “Notre nouvelle méthode permet l’introduction de la fonctionnalité chirale dans les colorants contenant des métaux sans procédures de synthèse en plusieurs étapes et de séparation complexe. Il est très prometteur pour le développement de matériaux photo-fonctionnaires avancés et de catalyseurs asymétriques”, concluent Tanaka et Yoshizawa.