Réactions de Diels-Alder et Chimie Dynamique Constitutionnelle

La chimie dynamique constitutionelle (CDC) tire profit de la réversibilité des interactions entre les molécules pour conférer un caractère adaptatif aux systèmes qu’elle met en oeuvre. Les bibliothèques combinatoires dynamiques sont composées à partir de briques de base qui forment de manière réversible un grand nombre de combinaisons à l’équilibre thermodynamique. L’application d’une contrainte comme l’introduction d’une cible présentant une information structurelle et induisant une reconnaissance moléculaire préférentielle par certains éléments de la bibliothèque peut déplacer l’équilibre thermodynamique. Ce phénomène peut être interprété comme une sélection, menant éventuellement à une amplification, ou comme une évolution du système sous la pression d’une contrainte. Pour obtenir ces propriétés, il est important de disposer de réactions chimiques réversibles qui laissent les interactions supramoléculaires guider son évolution. Le petit nombre de réactions covalentes réversibles disponibles et utilisables dans des conditions douces propices à la reconnaissance moléculaire est un facteur limitant pour le développement de la CDC. Le travail qui a été effectué pour cette thèse de doctorat vise à développer des systèmes basés sur la chimie de la réaction de Diels-Alder fournissant au niveau moléculaire la fonction de jonctions dynamiques entre des briques de base. Des molécules formant à température ambiante des adduits dynamiques ont été identifiées par un criblage, avec comme point de départ les données de la littérature, puis le jeu sur la substitution des produits de départ pour augmenter leur réactivité, et réduire la stabilité de leurs adduits de Diels- Alder. Cette approche a abouti à l’identification de réactions équilibrées entre les fulvènes et certaines cyanooléfines : les dicyanofumarates et les tricyanoéthylènecarboxylates. Leurs fortes réactivités résultent de leur importante électrodéficience et s’expriment par des cinétiques d’équilibration inférieures à la minute à température ambiante. Ces équilibres, et leurs variations avec la température, ont été caractérisés pour des systèmes simples, afin de servir de preuve de principe de la possibilité d’utiliser leurs propriétés dans des architectures supramoléculaires plus sophistiquées. Des expériences de compétition et d’échange ont complété cette étude qui prouve la possibilité d’utiliser ces systèmes en CDC. Il s’agit de la première utilisation de la chimie de Diels- Alder dans ce contexte. La recherche de nouveaux systèmes a été poursuivie pour comprendre les éléments structuraux qui génèrent ce caractère dynamique. En nous inspirant de la réaction réversible entre les anthracènes et les fullerènes, nous avons découvert des réactions de Diels-Alder équilibrées à température ambiante entre le 9,10-diméthylanthracène et les cyanooléfines utilisées avec les fulvènes. Les anthracènes présentent des propriétés de fluorescence, alors que leurs adduits de Diels-Alder ne les présentent plus : une commutation de la fluorescence par le contrôle de la position de l’équilibre a été étudiée. L’électrodéficience du groupement 1,1,2-tricyanoéthylène que nous avons décrit comme un diénophile très activé, est également responsable de son rôle d’accepteur d’électrons dans des molécules à transfert de charge interne. Les structures de type tricyanoéthynyléthylène ont montré une réactivité comme diénophiles dans des systèmes dynamiques mettant en jeu le 9,10-diméthylanthracène. Ces systèmes peuvent être vus comme des prototypes de commutation de propriétés d’optique non linéaire par la réaction de Diels-Alder. L’emploi de la réversibilité thermique de la réaction de Diels-Alder avait déjà été décrit pour la fabrication de polymères capables d’autoréparation. A haute température, une partie des adduits liant les monomères se défont, et renouent les chaînes des polymères au-delà de la cassure en se reformant quand la température diminue. Une limitation de ces systèmes est la température élevée (> 120°C) à laquelle se faisait jusqu’à présent la réa ction de rétro Diels-Alder. En se basant sur la réaction dynamique dès la température ambiante entre les fulvènes et les cyanooléfines que nous avons décrite, nous avons recherché l’obtention de polymères dynamiques à température ambiante avec des monomères fonctionnalisés par ces motifs. La preuve de la formation de polymères a été obtenue en solution par diffraction de neutrons. Des films minces de polymères ont aussi été obtenus. Des variations dans leurs structures ont permis d’obtenir des films souples et élastiques. Pour ceux-ci, des expériences d’autoréparation rapide à température ambiante ont été effectuées. D’un point de vue synthétique, l’obtention des diénophiles très activés a représenté un défi pour trouver des conditions permettant leurs purifications, celles précédemment publiées n’étant pas compatibles avec le développement de systèmes plus complexes qui sont décrits dans ce travail.Constitutional dynamic chemistry (CDC) takes advantage of the reversibility of interactions between molecules to create systems showing adaptive behaviour. Dynamic combinatorial libraries involve constituents which form a variety of labile aggregates in thermodynamic equilibrium. The application of a constraint, such as the introduction of a target providing structural information leading to the favoured recognition of some specific member of the library, may lead to the displacement of these equilibria. This phenomenon can be seen as selection, possibly leading to amplification of a particular species, or as the evolution of a system under the pressure of a constraint. Such behaviour requires that reversible chemical reactions be subject to the influence of supramolecular interactions to cause their evolution. However, the small number of reactions that provide dynamic systems remains a bottleneck for unlocking the potential of CDC. The present work was initiated to search for new systems based on Diels-Alder chemistry that would display the role of dynamic junctions between building blocks. Structures displaying reversibility at room temperature have been obtained by screening libraries of dienes and dienophiles, with the literature results as a starting point, and then playing on their substitution patterns to enhance the reactivity of the starting materials and reduce the stability of the Diels-Alder adducts they form. This has led to the characterisation of dynamic Diels-Alder equilibria between fulvenes and certain cyanoolefins (dicyanofumarates and tricyanoethylenecarboxylates). Their high reactivity stems from their strong electrodeficiency, which leads to equilibration in less than a minute at room temperature. These equilibria and their temperature dependence have been studied for simple systems, to serve as a proof of principle for the use of their properties in more sophisticated supramolecular architectures. The dynamic behaviour of the systems has been studied both by direct equilibrium measurements and by exchange of components, proving their capacity to act as dynamic junctions for CDC. It is the first use of Diels- Alder chemistry within this context. The search for new systems has been pursued to understand the patterns that generate this dynamic behaviour. Inspired by the reversible reactions between fullerene and anthracenes, we have discovered room temperature equilibrium reactions between 9,10-dimethylanthracene and the same cyanoolefins used with the fulvenes. While the reactant anthracenes are luminescent, their adducts are not, and the switching of the fluorescence by the control of the equilibrium positions has been studied. We have found the tricyanoethylene unit to be a core for highly reactive dienophiles, and its electron deficiency gives rise to acceptor behaviour in molecules where internal charge transfer is possible. Tricyanoethynylethylene dienophiles give dynamic systems with 9,10-dimethylanthracene, and these reversible reactions can be seen as prototype switches for the exploitation of non-linear optical properties based on the Diels-Alder reaction. The thermal reversibility of Diels-Alder reactions has been applied previously in the synthesis of self-healing polymers. A limitation has been the relatively high temperature required (above 120 °C ) to achieve practical reversibility. Based on the room temperature dynamic reaction we described between fulvenes and cyanoolefins, dynamic polymer systems were designed based upon monomers bearing two fulvene or cyanoolefin motifs. Neutron scattering experiments have provided proof of the formation of polymers in solution. Polymeric thin films have been made as well by evaporation of these dynamic solution mixtures, and variations on their structure have provided both soft and elastic materials. These films showed fast self-healing properties at room temperature. The use of highly activated dienophiles was challenging due to the difficulties involved in their purification, since known methods were not compatible with the development of the complex systems presented in this work