From chemical topology to molecular machines

The chemistry of molecules displaying novel topologies has experienced an explosive development in the course of the last 25 years. The fast growth of this field originates to a large extent from the new templated synthetic methods which allow one to prepare these compounds at a real macroscopic level. Our group, in particular, has proposed a particularly efficient copper(I)-based template synthesis of a large variety of catenanes and rotaxanes at an early stage, participating in the revival of molecular topology. One of the highlights of the field has been the synthesis of the trefoil knot, a particularly challenging target. This object is not only an aesthetically attractive molecule but it also displays interesting properties in relation to coordination chemistry and chirality. A highly promising extension of molecular topology is that of molecular machines. By combining the specific properties of catenanes and rotaxanes, i.e., marked flexibility and propensity to undergo large amplitude motions, and coordination chemistry, it has been possible to elaborate and study a large variety of molecular machines. A recent example is that of an adjustable receptor, based on a [3]rotaxane attached to two mobile porphyrinic plates. This compound and related molecules will lead to “molecular presses” and, eventually, to molecular machines usable in solution to catalyse reactions or change the conformation of given substrates.

RésuméLa chimie des molécules présentant de nouvelles topologies s’est développée de manière spectaculaire ces 25 dernières années. Le développement rapide de ce domaine est principalement dû aux nouvelles méthodes synthétiques template qui permettent de préparer ces composés à l’échelle macroscopique. Notre groupe, en particulier, a proposé très tôt la synthèse d’une grande variété de caténanes et de rotaxanes, synthèse efficace grâce à l’effet template du cuivre(I), ce qui a participé au renouvellement de la topologie moléculaire. L’un des points forts de ce domaine a été la synthèse d’un nœud moléculaire, un but particulièrement ambitieux. Cet objet est non seulement esthétiquement séduisant, mais il présente aussi des propriétés intéressantes reliées à la chimie de coordination et à la chiralité. Les machines moléculaires sont une extension très prometteuse de la topologie moléculaire. En combinant les propriétés spécifiques des caténanes et des rotaxanes, c’est-à-dire les propriétés de flexibilité et d’aptitude à subir des mouvements de grande amplitude, et la chimie de coordination, il a été possible d’élaborer et d’étudier une grande variété de machines moléculaires. Un exemple récent est celui d’un récepteur ajustable, basé sur un [3]rotaxane relié à deux plateaux porphyriniques mobiles. Ce composé, ainsi que les molécules parentes, pourra conduire à des « presses moléculaires » ainsi qu’à des machines moléculaires utilisables en solution afin de catalyser des réactions ou de changer des conformations de substrats.