Π-Anion and Hydrogen Bonding Interactions : a new tool for Molecular Recognition and Catalysis

Les anions sont présents dans de nombreux domaines tels que la biologie, la médecine, la catalyse ou encore l’environnement. Par exemple, l’anion chlorure joue un rôle important dans les canalopathies telles que la mucoviscidose. Dès lors, la conception de nouveaux récepteurs d’anions est un défi en chimie organique moderne. L'élaboration de telles molécules organiques s'appuie sur la formation de différentes interactions non-covalentes (liaisons hydrogène, interactions π-anion, liaisons halogène) et sur le concept de reconnaissance moléculaire. Ce dernier résulte de l’association spécifique entre un récepteur ou molécule hôte et un substrat (ou molécule invitée) conduisant à un complexe moléculaire. Elle implique une complémentarité de formes, de charges et de tailles entre le récepteur et le substrat. En dépit d'efforts continus de la communauté scientifique, la prédiction, la compréhension de leur mécanisme d'action, la détermination de la nature de l'entité tridimensionnelle mise en jeu et les applications potentielles de ces complexes moléculaires restent des objectifs à atteindre. La conception même de ces ligands/récepteurs d'anions est cruciale. En effet, ces interactions non-covalentes contribuent individuellement à la structuration et aux propriétés d'édifices moléculaires tridimensionnels complexes, mais associées au sein d'une même plateforme moléculaire polyfonctionnelle, une combinaison de plusieurs interactions non-covalentes est susceptible de générer des phénomènes de coopérativité/anti-coopérativité. Ce projet s’est donc orienté vers le développement de nouveaux designs moléculaires combinant deux types de fragments : les dérivés d’urées capables de générer des liaisons hydrogène et des fragments fluorescents aptes à générer des interactions π-anion. Une approche systématique basée sur un volet théorique (modélisation moléculaire) et une combinaison de méthodes expérimentales (RMN, spectrométrie de masse, spectroscopies UV-Visible, fluorescence et déclins) a permis d’évaluer les propriétés de reconnaissance moléculaire sur un panel d’anions de taille et de géométries différentes. Ce manuscrit débute donc par une revue de la littérature, suivie de quatre volets successifs examinant des variations structurales du récepteur et de ses différents éléments constitutifs. Ces variations permettant la modulation d’une multitude de paramètres : effets électroniques, balance rigidité/flexibilité, force et directionnalité des interactions non-covalentes ou encore effets de coopérativité, par exemple. Dans un dernier temps, l’introduction d’éléments porteurs de l’information chirale dans les designs les plus prometteurs a été réalisée ainsi que quelques essais préliminaires en catalyse par piégeage d’anions.Anions are widely spread in several areas such as biology, medicine, catalysis or environment. For instance, chloride anion plays a key role in channelopathies such as the cystic fibrosis. Henceforth, the development of new anion receptors is a challenge in modern organic chemistry. The elaboration of such molecules is based on the formation of different non-covalent interactions (hydrogen bonds, anion-π interactions, halogen bonds) and on the molecular recognition concept. This concept is based on the specific association between a receptor (host molecule) and a substrate (guest molecule), giving rise to a molecular complex. It involves a complementarity of shapes, charges and sizes between the host and the guest. Despite continuous efforts from the scientific community, the prediction, the understanding of mechanistic aspects, the determination of the nature of the three-dimensional entity involved and potential applications of these molecular complexes remain goals to achieve. The conception of those ligands/anion receptors is therefore crucial. Indeed, these non-covalent interactions individually contribute to the structuration and properties of complex three-dimensional molecular structures, but associated within a single polyfunctional molecular platform, a combination of non-covalent interactions is susceptible to generate cooperativity effects. This project is therefore oriented towards the development of new molecular designs combining two types of fragments : urea derivatives able to generate hydrogen bonds and fluorescent fragments able to generative anion-π interaction. A systematic study combining both a theoretical approach (molecular modelling) and a combination of experimental methods (NMR, mass spectrometry, UV-Visible, fluorescence and decay spectroscopies) enables to assess molecular recognition properties on a panel of anions with different shapes and sizes. This manuscript starts from a literature review, followed by four successive sections describing evolutions of the receptor design and constitutive structural elements involved. These variations allow the modulation of a lot of parameters : electronic effects, rigidity/flexibility balance, strength and directionality of non-covalent interactions or cooperativity effects, for instance. Finally, the introduction of chiral structural elements in most promising receptors as well as preliminary anion binding catalysis trials are described

Interactions π−anion et liaisons hydrogène : un outil au service de la reconnaissance moléculaire et de la catalyse

Anions are widely spread in several areas such as biology, medicine, catalysis or environment. For instance, chloride anion plays a key role in channelopathies such as the cystic fibrosis. Henceforth, the development of new anion receptors is a challenge in modern organic chemistry. The elaboration of such molecules is based on the formation of different non-covalent interactions (hydrogen bonds, anion-π interactions, halogen bonds) and on the molecular recognition concept. This concept is based on the specific association between a receptor (host molecule) and a substrate (guest molecule), giving rise to a molecular complex. It involves a complementarity of shapes, charges and sizes between the host and the guest. Despite continuous efforts from the scientific community, the prediction, the understanding of mechanistic aspects, the determination of the nature of the three-dimensional entity involved and potential applications of these molecular complexes remain goals to achieve. The conception of those ligands/anion receptors is therefore crucial. Indeed, these non-covalent interactions individually contribute to the structuration and properties of complex three-dimensional molecular structures, but associated within a single polyfunctional molecular platform, a combination of non-covalent interactions is susceptible to generate cooperativity effects. This project is therefore oriented towards the development of new molecular designs combining two types of fragments : urea derivatives able to generate hydrogen bonds and fluorescent fragments able to generative anion-π interaction. A systematic study combining both a theoretical approach (molecular modelling) and a combination of experimental methods (NMR, mass spectrometry, UV-Visible, fluorescence and decay spectroscopies) enables to assess molecular recognition properties on a panel of anions with different shapes and sizes. This manuscript starts from a literature review, followed by four successive sections describing evolutions of the receptor design and constitutive structural elements involved. These variations allow the modulation of a lot of parameters : electronic effects, rigidity/flexibility balance, strength and directionality of non-covalent interactions or cooperativity effects, for instance. Finally, the introduction of chiral structural elements in most promising receptors as well as preliminary anion binding catalysis trials are described.Les anions sont présents dans de nombreux domaines tels que la biologie, la médecine, la catalyse ou encore l’environnement. Par exemple, l’anion chlorure joue un rôle important dans les canalopathies telles que la mucoviscidose. Dès lors, la conception de nouveaux récepteurs d’anions est un défi en chimie organique moderne. L'élaboration de telles molécules organiques s'appuie sur la formation de différentes interactions non-covalentes (liaisons hydrogène, interactions π-anion, liaisons halogène) et sur le concept de reconnaissance moléculaire. Ce dernier résulte de l’association spécifique entre un récepteur ou molécule hôte et un substrat (ou molécule invitée) conduisant à un complexe moléculaire. Elle implique une complémentarité de formes, de charges et de tailles entre le récepteur et le substrat. En dépit d'efforts continus de la communauté scientifique, la prédiction, la compréhension de leur mécanisme d'action, la détermination de la nature de l'entité tridimensionnelle mise en jeu et les applications potentielles de ces complexes moléculaires restent des objectifs à atteindre. La conception même de ces ligands/récepteurs d'anions est cruciale. En effet, ces interactions non-covalentes contribuent individuellement à la structuration et aux propriétés d'édifices moléculaires tridimensionnels complexes, mais associées au sein d'une même plateforme moléculaire polyfonctionnelle, une combinaison de plusieurs interactions non-covalentes est susceptible de générer des phénomènes de coopérativité/anti-coopérativité. Ce projet s’est donc orienté vers le développement de nouveaux designs moléculaires combinant deux types de fragments : les dérivés d’urées capables de générer des liaisons hydrogène et des fragments fluorescents aptes à générer des interactions π-anion. Une approche systématique basée sur un volet théorique (modélisation moléculaire) et une combinaison de méthodes expérimentales (RMN, spectrométrie de masse, spectroscopies UV-Visible, fluorescence et déclins) a permis d’évaluer les propriétés de reconnaissance moléculaire sur un panel d’anions de taille et de géométries différentes. Ce manuscrit débute donc par une revue de la littérature, suivie de quatre volets successifs examinant des variations structurales du récepteur et de ses différents éléments constitutifs. Ces variations permettant la modulation d’une multitude de paramètres : effets électroniques, balance rigidité/flexibilité, force et directionnalité des interactions non-covalentes ou encore effets de coopérativité, par exemple. Dans un dernier temps, l’introduction d’éléments porteurs de l’information chirale dans les designs les plus prometteurs a été réalisée ainsi que quelques essais préliminaires en catalyse par piégeage d’anions

Interactions π−anion et liaisons hydrogène : un outil au service de la reconnaissance moléculaire et de la catalyse

Anions are widely spread in several areas such as biology, medicine, catalysis or environment. For instance, chloride anion plays a key role in channelopathies such as the cystic fibrosis. Henceforth, the development of new anion receptors is a challenge in modern organic chemistry. The elaboration of such molecules is based on the formation of different non-covalent interactions (hydrogen bonds, anion-π interactions, halogen bonds) and on the molecular recognition concept. This concept is based on the specific association between a receptor (host molecule) and a substrate (guest molecule), giving rise to a molecular complex. It involves a complementarity of shapes, charges and sizes between the host and the guest. Despite continuous efforts from the scientific community, the prediction, the understanding of mechanistic aspects, the determination of the nature of the three-dimensional entity involved and potential applications of these molecular complexes remain goals to achieve. The conception of those ligands/anion receptors is therefore crucial. Indeed, these non-covalent interactions individually contribute to the structuration and properties of complex three-dimensional molecular structures, but associated within a single polyfunctional molecular platform, a combination of non-covalent interactions is susceptible to generate cooperativity effects. This project is therefore oriented towards the development of new molecular designs combining two types of fragments : urea derivatives able to generate hydrogen bonds and fluorescent fragments able to generative anion-π interaction. A systematic study combining both a theoretical approach (molecular modelling) and a combination of experimental methods (NMR, mass spectrometry, UV-Visible, fluorescence and decay spectroscopies) enables to assess molecular recognition properties on a panel of anions with different shapes and sizes. This manuscript starts from a literature review, followed by four successive sections describing evolutions of the receptor design and constitutive structural elements involved. These variations allow the modulation of a lot of parameters : electronic effects, rigidity/flexibility balance, strength and directionality of non-covalent interactions or cooperativity effects, for instance. Finally, the introduction of chiral structural elements in most promising receptors as well as preliminary anion binding catalysis trials are described.Les anions sont présents dans de nombreux domaines tels que la biologie, la médecine, la catalyse ou encore l’environnement. Par exemple, l’anion chlorure joue un rôle important dans les canalopathies telles que la mucoviscidose. Dès lors, la conception de nouveaux récepteurs d’anions est un défi en chimie organique moderne. L'élaboration de telles molécules organiques s'appuie sur la formation de différentes interactions non-covalentes (liaisons hydrogène, interactions π-anion, liaisons halogène) et sur le concept de reconnaissance moléculaire. Ce dernier résulte de l’association spécifique entre un récepteur ou molécule hôte et un substrat (ou molécule invitée) conduisant à un complexe moléculaire. Elle implique une complémentarité de formes, de charges et de tailles entre le récepteur et le substrat. En dépit d'efforts continus de la communauté scientifique, la prédiction, la compréhension de leur mécanisme d'action, la détermination de la nature de l'entité tridimensionnelle mise en jeu et les applications potentielles de ces complexes moléculaires restent des objectifs à atteindre. La conception même de ces ligands/récepteurs d'anions est cruciale. En effet, ces interactions non-covalentes contribuent individuellement à la structuration et aux propriétés d'édifices moléculaires tridimensionnels complexes, mais associées au sein d'une même plateforme moléculaire polyfonctionnelle, une combinaison de plusieurs interactions non-covalentes est susceptible de générer des phénomènes de coopérativité/anti-coopérativité. Ce projet s’est donc orienté vers le développement de nouveaux designs moléculaires combinant deux types de fragments : les dérivés d’urées capables de générer des liaisons hydrogène et des fragments fluorescents aptes à générer des interactions π-anion. Une approche systématique basée sur un volet théorique (modélisation moléculaire) et une combinaison de méthodes expérimentales (RMN, spectrométrie de masse, spectroscopies UV-Visible, fluorescence et déclins) a permis d’évaluer les propriétés de reconnaissance moléculaire sur un panel d’anions de taille et de géométries différentes. Ce manuscrit débute donc par une revue de la littérature, suivie de quatre volets successifs examinant des variations structurales du récepteur et de ses différents éléments constitutifs. Ces variations permettant la modulation d’une multitude de paramètres : effets électroniques, balance rigidité/flexibilité, force et directionnalité des interactions non-covalentes ou encore effets de coopérativité, par exemple. Dans un dernier temps, l’introduction d’éléments porteurs de l’information chirale dans les designs les plus prometteurs a été réalisée ainsi que quelques essais préliminaires en catalyse par piégeage d’anions

Fiche catalyse n°55 : La catalyse par piégeage d'anions : une catalyse bioinspirée

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Pyridylmethylamines a modular and underrated family of ligands in both metal- and organo-catalysis

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Anion‐π Interaction for Molecular Recognition of Anions: Focus on Cooperativity with Hydrogen Bonding

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Recent advances in the chemistry of 1,2,4-triazoles: Synthesis, reactivity and biological activities

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Multi-approach strategy to probe the interactions between anions and new classes of molecular receptors

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