Chapitre I : Stators fonctionnalisés
Dans ce chapitre nous nous intéresserons à la fonctionnalisation du stator en vue de l’ancrage du moteur, de manière covalente, à la surface d’étude. Une surface isolante d’oxyde (alumine ou silice) est envisagée pour le dépôt du moteur et son étude par microscopie à force atomique (AFM). En effet pour que le moteur puisse fonctionner, il doit être déposé sur une surface isolante dans laquelle seront positionnées des nanoélectrodes métalliques permettant le contrôle de sa rotation. L’AFM permet d’imager des molécules déposées sur tout type de surfaces, car cette microscopie est basée sur les interactions de type Van der Waals entre la pointe et les molécules déposées sur la surface. Cependant les images obtenues par AFM sont pour l’instant plus difficiles à interpréter et à simuler que celles obtenues par microscopie à effet tunnel (STM). Ainsi, afin d’obtenir des images préliminaires du moteur, nous avons envisagé de synthétiser un moteur adapté à l’étude par STM. Le STM étant basé sur la mesure du courant tunnel entre la pointe du microscope et la surface, l’utilisation d’une surface conductrice ou semi-conductrice est nécessaire. Deux types de stators doivent donc être synthétisés [36], un premier fonctionnalisé pour s’accrocher sur des surfaces isolantes d’oxyde et un second pour des surfaces métalliques conductrices.
I.Synthèse des Ligands 1.Ligands scorpionates
Les ligands hydrotris(pyrazolyl)borates ou scorpionates (Figure 21), découverts par Trofimenko à la fin des années 1960 [37, 38], ont depuis été largement utilisés et développés en chimie organométallique et chimie de coordination [39-41]. L’intérêt de ce type de ligands réside dans la possibilité de fonctionnaliser les pyrazoles afin de moduler les propriétés stériques ou électroniques du ligand. L’analogue hydrotris(indazolyl)borate (Tp4Bo) a été nettement moins étudié depuis sa synthèse en 1995 [42-44]. Il est néanmoins un bon candidat pour constituer le stator de notre moteur. En effet, c’est un ligand qui permet d’éloigner le centre métallique de la surface tout en conservant une certaine rigidité.
La synthèse du ligand hydrotris(pyrazolyl)borate et de ses analogues est réalisée habituellement par réaction à haute température entre le pyrazole et KBH4 en absence de solvant [39]. Le choix de la température de réaction permet d’obtenir de manière sélective le mono, bis, tris ou tétrakis(pyrazolyl)borate. Lorsque les pyrazoles sont substitués, la régiosélectivité de la coordination du bore lors de la formation de l’hydrotris(pyrazolyl)borate est contrôlée par des effets stériques. En effet le bore se coordine à l’azote le moins encombré [40]. En revanche avec les hydrotris(indazolyl)borates, la coordination du bore est contrôlée par des effets électroniques. Elle se fait sur l’azote le plus riche en électrons, c’est à dire l’azote 1 de l’indazole, laissant ainsi le site de coordination du métal (azote 2) peu encombré [43].
Figure 21 : Ligands scorpionates hydrotris(pyrazolyl)borate et hydrotris(indazolyl)borate.
La fonctionnalisation de la position 6 de l’indazole permet d’obtenir trois groupements fonctionnels pointant tous dans la même direction opposée au site de coordination du métal. Les groupements fonctionnels sont alors suffisamment éloignés du site de coordination pour ne pas entraîner de gêne stérique.
2.Synthèse des ligands a)Ligand pour surface d’oxyde
La fonction ester est connue pour interagir fortement avec les surfaces d’oxydes [45-47]. En effet, sur les surfaces activées utilisées en microscopie, les esters s’hydrolysent spontanément au contact de la surface libérant la fonction acide carboxylique qui peut se lier de manière covalente avec les oxygènes de surface. C’est pourquoi nous avons choisi de synthétiser un ligand hydrotris[6-(éthoxycarbonyl)indazol-1-yl]borate (15) portant une fonction ester en position 6 de chaque indazole du ligand tripodal. Selon la nomenclature de Trofimenko le ligand sera noté Tp4Bo,6-COOEt.
Figure 22 : Analyse rétrosynthétique.
Deux stratégies sont envisageables pour synthétiser le ligand 15 (Figure 22). La première approche consiste à synthétiser le ligand hydrotris(indazolyl)borate suivi de la fonctionnalisation des trois indazoles en position 6. Cette approche, peu convergente, nécessite une triple réaction de fonctionnalisation qui risque d’avoir un faible rendement mais aussi de poser des problèmes de purification. En effet les ligands scorpionates sont particulièrement difficiles à purifier car ils ne peuvent pas être chromatographiés sur colonne. Ils sont habituellement purifiés par recristallisation sous forme de sels de thallium. Dans la deuxième approche, le ligand fonctionnalisé est obtenu directement par la réaction de coordination entre la source de bore et l’indazole fonctionnalisé. Cette stratégie a été choisie car elle est plus convergente et permet de limiter les étapes de purification du ligand scorpionate.
Schéma 2 : Synthèse de l’hydrotris[6-(éthoxycarbonyl)indazol-1-yl]borate de potassium.
Le ligand Tp4Bo,6-COOEt est synthétisé de manière convergente en partant de l’acide 3-amino-4-méthylbenzoïque (Schéma 2). L’estérification de l’acide 3-amino-4-méthylbenzoïque par chauffage à reflux dans l’éthanol en présence de chlorure de thionyle donne de manière quantitative le 3-amino-4-méthylbenzoate d’éthyle (16) [48]. La formation de la fonction indazole est réalisée en utilisant la procédure de Jacobsen [49]. La réaction de 3-amino-4-méthylbenzoate d’éthyle avec le nitrite d’isopentyle en présence d’acétate de potassium et d’anhydride acétique dans le toluène au reflux conduit au 1-acétyl-6-(éthoxycarbonyl)indazole. L’azote du cycle indazole est déprotégé par chauffage avec HCl pour donner l’ester indazole (17) avec un rendement global de 64%. L’ester indazole peut ainsi être obtenu à l’échelle de quelques grammes en deux étapes et peut être facilement purifié par sublimation sous pression réduite. La formation du cycle indazole est confirmée par RMN 1H avec le signal caractéristique du proton lié à l’azote à 11 ppm.
Le ligand scorpionate 15 est synthétisé par chauffage sans solvant à 180°C pendant 5 heures de 17 (3,4 equivalents) avec le tetrahydruroborate de potassium (1 eq.). La sublimation du brut réactionnel permet d’éliminer l’excès d’indazole et d’obtenir KTp4Bo,6-COOEt à l’échelle du gramme. Des tentatives de purification supplémentaires du ligand par chromatographie sur colonne d’alumine ont été menées sans succès (le ligand est trop polaire). L’utilisation d’une chromatographie à phase inverse aurait pu être une bonne alternative, mais nous avons décidé d’utiliser 15 tel quel, la purification se faisant après coordination au niveau des complexes de ruthénium.
La température de réaction est très importante puisque si la réaction est réalisée à 150°C le bis(indazolyl)borate est majoritairement obtenu, et si une température supérieure à 200°C est utilisée, la réduction des fonctions esters est observée. Les déplacements chimiques en RMN 1H du proton lié au bore pour le bis et le tris(indazolyl)borate sont vers 3,5 et 5 ppm respectivement ce qui devrait permettre de les distinguer facilement. Cependant la relaxation quadripolaire due au couplage avec le spin nucléaire du bore rend le signal de ce proton très large et difficilement visible dans le spectre RMN 1H [50]. La RMN du 11B permet aussi de différencier le bis (δ = -6,5 ppm) et le tris(indazolyl)borate (δ = -0,9 ppm) [50] mais n’est pas très accessible en routine.
b)Ligand pour surface métallique
Les thiols sont connus pour avoir une grande affinité avec les surfaces métalliques d’or ou de cuivre couramment utilisés pour des expériences STM [51, 52]. En utilisant la même approche convergente que pour le ligand pour surface d’oxyde, la synthèse d’un indazole portant une fonction thiol en position 6 est nécessaire. Cependant la fonction thiol n’est pas compatible avec les conditions de synthèse du ligand scorpionate (chauffage avec KBH4) à cause de la présence de l’hydrogène acide (SH) pouvant réagir avec KBH4. La protection du thiol par formation d’un thioacétyle a été tentée sans succès par Alexandre Carella lors de sa thèse soutenue en 2004.
Schéma 3 : Tentative de synthèse du Tp4Bo,6CH2SAc.
La synthèse (Schéma 3) utilise l’ester indazole 17 déjà obtenu précédemment et facilement accessible en grande quantité. La réduction par LiAlH4 dans le THF de la fonction ester conduit à l’alcool correspondant (18) avec un rendement de 96%. Le groupement hydroxyle est transformé en bon groupement partant par mésylation avec l’aide du chlorure de mésyle. Sans purification le mésylate est mis en réaction avec le thioacétate de potassium dans le DMF pour donner après purification par chromatographie sur colonne le 6-(thioacétoxyméthyl)indazole (19) avec 30% de rendement. Lors de l’étape de formation du ligand scorpionate 20, par chauffage à 180°C avec KBH4 une décomposition du produit est malheureusement observée. La fonction thioacétyle n’est pas stable dans les conditions réactionnelles, ce qui n’est pas très étonnant car le groupement thioacétate est connu, notamment dans les processus biologiques, pour être un bon groupement partant.
Devant ces problèmes de stabilité, nous avons décidé d’employer un groupement thioéther qui a aussi une bonne affinité avec les surfaces métalliques [53-56] et présente une meilleure stabilité thermique et chimique. La synthèse (Schéma 4) utilise le 6-(hydroxyméthyl)indazole (18) qui est mésylé et mis en réaction avec de l’éthanethiol en milieu basique. Après purification par chromatographie sur colonne, le 6-[(éthylsulfanyl) méthyl]indazole (21) est obtenu avec un rendement de 25%. Ce faible rendement peut être en partie expliqué par la compétition lors de la réaction de mésylation entre le groupement hydroxyle et l’azote nucléophile du cycle indazole. En effet, même en utilisant un seul équivalent de chlorure de mésyle,on observe un mélange de produits mono et dimésylés.
Schéma 4 : Synthèse de l’hydrotris[6-((éthylsulfanyl)méthyl)indazol-1-yl]borate de potassium.
Avec l’indazole substituée par un groupement thioéther 21, la réaction de formation du ligand Tp4Bo,6-CH2SEt (22) par chauffage avec KBH4 sans solvant à 200°C a lieu sans problème. Ainsi le ligand 22 adapté aux surfaces métalliques est obtenu avec un rendement de 55%.
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