Nanochimie et Systèmes Moléculaires 
Prof. A.-S. Duwez 
 
Sujets de mémoire  
 
1.  Etude de nano-architectures non conventionnelles: les oligorotaxanes 
 
Les foldamères sont des architectures moléculaires synthétiques repliées, inspirées des structures et 
fonctions  des biopolymères naturels. Le repliement est un  processus sélectionné par la  nature pour 
pouvoir réaliser des tâches chimiques ou mécaniques, comme la catalyse enzymatique, le stockage 
d'information, la duplication des acides nucléiques, le transport,...  
Etant donné que les repliements des biomolécules sous-tendent leur fonction, nous pouvons imaginer 
qu'en conférant aux molécules synthétiques des structures secondaires repliées, un vaste éventail de 
matériaux fonctionnels avec de nouvelles propriétés émergentes serait potentiellement accessible. La 
synthèse  de  molécules  artificielles  adoptant  des  structures  secondaires  repliées  est  en  effet  un 
domaine de recherche très actif et très riche ces dernières années.  
Très récemment, une classe d'oligomères synthétiques se  trouvant à l'intersection entre  le domaine 
des  molécules  mécaniquement  entrelacées  et  les  foldamères  synthétiques  a  émergé:  les 
oligorotaxanes.  Ce  système  est  le  tout  premier  à  combiner  un  motif  de  repliement et une  structure 
entrelacée  mécaniquement  liée.  La  structure  secondaire  à  l'état  solide  a  été  résolue  par 
cristallographie  aux  rayons  X.  Les  caractéristiques  structurales  des  molécules  en  solution  ont  été 
étudiées  par  spectroscopie  RMN.  Cependant,  la  structure  détaillée  et  la dynamique  du  système  en 
solution restent controversées et l'idée même d'une structure repliée en solution est un sujet à débat.  
Nous proposons ici d'étudier des foldamères d'oligorotaxanes par spectroscopie de force AFM afin de 
résoudre  les  études  contradictoires  (ou  incomplètes)  obtenues  par  des  techniques  d'ensemble,  et 
ainsi obtenir des informations détaillées sur la structure et les propriétés mécano-chimiques.  
 
 
observations, we can infer the following empirical selection
rule: the most stable co-conformation
38
in any of the oligorotaxanes
will be one in which no two CBPQT
4+
rings reside on adjacent DNP
sites. This rule simultaneously explains the presence of multiple
translational isomers in the Confused series and the line
broadening observed in the Frustrated series, since multiple co-
conformations can be identied to satisfy the rule in the former,
while no translational isomers will satisfy the selection rule in
the case of the latter. Thus, we use the term Confused to imply a
rotaxane that expresses multiple stable translational isomers
that are slow to equilibrate on the
1
H NMR timescale. A Frus-
trated rotaxane, on the other hand, equilibrates more rapidly
between multiple higher-energy states. It seems that the Happy
series exhibits a ‘Goldilocks’
39
effect, where the number of rings
and recognition units are perfectly matched so as to make a
single ‘happy’translational isomer far more stable than any
alternative. These anthropomorphic concepts are illustrated
graphically using the 7NP oligorotaxanes (the smallest set we
isolated with members in all three ‘moods’) as examples in
Fig. 2. A selection rule that forbids the CBPQT
4+
rings to encircle
adjacent DNP sites also agrees well with a secondary structure
that is stabilized by continuous D–A–D–A stacking, as
observed
21
in the donor–acceptor pseudorotaxanes with 50%
recognition-site occupancy in the solid state.
Although the Confused oligorotaxanes adopt multiple trans-
lational isomers, the species with the longest D–A stacking
motif will be the most highly stabilized and therefore the
dominant isomer. In the simplest Confused rotaxane [2]3NPR
4+
,
for example, the most stable translational isomer –that with the
CBPQT
4+
ring encircling the central DNP unit –is adopted by
80% of the molecular population (see Section 3B of the ESI†).
The remaining 20% of the molecules adopt a co-conformation
with the CBPQT
4+
on the periphery, where the stabilizing D–A
interactions are inevitably weaker on account of the ring's
access to half as many ‘alongside’DNP units. This 4 : 1 distri-
bution indicates that there is only a small difference between
the free energies (<1 kcal mol
!1
) of the various rule-compliant
isomers of the Confused oligorotaxanes. There is no indication
that Happy oligorotaxanes are signicantly more stabilized than
the dominant Confused rotaxanes, however, despite the bias in
favor of Happy oligorotaxanes in the product distributions.
Rather, the preference for Happy oligorotaxanes during the
stoppering protocol is most likely a result of using CBPQT
4+
in
nearly 1 : 1 stoichiometry with the DNP recognition units,
which amounts to an excess with respect to the half-occupancy
foldamers. Indeed, the entropic penalty for adding more rings
onto the dumbbells of Happy rotaxanes may compete with the
enthalpic gains earned from the extra D–A interactions enabled
by the BIPY
2+
units of the terminal cyclophanes. In any event,
only the Happy family of oligorotaxanes (Fig. 3) are conducive to
detailed solution-state analysis by high eld
1
H NMR
Fig. 2 A Goldilocks effect in donor–acceptor oligorotaxanes, exemplified by the
7NP-based compounds. The [0.5(n!1) + 1]rotaxane [4]7NPR
12+
has up to six
translational isomers that satisfy the selection rule forbidding CBPQT
4+
rings to
encircle adjacent DNP sites, eliciting the ‘Confused’designation. On the other
hand, it is impossible to draw a structure that obeys the rule for the [0.5(n!1) +
3]rotaxane [6]7NPR
20+
, hence it is ‘Frustrated’. Only the [0.5(n!1) + 2]rotaxane
[5]7NPR
16+
has a single ‘Happy’translational isomer that satisfies the rule.
Fig. 3 Molecular structures of the oligomers in the Happy series of donor–acceptor oligorotaxanes.
This journal is ªThe Royal Society of Chemistry 2013 Chem. Sci.,2013,4,1470–1483 | 1475
Edge Article Chemical Science
 
 
 
2.  Etude  de  nano-architectures  hélicoidales  non  conventionnelles:  les  foldamères 
oligoamide aromatiques 
 
Les foldamères sont des architectures moléculaires synthétiques repliées, inspirées des structures et 
fonctions des  biopolymères  naturels.  Le  repliement  est  un  processus  sélectionné  par  la  nature  pour 
pouvoir réaliser des tâches chimiques ou mécaniques, comme la catalyse enzymatique, le stockage 
d'information, la duplication des acides nucléiques, le transport,...  
Etant donné que les repliements des biomolécules sous-tendent leur fonction, nous pouvons imaginer 
qu'en conférant aux molécules synthétiques des structures secondaires repliées, un vaste éventail de 
matériaux fonctionnels avec de nouvelles propriétés émergentes serait potentiellement accessible. La 
synthèse  de  molécules  artificielles  adoptant  des  structures  secondaires  repliées  est  en  effet  un 
domaine de recherche très actif et très riche ces dernières années.  
Récemment, des architectures moléculaires hélicoidales ont pu être produites à partir d'un squelette 
oligoamide aromatique. La structure exacte est bien caractérisée en phase solide, mais très peu de