Résumé de nos Intérêts de Recherche

Le groupe Wuest est intéressé à la conception et à la synthèse de nouvelles molécules. Nous travaillons avec un large éventail de composés organiques, organométalliques et inorganiques. L'association moléculaire joue un rôle clé dans nos projets. Un de nos principaux objectifs est d'apprendre comment exploiter des interactions faibles pour contrôler l'association moléculaire. En combinant notre habilité à synthétiser des molécules complexes, à contrôler leur association et à étudier les structures supramoléculaires qui y découlent, nous espérons contribuer à l’avancement de plusieurs domaines de recherche, y compris la science des matériaux, la science des surfaces et la nanotechnologie. Les domaines dans lesquels nous avons été particulièrement actifs sont résumés ci-dessous.

 

La Tectonique Moléculaire

Durant les années 80, le groupe Wuest a commencé à développer des stratégies générales pour régir l’association moléculaire et pour diriger ainsi la construction de matériaux ordonnés. Nous sommes persuadés qu'un des plus grands défis de la science actuelle est de comprendre la relation qui existe entre le comportement de molécules individuelles et celui de leurs assemblages. La compréhension et la maîtrise de ce rapport permettront l’élaboration de nouveaux matériaux moléculaires sur mesure, créant ainsi des percées technologiques majeures. Cette tâche reste pourtant ardue vu le caractère faible et complexe des interactions intermoléculaires.

 

Une nouvelle classe de matériaux avec des propriétés prédéterminées a ainsi vu le jour, issue de l’association des sous-unités moléculaires induite par de multiples interactions directionnelles. Nous avons appelé ces molécules tectons (J. Am. Chem. Soc. 1991113, 4696). L’association tectonique conduit idéalement aux réseaux dans lesquels les molécules sont assemblées et positionnées l’une par rapport à l’autre de façon prévisible. Le pont hydrogène est l’interaction de choix pour l’ingénierie de tels matériaux, quoique d’autres d’interactions peuvent être employées. Cette stratégie est largement utilisée pour l’obtention de cristaux moléculaires avec des structures et des propriétés préprogrammées, aussi bien que pour créer des matériaux avec des degrés d’organisation inférieurs tels que les gels, les cristaux liquides et les verres moléculaires. Un résumé de nos travaux dans ce domaine a été publié lors du 40ième anniversaire de la revue Chemical Communications (Chem. Commun. 2005, 5830). Les principaux aspects des études du groupe Wuest dans le domaine de la tectonique moléculaire sont résumés ci-dessous.

 

a) Ingénierie de cristaux moléculaires

L’association contrôlée des tectons conduit à la formation de réseaux bien définis. La structure moléculaire des tectons peut être modifiée logiquement pour conduire aux réseaux analogues, avec une contraction ou une expansion à l’échelle nanométrique. Par exemple, l’expansion des réseaux issus des tectons dérivés du tétraphénylméthane est accomplie en substituant le carbone central par un atome de silicium, remplaçant ainsi les liaisons C-C par des liaisons Si-C plus longues (J. Am. Chem. Soc. 2003125, 1002). Des réseaux analogues chargés peuvent être obtenus en partant d’unités tectoniques cationiques ou anioniques dérivées du tétraphénylborate ou du tétraphénylphosphonium, respectivement (J. Am. Chem. Soc. 2005127, 5910). Des études récentes ont permis l’élaboration de structures cristallines à partir du hexaphénylbenzène et de ses analogues (J. Am. Chem. Soc. 2007129, 4306). La Figure 1 illustre une des fascinantes structures présentées dans cette étude.

 

   

 

 
Figure 1. Couches retenues par des ponts hydrogène et générées pas la cristallisation d'un dérivé de l'hexaphénylbenzène (J. Am. Chem. Soc. 2007129, 4306).
 
Figure 2. Représentation d'un réseau hautement poreux retenu par des ponts hydrogène et obtenu par la cristallisation d'un dérivé du spirobifluorène (J. Org. Chem. 2004, 69, 762).
 

 

b) Matériaux Poreux et Robustes

Les tectons peuvent facilement être conçus d'une manière rendant difficile et même impossible l’optimisation simultanée de leur empilement et de leurs interactions intermoléculaires. Lorsque les tectons sont créés pour avoir des géométries irrégulières qui ne s’apprêtent pas à un empilement efficace, les réseaux générés peuvent atteindre des niveaux de porosité exceptionnels. Par exemple, notre groupe a montré qu'un tecton dérivé du spirobifluorène cristallise pour conduire à un réseau dont 75% du volume est accessible aux molécules invitées, qui peuvent être échangées à l’état cristallin sans perte de cristallinité (article de couverture dans J. Org. Chem. 200469, 762). La Figure 2 représente le réseau poreux dans ces cristaux. Ce niveau de porosité est le plus haut jamais observé dans les réseaux retenus par des ponts hydrogène obtenus à partir de petites molécules. Cela souligne le potentiel certain d'employer les tectons pour engendrer des analogues moléculaires des zéolites.

 

c) Nouvelles manières de faire des cristaux

Les tectons peuvent être conçus pour générer des cristaux perméables qui réagissent avec les agents externes pour donner de nouveaux composés avec conservation de l'architecture cristalline originale (article de couverture dans Angew. Chem., Int. Ed. 200342, 5303).Cette stratégie aura le potentiel de générer de nouveaux composés directement à l’état cristallin tout en prédisant leurs formes polymorphiques. Dans certains cas, ces formes peuvent être impossibles à obtenir par cristallisation directe. Les monocristaux peuvent également être conçus pour réagir avec les agents qui pénètrent les canaux et clivent des fragments du réseau, excavant ainsi les intérieurs et augmentant de ce fait le volume disponible pour les molécules invitées,  sans toucher à l’intégrité cristalline du réseau (Chem. Commun. 2003, 2966). La Figure 3 nous montre un exemple de cristal excavé.

 

   

 

 
Figure 3. Excavation de l'intérieur d'un cristal moléculaire perméable par l'hydrolyse de groupements acétyles (Chem. Commun. 20032966).
 
Figure 4. Représentation de la réticulation photochimique d'un cristal moléculaire perméable, retenu par des ponts hydrogène, afin d'en créer une réplique macromoléculaire cristalline, retenue maintenant par des liaisons covalentes (Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 42, 5303).
 

 

d) La tectonique moléculaire et la chimie macromoléculaire

Par la même stratégie décrite ci-dessus, il a été possible de concevoir des réseaux cristallins perméables qui peuvent être réticulés de manière covalente, capturant de ce fait les assemblages supramoléculaires provisoires en tant que reproductions macromoléculaires cristallines permanentes (Angew. Chem., Int. Ed. 200342, 5303). Ce travail a été cité parmi les points culminants de la chimie en 2003 (Chem. Eng. News 2003,81 (51), 39). La Figure 4 illustre une réticulation photochimique dans un monocristal retenu par ponts hydrogène.

 

e) La tectonique moléculaire et l’étude des surfaces

Si l’emphase initiale du groupe Wuest a été sur l’organisation tridimensionnelle des matériaux, la stratégie de la tectonique moléculaire nous offre également la possibilité de contrôler l’association bidimensionnelle, permettant de ce fait la formation de surfaces nanostructurées de manière prévisible (J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13774; Langmuir 2007, 23, 11980; J. Phys. Chem. 2007, 111, 16996; J. Am. Chem. Soc. 2006,128, 4212). Au cours de ces travaux, nous avons développé une expertise avancée dans la science des surfaces. Les techniques de STM, d'AFM, de SEM et de TEM sont maintenant quotidiennement employées dans le groupe. La Figure 5 montre une image de STM, récemment enregistrée d'un nouveau réseau de ponts hydrogène adsorbé sur le graphite. Nous sommes optimistes que notre travail dans ce domaine montrera les avantages d'une approche intégrée qui comporte la capacité de concevoir et de synthétiser des molécules complexes, de déterminer leurs structures cristallines tridimensionnelles et de caractériser leur organisation moléculaire sur des surfaces.

 

   

 

 
Figure 5. Image STM d'un réseau moléculaire Kagomé retenu par des ponts hydrogène et adsorbé sur l'HOPG (J. Am. Chem. Soc. 2007,129, 13774).
 
Figure 6. Micrographes optiques montrant 1) un cristal moléculaire perméable construit à partir de couches, retenues dans une direction par des ponts hydrogène et dans l'autre par des interactions dipolaires faibles et 2) une coupe mince clivée du cristal  (Angew. Chem., Int. Ed. 200544, 4021).
 

 

f) Systèmes cristallins induits de propriétés mécaniques

Le groupe Wuest a constaté que des atomes tels que le silicium peuvent être placés aux centres des tectons pour agir en tant que lieux de déformation structurale, permettant aux monocristaux de s’accommoder aux changements de dimension d’au moins 30% sans perte de cristallinité. Les expériences et les calculs de DFT suggèrent que la résilience particulière de ces cristaux est due en partie à l'incorporation des nœuds fortement flexibles (atomes de silicium) dans des réseaux autrement robustes, maintenus par des ponts hydrogène multiples (J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 3621; J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14956) D'autres cristaux moléculaires ont été conçus pour posséder des combinaisons de propriétés intéressantes, telles que la capacité d'être fendus en feuilles (Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 4021). Un exemple de ce phénomène est montré dans la Figure 6.

 

g) Cristaux liquides, gels et verres moléculaires : Le côté obscur de l’ingénierie moléculaire

Après avoir développé une profonde compréhension de l’assemblage moléculaire à l'état cristallin, le groupe Wuest a commencé à employer ce savoir-faire pour générer des matériaux moins organisés et même pour contrecarrer le phénomène de la cristallisation complètement. Nous avons activement poursuivi cette nouvelle opportunité et nous avons publié une série d'articles récents sur les cristaux liquides, les gels et les verres moléculaires (voir, par exemple,J. Am. Chem. Soc. 2007129, 13774 et J. Am. Chem. Soc. 2006128, 10372).  Des images des cristaux liquides colonnaires récemment étudiés dans le groupe sont présentées dans les Figures 7-8.

 

   

 

 
Figure 7. Micrographe optique polarisé d'une phase liquide cristalline colonnaire retenue par des ponts hydrogène (J. Mater. Chem. 200616, 4695).
 
Figure 8. Micrographe optique polarisé d'une phase liquide cristalline colonnaire générée par un composé similaire (J. Mater. Chem. 200616, 4695).
 

 

h) Réseaux organométalliques

Bien que les molécules et les interactions non-covalentes faibles tiennent une place privilégiée dans nos recherches, nous avons récemment entamé des études complémentaires sur des réseaux maintenus par des interactions plus robustes de coordination métallique (Chem. Commun. 2007, 3166). Une image d'un nouveau réseau métal-organique est présentée dans la Figure 9. Nous vous invitons à suivre nos publications dans ce domaine en 2009 !

 

   

 

 
Figure 9. Représentation d'un réseau métal-organique du type SrAl2 interpénétré, généré par la coordination d'une tétrapyridine avec Cu(I) (Inorg. Chem., soumis pour publication).
 
Figure 10. Résultats d'un calcul DFT, montrant l'adsorption de l'acide trimésique sur le graphite (Langmuir, sous presse).
 

 

i) Chimie computationnelle

Par des collaborations, le groupe Wuest augmente rapidement son utilisation de calculs à très haut niveau pour aider à rationaliser ses observations et pour planifier de nouvelles expériences. Des analyses théoriques font partie intégrale d'une fraction importante de nos publications récentes (voir, par exemple, J. Am. Chem. Soc. 2007129, 13774 et J. Am. Chem. Soc. 2007129, 3621). La Figure 10 illustre le potentiel de cette approche pour mieux comprendre les interactions qui régissent l'adsorption moléculaire sur des surfaces. Pour développer davantage cet aspect de nos travaux, nous sommes activement à la recherche de nouveaux membres intéressés à participer dans des projets computationnels.

 

j) Fabrication de dispositifs moléculaires

Le groupe Wuest a mis un accent sur la recherche fondamentale, mais nous sommes de plus en plus intéressés à exploiter nos compétences diverses pour participer à la création de nouvelles technologies utiles. Nous venons de lancer une collaboration avec une entreprise dérivée dont l'objectif est de produire une nouvelle génération de cellules solaires à couche mince. Grâce à cette collaboration, le groupe Wuest développe maintenant la capacité de concevoir, de fabriquer et de tester la performance des dispositifs moléculaires destinés aux applications commerciales.

 

Comment le groupe Wuest travaille

Les projets décrits au-dessus résument les points d’intérêt du groupe Wuest. Le design moléculaire, la synthèse et la caractérisation structurale demeurent le noyau fort de notre recherche, mais nous avons élargi la portée de notre recherche bien au-delà des frontières traditionnelles de la chimie organique. Nous nous comptons parmi le groupe très restreint de scientifiques dont la recherche peut être publiée dans des journaux ACS aussi divers que Acc. Chem. Res., Cryst. Growth Des.Inorg. Chem., J. Am. Chem. Soc.J. Org. Chem.J. Phys. Chem.LangmuirOrganometallics et Org. Lett., et ce dans une période de seulement quelques années.

Notre approche interdisciplinaire est également indiquée par notre capacité à travailler avec une grande partie du tableau périodique, ainsi que par notre volonté à maîtriser de nouveaux champs d’études chaque fois que cela est nécessaire. Par exemple, nos publications montrent bien l'utilisation active de beaucoup de nouvelles expertises, y compris la modélisation moléculaire, la microscopie électronique et la microscopie à balayage électronique. Simultanément, nous nous déployons activement à tisser des liens avec les champs voisins dans lesquels l'association moléculaire joue un rôle principal, y compris la chimie macromoléculaire, la chimie inorganique, la science des matériaux, l'électronique moléculaire, la science des surfaces et la nanotechnologie. Nous estimons que cette polyvalence contribue directement au succès de nos projets de recherche et enrichit la formation des membres du groupe. Nous aimons travailler dans un environnement qui nous laisse entreprendre des projets multidisciplinaires ambitieux.

 

Joindre le Groupe Wuest

Nous espérons que ce sommaire vous donnera l’envie de lire nos publications et peut-être même d’envisager une collaboration avec nous ou de vous joindre à notre groupe. En tant que membre du groupe, il est possible de se concentrer sur un aspect particulier de notre travail, tel que la synthèse organique. Plusieurs anciens membres du groupe se sont spécialisés dans la synthèse organique et occupent actuellement des postes où cette compétence est hautement appréciée, comme dans l'industrie pharmaceutique. Cependant, il est également possible dans le groupe de concevoir des projets qui permettent une connaissance et une formation polyvalente dans différents secteurs. Notre nouvelle collaboration industrielle qui vise la fabrication de cellules photovoltaïques créera des opportunités intéressantes pour tous les membres du groupe. S’il vous plait n’hésitez pas à nous contacter !