Teses / dissertações sobre o tema "Hôte-Invité-Chimie"

Le développement de procédés catalytiques pour la valorisation chimique du dioxyde de carbone (CO2), suscite un intérêt grandissant en termes de chimie du carbone et de développement durable. Les travaux de cette thèse portent sur l’étude de la synthèse de carbonates cycliques à partir du couplage du CO2 avec des époxydes. De nombreux catalyseurs ont été développés dont les sels d’ammoniums fournissant le nucléophile nécessaire pour initier la réaction par ouverture de l’époxyde. Notre projet propose une nouvelle approche qui consiste à augmenter la nucléophilicité du catalyseur via une chimie hôte-invité dans laquelle des récepteurs moléculaires de type cavitands viennent sélectivement encapsuler les cations ammoniums, libérant ainsi l’anion nucléophile pour une meilleure réactivité. Notre système catalytique, testé à 1 bar de CO2, a notamment démontré tout son potentiel par l’activation accrue de sels de tétraméthylammonium initialement inactifs. Des expériences effectuées sous une pression de CO2 de 10 bar, ont permis d'étudier l’influence de la structure des cavitands et de montrer qu’une double activation était possible grâce à la conception de cavitands comportant des fonctions acides de Brönsted et des propriétés d’encapsulation optimales. Une application à la catalyse hétérogène a finalement été initiée par l’immobilisation des ammoniums ou des cavitands sur des supports à base de silice pour profiter des avantages de tels procédés
The utilization of carbon dioxide (CO2) as a key component in organic transformations has recently drawn much attention as a greener alternative to fossil fuel based resources. The objectives of this work aim at studying the synthesis of cyclic carbonates from the coupling of CO2 with epoxide. Numerous catalysts have been proposed for this reaction among which the ammonium halides providing the nucleophile to initiate the reaction by opening the epoxide. Herein, we propose a new approach based on host-guest chemistry, to improve catalytic reactivity by increasing the nucleophilicity of the halide anion. For this purpose, cavitand molecular receptors able to bind quaternary ammonium ions are used, releasing the anionic nucleophile for the initial epoxide ring-opening reaction. At CO2 atmospheric pressure, our catalytic systems demonstrated a great potential by the dramatic activation of tetramethylammonium halides, whereas when used alone, these catalysts had never shown any activity. The influence of the cavitand structure was investigated through experiments run under 10 bar of CO2 pressure, and revealed that a double activation was possible with cavitand bearing Brönsted acidic hydroxyl functions and optimal recognition properties. The heterogeneization of such catalytic systems was finally studied with the grafting of either ammoniums or cavitands on silica based materials

"La synthèse et l'étude de capsules "hôtes" permettant d'accueillir une ou plusieurs molécules "invités" est l'un des thèmes de pointe de la chimie supramoléculaire. Ici nous présentons la conception, la synthèse et une étude des propriétés de nouvelles capsules unimoléculaires hélicoïdales en forme de pelures de pomme. Ces capsules sont constituées d'une chaîne oligomérique se repliant en hélice et comprenant une séquence d'unités codant pour des diamètres différents. Le repliement de l'iligomère donne naissance à une cavité pouvant stabiliser des molècules invitées par liaisons hydrogène. Le phénomène d'encapsulation a été mis en évidence dans le solide par diffraction des rayons X et en solution par spectroscopie RMN"

La Nature crée des assemblages, de structure primaire (1D) et secondaire (3D) bien maîtrisées, qui réalisent des fonctions biologiques complexes. Dans ce contexte, notre but est de construire des assemblages supramoléculaires hiérarchiques utilisant des monomères de cyclodextrines (CDs), préparés selon la méthode de polyfonctionnalisation des CDs, développée au laboratoire. L'existance d'équilibres compétitifs (auto-inclusion et dimérisation tête à tête) empêchant l'accès aux polymères supramoléculaires (PS) de plus grande taille, a été démontrée. Ainsi, pour s'affranchir de ces espèces compétitives, une stratégie de pontage a été adoptée. Deux familles de composés (mono- et disubstitués) ont été développées montrant des comportements différents. Les composés monosubstitués forment des oligomères supramoléculaires en solution, tandis qu'un assemblage supramoléculaire hiérarchique à l'état solide (trois niveaux) est obtenu avec les dérivés disubstitués. Par ailleurs, le monomère monosubstitué chargé positivement a conduit à une compaction efficace d'une matrice d'ADN double brin, grâce à l'assistance de l'interaction hydrophobe. D'autre part, dans le but de controler la taille d'un polymère supramoléculaire à base de CD, un monomère possédant deux fonctions orthogonales (hôte-invité et paire de base) a été développé. En présence d'une matrice simple brin, la formation d'un pseudo-duplexe d'ADN a été observée, stabilisé grâce à la synergie de l'interaction hydrophobe et de l'appariement des paires de bases
Biological macromolecules and their assemblies (such as enzymes or viruses) perform extremely complex functions, thanks to their structural control. Our aim is to mimic such elaborated tools and build synthetic hierarchical assemblies using building blocks of cyclodextrin (CD). Using the known DIBAL-H reactivity for polyfonctionalization of CDs several monomers were prepared containing host-guest and electrostatic interactions. Thus, we demonstrated that a competitive self-inclusion and head to head dimerization prevent the formation of larger species in solution. To overcome this problem, a bridging strategy was used to cap the CD monomer and attach the two functionalized sugar units. This led to two types of building blocks (mono- and di-substituted) that showed different beahaviour. The monosubstituted compounds formed supramolecular oligomers in solution while disubstituted ones led to a hierarchical supramolecular self-assembly in the solid-state. Furthermore, efficient DNA compaction was performed involving hydrophobic interaction as a result of the use of monosubstituted positively charged CD building blocks. On the other hand, a single stranded DNA was used to control the size of CD-based supramolecular polymers. For this purpose, a CD monomer containing a hydrophobic moiety and a trinucleotide was developed. The host-guest and base pair interaction synergy allowed the formation of a stable DNA pseudo-duplex

La conception de récepteurs moléculaires ditopiques dérivés de calix[6]arènes a été étudiée selon trois méthodologies. La formation, via des processus coopératifs et allostériques, de récepteurs hétéro-assemblés complexes a été réalisée. L'originalité de ces édifices réside dans le fait que les processus sont dirigés par l'inclusion des molécules invitées dont le rôle est d'augmenter la préorganisation des molécules hôtes et ainsi la directionnalité des interactions entre sous-unités. Des réaction de macrocyclisation [1+1] ont conduit efficacement à l'obtention de calix[6]azatubes. Deux nouveaux modes de reconnaissances originaux ont été mis en évidence conduisant à des récepteurs multitopiques. Un intermédiaire clé calix[6]arénique dont trois fonctions amine sur six sont protégées régiosélectivement a été synthétisé quantitativement permettant la formation du premier calix[6]azacyptant apte à effectuer la reconnaissance d'une paire d'ions
The realisation of ditopic molecular receptors derived from calix[6]arenes has been studied according to three different methodologies. The formation, thnaks to cooperative and allosteric processes, of sophisticated hetero self-assembled receptors has been achieved. The originality of theses edifices stands in the fact that the processes are directed by the inclusion of the guests, thus increasing the preorganisation degree of the hosts and directionnality of the interactions between the sub-units. [1+1] macrocyclisation reactions have led efficiently to new calix[6]azacryptands and calix[6]azatubes. Endo-complexation of the guests was accomplished through induced fir processes according to two new original modes of recogintion, thus leading to multitopic receptors. A calix[6]arenic key intermediate possessing three of the six amino groups regioselectively protexted have been obtained quantitatively, conducting to the first ditopic calix[6]azacryptand able to perform ion pair recognition

La formation de structures nanométriques définies dans l'eau demeure un défi pour les chimistes supramoléculaires. L'interaction entre cyclodextrines beta et adamantane a ici été utilisée pour former des polymères supramoléculaires en solution. L'utilisation d'une structure pontée nous a permis d'éviter la formation de l'espèce auto-incluse et d'augmenter la solubilité de nos dérivés. Les polymères supramoléculaires ont été caractérisés par différentes techniques (ROE, ITC, DOSY, SANS), et forment des espèces linéaires en solution allant jusqu'à 26 unités polymérisées. Celles-ci ont été utilisées pour compacter de l'ADN à des concentrations basses en mettant à profit l'association entre monomères. Un deuxième mécanisme, reposant sur des interactions non spécifiques entre cyclodextrines, a aussi été observé. Enfin, les structures synthétisées ont été utilisées dans la transfection d'ADN plasmidique, mais ne sont pas efficaces. Ce comportement pourrait provenir de leur faible densité de charge
The synthesis of defined nanometric structures in water remains a challenge for supramolecular chemists. The interaction between adamantane and beta cyclodextrin was thus used to build new supramolecular polymers in solution. The use of a bridged structure enabled us to suppress the self-inclusion phenomenon and to enchance the solubility of our compounds. Supramolecular polymers were characterised using several techniques (ROE, ITC, DOSY, SANS), forming linear species up to 26 polymerised units. These structures were used to condense DNA at low concentrations, taking advantage on their host-guest behavior. Another condensation mechanism was discovered, involving non-specific interactions between cyclodextrins. The same structures were used to transfect plasmidic DNA, but were inefficient. This could be due to their low charge density

L’unité thiocationique [Mo2O2S2(H2O)6]2+ se condense en milieu aqueux pour former des architectures cycliques. En présence de molécules templates appropriées, un processus d’auto-assemblage intervient et la polycondensation du synthon inorganique aboutit à la formation de systèmes supramoléculaires de type hôte-invité. L’étude structurale et thermodynamique de dix nouveaux composés polyoxothiomolybdiques encapsulant des anions dicarboxylates flexibles, rigides ou semi rigides a permis d’identifier les grandeurs qui gouvernent la formation et la stabilité de ces édifices dont la nucléarité varie de Mo8 à Mo16. L’étude par RMN diffusionnelle déployée au cours de ces travaux s’est révélée un moyen de caractérisation particulièrement puissant pour les systèmes hybrides. Un nouveau type d’interactions supramoléculaires entre cycles polyoxothiomolybdiques et des anions sulfates et sulfonates a été mis en évidence au travers de l’analyse structurale de trois nouveaux composés, ce qui constitue une nouvelle voie de fonctionnalisation des polyoxothiométallates à l’état solide. Enfin, grâce aux propriétés acido-basiques des polyoxothiométallates, il est possible d’inverser le caractère ionique de la cavité. Le cycle anionique ainsi généré est capable d’interagir avec deux cations césium. En solution, l’étude par spectroscopie RMN du césium 133 démontre que l’interaction est maintenue
The sulfur containing containing [Mo2O2S2(H2O)6]2+ building block forms cyclic molecules through polycondensation process in water. In presence of appropriate template molecules, a self assembly process occurs and leads to supramolecular host guest systems. Structural and thermodynamical studies of ten new polyoxothiomolybdic compounds with dicarboxylate anions linked to the inorganic moiety allowed to identify the driving forces governing the encapsulation process and to predict the relative stability of these systems with nuclearity varying in the range Mo8 to Mo16. Diffusion Ordered SpectroscopY proved to be a powerful tool to characterize these hybrids compounds. In supramolecular chemistry, a new way to functionalize cyclic molecular materials was developed using sulfate an sulfonate anions involved in hydrogen bond network with the polyoxothiomolybdic system. Furthermore, an inorganic crown ether-like compound bearing two cesium cations was obtained through pH control and was characterized with 133 Cs NMR spectroscopy which demonstrates that host guest intercations is maintened even in solution

Ce travail de thèse a pour objet la synthèse, la caractérisation et l’étude des propriétés de complexation de cages moléculaires riches en électrons, préparées selon une stratégie d’auto-assemblage dirigé par des métaux, ainsi que l’étude de leur aptitude à complexer ou libérer un substrat à l’aide d’un stimulus redox.Une présentation de la stratégie d’auto-assemblage dirigé par des métaux et de son efficacité pour l’élaboration de structures tridimensionnelles est d’abord proposée.Ce projet repose sur un travail préalable de synthèse de ligands riches en électrons, dérivés de l’unité tétrathiafulvalène (TTF) ou de son dérivé à système-pi étendu (ex TTF), motif dont les propriétés de donneurs pi sont bien établies. Plusieurs ligands tétra-topique sont ainsi été préparés et caractérisés.Les auto-assemblages discrets correspondant ont été obtenus par réaction avec divers complexes métalliques, donnant naissance à des cavités variées,contrôlées en termes de forme et de taille. Ces édifices ont été caractérisés par RMN (dont DOSY),spectrométrie de masse, le cas échéant par diffraction des rayons-X et leurs propriétés électrochimiques ont été étudiées par voltammétrie cyclique. Leur capacité à complexer des invités neutres ou ioniques a également été mise en évidence. Enfin, exploitant les caractéristiques géométriques et électroniques remarquables des dérivés à base ex TTF, l’aptitude de l’une des cages correspondantes à contrôler réversiblement le processus de libération/complexation d’un invité par oxydation/réduction chimique, a pu être démontrée
This work is related to the synthesis and the characterization of electron-rich molecular cages, which are generated through a coordination-driven selfassembly strategy, as well as to the study of their ability to complex or release a substrate using a redox stimulus. A presentation of the metal-driven self-assembly methodology and of the corresponding efficiency in the preparation of three-dimensional structures is first proposed. This project is based on preliminary efforts in the design and the synthesis of electron-rich ligands, which are derived from the tetrathiafulvalene unit (TTF) or its piextended derivative (exTTF), whose pi-donating properties are well-established. Several tetratopic ligands were prepared and characterized. The corresponding discrete self-assemblies were obtained by reaction with various metal complexes, giving rise to various cavities whose shapes and sizes can be triggered. These structures were characterized by NMR (including DOSY), mass spectrometry, X-ray diffraction in some cases. Their electrochemical properties were studied by cyclic voltammetry. Their good binding properties for various neutral and ionic guests were also shown. Finally, exploiting the remarkable geometric and electronic features of exTTF derivatives, the ability of one of the corresponding cages to trigger reversibly the release/complexation process of a guest upon chemical oxidation/reduction, could be demonstrated

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude de plateformes polyphénoliques et, plus spécifiquement, des calixarènes. Des macrocycles oligomériques tels que les calixarènes, cyclodextrines, cyclotrivératrylènes, pillararènes, etc. sont fortement utilisés dans de nombreuses applications telles que la reconnaissance moléculaire, la détection, la séparation, le greffage sur surface, etc. Le développement de telles applications requiert toutefois modification sélective de ces macrocycles pour leur conférer des propriétés utiles aux applications visées (e.g. affinité envers certaines espèces chimiques, hydrosolubilité, activité photoluminescente). La modification sélective de tels macrocycles oligomériques est cependant loin d’être triviale car, en plus de requérir un contrôle des chimio- régio- et stéréosélectivités classiques, la réaction d’un nombre défini de fonctions identiques est une problématique clé qui doit être résolue. En effet, la fonctionnalisation des oligomères cycliques tels que les calixarènes passe par la formation de produits mono-, di-, tri-fonctionnalisés, et ainsi de suite de manière itérative. Par analogie avec des processus itératifs, nous avons proposé le terme « itérosélectivité » pour décrire la sélectivité qui gouverne le nombre de transformations chimiques répétées. Dans ce contexte, nous avons proposé des stratégies rationnelles et hautement sélectives pour la fonctionnalisation de calixarènes. Ces stratégies exploitent principalement des réactions de carbamatation pour introduire sélectivement des groupements tert-butylaminocarbonyle (Bac) sur les positions phénoliques des calixarènes. Citons notamment la carbamatation « all-but-one » qui permet d’introduire itérosélectivement des groupements Bac sur tous les phénols sauf un pour une grande variété de calixarènes. De plus, l’utilisation de ces groupements Bac comme groupe protecteur nous a permis de synthétiser de nombreux dérivés calixaréniques jusqu’alors inaccessibles suivant les voies de fonctionnalisation connues. Certains de ces composés présentent notamment une chiralité inhérente. En dehors de nos travaux, aucune voie de fonctionnalisation sélective de calixarènes décrite à ce jour n’est aussi générale et efficace. Nous avons également présenté une nouvelle voie d’oxydation de calixarènes en calixquinones. Cette voie présente moins de risques pour la santé et l’environnement que la méthode la plus couramment utilisée à ce jour employant un sel de thallium, métal extrêmement toxique. Les différents aspects synthétiques développés ont permis de synthétiser des boites moléculaires originales dérivées de calixarènes qui ont été étudiées pour leurs propriétés intéressantes dans le cadre de la reconnaissance sélective de petites molécules dont l’eau et le DMSO, ainsi que le piégeage de gaz à l’état solide dont l’hexafluorure de soufre qui est le gaz à effet de serre le plus puissant répertorié à ce jour. Pour finir, la caractérisation poussée d’une bibliothèque de dérivés calixaréniques par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire a permis de décrire une méthode générale pour la caractérisation structurale et conformationnelle des calixarènes.
This work concerns the study of polyphenolic platforms, and more particularly, of calixarenes. Oligomeric macrocycles such as calixarenes, cyclodextrins, cyclotriveratrylenes, pillararenes, etc. are widely used as molecular platforms in supramolecular chemistry and in particular for the design of sensors, catalysts, multivalent systems, biomimetic receptors, etc. In general, the synthesis of such supramolecular systems requires the controlled introduction of functional groups on the precursor platform. However, the development of efficient methods for selective modification of macrocyclic oligomers remains extremely challenging. Indeed, in addition to the control of the classical chemo-, regio-, and stereoselectivities, the reaction of a defined number of identical functional groups is a key issue that must be solved. Indeed, the functionalization of oligomeric macrocycles such as calixarenes goes through the formation of mono-, di, tri-functionalized products and so on, iteratively. By analogy with iterative processes, we proposed to name “iteroselectivity” the kind of selectivity that governs the number of repeating chemical transformations. In this context, we proposed rational and highly selective strategies for the functionalization of calixarenes. These strategies are mainly based on the carbamatation of calixarene phenolic functions to introduce tert-butylaminocarbonyl groups (i.e. Bac groups). Our leading example is the “all-but-one” carbamatation which can be used to introduce Bac groups on all but one phenol of a large variety of calixarenes. Moreover, using Bac groups as protecting groups led to the synthesis of numerous calixarene derivatives which were, until now, not accessible through conventional means. It is noteworthy that some of these compounds are inherently chiral. No other selective functionalization method described for calixarenes is as general and efficient than this “all-but-one” carbamatation. Besides, we also described a new oxidation method to synthesize calixquinone starting from calixarenes. This method is less risky and more environment-friendly than the most commonly used method which rely on thallium salts, an extremely toxic metal. Through the various synthetic methods developed herein, we also developed calixarene-based molecular boxes. The host–guest properties of these molecular boxes were studied revealing their ability to include small molecules such as water or DMSO. We also developed a method to sequester gases in the solid state relying on an original concept involving calix[6]arene-based molecular boxes. This was exemplified with the sequestration of SF6, known as the most potent greenhouse gas. At last, the extensive characterization of a library of calixarene derivatives by nuclear magnetic resonance spectroscopy led to the development of a general method for the structural and conformational characterization of calixarenes.
Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished

La méthodologie d'auto-assemblage assisté par des métaux (typiquement Pt et Pd) a permis la préparation d'un grand nombre de polygones (triangle, carré, ...) et de polyèdres (cubes, prismes, ...) moléculaires. Néanmoins, très peu à ce jour sont électro-actifs et aucun ne présente une cavité enrichie en électrons. Cette thèse a pour objet la synthèse et la caractérisation des premiers exemples de cages moléculaires riches en électrons auto-assemblées à l'aide de complexes métalliques, ainsi que l'étude de leur aptitude à complexer différents substrats moléculaires. Ces nouvelles structures discrètes auto-assemblées incorporent des parois redox-actives basées sur le motif tétrathiafulvalène (TTF), unité bien établie comme modulateur redox d'architectures moléculaires / supramoléculaires variées. Dans ce contexte, plusieurs voies de synthèse visant à préparer des ligands inédits associant cette unité (ou ses dérivés BPTTF ou exTTF) à deux ou quatre motifs coordinants ont été développées. Les propriétés électroniques (spectroscopie, voltammétrie cyclique) et structurales (calcul DFT, diffraction RX) de ces composés ont été étudiées, et permettent d'anticiper les propriétés des auto-assemblages correspondants. La méthodologie d'auto-assemblage métalla-dirigé a été appliquée à ces ligands à l'aide de complexes métalliques variés. Un triangle moléculaire a été caractérisé et démontre une excellente aptitude à complexer une molécule électrodéficiente complémentaire (C60). Les ligands tétratopiques ont par ailleurs permis l'accès aux premiers exemples de cages (prismes, cubes...) à base TTF (ou dérivés), dont les cavités sont tapissées de motifs riches en électrons. Ces structures ont fait l'objet d'études spectroscopiques variées (dont DOSY, FTICR, ...) et pour certaines, de caractérisations par diffraction de rayons-X sur monocristal. Enfin, l'aptitude de ce nouveau type de cavités à inclure des substrats moléculaires variés est discutée.

En faisant progresser la chimie hôte-invité (H-G), des efforts importants ont été déployés pour synthétiser des molécules hôtes avec des caractéristiques de reconnaissance moléculaire spécifiques et bien définies, y compris de sélectivité et d’affinité ajustable. Une étape importante dans le processus est la caractérisation des forces de liaison des complexes H-G. Cette caractérisation est typiquement réalisée en solution en utilisant la RMN ou la fluorescence. L'étude en phase gazeuse de l'énergétique des systèmes H-G est très importante pour fournir des informations concernant leurs propriétés intrinsèques de liaison. La majeure partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'énergétique des complexes H-G formés par trois hôtes en cage d'hémicryptophane avec diverses molécules invitées biologiquement pertinentes. Parmi les techniques basées sur la spectrométrie de masse en tandem, nous utilisons ici la dissociation radiative infrarouge de corps noir (BIRD), la dissociation induite par collision basse énergie (CID à basse énergie), la dissociation de collision de plus haute énergie (HCD) et la CID haute pression pour les mesures énergétiques des complexes HG. Ces techniques ont été utilisées soit seules, soit en combinaison les unes avec les autres, soit avec la modélisation Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM). Ce travail nous a permis de développer la CID à basse énergie, technique prometteuse mais jusqu’à présent peu employée
In advancing host-guest (H-G) chemistry, considerable effort has been spent to synthesize host molecules with specific and well-defined molecular recognition characteristics including selectivity and adjustable affinity. An important step in the process is the characterization of binding strengths of the H-G complexes. This characterization is typically performed in solution using NMR or fluorescence. Gas-phase investigation of energetics of H-G systems is of great importance in providing information regarding their intrinsic binding properties. The major portion of this thesis is devoted to the study of the energetics of H-G complexes formed by three hemicryptophane cage hosts with various biologically-relevant guest molecules. Among the existing tandem mass spectrometry-based techniques, here we employ blackbody infrared radiative dissociation (BIRD), low-energy collision induced dissociation (low-energy CID), higher-energy collision dissociation (HCD) and high-pressure CID for measurements of energetics of H-G complexes. These techniques were used either alone, or in combination with each other, or with Rice–Ramsperger–Kassel–Marcus (RRKM) modeling. This work has allowed us to develop the low-energy CID, a promising technique, but so far infrequently used

Les travaux précédents du laboratoire ont mis au point un dérivé ponté de β-cyclodextrine capable de former un polymère supramoléculaire. Il a été montré que le système possédait de bonnes performances en compaction de l'ADN et pour la transfection de siARN. L'obtention d’un degré de polymérisation plus élevé du polymère supramoléculaire, qui permettrai une plus grande capacité dans le domaine de la condensation et de la délivrance de gènes, est le sujet de ce travail. Pour atteindre cet objectif, sur la base de la méthode de polyfonctionnalisation des cyclodextrines mise au point au laboratoire et de la stratégie visant à éviter le phénomène d’auto-inclusion, un système β-cyclodextrine/adamantane est conçu: (1) l’introduction du groupe adamantyle situé au centre de la cavité pour inclusion un meilleur assemblage; (2) l'introdution d'un groupement cationique portant plusieurs charges positives pour l'interaction avec les acides nucléiques. Une molécule de sucre est également utilisée pour la construction d'un système supramoléculaire, qui devrait lui conférer des fonctions plus complexes pour imiter les macromolécules biologiques. Les comportements d’autoassemblage des trois composés ont été caractérisés par RMN-1H, RMN-ROESY, RMN-DOSY, ITC, viscosité et DLS. Nous devons maintenant mener une étude d'interaction avec les acides nucléiques. De façon surprenante l’auto-inclusion est toujours obtenue malgré le pontage. Une série d'expériences sur l'effet du temps, de la concentration, de la température et du pH sont effectuées par RMN-1H afin d'examiner les facteurs influant l'auto-inclusion et l'agrégation par rapport à la formation de polymères supramoléculaires
Previous work developed bridged β-cyclodextrin derivative which are capable of formation supramolecular polymer. Significantly, it showed a good performance in DNA compaction and cooperative interaction with siRNA. Obtaining higher degree of polymerization of supramolecular polymer, allowing further capability in the gene condensation and gene delivery field, is the subject of thesis work. To achieve this target, using polyfunctionalisation of cyclodextrins developed in the laboratory and the previous strategy to avoid the self-inclusion phenomenon, the β-cyclodextrin/adamantane system is designed: (1) to introduce an adamantyl group located in the center of the cavity to trigger a higher level of the assembly; (2) to introduce cationic groups carrying several positive charge for the interaction with the gene. In addition, small sugar molecule is also employed to construct supramolecular dynamic system, which is expected to endow more complex functions to mimic biological macromolecules. These three β-cyclodextrin derivatives overcome the problem of the formation of self-inclusion in aqueous solution. The self-assembly of these compounds have been characterized by 1H-NMR, NMR-ROESY, NMR-DOSY, ITC, viscosity and DLS. We now have to operate the transfection study to confirm the ability of our designed molecules to act as transfecting agents. Surprisingly, the self-inclusion compound is still obtained even with bridging. A series of experiments: time effect, concentration effect, temperature effect, and pH effect were studied by 1H-NMR, in order to examine the influence of these factors on self-inclusion and aggregation versus supramolecular polymer formation

More than 30% of all enzymes present a metal ion in their active site. Interesting sub-families present a mononuclear active site where a single metal ion (Zn2+ or Cun+) is coordinated to a polyhistidine core. The elaboration of model compounds is important for understanding the fundamental mechanisms involved in their bio-catalytic cycles. In this context, we have developed calix[6]arene based ligands presenting an aza cap covalently linked to the calixarene moiety. These supramolecular assemblies present several advantages: they offer a coordination site for a metal ion through the nitrogen donor atoms of the cap, the small rim of the calixarene moiety defines the second coordination sphere, and the hydrophobic cavity presents an access channel for exogenous ligands. In these systems the coordinating nitrogen atoms are separated from the oxygen rich small rim by two carbon atoms, which allows the controlled coordination of one single guest inside the cavity. Wanting to modulate the properties of the calix[6]arene tren-based (tris(2-aminoethyl)amine) ligand, we successfully synthetized several new receptors and studied their reactivity.The synthesis of “two-story” receptors, the calix[6]amido-tren and calix[6]amido-tacn, allowed the modification of the first and second coordination sphere of a coordinated metal ion by introducing an additional spacer between the tripodal aza-cap and the calixarene macrocycle. The complexes of CuI, CuII and ZnII of these new ligands were synthesized and their reactivity was studied. The presence of three potentially coordinating carbonyl groups changed the host-guest reactivity of these metal complexes as they are in competition with exogenous ligands. A comparative study of the host-guest properties and of the reactivity of the metal complexes of both ligands, calix[6]amido-tren and calix[6]amido-tacn was realized. The cavity of these “two-story” ligands is larger than the one of the parent calix[6]tren and more flexible, allowing not only the coordination of an anion, but the simultaneous coordination of two Cl ligands. The oxidation of sterically hindered amines into hydroxylamines and oximes in the presence of O2 was electrochemically realized by the reduction of the cupric center forming a CuII-superoxo adduct as the reactive species. Amine oxidation has been shown for the parent complex, however, the scope of this reaction was limited due to the smaller cavity. The formation of a CuII-superoxo adduct of the calix[6]amido-tren complex was qualitatively evidenced at low temperature upon addition of O2 to the isolated cuprous complex. This type of adduct has attracted much attention in recent years since it is considered to be a reactive intermediate in the catalytic cycle of copper monooxygenases, such as PHM and DβM. A supramolecular assisted demethylation methodology was developed for different capped calix[6]azacryptands. This methodology was then successfully applied to the demethylation of calix[6]tren in order to obtain calix[6]trentrisPhOH. This receptor showed a very different behavior in comparison to the parent one. Indeed, the complexation of anions and biologically relevant ammonium ions was evidenced by the monoprotonated receptor. The metal complexes of CuII and ZnII were synthesized. The interaction between the metal center and the phenate groups in presence of base has been evidenced and has conducted to a multi-step molecular switch. The cupric complex showed the presence of a phenoxyl radical resembling the oxidized form of galactose oxidase, catalyzing the oxidation of alcohols into aldehydes. These results open the way to new perspectives in reactivity studies.An analog of calix[6]tren, bearing a functionalized reactive arm on the tren cap, was synthesized and the corresponding CuII complex was immobilized on a gold surface through a monolayer formation. In organic medium, the host-guest properties of the grafted calix[6]tren are unchanged, while in aqueous medium, a reversible redox system was observed allowing the selective detection of linear alkylamines at basic pH. To our knowledge, this is the first copper supramolecular system immobilized on surface which permits that kind of detection in an aqueous environment.
Plus de 30% des enzymes présentent un ion métallique dans leur site actif qui est la clé pour les réactions de catalyse. Une sous-famille d’enzymes comporte un site actif où un seul ion métallique (Zn2+ ou Cun+) est coordiné à un cœur polyhistidine. L’élaboration de composés modèles est important pour la compréhension des mécanismes fondamentaux impliqués dans le cycle biocatalytique de ces enzymes mononucléaires. Dans ce contexte, nous avons développé des ligands basés sur des calix[6]arènes présentant un chapeau polyazoté lié de manière covalente au macrocycle. Ces ligands offrent un site de coordination pour le métal et une cavité hydrophobe bien définie. Cet assemblage permet et contrôle la liaison d’un ligand exogène dans la cavité. Afin de moduler les propriétés des complexes métalliques calixaréniques basés sur une unité coordinante tren (tris(2-aminoéthyl)amine), nous avons synthétisé avec succès et étudié plusieurs nouveaux récepteurs calix[6]aréniques.La synthèse de récepteurs bisétagés, le calix[6]amido-tren et le calix[6]amido-tacn, a permis de modifier la seconde sphère de coordination par incorporation de groupements amide entre la cavité et le site de coordination. Cette stratégie s’est avérée efficace. En effet, la coordination d’anions au centre métallique a été mise en évidence et en particulier celle simultanée de deux Cl pour le Cu-calix[6]amido-tren. Cette coordination d’un ou plusieurs invités anioniques était impossible dans le cas du calix[6]tren parent qui présente une seconde sphère de coordination électroniquement dense et un chapeau trop petit pour y accueillir plusieurs invités. La présence de groupements carbonyle entre la chapeau tren et le calixarène modifie également le comportement des complexes :leur coordination au centre métallique entre en compétition avec celle d’invités exogènes. L’oxydation d’amines encombrées sous O2 en hydroxylamines et oximes a été réalisée par la réduction du complexe cuivrique du calix[6]amido-tren par électrochimie. Ce type d’amines n’est pas oxydable par l’adduit superoxo du complexe parent, dû à la taille de la cavité qui empêche la coordination d’invités encombrés. De plus, la formation d’un adduit superoxo a été mise en évidence qualitativement au départ du complexe cuivreux isolé de ce même composé. Ces résultats permettent d’envisager des études de réactivité mimant le site actif des enzymes PHM et DβM par exemple. Enfin, une comparaison des propriétés hôte-invité et de la réactivité des complexes du calix[6]amido-tren avec celles des complexes du calix[6]amido-tacn a été réalisée afin d’évaluer l’impact de la nature du chapeau polyazoté sur les propriétés hôte-invité et la réactivité de ces complexes.Une méthodologie de déméthylation assistée de manière supramoléculaire a été développée pour différents calix[6]azacryptands chapeautés. Celle-ci a ensuite été appliquée avec succès à la déméthylation du calix[6]tren pour obtenir le calix[6]trentrisPhOH. Ce récepteur a montré un comportement très différent de celui du récepteur parent. En effet, la complexation d’anions et d’ammoniums biologiquement pertinents a été possible par ce récepteur protonné. L’interaction entre le centre métallique et les phénates en présence de base a conduit à la réalisation d’un switch moléculaire multi-étapes entre différents états de protonation du récepteur et du complexe zincique. Son complexe cuivrique a montré la présence d’un radical phénoxyle après oxydation du phénate. Cette espèce CuII-radical phénoxyle mime la forme oxydée du site actif de la galactose oxydase, catalysant l’oxydation d’alcools en aldéhydes. Ces résultats ouvrent donc la voie à de nouvelles perspectives pour les études de réactivité de ce composé.Un analogue du calix[6]tren, porteur d’un bras avec une fonction réactive sur le chapeau, a été synthétisé et complexé au cuivre avant d’être immobilisé sur surface via la formation de monocouches. Les électrodes ainsi modifiées ont été étudiées en milieu organique et aqueux. En milieu organique, les propriétés hôte-invité du calix[6]tren sont conservées après immobilisation. En milieu aqueux, un système redox réversible a été observé. Celui-ci a permis la détection sélective d’alkylamines linéaires par le système à pH basique. A notre connaissance, il s’agit du premier système supramoléculaire à cuivre, immobilisé sur surface, qui permet cette détection en milieu aqueux.
Doctorat en Sciences
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L’élaboration de récepteurs artificiels pouvant reconnaître soit des ions métalliques soit des molécules chargées ou neutres avec une haute affinité et une grande sélectivité est l’un des objectifs majeurs de la chimie supramoléculaire. En effet, de tels récepteurs ont de potentielles applications dans de nombreux domaines comme en imagerie médicale ou en analyse environnementale. Afin de pouvoir obtenir des récepteurs sophistiqués, il faut cependant généralement passer par une étape d’ingénierie de la molécule dont la conception concrète nécessite une fonctionnalisation ad hoc. Cela requiert souvent la mise au point de méthodes originales de synthèse accompagnée d’un travail méthodologique important. Par ailleurs, alors que l’eau, de par ses propriétés physico-chimiques, joue un rôle tout à fait particulier dans la reconnaissance moléculaire (effet hydrophobe) et dans les réactions enzymatiques (transfert d’électrons et de protons), la majorité des études décrites dans la littérature ont été faites en solvant organique. Si quelques récepteurs, principalement basés sur des molécules intrinsèquement hydrosolubles (telles que la cyclodextrine ou le cucurbiturile) ont permis d’enrichir la chimie supramoléculaire dans l’eau, l’étude comparée de récepteurs en milieux organique et aqueux, qui apporterait de nombreuses informations est, elle, en revanche peu explorée par la communauté supramoléculaire. Ce travail de thèse s’insère dans ces deux cadres et cherche à répondre en partie à ces problématiques. Il est axé sur :(i) le développement d’une méthodologie unique pour la fonctionnalisation sélective de calix[6]arènes; et (ii) la synthèse et l’étude de nouveaux récepteurs hydrosolubles dérivés du calix[6]tren.La première partie de ce travail décrit le développement d’une stratégie supramoléculaire, qui consiste en l’utilisation des propriétés réceptrices du macrocycle calix[6]arène comme un outil pour sa monofonctionnalisation sélective. Le champ d’application d’une telle approche est notamment étudié à partir de différents récepteurs calix[6]arèniques dont la reconnaissance est basée sur divers types d’interactions (interactions ioniques ou chimie de coordination). Ces travaux s’insèrent dans un cadre plus général de fonctionnalisation sélective de macrocycles via assistance supramoléculaire, qui fait l’objet du chapitre introductif de cette partie. Les propriétés émergentes de ces nouveaux ligands monofonctionnalisés sont également présentées dans ce document.La deuxième partie du travail concerne l’hydrosolubilisation de ligands calixaréniques et l’étude de leurs propriétés de reconnaissance ainsi que celles de leurs complexes (Zn(II), Cu(II)) correspondants dans l’eau. L’étude est pour cela dirigée vers l’hydrosolubilisation d’un récepteur qui s’est révélé particulièrement prometteur en solvant organique, mais qui n’était pas soluble en milieu aqueux :le calix[6]tren.
Doctorat en Sciences
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Le développement des synthèses chimiques "vertes" mobilise actuellement beaucoup d'équipes de recherches scientifiques. La catalyse, et notamment la catalyse organométallique en milieu aqueux, répond bien aux critères de la chimie durable. En effet, ce procédé utilise un solvant vert par excellence: l'eau. Toutefois, ces systèmes sont peu actifs avec des substrats hydrophobes. Il est possible d'utiliser un transporteur supramoléculaire comme les cyclodextrines pour favoriser le transfert de matière entre la phase aqueuse et la phase organique. De nouveaux transporteurs supramoléculaires ont été synthétisés dans un premier temps. Les différents récepteurs mono et ditopiques ont été évalués dans deux réactions de catalyse organométallique: la réaction de clivage allylique (Trost-Tsuji) et la réaction d'hydroformylation d'oléfines grasses. Dans un second temps, une autre approche de l'utilisation des cyclodextrines a été mise en place. Elles permettent de former des complexes d'inclusion avec les phosphines hydrosolubles mises en jeu dans le processus catalytique à basse température et donc d'améliorer le recyclage du catalyseur lorsque le système se refroidit
The development of clean chemical synthesis currently mobilizes a wide range of scientific teams. Aqueous phase organometallic catalysis is a process that uses water as a green solvent. However, these systems are not really active with hydrophobic substrates. We can use supramolecular receptors as cyclodextrins to promote masse transfer between the aqueous and the organic phase. First, news supramolecular receptorss have been synthesized. These various mono and ditopic receptors have been evaluated in two catalytic reactions: allylic cleavage of carbonate and urethane (Trost-Tsuji) and hydroformylation of hydrophobic alkenes. Second, cyclodextrins and PTA-based ligands have been used in a thermocontroled catalytic process. The reaction takes place at high temperature and the catalyst is recycled at low temperature

La méthodologie d'auto-assemblage assisté par des métaux (typiquement Pt et Pd) a permis la préparation d'un grand nombre de polygones (triangle, carré,. . . ) et de polyèdres (cubes, prismes,. . . ) moléculaires. Néanmoins, très peu à ce jour sont électro-actifs et aucun ne présente une cavité enrichie en électrons. Cette thèse a pour objet la synthèse et la caractérisation des premiers exemples de cages moléculaires riches en électrons auto-assemblées à l'aide de complexes métalliques, ainsi que l'étude de leur aptitude à complexer différents substrats moléculaires. Ces nouvelles structures discrètes auto-assemblées incorporent des parois redox-actives basées sur le motif tétrathiafulvalène (TTF), unité bien établie comme modulateur redox d'architectures moléculaires / supramoléculaires variées. Dans ce contexte, plusieurs voies de synthèse visant à préparer des ligands inédits associant cette unité (ou ses dérivés BPTTF ou exTTF) à deux ou quatre motifs coordinants ont été développées. Les propriétés électroniques (spectroscopie, voltammétrie cyclique) et structurales (calcul DFT, diffraction RX) de ces composés ont été étudiées, et permettent d'anticiper les propriétés des auto-assemblages correspondants. La méthodologie d'auto-assemblage métalla-dirigé a été appliquée à ces ligands à l'aide de complexes métalliques variés. Un triangle moléculaire a été caractérisé et démontre une excellente aptitude à complexer une molécule électrodéficiente complémentaire (C60). Les ligands tétratopiques ont par ailleurs permis l'accès aux premiers exemples de cages (prismes, cubes. . . ) à base TTF (ou dérivés), dont les cavités sont tapissées de motifs riches en électrons. Ces structures ont fait l'objet d'études spectroscopiques variées (dont DOSY, FTICR,. . . ) et pour certaines, de caractérisations par diffraction de rayons-X sur monocristal. Enfin, l'aptitude de ce nouveau type de cavités à inclure des substrats moléculaires variés est discutée
The metal-driven self-assembly methodology has afforded a large panel of molecular polygons (triangle, square,. . . ) and polyhedrons (cubes, prisms,. . . ). Nevertheless, very few of them are electro-active and none presents an electron-rich cavity. The topic of this thesis concerns the synthesis and characterization of the first examples of metal-based self-assembled electron-rich molecular cages, as well as the study of their capacity to include various molecular substrates. These new self-assembled discrete structures incorporate redox-active walls based on the tetrathiafulvalene (TTF) moiety, a well-established unit known as a redox modulator for varied molecular / supramolecular architectures. On this ground, several synthetic routes to various new ligands incorporating this unit (or derivatives such as BPTTF or exTTF) and two or four coordinating moieties have been developed. Electronic properties (spectroscopy, cyclic voltammetry) as well as structural features (DFT calculation, X-ray diffraction) of these systems have been determined and allow to anticipate their self-assembly behavior. The metal-driven self-assembly methodology was applied to these ligands from various metal complexes. A molecular triangle was characterized and demonstrates an excellent ability to bind a complementary electrodeficient molecule (C60). In addition, tetratopic ligands allowed the access of the first examples of TTF-based cages (prisms, cubes,. . . ), with electron-rich cavities. These architectures have been characterized through various spectroscopic methods (eg DOSY, FTICR,. . . ) and in some cases by single crystal X-ray diffraction. Finally, the capacity of this new type of cavities to include varied molecular guests is discussed

Les multicouches de polyélectrolytes, systèmes auto-assemblés par adsorptions successives de polycations et polyanions, peinent à trouver des applications concrètes en raison de leur fragilité mécanique et du temps nécessaire à leur assemblage. Pour améliorer leur tenue mécanique, nous avons développé une méthode d'assemblage couche-par-couche par liaisons covalentes de films polymères. Des films formés de polymères portant des groupements alcynes et azides ont ainsi été réticulés par une réaction click catalysée par les ions Cu+ obtenus par voie électrochimique. Pour améliorer le mode d'assemblage, l'auto-construction en une seule étape de films par approche morphogénique, a été développée. Cette approche, confinée à la surface et caractérisée par la présence en solution de l'ensemble des constituants, marque une rupture. Elle permet ainsi un contrôle spatial de l'assemblage des films et la combinaison de plusieurs modes d'interactions pendant leur assemblage. Des films dont la cohésion repose sur des interactions covalentes, hôtes-invités et supramoléculaires, ont ainsi été assemblés. L'introduction de nanoparticules métalliques dans les films (multicouches et auto-construits) a également été effectuée dans le but de développer des électrodes de grande surface spécifique.

Les foldamères d'oligoamides aromatiques sont des structures abiotiques qui se replient en structures secondaires telles que des hélices et des feuillets que l'on peut rencontrer dans les protéines. Il est possible de contrôler leurs architectures pour qu'elles adoptent des conformations en hélices, capsules ou cônes, en tirant parti de leur rigidité, et créer au sein de ces edifices des interactions non covalentes capables de lier sélectivement des molécules invitées. Ces propriétés ouvrent la voie vers la conception d'objets moléculaires avancées capables de réaliser des fonctions complexes, telles que le transport moléculaire et la reconnaissance sélective d'invités. Ce travail de thèse se concentre sur deux de ces systèmes : (1) la caractérisation des mouvements en cascade interdépendants entre un macrocycle et une hélice le long d'un axe dans une machine moléculaire de type foldarotaxane, dont les stimuli sont le pH et la concentration, et (2) le développement d’un récepteur en forme de cône hélicoïdal à double brins pour la reconnaissance de glucides, répondant aux limitations des capsules traditionnelles construites par des foldamères. (1) Un foldarotaxane se forme par l'auto-assemblage d'un foldamère hélicoïdal et d'un macrocycle autour d'un axe moléculaire en forme de haltère. L'axe comporte deux stations pour le macrocycle, l'une plus attractive à pH bas et l'autre à pH élevé. L'hélice possède également deux sites de liaison de longueurs différentes. La station la plus attractive se situe près du second site du macrocycle, entraînant ainsi une compétition entre le macrocycle et l'hélice pour cette position à pH élevé. Dans ce travail, il est exposé comment, sous l'influence du pH, le macrocycle induit le mouvement de l'hélice sur la tige, lorsque l'on se trouve à faibles concentrations, tandis qu'à des concentrations plus élevées, la dissociation et le réassemblage rapides de l'hélice conduisent à une navette supramoléculaire compartimentée. L'hélice et le macrocycle peuvent se retrouver piégés dans des régions de l'axe où ils ont une faible affinité. (2) Les capsules de foldamères oligoamides aromatiques offrent une complémentarité de formes précise pour la reconnaissance de substrat et limitent l'exposition de l'invité au solvant. Cette encapsulation restreint toutefois leurs applications telles que la liaison de molécules plus grandes (par exemple, des protéines glycosylées) ou les transformations chimiques sélectives. Pour remédier à cela, nous avons développé un récepteur en forme de cône hélicoïdal à deux brins moléculaires en modifiant la conception de la capsule et en empêchant la dimérisation des cônes hélicoïdaux simples. Ce nouveau récepteur, incorporant une unité en coude dans le squelette même du foldamère, a été synthétisé et son affinité de liaison ainsi que sa sélectivité envers divers monosaccharides et disaccharides ont été testé
Aromatic oligoamide foldamers are abiotic backbones that fold into secondary structures such as helices and sheets, similar to proteins. They can adopt defined conformations such as helices, capsules, and cones, leveraging their rigidity, torsional flexibility, and noncovalent interactions to selectively bind specific guests. These versatile properties open pathways for designing advanced molecular architectures that can perform complex functions, such as molecular shuttling and selective guest recognition. This work focuses on two such systems: (1) characterizing the interdependent cascading motions between a macrocycle and helix along a thread in a foldarotaxane-molecular machine under pH stimuli and variable concentration, and (2) developing a double helical cone-shaped receptor for carbohydrate binding, addressing the limitations of traditional foldamer capsules. (1) A foldarotaxane forms through the self-assembly of a helical foldamer and a macrocycle around a dumbbell-shaped molecular axle. The axle contains two stations for the macrocycle, one of which is more attractive at low pH, while the other becomes favoured at high pH. Similarly, the helix has two binding stations of different lengths, and the more attractive station is located near the second macrocycle station, creating competition between the helix and macrocycle at higher pH. Under low concentrations and pH stimuli, the macrocycle translates the helix along the axle. At higher concentrations, faster helix disassembly and reassembly lead to a compartmentalized supramolecular shuttle where the helix and macrocycle can be trapped in regions of lower affinity. (2) While aromatic oligoamide foldamer capsules offer precise shape complementarity, they limit guest exposure to the solvent, restricting applications such as binding larger molecules (e.g., glycosylated proteins) or selective chemical transformations. To address this, we developed a double helical cone-like receptor by modifying the capsule design and preventing the dimerization of single helical cones. The new receptor, incorporating a turn unit in the foldamer backbone, was tested for its binding affinity and selectivity toward various monosaccharides and disaccharides

Le développement de nouveaux récepteurs pour la reconnaissance chirale de petites molécules d'intérêt biologique est un champ important de la chimie hôte-invité, qui permet de mieux appréhender les mécanismes de reconnaissance moléculaire dans le vivant. Les protéines reconnaissent leur substrat par un jeu d'interactions faibles grâce à la disposition précise de certains acides aminés au sein de leur site actif. Lorsque le substrat est chiral, ce n'est pas seulement la chiralité L des constituants acides aminés qui dicte l'énantiosélectivité, mais l'ensemble de la structure tri-dimensionnelle de l'édifice protéique. Dans une approche biomimétique, cette thèse s'est attachée à modeler la forme de la cavité d'α-cyclodextrines (CDs) afin d'augmenter leur asymétrie et d'orienter leur énantiosélectivité dans des processus de reconnaissance chirale. Pour cela, notre stratégie repose sur la déformation de la cavité de CDs par pontage intramoléculaire associé à l'encapsulation d'un cation métallique, ce qui a déjà été mis en évidence dans notre équipe sur des systèmes similaires. C'est pourquoi, au cours de ces travaux de thèse, la synthèse de deux régioisomères de CDs asymétriquement pontées par un motif « tren », et celle des complexes de cuivre(II) correspondants, a été réalisée avec succès. Faisant suite à des études précédentes de notre équipe ayant démontrées le caractère pseudo-énantiomérique de tels régioisomères, nous avons étendu ce concept aux CDs perméthylées hydrosolubles. L'étude de la reconnaissance chirale dans l'eau d'une série de carboxylates chiraux par ces dernières a mis en lumière des sélectivités singulières par ces régioisomères. Notamment un cas d'inversion de l'énantiosélectivité entre nos deux hôtes a été pu être observée. Nous avons ainsi prouvé pour la première fois qu'un couple de CDs régioisomères asymétriquement pontées sont capables d'induire des énantiosélectivités opposées, comme le ferait un couple de véritables énantiomères. Enfin, une dernière partie de ces travaux ont porté sur l'étude préliminaire des propriétés catalytiques de notre couple de régioisomères, dans la catalyse au cuivre d'une réaction de Henry. Notre système s'est révélé peu efficace pour la catalyse asymétrique de cette réaction. Néanmoins, les énantiosélectivités opposées obtenues valident notre concept d'induction chirale par un couple de CDs régioisomères dont la cavité a été déformée par pontage
The development of new receptors for the chiral recognition of small molecules of biological interest is an important field of host-guest chemistry, providing a better understanding of molecular recognition mechanisms in life. Proteins recognize their substrate through a set of weak interactions based on the precise arrangement of certain amino acids within their active site. When the substrate is chiral, it's not only the L chirality of the amino acid constituents that dictates enantioselectivity, but the whole three-dimensional structure of the protein. Taking a biomimetic approach, this thesis project is devoted to shaping the cavity shape of α-cyclodextrins (CDs) in order to increase their asymmetry and direct their enantioselectivity in chiral recognition processes. To this end, our strategy relies on the deformation of the CD cavity by intramolecular bridging associated with the encapsulation of a metal cation, which has already been demonstrated in our team on similar systems. This is why, in the course of this thesis work, we successfully synthesized two regioisomers of asymmetrically tren-bridged CDs, and the corresponding copper(II) complexes. Following our team's previous studies demonstrating the pseudo-enantiomeric character of such regioisomers, we have extended this concept to water-soluble permethylated CDs. The study of the chiral recognition in water of a series of chiral carboxylates by the latter revealed singular selectivities by these regioisomers. In particular, a case of enantioselectivity inversion between our two hosts was observed. We have thus demonstrated for the first time that a pair of asymmetrically bridged regioisomeric CDs are capable of inducing opposite enantioselectivities, as would a pair of true enantiomers. The final part of the project involved a preliminary study of the catalytic properties of our regioisomeric pair, in the copper catalysis of the Henry reaction. Our system proved to be not very efficient for the asymmetric catalysis of this reaction. Nevertheless, the opposite enantioselectivities obtained validate our concept of chiral induction by a pair of regioisomeric CDs whose cavity has been deformed by bridging

Le développement de synthèses chimiques "propres" mobilise actuellement un grand nombre d'équipes scientifiques. Ainsi, la catalyse organométallique en milieu aqueux est un procédé qui utilise un solvant vert par excellence, l'eau. Dans ce type de procédés, le catalyseur organométallique est généralement rendu hydrosoluble grâce à l'emploi de phosphanes hydrosolubles. Toutefois, ces systèmes sont peu actifs avec des substrats organiques hydrophobes. Afin de contourner ce problème, il est possible d'utiliser les cyclodextrines afin de favoriser le transfert de matière entre la phase organique et la phase aqueuse. Cependant, un complexe d'inclusion entre la phosphine hydrosoluble et la cyclodextrine peut se former, engendrant une diminution de l'activité catalytique du fait de l'empoisonnement de la cavité du macrocycle, ainsi qu'une modification de la nature du système catalytique aboutissant à la formation d'espèces catalytiques moins sélectives. L'étude de différents systèmes catalytiques mettant en jeu des cyclodextrines modifiées a permis d'obtenir des systèmes catalytiques dont les propriétés sont conservées. Par ailleurs, une autre approche dans l'utilisation des cyclodextrines dans les procédés de catalyse organométallique en milieu aqueux a permis de synthétiser des ligands modifiés par une cyclodextrine qui joue alors le rôle de groupement hydrophile. Dans ce cas, en plus d'assurer l'hydrosolubilité du ligand, la cyclodextrine confère à ces ligands des propriétés de reconnaissance moléculaire pouvant conduire à des systèmes catalytiques possédant des propriétés spécifiques
The development of clean chemical synthesis currently mobilizes a wide range of scientific teams. Thereby, the aqueous phase organometallic catalysis is a process that uses a green solvent par excellence, water. In this type of processes, the organometallic catalyst generally gets water-soluble thanks to the use of water-soluble phosphanes. However, these systems aren't really active with hydrophobic organic substrates. In order to avoid this problem, we can use cyclodextrins to promote mass transfer between the organic phase and the aqueous phase. However, the formation of an inclusion complex between the water-soluble phosphane and the cyclodextrin can also be created, generating a decrease in the catalytic activity due to the poisoning of the macrocyclic cavity, and also a modification of the catalytic system's nature leading to the formation of less selective catalytic species. Studying various catalytic systems which involve chemically modified cyclodextrins enabled the creation of catalytic systems the properties of which are kept. Otherwise, another approach in the use of cyclodextrins in aqueous phase organometallic catalytic processes enabled the synthesis of cyclodextrin-based ligands where the cyclodextrin plays the role of hydrophilic group. In this case, not only does it ensure the water-solubility of the ligand, but the cyclodextrin also gives molecular recognition properties to these ligands, which can lead to catalytic systems which possess specific properties

Au cours de la dernière décennie, quelques (rares) exemples de copolymères à blocs présentant des liens supramoléculaires entre les blocs constitutifs ont été décrits. En raison du caractère réversible de l'association des blocs macromoléculaires, de tels polymères sont d'un grand intérêt pour le développement de matériaux nanostructurés, ayant des propriétés auto-cicatrisantes ou à processabilité améliorée. L'objectif principal de cette thèse est d'élaborer de nouvelles architectures supramoléculaires, en combinant la polymérisation RAFT et l'association spécifique par liaisons H des groupements thymine et diaminopyridine. La stratégie employée a consisté dans un premier temps en la synthèse d'agents de transfert et d'un amorceur radicalaire fonctionnalisés par des unités complémentaires thymine et diaminopyridine. Ces précurseurs ont permis de générer, par polymérisation RAFT, des polymères α- ou α,ω-fonctionnalisés de manière quantitative par ces motifs à liaisons H. L'auto-assemblage des blocs polymères ainsi obtenus a été mis en évidence par RMN 1H, AFM et par des mesures rhéologiques. Cette démarche a été adaptée dans un second temps à l'élaboration de copolymères greffés supramoléculaires hydrophiles, basés sur le complexe d'inclusion β-cyclodextrine/adamantane.

Au cours de la dernière décennie, quelques (rares) exemples de copolymères à blocs présentant des liens supramoléculaires entre les blocs constitutifs ont été décrits. En raison du caractère réversible de l’association des blocs macromoléculaires, de tels polymères sont d’un grand intérêt pour le développement de matériaux nanostructurés, ayant des propriétés auto-cicatrisantes ou à processabilité améliorée. L’objectif principal de cette thèse est d’élaborer de nouvelles architectures supramoléculaires, en combinant la polymérisation RAFT et l’association spécifique par liaisons H des groupements thymine et diaminopyridine. La stratégie employée a consisté dans un premier temps en la synthèse d’agents de transfert et d’un amorceur radicalaire fonctionnalisés par des unités complémentaires thymine et diaminopyridine. Ces précurseurs ont permis de générer, par polymérisation RAFT, des polymères α- ou α,ω-fonctionnalisés de manière quantitative par ces motifs à liaisons H. L’auto-assemblage des blocs polymères ainsi obtenus a été mis en évidence par RMN 1H, AFM et par des mesures rhéologiques. Cette démarche a été adaptée dans un second temps à l’élaboration de copolymères greffés supramoléculaires hydrophiles, basés sur le complexe d’inclusion β-cyclodextrine/adamantane
Over the past decade, some (rare) examples of block copolymers with supramolecular links between the building blocks have been described. Because the association between macromolecular blocks is a reversible process, such polymers are of great interest in the field of nanostructured materials, self-healing materials, or processing aid. The main goal of this work is to develop new supramolecular architectures, by a combination of RAFT polymerization and H-bonding. In a first step, several chain transfer agents and a radical initiator possessing complementary thymine or diaminopyridine H-bonding moeties were synthesized. These precursors were used to generate a panel of polymers α- or α,ω-functionalized with these H-bonding stickers in a quantitative manner. The self-assembly of the resulting polymer blocks was highlighted by 1H NMR, AFM and rheological measurements. This approach was subsequently adapted to the development of hydrophilic supramolecular comb-shaped polymers, based on the β-cyclodextrin/adamantane host/guest complexation

L’orchestration des mouvements directionnels d’architectures supramoléculaires s’avère cruciale pour la préparation de machines moléculaires artificielles. Les oligomères d’amides aromatiques (i.e. foldamères) peuvent adopter des conformations stables capables de se complexer à des tiges moléculaires pour former des (pseudo)-rotaxanes. Un contrôle fin des cinétiques d’association et de dissociation de l’hélice autour de la tige permet à l’oligomère hélicoïdal de glisser le long de celle-ci sans dissociation. Des études RMN et cristallographiques ont montré que des tiges moléculaires possédant plusieurs sites de reconnaissance pour des hélices permettaient l’élaboration d’architectures supramoléculaires hélicoïdales chirales avec une haute-fidélité. Chaque station possédant une longueur et une chiralité définie peut induire la complexation de foldamères de taille et d’hélicité concordante. Le glissement directionnel d’une double hélice le long d’une tige possédant plusieurs stations a également été investigué. Insérer un espaceur encombrant (i.e. plus large que la cavité de l’hélice) sur le chemin du foldamère le force à se déplier et se replier pour atteindre le site le plus favorable thermodynamiquement. Un oligomère asymétrique montrant de hautes affinités et de fortes sélectivités pour des tiges asymétriques a été préparé. L’enfilement de cet oligomère sur des tiges asymétriques a été étudié. Des données cinétiques (RMN) indiquent que l’enfilement de celui-ci s’effectue de façon polarisée en fonction de la nature de la tige
The directional motion orchestration of supramolecular architectures is crucial for the construction of artificial molecular machines. Aromatic amide oligomers (i.e. foldamers) can adopt stable helical conformations able to wind around dumbbell-like guests to form (pseudo)-rotaxanes. A fine control of the association-dissociation kinetics allows the oligomers to slide along the rods without dissociation. In this thesis, based on the segregation of the kinetics of association-dissociation and sliding, helical oligomer motions were orchestrated to form complex self-assemblies and to perform directional motion. NMR and crystallographic studies showed that multistation rod guests can template the formation of well-defined multi-helical supramolecular polymers with high fidelity. Each station possessing a defined length and chirality can induce the complexation of oligomers presenting matching length and chirality. Directional sliding of a double helical oligomer along linear multistation rod guests was investigated. Placing a bulky spacer on the rod prohibits the sliding process, forcing the oligomer to dissociate and reassociate onto the thermodynamically favored station. An asymmetrical oligomer was prepared showing highly selective binding toward asymmetrical rod guests. The threading of this oligomer onto linear asymmetrical guests was investigated. Kinetic data indicated that the threading orientation of this asymmetrical oligomer was polarized by its passage along guest molecules

La chimie supramoléculaire est un domaine qui porte sur l’étude des interactions

faibles entre molécules. Ces interactions sont très répandues dans les systèmes naturels et de

nombreux récepteurs moléculaires synthétiques ont été développés, soit pour un apport

théorique à la compréhension de ces processus de reconnaissance, soit pour d’éventuelles

applications en biologie ou en chimie analytique par exemple.

Les calix[6]arènes sont des composés intéressants pour la reconnaissance moléculaire.

Ils possèdent une cavité idéale pour l’inclusion de petites molécules et peuvent être modifiés

par l’ajout de divers motifs de reconnaissance. Le premier calix[6]crypturée préalablement

étudié au sein du Laboratoire de Chimie Organique est un récepteur dont la cavité aromatique

est juxtaposée à un motif de reconnaissance pour anions. Ce dernier est composé d’un

chapeau à base de tren (tris(2-aminoéthyl)amine) portant trois groupes urée. Ce récepteur

possède notamment une forte sélectivité pour le chlorure et une forte affinité pour les paires

d’ions organiques de type chlorure d’ammonium, dans un solvant apolaire (CDCl3).

Cependant, ces propriétés de reconnaissance sont beaucoup plus limitées dans un solvant

protique (CD3OD), ce qui restreint les éventuelles applications. L’objectif de ces travaux a été

de synthétiser de nouveaux dérivés avec une modification autour du site tris-urée pour

renforcer les propriétés de reconnaissance, notamment en milieu protique.

La première stratégie a consisté à agrandir le chapeau cryptant reliant les trois groupes

urée. Trois modes différents de complexation d’ammonium intra-cavitaire ont été mis en

évidence dans un solvant apolaire, dont deux sont remarquables. Avec un anion peu

coordinant (le picrate), le récepteur protoné inclut l’ammonium selon un processus

allostérique pour donner un complexe dicationique. Avec la protonation du récepteur et un

anion dichargé (SO4

2-), l’inclusion de l’ammonium constitue un complexe cascade, stable en

milieu protique.

La deuxième stratégie a consisté à supprimer les groupes méthyle du petit col

calixarénique via une réaction de déméthylation sélective pour obtenir le calix[6]crypturée

1,3,5-trishydroxyle. Dans un solvant apolaire, ce récepteur a montré une plus forte sélectivité

pour la complexation de paires d’ions par rapport à la complexation d’anions, permettant par

exemple de complexer le chlorhydrate de O,O-diméthyldopamine.

La troisième stratégie a été de synthétiser le calix[6]cryptothiourée, un récepteur dont

le chapeau comporte trois groupes thiourée. Cette modification structurale a fortement

renforcé la complexation d’anions mais n’a pas favorisé la complexation de paires d’ions dans

un solvant protique.

Enfin, la complexation de zwittérions a été testée sur l’ensemble de ces récepteurs et le

calix[6]cryptothiourée s’est avéré être un remarquable complexant de la B-alanine bétaïne.

Dans un mélange protique (CD3OD/CDCl3 1:1) la constante d’association est élevée (K ≈ 104

M-1) et supérieure d’au moins trois ordres de grandeur par rapport aux autres zwittérions

testés. C’est à notre connaissance un des rares récepteurs de bétaïnes et le premier à être

sélectif pour la B-alanine bétaïne. Enfin, le biomimétisme du mode de reconnaissance a été

montré par comparaison avec une protéine transporteur de bétaïne (Corynebacterium

glutamicum).
Doctorat en sciences, Spécialisation chimie
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette étude porte sur la compréhension des mécanismes fins de complexion lors d'associations supramoléculaires de type hôte-invité. L'utilisation d'une méthodologie originale, systématique, et multidisciplinaire a conduit à mieux cerner les facteurs impliqués dans la reconnaissance moléculaire et la complexation stéréosélective. Ainsi, le choix de molécules invitées, organisées en séries homologues, a permis d'étudier l'influence de la variation d'un seul paramètre moléculaire sur les modes d'inclusion et d'empilement. Une partie du projet concerne l'étude de la stéréosélectivité, des modes d'inclusion et de la cristallisation lors de la complexation entre des dérivés halogénés du phényléthanol (invité) et la ß-cyclodextrine perméthylée (hôte). L'étude des comportements de ces systèmes lors de la cristallisation a mis en évidence la possibilité de séparer les mélanges racémiques à l'échelle préparative. La détermination des structures par diffraction des rayons X de ces complexes d'inclusion a permis de comprendre les possibilités, ou les limitations d'une telle approche. Une seconde partie utilise les connaissances et le savoir faire acquis pour envisager la formation de complexes avec le (Z,Z)-BABCH (inhibiteur synthétique anzymatique), dans le but d'augmenter sa stabilité photochimique, et de mettre au point une méthode efficace afin d'isoler cette molécule de ses isomères de conformation. Une approche originale utilisant des complexes d'inclusion dans une réaction sans solvant a permis l'accès au composé de stéréochimie (Z,E)
These studies are devoted to the understanding of the fine mechanisms during the association of supramolecular host-guest complexes. An original, systematic, and multidisciplinary methodology led to an improved determination of the factors involved in the molecular recognition and the stereoselective complexation. The guest molecules have been chosen as an homologous series, and made it possible to study the influence of one molecular parameter on the inclusion geometries and stackings. The first part of this work relates the study of the stereoselectivity, inclusion geometry and crystallization behaviour of supramolecular complexes formed between halogeneous derivatives of phenylethanol (guest) and permethylated -ß-cyclodextrin (host). The study of these compounds highlighted the possibility to resolve racemic mixtures at a preparativescale by means of crystallization processes. The crystal structure determinations by X-ray diffraction made it possible to partially rationalize the possibilities or the limitations of such an approach. A second part uses the knowledge and know-how acquired to consider the formation of complexes with (Z,Z)-BABCH (synthetic enzymatic inhibitor), with the aim of increasing its photochemical stability, and of developing an efficient method in order to isolate this molecule from its isomers. An original approach using of inclusion complexes in a reaction carried out without solvent gave access to the (Z,E) a,ß unsaturated cycloalkone. Another way involved the use of tailor-made salts in order to extract selectively the (Z,Z) compound

La métallation d'hétérocycles aromatiques π-déficitaires, et en particulier de la quinoléine a fait apparaître que la chimioséléctivité de cette réaction semble dépendre d'un phénomène d'auto-association du substrat avec intervention d'interactions aromatique-aromatique. Pour renforcer ce type d'interactions, nous avons recherché des récepteurs moléculaires de type "tweezers", en étudiant dans un premier temps les interactions de la chimie supramoléculaire susceptibles de favoriser ce type d'association. Différents récepteurs, contenant un spacer rigide ou flexible et deux copules aromatiques en vis-à-vis, ont été synthétisés en utilisant une méthodologie de synthèse souple et convergente mettant en oeuvre un couplage biarylique final. Après la mise au point d'une méthode de mesure des constantes d'association adaptée à nos systèmes, les différents récepteurs ont pu être testés avec divers invités. Il est alors apparu que les récepteurs flexibles ne permettaient pas l'obtention d'associations d'énergie forte. Par contre, les récepteurs rigides portant des acridines complexent efficacement le TNF. L'apparition d'un phénomène d'atropoisométrie nous a permis d'attribuer l'origine de ces associations à des interactions de charges, accompagnées d'une faible répulsion électronique π entre l'hôte et l'invité. Les associations de ces récepteurs rigides avec des hétérocycles azotés π-déficitaires ne se sont pas révélées très importantes, mais ont confirmé l'origine de ces interactions. Cette étude a permis la compréhension de ce type de forces intermoléculaires et ouvre d'intéressantes perspectives pour atteindre l'objectif final dans le domaine de la métellation des hétérocycles azaaromatiques π-déficitaires, ainsi que dans d'autres.

Plus de 30% des enzymes présentent un ion métallique dans leur site actif qui est la clé pour les réactions de catalyse. Une sous-famille d’enzymes comporte un site actif où un seul ion métallique (Zn2+ ou Cun+) est coordiné à un cœur polyhistidine. L’élaboration de composés modèles est important pour la compréhension des mécanismes fondamentaux impliqués dans le cycle biocatalytique de ces enzymes mononucléaires. Dans ce contexte, nous avons développé des ligands basés sur des calix[6]arènes présentant un chapeau polyazoté lié de manière covalente au macrocycle. Ces ligands offrent un site de coordination pour le métal et une cavité hydrophobe bien définie. Cet assemblage permet et contrôle la liaison d’un ligand exogène dans la cavité. Afin de moduler les propriétés des complexes métalliques calixaréniques basés sur une unité coordinante tren (tris(2-aminoéthyl)amine), nous avons synthétisé avec succès et étudié plusieurs nouveaux récepteurs calix[6]aréniques. La synthèse de récepteurs bisétagés, le calix[6]amido-tren et le calix[6]amido-tacn, a permis de modifier la seconde sphère de coordination par incorporation de groupements amide entre la cavité et le site de coordination. Cette stratégie s’est avérée efficace. En effet, la coordination d’anions au centre métallique a été mise en évidence et en particulier celle simultanée de deux Cl¯ pour le Cu-calix[6]amido-tren. Cette coordination d’un ou plusieurs invités anioniques était impossible dans le cas du calix[6]tren parent qui présente une seconde sphère de coordination électroniquement dense et un chapeau trop petit pour y accueillir plusieurs invités. La présence de groupements carbonyle entre la chapeau tren et le calixarène modifie également le comportement des complexes : leur coordination au centre métallique entre en compétition avec celle d’invités exogènes. L’oxydation d’amines encombrées sous O2 en hydroxylamines et oximes a été réalisée par la réduction du complexe cuivrique du calix[6]amido-tren par électrochimie. Ce type d’amines n’est pas oxydable par l’adduit superoxo du complexe parent, dû à la taille de la cavité qui empêche la coordination d’invités encombrés. De plus, la formation d’un adduit superoxo a été mise en évidence qualitativement au départ du complexe cuivreux isolé de ce même composé. Ces résultats permettent d’envisager des études de réactivité mimant le site actif des enzymes PHM et DβM par exemple. Enfin, une comparaison des propriétés hôte-invité et de la réactivité des complexes du calix[6]amido-tren avec celles des complexes du calix[6]amido-tacn a été réalisée afin d’évaluer l’impact de la nature du chapeau polyazoté sur les propriétés hôte-invité et la réactivité de ces complexes. Une méthodologie de déméthylation assistée de manière supramoléculaire a été développée pour différents calix[6]azacryptands chapeautés. Celle-ci a ensuite été appliquée avec succès à la déméthylation du calix[6]tren pour obtenir le calix[6]trentrisPhOH. Ce récepteur a montré un comportement très différent de celui du récepteur parent. En effet, la complexation d’anions et d’ammoniums biologiquement pertinents a été possible par ce récepteur protonné. L’interaction entre le centre métallique et les phénates en présence de base a conduit à la réalisation d’un switch moléculaire multi-étapes entre différents états de protonation du récepteur et du complexe zincique. Son complexe cuivrique a montré la présence d’un radical phénoxyle après oxydation du phénate. Cette espèce CuII-radical phénoxyle mime la forme oxydée du site actif de la galactose oxydase, catalysant l’oxydation d’alcools en aldéhydes. Ces résultats ouvrent donc la voie à de nouvelles perspectives pour les études de réactivité de ce composé. Un analogue du calix[6]tren, porteur d’un bras avec une fonction réactive sur le chapeau, a été synthétisé et complexé au cuivre avant d’être immobilisé sur surface via la formation de monocouches. (...)
More than 30% of all enzymes present a metal ion in their active site. Interesting sub-families present a mononuclear active site where a single metal ion (Zn2+ or Cun+) is coordinated to a polyhistidine core. The elaboration of model compounds is important for understanding the fundamental mechanisms involved in their bio-catalytic cycles. In this context, we have developed calix[6]arene based ligands presenting an aza cap covalently linked to the calixarene moiety. These supramolecular assemblies present several advantages: they offer a coordination site for a metal ion through the nitrogen donor atoms of the cap, the small rim of the calixarene moiety defines the second coordination sphere, and the hydrophobic cavity presents an access channel for exogenous ligands. In these systems the coordinating nitrogen atoms are separated from the oxygen rich small rim by two carbon atoms, which allows the controlled coordination of one single guest inside the cavity. Wanting to modulate the properties of the calix[6]arene tren-based (tris(2-aminoethyl)amine) ligand, we successfully synthetized several new receptors and studied their reactivity. The synthesis of “two-story” receptors, the calix[6]amido-tren and calix[6]amido-tacn, allowed the modification of the first and second coordination sphere of a coordinated metal ion by introducing an additional spacer between the tripodal aza-cap and the calixarene macrocycle. The complexes of CuI, CuII and ZnII of these new ligands were synthesized and their reactivity was studied. The presence of three potentially coordinating carbonyl groups changed the host-guest reactivity of these metal complexes as they are in competition with exogenous ligands. A comparative study of the host-guest properties and of the reactivity of the metal complexes of both ligands, calix[6]amido-tren and calix[6]amido-tacn was realized. The cavity of these “two-story” ligands is larger than the one of the parent calix[6]tren and more flexible, allowing not only the coordination of an anion, but the simultaneous coordination of two Cl¯ ligands. The oxidation of sterically hindered amines into hydroxylamines and oximes in the presence of O2 was electrochemically realized by the reduction of the cupric center forming a CuII-superoxo adduct as the reactive species. Amine oxidation has been shown for the parent complex, however, the scope of this reaction was limited due to the smaller cavity. The formation of a CuII-superoxo adduct of the calix[6]amido-tren complex was qualitatively evidenced at low temperature upon addition of O2 to the isolated cuprous complex. This type of adduct has attracted much attention in recent years since it is considered to be a reactive intermediate in the catalytic cycle of copper monooxygenases, such as PHM and DβM. A supramolecular assisted demethylation methodology was developed for different capped calix[6]azacryptands. This methodology was then successfully applied to the demethylation of calix[6]tren in order to obtain calix[6]trentrisPhOH. This receptor showed a very different behavior in comparison to the parent one. Indeed, the complexation of anions and biologically relevant ammonium ions was evidenced by the monoprotonated receptor. The metal complexes of CuII and ZnII were synthesized. The interaction between the metal center and the phenate groups in presence of base has been evidenced and has conducted to a multi-step molecular switch. The cupric complex showed the presence of a phenoxyl radical resembling the oxidized form of galactose oxidase, catalyzing the oxidation of alcohols into aldehydes. These results open the way to new perspectives in reactivity studies. An analog of calix[6]tren, bearing a functionalized reactive arm on the tren cap, was synthesized and the corresponding CuII complex was immobilized on a gold surface through a monolayer formation. (...)

Rotaxanes and porphyrins are two particularly active fields of research in chemistry. However,molecules that combine the interesting properties of these types of structures are not so common. In this thesis we describe new porphyrin-based multi-rotaxanes, whose syntheses constitute interesting challenges.Porphyrins linked to two or four coordinating macrocycles were synthesised. The "gathering-andthreading" effect of copper(I) was used to thread molecular rods through the rings; the subsequent introduction of stoppers led to the formation of rotaxanes. In the case of the porphyrinic bis-macrocycle a [4]rotaxane was obtained. Host/guest complexation studies with rigid nitrogen ligands showed that the rotaxane behaves as a distensible molecular receptor that can adopt an "inflated" or "deflated" conformation and adjust its shape to the size of the guest. In the case of the porphyrinic tetra-macrocycle the formation of a [3]rotaxane of novel architecture was observed.The synthesis of a new, more rigid bis-macrocycle is in progress. This compound will be used for the construction of a [4]rotaxane that could act as a molecular press able to change the conformation of a guest substrate by compression.

La molécule X6TMPA, constituée d’une unité TMPA (tris(2-pyridylméthyl)amine) greffée de façon covalente à trois des six unités aromatiques du calix[6]arène, permet de coordiner et stabiliser un ion cuivre (Cu+ et Cu2+) dans un environnement mononucléaire. Ces composés possèdent des propriétés uniques en chimie hôte-invité ainsi qu’en réactivité redox. De tels systèmes présentent cependant des limitations car : – le macrocycle et les complexes métalliques associés ne sont solubles qu’en milieu organique ; – le complexe cuivreux obtenu avec un tel macrocycle n’est réactif vis-à-vis de l’oxygène qu’à l’état solide. Le présent travail de thèse décrit les modifications introduites dans la structure du composé X6TMPA pour faire face à ces restrictions, détaillant ainsi les études conduites afin d’évaluer l’impact des modifications sur les propriétés des molécules résultantes. Le chapitre 2 présente la stratégie synthétique de « trifonctionnalisation » du grand col du macrocycle. Elle a été employée pour l’introduction de groupements hydrophiles, qui rendent le calix[6]arène et les complexes métalliques associés solubles en milieu aqueux. Des études de reconnaissance moléculaire en solution aqueuse ont été ainsi menées. Une propriété très remarquable en chimie hôte-invité est la forte affinité du complexe cuivrique pour l’anion fluorure en milieu aqueux. Le chapitre 3 présente la stratégie synthétique de « hexafonctionnalisation » du grand col du macrocycle. Elle a permis d’obtenir des composés qui ont été utilisés pour des applications telles que l’immobilisation sur surface et la réaction de monoclick. Le chapitre 4 présente la stratégie synthétique de « trifonctionnalisation » du petit col du macrocycle. Elle a permis d’obtenir des systèmes réactifs en solution, notamment un composé contenant trois unités phénol qui donne un radical stable à température ambiante ainsi qu’un composé contenant trois unités quinone dans lequel la cavité est devenue une unité redox-active. Ainsi, des études concernant les macrocycles et leurs complexes monométalliques à base de Zn2+, Cu+ et Cu2+ sont exposées et discutées
The X6TMPA molecule is composed by a tris(2-pyridylmethyl)amine (TMPA) cap covalently linked to the small rim of the calix[6]arene. This compound can coordinate and stabilize a Cu(I)/Cu(II) ion in a mononuclear environment. These compounds possess unique properties in host-guest and redox chemistry.This PhD thesis work describes some synthetic strategies employed in order to modify the scaffold of the macrocycle, either at the large or the small rim. Moreover, the studies conducted in order to evaluate the impact of each structural modification on the reactivity of the resulting system are detailed. Chapter 2 describes the “large rim tri-functionalization” strategy. It has been employed to introduce three hydrophilic moieties on the calix[6]arene unit. These groups enable the water-solubilization of the molecule, as well as the Cu(I)/Cu(II) monometallic complexes. For these systems, host-guest chemistry in aqueous media has been explored: a remarkable property is the high affinity of the cupric complex for fluoride anion. Chapter 3 describes the “large rim hexa-functionalization” strategy. The obtained compounds have been employed for novel applications, as surface functionalization or “monoclick” reaction. Chapter 4 describes the “small rim tri-functionalization” strategy. The obtained compounds are reactive in solution. A phenol-containing macrocycle, that gives a stable radical species at room temperature, and a quinone-containing macrocycle, in which the calix[6]arene moiety is a redox-active unit, are presented. Moreover, the reactivity of the monometallic complexes (Zinc, Copper) has been explored and discussed

Les sels d’imidazolium ont un rôle important dans certaines protéines et acides nucléiques et ont été utilisés à de nombreuses reprises dans des assemblages supramoléculaires en raison de leurs propriétés uniques. Les sels de diimidazolium dérivés sont toutefois moins connus. Ils ont pour l’instant uniquement été utilisés comme des précurseurs de carbènes N-hétérocycliques. Ils sont donc à la base de plusieurs catalyseurs utilisés pour des réactions de couplage croisés mais leurs propriétés sont toutefois méconnues dans le cadre de la chimie supramoléculaire. Cette classe de composés a nottament attiré notre attention en raison de la facilité de modification de leurs propriétés physico-chimiques par modification de leur structure chimique. L’objectif général des travaux présentés dans cette thèse est l’étude des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium disubstitués en solution (aqueuse ou organique), ainsi qu’en phase solide ou cristal-liquide. L’influence de l’espaceur entre les deux noyaux imidazolium ainsi que l’influence des substituants latéraux et des contre-ions a été étudiée. Dans un premier temps, les propriétés de complexation des sels de diimidazolium à des macrocycles sont étudiées. Les sels bromure sont étudiés en solution aqueuse avec plusieurs cyclodextrines et le cucurbit[7]uril, et les sels hexafluorophosphate sont étudiés en solution organique pour leur complexation avec l’éther couronne DB24C8 et un calix[4]arène. Cette nouvelle classe de composés a montré de très bonnes propriétés de complexation à ces différents macrocycles en solution et a également permis de contrôler différents assemblages supramoléculaires à l’interface air-eau. Dans un deuxième temps, l’étude des sels de phénylènediimidazolium a permis de modifier les propriétés de complexation en solution pour obtenir la formation de complexes multiples avec le cucurbit[7]util en solution aqueuse. Cette même famille de composés a également permis la formation de cristaux liquides ioniques lorsque les substituants sont des chaînes alkyles plus longues. La résolution de plusieurs structures cristallines de différents sels de diimidazolium a finalement permis de comprendre la nature des interactions intermoléculaires à l’état cristallin. La recherche présentée dans cette thèse a donc permis une étude détaillée des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium dans tous les états de la matière qui leur sont accessibles.
Imidazolium salts play an important role in different proteins and nucleic acids and have been used many times in supramolecular assemblies due to their unique properties. Diimidazolium salts derived from imidazolium salts are less known. To date, they have only been used as precursors for N-heterocyclic carbenes, which are used to catalyze various cross-coupling reactions. Their properties are not well known in supramolecular chemistry. This class of compounds attracted our attention because of the ease of tuning their properties by modifying their chemical structure. The main goal of the research presented in this thesis was to study the supramolecular properties of disubstituted diimidazolium salts in solution (aqueous or organic solution), in the solid state and in the liquid-crystalline state. The role of the spacer between the two imidazolium moieties, of the sidechains and of the counterions was studied. Firstly, the complexation between diimidazolium salts and various macrocycles was studied. Bromide salts were studied in aqueous solution with cyclodextrins and cucurbit[7]uril, while hexafluorophosphate salts were studied in organic solution with a DB24C8 crown ether and a calix[4]arene. This novel class of compounds showed very promising complexation properties with these macrocycles in solution and also allowed us to control the formation of various supramolecular assemblies at the air-water interface. Secondly, phenylenediimidazolium salts were studied and allowed the modification of the complexation properties in aqueous solution. Multiple complexes can be formed simultaneously with cucurbit[7]uril in aqueous solution. The same class of compounds also has the ability to yield ionic liquid crystals when the alkyl sidechains are long. The resolution of the crystalline structures of some synthesized diimidazolium salts allowed us to understand the nature of the intermolecular interactions in the solid state. The research presented in this thesis is a complete study of the supramolecular properties of diimidazolium salts in every accessible state of matter.

L’aromaticité et l’antiaromaticité demeurent un sujet d’actualité au niveau fondamental puisque ces concepts permettent d’expliquer la réactivité de diverses classes de molécules. Certains composés polycycliques ayant une conjugaison π étendue, comme par exemple les tétraoxa[8]circulènes, ont des cycles aromatiques et antiaromatiques qui affectent leurs propriétés physicochimiques. Les oxacirculènes sont formés d’un anneau de quatre furanes et de quatre benzènes positionnés en alternance et créant un cœur formellement antiaromatique de cyclooctatétraène (COT). Malgré cela, ces composés démontrent une grande stabilité et peuvent servir en tant que composantes de dispositifs optoélectroniques comme des diodes électroluminescentes. Les propriétés optoélectroniques de ces composés et leur organisation moléculaire à l’état solide sont à l’origine d’un comportement unique. Le présent mémoire décrit la synthèse de tétraoxa[8]circulènes par une réaction très spéciale de cyclocondensation de 1,4-quinones catalysée par des acides, permettant d’accéder à des grandes molécules conjuguées en une étape. Les composés synthétisés ont une géométrie qui empêche leur empilement efficace et crée des vides dans la structure cristalline pouvant servir à l’inclusion de molécules invitées. En particulier, l’inclusion de C60 effectuée par cocristallisation cause l’uniformisation des longueurs des liens du cœur COT des oxacirculènes, suggérant des interactions de transfert de charge. Enfin, les propriétés optiques étudiées par spectroscopie UV-vis et par fluorescence indiquent que les oxacirculènes sont sensibles à leur environnement moléculaire et pourraient donc être utilisés comme des senseurs chimiques.
Aromaticity and antiaromaticity remain important topics of chemical research because these concepts explain the reactivity of various classes of molecules. For instance, certain polycyclic compounds with π-extended conjugation, such as tetraoxa[8]circulenes, contain both aromatic and antiaromatic rings, which affect their physicochemical properties. Oxacirculenes consist of a circular arrangement of four furan and four benzene rings positioned in an alternating fashion, thus creating a formally antiaromatic cyclooctatetraene (COT) core. Despite this, oxacirculenes exhibit great stability. They can serve as components in optoelectronic devices such as electroluminescent diodes, and their molecular organisation in the solid state can be controlled in ways that influence their properties. The present memoir describes the synthesis of tetraoxa[8]circulenes by a very special acid-catalysed cyclocondensation reaction starting from suitable 1,4-quinones, thereby allowing the preparation of large conjugated molecules in a single step. The compounds prepared have an awkward molecular structure that inhibits efficient packing and creates voids in the crystal structure, allowing the inclusion of guests. In particular, the inclusion of C60, achieved by cocrystallization, appears to create charge-transfer interactions as indicated by uniformization of bond lengths in the COT core. Optical properties studied by UV-vis spectroscopy and fluorescence show that oxacirculenes are sensitive to their local chemical environment, suggesting that they can be used as chemical sensors for the rapid detection of guests.