In dieser Arbeit untersuchen wir die elektrostatische Komplexierung zwischen Proteinen und anionischen, linearen bzw. dendritischen Polyelektrolyten mittels Molekulardynamik Simulationen in implizitem Lösungsmittel und mit expliziten Salzen. Die Proteine und Polyelektrolyte werden mit vergröberten Details simuliert. Jedes vergröberte Segment repräsentiert eine Aminosäure oder eine sich wiederholende chemische Untereinheit des Polyelektrolyten. Die Vergöberung ermöglicht Simulationen von großen Proteinen wie Humanalbumin oder dendritischen Polyelektrolyten, ohne dabei die essentiellen elektrostatischen Eigenschaften der Moleküle zu vernachlässigen. Wir validieren unsere Simulationen durch Kalorimetrieexperimente. Zur Interpretation der resultierenden Bindungs-freien Energien schlagen wir Theorien vor, die auf Gegenionen-Kondensation und Ladungs-Renormalisierung basieren. Die Arbeit zeigt die äußerst wichtige Bedeutung der kondensierten Gegenionen auf, die in allen untersuchten Systemen an der elektrostatischen Komplexierung teilhaben. Sowohl bei linearen als auch dendritischen Polyelektrolyten bewirken die kondensierten Gegenionen Ladungsrenormalisierung, die die elektrostatischen Wechselwirkungen in den Systemen abschwächt. Die Bindung wird durch die Freisetzung von Gegenionen bewirkt, was mit einem massiven Anstieg der Entropie einhergeht. Aufgrund der multivalenten Bindung können unsere Ergebnisse nicht mithilfe des konventionellen Langmuir-Adsorptionsisothermen interpretiert werden. Daher schlagen wir eine neuartige Interpretation der Langmuir-Adsorptionsisothermen vor, die einen sinnvollen Vergleich zwischen Simulationen und Experimenten ermöglicht. / In this thesis, we conducted a comprehensive study of the electrostatic complexation between proteins and anionic linear/dendritic polyelectrolytes, by means of molecular dynamics simulations with implicit solvent and explicit salt. The proteins and polyelectrolytes are both represented in a coarse-grained fashion. Each coarse-gained segment represents either an amino acid residue or the repeating chemical subunit of the polyelectrolyte. This modeling strategy allows for simulations of big proteins such as human serum albumin and dendritic polyelectrolytes of large generations, while the crucial molecular electrostatic properties are still well retained. Our simulations are validated further by calorimetry experiments. Finally, we propose theories based on counterion condensation and charge renormalization for interpreting the system binding free energies. Regarding all systems investigated here, the thesis demonstrates the crucial and ubiquitous role of condensed counterions which participates in the electrostatic complexation. For both linear and dendritic polyelectrolytes, we find a strong charge renormalization induced by the condensed counterions, which consequently suppresses electrostatic interactions to an appreciable extent. The resultant binding is governed by the release of those condensed counterions, resulting in a massive entropy gain. Due to the presence of the multivalent binding, we propose a new interpretation of the conventional Langmuir adsorption isotherm, which ensures a meaningful comparison between simulations and experiments.

Le présent travail est destiné à acquérir un ensemble de données expérimentales et quantitatives cohérentes sur le comportement physico-chimique d'un système constitué d'un polysaccharide linéaire, flexible et chimiquement fonctionnalisé en groupements carboxyliques, le carboxyméthyl-dextrane (CMD) et d'un milieu ionique comportant des cations d'affinité variée pour ces fonctions : Na+, Ca2+ et Cd2+. La densité de sites et leur constante de dissociation - complexation ont été déterminées par titrage potentiométrique avec des électrodes spécifiques (proton et cadmium). Les propriétés électro-hydrodynamiques et les transitions conformationnelles ont été étudiées en combinant la conductimétrie, l'électrophorèse, la diffusion dynamique de lumière et la viscosimétrie. Enfin, la stabilité colloïdale en relation avec les interactions intermoléculaires a été étudiée par turbidimétrie et diffusion dynamique de lumière. En présence d'ions monovalents, le comportement du CMD, typique d’une particule microgel molle, est déterminé par la force ionique et la concentration en polysaccharide. A basse force ionique, le CMD est en condition de bon solvant lorsqu'il est peu concentré tandis que le recouvrement des doubles-couches électriques autour des macromolécules détermine les propriétés électro-hydrodynamiques du CMD en régime concentré. A haute salinité, les interactions électrostatiques intramoléculaires et interparticulaires sont négligeables, et la macromolécule a un comportement caractéristique de polymère en mauvais solvant à haute fraction volumique. En présence de cations divalents, le calcium, et plus encore le cadmium, entrent en compétition avec le proton pour l’occupation des sites carboxyliques, ce qui s’accompagne par une réorganisation locale des chaînes polymères. A haute force ionique, la taille élevée des agrégats, la vitesse initiale d'agrégation élevée, ainsi que la persistance d'une forte turbidité au maximum d'effet, suggèrent que les agrégats sont formés en régime de type agrégation limitée par la diffusion des particules (DLA) / The present work focused on the acquisition of experimental and quantitative data on the physico-chemical properties of a linear, flexible and chemically functionalized polysaccharide by carboxymethyl grafting, yielding carboxymethyldextran macromolecules (CMD) and an aqueous electrolyte containing various ions Na+, Ca2+ et Cd2+ with different chemical affinity for these chemical functions. Charge density and complexation – dissociation constants have been evaluated using specific electrodes-based potentiometric titration. The electro-hydrodynamic properties and the conformational transitions were examined through electrical conductivity increment measurements, electrophoresis, dynamic light scattering and viscosimetry. Also, colloidal stability has been investigated by means of turbidimetry and dynamic light scattering. In the presence of monovalent ions, the behaviour of CMD, typically that of a soft microgel particle, is strongly depending on ionic strength and polysaccharide content. For low ionic strengths and in dilute regime, CMD is in situation of good solvent while in concentrated regime, overlapping double layers that develop around macromolecules governs the electro-hydrodynamic features of CMD. For sufficiently high ionic strengths, intermolecular and intramolecular electrostatic interactions are nearly suppressed, and CMD behaves as a polymer in bad solvent upon increase of its concentration in the medium. In the presence of divalent ions, calcium ions and cadmium ions are in competition with hydronium ions to occupy the carboxylic sites, and this situation is concomitantly accompanied by local reorganization of polymer chains. The large size of formed clusters, the high initial aggregation rate and the increased turbidity all suggest that aggregates are generated according to a diffusion limited aggregation (DLA) type of mechanism

Dans l'objectif de proposer un procédé de substitution du phosgène dans la production des isocyanates et de leurs dérivés, nous avons consacré ce travail à l'étude de la réaction phosphine imide dans le CO2 supercritique. Dans ce cadre, nous avons défini une réaction standard et nous avons étudié l'influence des paramètres opératoires sur la cinétique de cette réaction dans le CO2 grâce à un réacteur haute pression de 100 ml. Les analyses des échantillons obtenus ont été réalisées par chromatographie en phase liquide. Ces observations nous ont permis de développer un modèle cinétique du premier ordre, et les résultats obtenus par ce modèle ont permis une bonne prédiction de ceux observés dans un réacteur haute pression de 1l. Nous avons comparé les cinétiques obtenues dans le CO2 avec celles observées dans la diméthylformamide. Nous avons aussi étudié l'influence du "pseudo-catalyseur" permettant l'obtention des isocyanates, et ce dans la diméthylformamide et dans le CO2. Nous avons finalement pu réaliser la synthèse d'un composé d'intérêt pharmaceutique, qui augmente la biodisponibilité du Busulfan, dans le CO2 en utilisant la réaction phosphine imide et suivre la cinétique de cette réaction / In the aim to propose a substitution process to the use of phosgene for the production of isocyanates and their derivatives, we devoted this work to the study of the phosphine imide reaction in supercritical CO2. In this context, we have chosen a standard reaction and investigated the influence of operational parameters on the kinetic of this reaction in CO2 using a high pressure 100 ml reactor. Analyses of the samples were performed using high performance liquid chromatography. These observations permits to develop a first order kinetic model, and we have compared the results obtained using this model with the observations we realized in a high pressure 1l reactor. We have compared the kinetics obtained in CO2 with those observed in dimethylformamide. We have also studied in dimethylformamide and CO2 the influence of the "catalyst" which permits to obtain isocyanates. We've finally performed the synthesis of a compound of pharmaceutical interest, which increase the bioavailability of Busulfan, in CO2 using phosphine imide reaction and we have followed the kinetic of this reaction

Des couches fonctionnelles hybrides organiques/inorganiques ont été générées à une interface solide/liquide à l’aide d’une nouvelle technique de fabrication ascendante (bottomup) dénommée Croissance de Couche à partir d’une Surface (Surface Grown Layers - SgL)grâce à une modulation très fine de l’interaction électrostatique entre nano-objets decharges opposés en fonction de la force ionique de la dispersion aqueuse. Différents nanoparticules/tubes à la fois cationiques et anioniques et très stables vis-à-vis d’un environnement fortement salin ont été développés. La complexation électrostatique entre ces nanomatériaux a été étudiée en solution et près d’une interface au travers du concept de “transition de dessalage”. Dans un deuxième temps la croissance de couches hybrides à partird’un substrat a été étudiée en comparant l’approche SgL et la méthode classique d’adsorption séquentielle couche par couche (Layer by layer - LbL). Des expériences préliminaires ont montré le potentiel de cette approche dans le développement de substrats fonctionnels. / In this manuscript, one-step bottom-up fabrication of “smart organic-inorganic hybridfunctional layers” at a liquid/solid interface were fabricated via a novel surfacefunctionalization pathway termed as “Surface Grown Hybrid Functional Layers” or SgLthrough fine tuning of electrostatic interaction between “highly stable” and oppositelycharged nanomaterials as a function of ionic strength of the dispersion. Cationic and anionicnanomaterials based on different hybrid nanoparticles/nanotubes that are very stable towardshigh saline environment have been formulated. The electrostatic complexation between theseoppositely charged nanomaterials has been studied in bulk and at an interface through theconcept of “desalting transition” pathway. In a second step, the growth of functional hybridlayers directly from a substrate via the novel SgL approach was then compared with theconventional Layer-by-Layer approach (LbL). Finally the preliminary experiments haveshown the potential applications of generated functional surfaces.

Martina Riesová Abstract of Ph.D. Thesis Capillary electrophoresis is a method of choice in many analytical laboratories for its high separation efficiency, rapidity, low consumption of chemicals and therefore low costs. Inherent to each electrophoretic separation system are system peaks, which can significantly affect or confuse the electrophoretic results. In capillary zone electrophoresis, position of system zones can be predicted easily and reliably by means of prediction software based on a theoretical description of electromigration. However, the prediction of only position of a system zone may not be sufficient for identification of system peaks in obtained electropherograms. Therefore, an existing theoretical model was significantly extended and new version of PeakMaster software (PeakMaster 5.3) was introduced in the framework of this thesis. PeakMaster 5.3 enables to predict not only the positions of system zones, but also their shapes and polarity. Thus, PeakMaster 5.3 improves the prediction possibility of overlapping or interaction of system peaks with analyte peaks. Moreover, composition of the sample can be optimized in order to obtain convenient shapes and amplitudes of system peaks. The applicability of capillary zone electrophoresis can be extended by addition of a complexation agent into...

La coacervation complexe, une séparation de phase associative principalement induite par des interactions électrostatiques, entre la B-lactoglobuline (BLG, protéine animale) et la gomme d’Acacia (AG, polysaccharide végétal) a été étudiée dans ce travail. La plus grande difficulté pour comprendre la coacervation complexe au niveau moléculaire entre BLG et AG révèle être la polymolécularité élevée d’AG. A partir de là, la motivation principale de cette thèse était de comprendre et contrôler les interactions entre la BLG et les fractions moléculaires d’AG, FI (~88% d’AG) et FII (~10% d’AG) en utilisant la titration calorimétrique isotherme, la diffusion statique et dynamique de lumière, la mobilité électrophorétique, la Granulo-Polarimétrie et la microscopie optique. Une énergie d’interaction plus forte, une stoechiométrie d’association plus faible et ainsi une complexation favorable ont étés montrées entre la BLG et FII en relation avec l’accessibilité et la densité de charges plus élevées de FII. Les résultats majeurs de cette étude ont ainsi montré des rôles différents des fractions de l’AG dans la coacervation complexe avec la BLG / The complex coacervation mechanism, an associative phase separation mainly induced by electrostatic interactions, between ?-lactoglobulin (BLG, animal protein) and Acacia gum (AG, vegetal polysaccharide) was studied in this work. The most significant difficulty to understand complex coacervation between BLG and AG at the molecular level is the molecular weight polydispersity of AG. From there, the main motivation of this research was to better understand and control the interactions between BLG and the major molecular fractions of AG, FI (~88% of AG) and FII (~10% of AG) using isothermal titration calorimetry, static and dynamic light scattering, electrophoretic mobility, Granulo-Polarimetry and optical microscopy. Higher energy of interaction, lower stoichiometry of association and then favorable complexation were shown between BLG and FII in relation with higher accessibility and density of charges for FII. The major results of this study reveal then different roles of AG fractions in complex coacervation with BLG

Cette étude est divisée en deux parties: l'analyse des propriétés optiques non linéaires (NLO) de nouveaux dérivés pi-conjugués d’Azobenzène Iminopyridine et les hétérogénéités dynamiques (DH) des mélanges eau/méthanol. La première partie a été réalisée en utilisant la technique Z-scan ainsi que les techniques de génération de deuxième et troisième harmoniques (SHG/THG). Communément, l'optique non linéaire est le domaine de l'optique qui étudie l'interaction de la lumière avec un système matériel et les changements induits dans les propriétés optiques des matériaux parun champ électromagnétique intense. La non-linéarité réside dans le fait que la réponse du matériau ne dépend pas linéairement de l'intensité du champ électrique. Les matériaux qui possèdent une forte réponse non linéaire sont très utiles pour la photonique et l'optoélectronique. Ils peuvent être utilisés comme limiteurs optiques pour protéger les détecteurs de faisceaux laser de haute intensité, également comme commutateurs optiques, portes optiques logiques, etc., avec un objectif ultime qui est le traitement de signal optique et la fabrication d'ordinateurs optiques. La deuxième partie a été réalisée au moyen de calculs informatiques et plus particulièrement de simulations de dynamiques moléculaires dans l'eau, dans le méthanol et dans des mélanges eau/méthanol à différentes températures. La simulation par ordinateur est un outil très approprié pour explorer les liquides, également dans la plage de régime en surfusion, sans les limitations du processus de nucléation qui a lieu dans l'expérience réelle. Lorsque la température diminue les liquides surfondus subissent a minima une augmentation exponentielle de leur viscosité (Arrhenius). Cette grande modification des propriétés detransport apparaît bien que la structure ne change que légèrement avec la température. / This study is divided into two parts: the investigation of the nonlinear optical (NLO) properties of new (pi)- conjugated Azobenzene Iminopyridine derivatives and the Dynamic Heterogeneities (DH) of water/methanol mixtures. The first part was achieved employing Z-scan, Second and Third Harmonic Generation (SHG/THG) techniques. Generally, nonlinear optics is the domain of optics that studies the interaction of light with a material system and the changes resulted in the optical properties of the materials by an intense electromagnetic field. The nonlinearity lies in the fact that the material response does not depend linearly on the intensity of the electric field. Materials with significant nonlinear response are very useful for photonics and optoelectronics. They can be used as optical limiters to protect sensitive detectors of high-intensity laser beams, as well as optical switches, optical logic gates and etc., with an ultimate objective the processing of optical signal and manufacture of optical computers. The second part was done via computer calculationsand more specifically Molecular Dynamic Simulations in water, methanol and water/methanol mixtures at different temperatures. Computer simulation is a very suitable tool for exploring liquids, also in the range of the supercooled regime, without the limitations of the nucleation process, which takes place in the real experiment. Supercooled liquids undergo an exponential (Arrhenius) or even larger increase of their viscosity, when the temperature decreases. This large modification of the transport properties appear while the structure only slightly changes with temperature.

Les cucurbiturils (CBn) sont des molécules-cages synthétiques constituées d’un nombre n d’unités glycoluril et dont les applications en chimie, en biologie et en physique ont commencé à être exploitées au début des années 2000. Ces composés trouvent leur importance dans un grand nombre de domaines incluant la chimie en phase solide, le piégeage des contaminants en solution, la catalyse ou encore l’encapsulation de principes actifs pour des applications pharmaceutiques futures. Ces récentes molécules-cages rejoignent le large groupe des récepteurs synthétiques comprenant les cyclodextrines, les calixarènes, les cryptophanes, les carcérands et hémicarcérands. L’encapsulation des gaz dans ce type de structures est encore mal connue à l’heure actuelle et, dans ces travaux de thèse, notre intérêt s’est porté sur la complexation de gaz, notamment de xénon, dans les cucurbiturils. Ces travaux ont débuté par la synthèse de nouveaux cucurbiturils hydrosolubles dans le but d’étudier leur capacité d’encapsulation des gaz rares et de petits alcanes comme le méthane et l’éthane, notre objectif final étant de définir de nouvelles règles régissant l’encapsulation des gaz par les cucurbiturils. Les gaz rares allant de l’hélium au krypton ont été étudiés. Parmi ces gaz, le xénon hyperpolarisé a particulièrement retenu notre attention du fait de son intérêt dans la conception de biosondes pour le développement de nouvelles méthodes de diagnostic en IRM. Dans ce mémoire, la synthèse de nouveaux cyclohexylcucurbiturils mixtes hydrosolubles et leurs études en présence de xénon sont rapportées. Un nouveau cucurbituril mixte constitué de cinq unités glycoluril et d’une unité glycoluril à six chaînons a également été synthétisé. Les deux premiers chapitres constituent une introduction au phénomène d’encapsulation des gaz ainsi que des généralités sur la famille des cucurbiturils. Le troisième chapitre est consacré aux résultats obtenus au laboratoire sur la synthèse de nouveaux composés. Dans un quatrième chapitre, nous avons développé une méthode permettant la préparation de précurseurs d’analogues acycliques de cucurbiturils. Pour cela, la réaction de métathèse par ouverture de cycle associée à la métathèse croisée (ROM-CM) a été utilisée pour mener à bien cette synthèse. Enfin, un cinquième chapitre est consacré aux résultats concernant l’étude de l’encapsulation de gaz dans les nouveaux cucurbiturils synthétisés, étude effectuée en collaboration avec le Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique du CEA de Saclay. / The cucurbituril family (CBn) constitutes a group of recent synthetic host-molecules. These compounds are formed by n glycoluril units and, since the beginning of the 2000’s, they have found their interest in multiple domains such as biology, chemistry and physics. They have joined the large group of synthetic receptors comprising cyclodextrins, calixarens, cryptophanes, carcerands and hemicarcerands. Gaz encapsulation in this family of compounds is misunderstood. In these PhD works, our interest concerned gaz complexation, especially xenon, into cucurbiturils. First, the synthesis of new hydrosoluble cucurbiturils to study their ability to encapsulate noble gaz and small alcans such as methan and ethan is described. Our final goal will be to define new rules concerning gaz encapsulation by cucurbiturils. Noble gaz from helium to krypton have been studied. Among these noble gaz, xenon is particularly interesting in the domain of biosensing, for the design of new diagnostic methods by MRI. In this manuscript, the synthesis of a family of hydrosoluble cyclohexylcucurbiturils and their ability to encapsulate xenon is described. Another new cucurbituril constituted by five glycoluril units and one glycoluril unit forming a six-membered ring, has also been prepared. The first two parts of the manuscript present the gaz encapsulation and the cucurbituril family. The third part describes our results concerning the new synthetized cucurbiturils. In the fourth part, we have developped a method based on metathesis reactions (ROM-CM) for preparing some precursors of acyclic congeneers of cucurbiturils. Lastly, the fifth part concerns results about gaz encapsulation. All of this study has been driven in collaboration with Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (CEA Saclay).

Les polyazamacrocycles trouvent de nombreuses applications dans le domaine de la complexation de cations métalliques ou d'anions. Le laboratoire à longtemps étudié la fonctionnalisation des dérivés tétraazamacrocycliques et leurs propriétés de complexation. Afin d'accroître le savoir-faire du laboratoire et d'explorer de nouvelles propriétés de complexation des polyamines cycliques, nous nous sommes intéressé à transposer ce savoir à la fonctionnalisation d'un macrocycle plus petit : le tacn. Ce travail repose sur la mise au point d'une nouvelle stratégie de fonctionnalisation sélective du tacn et la synthèse de nouveaux dérivés. Les composés obtenus ont permis l'étude de leurs propriétés de complexation vis-à-vis de différents métaux de transition. Les propriétés de complexes de cuivre (II) ont été étudiées pour des applications en imagerie TEP ou en radioimmunothérapie. La détection de zinc (II) basée sur une détection IRM par de nouvelles sondes ditopiques tacn-do3a a été étudiée. La complexation de fer (II) pour des applications en transition de spin ont également permis de déterminer les propriétés de complexation de dérivés du tacn. / The polyazamacrocycles have many applications in the field metal cations or anions complexation. Our laboratory studied the functionalization of tetraazamacrocyclic derivatives and their complexation properties during a long time. To enhance the expertise of our laboratory and to explore new properties of complexation of cyclic polyamines, we were interested in transpose his expertise to the functionalization of a smaller macrocycle: the tacn. This work is based on the development of a new synthetic strategy of selective functionalization of tacn and the synthesis of new derivatives. The complexation properties of this new functionalized macrocycles with different transition metals were also studied. The properties of copper (II) complexes have been studied for applications in Positron Emission Tomography (PET) imaging or radioimmunotherapy (RIT). The detection of zinc (II) based on Magnetic Resonance Imaging (MRI) detection by new ditopic probes tacn-do3a has been studied. Complexation of iron (II) for applications in spin crossover also revealed the complexation properties of the tacn derivatives.

A ligação de Cu(II) à superfície de espécies mistas e liofilizadas da microalga Spirulina foi estudada em pH 6.0 por titulação potenciométrica com eletrodo íon-seletivo para Cu(II). Três materiais foram estudados: a suspensão completa da alga (Suspensão Total), a água de lavagem obtida por centrifugação da suspensão total (Fração Solúvel) e a suspensão das células lavadas com água (Fração Insolúvel). Os métodos de Scatchard e de Funções Diferenciais de Equilíbrio (DEF) foram usados para tratamento de dados. Os gráficos de Scatchard possibilitaram a determinação de duas classes de sítios de complexação, sendo que os valores de log K* para os sítios mais fortes variaram entre 7,3 e 7,9. Para os sítios mais fracos os valores de log K* foram determinados entre 3,5 e 3,9. As concentrações totais dos sítios de ionização foram determinadas em pH 6,0 por titulação potenciométrica com solução de NaOH, resultando 1,6±0, 1; 1,5±0,5 e 0,92±0,08 mmol g-1 para a Suspensão Total, Fração Solúvel e Fração Insolúvel, respectivamente. O método DEF revelou uma variação linear dos valores de log KDEF em função do log θ (θ = grau de ocupação dos sítios de complexação), sendo que os valores de log KDEF decresceram de 9 para 4 em conseqüência do aumento de log θ de -2,5 para -0,25. Os graus de heterogeneidade determinados por DEF ficaram na faixa entre 0,4 e 0,5 para os três materiais estudados. / The binding of Cu(II) to the surface of mixed species of lyophilized Spirulina was studied at pH 6.0 by potentiometric titration monitored with a copper ion selective electrode. Three materials were studied: the total suspension of alga (Total Suspension), the washing water that resulted from centrifugation of the total suspension {Soluble Fraction), and the water-washed cells (Insoluble Fraction). The Scatchard method and the Differential Equilibrium Functions (DEF) were used for the treatment of the titration data. The Scatchard plots determined two classes of binding sites, with log K* values for stronger sites varying between 7.3 and 7.9. For the weaker sites the log K* values ranged between 3.5 and 3.9. The total concentration of binding sites at pH 6.0 were determined by potentiometric titration with NaOH solution, resulting 1.6±0.1, 1.5±0.5 and 0.92±0.08 mmol g-1 for the Total Suspension, Soluble Fraction, and Insoluble Fraction, respectively. The DEF approach revealed a linear variation of log KDEF as a function of log θ (θ = degree of site occupation), with log KDEF decreasing from 9 to 4 as a consequence of increasing log e from -2.5 to -0.25. The degree of site heterogeneity determined by the DEF approach was between 0.4 and 0.5 for the three materials studied.