Les nanoparticules fonctionnalisées continuent de susciter beaucoup d’interêt dans les applications biomédicales et les essais biologiques. Elles sont devenues un élément clé dans la recherche en nanobiotechnologie. Un des axes primordiaux des travaux de recherche est le développement de stratégies polyvalentes de fonctionnalisation de surface pour différentes nanoparticules allant de nanostructures de diamants à des nanoparticules d'oxyde de fer, des particules de silice et des nanocapsules lipidiques. Un des objectifs en particulier a été l’introduction de diverses fonctionnalisations sur les mêmes nanoparticules en utilisant soit des ligands dérivés de la dopamine ou soit par chimie « click » de Cu(I) catalysé. Il en résulte des nanostructures bien dispersées fonctionnalisées avec différents ligands à leurs surfaces. Les applications de ces nanostructures pour l'inhibition des infections virales et pour la délivrance de gènes ont été étudiées. En effet, l'inhibition de l'entrée du VHC a été identifiée comme étant une stratégie thérapeutique potentielle. Il a pu être démontré que différentes nanoparticules peuvent être efficacement conçues pour afficher les propriétés de lectine et se comporter donc comme des inhibiteurs efficaces d'entrée du virus in vitro. Les pseudo-lectines étudiées ici comprennent les nanoparticules dérivées du fer, de silice, du diamant et des nanocapsules lipidiques comportant toutes des fragments d’acide boronique attachés à leurs surfaces.Par ailleurs, le potentiel des nanoparticules de diamant pour la délivrance de gènes a été étudié. / Functionalized nanoparticles continue to attract interest in biomedical applications and bioassays and have become a key focus in nanobiotechnology research. One of the primal focuses of the research work was the development of versatile surface functionalization strategies for different nanoparticles ranging from diamond nanostructures to iron oxide nanoparticles, silica particles and lipid nanocapsules. One particular aim was the introduction of various functionalities onto the same nanoparticles using either dopamine-derived ligands or Cu(I) catalyzed “click” chemistry strategies. This resulted in well-dispersed nanostructures with different ligands present on the surface of the nanostructures. The possibilities to use such nanostructures for the inhibition of viral infections and for gene delivery were investigated. Indeed, inhibiting the entry of HCV has been identified as a potential therapeutic strategy. It could be demonstrated that various nanoparticles can be efficiently engineered to display “lectin-like” properties and indeed behave as effective viral entry inhibitors, in vitro. The pseudo-lectins investigated here include iron-, silica-, diamond-, (lipid nanocapsule)-derived nanoparticles all featuring surface-attached boronic acid moieties. In parallel to work on HCV entry inhibition, the potential of diamond nanoparticles as gene delivery system was investigated. Water dispersible and biocompatible polypegylated diamond particles were prepared using different dopamine ligands and their effect on gene delivery has been studied.

Nous avons démarré le projet en explorant la chimie de coordination des acides boroniques avec le tantale(V). Deux complexes trimétalliques, Ta₃-iBu et Ta₃-Ph, ont été synthétisés à partir de l'acide iso-butylboronique et de l'acide phénylboronique, respectivement. Nous avons découvert que le complexe Ta₃-Ph est un métallocavitant possédant une cavité comportant trois centres acide de Lewis et un site acide de Brensted au centre de sa structure. Suite à ces découvertes, nous avons entrepris l'exploration des facteurs stériques et électroniques pouvant influencer la synthèse des métallocavitants arylbronates de tantale(V). La préparation d'une série de complexes avec différents groupes fonctionnels situés en position ortho, meta, ou para a été effectuée. Les acides boroniques utilisés pour cette étude sont les acides 2,5-diméthylphénylboronique, 3,5- diméthylphénylboronique, 4-méthylphénylboronique, 3,5-bis(trifluorométhyl)phénylboronique, 4- bromophénylboronique, mésitylboronique et pentafluorophénylboronique. Nous avons obtenu les complexes Ta₃-2,5Me, Ta₃-3,5Me, Ta₃-4Me, Ta₃-3,5CF₃, Ta₃-4Br et Ta₂-Mes, respectivement. La réaction avec l'acide pentafluorophénylboronique résulte en un mélange de produits de décomposition liés au clivage du lien B-C. Nous avons observé que lorsque le groupement aryle du boronate est fonctionnalisé avec un méthylé en position ortho, il est possible de générer un composé trimétallique (Ta₃-2,5Me) mais celui ne possède pas de cavité alors que si les deux positions ortho sont fonctionnalisées, nous obtenons un produit bimétallique (Ta₂-Mes). S'il y a un encombrement stérique aux positions meta ou para, les métallocavitants sont obtenus. Une fois la généralité de la procédure établie, nous avons entrepris la synthèse de métallocavitants à grande cavité en utilisant une série d'acides boroniques fonctionalisés en position para avec des groupements aromatiques. Les acides boroniques 4-biphényle, 4-phénoxyphényle, 4-benzyloxyphényle, 4-(phényléthynyl)phényle et 4-(naphtha-l-yléthynyl)phényle ont été utilises pour générer les complexes Ta₃-4Ph, Ta₃-4OPh, Ta₃-4OBn, Ta₃-PhEt et Ta₃-Napht, respectivement. Nous avons aussi préparé un métallocavitant spécifiquement conçu pour faire l'interaction avec le C₆₀ à partir de l'acide 4-(2-(4-((9, 10-di( 1,3-dithiol-2-ylidène)-9,10-dihydroanthracen-6-yl)méthoxy)phé nyl) éthynyl)phénylboronique (Ta₃-exTTF). Nous avons étudié les propriétés hôte-invité des métallocavitants synthétisés en examinant l'interaction de ces complexes avec des bases de Lewis simples comme l'acétone et le THF. L'interaction a été caractérisée par la RMN du proton, la diffraction des rayons x, la TGA, l'infrarouge et des calculs théoriques de DFT. Nous avons ensuite entrepris de déterminer la capacité de nos métallocavitants à grande cage (Ta₃-4Ph, Ta₃-4OPh, Ta₃-4OBn, Ta₃-PhEt et Ta₃-Napht) à détecter divers composés nitroaromatiques par inspection de la réponse en fluorescence et établir si une sélectivité particulière existait. Ces mêmes métallocavitants ont ensuite été utilisés pour tenter d'effectuer la capture du C₆₀ en solution et d'observer l'interaction par UV-vis. Le métallocavitant Ta₃-exTTF a aussi été utilisé pour cette étude. Les dernières études sont séparées en trois section. Dans la première, nous avons entrepris l'expansion de notre concept de métallocavitants trimétalliques au groupe IV des métaux de transition en effectuant la préparation de plusieurs métallocavitants à base de Zr(IV) et de ligands carboxylates. Les complexes Zr₃-Ph, Zr₃-4Br, Zr₃-4C1, Zr₃-4Ph, Zr₃-4OBn, Zr₃-PhEt et Zr₃-Napht, analogues de nos composés trimétalliques de tantale, ont été préparés à partir des acides carboxyliques correspondant. La deuxième décrit la réactivité du complexe Ta₃-4Br lors de la substitution des bromures par lithiation à l'aide de rBuLi suivie d'une méthylation à l'aide d'iodométhane. Finalement, la troisième section décrit la synthèse du composé Ta₃-Carbox obtenu par la réaction du Cp*TaMe₄ avec l'acide 4-biphénylecarboxylique. La structure moléculaire de ce complexe possédant un ligand bis(olate) inhabituel est présentée.

Les systèmes microbioélectrochimiques exploitent le métabolisme de microorganismes particuliers afin de catalyser des réactions d'oxydoréduction. Ces microorganismes organisés en biofilms à l'anode ou à la cathode sont en général des bactéries dites électroactives et peuvent être exploités dans une multitude d'applications. Une revue bibliographique des aspects fondamentaux et applicatifs de ce domaine est présentée. La génération d'électricité couplée à l'épuration d'eaux usées à l'anode de piles à combustible microbiologiques a été étudiée. Des bioanodes développées à partir d'acétate (substrat non fermentescible) sont capables de s'adapter et de dégrader le glucose et le lactose (substrats fermentescibles). Leur adaptation et leurs performances dépendent de la maturité du biofilm, du substrat et du renouvellement régulier de l'anolyte. Les propriétés physico-chimiques de la surface des électrodes ont été modulées afin de promouvoir la connexion de biofilms. A l'anode, nous avons étudié le greffage covalent d'acides phényle boroniques susceptibles de se complexer avec des glucides de la membrane externe des bactéries. Cette fonctionnalisation permet de réduire le temps de formation des biofilms et d'en améliorer les performances électriques sur graphite et sur nanotubes de carbone à parois multiples. A la cathode, les modifications de surface connues sur les bioanodes n'ont pas démontré d'influence sur les performances des biocathodes. Les différentes phases du développement de biocathodes catalysant la réduction du dioxygène à haut potentiel ont été étudiées. Le suivi de biocathodes réduisant le CO2 en acides organiques montre une production séquentielle d'acides organiques à chaîne aliphatique de plus en plus longue.

La croissance de polymères bidimensionnels a été étudiée sous ultra-haut vide sur des surfaces métalliques par microscopie à effet tunnel (STM). La première étude concerne la croissance de réseaux nanoporeux covalents bidimensionnels obtenus par réaction de déshydratation des molécules d'acide 1.4 diboronique (BDBA). Les meilleurs réseaux sont obtenus pour les dépôts à flux élevés sur des substrats d'Argent chauffés à 150°C. La deuxième étude concerne la réaction chimique entre les molécules de 1,2,4,5 tétracyanobenzène (TCNB) et les atomes de Fer. La formation de liaison covalente entre les molécules et les atomes de Fer est thermiquement activée par des recuits à 200°C et permet la formation d'octacyanophtalocyanine de Fer. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour la fabrication de matériaux 2D originaux obtenus par des réactions chimiques de surface. / The growth of two dimensional polymers has been studied under ultra-high vacuum on metallic surfaces by scanning tunnelling microscopy (STM). The first study relates on the growth of two dimensional covalent nanoporous networks obtained after dehydratation reaction of the 1,4 diboronic acid benzene molecule (BDBA). The best networks have been obtained with high molecular flux on silver metallic substrates maintained at 150°C during deposition. The second study relates on chemical reaction between the 1, 2, 4, 5 tetracyanobenzene molecule (TCNB) and iron atoms. The reaction takes place after an annealing at 200°C. In that case some iron octacyanophthalocyanine have been successfully synthesised at surfaces. This work opens new perspectives for the fabrication of 2D original materials by chemical reactions on surfaces.

Les systèmes microbioélectrochimiques exploitent le métabolisme de microorganismes particuliers afin de catalyser des réactions d'oxydoréduction. Ces microorganismes organisés en biofilms à l'anode ou à la cathode sont en général des bactéries dites électroactives et peuvent être exploités dans une multitude d'applications. Une revue bibliographique des aspects fondamentaux et applicatifs de ce domaine est présentée. La génération d'électricité couplée à l'épuration d'eaux usées à l'anode de piles à combustible microbiologiques a été étudiée. Des bioanodes développées à partir d'acétate (substrat non fermentescible) sont capables de s'adapter et de dégrader le glucose et le lactose (substrats fermentescibles). Leur adaptation et leurs performances dépendent de la maturité du biofilm, du substrat et du renouvellement régulier de l'anolyte. Les propriétés physico-chimiques de la surface des électrodes ont été modulées afin de promouvoir la connexion de biofilms. A l'anode, nous avons étudié le greffage covalent d'acides phényle boroniques susceptibles de se complexer avec des glucides de la membrane externe des bactéries. Cette fonctionnalisation permet de réduire le temps de formation des biofilms et d'en améliorer les performances électriques sur graphite et sur nanotubes de carbone à parois multiples. A la cathode, les modifications de surface connues sur les bioanodes n'ont pas démontré d'influence sur les performances des biocathodes. Les différentes phases du développement de biocathodes catalysant la réduction du dioxygène à haut potentiel ont été étudiées. Le suivi de biocathodes réduisant le CO2 en acides organiques montre une production séquentielle d'acides organiques à chaîne aliphatique de plus en plus longue. / Microbial electrochemical devices use the metabolism of particular microorganisms to catalyze redox reactions. The microorganisms organized as biofilms onto anodes and cathodes are usually bacteria defined as electroactive and can be harnessed in electrochemical devices for several applications. A review of the fundamental and practical aspects of this field is presented. The simultaneous generation of electricity coupled to pollutant removal was studied at the anode of microbial fuel cells. Bioanodes developed with acetate (non-fermentable substrate) can adapt to the degradation of fermentable substrates (glucose and lactose). Their adaptation and performances depend on biofilm age, nature of the substrate and regular replacement of anolyte. The physico-chemical properties of electrode surfaces were tuned in order to promote microbial connection. At the anode, we investigated the covalent grafting of phenylboronic acids functionalities that are expected to bind with saccharides of the external membrane of bacteria. This functionalization leads to faster biofilm connection and higher performances of bioanodes on graphite and multi-walled carbon nanotubes. At the cathode, the grafting of chemical functionalities that already proved beneficial to bioanodes did not influence the performances of biocathodes. Different development phases of biocathodes catalyzing O2 reduction at high potential were studied. The monitoring of biocathodes catalyzing CO2 reduction showed a successive generation of organic acids with increasing aliphatic chain length.

Le but de cette thèse est de produire des oligomères de cellulose de dispersité faible. Pour ce faire, deux méthodes ont été imaginées : la méthode « fishing » où des oligomères de cellulose sont obtenus par hydrolyse acide puis sont séparés par solubilisation sélective dans une phase organique à l’aide d’un polymère synthétique. Le ratio des tailles du polymère synthétique et des oligomères de cellulose sera responsable de la sélectivité. La méthode « masking » où des portions de cellulose de la taille des futurs oligomères sont protégées par un polymère synthétique lors d’une hydrolyse enzymatique.Dans les deux cas, les polymères synthétiques contiennent des acides boroniques qui permettent une interaction réversible avec les sucres.Malgré de nombreuses tentatives, ces deux méthodes n’ont pas été couronnées de succès. Pour la première, le procédé n’était pas sélectif. Pour la seconde, le polymère permettant une interaction tout au long de la chaine de cellulose n’a pas pu être synthétisé. La dispersité des oligomères obtenus par hydrolyse acide (degrés de polymérisation (DP) de 1 à 12) a cependant pu être réduite de façon satisfaisante en solubilisant les DP les plus faibles dans le méthanol.Enfin, la fraction insoluble dans le méthanol, après fonctionnalisation de l’extrémité réductrice par un groupement azide, a été couplée à un acide stéarique fonctionnalisé alcyne par chimie « click ». L’auto-assemblage de ce nouveau composé amphiphile a été étudié dans l’eau, la CMC a été mesurée à 100 mg.L-1. Les objets observés sont sphériques, de taille homogène avec un diamètre moyen de 140 nm ce qui indique une morphologie en vésicule. / The purpose of this study is to produce uniform cellulose oligomers. In this frame, two methods were considered:for the “fishing” method, the oligomers obtained by acidic hydrolysis of cellulose are separated by selective solubilisation in an organic phase thanks to a synthetic polymer. The size ratio between the synthetic polymer and the cellulose oligomer would be responsible for the selectivity.For the “masking” method, parts of cellulose backbone having the size of the future oligomers are protected with a synthetic polymer during an enzymatic hydrolysis.In both cases, the synthetic polymers contain boronic acid groups that interact reversibly with saccharides.Despite various attempts, these two methods were not crowned with success. The first one was eventually not selective. For the second one, the polymer allowing an interaction all along the cellulose backbone could not be synthesised. The dispersity of the oligomers obtained by acidic hydrolysis (polymerisation degree (DP) from 1 to 12) was satisfactorily decreased by solubilising the smaller DP in methanol.To finish, the methanol-insoluble fraction was functionalised at the reducing end with an azide group. It was then coupled to an alkyne-functionalised stearic acid by click chemistry. The self-assembly of this new amphiphilic compound was studied in water, the CMC was measured at 100 mg.L-1. The particles formed were spherical, homogeneous and had an average diameter of 140 nm, which indicate a vesicle morphology.

La chiralité est une propriété essentielle des molécules naturelles, intervenant dans de nombreux mécanismes biologiques du vivant. Elle peut être caractérisée grâce à l’activité chiroptique des molécules chirales, à travers le dichroïsme circulaire, le pouvoir rotatoire, la dispersion rotatoire optique ou encore la luminescence polarisée circulairement. Les molécules biaryles et hélicéniques possèdent des propriétés chiroptiques intenses et sont des molécules de choix pour leurs applications dans de nombreux domaines, de la catalyse à l’optoélectronique.Les travaux réalisés au cours de cette thèse traitent de la synthèse de nouvelles molécules biaryles et hélicénoïdes et de l’étude de leurs propriétés spectroscopiques en interaction avec leur environnement. Dans un premier temps, nous avons effectué la synthèse de différentes familles de molécules à géométrie hélicoïdale possédant des systèmes aromatiques étendus. Afin de cibler des applications biologiques, nous avons également mis au point leur hydrosolubilisation par introduction de chaînes PEG. Dans un deuxième temps, nous nous sommes consacrés à l’étude de leurs propriétés spectroscopiques et en particulier chiroptiques en fonction de leur structure et de la dépendance de ces propriétés en présence de protons, de métaux ou d’acide désoxyribonucléique (ADN). Au cours de cette étude, une réaction photochimique inattendue a permis d’obtenir un produit photogénéré inédit présentant des interactions sélectives avec des ADN G-quadruplexes. Enfin, afin d’exploiter la modularité contrôlée des propriétés chiroptiques, nous avons travaillé sur un projet de conception de nouvelles molécules chirales pouvant détecter sélectivement les sucres en modifiant le squelette de ces molécules avec des acides boroniques. / Chirality is an essential property of natural molecules, involved in many living biological mechanisms. It can be characterized by the chiroptical activity of chiral molecules, through circular dichroism, rotatory power, optical rotatory dispersion or circularly polarized luminescence. Biaryl and helicenic molecules are known for their intense chiroptical properties and they can be used for their applications in many fields, going from catalysis to optoelectronics.The research carried out during this thesis deals with the synthesis of new biaryl and helicenoid molecules and the study of their spectroscopic properties in interaction with their environment. First, different families of helicoidal molecules with extended aromatic systems have been synthesized. In order to target biological applications, their hydrosolubilization was achieved by the addition of PEG chain. Then, we focused on their spectroscopic and especially chiroptical properties and their modulation according to their structures, their interaction with protons, metals or deoxyribonucleix acid (DNA). During these studies, we experienced an unexpected photochemical reaction, which lead to a new photogenerated product revealing selective interactions with DNA G-quadruplexes. Finally, in order to exploit the controlled modularity of chiroptical properties, new chiral molecules that selectively detecting sugars by with boronic acids have been designed.

Ce manuscrit présente l’utilisation du diisopropylaminoborane comme agent de borylation d’halogénuresd’aryles et de sels d’aryldiazonium. Cet agent de borylation a fait l’objet d’études au sein du laboratoireet de nouvelles méthodologies ont été développées. Une méthodologie générale de borylation de selsde diazonium, catalysée par des métallocènes dérivés du fer, du titane et du zirconium a étédéveloppée, permettant l’accès à des composés d’intérêt comme les halogénures d’aryles borylés. Deplus, une étude cinétique et mécanistique supportée par des calculs théoriques ont permisd’appréhender le mécanisme de cette nouvelle réaction. Une extension de la borylation catalysée aupalladium a été réalisée, permettant l’utilisation de bromures et de chlorures d’aryles ainsi qu’uneméthode de synthèse one-pot de dérivés biaryles non symétriques. Ces méthodes permettent deboryler efficacement des halogénures d’aryles en utilisant une catalyse au palladium homogène ousemi-hétérogène. Enfin, une étude de réactivité entre le diisopropylaminoborane et desorganométalliques dérivés du lithium et du magnésium a été achevée. Une méthodologie généraled’accès aux acides boriniques ainsi qu’une étude mécanistique a été réalisée. / This manuscript describes the use of diisopropylaminoborane as borylating agent of aryl halides anddiazonium salts. This borylating agent has been the subject of studies in the laboratory and newmethodologies has been done. A general methodology of borylation of aryl diazonium salt catalyzed byiron, titanium and zirconium metallocene was developed, allowing access to useful compounds such ashalogenated aryl boron species. Furthermore, kinetic and mechanistic studies supported by theoreticalcalculation allowed a better understanding of the mechanism of the reaction. An extension of thepalladium catalyzed reaction was realized, allowing the use of aryl bromides and chlorides together witha new one-pot unsymetrical biaryl synthesis. Those methods allowed an efficient borylation of arylshalides using homogeneous semi-heterogeneous palladium catalyst. Finally, a study of reactivity of thediisopropylaminoborane and organometallics such as Grignard and organolithium was done. A generalmethodology was developed for the synthesis of diarylborinic acids and a mechanistic study wasachieved.

L'alcool polyvinylique a été fonctionnalisé avec des aldéhydes et des acides boroniques dans le but d'obtenir des polymères pouvant apporter de la brillance tout en étant solubles dans les formulations de rouges à lèvres ou de vernis à ongles. De bons taux de fonctionnalisation ont été obtenus permettant d'avoir une bibliothèque de poly(vinyl acétals) et de poly(vinyl esters boroniques) d'une cinquantaine de polymères. Une multi-fonctionnalisation du PVA a été effectuée pour obtenir des polymères alliant ces deux propriétés. Cinq poly(vinyl acétals) ont ainsi permis d'apporter une forte brillance à des rouges à lèvres. La E-poly-L-lysine a également été fonctionnalisée avec diverses cétones afin d'obtenir de nouvelles poly-4-imidazolidinones. Ces polymères sont prometteurs pour des applications dans des produits cosmétiques tels que des soins. Ils ont également été utilisés en catalyse organique asymétrique.

L’alcool polyvinylique a été fonctionnalisé avec des aldéhydes et des acides boroniques dans le but d’obtenir des polymères pouvant apporter de la brillance tout en étant solubles dans les formulations de rouges à lèvres ou de vernis à ongles. De bons taux de fonctionnalisation ont été obtenus permettant d’avoir une bibliothèque de poly(vinyl acétals) et de poly(vinyl esters boroniques) d’une cinquantaine de polymères. Une multi-fonctionnalisation du PVA a été effectuée pour obtenir des polymères alliant ces deux propriétés. Cinq poly(vinyl acétals) ont ainsi permis d’apporter une forte brillance à des rouges à lèvres. La E-poly-L-lysine a également été fonctionnalisée avec diverses cétones afin d’obtenir de nouvelles poly-4-imidazolidinones. Ces polymères sont prometteurs pour des applications dans des produits cosmétiques tels que des soins. Ils ont également été utilisés en catalyse organique asymétrique. / Poly(vinyl alcohol) has been functionalized with aldehydes and boronic acids to obtain polymers with high shining and being soluble in cosmetic formulations as lipsticks or nail polishes. Good grafting rates have been obtained permitting to have a library of about fifty poly(vinyl acetals) and poly(vinyl boronic esters). Multi-functionalization has been developped to obtain polymers having these both properties. Five polymers gave strong shining to lipsticks. E-poly-L-lysine was also functionalized with several ketones to obtain new poly-4-imidazolidinones. These polymers are promising for cosmetic applications as skincare products. They were also used for organocatalysis.