Aggregation-induced emission (AIE) is a phenomenon with many applications, such as chemical sensors, biological probes, immunoassay markets, and active layers in fabricating organic light-emitting diodes. AIE materials in polymers can enhance the emissivity of such materials while having the benefits of polymeric materials. This thesis examines the use of AIE polymers to study the effect of structure on the properties. This is done by first synthesizing a monomer with AIE characteristics, tetraphenylethylene-methacrylate (TPEMA). Secondly, polymerizing TPEMA using free and controlled radical polymerizations. Finally, the copolymerization of TPEMA with methyl methacrylate (MMA) to understand the effect of spaced-out TPE groups in the polymer chain on the photoluminescence of the polymer. The structures of all intermediates and final products were characterized by nuclear magnetic resonance (NMR) and size exclusion chromatography (SEC). The AIE characteristics were proven and compared using the photoluminescence graphs, showing that the homopolymer had increased emission intensity than its monomer. The copolymer had higher emission intensity than TPEMA and higher normalized emission intensity than that of the homopolymer, showing the effect of structure on the photoluminescence. Both the homopolymer and the copolymer were easier to aggregate than the monomer, making it more effective to utilize the material in applications where it needs to be emissive in diluted solutions. The glass transition temperature and the tacticity of the homopolymer and copolymer were also compared. The thesis is divided into the following five chapters; 1. Introduction, where a brief background along with the scope of the thesis is provided; 2. Literature Review, where a summary of controlled radical polymerization and AIE is given; 3. Experimental Section, where the materials' detailed procedure and characterization are provided; 4. Results and Discussion, where results of successful experiments are discussed; 5. Concluding Remarks, where the results are summarized, and future work is discussed.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18292号 / 工博第3884号 / 新制||工||1596(附属図書館) / 31150 / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 中條 善樹, 教授 澤本 光男, 教授 杉野目 道紀 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

付記する学位プログラム名: 充実した健康長寿社会を築く総合医療開発リーダー育成プログラム / 京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21793号 / 工博第4610号 / 新制||工||1718(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 田中 一生, 教授 秋吉 一成, 教授 大内 誠 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

La première partie de ces travaux de thèse concerne la synthèse d’acides aminés phosphole par formation d’une liaison P-C. Les propriétés de fluorescence (absorption, émission et rendement quantique) sont modulées à la fois par les différents substituants présents sur le phosphore (BH3, O, S…) ainsi que par le squelette aromatique du phosphole. Des couplages peptidiques modèles réalisés en solution et sur support solide démontrent la possibilité d’intégrer ces acides aminés dans des peptides d’intérêts. La deuxième partie concerne la synthèse de nouveaux phospholes fonctionnalisés ainsi que d’une nouvelle méthode d’accrochage pour les introduire sur différents groupes pendants (SH, NH2, OH) d’acide aminés et peptides via la formation de liaisons P-S, P-N ou P-O. La troisième partie de ce travail a consisté en la synthèse d’une nouvelle classe d’acides aminés tétraphénylsilole fluorescents qui présentent des propriétés d’AIE (aggregation-induced emission) et pourront être utilisés pour le marquage de peptides d’intérêts. / The first part of this work is focused on phospholyl amino acids synthesis by formation of a P-C bond. The fluorescent properties (absorption, emission and quantum yield) are modulated either by the substituent on the phosphorus atom (BH3, O, S, …) or by the aromatic skeleton of the phosphole. Peptide coupling in solution or on solid support were performed and showed the possibility to introduce such amino acids into peptide of interest. The second part of this work is dedicated to the synthesis of new functionalized phospholes for a chemoselective grafting on amino acid and peptides pendant groups (SH, NH2, OH) via PS, P-N or P-O bonds. The third part consists into the synthesis of a new class of tetraphenylsilole amino acids which exhibit AIE (aggregation-induced emission) fluorescent properties. Those compounds were successfully incorporated into di- an tri- peptides in solution and on solid support.

Avec le progrès scientifique et les besoins sociétaux, diverses méthodes de détection spécifiques et sensibles des métaux, des protéines et d’autres biomolécules sont largement utilisées dans la protection de l’environnement, la surveillance des maladies, la pharmacothérapie, la production agricole, l’industrie et d’autres domaines importants. Les sondes fluorescentes sont largement développées sur la base des phénomènes de transfert d’énergie (ICT, PET, FRET) et appliquées par exemple à la détection de contaminants ou à l'imagerie cellulaire. Mais l’effet d’agrégation (ACQ) atténue généralement l’intensité de la fluorescence et limite ainsi les applications de sondes organiques (souvent peu solubles dans l’eau) dans l’imagerie cellulaire et les systèmes vivants. Par conséquent, le concept d'« agregated induced emission » (AIE) représente une solution à ces problèmes d’agrégation et plusieurs glycoclusters, glyco-sondes et glyco-complexes fluorescents ont été conçus et reportés pour des applications en analyse biologique. Notre premier projet visait à concevoir et à synthétiser des glyco-polymères fluorescents pour le ciblage cellulaire et l’adressage de médicaments, tandis que la fluorescence permettrait la détection des cellules ciblées. Pour surmonter l'effet ACQ et les interférences provenant de la fluorescence biologique naturelle, nous avons conjugué le dicyanométhylène-4H-pyrane (DCM) et le tétraphényléthène (TPE) afin d'obtenir des sondes fluorescentes (AIE) émettant dans le proche infrarouge. Les glycosides ont fourni une bonne solubilité dans l'eau et l'auto-assemblage a conduit à des systèmes de détection et à une imagerie des cellules cancéreuses. Les glyco-polymères à base de TPE ont été synthétisés à partir de monomères de TPE incorporant deux monosaccharides par conjugaison azide-alcyne (CuAAC) et ces monomères ont été polymérisés par des réactions de CuAAC ou thiol-ène. Les glyco-polymères à base de TPE ne présentaient malheureusement pas une assez grande longueur de chaîne (généralement moins de 7 unités) et les propriétés fluorescentes attendues ne pouvaient donc pas être atteintes. Nous avons ensuite conçu et synthétisé des glyco-dots auto-assemblés par des sondes DCM et des glycoclusters à base de TPE. Les glyco-dots ont présenté une hydrosolubilité élevée et une réponse sélective au peroxynitrite (ONOO-) à la fois in vitro et dans des analyses cellulaires. Les glyco-dots pourraient détecter ONOO- endogène et exogène, mais sans reconnaissance cellulaire spécifique. Nous avons conçu et synthétisé des sondes fluorescentes AIE pouvant s'auto-assembler avec des glycoclusters à base de TPE. Les glyco-dots résultants étaient facilement solubles dans l'eau et présentaient une sensibilité et une sélectivité excellentes pour la détection du thiophénol in vitro et dans des échantillons d'eau environnementaux.Nous avons finalement combiné les deux fragments TPE et DCM pour synthétiser un nouveau fluorophore AIE (TPE-DCM) avec émission à longue longueur d'onde. Ensuite, la conjugaison avec des glycosides par CuAAC a conduit à des sondes AIE fluorescentes à émission de longue longueur d'onde, avec une excellente solubilité dans l'eau. Une application à la détection de glycosidases in vitro et dans des dosages cellulaires ou sur des modèles animaux a été possible avec ces sondes / With scientific and social progress, various methods for the specific and sensitive detection of metals, proteins and other biomolecules are widely utilized in environmental protection, disease surveillance, drug therapy, agricultural production, industry and other significant areas. Fluorescent probes are widely developed based on ICT, PET, FRET and other fluorescence mechanisms, and applied to the detection of contaminants or in cell imaging. But the ACQ effect usually quenched the fluorescence intensity and thus limited the applications of organic probes in cell imaging and living systems. Therefore, the concept of aggregated-induced emission (AIE) appears as a possible solution to these problems and several fluorescent glycoclusters, glyco-probes and glyco-complexes were designed and reported for biological analysis. Our first project aimed to design and synthesize fluorescent glyco-polymers with multiple glycosides for cell targeting and drug delivery while fluorescence will allow the detection of the targeted cells. To overcome the ACQ effect and interference from natural biological background fluorescence, we conjugated dicyanomethylene-4H-pyran (DCM) and tetraphenylethene (TPE) to obtain near-infrared AIE fluorescent probes. The glycosides provided good water solubility and self-assembly in water led to detection systems and imaging cancer cells. TPE-based glycopolymers were synthesized from TPE monomers incorporating two monosaccharides by CuAAC conjugation and these monomers were polymerized by either CuAAC or thiol-ene “click” reactions. The TPE-based glycopolymers did not display a large chain length (typically less than 7 units) and the expected fluorescent properties could not be reached. We then designed and synthesized glyco-dots self-assembled by DCM probes and TPE-based glycoclusters. The glyco-dots displayed high water-solubility and selective response to peroxynitrite (ONOO-) both in vitro and in cell assays. The glyco-dots could detect endogenous and exogenous ONOO- but no specific cell recognition. We designed and synthesized AIE fluorescent probes which could self-assemble with TPE-based glycoclusters. The resulting glyco-dots were readily water soluble and displayed excellent sensitivity and selectivity for thiophenol detection in vitro and in environmental water samples. We finally combined both TPE and DCM moieties to synthesize a novel AIE fluorophore (TPE-DCM) with long-wavelength emission. Then conjugation with glycosides through CuAAC led to AIE fluorescent probes with long-wavelength emission, excellent water-solubility. Application to the detection of glycosidases in vitro and in cell assays or animal models was possible with these probes

Luminogens are molecules that emit light upon exposure to high-energy light, and fluorophores are one class of luminogens. Applications of fluorophores range from microviscosity sensors to light emitting diodes (LEDs), as well as biosensors, just to name a few. Many of these applications require the fluorophore to be in the aggregate or solid state. Some fluorophores become highly emissive in the aggregate state; these fluorophores are aggregation-induced emission (AIE) luminogens. Currently, very few quantum mechanical mechanisms have been proposed to describe the unique AIE behavior of luminogens. Boron difluorohydrazone (BODIHY) dyes are a new type of AIE fluorophore. The bright emission is from the S>1 excited state (“anomalous” emission) contrary to Kasha’s Rule. Thus, the mechanism Suppression of Kasha’s Rule (SOKR) was proposed to be responsible for the family of BODIHY dyes. We hypothesize that the SOKR mechanism can explain AIE as well as the anomalous emission of other fluorophores. New BODIHY derivatives (para-CO2H BODIHY, aluminum difluorohydrazone (ALDIHY), and paranitro ALDIHY) were predicted to be bright anomalous fluorophores through density functional theory (DFT) and time-dependent DFT (TDDFT) investigations. In addition, a series of anomalous fluorophores were investigated to determine if their photophysical properties could be explained by the SOKR mechanism (azulene, 1,6-diphenyl-1,3,5hexatriene, and zinc tetraphenylporphyrin). Finally, several triazolopyridinium and triazoloquinolinium dyes were computationally investigated by DFT and TDDFT calculations, and an accurate computational model for the large Stokes shifts of these dyes was developed. In conclusion, a better understanding of the photophysical properties through DFT and TDDFT modeling and spectroscopic investigation of hydrazone-based fluorophores has been achieved. In addition, the metal active sites and cofactors of metalloproteins were probed by optical spectroscopy, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, and DFT modeling. In conjunction, these techniques can be used to elucidate the electronic structure responsible for the unique function of these metalloproteins. Specifically, a novel ironsulfur cluster of a metalloprotein that may be involved in endospore formation of Clostridium difficile, CotA, was characterized by magnetic circular dichroism (MCD) spectroscopy. We propose that CotA contains a high-spin [4Fe-4S] cluster and a Rieske [2Fe-2S] cluster. It appears that the multimerization of the protein is related to the cluster conversion at the interface of monomeric subunits where two [2Fe-2S] clusters combine to form the [4Fe-4S] cluster. In addition, a putative cobalamin acquisition protein from Phaeodactylum tricornutum, CBA1, was not expressed at sufficient concentrations in Escherichia coli for spectroscopic investigation. Finally, a new technique was developed using cobalt-59 NMR spectroscopy to better understand the nucleophilic character of cobalt tetrapyrroles, such as cobalamin (vitamin B12), as biological cofactors as well as synthetic catalysts. New insight into the electronic structure provides valuable information related to the mechanism of these metalloproteins.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22155号 / 工博第4659号 / 新制||工||1727(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 田中 一生, 教授 秋吉 一成, 教授 古賀 毅 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22891号 / 工博第4788号 / 新制||工||1749(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 田中 一生, 教授 秋吉 一成, 教授 古賀 毅 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23160号 / 工博第4804号 / 新制||工||1751(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科分子工学専攻 / (主査)教授 関 修平, 教授 今堀 博, 教授 梶 弘典 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18295号 / 工博第3887号 / 新制||工||1596(附属図書館) / 31153 / 京都大学大学院工学研究科高分子化学専攻 / (主査)教授 中條 善樹, 教授 赤木 和夫, 教授 辻 康之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM