The unique properties of gold nanoparticles make them excellent candidates for applications in electronics, sensing, imaging, and photothermal therapy. Though abundant literature exists for isotropic gold nanoparticles, work on nanoparticles of different shapes has been gaining interest recently. Anisotropic gold nanoparticles, such as nanorods and nanoprisms, have tunable optical properties in the visible and near-infrared regions. Through synthesis and surface modification, the production of various shapes of these gold nanoparticles can be controlled to meet different applications. Two different types of gold nanorods were used in this thesis. The first type was stabilized with cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and had aspect ratios of 3-4 (defined as the nanorod length divided by the diameter). The second type was synthesized using CTAB and benzyldimethylhexadecylammonium chloride (BDAC) in a binary surfactant system which produced aspect ratios greater than 4. The nanorods were characterized with UV-Vis spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM). Two types of bowl-shaped macrocyclic compounds called resorcinarenes were used to direct self-assembly of the nanorods. The first type of resorcinarene (R2S) consisted of thiol(SH)-terminated alkyl chains on both rims. The second type (R1S) contained thiol-terminated alkyl chains on only one rim. The monolayer formation of these resorcinarenes on planar gold surfaces was studied and characterized by FTIR spectroscopy. Resorcinarene-mediated assembly of gold nanorods was monitored with UV-Vis spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), and TEM. In addition to gold nanorods, gold nanoprisms were synthesized through a kinetically-controlled reduction route in the presence of CTAB. The linking of nanoprisms using resorcinarenes was also explored.

The gold nanorods (AuNRs) have attracted considerable interest due to their special optical properties, strongly dependent on the size and aspect ratio (thickness/length), and thus, their potential applications in optics and medicine (therapy, cancer diagnosis...). In this context, the development of new strategies for the synthesis of anisotropic nanorods with high yields and selectivities remains a challenge towards an effective control of the size and morphology. Among the different preparation routes, the seed mediated method is most commonly used, especially in the presence of cetyltrimethylammonium bromide (CTABr) as a growth-driving agent. To our knowledge, few works have reported in the literature this system in presence of other growth driving agents. In this context, we have developed a novel family of growth driving agents, N,N-dimethyl-N-cetyl-N-hydroxyalkylammonium salts (HAAX), producing gold nanorods with high yields and selectivities in water. These surfactants have good solubility in water and are easily synthesized in good yields in presence of different structural parameters that can be modulated such as: i) the length of the lipophilic chain (C12 , C16 , C18), ii ) the nature of the counter ions by metathesis (X= F-, Cl-, Br-, I-, HCO3- e BF4-), and an original way, iii) hydroxylated polar head. The gold nanoparticles obtained by the seed mediated method were characterized by UV -vis spectroscopy and transmission electron microscopy, showing the influence of the surfactant on the morphology and on the size (aspect ratio) of the gold nanoparticles. Thus, the modulation of this family of ammonium salts allows the access to different shapes and sizes of gold nanoparticles according to the desired application. The growth process control generated by the polar head groups allows the modulation of the structural parameters of gold nanorods and opens interesting perspectives in terms of applications. / Les nanobatônnets d'or (AuNRs) suscitent um intérêt considérable en raison de leurs propriétés optiques particulières, fortement dépendantes de leur rapport d’aspect (longueur/épaisseur), et donc de leurs applications potentielles em optique et en médecine. Dans ce contexte, le développement de nouvelles stratégies pour la synthèse de nanobatônnets avec des rendements et des sélectivités élevés reste un challenge avec un objectif de contrôle efficace de la taille et de la morphologie. Parmi lês différentes voies de préparation, la méthodologie par ensemencement est la plus utilisée, notamment en présence de bromure de cétyltriméthylammonium (CTABr), comme agent de croissance. A notre connaissance, peu de travaux ont été reportés dans la littérature en présence d’autres agents de croissance. Dans ce contexte, nous avons développé une famille originale d’agents de croissance, les sels de N,N-diméthyl-N-cétyl-Nhydroxyalkylammonium (HAAX), produisant des nanobatônnets d’or avec des rendements et des sélectivités elevés dans l’eau. Ces tensioactifs présentant une bonne solubilité dans l'eau sont facilement synthétisés avec de bons rendements, et différents paramètres structuraux peuvent être modules tels que: i) la longueur de la chaîne lipophile (C12, C16, C18), ii) la nature des contre-ions par métathèse anionique (X= F-, Cl-, Br-, I-, HCO3- et BF4-), et plus particulièrement; iii) la tête polaire hydroxylée. Les nanoparticules d’or obtenues par la méthode d’ensemencement ont été caractérisées par spectroscopie Uvvis et par Microscopie Electronique à Transmission, montrant l’influence du tensioactif sur la morphologie et la taille (dimension, rapport d’aspect) des nanoparticules d’or. Ainsi, cette famille de sels d’ammonium, de par sa modularité, permet d’accéder à différentes formes et tailles de nanoparticules d’or suivant l’application souhaitée et ouvre ainsi des perspectives intéressantes en termes d’applications. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Os nanobastões de ouro (AuNRs) têm atraído grande interesse devido às suas propriedades ópticas diferenciadas, fortemente dependentes do tamanho e da taxa de proporção (comprimento/largura) e, às suas potenciais aplicações em óptica e medicina (termoterapias, diagnósticos imediatos, diagnóstico de câncer etc.). Neste contexto, o desenvolvimento de novas estratégias para a síntese de nanobastões anisotrópicos com elevados rendimentos e seletividades contínuas a ser um desafio para a obtenção do controle efetivo da morfologia e do tamanho. Entre as diversas metodologias de preparação, o método mediado por semente é o mais utilizado, especialmente na presença de brometo de cetiltrimetilamônio (CTABr) como um agente direcionador de crescimento. Para nosso conhecimento, poucos trabalhos foram relatados na literatura referentes a esse sistema em presença de outros agentes direcionadores de crescimento. Neste contexto, foi desenvolvida uma nova família de agentes direcionadores de crescimento: os sais de amônio N,N-dimetil-Ncetil-N-hidroxialquilamônio (HAAX), produzindo nanobastões de ouro com alto grau de rendimento e seletividade em meio aquoso. Esses surfactantes possuem uma boa solubilidade em água e são facilmente sintetizados com bons rendimentos e com diferentes parâmetros estruturais que podem ser modificados, tais como: i) o comprimento da cadeia lipofílica (C12, C16, C18), ii) a natureza do contra-íon trocado por metátese aniônica (X= F-, Cl-, Br-, I-, HCO3- e BF4-), e de forma original, iii) a região polar hidroxilada. As nanopartículas de ouro obtidas pelo método mediado por semente foram caracterizadas por espectroscopia de UV-vis e por microscopia eletrônica de transmissão, que mostram a influência do surfactante sobre a morfologia e o tamanho (taxa de proporção) das nanopartículas de ouro. Assim, a modificação da estrutura dos sais de amônio dessa família permite um acesso a diferentes formatos e tamanhos de nanopartículas de ouro de acordo com a aplicação almejada. O controle do processo de crescimento gerado pela região do grupo polar permite a modificação dos parâmetros estruturais dos nanobastões de ouro e abre interessantes perspectivas em termos de aplicações.

Les liquides ioniques à base de sels d’imidazolium sont une classe très importante de composés, compatibles avec de nombreuses réactions organiques et largement employés dans la synthèse organique en tant que solvants, catalyseurs ou ligands. En particulier, les liquides ioniques peuvent être récupérés à la fin de la réaction. Les sels d’imidazolium présentent également des propriétés d’organisation intéressantes, aussi bien en phase solide, liquide et en solution. Cependant, les liquides ioniques traditionnels présentent certains désavantages lorsqu’utilisés comme solvant dans des réactions intramoléculaires, surtout dans le cas où le réactif est apolaire. La faible solubilité de ce dernier dans le milieu ionique conduit à la formation des produits intermoléculaires. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’utilisation des propriétés d’organisation des sels d’imidazolium, tout d’abord pour le développement des nouveaux cristaux liquides ioniques, comme le milieu réactionnel pour la réaction de Diels-Alder intramoléculaire, et ensuite pour la préparation des nanparticules d’or anisotropes. Dans un premier temps, le développement des sels d’imidazolium dicationiques portant des chaînes alkyles flexibles et un cœur rigide, avec des unités imidazolium attachées directement à un noyau naphthalène est rapporté. Par la suite, leurs propriétés thermiques et mésomorphes ont été étudiées. Ces sels sont stables thermiquement et forment une phase cristal liquide de type Smectique T, sur une plage de températures appropriées pour des réactions organiques. En utilisant le milieu cristal liquide comme milieu réactionnel dans la réaction de Diels-Alder, le réactif a été piégé dans la structure organisée de cette phase, ce qui a empêché l’interaction entre deux molecules de réactifs, limitant la formation du produit intermoléculaire. D’ailleurs, le milieu cristal liquide ionique a pu être récupéré et reutilisé à la fin de la réaction. Dans un deuxième temps, l’influence de la structure de la mésophase sur la réaction de Diels-Alder intramoléculaire a été étudiée. Des sels d’imidazolium tricationiques ayant une symétrie C3 ont ete développés dans le but d’obtenir des phases colonnaires. Ces sels possèdent un cœur rigide formé par trois cations imidazolium liés à un noyau benzène et des chaînes alkyles flexibles. Des études thermiques et mésomorphes sur ces composés ont été ensuite réalisées. Ces composés possèdent une haute stabilité thermique et forment une phase colonnaire rectangulaire, stable sur une large gamme de températures. L’influence de cette phase sur la réaction de Diels-Alder a ete étudiée. L’utilisation de la phase colonnaire favorise également la réaction intramoléculaire. En particulier, elle s’est avèree plus efficace que la phase Smectique T, probablement dû à sa structure plus organisée, indiquée par une enthalpie de tranisition cristal liquide – liquide isotrope plus élevée. Dans un dernier temps, nous nous sommes intéressés à l’utilisation des propriétés d’organisation des sels d’imidazolium dans la préparation des nanoparticules d’or anisotropes. Dans cette optique, différents mélanges binaires, composés d’un sel d’imidazolium et le diméthylformamide (DMF), ont été préparés et utilisés comme solvants et stabilisants, dans la synthèse des nanoparticules d’or à température ambiante. L’utilisation de ces milieux nous a permis d’obtenir des particules d’or avec différentes géométries. La forme des nanoparticules d’or obtenus dépend de la structure des sels d’imidazolium utilisés et de la concentration du mélange binaire, à la fois. / Ionic liquids based on imidazolium salts are an important class of compounds, possessing a very good compatibility with various organic reactions, and are widely used as solvents, catalysts and ligands in organic synthesis. Moreover, imidazolium salts possess interesting supramolecular organization in the solid, liquid and solution state. However, ionic liquids present some disadvantages when used as solvents for intramolecular reactions, especially in the case of apolar reactants. The low solubility of ionic compounds in ionic media promote the formation of intermolecular products. The main goal of the research presented in this thesis is to explore the supramolecular organization of imidazolium salts, first in the development of ionic liquid crystals as reaction media for intramolecular Diels-Alder reactions and secondly for the preparation of anisotropic gold nanoparticles. First, the development of dicationic imidazolium salts having a rigid core and flexible alkyl chains is reported. The rigid core is forned by direct attachment of two imidazoliums on a naphthalene moiety. Their thermal and mesomorphic analyses were then carried out. These dicationic salts show a high thermal stability and form a very ordered smectic T phase, over a wide range of temperatures. This mesophase was subsequently used as reaction medium for intramolecular Diels-Alder reactions. In this phase, reactants are trapped in the highly organized structure of the liquid crystal medium, limiting the formation of intermolecular products. Moreover, the ionic liquid crystal, was recoved at the end of reaction by simple extraction. Secondly, the influence of the mesophase’s structure on the Diels-Alder reaction was explored. Tricationic imidazolium satls having a C3 symmetry were developed in order to obtain columnar phases. The rigid core of these salts is composed of three imidazolium units directly attached to the benzene ring. Their thermal stabilities and mesomorphic properties were investigated. The columnar phase formed by these salts was then used as reaction media for Diels-Alder reactions, and it proved to be more efficient than the previously used smectic T phase, due to their more organized structure, as indicated by the higher enthalpy value of the liquid crystal - isotropic liquid transition. iv Finally, the supramolecular organization in solution of two imidazolium salts was explored with the aim to prepare anisotropic gold nanoparticles. Different binary mixtures composed of an imidazolium salt and dimethylformamide (DMF) were prepared and used both as solvent and capping agent in the synthesis of gold nanoparticles, at room temperature. The use of these binary mixture allowed us to synthesize nanoparticles with various geometries. The form of the gold nanoparticles prepared in these binary mixtures was influenced by both, the structre and the concentration of the imidazolium salt used.