Cette thèse porte sur la modélisation des propriétés structurales, aromatiques et spectroscopiques d'une nouvelle classe de macrocycles alternatifs aux porphyrines, les azacalixphyrines (ACPs). Ces macrocycles conjugués, synthétisés et caractérisés pour la première fois en 2010 par le groupe d’Olivier Siri à Marseille, ont montré des propriétés exceptionnelles (structure, absorption, tautomérie, et complexation). Cette thèse vise à proposer de nouveaux dérivés aux propriétés améliorées, notamment en ce qui concerne leur absorption, en utilisant les outils offerts par la chimie théorique. Parmi toutes les approches ab initio permettant de modéliser les ACPs, la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et sa forme dépendante du temps (TDDFT) ont été principalement appliquées, bien que des calculs utilisant des méthodes alternatives aient également été effectués, notamment à l'aide du formalisme Bethe-Salpeter (BSE/evGW) dans le cadre d'une collaboration avec l'équipe du Dr. Xavier Blase à Grenoble. Trois stratégies chimiques ont été évaluées: (i) l’extension de la délocalisation des électrons  en fusionnant plusieurs unités ACP; (ii) la substitution de l’ACP via l'addition de groupes électroactifs; et (iii) le couplage du macrocycle avec un fluorophore présentant une absorption complémentaire afin d'absorber la lumière sur une plus grande gamme du spectre et déclencher des processus de transfert d'énergie entre les sous-unités. Les deux premiers axes ont été réalisés en collaboration avec l'équipe d’Olivier Siri alors que le dernier est le fruit d'une collaboration avec le groupe de Benedetta Mennucci à Pise. / This thesis focuses on the modeling of the structural, aromatic, and spectroscopic properties of a new class of macrocycles alternative to porphyrins, i.e., azacalixphyrins (ACPs). These conjugated macrocycles have first been synthesized and characterized in 2010 by Siri’s group in Marseille and revealed exceptional features (structure, NIR absorption, tautomerism, and complexation). This thesis aimed at using ab initio methods to propose new ACP derivatives with improved properties with a focus on their absorption. The Density Functional Theory (DFT) and Time- Dependent DFT (TD-DFT) methods have been predominantly applied, although alternative wavefunction-based theories [the second-order Coupled-Cluster, CC2, and the Algebraic Diagrammatic Construction, ADC(2)] as well as the Bethe-Salpeter formalism, BSE/evGW, have also been used. Three major directions to develop new ACP derivatives have been investigated: (i) the extension of the ACP -conjugation path by fusing several ACP moieties leading to multimers; (ii) chemical modifications of the ACP unit by addition of electroactive groups; and (iii) coupling of the ACP moiety with a fluorophore presenting a complementary absorption spectrum in order to improve the light harvesting and to trigger excitation energy transfer processes. The two former axes have been investigated in collaboration with Siri’s team whereas the latter has arisen from a collaboration with the Mennucci’s group.

Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire ont ciblé trois familles de molécules π-conjuguées et s’inscrivent plus particulièrement dans le développement de la chimie des amino-azacalixarènes et des dérivés de phénazine, et d’une nouvelle classe de tétraazamacrocycles aromatiques appelés « azacalixphyrine ». Ces composés étant émergents dans la littérature, nous avons volontairement porté nos efforts sur la synthèse et la compréhension de ces nouveaux systèmes π-conjugués afin d’élaborer de nouvelles voies de synthèse mais aussi, le cas échéant, d’établir des relations structure / propriétés. L’accès synthétique à ces composés est basé sur des réactions de substitutions nucléophiles aromatiques. De nouveaux outils moléculaires sont ainsi proposés pour différentes applications dans le domaine de l’énergie, des matériaux et/ou de la santé. / The thesis work deals with three families of π-conjugated molecules and particularly focuses on amino-azacalixarenes and phenazine derivatives as well as a new class of aromatic tetraazamacrocycles named “azacalixphyrin”. Since these compounds are emerging in the literature, we have deliberately focused our efforts on their synthesis and on the physico-chemical studies of these new π-conjugated systems in order to, when it is appropriate, establish structure / properties relationships. The synthetic accesses to these compounds are mainly based on aromatic nucleophilic substitutions. All these derivatives are potentially new molecular tools for various applications in the fields of energy, materials and medicines.