Abstract: Owing to the light-induced switching between their trans- and cis-isomers, azobenzenes display a wide range of applications including stimuli-responsive polymers, acid-base indicators, colorful systems, liquid crystals, and bio-medicals. In the past decades, much research on azobenzenes has been carried out and they have become a growing research topic. Particularly, the synthetic methodology of azobenzene derivatives has become mature. However, a general synthetic method of furnishing the bis- and tris-azobenzene compounds in one step is still lacking, and the study of bis-azobenzene is nearly blank including the solution properties and applications. In this thesis, we focus on the design, and preparation of bis-, tris- and small cyclic azobenzene derivatives; followed by a further investigation of their properties in solution. We also explore the preparation and applications of azobenzene-based stimuli-responsive polymeric materials. The first chapter describes an efficient strategy for the synthesis of bis- and tris-azobenzene derivatives. In this synthetic pathway, the bis- and tris-azobenzenes could be obtained in one pot, together with mono-azobenzene side products. By modifying the reaction conditions, the yields of the azobenzene compounds were mainly dependent on the substituents on the phenols and diazonium salts, and the molar ratio of starting materials. Compared with the unsubstituted aniline, the use of anilines with electron-withdrawing groups, leading to electron-deficient diazonium salts, favors the formation of mono-azobenzenes, rather than bis-azobenzenes. Whereas, anilines with electron-donating groups are not efficient during the first step leading to the formation of mono-azobenzene and thus favor the generation of bis-azobenzenes. Large amounts of anilines (over two-fold and three-fold excess), are the best choice to obtain bis- and tris-azobenzenes in good yields. In Chapter 2, we describe a novel method for the cyclization of mono- and bis-azobenzenes without ultraviolet light to form seven-membered heterocycles. The starting materials contain ortho-fluoro atom and ortho-phenol groups on the phenyl rings of the azobenzene systems. The role of the fluoro substituent is twofold. It promotes the stability of the cis-form of the azobenzene and it acts as a leaving group when its carbon atom neighbor is attacked by the phenolate. The nature of solvents was found to have a pronounced effect on the spontaneous cyclization reaction by stabilizing the  intermediate complex. The cyclization rate could be accelerated under the UV irradiation and by using more polar solvents. Due to the competing keto-enol tautomerizations and cyclizations, we observed complicated changes in UV-vis absorption and color of solutions over time. It was revealed that, for ortho-hydroxyl azobenzenes with ortho-fluorine atom in polar solvents, the trans-to-cis isomerization and cyclization happened under daylight, and keto-enol tautomerization occurred in the dark. In Chapter 3, we studied a class of novel dual-responsive (photo- and thermo-) copolymers by modifying Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) with bis-azobenzene moieties. The copolymers were prepared from a free radical copolymerization of N-isopropylacrylamide (NIPAM) and bis-azobenzenes bearing electron-donating or electron-accepting substituents. It was found that bis-azobenzene moieties could influence the cloud point of aqueous copolymer solution due to the photoisomerization of bis-azobenzenes and the conformation of polymer chain upon the photoreactions. Varying substituents on bis-azobenzene moieties, the copolymer solutions displayed an opposite cloud point shift after the photoreactions of the chromophores. When the substituents on azobenzene have push-pull feature, the polymer chains prefer aggregation after UV irradiation, which decreases the cloud point. By contrast, the cloud point shifts to higher temperature upon UV light irradiation when the bis-azobenzenes bears the donors, which is caused by cis-isomer being more hydrophilic than the trans-isomer. However, the effect of photoisomerization of azobenzene on the cloud point shift appears to be greater on PNIPAM containing mono-azobenzene pendent groups. / En raison de la commutation induite par la lumière entre leurs isomères trans et cis, les azobenzènes affichent une gamme étendue d'applications. On y retrouve des polymères sensibles aux stimuli, des indicateurs acido-basiques, des systèmes colorés, des cristaux liquides et des matériaux aux applications biomédicales. Dans les dernières décennies, de nombreuses recherches sur les azobenzènes ont été menées et ils sont devenues un sujet de plus en plus important. En particulier, la méthodologie de synthèse des dérivés d'azobenzène est devenue mature. Cependant, une méthode synthétique générale pour l’obtention des composés bis- et tris-azobenzène en une seule étape est encore manquante, et l'étude du bis-azobenzène est presque vierge, y compris les propriétés et les applications en solution. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la conception et la préparation de bis-, tris- et de petits dérivés cycliques de l'azobenzène. Ce premier volet est suivi d'une étude plus poussée de leurs propriétés en solution. Nous explorons également la préparation et l'application de matériaux polymères d'azobenzène, réagissant à plusieurs stimulations. Le premier chapitre décrit une stratégie efficace pour la synthèse des dérivés bis- et tris-azobenzène. Dans cette voie de synthèse, les bis- et tris-azobenzènes peuvent être obtenus dans un pot réactionnel, avec des produits secondaires mono-azobenzène. En modifiant les conditions de réaction, les rendements des composés azobenzène dépendent principalement des substituants sur les phénols et les sels de diazonium, et du rapport molaire des produits de départ. Par rapport à l'aniline non substituée, l'utilisation d'anilines avec des groupes électroattracteurs, conduisant à des sels de diazonium déficients en électrons, favorise la formation de monoazobenzènes plutôt que de bis-azobenzènes. En revanche, les anilines à groupements donneurs d'électrons ne sont pas efficaces au cours de la première étape conduisant à la formation de monoazobenzènes et favorisent ainsi la génération de bis-azobenzènes. De grandes quantités d'anilines (excès de plus de deux et trois fois) sont le meilleur choix pour obtenir des bis- et tris-azobenzènes avec de bons rendements. Dans le chapitre 2, nous décrivons une nouvelle méthode de cyclisation des mono- et bis-azobenzènes, sans lumière ultraviolette, pour former des hétérocycles à sept chaînons. Les produits de départ contiennent des groupes ortho-fluoro et orthophénol sur les cycles phényle des systèmes azobenzène. Le rôle du substituant fluoro est double. Il favorise la stabilité de la forme cis de l'azobenzène et agit comme un groupe partant lorsque son atome de carbone voisin est attaqué par le phénolate. La nature des solvants s'est avérée avoir un effet prononcé sur la réaction de cyclisation spontanée en stabilisant le complexe intermédiaire . La vitesse de cyclisation peut être accélérée sous l'irradiation UV et en utilisant des solvants plus polaires. En raison des tautomérisations céto-énol et des cyclisations en compétition, nous avons observé que l’évolution des spectres d'absorption UV-vis et de la couleur des solutions au fil du temps était compliqué. Il a été révélé que, pour les ortho-hydroxyl azobenzènes avec un atome d'ortho-fluor dans les solvants polaires, l'isomérisation et la cyclisation trans-cis se produisaient à la lumière du jour et que la tautomérisation céto-énol se produisait dans l'obscurité. Dans le chapitre 3, nous avons étudié une classe de nouveaux copolymères biosensibles (photo- et thermo-) en modifiant le poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) avec des portions bis-azobenzène. Les copolymères ont été préparés à partir d'une copolymérisation radicalaire de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et de bis-azobenzènes portant des substituants donneurs ou accepteurs d'électrons. Il a été constaté que les fragments bis-azobenzène pouvaient influencer le point de trouble de la solution aqueuse de copolymère en raison de la photoisomérisation des bis-azobenzènes et de la conformation de la chaîne polymère lors des photoréactions. En changeant les substituants sur les fragments bis-azobenzène, les solutions de copolymères présentaient un décalage du point de trouble opposé après les photoréactions des chromophores. Lorsque les substituants sur l'azobenzène ont une influence «push-pull», les chaînes polymères préfèrent l'agrégation après l'irradiation UV, ce qui diminue le point de trouble. En revanche, le point de trouble passe à une température plus élevée lors de l'irradiation par la lumière UV lorsque les bis-azobenzènes portent des donneurs, ce qui est dû au fait que l'isomère cis est plus hydrophile que l'isomère trans. Cependant, l'effet de la photo-isomérisation de l'azobenzène sur le décalage du point de trouble semble être plus important sur les groupes pendants mono-azobenzène contenant du PNIPAM.

Les récepteurs purinergiques P2Xs sont impliqués dans de nombreux processus physiopathologiques et représentent des cibles thérapeutiques majeures. Leur étude souffre néanmoins d’un manque de molécules pharmacologiques sélectives des différents sous-types et les mécanismes impliqués dans les transitions allostériques restent putatifs.Nous avons développé des outils optochimiques innovants, dérivés d’azobenzènes permettant une maîtrise spatiale et temporelle inégalée de la fonctionnalité du récepteur : d’une part,un outil dérivé d’une stratégie de pharmacologie optogénétique contrôlant l’activité d’un récepteur ingéniéré et d’autre part, une sonde moléculaire capable d’induire des mouvements entre des résidus au sein de la protéine et d’étudier les mécanismes lors de l’activation. Ces travaux nous ont permis de proposer un nouveau mécanisme d’activation du récepteur. Ces deux outils pourraient être utilisés sur d’autres cibles pour des investigations moléculaires et physiologiques. / Purinergic P2X receptors are implicated in a diverse range of physiopathological processes and are therefore promising therapeuthic target. Their study suffers from the lack of pharmacological tools selective of one subtype only and mechanisms by which the receptor switches between different conformational states remain elusive.We have developed novel optochemical tools based on azobenzene derivatives to obtain a spatio temporal control of the functionality of the receptor. Inspired by optogenetic pharmacology, we have designed an engineered receptor to control electrical activity of cultured neurons. Molecular photo-switchable tweezers have been developed to explore allosteric transitions of the protein and giving new insights into the P2X pore gating mechanism. This approach provides data enabling us to purpose a new model of the active state. The versability of the two strategies makes these tools promising for molecular and physiological studies of other membrane proteins.

Cette thèse comporte deux parties indépendantes. La première étude présente les premiers exemples de métallation de la structure azobenzène par les réactifs organométalliques polaires. Largement utilisés en tant que colorants, les azobenzènes trouvent actuellement de nombreuses applications dans le domaine des matériaux en raison de leur facile photoisomerisation E/Z. Il est montré que les bases organométalliques polaires classiques (n-BuLi, n-BuLi/TMEDA, n-BuLi/t-BuOK, TMPMgCl.LiCl, LDA) ne métallent pas l’azobenzène parent mais réduisent plutôt la liaison N=N. Cependant la métallation est possible avec le tétraméthylpipéridure de lithium si un groupement directeur de métallation tel que le méthoxy (OMe), diéthylamide (CONEt2) ou fluoro (F) est présent sur l’azobenzène. La réaction permet un accès original et direct à de nouveaux azobenzènes substitués. L’objectif de la deuxième partie est la synthèse de dérivés biaryliques chiraux en l’absence de métaux de transition (Pd, Ni…). Les biaryles chiraux sont présents dans de nombreuses molécules biologiquement actives et peuvent être utilisés comme ligands pour la catalyse asymétrique. La substitution nucléophile aromatique des acides naphtoïques en présence de ligands chiraux a été étudiée. Une optimisation fine des conditions réactionnelles (choix du solvant, température, structure du ligand…) a permis de préparer des 1,1’-binaphtalènes, 1,2’-binaphtalènes et phénylnaphtalènes avec de bons rendements et excès énantiomériques (jusqu’à 89% ee). La substitution nucléophile aromatique atroposélective de dérivés d’acides naphtoïques de type naphtyloxazolines et naphtoates est également décrite. / This thesis is divided into two independant parts. The first part describes for the first time the chemoselective lithiation of azobenzenes. Azobenzenes derivatives are widely used as dyes and more recently have been applied to the preparation of photoresponsive molecular switches and materials by taking advantage of the N=N bond E/Z photoisomerization. Whereas standard polar organometallics (n-BuLi, n-BuLi/TMEDA, n-BuLi/t-BuOK, TMPMgCl.LiCl, LDA) reduce the N=N bond of the parent compound, aromatic HLi permutation occurs with LTMP when a suitable director of lithiation (OMe, CONEt2, F) is present in the benzene residue of the azo compound. The method allows a direct access to new substituted azobenzenes.Axially chiral biaryls, which are found in many biologically active natural products, are conventionally used as ligands for asymmetric catalysis. The purpose of the second part is to develop a new method for the preparation of axially chiral biaryls in the absence of transition metals (Pd, Ni…). To tackle that goal, nucleophilic aromatic substitution reactions on unprotected naphthoic acids were performed in the presence of chiral ligands. A careful optimization of the reaction parameters (choice of the solvent, temperature, structure of the ligand…) allowed to prepare chiral 1,1’- binaphthalenes 1,2’- binaphthalenes and phenylnaphthalenes in good yields and enantiomeric excesses (up to 89% ee). The atroposelective SNAr reaction of naphthyloxazoline and naphthoate derivatives was also reported.

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique. / Dip-coating is a rapid and efficient method for forming thin films of block copolymers (BCPs) of various thicknesses and nano-morphologies. However, very few studies focused on dip-coating of supramolecular and/or photosensitive BCPs. Dip-coating of poly(styrene-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) BCPs was first studied using the small molecules (SM), 1-naphthoic acid (NCOOH) and 1-naphthol (NOH), which can form hydrogen bonds with the P4VP block, in four different solvents [tetrahydrofuran (THF), p-dioxane, toluene and chloroform]. The uptake molar ratio, SM/VP, in the thin films generally increases with the dip-coating rate, but its variation is strongly dependent on the solvent and the PM used. More specifically, the uptake ratio as well as the morphology of the dip-coated thin films depend on the ability (or lack thereof) of the solvent to form hydrogen bonds with the SM and its selectivity towards the PS block, which leads (or does not lead) to micellar P4VP/PM solutions, where the rigidity of the micellar cores influences the kinetic state of the dried thin film. The dependence of film thickness on the dip-coating rate, which is V-shaped, defines two regimes, termed capillarity and draining. These regimes influence the uptake ratio and final morphologies differently. Subsequently, we investigated a relatively low molecular weight PS-P4VP (24k-9,5k), which does not form micellar solutions in THF, complexed with two photosensitive azobenzene (AB) small molecules, namely 4-hydroxy-4'-butyl-azobenzene (BHAB) and 4-hydroxy-4'-cyano-azobenzene (CHAB). These ABs not only can form hydrogen bonds with the P4VP block but can also isomerize between trans and cis forms under illumination. Experiments with PS-P4VP/BHAB in THF (non-micellar) and toluene (micellar) showed that irradiation during dip-coating provokes a transition from spherical to cylindrical morphology at low dip-coating rates not observed in the dark. This transition is explained by the increase in the BHAB/VP uptake ratio under illumination and by the larger volume of the BHAB cis form relative to BHAB trans isomers. Irradiation also increases the film thickness, even without AB present, which is attributed to a heating effect. Thus, the combination of in-situ irradiation with dip-coating has been shown to be a useful and simple method for external control of photosensitive thin film patterns. Finally, THF solutions of PS-P4VP/CHAB and PS-P4VP/BHAB with the low molecular weight BCP (non-micellar) and a BCP of higher molecular weight (36,5k-16k, micellar) were investigated to understand the effect of shorter (CHAB) vs. longer (BHAB) AB half-life and the presence or not of micelles in solution. The morphological photocontrol loses some of its effectiveness with CHAB, as shown by the less pronounced increase in uptake ratio of CHAB compared to BHAB in the illuminated films relative to non-irradiated films dip-coated from THF solutions. The presence of micelles does not influence the (BHAB/VP) uptake ratio, but it slows down the morphological evolution in the drying films, as shown by the freezing in of greater spherical morphological character compared to the non-micellar solution, thereby limiting the possibilities of a morphological transition.