Bats are a paragon of evolutionary success. They rely on parsimonious sensory inputs provided by echolocation, yet are able to master lives in complex environments. The outer ears (pinnae) of bats are intricately shaped receiver baffles that encode sensory information through a diffraction process. In some bat species with particularly sophisticated biosonar systems, such as horseshoe bats (Rhinolophidae), the pinnae are characterized by static as well as dynamic geometrical features. Furthermore, bats from these species can deform their pinnae while the returning ultrasonic waves impinge on them. Hence, these dynamic pinna geometries could be a substrate for novel, dynamic sensory encoding paradigms. In this dissertation, two aspects of this dynamic sensing process were investigated: (i) Do local shape features impact the acoustic effects during dynamic deformation of the bat pinna? and (ii) do these shape deformations provide a substrate for the dynamic encoding of sensory information? For this, a family of simplified biomimetic prototypes has been designed based on obliquely truncated cones manufactured from sheets of isobutyl rubber. These prototypes were augmented with biomimetic local shape features as well as with a parsimonious deformation mechanism based on a single linear actuator. An automated setup for the acoustic characterization of the time-variant prototype shapes has been devised and used to characterize the acoustic responses of the prototypes as a function of direction. It was found that the effects of local shape features did interact with each other and with the deformation of the overall shape. The impact of the local features was larger for bent than for upright shape configurations. Although the tested devices were much simpler than actual bat pinnae, they were able to reproduce numerical beampattern predictions that have been obtained for deforming horseshoe bat pinnae in a qualitative fashion. The dynamically deformable biomimetic pinna shapes were estimated to increase the sensory encoding capacity of the device by unit[80]{%} information when compared to static baffles. To arrive at this estimate, spectral clustering was used to break up the direction- and deformation-depended device transfer function into a discrete signal alphabet. For this alphabet, we could estimate the joint signal entropy across a bending cycle as a measure for sensory coding capacity. The results presented in this thesis suggest that bat biosonar posses unique dynamic sensing abilities which have no equivalent in man-made technologies. Sensing paradigms derived from bat biosonar could hence inspire new deformable wave-diffracting structures for the advancement in sensor technology. / Ph. D.

L’élaboration de récepteurs artificiels pouvant reconnaître soit des ions métalliques soit des molécules chargées ou neutres avec une haute affinité et une grande sélectivité est l’un des objectifs majeurs de la chimie supramoléculaire. En effet, de tels récepteurs ont de potentielles applications dans de nombreux domaines comme en imagerie médicale ou en analyse environnementale. Afin de pouvoir obtenir des récepteurs sophistiqués, il faut cependant généralement passer par une étape d’ingénierie de la molécule dont la conception concrète nécessite une fonctionnalisation ad hoc. Cela requiert souvent la mise au point de méthodes originales de synthèse accompagnée d’un travail méthodologique important. Par ailleurs, alors que l’eau, de par ses propriétés physico-chimiques, joue un rôle tout à fait particulier dans la reconnaissance moléculaire (effet hydrophobe) et dans les réactions enzymatiques (transfert d’électrons et de protons), la majorité des études décrites dans la littérature ont été faites en solvant organique. Si quelques récepteurs, principalement basés sur des molécules intrinsèquement hydrosolubles (telles que la cyclodextrine ou le cucurbiturile) ont permis d’enrichir la chimie supramoléculaire dans l’eau, l’étude comparée de récepteurs en milieux organique et aqueux, qui apporterait de nombreuses informations est, elle, en revanche peu explorée par la communauté supramoléculaire. Ce travail de thèse s’insère dans ces deux cadres et cherche à répondre en partie à ces problématiques. Il est axé sur : (i) le développement d’une méthodologie unique pour la fonctionnalisation sélective de calix[6]arènes; et (ii) la synthèse et l’étude de nouveaux récepteurs hydrosolubles dérivés du calix[6]tren. La première partie de ce travail décrit le développement d’une stratégie supramoléculaire, qui consiste en l’utilisation des propriétés réceptrices du macrocycle calix[6]arène comme un outil pour sa monofonctionnalisation sélective. Le champ d’application d’une telle approche est notamment étudié à partir de différents récepteurs calix[6]arèniques dont la reconnaissance est basée sur divers types d’interactions (interactions ioniques ou chimie de coordination). Ces travaux s’insèrent dans un cadre plus général de fonctionnalisation sélective de macrocycles via assistance supramoléculaire, qui fait l’objet du chapitre introductif de cette partie. Les propriétés émergentes de ces nouveaux ligands monofonctionnalisés sont également présentées dans ce document. La deuxième partie du travail concerne l’hydrosolubilisation de ligands calixaréniques et l’étude de leurs propriétés de reconnaissance ainsi que celles de leurs complexes (Zn(II), Cu(II)) correspondants dans l’eau. L’étude est pour cela dirigée vers l’hydrosolubilisation d’un récepteur qui s’est révélé particulièrement prometteur en solvant organique, mais qui n’était pas soluble en milieu aqueux : le calix[6]tren. / The elaboration of artificial receptors that can bind either metal ions or charged/neutral species with a high affinity and a high selectivity is one of the major goals of supramolecular chemistry. Indeed, such receptors have potential applications in many fields such as in medical imaging or in environmental analysis. In order to obtain sophisticated receptors however, one has generally to go through a step of molecular engineering. This often requires the development of original synthetic methods, accompanied by an important methodologic work. Furthermore, although water, by its special physico-chemical properties, plays a particular role in molecular recognition (hydrophobic effect) and in enzymatic reactions (transfer of electrons and protons), the majority of the studies reported in the literature have been conducted in organic solvent. If a few receptors, mainly based on intrinsically water-soluble molecules (such as cyclodextrin and cucurbituril) have permitted to enrich the field of supramolecular chemistry in water, the comparative study of given receptors in both organic and aqueous environment, which could be very informative, has been less explored by the supramolecular community. The present work fits into these two frameworks and seeks to answer, in part, to these problematics. The work is centered around: (i) the development of an unique methodology for the selective functionalization of calix[6]arenes; and (ii) the synthesis and study of new water-soluble derivatives of calix[6]tren. The first part of this work describe the development of a supramolecular strategy that relies on the use of the host-guest properties of the calix[6]arene macrocycle as a tool for its selective monofunctionalization. The scope of such approach is studied using several different calix[6]arene-based receptors which recognition process is based on different type of interactions (ionic interaction or coordination chemistry). The emerging properties of these newly monofunctionalized ligands are also presented in this document. The second part of this work deals with the water-solubilization of calix[6]arene ligands and the study of their coordination properties towards Zn(II) and Cu(II). The work is for this directed towards the water-solubilization of a receptor which revealed to be particularly promising in organic solvent, but that was not soluble in water: the calix[6]tren.

La molécule X6TMPA, constituée d’une unité TMPA (tris(2-pyridylméthyl)amine) greffée de façon covalente à trois des six unités aromatiques du calix[6]arène, permet de coordiner et stabiliser un ion cuivre (Cu+ et Cu2+) dans un environnement mononucléaire. Ces composés possèdent des propriétés uniques en chimie hôte-invité ainsi qu’en réactivité redox. De tels systèmes présentent cependant des limitations car : – le macrocycle et les complexes métalliques associés ne sont solubles qu’en milieu organique ; – le complexe cuivreux obtenu avec un tel macrocycle n’est réactif vis-à-vis de l’oxygène qu’à l’état solide. Le présent travail de thèse décrit les modifications introduites dans la structure du composé X6TMPA pour faire face à ces restrictions, détaillant ainsi les études conduites afin d’évaluer l’impact des modifications sur les propriétés des molécules résultantes. Le chapitre 2 présente la stratégie synthétique de « trifonctionnalisation » du grand col du macrocycle. Elle a été employée pour l’introduction de groupements hydrophiles, qui rendent le calix[6]arène et les complexes métalliques associés solubles en milieu aqueux. Des études de reconnaissance moléculaire en solution aqueuse ont été ainsi menées. Une propriété très remarquable en chimie hôte-invité est la forte affinité du complexe cuivrique pour l’anion fluorure en milieu aqueux. Le chapitre 3 présente la stratégie synthétique de « hexafonctionnalisation » du grand col du macrocycle. Elle a permis d’obtenir des composés qui ont été utilisés pour des applications telles que l’immobilisation sur surface et la réaction de monoclick. Le chapitre 4 présente la stratégie synthétique de « trifonctionnalisation » du petit col du macrocycle. Elle a permis d’obtenir des systèmes réactifs en solution, notamment un composé contenant trois unités phénol qui donne un radical stable à température ambiante ainsi qu’un composé contenant trois unités quinone dans lequel la cavité est devenue une unité redox-active. Ainsi, des études concernant les macrocycles et leurs complexes monométalliques à base de Zn2+, Cu+ et Cu2+ sont exposées et discutées. / The X6TMPA molecule is composed by a tris(2-pyridylmethyl)amine (TMPA) cap covalently linked to the small rim of the calix[6]arene. This compound can coordinate and stabilize a Cu(I)/Cu(II) ion in a mononuclear environment. These compounds possess unique properties in host-guest and redox chemistry.This PhD thesis work describes some synthetic strategies employed in order to modify the scaffold of the macrocycle, either at the large or the small rim. Moreover, the studies conducted in order to evaluate the impact of each structural modification on the reactivity of the resulting system are detailed. Chapter 2 describes the “large rim tri-functionalization” strategy. It has been employed to introduce three hydrophilic moieties on the calix[6]arene unit. These groups enable the water-solubilization of the molecule, as well as the Cu(I)/Cu(II) monometallic complexes. For these systems, host-guest chemistry in aqueous media has been explored: a remarkable property is the high affinity of the cupric complex for fluoride anion. Chapter 3 describes the “large rim hexa-functionalization” strategy. The obtained compounds have been employed for novel applications, as surface functionalization or “monoclick” reaction. Chapter 4 describes the “small rim tri-functionalization” strategy. The obtained compounds are reactive in solution. A phenol-containing macrocycle, that gives a stable radical species at room temperature, and a quinone-containing macrocycle, in which the calix[6]arene moiety is a redox-active unit, are presented. Moreover, the reactivity of the monometallic complexes (Zinc, Copper) has been explored and discussed.