Les récepteurs moléculaires synthétiques sont au cœur de la chimie supramoléculaire. Ils procurent un apport théorique important en reconnaissance moléculaire et peuvent trouver des applications en nanoscience, science séparative, biologie, médecine, catalyse, chimie analytique, science des matériaux ou industrie alimentaire. Dans le cadre de la reconnaissance moléculaire, les calix[6]arènes sont des candidats de choix car ils possèdent des arguments structuraux uniques et une cavité hydrophobe de taille propice à l’inclusion de petites molécules organiques. De plus, de nombreuses méthodes ont été mises au point pour les modifier chimiquement. Ainsi, dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la complexation d’anions, de paires/triades d’ions de contact (anion et ammonium(s) associé(s)) ou de cations métalliques et de molécules neutres. Ces complexations sont classiquement mises en évidence par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). Toutefois, cette méthode souffre d’un manque de sensibilité, et nous nous sommes donc proposé de développer une nouvelle génération de calix[6]arènes portant des fluorophores, ce qui permettait la détection d’analytes présents en faible concentration dans le milieu par des méthodes spectrophotométriques. A notre connaissance, seuls de rares exemples de calix[6]arènes porteurs de fluorophores ont été décrits pour la détection de paires/triades d’ions de contact ou de cations métalliques et de molécules neutres. Notre démarche est donc tout à fait originale dans le sens où la cavité du récepteur est exploitée, au contraire de la plupart des exemples décrits dans la littérature qui n’utilisent que des sites de complexation extra-cavité.<p><p>Deux types de récepteurs ont été étudiés :les calix[6]trisurées qui sont capables de complexer des anions et des paires d’ions et les calix[6]trisimidazoles qui peuvent coordiner un ion métallique et une molécule neutre. En ce qui concerne le fluorophore, nous nous sommes particulièrement intéressés au pyrène, connu pour son aptitude à former des excimères, facilement détectables par fluorimétrie. Ainsi, le calix[6]trispyrénylurée, portant un site de reconnaissance pour anions au niveau de son petit col, a été synthétisé avec succès. La haute flexibilité de la structure associée à la taille importante des groupes pyrène du récepteur ont conduit à des problèmes de stœchiométrie pour la complexation de la plupart des anions dans le CDCl3 et dans un mélange CDCl3/CD3CN. Toutefois, l’anion sulfate est le seul à être reconnu en stœchiométrie 1:1 par ce récepteur avec une constante d’association élevée, déterminée avec précision par fluorimétrie. Ce récepteur est même sélectif pour le sulfate dans le DMSO. Un problème de sélectivité du mode de reconnaissance, lié à la flexibilité du récepteur et à l’encombrement des groupes pyrène, a été observé avec des paires d’ions de type RNH3+X- (X-=anion). Toutefois, de manière remarquable, la complexation de triades d’ions de type ammoniumTBASO4 (ammonium = PrNH3+, HexNH3+, DodNH3+, TMA+, pyrrolidinium) a pu être observée au sein du récepteur avec une sélectivité assurée par la cavité du calixarène, ceci par spectroscopie de RMN ainsi que par des méthodes spectrophotométriques. Un mécanisme d’adaptation induite de la structure du récepteur a en outre été observé au cours de la complexation de ces ammoniums de tailles différentes. Trois récepteurs calix[6]trisimidazoles portant des fluorophores de type pyrène, dansyle ou dérivé du benzothiazole au niveau du grand col ont également été obtenus. La complexation de cations métalliques tels que Zn2+, Cd2+, Co2+, Mg2+, Cu+ ou Cu2+ a pu être détectée par fluorimétrie, méthode qui a également permis de déterminer les constantes d’association de ces complexes, ce qui n’était pas possible par spectroscopie RMN. Le complexe zincique du récepteur trisimidazole trispyrényle a pour sa part permis d’inclure des amines primaires linéaires (PrNH2, DodNH2) ainsi qu’un dérivé de la dopamine, composé d’importance biologique, au sein de la cavité avec une haute sélectivité assurée par un effet cavitaire du calixarène. En outre, la complexation de ces espèces a pu être mise en évidence par fluorimétrie avec une grande sensibilité via une modification du rapport IM/IE du fluorophore en présence de l’amine d’intérêt endo-complexée. La fonctionnalisation sélective d’un invité ditopique complexé dans la cavité du récepteur a également pu être réalisée. Enfin, l’utilisation de multiples méthodes d’analyse (RMN, UV-Vis, fluorimétrie, ITC) pour mettre en évidence les phénomènes de complexation a permis de montrer leur complémentarité et de mettre en lumière certaines de leurs limites.<p><p>Tous ces travaux prometteurs permettent de valider le concept de détection d’espèces neutres ou chargées par des calix[6]arènes porteurs de fluorophores via des méthodes spectrophotométriques avec une haute sélectivité assurée par la cavité du calix[6]arène.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Today, development of accurate early diagnosis of cancers thus became the number one challenge of medicine during the 21st century as the current techniques relies on imaging methods that suffer from low sensitivity and misdiagnosis.For these reasons, in this work, we aimed at developing a no-wash colorimetric biosensor for the detection of the oncoprotein Mdm2. Indeed, abnormal levels of Mdm2 could be related to the early formation of tumors.This thesis is devoted to the conception of a no-wash colorimetric biosensor for the detection of the oncoprotein Mdm2. This work can be divided in four parts:(i) The detection strategy and the design of the recognition elements (Chapter I).(ii) The conjugation of gold nanoparticles with the recognition elements (Chapter II, III, IV, V and VI).(iii) The modification of the metallic core of the nanoparticles (Chapter VII).(iv) The use of the optimized biosensor for the detection of Mdm2 (Chapter VIII).In the first part, we investigated the sensing strategy. An aggregation-based assay with plasmonic nanoparticles was selected, as the detection signal is a change of color of the suspension that can be observed to the naked eye or by UV-Vis spectroscopy. We designed the recognition elements, two peptide aptamers coming from endogenous proteins p53 and p14, and we grafted them separately on two batches of gold nanoparticles (AuNPs) via thiol end-groups. We used these latter for the detection of various concentrations of Mdm2 in buffer using our dual-trapping strategy with these two batches of functionalized AuNPs. We demonstrated that both peptides are able to interact with Mdm2 even after grafting onto the particles and that this detection strategy is highly specific. However, this first sensor presented some drawbacks, such as a poor colloidal stability of the AuNPs and a limited dynamic range.With the aim to encompass these issues we investigated, in the second part of this thesis, alternative strategies to conjugate the peptides to the particles. We investigated the functionalization of the particles with stabilizing ligands such as thiolated poly(ethyleneglycol) (HS-PEG). We first studied their simultaneous grafting with the peptides on the AuNPs. We observed that grafting HS-PEGs and peptides side-by-side allowed to control the density of peptides conjugated to the AuNPS and increased drastically the stability of the particles. However, the detection of Mdm2 was strongly hindered by the presence of PEG on the particles carrying the p14 peptide. In a second step, we investigated the conjugation of peptides on the top of a PEG layer carrying functional groups (HS-PEG-X where X is a carboxylate or an alkyne). AuNPs were first functionalized with mixtures of HS-PEG and HS-PEG-X, and the peptides were conjugated to the functional groups via amide bond formation or CuAAC coupling in a second step. However, we noticed that it was not possible to control the composition of the mixed layer of PEGs and thus the peptide grafting density.Due to the lack of recognized protocols in the literature for (i) the determination of the chemical and colloidal stabilities of AuNPs and (ii) the determination of the proportion of different ligands in the organic coating of the particles, we developed two interesting tools. The first one was a convenient method allowing to evaluate by UV-Vis spectroscopy the efficiency of the citrate exchange process using thiol-, alkyne- or diazonium-ligands from gold nanoparticles synthesized via a Turkevich method. The second protocol was a method allowing to quantify the proportion of two HS-PEGs ligands grafted in mixtures onto gold nanoparticles via 1H NMR spectroscopy.As we couldn’t find conditions in which the proportion of multiple thiolated ligands can be controlled on AuNPs, we decided to investigate another functionalization strategy based on the use of calix4arene-diazonium salts.We first studied the grafting on AuNPs of calixarenes bearing four PEG chains at the level of their small rim, one ended by a carboxylic acid and three by a methoxy group. The calixarene layer allowed to obtain AuNPs covered by a very dense PEG shell (with more PEG chains/nm2 that what was obtained previously with thiol anchoring). In addition to that, this PEG shell was strongly anchored to the AuNPs, conferring them a very high colloidal and chemical robustness. We then combined the grafting of this calixarene with the grafting of another non-functional calixarene, bearing four PEG chains ended by a methoxy group, and we quantified the conjugation capacity of such particles by amide bond formation. We demonstrated that this strategy allows to (i) increase drastically the stability of the AuNPs and (ii) control the proportion of peptide conjugated at their surface. Finally, we showed that calixarene-coated AuNPs to which to the p53 and p14 peptides have been conjugated could be used to detect Mdm2.With the evidence that the peptide conjugation density could be controlled using calixarene-coated AuNPs, we investigated the simultaneous grafting of two functional calixarenes on particles: one bearing four carboxylic acids groups and one bearing four PEG chains ended by alkyne groups. We optimized the grafting of these calixarenes in mixed layers on the AuNPs as well as their conjugation. We demonstrated that the grafting of two functional calixarenes led to the production of bi-functional AuNPs, capable of conjugation with two molecules via two distinct chemistries.In the third part, we optimized the composition of the metallic core of the biosensor. As it is well known that silver nanoparticles express better optical properties than gold nanoparticles of the same size, we aimed to incorporate silver nanoparticles (AgNPs) in the biosensor. This was a true challenge due to the intrinsic low chemical stability of silver nanoparticles that greatly limits their use in IVD. For this purpose, we developed an innovative in situ synthesis of silver nanoparticles in the presence of the calixarene-diazonium salts. After optimization of the synthesis, we observed that calixarenes bearing four carboxylic acids groups at the level of their small rim allowed the production of ultra-stable silver nanoparticles to which biomolecules can easily be conjugated. This in situ synthesis procedure even allowed us to produce alloy nanoparticles, with metallic cores whose composition could easily be tuned from pure silver to silver/gold alloys or pure gold. With this synthesis, the composition of the organic layer could also be easily tuned by using mixtures of calixarenes-diazonium salts.Finally, in the last part, we investigated the detection of Mdm2 with the optimized version of the biosensor, i.e. silver nanoparticles coated by a calixarene layer to which the p53 and p14 peptides were conjugated. With this novel class of nanoparticles, we could encompass the two initial drawbacks of the initial sensor. First, we were able to detect Mdm2 with a wider detection range and a lower limit. Secondly, the particles were sufficiently stable and robust to be dispersed in physiological fluids and we could detect Mdm2 in human serum without interference. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le travail présenté concerne la synthèse de calixarènes fonctionnalisés par des groupes sulfonates et carboxylates et l'étude détaillée des structures cristallines de leurs complexes moléculaires ou métalliques avec des métaux 3d et 4f. L'une des préoccupations majeures de ce travail concerne la compréhension des assemblages supramoléculaires dans ces systèmes. Le premier chapitre présente des éléments bibliographiques sur les calixarènes, leur histoire, les différentes conformations et les méthodes principales de fonctionnalisation puis la chimie supramoléculaire associée comprenant les complexes moléculaires et métalliques. Le deuxième chapitre est dédié à une série de complexes moléculaires de type hôte-invité formés entre le para-sulfonatocalix[4]arène (SC4) et différentes bipyridine En continuité avec ce travail nous présentons en suite la structure et les propriétés magnétiques d'un complexe métallique constitué d'un SC4 pontant deux entités dinucléaires de phenanthroline [FeIII2(μ-O)(H2O)5(phen)2] par la coordination des groupes sulfonates. Le troisième chapitre est consacré à la chimie de coordination des calixarènes sulfonatés avec les lanthanides. Nous avons mis en évidence trois types de structures cristallines qui sont toutes des polymères de coordination où les ions lanthanides jouent le rôle d'assembleur des calixarènes par la coordination des groupes sulfonates selon trois types de structure (A, B et C). Nous avons obtenu ces trois structures (A, B et C) pour l'ensemble de lanthanide (La, Pr, Nd , Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb). Le quatrième chapitre concerne la chimie de coordination des métaux de transition 3d (Co, Mn, Zn, Cu) avec des calixarènes fonctionnalisés par des groupes carboxylates sur leur partie basse. Avec le calixarène dicarboxylate nous avons obtenu une série de complexes isomorphes dans lesquels deux calixarènes sont coordinés à deux centres métalliques pour former des chaînes infinies. Le cinquième chapitre présente les résultats d'un travail exploratoire visant à synthétiser des azacalix[4]arènes, dans le but de complexer des métaux de transition. L'étude RPE des précurseurs a mis en évidence des espèces radicalaires / This work presents the synthesis of calixarenes functionalized with sulfonate and carboxylate groups and the detailed study of the crystal structures of their molecular or metal complexes with 3d and 4f metals ions. One of the major concerns of this work is the understanding of supramolecular assemblies in these systems. The first chapter gives bibliographic elements on the history, the different conformations and the main methods of functionalization of calixarenes and on their supramolecular chemistry comprising molecular and metal complexes. The second chapter is dedicated to a series of molecular complexes of the host-guest type formed between the para-sulfonatocalix[4]arene (SC4) and various bipyridine. In continuation with this work we then present the synthesis, structure and magnetic properties of a metal complex comprising a SC4 bridging by the sulfonate groups two iron(II) dinuclear entities with coordinated phenathroline [FeIII2 (μ-O)(H2O) 5(phen) 2]. The third chapter is devoted to the coordination chemistry of sulfonated calixarenes with lanthanides. We have found three types of crystal structures which are polymers wherein the lanthanide ion function as an assembler of calixarenes by the coordination of the sulfonate groups along three type of structure (A, B and C). We obtained these three structures (A, B and C) for all lanthanide (La, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb). The fourth chapter concerns the coordination chemistry of 3d transition metals (Co, Mn, Zn) with calixarenes functionalized with carboxylate groups on lower rim. With calixarene dicarboxylate we got a series of isomorphic complexes in which two calixarenes are coordinated to two metal centers to form infinite chains. The fifth chapter presents the results of an exploratory work to synthesize azacalix[4]arene with the aim to complex transition metals ions. The EPR study of the precursors has evidenced free radical species

Les nanotubes de carbone (NTC) n'ont eu de cesse, depuis leur (re)-découverte par Sumio Iijima en 1991, de passionner la communauté scientifique. Leurs propriétés électroniques, optiques et mécaniques exceptionnelles en font l'un des matériaux les plus prometteurs des nanotechnologies. Néanmoins, l'utilisation des NTC en microélectronique se heurte à de nombreux problèmes. En particulier, les propriétés électroniques de ces nanotubes sont dépendantes de plusieurs paramètres : le diamètre du NTC, son organisation et le nombre de feuillets qui le composent. Ainsi, l’obtention de nanotubes exclusivement semiconducteurs (recherchées pour réaliser un dispositif microélectronique tel qu’un transistor) ne peut être garantie par les techniques de synthèse actuelles. Ces techniques (CVD, ablation laser, etc…) ne conduisent en général qu’à un mélange de nanotubes semiconducteurs et métalliques, difficiles à trier. Dans le cas spécifique des nanotubes de carbone « Zig-Zag », leur comportement électronique n’est défini que par le diamètre. Une synthèse de nanotubes exclusivement « Zig-Zag » et de diamètres contrôlés apporterait donc une solution définitive à ce problème. La chimie des calixarènes peut apporter des solutions pour résoudre cette problématique. On utiliserait alors la chimie covalente pour former le NTC de façon séquentielle. Le but de mon travail est d'obtenir une structure de type « zig-zag » avec un diamètre strictement contrôlé par la taille du calixarène de départ. Nous avons envisagé plusieurs méthodes de synthèses en fonction du motif de répétition que nous souhaitions introduire pour la croissance séquentielle du nanotube de carbone. Dans un premier temps, une stratégie basée sur le motif cyclacène a été utilisée. Les résultats de ces travaux seront présentés dans le chapitre 2. Nous présenterons la synthèse et la fonctionnalisation des calixarènes de départ ainsi que du synthon que nous avons choisi pour effectuer la croissance séquentielle. Le couplage entre ces deux composés sera effectué via une réaction de type Wittig Horner. Ce motif de répétition sera également utilisé lors du chapitre 3 pour présenter une nouvelle stratégie de croissance basée sur l’utilisation de la réaction de Heck afin d’effectuer la croissance séquentielle. Enfin, dans une dernière partie, nous présenterons les résultats obtenus par utilisation d’une autre stratégie, basée sur la répétition d’un motif métacyclopolyphénylène. Cette stratégie est basée sur une succession de réactions de couplage de Suzuki, catalysés par des complexes de palladium. / Since their rediscovery by Iijima in 1991, carbon nanotubes (CNT) has been a main subject of interest. Their extraordinary properties may open large fields of applications in different domains such as electronics, medicine, or optics. But their use in microelectronics is limited by the lack of control of the electronics properties of each carbon nanotubes. These properties are depending on different parameters such as diameter, chirality, or the number of layers of graphène. Obtaining exclusively semi conducting CNT using current synthetic methods of synthesis is not guaranteed. These technics (CVD, Laser ablation…) leads, in general, to a very complex mixture of semi conducting and metallic CNT, quite difficult to sort out. In the specific case of “zig-zag” CNT, their electronic properties only depend of the diameter of the tube. An exclusive synthesis of a “zig-zag”, diameter controlled CNT should thus solve this problem. We propose here the use of organic, molecular chemistry, and more specifically, calixarene chemistry to achieve this goal. Two different synthetic strategies were explored, as a function of the repeating unit considered for the growth of “zig-zag” carbon nanotubes. During the first part of this work, we have used a strategy based on a cyclacene-type pattern as a repeating unit. These results will be presented in the second chapter. We will describe the results dealing with calixarene functionalization and the synthesis of a new bifunctionnal molecule to be used as a building block for the sequential growth. The coupling between these two species is performed by a Wittig reaction or a Wittig/Horner reaction. The same cyclacene-type repeating unit is also envisioned during the first part of the third chapter for a second strategy for zig-zag SWCNTs synthesis, based on Heck coupling reactions. Finally, during the last part of the third chapter, we will present the results obtained by the use of a new repetition pattern , the metacyclophenylene unit. This strategy relies on the use of successive Suzuki couplings.

Le travail de cette thèse a permis tout d’abord d’aboutir à un protocole simplifié pour la synthèse des p-tert-butylcalix[7] et [9]arènes, composés jusqu’à lors difficilement préparables. Ces macrocycles ont été obtenus en grosse quantité, de l’ordre de la dizaine de gramme. Il faut également noter que cette synthèse sur grande échelle permet d’obtenir les p-tert-butylcalix[10] et [12]arènes avec des rendements modestes mais une simplicité remarquable. A partir de ces calixarènes, deux voies principales de per-fonctionnalisation ont été mises en oeuvre : La réaction de Williamson, consistant à former des éthers, et l’estérification via l’utilisation d’anhydrides. Au total, ce sont 10 nouveaux calixarènes fonctionnalisés qui ont été obtenus. Le comportement dynamique et conformationnel des calix[9]arènes originaux a été évalué en solution et à l’état solide. Dans le cas où cela a été possible, la détermination des constantes de vitesse et d’énergie libre des mouvements conformationnels a montré que ces calix[9]arènes fonctionnalisés étaient très mobiles. En outre, trois nouvelles structures RX ont été obtenues et ont confirmé que ces macrocycles adoptaient une conformation désordonnée. En l’état, ces nouveaux calixarènes ne sont pas des candidats de choix pour devenir des hôtes moléculaires efficaces. Toutefois, ce travail a permis d’améliorer nos connaissances sur des structures dérivées de p-tert-butylcalix[n]arènes (n = 7, 9, 10 et 12) peu étudiés jusqu’à présent / The work of this thesis allowed to propose a simplified procedure for the synthesis of p-tertbutylcalix[ 7] and [9]arenes, which were hardly synthesizable until now. Those macrocycles were obtained in a large amount, about a dozen of grams. It’s important to emphasize that this large scale synthesis allow to obtain the p-tert-butylcalix[10] and [12]arenes with moderate yields but in a straight and simple procedure. From these calixarenes, two main ways of per-functionalization were attempted: Williamson reaction, consisting in forming ethers and esterification by using anhydrides. Totally, 10 new functionalized calixarenes were obtained. Their dynamic and conformational behaviors in solution as well as in the solid state were explored. The determination of the rate constants and of the free energy barrier of the conformational motion has shown that those compounds were mobile. Moreover, three original X-Ray structures were obtained and have revealed that those macrocycles adopted a disordered conformation. At this point, those new calixarenes are not well designed to act as efficient molecular host. However, this work allowed to improve our knowledges on structures made from the p-tert-butylcalix[n]arene (n = 7, 9, 10 and 12), a skeleton rarely described and studied up to now

It has long been known that the efficiency of anticancer drugs is limited by the emergence of resistance due to the evolving repair of such DNA lesions in malignant cells. Therefore, development of pharmaceutical agents, which can interfere with the DNA repair pathways, may represent a novel approach to enhance the cytotoxic effects of chemotherapy by reducing drug resistance. Abasic sites (AP sites) are the key intermediates in the BER pathway and promising targets for BER inhibition. In chapter 2, we report the synthesis of two small molecules specifically targeting at AP sites and the evaluation of their activity in terms of interstrand crosslinking formation. Our results show no covalent adduct is induced, which is due to the weak DNA binding affinity. In chapter 3, we try to use TFOs to deliver the interstrand crosslinking moiety to the AP site in a sequence specific manner. Two modified phosphoramidites were synthesized and incorporated into the 5' end of TFOs. The activity was evaluated by using various biophysical and biochemical experiments. The work reported in chapter 4 is focused on the G-quadruplex structure formed in the guanine rich telomeric sequence. Many studies have shown G4 ligands can induce and stabilize G-quadruplex within telomere region and inhibit the activity of telomerase that is overexpressed in 80-90% of cancer cells. Our results indicate that phenanthroline based metal complexes, Ni(Phen) 2 , have strong binding affinity and selectivity towards G-quadruplex over duplex DNA. The effect of Ni(Phen) 2 on telomerase activity and cytotoxicity towards cancer cells was also investigated. Calixarenes containing DNA building units such as nucleotides, nucleosides, and nucleobases have recently aroused much interest because of their versatile applications. In chapter 5, we report the synthesis of calix[4]arenes ( 5.11-5.14 ) functionalized with a single nucleobase (thymine, adenine, guanine, or cytosine) at the upper rim via click chemistry. Their complexation with alkali metal ions was examined using MALDI-TOF mass spectrometry and their molecular interactions were determined using 1 H NMR. All calix[4]arene derivatives show good complexation with alkali metal ions with apparent selectivity. The results also reveal that nucleobase-calix[4]arenes are capable of self-association in CDC1 3 and calix[4]arenes bearing complementary nucleobases can bind to each other via base pairing.