L’imagerie moléculaire optique joue maintenant un rôle essentiel dans le diagnostic pré-clinique et le développement de médicaments. En effet, c’est un outil précieux dans la détection et le suivi de cellules vivantes que ce soit en utilisant de simples agents de marquage ou des sondes plus développées, dites « intelligentes » et activées uniquement par une interaction spécifique avec le bio-analyte ciblé. Ce travail de thèse a consisté à développer des outils synthétiques innovants afin d’optimiser les paramètres physico-chimiques et les propriétés optiques des sondes luminescentes. Ceci dans le but de répondre à la problématique complexe de l’imagerie dans le contexte in vivo. Nous avons notamment travaillé sur des aspects de pro-fluorescence et de chémiluminescence. De nouveaux pro-fluorophores à phénol basés sur une architecture originale de type bis-coumarinique ont été développés. De plus, nous avons mis en place une méthode d’hydrosolubilisation généralisable aux fluorophores à phénol de type coumarine et xanthène. Nos recherches en chémiluminescence ont permis la synthèse de nouveaux chémiluminophores couplés à des fluorophores organiques afin d‘augmenter l’efficacité d’émission de chémiluminescence dans le rouge. Enfin, nos travaux ont permis de mettre en place les premières « cassettes » chémiluminescentes basées sur une architecture de type 1,2-dioxétane. / Optical molecular imaging is now playing a pivotal role both in pre-clinical diagnosis and drug development. Indeed, this is a valuable tool for the real time detection and monitoring of living cells either through the use of structurally simple labels or more recently by means of sophisticated fluorescent probes, called “smart” probes and only activatable upon specific interaction with the targeted bio-analyte. The aim of this PhD work was the design of new synthetic tools aimed at optimizing physico-chemical and optical properties of fluorescent probes intended for challenging in vivo imaging applications. We have focused on the pro-fluorescence and chemiluminescence approaches. New phenol-based pro-fluorophores have been developed by using an original bis-coumarinic scaffold. In the context of the chemistry of fluorophores, we have also investigated a general method for the water-solubilisation of phenol-based fluorophore belonging to the coumarin and xanthene families. Our research in chemiluminescence has led the synthesis of new chemiluminophores covalently linked to fluorescent organic dyes aimed at increasing the emission efficiency in the red region of such chemiluminophores. Thus, the first chemiluminescent “energy transfer cassettes” based on a 1,2-dioxetane scaffold have been obtained.