Depuis les premières structures de protéines déterminées dans les années 1950, la cristallographie aux rayons X s’est imposée comme une méthode de choix pour l’obtention de données structurales à l’échelle atomique. Malgré les progrès technologiques qui ont révolutionné cette méthode (sources synchrotron, détecteurs pixel, programmes informatiques performants), l’obtention d’une carte de densité électronique permettant de modéliser la structure d’une macromolécule demeure toujours limitée par deux goulots d’étranglement qui sont, l’obtention de cristaux de la macromolécule d’intérêt et la résolution du problème des phases inhérent à l’enregistrement des données de diffraction.Cette thèse présente un nouveau complexe de lanthanide appelé « crystallophore » (Tb-Xo4). Cette molécule a été développé en collaboration avec Olivier Maury et François Riobé du laboratoire de chimie Matériaux Fonctionnels et Photonique (ENS –Lyon). La conception de ce nouveau complexe est basée sur quinze années de développement dans le domaine de la biologie structurale. Cette thèse présente les effets uniques induits par de Tb-Xo4 sur la cristallisation et sur la détermination des structures de macromolécules biologiques. L’ajout de Tb-Xo4 au cours de la cristallisation permet d’induire un nombre important de conditions de cristallisation exploitables dont certaines sont propres à la présence du crystallophore. L’analyse des structures atomiques de différentes protéines co-cristallisées en présence de Tb-Xo4 a permis à la fois de mettre en avant le pouvoir phasant élevé de Tb-Xo4 mais également de décrire finement l’interaction supramoléculaire du complexe avec la surface des macromolécules. Ce travail a conduit à la mise en place de protocoles de cristallisation et de phasage des macromolécules biologique assistés par Tb-Xo4. Sur la base de la compréhension du mode d’interaction de ce nouveau composé, cette thèse aboutit à la proposition d’un modèle expliquant les propriétés uniques de ce nouveau complexe de lanthanide. / Since the first protein structure determined in the 1950s, X-ray crystallography emerged as a method of choice to obtain structural data at atomic resolution. Despite technological advances such as new synchrotron sources, hybrid pixel detectors, and high-performance softwares, obtaining an electron density map of a biological macromolecule is always limited by two major bottlenecks namely, producing high quality single crystals and solving the phase problem.This thesis presents a new lanthanide complex called “Crystallophore” (Tb-Xo4). This compound has been developed in collaboration with Olivier Maury and François Riobé of the Laboratoire de chimie Matériaux Fonctionnels et Photonique (ENS –Lyon). The design of this new complex is based on fifteen years of development in the field of structural biology. This thesis highlights the effects of Tb-Xo4 on the crystallisation and the structure determination of biological macromolecules. Indeed, the addition of Tb-Xo4 to a protein solution induces a large number of new and unique crystallization conditions. The analysis of the structures of several proteins co-crystallized with Tb-Xo4 allowed both, to highlight the high phasing power of Tb-Xo4 but also to describe finely the supramolecular interaction of the complex with the macromolecules. This work led to protocols dedicated to crystallization and phasing assisted with Tb-Xo4. Finally, this thesis leads to a model explaining the unique properties of this new lanthanide complex.

Pour résoudre de novo la structure de protéines par cristallographie, il est nécessaire de calculer les phases des facteurs de structure à partir des intensités des rayons X diffractés. Pour ce but, les méthodes SAD et MAD se servent de la diffusion anomale d'atomes présents dans le cristal de la protéine. L'introduction de ces diffuseurs anomaux dans les cristaux est une des étapes clés de la résolution de structure des protéines.<br />Nous avons étudié une classe de huit complexes de gadolinium servant à insérer les diffuseurs anomaux dans les cristaux de protéine. Le gadolinium présente une forte diffusion anomale et avec le rayonnement X d'un générateur de laboratoire et dans son seuil d'absorption LIII.<br />Une étude cristallographique menée avec cette classe de complexes et avec huit protéines différentes a permis de démontrer le potentiel élevé des complexes pour la préparation de dérivés à fort pouvoir de phasage. En effet, pour un grand nombre des dérivés testés, les phases expérimentales calculées ont mené à des cartes de densité expérimentale d'excellente qualité, permettant la construction aisée du modèle de la protéine.<br />L'affinement de la structure des complexes liés à la protéine a permis de comprendre l'interaction des différents complexes avec les protéines.<br />L'utilisation des complexes a permis de résoudre la structure de quatre nouvelles protéines.<br />Nous avons également étudié des méthodes physico-chimiques alternatives à la cristallographie dans le dessein de détecter la fixation d'un complexe sur une protéine en tenant compte de la particularité de l'interaction qui est caractérisée par une constante de d'association faible.

L’effet des composés paramagnétiques sur le déplacement chimique des protons, c’est-à-dire sur leur fréquence de résonance propre, beaucoup utilisé en RMN conventionnelle, peut également être un outil de contraste en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) pour réaliser des images encodées en fréquence et donc sélectives selon la nature ou l’environnement de l’entité que l’on cherche à révéler. Cette approche fait intervenir le transfert d’aimantation par échange chimique de protons mobiles, en anglais « Chemical Exchange Saturation Transfer » (CEST). Le principe consiste à saturer sélectivement un signal donné de protons labiles appartenant à la structure-même de l’agent de contraste ou aux molécules d’eau qui lui sont transitoirement liées, à l’aide d’une impulsion radiofréquence bien choisie. L’image résulte alors de l’altération du signal des protons échangés. Le fonctionnement de la méthode repose sur l’existence effective de deux ensembles ou réservoirs de protons, celui correspondant aux protons associés à l’agent de contraste et celui représenté par le milieu environnant, autrement dit l’eau des tissus, ces deux réservoirs présentant une fréquence de résonance bien distincte. Les systèmes LipoCEST, liposomes encapsulant un complexe paramagnétique de lanthanide, permettent une telle différenciation de deux réservoirs de protons constitutifs d’une part de l’eau contenue dans la cavité interne des liposomes (dont la fréquence de résonance est modifiée par l’agent paramagnétique) et d’autre part de l’eau présente à l’extérieur de la structure. La sensibilité de tels systèmes est principalement due au grand nombre de protons contenus dans le réservoir interne. La nature de l’agent paramagnétique joue un rôle déterminant dans la sélectivité de l’effet CEST et la nature de la membrane des liposomes dont la perméabilité permet un échange plus ou moins rapide entre les deux réservoirs d’eau doit être sélectionnée de manière à conduire à une réponse CEST efficace.Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur une telle mise au point avec pour objectif l’optimisation de systèmes destinés à une IRM-CEST après administration par voie intraveineuse. De ce fait, le diamètre des liposomes a été fixé inférieur à 200 nm et leur surface recouverte de chaînes de poly(éthylène glycol) pour assurer leur future stabilité dans le compartiment sanguin. Le choix des agents de déplacement chimique à centre lanthanide, principalement des complexes de thulium, a été fixé à partir de leurs propriétés structurales et magnétiques. La méthodologie spécialement développée pour encapsuler ces entités au sein de liposomes de compositions lipidiques induisant des perméabilités membranaires distinctes a permis la mise au point d’un nouvel agent de contraste LipoCEST. / The effect of paramagnetic compounds in the chemical shift of endogenous protons, i.e., their resonance frequency, widely used in conventional NMR, can also be a tool to modulate the contrast in magnetic resonance imaging (MRI) by achieving frequency-encoded images depending on the nature or the environment of the entity or tissue to be revealed. This approach involves the transfer of magnetization by chemical exchange of protons also referred to as "Chemical Exchange Saturation Transfer" (CEST). The principle consists in selectively saturate by applying a radio frequency pulse, the signal of labile protons transiently belonging to the structure of the contrast agent or to the water molecules which are associated transiently to it. The image then results from the alteration of the signal of the exchanged protons. The method is based on the actual existence of two sets of protons or pools with two distinct resonance frequencies, one corresponding to the protons associated with the contrast agent and the other represented by the surrounding bulk water.LipoCEST systems, liposomes encapsulating a paramagnetic lanthanide complex, allows such a differentiation of two proton pools constituted on one hand by the water molecules contained in the inner cavity of the liposomes (with a resonance frequency changed by the paramagnetic agent ) and on the other hand by the water present outside the vesicle structure. The sensitivity of such systems is mainly due to the large number of protons in the inner pool. The nature of the paramagnetic agent plays a role in the selectivity of the CEST effect while the nature of the liposome membrane and related permeability behavior controls the proton exchange kinetics between the two water pools. These two parameters must be selected and adjusted to provide effective CEST contrast.The work in this thesis aimed at such a development by optimizing liposome systems for MRI-CEST after intravenous administration. Therefore, the diameter of the liposomes was set below 200 nm and their surface covered by chains of poly (ethylene glycol) to ensure stability in the blood compartment. The choice of chemical shift agents based on lanthanide complexes, mainly thulium-based derivatives, was established from their structural and magnetic properties. The methodology specially developed to encapsulate these entities into vesicles of different membrane composition and permeability to water allowed to generate a new LipoCEST contrast agent.

Ce travail est consacré à la synthèse et la caractérisation des commutateurs et des fils moléculaires incorporant l'unité et le ruthénium organométalliques fractions photochromiques. La première partie traite de lanthanides complexe Yb combiné avec l'unité et le ruthénium acétylure fractions photochromiques afin de moduler la luminescence avec l'aide de redox et de stimuli lumineux. Dans la deuxième partie explique la combinaison d'unités DTE photochromiques avec des fragments acétylures de ruthénium pour fixer sur la surface de nanoparticules métalliques afin d'affiner leur résonance plasmonique grâce à la modification de l'environnement de surface en utilisant la lumière et redox stimuli. La troisième partie décrit la préparation de complexes de lanthanides combinés avec une unité photochromique spiropyranne pour commuter les propriétés SMM des complexes via photoisomérisation de l'unité spiropyranne. Dans la dernière partie, nous présentons la synthèse de Oligo (phénylène éthylène) Les fils moléculaires avec différents noyaux centraux afin d'obtenir une variété de fil avec différents niveaux d'énergie HOMO-LUMO pour vérifier l'effet de l'épinglage. / This work is devoted to the synthesis and characterization of novel molecular switches and wires incorporating photochromic unit and ruthenium organometallic moieties. The first part deals with lanthanide Yb complex combined with photochromic unit and ruthenium acetylide moieties in order to modulate the luminescence with the help of redox and light stimuli. In the second part explained the combination of photochromic DTE units with ruthenium acetylide moieties to attach on the surface of metal nanoparticles in order to tune their plasmonic resonance through the surface environment modification by using light and redox stimuli. The third part describes the preparation of lanthanide complexes combined with a spiropyran photochromic unit in order to switch the SMM properties of the complexes via photoisomerization of the spiropyran unit. In the last part, we report the synthesis of Oligo(phenylene ethylene) molecular wires with different central cores in order to obtain various wire with different HOMO-LUMO energy levels to check the effect of pinning.

Lanthanide elements display many remarkable and exciting properties which explain their widespread use in a number of very important biomedical tools like efficient MRI contrast agents or luminescent probes for highly sensitive assays of bioanalytes amongst other fields of application. In this context, the aim of the present work was to prepare and characterize lanthanide complexes of two ligands that feature a linear or a macrocyclic chelating unit compactly grafted onto a 1,10-phenanthroline derived moiety (phenDTPA and PhenHDO3A). The ditopic nature of the ligands allows the selective incorporation of a d6 metal ion and a lanthanide one in close proximity. The resulting rigid heterobimetallic supramolecular species show useful properties and constitute potential MRI contrast agents or new luminescent compounds depending on the type of the lanthanide and transition metal ions employed: for example, the selfassembly process of gadolinium(III) chelates around an iron(II) ion brings a remarkable increase of their relaxivity, a key parameter for use in MRI. On the other hand, association of a ruthenium and and a near infrared emitting 4f ion like ytterbium(III) gives mixed d-f structures able to harvest visible light and convert it into near infra-red signal. Visible light luminescent pH probes were also obtained with Eu3+ or Tb3+ phenHDO3A complexes.

La fluorescence en temps résolu est une méthode d'analyse spectrophotométrique avancée permettant la sélection des photons émis par luminescence sur un critère temporel. Il est ainsi possible, et cela même dans des milieux complexes et pollués issu de l'industrie, de faire émerger sélectivement le signal d'espèces luminescentes présentant des durées de vie de luminescence relativement grandes.Ce type d'analyse spectrale est particulièrement adapté à la détection de trace d'éléments lanthanides. Chacun des éléments de la série présente en effet des propriétés luminescentes uniques bien que largement fonction de la nature des ligands qui les entourent. Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit utilisent avantageusement la constatation précédente. Deux technologies ont étés mise sur pied et/ou optimisées pour permettre un transfert vers des domaines industriels aux cahiers des charges bien définis.Ainsi dans le domaine de la lutte anti-contrefaçon l'ajout de marqueurs luminescents à temps résolu à base de lanthanide rend possible la surveillance de l'origine et du devenir de divers produits industriels.Dans le domaine pétrolier l'analyse des effluents à l'aide de sondes luminescentes à base de lanthanide permet de quantifier le taux résiduel de plusieurs classes d'additifs chimiques et permet d'optimiser la sécurité, la rentabilité et l'impact écologique du processus d'extraction.Dernièrement un prototype de spectrofluorimètre résolu en temps adapté à un usage industriel a été mis au point pour permettre un transfert technologique du laboratoire vers le milieu industriel / Time-resolved fluorescence is an advanced spectrophotometric analysis method which allows the selection of emitted luminescent photons on a time-based parameters. It is possible to extract the signal of long-lived luminescent species even in complex and polluted matrix from the industry. This type of analysis is especially fitted for the detection of lanthanide ions. During this thesis two technologies based on time-resolved analysis were designed to answer specific industrial problematics. The first one yields the residual concentration of chemical additives used during oil and gas extraction. The second one aims at protecting crude oils and refined fuels from counterfeiting. They both rely on the use of lanthanide complex and the measurement of their luminescent properties. A prototype of time-resolved spectrofluorimeter was also built to transfer the technologies from the laboratory to the industrial world

L’application de la photoluminescence suscite un intérêt croissant de la part des chercheurs et ceci dans de nombreux domaines. Dans notre cas, différents complexes à base de lanthanide seront détectés par une méthode spectrophotométrique avancée, la fluorescence résolue en temps. Ces derniers peuvent être ainsi détectés même à l’état de traces au sein des milieux complexes tel que ceux rencontrés dans l’industrie pétrolière (saumures, traces de pétrole, éléments solides en suspension, etc.). L'utilisation de la détection de fluorescence résolue en temps combinée à des complexes de lanthanides a été démontrée comme une stratégie simple et efficace pour éliminer la fluorescence de fond des matrices présentes dans le milieu étudié et fournir un rapport signal sur bruit élevé. Le sujet de cette thèse consiste à répondre avec les outils précédents à différentes problématique existants au sein de l’industrie pétrolière, de l’extraction du pétrole au processus de marquage de différents produits raffinés à des fins commerciales. Dans la première partie du manuscrit décrira différents protocoles capables d’extraire de l’information de différents additifs chimiques employés sur les champs pétrolifères lors de l’extraction de pétrole et de gaz. Les additifs en questions peuvent être des inhibiteurs de dépôts minéraux, des inhibiteurs de corrosion, des polymères viscoélastiques, dans différentes eaux de synthèse et de production issues de différentes plateformes. Les impacts de certains facteurs ont été analysés afin d’améliorer la sensibilité et les performances. Nous démontrerons la possibilité de quantifier avec succès la teneur résiduelle de différents types d'additifs chimiques. L'effet de matrice de l’échantillon a été limité par le développement de deux stratégies d'addition standard. Nous montrerons par ailleurs qu’il est possible de quantifier la présence non seulement d’un additif mais encore, dans certaines situations optimisées, de deux additifs en mélange. Outre la détermination de la concentration en additifs chimiques, nous présenterons également une méthode permettant de déterminer l’anionicité d’un polymère en milieu complexe. Dans la deuxième partie du document, nous détaillerons le développement de complexes de lanthanides utilisés en tant que marqueurs ainsi que la méthode de détection par fluorescence résolue en temps visant à la lutte contre la contrefaçon de différents pétroles bruts et de carburants raffinés. La synthèse et le processus d’incorporation de trois types de marqueurs de photoluminescence et leur stabilité dans différents carburants seront ensuite discutés. Les résultats obtenus démontrent qu’il est possible, à l’aide de cette technologie de marquage, de détecter efficacement les fraudes à la taxe dans les carburants, même à haute dilution. Ces travaux présente potentiellement un fort impact dans les domaines académiques comme industriels. Toutes les études se concentrent sur la mise au point d’une procédure simple, qui fournit une sensibilité élevée permettant de réduire le coût de production et qui repose sur l’emploi du fluorimètre résolu en temps Inibox™ développé pendant ma thèse pour porter sur le terrain les technologies développé au laboratoire / The application of photoluminescence is receiving an increasing interest from researchers coming from many fields. The previous laboratory works introduced a time-resolved fluorescence (TRF) detection method for the quantification of chemicals in complex medium (petroleum, production brine, and synthetic sea water) tagged with lanthanides, the additives form complexes that exhibit specific TRF signal which overcomes autofluorescence of sample and provide a high signal to noise ratio. The subject of this thesis concerns the development of specific methods based on patented technique to answer problematics arising in the oil industry from the extraction of crude product to the distribution of fuels. In the first part of the document, we focus on the monitoring of residual amount of chemical additives such as scale inhibitors, corrosion inhibitors, viscoelastic polymers in different synthetic and production waters. The impacts of some key factors were analyzed in order to improve the sensitivity and performance, also proves that under optimized conditions it is possible to quantify simultaneously two products in the same matrix. We successfully quantified various types of chemical additives with satisfying precision. Furthermore, the matrix effect was controlled by the development of two standard addition strategies. In addition to the determination of the concentration of chemical additives, we will also introduce a method to determine the anionicity of a polymer in difficult conditions. In the second part of the manuscript we follow the development of lanthanide complex markers and their detection for anti-counterfeiting on different crude oils and refined fuels. The synthesis, incorporation process and stability of three types of photoluminescence markers in different fuels have been discussed. The obtained results will prove that the technology can be used to detect fraud on fuels. This work has a potential great impact for both the academic and industrial domains. All studies focus on the creation of a simple procedure, with high sensitivity and low cost. All method are relying in the end on a specific field apparatus developed during my thesis to support the exportation of the technologies from the laboratory to the industry: The Inibox™

En raison de l’omniprésence des hétérocycles azotés et de leurs propriétés biologiques, une attention particulière est accordée au développement de méthodologie pour leur synthèse et leur fonctionnalisation. L’étude de la fonctionnalisation d’énamides constitue une thématique importante car ces motifs s’avèrent être des outils synthétiques polyvalents permettant d’accéder à des dérivés hétérocycliques complexes. Les réactions de couplage Pd-catalysées constituent une méthode de choix rapide et efficace pour la synthèse d'énamides, notamment à partir de phosphates d'énols issus de lactames, d’imides ou d’amides. Le premier chapitre de ce travail porte sur le couplage organopalladié C-P de phosphines boranes secondaires chirales ou achirales avec des phosphates d’énols. Ce couplage C-P original, réalisé dans des conditions douces, conduit aux énamido-phosphines boranes correspondantes et offre de nombreuses possibilités pour la constitution d’une librairie de phosphines originales. Parallèlement à ce travail, l’addition nucléophile d’anions phosphures sur divers ène-carbamates acycliques conduit à des acides alpha-aminés béta-phosphorés originaux, porteurs d’un carbone quaternaire en alpha de l’azote. Le deuxième chapitre de la thèse porte sur la préparation et la caractérisation de chromophores organiques originaux basés sur un noyau pyrazinique et qui sont susceptibles de présenter des propriétés de fluorescence. Ces composés sont conçus pour former des nouveaux systèmes sensibilisateurs de cations de lanthanides, et être utilisés comme sensibilisateurs organiques pour l'imagerie moléculaire dans le proche infrarouge. / On account of the ubiquity of nitrogen heterocycles and their biological properties, the great attention is paid to developing methodologies of their synthesis and functionalization. For this purpose, the study of functionalization of enamides constitutes an important topic due to the utility of these motifs in the construction of complex heterocyclic derivatives. Palladium-catalyzed reactions of cross- coupling are rapid and efficient methods of choice for synthesis of enamides particularly starting from enol phosphates derived from lactams, imides or amides. The first chapter of the thesis evokes the original C-P coupling reaction of chiral and achiral secondary phosphine boranes with different enol phosphates in mild reaction conditions, leading to corresponding enamido-phosphine boranes. This methodology permits the construction of libraries of novels phosphines. Also, the reaction of nucleophilic addition of phosphide anions onto various enecarbamates acyclic was elaborated, giving an access to original beta-phosphino alpha-amino acids, bearing the quaternary carbon on alpha position to nitrogen. The second chapter is devoted to the preparation and characterization of organic chromophores based on the pyrazinic core, which are likely to exhibit the fluorescence properties. These compounds were designed to form new sensitizing systems for lanthanide cations and could be used as organic sensitizers for molecular imaging in near infrared.