L'objectif de ce travail est l'analyse de la stabilité thermodynamique et de l'inertie chimique de complexes métalliques avec des ligands ou des nanoparticules conçus pour des applications en IRM. Deux types de ligands polyaminocarboxylates ont été étudiés, ligands pour lesquels les unités complexantes sont soit linéaires soit macrocycliques.Les ligands macrocycliques étudiés sont des ligands basés sur des squelettes DO3A, substitués par des entités benzimidazole (L1H4) ou p-nitrophenylbenzimidazole (L2H3). Les données thermodynamiques indiquent que les affinités de ces ligands vis-à-vis des ions de la première série de transition (Cu(II) et Zn(II)) ou vis-à-vis des lanthanides (Gd(III) et Eu(III)) sont plus élevées que celles des complexes correspondants avec le ligand DO3A. Ce renforcement d'affinité est corrélé avec la participation des groupements benzimidazole à la sphère de coordination de chacun des métaux. L'inertie chimique du complexe Gd(III)- L1H4 a ensuite été évaluée par relaxométrie en tampon phosphate, en présence d'une quantité équimolaire de Zn(II). Dans cette expérience, le Zn(II) joue le rôle d'un compétiteur du Gd(III) c'est-à-dire qu'il peut si le complexe Gd(III)-L1H4 n'est pas inerte chimiquement, induire une libération de l'ion gadolinium. Pour Gd(III)-L1H4, aucune réaction de ce type n'a été détectée, ce qui plaide en faveur de l'inertie chimique de ce complexe.Les ligands linéaires étudiés sont des dérivés dithiolés de ligands DTPA bisamide L@1H5. Ces ligands ont été conçus pour être greffés sur des nanoparticules d'or. La stabilité thermodynamique des complexes de Cu(II), Zn(II) et Gd(III) utilisant les ligands L@1H5 et L@1H5 greffé sur nanoparticule d'or (autrement appelé L@2H3) suit l'ordre de stabilité croissant Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Par ailleurs, les résultats montrent que le complexe Gd(III)-L@1H5 est moins stable d'au moins deux ordres de grandeur que le complexe Gd(III)-L@2H3. Ceci suggère qu'une fois greffé sur la nanoparticule, le complexe de gadolinium correspondant gagne en stabilité. Par ailleurs, des études comparatives d'inertie chimique montre que le complexe Gd(III)-L@1H5 greffé sur la nanoparticule a une inertie chimique comparable à celle de l'agent de contraste commercial Gd-DTPA. En revanche lorsque ce complexe est seul, sa vitesse de démétallation est rapide. Le greffage du ligand L@1H5 à la surface de la nanoparticule est donc au bénéfice de la stabilité et de l'inertie chimique de son complexe de Gd(III). Ce gain de stabilité peut être attribué à l''effet de ballast' de la nanoparticule qui rigidifie la structure du complexe et limite sa démétallation. / The aim of this work is to analyse the stability of metal complexes with ligands or nanoparticles of interest in MRI and to study their transmetallation mechanisms in the presence of endogenous cations near physiological pH. Two types of polyaminocarboxylate ligands were studied for which the binding unit was either linear or macrocyclic.Macrocyclic ligands are constituted of a DO3A backbone functionalized with a benzimidazole (L1H4) or a p-nitrophenylbenzimidazole unit (L2H3). Thermodynamic data indicated that the affinities of these ligands towards first row transition metal ions (Cu(II) and Zn(II) or lanthanide ions (Gd(III) and Eu(III)) are increased compared to the corresponding ones with DO3A. This enhancement is correlated to the involvement of the benzimidazole moiety to each metal coordination sphere. For gadolinium complex Gd(III)- L1H4, its kinetic inertness was evaluated in phosphate buffer by relaxometry, in the presence of equimolar quantities of Zn(II) as a competitor. In these conditions, if the complex is not chemically inert, it would be subjected to a transmetallation reaction, that is to say that at least, gadolinium would be released. For Gd(III)-L1H4, no such reaction was detected which is in favour of kinetic inertness of Gd(III)- L1H4.Linear ligand, dithiolated DTPA bisamide L@1H5 was designed with an aim of grafting it onto gold nanoparticles. L@1H5 and the ligand grafted into gold nanoparticle,namely L@2H3, were analysed for their thermodynamic stability towards mainly Cu(II), Zn(II) and Gd(III). Whatever the system, L@1H5 or L@2H3, the general trend of increasing complex stability was Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Furthermore, Gd(III)-L@1H5 complex was less stable than Gd(III)-L@2H3, this latter being 2 orders of magnitude more stable at physiological pH. This suggested that the gadolinium complex stability is enhanced when the ligand is grafted onto the nanoparticle. Moreover, comparative kinetic inertness studies showed that the gadolinium complex Gd(III)-L@1H5 is not chemically inert and demetallates rapidly while the gadolinium complex grafted onto the nanoparticle exhibit almost equal kinetic inertness as Gd-DTPA (Magnevist). The bulky nanoparticle probably rigidifies the structure of the complex and prevents Gd(III)-L@2H3 from an extensive demetallation, which was a good point for the possible use of these nanoparticles in living organisms for imaging applications.

Lors de ces travaux de thèse, des unités monomériques appelées unimères ont été synthétisées et utilisées pour le développement de polymères métallo-supramoléculaires (MSPs). Ces unités se composent (i) d’un bloc central: 2,5-dithiénylphosphole, (ii) dA’un chélate : 2,2':6',2''-terpyridine-4'-yl (tpy) et (iii) de connecteurs variés assurant la jonction entre le bloc central et le chélate. Les propriétés physico-chimiques de ces unimères ont été mesurées afin d’établir des relations structures/propriétés. Par exemple, l’unimère ne comportant pas de connecteurs entre l’unité central et le chélate présente un maximum d’absorption fortement décalé vers le rouge par rapport à l’unimère bis(tpy)terthiophène. Cette observation montre que la délocalisation électronique est accrue dans ces systèmes et permet de couvrir un large domaine spectral. L’introduction de connecteurs (éthynediyle, éthynediyle-thiophène-2,5-diyle, éthynediyle-1,4-phénylène) entre le bloc central et le chélate a un effet mineur sur l’écart HO-BV et sur la position des maxima d'absorption. Puis tous les unimères synthétisés ont été mis en présence de différents ions métalliques (Co2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ et Zn2+) pour former les MSPs correspondants. Ce phénomène de polymérisation a été étudié en détail en utilisant les spectroscopies d’absorption, d’émission et la chromatographie d’exclusion stérique. Ainsi, cette polymérisation présente 3 étapes : (i) la formation des dimères U-M-U, (ii) la prolongation de chaine de polymères qui atteint un une longueur maximale pour le ratio 1/1 ion métallique/unimère; (iii) terminaison réalisée avec des ions métalliques lorsque ces ions sont présent en excès. Les propriétés optiques de ces nouveaux polymères ont également été étudiées montrant qu’elles dépendent fortement de la nature de l’ion métallique utilisé. / New π-conjugated building blocks (unimers) for metallo-supramolecular polymers (MSPs), whose comprise: (i) substituted phosphole ring surrounded by two thiophene rings as the central block, (ii) 2,2':6',2''-terpyridine-4'-yl (tpy) end-groups as ion-selectors, and (iii) different linkers inserted between the central block and tpy end-groups, are described. Chemical and physical properties of those unimers were studied with attention on correlation between properties and structure of unimers. For example the unimer without linkers shows the UV/vis absorption maximum red shifted about 60 to 100 nm compared to bis(tpy)terthiophenes, which proves that replacing of the thiophene with phosphole unit significantly enhances the delocalization of electrons within the unimer molecule and significant area of absorption spectra can be covered. Introduction of linkers (ethynediyl, ethynediyl-thiophene-2,5-diyl, ethynediyl-1,4-phenylene) has a minor effect on the bandgap energy. All prepared unimers underwent self-assembling process with various metal ions (Co2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ and Zn2+) resulting into metallo-supramolecular polymers. Three stages of the assembly of unimers into related MSPs were observed and characterized by absorption, fluorescence spectroscopy and size exclusion chromatography: 1) formation of dimer species: U-M2+-U (U stands for unimer); 2) prolongation of polymer chain to reach the maximum length at equimolar ratio of unimer and metal ions; 3) end-capping of polymer chains and their partial decomposition at stoichiometric excess of ion couplers. Optoelectronic properties of newly formed metallo-supramolecular polymers were investigated and choice of the metal ions was shown to be of crucial importance. / V rámci této disertační práce byly připraveny stavební bloky (nazývající se unimery) pro tvorbu konjugovaných metalo-supramolekulárních polymerů (MSPs), které ve své struktuře obsahují: (i) substituovaný fosfolový kruh obklopený dvěma thiofenovými cykly jako centrální blok, (ii) 2,2':6',2''-terpyridin-4'-yl (tpy) jako koncovou skupinu pro navázání iontů, a (iii) různé spojky mezi uvedeným centrálním blokem a tpy skupinou. Chemické a fyzikální vlastnosti těchto unimerů byly prostudovány s důrazem na korelaci mezi vlastnostmi a strukturou unimeru. Například unimer bez přídavných spojek vykazuje posun UV/vis absorpčního maxima do červené oblasti o 60 až 100 nm v porovnání s bis(tpy)terthiofenem, což značí, že nahrazením thiofenu fosfolem se značně zvyšuje delokalizace elektronů v molekule unimeru a může být pokryta značná část spektra. Začlenění spojek (ethynediyl, ethynediyl-thiofen-2,5-diyl, ethynediyl-1,4-fenylen) do struktury unimeru má jen malý vliv na šířku zakázaného pásu, a tedy pozici absorpčního maxima. Všechny připravené unimery byly podrobeny procesu samo-seskupování s různými kovovými ionty (Co2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ a Zn2+) za vzniku organokovových polymerů. Tři stadia provázející proces samo-seskupování byla pozorována pomocí absorpční a fluorescenční spektroskopie a gelové permeační chromatografie (SEC): 1) tvorba dimerů U-M2+-U (U = unimer), 2) prodlužování polymerních řetězců a dosažení maximální délky při ekvimolárním poměru unimeru a kovových iontů, 3) vazba kovových iontů na koncové terpyridinové skupiny a rozklad polymerního řetězce na kratší při stechiometrickém přebytku kovových iontů. Optické vlastnosti nově připravených organokovových polymerů byly prozkoumány a ukázalo se, že velmi závisí na vybraném kovovém iontu.