Les cryptophanes constituent une famille de conteneurs moléculaires, caractérisés par leur cavité interne lipophile. La capacité des cryptophanes à encapsuler du xénon hyperpolarisé a ouvert une grande opportunité de développer des traceurs d’IRM moléculaires à base de 129-Xe. Un grand nombre de biocapteurs 129-Xe-cryptophane ont été développés pour cibler divers événements biologiques. Bien que ce concept soit accrocheur, de nombreux défis ont été rencontrés, en particulier dans l’élaboration de dérivés de cryptophane solubles dans l’eau et fonctionnalisables facilement. Cette thèse vise donc à développer une nouvelle approche simple pour synthétiser des capteurs de cryptophane solubles dans l’eau. Ces cages sont basées sur des dérivés de cryptophane [223] portant une fonction acide carboxylique centrale permettant de greffer de manière sélective une unité de détection et sur six précurseurs solubles dans l’eau sur les deux rebords du CTB. Le greffage de différents bras de détection a été réalisé en une seule étape, suivie d’une simple déprotection pour offrir les capteurs de cryptophane solubles dans l’eau. Ces capteurs ont été caractérisés par spectroscopie RMN 129-Xe pour évaluer leurs propriétés de liaison et leur réactivité. Un autre aspect de ces dérivés est leur capacité à subir un phénomène d’self-encapsulation dépendant de solvants, caractérisé par l’inclusion de la fonctionnalité centrale greffée sur le lieur propélendioxy vers la cavité interne des cryptophanes en l’absence d’invité. L’investigation de «l’auto-encapsulation» a été évaluée par spectroscopie RMN 1H et IR qui a révélé certains signaux caractéristiques correspondant à ce processus. L'effet sur les propriétés chiroptiques globales a également été étudié par spectroscopie polarimétrique, VCD et ECD. / Cryptophanes are a family of molecular containers, characterized by their lipophilic internal cavity. The ability of cryptophanes to encapsulate hyperpolarized xenon has opened a great opportunity to develop highly sensitive 129-Xe-based MRI molecular tracers. A large number of 129-Xe-cryptophane biosensors have been developed for targeting various biological events. Although this concept is catchy, many challenges have been encountered, specifically in the elaboration of water soluble and easy functionalizable cryptophane derivatives. The work presented in this thesis aims at developing a new straightforward approach to synthesize water soluble cryptophane sensors. These cages are based on cryptophane-[223] derivatives that bear a central carboxylic acid function to selectively graft a sensing unit, and six water soluble precursors on the cryptophanes’ rims. Using these platforms, three different water soluble sensors have been elaborated. These sensors have been characterized by 129Xe NMR spectroscopy to assess their binding properties and responsiveness. An additional aspect of these derivatives is their ability to undergo a solvent-dependent “self-encapsulation” phenomenon. This is characterized by the inclusion of the central functionality grafted on the propelendioxy linker towards the inner cavity of cryptophanes. This phenomenon has been clearly proved by 1H NMR and IR spectroscopy. The effect on the overall chiroptical properties was also investigated by polarimetry, VCD and ECD spectroscopy.

Les cryptophanes sont des molécules sphériques pouvant encapsuler dans leur cavité lipophile des molécules neutres (halogénométhanes, xénon) mais aussi des espèces ioniques comme les cations césium et thallium. Notre objectif a été d’immobiliser ces cages moléculaires de manière covalente sur un support solide dans le but de créer un matériau capable d’extraire des cations toxiques comme le thallium en milieu aqueux. Différentes stratégies ont été envisagées pour optimiser l’immobilisation de dérivés du cryptophane-A sur des surfaces de silice et d’or (surfaces planes et nanoparticules magnétiques de type coeur-écorce). Les cryptophanes-A mono-acide (1) et hexa-acide(2) ont été immobilisés sur des surfaces de silice préalablement fonctionnalisées par des groupements amines. Le cryptophane-A alcanethiol (3), ainsi que les cryptophanes 1 et 2 modifiés par lacystéamine (respectivement 4 et 5) ont été immobilisés sur des surfaces d’or. La caractérisation des surfaces planes par spectroscopie infrarouge de réflexion-absorption par modulation de polarisation(PM-IRRAS) a permis d’estimer le taux de recouvrement des différentes monocouches de cryptophanes et, ainsi, d’évaluer la méthode d’immobilisation la plus efficace. Un taux de recouvrement proche de 100% a été obtenu pour le cryptophanes 3 immobilisé sur les surfaces d’or.Ce composé a également été immobilisé de façon très efficace sur des nanoparticules magnétiques(γ-Fe2O3/SiO2) enrobées d’une nano-écorce d’or. Ces résultats permettent d’envisager la synthèse d’un cryptophane portant cinq fonctions hydroxyles et une fonction thiol afin de créer des matériaux capables d’extraire des cations toxiques. / Cryptophanes are spherical molecules that can encapsulate neutral molecules(halogenomethanes, xenon), and ionic species like cesium and thallium cations in their lipophiliccavity. Our objective was to covalently immobilize these molecular cages onto solid substrates tocreate a material able to extract toxic cations such as thallium in aqueous media. Different strategieswere considered to optimize the immobilization of cryptophane-A derivatives onto silica and goldsurfaces (flat surfaces and core-shell magnetic nanoparticles). Mono-acid cryptophane-A (1) andhexa-acid cryptophane-A (2) were immobilized onto silica surfaces that were functionalized by aminogroups beforehand. Alcanethiols cryptophane-A (3), 1 and 2 modified by cysteamine (cryptophanes 4and 5 ,respectively) were immobilized onto gold surfaces. Flat surfaces were characterized bypolarization modulation infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS) to estimate thesurface coverage of different cryptophane monolayers and to evaluate the most effective method. Asurface coverage close to 100% was obtained for the cryptophane 3 immobilized onto gold surfaces.This compound has been also immobilized efficiently onto magnetic nanoparticles (γ-Fe2O3/SiO2)coated with gold nano-shell. These results allow to consider the synthesis of cryptophane bearing fivehydroxyl and one thiol functions to create materials able to extract toxic cations

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is capable to deliver a detailed information about the dynamics on molecular level in a wide range of time scales, especially if accompanied by suitably chosen theoretical tools. In this work, we employed a set of high-resolution NMR techniques to investigate dynamics processes in several weakly interacting molecular systems in solution. Van der Waals interactions play an important role in inclusion complexes of cryptophane-C with chloroform or dichloromethane. The complex formation was thoroughly investigated by means of 1H and 13C NMR experiments along with the quantum-chemical density functional theory (DFT) calculations. We characterized kinetics, thermodynamics, as well as fine details of structural rearrangements of the complex formation. Internal dynamics of oligo- and polysaccharides presents a considerable challenge due to possible coupling of internal and global molecular motions. Two small oligosaccharides were investigated as test cases for a newly developed integrated approach for interpreting the dynamics of the molecules with non-trivial internal flexibility. The approach comprised advanced theoretical tools, including stochastic modeling, molecular dynamics (MD) simulations, and hydrodynamic simulations. A biologically important bacterial O-antigenic polysaccharide from E. Coli O91 was addressed employing selective isotope labeling and multiple-field 13C relaxation experiments. The complex dynamics of the polysaccharide is characterized by the conformational motion of the exocyclic groups of the sugars, superimposed to the breathing motion of the polymeric chain. Hydrogen bonding is another major non-covalent interaction. Dilute solutions of ethanol were chosen as a model of liquid systems containing extensive hydrogen-bonded networks. We developed a new methodology consisting of NMR diffusion measurements, DFT calculations, and hydrodynamic modeling and utilized it to determine average size of the molecular clusters of ethanol at given conditions. / Nukleární magnetická rezonance (NMR) dokáže poskytnout detailní informace o dynamice na molekulární úrovni v širokém oboru časových škál, zejména pokud je doplněna vhodnými teoretickými nástroji. V této práci byla použita sada technik NMR spektroskopie vysokého rozlišení pro výzkum dynamických procesů slabě interagujících molekulárních struktur v roztoku. Van der Waalsovy interakce hrají důležitou roli v inkluzních komplexech kryptofanu-C s chloroformem nebo dichlormethanem. Tvorba komplexu byla podrobně zkoumána za použití 1H a13C NMR experimentů spolu s kvantově-chemickými výpočty. Byla charakterizována kinetika, termodynamika, jakož i detaily strukturních změn při tvorbě komplexu. Vnitřní dynamika oligo- a polysacharidů představuje velkou výzvu  kvůli možnému provázání lokálního a globálního molekulárního pohybu. Dva modelové oligosacharidy byly použity pro testování nově vyvinuté integrované metody pro popis dynamiky molekul s netriviální vnitřní flexibilitou. Tato metoda spojuje pokročilé teoretické výpočty včetně stochastického modelování, simulací molekulové dynamiky a hydrodynamiky. Antigenní bakteriální polysacharid z E. Coli O91, důležitý z biologického hlediska, byl studován za pomoci selektivního izotopového značení a NMR relaxačních experimentů ve více magnetických polích. Komplexní dynamika polysacharidu je charakterizována konformačními změnami exocyklických skupin cukerných reziduí a omezenou interní flexibilitou polymerního řetězce. Vodíkové vazby jsou další z důležitých nekovalentních interakcí. Zředěné roztoky ethanolu byly vybrány jako model kapalného systému obsahujícího rozsáhlou síť vodíkových vazeb. Vyvinuli jsme novou metodologii, složenou z NMR difúzních měření, kvantově-chemických výpočtů a hydrodynamického modelování a aplikovali ji pro zjištění průměrné velikosti molekulových klastrů ethanolu za specifických podmínek. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 4: Accepted. Paper 5: Manuscript.</p>

Title: Fast Dynamic Processes in Solution Studied by NMR Spectroscopy Author: Mária Šoltésová Department: Department of low temperature physics, Charles University in Prague, and Department of Materials and Environmental Chemistry, Stockholm University Supervisor: doc. RNDr. Jan Lang, Ph.D., Department of low temperature physics, Charles University in Prague, and Prof. Jozef Kowalewski, Department of Materials and Environmental Chemistry, Stockholm University Abstract: Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is capable to deliver a detailed information about the dynamics on molecular level in a wide range of time scales, especially if accompanied by suitably chosen theoretical tools. In this work, we employed a set of high-resolution NMR techniques to investigate dynamics processes in several weakly interacting molecular systems in solution. Van der Waals interactions play an important role in inclusion complexes of crypto- phane-C with chloroform or dichloromethane. The complex formation was thoroughly investigated by means of 1H and 13C NMR experiments along with the quantum- chemical density functional theory (DFT) calculations. We characterized kinetics, thermodynamics, as well as fine details of structural rearrangements of the complex formation. Internal dynamics of oligo- and...

NMR is a powerful analytical spectroscopic tool used to perform detailed studies of structure and dynamics of molecules in solution. However, despite NMR's excellent spectral sensitivity, most NMR methods suffer from low detection sensitivity. This low detection sensitivity results largely from extremely small (Boltzmann) nuclear spin polarization at thermal equilibrium--in even the strongest of magnets. This dissertation focuses on selected research areas that maybe used to combat the limitations presented by NMR and measure weak spectral responses with atomic-scale precision. In particular, these methods involve the use of laser-polarized xenon, liquid crystals, and polarization transfer (cross-polarization) techniques to enhance NMR sensitivity and/or measure weak interactions. The potential use of these tools to study host-guest interactions is of particular interest. In certain systems the sensitivity problem of conventional NMR/MRI can be overcome by applying optical pumping (OP) methods to enhance nuclear spin polarization. For instance, OP of noble gases (such as xenon) is employed to dramatically increase their nuclear spin polarization by transferring angular momentum of laser light to electronic and then nuclear spins. Next, cryptophane complexes are ideal choices for fundamental studies of prototypical host-guest interactions. Of general interest when studying host-guest interactions is how (1) physical confinement at the nanoscale and (2) interactions between guest and host may affect the properties, dynamics, interactions, and/or reactivity of a trapped molecule and the host/guest complex as a whole. As a more specific example, we are interested in probing host-guest dynamic coupling, which refers to the relative motion of the guest within the host, determined by the relative sizes and geometries--as well as the interactions involved. With the development of new NMR methods and techniques, we hope to gain insight into mechanisms that underlie complex formation by probing the structures, dynamics and energetic contributions involved in ligand binding, where molecular contributions such as: orientational and motional freedom of the guest; and structure, dynamics, and ordering of the host can influence the behavior of inclusion complexes.

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy has been extensively used to investigate the structure and dynamics of host-guest systems. NMR spectroscopy has gained attention because of its high spectral information content for studies of molecules in the solid state and in solution. However, the main weakness of NMR is the inherent low detection sensitivity. Host-guest interactions are weak; therefore these interactions can be particularly difficult to study due to weak spectral response. NMR methods are currently the best solution for measuring these responses with atomic-scale precision. Improving upon these limitations is the main goal of this dissertation research using laser-polarized xenon, liquid crystals, and polarization exchange pulse sequences. The first five chapters review the basics of NMR spectroscopy that is used throughout this dissertation. Chapters one and two concern the fundamental elements of liquid-state and liquid-crystal NMR spectroscopy. The third chapter deals with the properties of organic thermotropic and lyotropic liquid crystals including the ZLI 1132 and PBLG. Chapter four presents the theoretical and experimental aspects of optical pumping laser-polarized xenon and properties of xenon. An overview of the dissertation research is described in chapter six. Chapter seven describes the procedures for synthesizing many of the cryptophanes used in the NMR experiments in this dissertation. The cryptophanes synthesized include cryptophane-A, cryptophane-223, and cryptophane-E as well as the water-soluble derivatives of each. The eighth and ninth chapters investigate the binding kinetics of hydrocarbon and hydrogen gases to cryptophane-111 in organic solutions. Chapter ten illustrates the utility of liquid crystalline-aligned cryptophanes (bis- and cryptophane-A) reintroducing dipolar couplings in solution. Chapter eleven describes the exploitation of the reintroduced dipolar coupling of the guest molecule to transfer the abundant 1H nuclear spin magnetization to the rare 13C spins to enhance NMR detection sensitivity using an adiabatic Hartmann-Hahn cross polarization pulse sequence. Chapter twelve describes cryptophanes of varying cavity size to probe the host-guest dynamic coupling (with chloroform as a guest ligand) aligned in PBLG. Finally, chapter thirteen introduces preliminary xenon @ cryptophanes aligned in liquid crystals to achieve intermolecular polarization transfer.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique médicale incontournable permettant d'observer l'intérieur du corps de façon non invasive et non irradiante. L'IRM reste cependant connue pour souffrir d'une très faible sensibilité. Pour pallier cette limitation, une solution de choix est d'utiliser des espèces hyperpolarisées. Parmi les entités dont on peut augmenter la polarisation nucléaire et donc le signal RMN de plusieurs ordres de grandeur, le xénon se distingue par sa capacité à interagir avec son environnement proche, ce qui se traduit par une large gamme de déplacement chimique. L'objectif devient alors d'utiliser le xénon hyperpolarisé comme traceur. Le sujet de cette thèse porte sur le concept de sonde IRM 129Xe hyperpolarisé par laser pour la détection d'évènements biologiques. Dans cette approche, le xénon est vectorisé vers des cibles au moyen de systèmes hôtes fonctionnalisés puis détecté grâce à des séquences d'imagerie rapide. La conception et la mise au point d'un montage permettant la production de xénon hyperpolarisé par pompage optique par échange de spin sont décrites. Sont ensuite développées des études sur l'interaction du gaz rare avec de nouveaux cryptophanes susceptibles de constituer des molécules hôtes performantes. La mise en place de séquences IRM adaptées au caractère transitoire de l'hyperpolarisation et permettant l'utilisation optimale de l'échange du xénon dans les différents environnements est présentée. Des applications de biosondes IRM 129Xe pour la détection de cations métalliques et de récepteurs de surface cellulaire sont également décrites. Enfin, nos premiers résultats sur un modèle petit animal sont abordés.

L’encapsulation des espèces chargées ou neutres dans la cavité interne d’hôtes organiques est un domaine fascinant de la recherche et représente un défi pour de nombreux laboratoires partout dans le monde. La réussite exceptionnelle de ce sujet provient principalement de l’imagination des chimistes dans la conception et la synthèse d’hôtes organiques ayant une fonction de reconnaissance. Depuis l’origine du concept de la chimie hôte-invité, une grande variété de composés organiques a été synthétisée comme récepteurs moléculaires pouvant former des systèmes auto-organisés avec différents degrés de complexité. Les applications possibles sont la reconnaissance moléculaire, la vectorisation de médicaments, la séparation et le stockage, les biocapteurs et la catalyse (réaction chimique dans l’espace clos d’un nano-réacteur).L’objet de nos travaux consistait en la synthèse de molécules cages par auto-assemblage de cyclotrivératrylènes spécifiquement fonctionnalisés. De nombreux essais ont été menés pour dimériser deux CTV dans l’optique d’obtenir des cryptophanes auto-assemblés selon différents modes de coordination. Tout d’abord, des cyclotrivératrylènes fonctionnalisés par des pyridines ont été formés dans l’optique d’obtenir des cryptophanes auto-assemblés par des liaisons de coordination ou par des liaisons hydrogènes.Un second volet de nos travaux a été la synthèse de plusieurs cyclotrivératrylènes incorporant des atomes de soufre directement liés au cycle benzénique. Dans ce manuscrit figurent plusieurs voies synthétiques pour la synthèse du cyclotrithioguaiacylène ainsi que pour la formation du cyclotrithiophénolène. Des essais de dimérisation ont été menés et ont conduit contre toute attente à la formation d’un macrocycle incorporant huit unités cyclotrivératrylèniques. Ce dernier a pu être caractérisé par spectroscopie de RMN 1H et spectrométrie de masse MALDI-TOF / The encapsulation of charged or neutral species in the internal cavity of organic hosts is a fascinating area of research and a challenge for many laboratories around the world. The outstanding success of this subject comes mainly from the imagination of chemists in the design and synthesis of organic hosts with a recognition function. Since the origin of the concept of host-guest chemistry, a wide variety of organic compounds were synthesized as molecular receptors that can form self-organized systems with different degrees of complexity. Possible applications include molecular recognition, drug delivery, separation and storage, biosensors and catalysis (chemical reaction) in the confined space of a nano-reactorThe purpose of our work involved the synthesis of cage molecules by self-assembly of specifically functionalized cyclotrivératrylènes. Numerous tests were conducted to dimerize two CTV with a view to obtaining cryptophanes self-assembled according to different modes of coordination. First of all cyclotrivératrylènes functionalized with pyridines were formed with the aim of obtaining cryptophanes self-assembled by coordination bonds or hydrogen bonds. A second part of our work was the synthesis of several cyclotrivératrylènes incorporating sulfur atoms directly attached to the benzene ring. In this manuscript are presented several synthetic routes for the synthesis of cyclotrithioguaiacylene and cyclotrithiophenolene.Tests of dimerization were conducted and led against all odds to the formation of a macrocycle incorporating eight CTV units. The latter has been characterized by 1H NMR spectroscopy and MALDI-TOF mass spectrometry

Host–guest complexes are widely investigated because of their importance in many industrial applications. The investigation of their physico–chemical properties helps understanding the inclusion phenomenon. The hosts investigated in this work are cryptophane molecules possessing a hydrophobic cavity. They can encapsulate small organic guests such as halo–methanes (CH2Cl2, CHCl3). The encapsulation process was investigated from both the guest and the host point of view. With the help of Nuclear Magnetic Resonance (NMR), the kinetics of complex formation was determined. The information was further used to obtain the activation energies of the processes. Having done this on five different cryptophanes, it is possible to relate the energies to structural differences between the hosts. Via the dipolar interaction between the guest’s and host’s protons, one can get information on the orientation of the guest inside the cavity. Moreover, the dynamics of the guest can be further investigated by its relaxation properties. This revealed restricted motion of the guest inside the host cavity. Not only the nature of the guest plays an important role. The host is also changing its properties upon encapsulation. All the cryptophanes investigated here can exchange rapidly between many conformers. These conformers have different–sized cavities. Quantum chemical optimization of the structure of the conformers makes volume estimation possible. Not only the cavity volumes, but also the quantum-chemically obtained energies and the calculated chemical shifts of the carbon–13 atoms can be helpful to follow the changes of the host upon complex formation. The host cannot be considered as a rigid entity. Analysis of variable temperature proton and carbon-13 spectra shows that the encapsulation can be considered as a mixture of conformational selection and induced fit. The structures of the formed complexes are further investigated by means of two-dimensional nuclear Overhauser spectroscopy (NOESY). The complex formation, its kinetics and thermodynamics are found to be a complicated function of structure elements of the host, the cavity size and the guest size and properties. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 4: Accepted. Paper 5: Manuscript.</p><p> </p>