Une investigation des propriétés d’émission de fluorescence à l’état condensé a été effectuée sur des dérivés encombrés du Boron DIPYrromethene (BODIPY). L’objectif est de déterminer la nature de l’encombrement stérique afin d’optimiser l’efficacité d’émission en minimisant les interactions intermoléculaires. L’étude en films de PMMA du 3,5-di-adamantane, 8-mésityle BODIPY a mis en évidence la formation prépondérante d’agrégats H et celle de dimères J, dont le rendement quantique de fluorescence n’est diminué que d’un facteur 5 par rapport à la molécule non agrégée. Une deuxième étude spectroscopique en films évaporés a également été effectuée sur une série de quatre dérivés substitués sur les positions 3 et 5 par des groupements [2.2]paracyclophane et sur les positions 2 et 6 par les groupements respectifs : propyle, éthyle, méthyle et H (BODIPY H-, Alkyl-PcP). L’absence de substitution sur les positions 2 et 6 favorise la formation des agrégats H tandis que la présence d’une chaîne alkyle conduit à la formation prépondérante d’agrégats J. La mesure des rendements quantiques relatifs ainsi que l’analyse des images de fluorescence résolues en temps démontrent une augmentation de l’efficacité d’émission et de la durée de vie de fluorescence de la phase solide lorsque la chaîne alkyle s’allonge. Les composés BODIPY Et-PcP et Pr-PcP présentent tous deux une émission de fluorescence supérieure à un dérivé non encombré. Enfin, une étude préliminaire des phases solides de dérivés BODIPY substitués par des groupements insaturés planaires (benzothiophène, p-bromo-diphényle) a été menée afin d’étudier l’influence de la géométrie des substituants. La synthèse de l’ensemble des résultats permet de conclure que les substituants insaturés planaires ne conduisent pas systématiquement à une perte du rendement quantique de fluorescence à l’état solide, en comparaison aux substituants saturés et insaturés sphériques. Deux méthodes d’élaboration de particules ont été explorées : la première consiste à greffer des dérivés d’aza-BODIPY sur des billes de polystyrène afin d’obtenir des particules sondes de pH - la deuxième approche repose sur la polymérisation d’un dérivé BODIPY selon la méthode RAFT suivie de la formulation du polymère amphiphile obtenu en micelles de taille nanométrique. Ces particules offrent la possibilité d’une post-fonctionnalisation permettant d’élaborer des capteurs. / Fluorescence properties of Boron DIPYromethene derivatives (BODIPY) bearing bulky moieties are studied in condensed state in order to frame the nature of the substituents that would give the best emission efficiency. 3,5-bis-adamantane 8-mesityl BODIPY derivative shows a preponderant formation of H aggregates as well as J dimers, which fluorescence quantum yield is up to only about 5 times less than the monomer. Spectroscopic properties in solid state have also been studied on a set of four BODIPY derivatives substituted by [2.2]paracyclophane (PcP) on positions 3 and 5 on one hand, respectively H, methyl, ethyl and propyl on positions 2 and 6 on the other hand (BODIPY H-, Alkyl-PcP). BODIPY H-PcP shows aggregation preferentially in H type whereas substitution by an alkyl chain in position 2 and 6 favours the formation of J aggregates. The longer is the alkyl chain the more the BODIPY derivative emits, according to the measurement of relative quantum yield and the analysis of fluorescence lifetime imaging data. Both BODIPY Et-PcP and Pr-PcP show better emission efficiency than a non hindered BODIPY derivative. Preliminary work on derivatives bearing benzothiophene and p-Bromo-bisphenyl moieties on positions 3 and 5 supports the conclusion that unsaturated and planar substituents do not necessarily lead to more &#960--&#960- stacking, responsible for fluorescence quenching in solid state, compared to alkyl substituents or unsaturated and spherical substituents (Ad, PcP). Particles have also been obtained through two different approaches : the first one consists in fonctionnalizing aza-BODIPY derivatives on polystyrene beads in order to build a pH sensor - in the second one, a BODIPY derivative is polymerized according to RAFT method to give an amphiphilic polymer which is then reorganized into micelles. Those particles can be easily post-functionnalized to give a broad range of sensors.

CES TRAVAUX DE THESE ONT INITIALEMENT EU POUR OBJET LA SYNTHESE TOTALE DE LA PAULITINE. LES RESULTATS OBTENUS NOUS ONT AMENES A MENER UNE ETUDE CONCERNANT LE MECANISME DE LA METATHESE ENE-YNE VERS LA FORMATION DU BICYCLE A-B DE LA MOLECULE CIBLE. CETTE ETUDE A ALORS PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE QUE, LORS DE LA RCM D'ENYNES COMPORTANT UN ALCYNE VRAI ET UN ATOME D'OXYGENE EN ALPHA DE LA TRIPLE LIAISON, LE CARBENE DU RUTHENIUM ATTAQUE L'ALCYNE EN PREMIER. L'ENCOMBREMENT STERIQUE EN POSITION PROPARGYLIQUE SEMBLE FORTEMENT INFLUENCER LE RENDEMENT DE LA METATHESE: LA CYCLISATION EST PLUS EFFICACE LORSQUE CELUI-CI DIMINUE. UN PRECURSEUR DESMETHYLE DU BICYCLE CIBLE A ALORS PU ETRE SYNTHETISE AVEC UN RENDEMENT DE SEPT POURCENTS SUR HUIT ETAPES. LA SYNTHESE ASYMETRIQUE DU BICYLE AINSI QUE LA FORMATION DE MOTIFS ALPHA-METHYLENE-GAMMA-BUTYROLACTONES PRESENTS DANS LA PAULITINE ONT ENSUITE ETE ETUDIEES.PARALLELEMENT A CE TRAVAIL DE SYNTHESE, UNE NOUVELLE METHODOLOGIE A ETE DEVELOPPEE POUR LES METATHESES DE COMPOSES AZOTES ALLYLIQUES, HABITUELLEMENT DELICATES. L'UTILISATION DE BORANES, EN TANT QU'ACIDE DE LEWIS, OFFRE DE NOUVELLES CONDITIONS, PERMETTANT D'OBTENIR PROPREMENT DES PRODUITS DE COUPLAGE. CETTE NOUVELLE METHODE DONNE ACCES A DES OLEFINES DIVERSEMENT FONCTIONNALISEES PAR UN GROUPE AZOTE AVEC DE BONS RENDEMENTS, LORSQUE LA REACTION EST EFFECTUEE AU REFLUX DU TOLUENE, PENDANT DOUZE HEURES, EN PRESENCE DE CINQ POURCENTS DE CATALYSEUR D'HOVEYDA-BLECHERT ET D'UN SEUL EQUIVALENT DE PARTENAIRE DE METATHESE.

Une investigation des propriétés d'émission de fluorescence à l'état condensé a été effectuée sur des dérivés encombrés du Boron DIPYrromethene (BODIPY). L'objectif est de déterminer la nature de l'encombrement stérique afin d'optimiser l'efficacité d'émission en minimisant les interactions intermoléculaires. L'étude en films de PMMA du 3,5-di-adamantane, 8-mésityle BODIPY a mis en évidence la formation prépondérante d'agrégats H et celle de dimères J, dont le rendement quantique de fluorescence n'est diminué que d'un facteur 5 par rapport à la molécule non agrégée. Une deuxième étude spectroscopique en films évaporés a également été effectuée sur une série de quatre dérivés substitués sur les positions 3 et 5 par des groupements [2.2]paracyclophane et sur les positions 2 et 6 par les groupements respectifs : propyle, éthyle, méthyle et H (BODIPY H-, Alkyl-PcP). L'absence de substitution sur les positions 2 et 6 favorise la formation des agrégats H tandis que la présence d'une chaîne alkyle conduit à la formation prépondérante d'agrégats J. La mesure des rendements quantiques relatifs ainsi que l'analyse des images de fluorescence résolues en temps démontrent une augmentation de l'efficacité d'émission et de la durée de vie de fluorescence de la phase solide lorsque la chaîne alkyle s'allonge. Les composés BODIPY Et-PcP et Pr-PcP présentent tous deux une émission de fluorescence supérieure à un dérivé non encombré. Enfin, une étude préliminaire des phases solides de dérivés BODIPY substitués par des groupements insaturés planaires (benzothiophène, p-bromo-diphényle) a été menée afin d'étudier l'influence de la géométrie des substituants. La synthèse de l'ensemble des résultats permet de conclure que les substituants insaturés planaires ne conduisent pas systématiquement à une perte du rendement quantique de fluorescence à l'état solide, en comparaison aux substituants saturés et insaturés sphériques. Deux méthodes d'élaboration de particules ont été explorées : la première consiste à greffer des dérivés d'aza-BODIPY sur des billes de polystyrène afin d'obtenir des particules sondes de pH - la deuxième approche repose sur la polymérisation d'un dérivé BODIPY selon la méthode RAFT suivie de la formulation du polymère amphiphile obtenu en micelles de taille nanométrique. Ces particules offrent la possibilité d'une post-fonctionnalisation permettant d'élaborer des capteurs.

Une série de dimères composés de thiophène-aniline encombrée stériquement a été synthétisée. Les différents processus de désactivation de l’état singulet excité ont été étudiés par UV-visible, fluorescence, phosphorescence, photolyse par impulsion laser et calculs théoriques. Les graphiques de Stern-Volmer obtenus à partir des expériences de désactivation des états singulet et triplet ont démontré l’efficacité de l’azométhine à désactiver les fluorophores. Les calculs semi-empiriques AM1 examinant l’effet des substituants encombrés ont démontrés que les groupements tert-butyls sur l’aniline ont moins d’influence sur la barrière de rotation N-aryl que les substitutions alkyles en ont sur la rotation de thiophène-C. Les calculs Rehm-Weller basés sur les potentiels d’oxydation et de réduction ont montré que l’autodésactivation de l’état excité des azométhines se fait par transfert d’électron photoinduit menant à une éradication complète de la fluorescence. Des complexes métalliques contenant des ligands azométhines ont aussi été préparés. Le ligand est composé d’une unité hydroxyquinoline lié à un cycle thiophène. Les données photophysiques de ces complexes indiquent un déplacement bathochromique aussi bien en absorbance qu’en fluorescence. Des dispositifs de détection d’ion métallique ont été préparés et un exemple à partir d’une solution de cuivre a montré un déplacement bathochromique. / A series of sterically hindered thiophene-aniline azomethine dyads were prepared. The decay pathways that deactivate the singlet excited state were studied using UV-vis fluorescence and phosphorescence, laser flash photolysis and quantum calculations. Stern-Volmer relationships, derived from singlet and triplet state quenching experiments, showed that azomethines efficiently deactivate the singlet and triplet excited states of fluorophores with bimolecular kinetics. AM1 Semi-empirical quantum calculations examining the effect of bulky substituents on the bond rotational barriers demonstrate that bulky tert-butyl groups attached to the aniline moiety have less influence on the N-aryl bond rotation barrier than alkyl substitutions do on the thiophene-CH bond rotation barrier. Rehm-Weller calculations based on electrochemical potentials demonstrate that azomethines self-quench their excited states via fast and efficient intramolecular photoinduced electron transfer leading to complete fluorescence suppression. Metal complexes containing an azomethine ligand were also prepared. The ligand contains a hydroxyquinoline moiety linked with a thiophene ring. Photophysical investigations of the resulting metal complexes demonstrated significant bathochromic shifts in the absorbance and fluorescence spectra. Metal-ion sensing devices for water solutions were prepared by spin casting the ligand onto glass slides. The metal-ion sensor detected copper in water solutions through a bathochromic shift in the absorbance maximum.

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Une percée majeure aura lieu dans le domaine de la santé lorsque les patients pourront surveiller les molécules indicatives de leurs conditions médicales dans le confort de leur salon. L’efficacité d’une telle stratégie a déjà été validée par des millions de patients diabétiques via l’utilisation du glucomètre. Toutefois, des technologies de détection similaires restent à être développées pour améliorer le traitement de d’autres maladies chroniques. Les capteurs électrochimiques à base d’ADN (capteurs eDNA) ont récemment attiré beaucoup d’attention grâce à leur capacité à détecter plusieurs marqueurs moléculaires dans le sang tout en utilisant un dispositif bon marché et facile d’utilisation. Dans ce type de capteurs, l’ADN est typiquement employé comme élément de reconnaissance ou pour concevoir le mécanisme de signalisation permettant de capturer des cibles moléculaires spécifiques et traduire cet événement de liaison en un signal électrochimique. Des défis particuliers, toutefois, limitent toujours la commercialisation des capteurs eDNA. Par exemple, la plupart de ces capteurs produisent encore d’importantes variations non spécifiques du courant électrique lorsque plongés dans un échantillon de sang. De plus, ces capteurs demeurent sensibles au processus de fabrication et au vieillissement, et nécessitent des modifications chimiques complexes et un long processus d’optimisation pour leur mise au point. L’objectif principal de ma thèse consiste à régler ces limitations via le développement de nouveaux mécanismes de signalisation plus performants. Dans le chapitre 2, nous introduisons un nouveau type de capteurs eDNA basé sur l’hybridation d’ADN que nous avons nommé « essaie d’hybridation électrochimique par encombrement stérique et inhibition rédox (eSHRI) ». Ce mécanisme de signalisation potentiellement universel intègre trois niveaux d’encombrement stérique et un nouveau mécanisme d’inhibition rédox par contact. Nous avons démontré que le eSHRI peut détecter et quantifier de faibles concentrations (nanomolaire) de protéines dans une goutte de sang en moins de 3 min via une diminution de signal électrique allant jusqu’à -93.6 ± 1.36 % du signal initial. De plus, l’essai d’hybridation eSHRI demeure essentiellement indépendant de la densité du brin de capture à la surface de l’électrode et donc insensible aux variations lors de la fabrication et du vieillissement du capteur. Malgré ses caractéristiques impressionnantes, le eSHRI requiert généralement des modifications chimiques complexes pour attacher l’élément de reconnaissance et l’élément rédox à la même extrémité du brin d’ADN. Ainsi, dans le chapitre 3, nous avons développé un nouveau mécanisme de signalisation potentiellement universel, l’essaie de barrière moléculaire, qui nécessite uniquement une modification par brin d’ADN. Dans cet essai, l’élément de reconnaissance et l’élément rédox sont respectivement conjugués à l’ADN de capture (surface de l’électrode) et l’ADN de signalisation (libre en solution). L’essai fonctionne via la formation d’une barrière moléculaire utilisant l’analyte à détecter, une protéine. Lorsque cette dernière se lie à la surface du capteur, cela réduit l’efficacité d’hybridation entre l’ADN de signalisation et l’ADN de capture. En utilisant ce nouveau capteur, nous avons démontré la détection de deux protéines, la streptavidine et un anticorps, directement dans une goutte de sang. Ces dernières années, les anticorps à base d’ADN, nommés aptamères, ont considérablement augmenté notre capacité à détecter des analytes cliniquement pertinents. Toutefois, les capteurs eDNA à base d’aptamères nécessitent un long processus de développement et d’optimisation, et demeurent très dépendants de la densité de surface tout en présentant d’importantes variations de signal lorsqu'ils sont déployés dans le sang. Dans le chapitre 4, nous introduisons un essai simple, hautement modulable et universel qui emploie une chimie dynamique constitutionnelle (CDC) cinétiquement programmée. Cet essai fonctionne en programmant la cinétique de trois réactions concurrentes permettant la détection moléculaire directement dans une goutte de sang. Nous avons démontré que cet essai est potentiellement universel en détectant quantitativement quatre marqueurs moléculaires : la quinine, l’ATP, la thrombine et la PDGF. Nous avons également démontré le potentiel de ce nouveau capteur en exécutant un suivi direct de la quinine dans le sang de souris vivantes. En sommes, nous croyons que ces nouveaux mécanismes de signalisation permettent de résoudre les principales limitations des capteurs eDNA actuels et présentent toutes les caractéristiques pour être développés en dispositifs commercialisables analogues aux glucomètres. / A breakthrough will occur in the healthcare system when patients are allowed to monitor blood molecules indicative of their condition in the comfort of their home. Such an objective has already been realized for diabetic patients through the development of the glucometer. Similar sensors urgently need to be developed to improve the monitoring and treatment of other chronic conditions. Electrochemical DNA-based sensors (eDNA sensors) have recently attracted increasing attention due to their ability to detect multiple blood markers using low-cost and easy-to-use devices. In eDNA sensors, DNA is typically employed either as a recognition element or to design a signaling mechanism that captures specific target molecules and transduces this binding event into an electrochemical signal. Specific challenges, however, limit the commercialization process of eDNA sensors. For example, most eDNA sensors exhibit strong baseline drift when employed in blood, remain sensitive to fabrication processes and aging, and require complex chemical modification and time-consuming optimization processes. The main objective of my Ph.D. project was to solve these limitations through the development of novel improved signaling mechanisms. Chapter 2 introduces a novel hybridization-based eDNA sensing architecture called electrochemical steric hindrance and redox inhibition (eSHRI) hybridization assay. This potentially universal signaling mechanism integrates three levels of steric hindrance and a novel contact redox inhibition mechanism. We have shown that eSHRI can detect low nanomolar concentrations of protein analytes in a drop of blood in less than 3 min with up to -93.6 ± 1.36 % in signal gain. Moreover, the eSHRI hybridization assay remains primarily independent of the sensor density on the surface of the electrode and thus insensitive towards variations in fabrication or aging time. Despite its impressive characteristics, eSHRI may see its universality limited by the complicated chemical modifications required to attach both the recognition element and the redox molecule on the same extremity of a DNA strand. In response, in chapter 3, we develop a novel, potentially universal signaling mechanism, the molecular barrier-based assay, that only requires a single modification of its DNA strands. In this assay, the recognition element and redox molecule are conjugated to the surface-attached capturing DNA and the free-moving signaling DNA. The assay works by having the protein analytes create a molecular barrier upon binding to the sensor surface, reducing the hybridization efficiency between the capturing DNA and the signaling DNA. Using this novel sensor, we have demonstrated the detection of two proteins, streptavidin and antibody, directly in a drop of blood. DNA-based antibodies, called aptamers, have drastically expanded our ability to detect a large proportion of clinically relevant analytes in recent years. However, the development of aptamer-based eDNA sensors still requires a long optimization process, remains highly dependent on specific surface densities, and displays significant signal drift when deployed in the blood. In response, we present in chapter 4 a simple, highly modular, universal assay that employs kinetically programmed constitutional dynamical chemistry (CDC). This assay works by programming the kinetics of three competing reactions to enable molecular detection directly in a drop of blood. We show that this assay is potentially universal by demonstrating the quantitative detection of four molecular markers: quinine, adenosine triphosphate (ATP), thrombin, and platelet-derived growth factor (PDGF). We further show the point-of-care potential of this new sensor by performing direct quinine monitoring in living mouse blood. Overall, we believe that these new sensing mechanisms solve the main weaknesses of current eDNA sensors and display all the characteristics required for the development of commercialized devices analogous to glucose meters.