Les cucurbiturils (CBn) sont des molécules-cages synthétiques constituées d'un nombre n d'unités glycoluril et dont les applications en chimie, en biologie et en physique ont commencé à être exploitées au début des années 2000. Ces composés trouvent leur importance dans un grand nombre de domaines incluant la chimie en phase solide, le piégeage des contaminants en solution, la catalyse ou encore l'encapsulation de principes actifs pour des applications pharmaceutiques futures. Ces récentes molécules-cages rejoignent le large groupe des récepteurs synthétiques comprenant les cyclodextrines, les calixarènes, les cryptophanes, les carcérands et hémicarcérands. L'encapsulation des gaz dans ce type de structures est encore mal connue à l'heure actuelle et, dans ces travaux de thèse, notre intérêt s'est porté sur la complexation de gaz, notamment de xénon, dans les cucurbiturils. Ces travaux ont débuté par la synthèse de nouveaux cucurbiturils hydrosolubles dans le but d'étudier leur capacité d'encapsulation des gaz rares et de petits alcanes comme le méthane et l'éthane, notre objectif final étant de définir de nouvelles règles régissant l'encapsulation des gaz par les cucurbiturils. Les gaz rares allant de l'hélium au krypton ont été étudiés. Parmi ces gaz, le xénon hyperpolarisé a particulièrement retenu notre attention du fait de son intérêt dans la conception de biosondes pour le développement de nouvelles méthodes de diagnostic en IRM. Dans ce mémoire, la synthèse de nouveaux cyclohexylcucurbiturils mixtes hydrosolubles et leurs études en présence de xénon sont rapportées. Un nouveau cucurbituril mixte constitué de cinq unités glycoluril et d'une unité glycoluril à six chaînons a également été synthétisé. Les deux premiers chapitres constituent une introduction au phénomène d'encapsulation des gaz ainsi que des généralités sur la famille des cucurbiturils. Le troisième chapitre est consacré aux résultats obtenus au laboratoire sur la synthèse de nouveaux composés. Dans un quatrième chapitre, nous avons développé une méthode permettant la préparation de précurseurs d'analogues acycliques de cucurbiturils. Pour cela, la réaction de métathèse par ouverture de cycle associée à la métathèse croisée (ROM-CM) a été utilisée pour mener à bien cette synthèse. Enfin, un cinquième chapitre est consacré aux résultats concernant l'étude de l'encapsulation de gaz dans les nouveaux cucurbiturils synthétisés, étude effectuée en collaboration avec le Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique du CEA de Saclay.

<p>Molecular recognition via noncovalent interactions plays a key role in many biological processes such as antigen-antibody interactions, protein folding, the bonding and catalytic transformation of substrates by enzymes, etc. Amongst these noncovalent interactions, electrostatic interactions, hydrogen bonding, π-π interactions, and metal-to-ligand bonding are the most prominent. Exploring noncovalent interactions in host-guest systems that range from small hydrocarbon systems to more complex systems is the main motivation of this thesis. The present study involves the design, synthesis and characterization of clip-shaped molecules as host structures, and an examination of their binding properties with a variety of guests using NMR spectroscopy. </p><p>Several clips with a hydrocarbon or glycoluril backbone were synthesized. The binding of cations to small, hydrocarbon-based clips suggests that binding is enhanced by the rigidity and cooperativity between the two sidewalls of the clip. Binding is also very much dependant on the solvent properties. </p><p>Glycoluril-based clips built with aromatic sidewalls provide a deep cavity for binding guest molecules. The binding properties of these hosts were studied with several guests such as cations, Lewis acids and Lewis bases. Lewis basic binding sites in the acenaphthene-terminated clip were dominating in guest binding. Complexation-induced conformational changes in the wall-to-wall distance were observed for this clip.</p><p>In contrast, for a porphyrin-terminated clip with metal centers, very strong binding to a series of Lewis basic guests of various sizes into the clip cavity was observed. Conformational locking of guests with long alkyl chains was achieved, suggesting that, this clip could be useful as a potential molecular tool for the structural characterization of acyclic molecules with several stereogenic centers. This porphyrin clip was also shown to bind substituted fullerenes in the cavity.</p>

Molecular recognition via noncovalent interactions plays a key role in many biological processes such as antigen-antibody interactions, protein folding, the bonding and catalytic transformation of substrates by enzymes, etc. Amongst these noncovalent interactions, electrostatic interactions, hydrogen bonding, π-π interactions, and metal-to-ligand bonding are the most prominent. Exploring noncovalent interactions in host-guest systems that range from small hydrocarbon systems to more complex systems is the main motivation of this thesis. The present study involves the design, synthesis and characterization of clip-shaped molecules as host structures, and an examination of their binding properties with a variety of guests using NMR spectroscopy. Several clips with a hydrocarbon or glycoluril backbone were synthesized. The binding of cations to small, hydrocarbon-based clips suggests that binding is enhanced by the rigidity and cooperativity between the two sidewalls of the clip. Binding is also very much dependant on the solvent properties. Glycoluril-based clips built with aromatic sidewalls provide a deep cavity for binding guest molecules. The binding properties of these hosts were studied with several guests such as cations, Lewis acids and Lewis bases. Lewis basic binding sites in the acenaphthene-terminated clip were dominating in guest binding. Complexation-induced conformational changes in the wall-to-wall distance were observed for this clip. In contrast, for a porphyrin-terminated clip with metal centers, very strong binding to a series of Lewis basic guests of various sizes into the clip cavity was observed. Conformational locking of guests with long alkyl chains was achieved, suggesting that, this clip could be useful as a potential molecular tool for the structural characterization of acyclic molecules with several stereogenic centers. This porphyrin clip was also shown to bind substituted fullerenes in the cavity.

Les cucurbiturils (CBn) sont des molécules-cages synthétiques constituées d’un nombre n d’unités glycoluril et dont les applications en chimie, en biologie et en physique ont commencé à être exploitées au début des années 2000. Ces composés trouvent leur importance dans un grand nombre de domaines incluant la chimie en phase solide, le piégeage des contaminants en solution, la catalyse ou encore l’encapsulation de principes actifs pour des applications pharmaceutiques futures. Ces récentes molécules-cages rejoignent le large groupe des récepteurs synthétiques comprenant les cyclodextrines, les calixarènes, les cryptophanes, les carcérands et hémicarcérands. L’encapsulation des gaz dans ce type de structures est encore mal connue à l’heure actuelle et, dans ces travaux de thèse, notre intérêt s’est porté sur la complexation de gaz, notamment de xénon, dans les cucurbiturils. Ces travaux ont débuté par la synthèse de nouveaux cucurbiturils hydrosolubles dans le but d’étudier leur capacité d’encapsulation des gaz rares et de petits alcanes comme le méthane et l’éthane, notre objectif final étant de définir de nouvelles règles régissant l’encapsulation des gaz par les cucurbiturils. Les gaz rares allant de l’hélium au krypton ont été étudiés. Parmi ces gaz, le xénon hyperpolarisé a particulièrement retenu notre attention du fait de son intérêt dans la conception de biosondes pour le développement de nouvelles méthodes de diagnostic en IRM. Dans ce mémoire, la synthèse de nouveaux cyclohexylcucurbiturils mixtes hydrosolubles et leurs études en présence de xénon sont rapportées. Un nouveau cucurbituril mixte constitué de cinq unités glycoluril et d’une unité glycoluril à six chaînons a également été synthétisé. Les deux premiers chapitres constituent une introduction au phénomène d’encapsulation des gaz ainsi que des généralités sur la famille des cucurbiturils. Le troisième chapitre est consacré aux résultats obtenus au laboratoire sur la synthèse de nouveaux composés. Dans un quatrième chapitre, nous avons développé une méthode permettant la préparation de précurseurs d’analogues acycliques de cucurbiturils. Pour cela, la réaction de métathèse par ouverture de cycle associée à la métathèse croisée (ROM-CM) a été utilisée pour mener à bien cette synthèse. Enfin, un cinquième chapitre est consacré aux résultats concernant l’étude de l’encapsulation de gaz dans les nouveaux cucurbiturils synthétisés, étude effectuée en collaboration avec le Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique du CEA de Saclay. / The cucurbituril family (CBn) constitutes a group of recent synthetic host-molecules. These compounds are formed by n glycoluril units and, since the beginning of the 2000’s, they have found their interest in multiple domains such as biology, chemistry and physics. They have joined the large group of synthetic receptors comprising cyclodextrins, calixarens, cryptophanes, carcerands and hemicarcerands. Gaz encapsulation in this family of compounds is misunderstood. In these PhD works, our interest concerned gaz complexation, especially xenon, into cucurbiturils. First, the synthesis of new hydrosoluble cucurbiturils to study their ability to encapsulate noble gaz and small alcans such as methan and ethan is described. Our final goal will be to define new rules concerning gaz encapsulation by cucurbiturils. Noble gaz from helium to krypton have been studied. Among these noble gaz, xenon is particularly interesting in the domain of biosensing, for the design of new diagnostic methods by MRI. In this manuscript, the synthesis of a family of hydrosoluble cyclohexylcucurbiturils and their ability to encapsulate xenon is described. Another new cucurbituril constituted by five glycoluril units and one glycoluril unit forming a six-membered ring, has also been prepared. The first two parts of the manuscript present the gaz encapsulation and the cucurbituril family. The third part describes our results concerning the new synthetized cucurbiturils. In the fourth part, we have developped a method based on metathesis reactions (ROM-CM) for preparing some precursors of acyclic congeneers of cucurbiturils. Lastly, the fifth part concerns results about gaz encapsulation. All of this study has been driven in collaboration with Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (CEA Saclay).