Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Synthese neuartiger Hybridmaterialien basierend auf der Einlagerung optischer Materialien, wie Farbstoffmoleküle und Metallnanopartikel, in anorganische Wirtsmaterialien mit definierten Porenstrukturen. Hierfür wurden mikro- und mesoporöse alumosilikatische Verbindungen, wie z.B. Zeolithe und Vertreter aus der Familie der sogenannten „Mobile Composition of Matter“ (MCM), verwendet. Mit Hilfe dieses Konzeptes konnte z.B. der Einfluss der Wirtsmaterialien hinsichtlich ihrer Porengrößen und inneren Polarität auf die optischen Eigenschaften von photochromen Naphthopyranfarbstoffen untersucht werden. Neue photochrome Kompositmaterialien, welche sich durch einfache industrielle Prozesse, wie z.B. der Extrusion in eine Polymermatrix, weiterverarbeiten lassen, wurden auf diesem Wege synthetisiert. Durch die Einkapselung eines solvatochromen Spiropyranderivats innerhalb der Superkäfige von Faujasiten konnten Rückschlüsse auf die Polaritätsparameter der äußeren und inneren Oberfläche der Molekularsiebe gewonnen werden. Zudem wurde ein neues Synthesekonzept zur Herstellung fluoreszierender Silbernanopartikel innerhalb eines Zeolith Y entwickelt, um auf sehr einfachem Weg ein stabiles Material mit interessanten Fluoreszenzeigenschaften zu erhalten. Der Einfluss der Wirtsoberfläche auf fluoreszierende Farbstoffe wurde des Weiteren an Benzylidenketonfarbstoffen untersucht, die mittels „Ship in a Bottle reaction“ in Zeolith Y eingekapselt wurden. Um das Konzept zur Synthese optischer Effektpigmente zu erweitern, wurden neue photochrome Naphthopyrane, welche in Konjugation zu fluoreszierenden Farbstoffen stehen, synthetisiert und untersucht.

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Plus de 30% des enzymes présentent un ion métallique dans leur site actif qui est la clé pour les réactions de catalyse. Une sous-famille d’enzymes comporte un site actif où un seul ion métallique (Zn2+ ou Cun+) est coordiné à un cœur polyhistidine. L’élaboration de composés modèles est important pour la compréhension des mécanismes fondamentaux impliqués dans le cycle biocatalytique de ces enzymes mononucléaires. Dans ce contexte, nous avons développé des ligands basés sur des calix[6]arènes présentant un chapeau polyazoté lié de manière covalente au macrocycle. Ces ligands offrent un site de coordination pour le métal et une cavité hydrophobe bien définie. Cet assemblage permet et contrôle la liaison d’un ligand exogène dans la cavité. Afin de moduler les propriétés des complexes métalliques calixaréniques basés sur une unité coordinante tren (tris(2-aminoéthyl)amine), nous avons synthétisé avec succès et étudié plusieurs nouveaux récepteurs calix[6]aréniques. La synthèse de récepteurs bisétagés, le calix[6]amido-tren et le calix[6]amido-tacn, a permis de modifier la seconde sphère de coordination par incorporation de groupements amide entre la cavité et le site de coordination. Cette stratégie s’est avérée efficace. En effet, la coordination d’anions au centre métallique a été mise en évidence et en particulier celle simultanée de deux Cl¯ pour le Cu-calix[6]amido-tren. Cette coordination d’un ou plusieurs invités anioniques était impossible dans le cas du calix[6]tren parent qui présente une seconde sphère de coordination électroniquement dense et un chapeau trop petit pour y accueillir plusieurs invités. La présence de groupements carbonyle entre la chapeau tren et le calixarène modifie également le comportement des complexes : leur coordination au centre métallique entre en compétition avec celle d’invités exogènes. L’oxydation d’amines encombrées sous O2 en hydroxylamines et oximes a été réalisée par la réduction du complexe cuivrique du calix[6]amido-tren par électrochimie. Ce type d’amines n’est pas oxydable par l’adduit superoxo du complexe parent, dû à la taille de la cavité qui empêche la coordination d’invités encombrés. De plus, la formation d’un adduit superoxo a été mise en évidence qualitativement au départ du complexe cuivreux isolé de ce même composé. Ces résultats permettent d’envisager des études de réactivité mimant le site actif des enzymes PHM et DβM par exemple. Enfin, une comparaison des propriétés hôte-invité et de la réactivité des complexes du calix[6]amido-tren avec celles des complexes du calix[6]amido-tacn a été réalisée afin d’évaluer l’impact de la nature du chapeau polyazoté sur les propriétés hôte-invité et la réactivité de ces complexes. Une méthodologie de déméthylation assistée de manière supramoléculaire a été développée pour différents calix[6]azacryptands chapeautés. Celle-ci a ensuite été appliquée avec succès à la déméthylation du calix[6]tren pour obtenir le calix[6]trentrisPhOH. Ce récepteur a montré un comportement très différent de celui du récepteur parent. En effet, la complexation d’anions et d’ammoniums biologiquement pertinents a été possible par ce récepteur protonné. L’interaction entre le centre métallique et les phénates en présence de base a conduit à la réalisation d’un switch moléculaire multi-étapes entre différents états de protonation du récepteur et du complexe zincique. Son complexe cuivrique a montré la présence d’un radical phénoxyle après oxydation du phénate. Cette espèce CuII-radical phénoxyle mime la forme oxydée du site actif de la galactose oxydase, catalysant l’oxydation d’alcools en aldéhydes. Ces résultats ouvrent donc la voie à de nouvelles perspectives pour les études de réactivité de ce composé. Un analogue du calix[6]tren, porteur d’un bras avec une fonction réactive sur le chapeau, a été synthétisé et complexé au cuivre avant d’être immobilisé sur surface via la formation de monocouches. (...) / More than 30% of all enzymes present a metal ion in their active site. Interesting sub-families present a mononuclear active site where a single metal ion (Zn2+ or Cun+) is coordinated to a polyhistidine core. The elaboration of model compounds is important for understanding the fundamental mechanisms involved in their bio-catalytic cycles. In this context, we have developed calix[6]arene based ligands presenting an aza cap covalently linked to the calixarene moiety. These supramolecular assemblies present several advantages: they offer a coordination site for a metal ion through the nitrogen donor atoms of the cap, the small rim of the calixarene moiety defines the second coordination sphere, and the hydrophobic cavity presents an access channel for exogenous ligands. In these systems the coordinating nitrogen atoms are separated from the oxygen rich small rim by two carbon atoms, which allows the controlled coordination of one single guest inside the cavity. Wanting to modulate the properties of the calix[6]arene tren-based (tris(2-aminoethyl)amine) ligand, we successfully synthetized several new receptors and studied their reactivity. The synthesis of “two-story” receptors, the calix[6]amido-tren and calix[6]amido-tacn, allowed the modification of the first and second coordination sphere of a coordinated metal ion by introducing an additional spacer between the tripodal aza-cap and the calixarene macrocycle. The complexes of CuI, CuII and ZnII of these new ligands were synthesized and their reactivity was studied. The presence of three potentially coordinating carbonyl groups changed the host-guest reactivity of these metal complexes as they are in competition with exogenous ligands. A comparative study of the host-guest properties and of the reactivity of the metal complexes of both ligands, calix[6]amido-tren and calix[6]amido-tacn was realized. The cavity of these “two-story” ligands is larger than the one of the parent calix[6]tren and more flexible, allowing not only the coordination of an anion, but the simultaneous coordination of two Cl¯ ligands. The oxidation of sterically hindered amines into hydroxylamines and oximes in the presence of O2 was electrochemically realized by the reduction of the cupric center forming a CuII-superoxo adduct as the reactive species. Amine oxidation has been shown for the parent complex, however, the scope of this reaction was limited due to the smaller cavity. The formation of a CuII-superoxo adduct of the calix[6]amido-tren complex was qualitatively evidenced at low temperature upon addition of O2 to the isolated cuprous complex. This type of adduct has attracted much attention in recent years since it is considered to be a reactive intermediate in the catalytic cycle of copper monooxygenases, such as PHM and DβM. A supramolecular assisted demethylation methodology was developed for different capped calix[6]azacryptands. This methodology was then successfully applied to the demethylation of calix[6]tren in order to obtain calix[6]trentrisPhOH. This receptor showed a very different behavior in comparison to the parent one. Indeed, the complexation of anions and biologically relevant ammonium ions was evidenced by the monoprotonated receptor. The metal complexes of CuII and ZnII were synthesized. The interaction between the metal center and the phenate groups in presence of base has been evidenced and has conducted to a multi-step molecular switch. The cupric complex showed the presence of a phenoxyl radical resembling the oxidized form of galactose oxidase, catalyzing the oxidation of alcohols into aldehydes. These results open the way to new perspectives in reactivity studies. An analog of calix[6]tren, bearing a functionalized reactive arm on the tren cap, was synthesized and the corresponding CuII complex was immobilized on a gold surface through a monolayer formation. (...)

La molécule X6TMPA, constituée d’une unité TMPA (tris(2-pyridylméthyl)amine) greffée de façon covalente à trois des six unités aromatiques du calix[6]arène, permet de coordiner et stabiliser un ion cuivre (Cu+ et Cu2+) dans un environnement mononucléaire. Ces composés possèdent des propriétés uniques en chimie hôte-invité ainsi qu’en réactivité redox. De tels systèmes présentent cependant des limitations car : – le macrocycle et les complexes métalliques associés ne sont solubles qu’en milieu organique ; – le complexe cuivreux obtenu avec un tel macrocycle n’est réactif vis-à-vis de l’oxygène qu’à l’état solide. Le présent travail de thèse décrit les modifications introduites dans la structure du composé X6TMPA pour faire face à ces restrictions, détaillant ainsi les études conduites afin d’évaluer l’impact des modifications sur les propriétés des molécules résultantes. Le chapitre 2 présente la stratégie synthétique de « trifonctionnalisation » du grand col du macrocycle. Elle a été employée pour l’introduction de groupements hydrophiles, qui rendent le calix[6]arène et les complexes métalliques associés solubles en milieu aqueux. Des études de reconnaissance moléculaire en solution aqueuse ont été ainsi menées. Une propriété très remarquable en chimie hôte-invité est la forte affinité du complexe cuivrique pour l’anion fluorure en milieu aqueux. Le chapitre 3 présente la stratégie synthétique de « hexafonctionnalisation » du grand col du macrocycle. Elle a permis d’obtenir des composés qui ont été utilisés pour des applications telles que l’immobilisation sur surface et la réaction de monoclick. Le chapitre 4 présente la stratégie synthétique de « trifonctionnalisation » du petit col du macrocycle. Elle a permis d’obtenir des systèmes réactifs en solution, notamment un composé contenant trois unités phénol qui donne un radical stable à température ambiante ainsi qu’un composé contenant trois unités quinone dans lequel la cavité est devenue une unité redox-active. Ainsi, des études concernant les macrocycles et leurs complexes monométalliques à base de Zn2+, Cu+ et Cu2+ sont exposées et discutées. / The X6TMPA molecule is composed by a tris(2-pyridylmethyl)amine (TMPA) cap covalently linked to the small rim of the calix[6]arene. This compound can coordinate and stabilize a Cu(I)/Cu(II) ion in a mononuclear environment. These compounds possess unique properties in host-guest and redox chemistry.This PhD thesis work describes some synthetic strategies employed in order to modify the scaffold of the macrocycle, either at the large or the small rim. Moreover, the studies conducted in order to evaluate the impact of each structural modification on the reactivity of the resulting system are detailed. Chapter 2 describes the “large rim tri-functionalization” strategy. It has been employed to introduce three hydrophilic moieties on the calix[6]arene unit. These groups enable the water-solubilization of the molecule, as well as the Cu(I)/Cu(II) monometallic complexes. For these systems, host-guest chemistry in aqueous media has been explored: a remarkable property is the high affinity of the cupric complex for fluoride anion. Chapter 3 describes the “large rim hexa-functionalization” strategy. The obtained compounds have been employed for novel applications, as surface functionalization or “monoclick” reaction. Chapter 4 describes the “small rim tri-functionalization” strategy. The obtained compounds are reactive in solution. A phenol-containing macrocycle, that gives a stable radical species at room temperature, and a quinone-containing macrocycle, in which the calix[6]arene moiety is a redox-active unit, are presented. Moreover, the reactivity of the monometallic complexes (Zinc, Copper) has been explored and discussed.

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[EN] Abstract The present PhD thesis entitled "Supramolecular Chemistry: New chemodosimeters and hybrid materials for the chromo-fluorogenic detection of anions and neutral molecules" is based on the application of supramolecular chemistry and material science principles for the development of optical chemosensors for anions and neutral molecules detection. The second chapter of this PhD thesis is devoted to the preparation of chemodosimeters for the chromo-fluorogenic detection of fluoride, diisopropyl fluorophosphates (DFP) and hydrogen sulfide. The optical detection of fluoride anion was achieved by using a pyridine derivative containing a t-butyldimethylsilyl ether group. Aqueous solutions of the chemodosimeter were colorless but turned yellow upon addition of fluoride anion. Also a remarkable enhancement in emission was observed only upon the addition of fluoride. The optical changes were ascribed to a fluoride-induced hydrolysis of the silyl ether moiety. Also a chemodosimeter for the optical recognition of DFP, a nerve agent simulant, was prepared. In this case, the chemodosimeter was based on a stilbene pyridinium derivative functionalized with hydroxyl and silyl ether moieties. Aqueous solutions of the chemodosimeter were colorless changing to yellow upon DFP addition. The optical changes were ascribed to a hydroxyl phosphorylation followed by a fluoride-induced hydrolysis of the silyl ether group. Besides, that probe was implemented in test strips and DFP detection in gas phase was accomplished. Finally, the fluorogenic recognition of hydrogen sulfide anion was explored. For this purpose different fluorophores were selected and fucntionalized with 2,4-dinitrophenyl ether groups. The prepared probes were neraly non-emissive but remarkable emission enhancements upon addition of hydrogen sulfide were observed. The emission enhancements observed were due to a selective sulfide-induced hydrolysis of the 2,4-dinitrophenyl ether moiety that yielded the free fluorophores. Another set of chemodosimeters equipped with azide and sulfonylazide moieties were prepared. Again these probes were non-fluorescent but upon addition of hydrogen sulfide an important enhancement in emission was found. The selective response was ascribed to a reduction of the azide and sulfonylazide moieties to amine and sulfonylamide induced by hydrogen sulfide anion. Besides, the viability assays showed that these dosimeters were essentially non-toxic and real-time fluorescence imaging measurements confirmed their ability to detect intracellular hydrogen sulfide at micromolar concentrations. The third chapter of this PhD thesis was devoted to the preparation of nanoscopic gated materials and their use in sensing protocols. In a first step a gated material for the optical detection of glutathione (GSH) was prepared. For this purpose MCM-41 mesoporous silca nanoparticles were selected as inorganic scaffold. The pores were loaded with safranine O and the external surface was functionalized with disulfide-containing oligo(ethylene glycol) moieties. Dye delivery from aqueous suspensions of the sensory material was only observed in the presence of GSH. The signalling paradigm was ascribed to the selective reduction of the disulfide bond by GSH which induced pore opening and dye release. Also capped organic-inorganic hybrid materials for the selective detection of hydrogen sulfide were prepared and characterized. In this case the same MCM-41 support was used and charged with [Ru(bipy)3]2+ dye. Then, the external surface was functionalized with Cu(II)-macorcyclic complexes and finally, the pores were capped by the addition of the bulky anion hexametaphosphate. Aqueous suspensions of this material showed negligible dye release whereas in the presence of hydrogen sulfide anion a remarkable colour change was observed. This optical response was ascribed to a demetallation process of the Cu(II) complex induced by hydrogen sulfide. / [ES] Resumen La presente tesis doctoral titulada "Química supramolecular: Nuevos dosímetros químicos y materiales híbridos para la detección cromo-fluorogénica de aniones y moléculas neutras." está basada en la aplicación de principios básicos de la química supramolecular y de la ciencia de materiales en el desarrollo de sensores ópticos para aniones y moléculas neutras. El segundo capítulo de esta tesis doctoral está dedicado a la preparación de dosímetros químicos para la detección cromo-fluorogénica de fluoruro, diisopropil fluorofosfato (DFP) y sulfuro de hidrógeno. Para la detección óptica del anión fluoruro se sintetizó un derivado de piridina funcionalizado con un t-butildimetilsilil éter. En este capítulo también se describe la preparación de un dosímetro químico para la detección de DFP, que es un simulante de agentes nerviosos. Este dosímetro está basado en un estilbeno funcionalizado con una sal de piridinio que contiene grupos hidroxilo y silil éter en su estructura. Finalmente se prepararon dos familias de sensores para la detección óptica de hidrógeno sulfuro. La primera familia de sensores consiste en fluoróforos comunes funcionalizados con 2,4-dinitrofenil éteres. Los sensores preparados no presentaron una emisión de fluorescencia importante mientras que, en presencia del anión hidrógeno sulfuro, se observó un aumento significativo. La segunda familia de dosímetros también estaba compuesta por ciertos fluorofóros pero, en este caso, funcionalizados con grupos azida y sulfonilazida. Los dosimétros preparados, siguiendo esta segunda aproximación, tampoco dieron una fluorescencia significativa observándose un aumento de la misma al añadir el anión hidrógeno sulfuro. El tercer capítulo de esta tesis doctoral está dedicado a la preparación de materiales híbridos nanoscópicos funcionalizados con puertas moleculares y su aplicación en protocolos de reconocimiento. En primer lugar se preparó un material para la detección óptica de glutatión (GSH). Para ello se emplearon nanopartículas de MCM-41 mesoporosas como soporte inorgánico. Los poros del soporte fueron cargados con el colorante safranina O y la superficie externa funcionalizada con oligo(etilenglicol) conteniendo enlaces disulfuro. También se prepararon y caracterizaron varios materiales híbridos para la detección selectiva del anión hidrógeno sulfuro. En este caso también se empleó, como soporte inorgánico, sílice mesoporosa MCM-41. Los poros del soporte inorgánico fueron cargados con [Ru(bipy)3]2+ y la superficie externa funcionalizada con varios complejos macrocíclicos de Cu(II). El material sensor final fue obtenido al añadir el anion hexametafosfato, que compleja con los complejos de Cu(II), produciendo un bloqueo de los poros. / [CAT] Resum La present tesi doctoral titulada "Química supramolecular: Nous dosímetres químics i materials híbrids per a la detecció cromo-fluorogènica d'anions i molècules neutres." està basada en l'aplicació dels principis bàsics de la química supramolecular i de la ciència dels materials en el desenvolupament de sensors òptics per a anions i molècules neutres. El segon capítol d'aquesta tesi doctoral està dedicat a la preparació de dosímetres químics per a la detecció cromo-fluorogènica de fluorur, diisopropil fluorofosfat (DFP) i sulfur d'hidrogen. Per a la detecció òptica de l'anió fluorur es va sintetitzar un derivat de piridina funcionalitzat amb un t-dibutildimetilsilil èter. En aquest capítol també es descriu la preparació d'un dosímetre químic per a la detecció de DFP, que és un simulant d'agents nerviosos. Aquest dosímetre està basat en un estilbè funcionalitzat amb una sal de piridina que conté grups hidroxil i silis èter en la seua estructura. Finalment varen ser preparades dues famílies de sensors per a la detecció òptica de sulfur d'hidrogen. La primera família consisteix en fluoròfors comuns funcionalitzats amb 2,4-dinitrofenil èters. Els sensors preparats no presentaren una emissió de fluorescència significativa mentre que, en presencia de l'anió hidrogen sulfur, es va observar un augment significatiu. La segona família de dosímetres també estava composada per certs fluròfors però, en aquest cas, funcionalitzats amb grups azida i sulfonilazida. Els dosímetres preparats, seguint aquesta segona aproximació, tampoc donaren una fluorescència significativa observant-se un augment de la mateixa al afegir l'anió hidrogen sulfur. El tercer capítol d'aquesta tesi doctoral està dedicat a la preparació de materials híbrids nanoscòpics funcionalitzats amb portes moleculars i la seua aplicació en protocols de reconeixement. En primer lloc es va preparar un material per a la detecció òptica de glutatió (GSH). Per a aquest propòsit es varen emprar nanopartícules MCM-41 mesoporoses com a suport inorgànic. Els porus del suport varen ser carregats amb el colorant safranina O i la superfície externa funcionalitzada amb oligo(etilenglicol) que contenia enllaços disulfurs. També varen ser preparats i caracteritzats diversos materials híbrids per a la detecció selectiva de l'anió hidrogen sulfur. En aquest cas també es va emprar, com a suport inorgànic, sílice mesoporosa MCM-41. Els porus del suport inorgànic varen ser carregats amb [Ru(bipy)3]2+ i la superfície externa funcionalitzada amb diversos complexos macrocíclics de Cu(II). El material sensor final es va obtindre al afegir l'anió hexametafosfat, que es complexa amb macrocicles de Cu(II), produint un bloqueig dels porus. / El Sayed Shehata Nasr, S. (2015). Supramolecular Chemistry: New chemodosimeters and hybrid materials for the chromo-fluorogenic detection of anions and neutral molecules [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/52598 / TESIS