Au cours de ce travail, la génération de second harmonique optique des molécules biologiques a été étudiée. Cette technique optique non linéaire possède un caractère cohérent qui permet d'accéder aux propriétés de symétrie des molécules dont la taille est très inférieure aux longueurs d'onde optiques visibles utilisées et l'hyperpolarisabilité quadratique des acides aminés aromatiques a été mesurée en solution par diffusion non linéaire. L'hyperpolarisabilité des acides aminés non aromatiques a été obtenue de manière indirecte grâce à des mesures effectuées sur le collagène, une protéine ne contenant pas d'acide aminé aromatique. Le collagène possède en fait une très forte réponse non linéaire et fait l'objet d'études intenses en microscopie optique non linéaire. Par un modèle de sommation cohérente des champs harmoniques réémis, l'origine de la très forte efficacité non linéaire de cette protéine, liée à sa grande rigidité et à son organisation spatiale en triple hélice, a pu être obtenue. En parallèle, l'étude de plusieurs petits peptides synthétiques possédant de un à quatre tryptophanes a permis de comprendre la construction de la réponse optique non linéaire de ces objets à partir de motifs répétés. Par ailleurs, pour apporter des informations supplémentaires sur les nano systèmes, un nouveau montage expérimental a été développé. La grande sensibilité du montage a permis notamment d'atteindre la sensibilité d'une seule particule dans le volume sondé et de mettre en place un système de cartographie en trois dimensions par diffusion Hyper Rayleigh. La démonstration a été réalisée pour des nanoparticules métalliques uniques d'argent piégées dans une matrice de gélatine.

La synthèse de chromophores organiques comme composants de matériaux pour l'optique non-linéaire a été le point central d'un grand nombre de recherches, en raison de leur utilisation potentielle dans les domaines des communications optiques, du traitement de l'information, de l'imagerie… Le plus souvent, les molécules possédant de fortes valeurs d'hyperpolarisabilité [bêta] sont constituées d'un couple de groupements donneur-accepteur connecté par le biais d'un système [pi]-conjugué. Celles comportant des hétérocycles comme motifs centraux ont reçu une attention considérable dans le domaine de l'optique non-linéaire en raison de leur relative facilité de préparation et de la variation de leur degré de polarité. A ce titre, nous nous sommes intéressés à la conception de nouvelles molécules ayant la structure précédemment décrite. Les variations structurales ont porté sur le groupement donneur (alkoxy, dialkylamino porté par un cycle aromatique), le groupement accepteur (dicyanovinyle, acide cyanoacrylique et acide thiobarbiturique) et le système [pi]-conjugué (thiophène, thiéno[3,2-b]thiophène et bithiophène). Les propriétés optiques de ces composés ont été étudiées et ont permis d'établir quelques liens entre certaines modifications structurales et les propriétés optiques. Les fortes valeurs de [bêta] obtenues montrent clairement le potentiel des composés préparés et permettent d’envisager d’autres modifications structurales afin d'encore améliorer ces valeurs / The synthesis of organic compound as components of materials for nonlinear optics has been the focus of many researches because of their potential uses in the fields of optical communications, information process, imagery ... Most often, the molecules with strong hyperpolarizabilitie [bêta] values incorporate a pair of donor-acceptor groups connected via a [pi] -conjugated system. Those containing heterocycles motifs received considerable attention in the field of nonlinear optics due to their relative facility of preparation. We are interested in designing of new molecules with the structure previously described. The structural changes have focused on the donor group (alkoxy, dialkylamino carried by an aromatic ring), the acceptor group (dicyanovynil, cyanoacrylic acid and thiobarbituric acid) and [pi]-conjugated system (thiophene, thieno[3,2-b]thiophene and bithiophene). The optical properties of these compounds have been studied and we have established some links between some structural changes and optical properties. The high values of [bêta] obtained clearly show the potential of compounds prepared and used to explore other structural modifications to improve these values

Cette thèse a pour objectif l’étude des propriétés optiques non linéaires (ONL) de second ordre de molécules de référence et de composés organiques photochromes, via des calculs de chimie quantique et des expériences de diffusion Hyper-Rayleigh (HRS). L’étude des réponses optiques de second harmonique d’une série de solvants organiques met tout d’abord en évidence la nécessité d’utiliser des méthodes théoriques intégrant les effets de la corrélation électronique, les effets d’environnement, ainsi que des bases très étendues pour évaluer quantitativement les premières hyperpolarisabilités moléculaires. La décomposition du tenseur de première hyperpolarisabilité en contributions dipolaires et octupolaires via le formalisme des harmoniques sphériques permet également d’illustrer l’effet de la symétrie des composés sur leurs réponses ONL. La seconde étude porte sur la caractérisation des effets de solvant sur les propriétés ONL d’un dérivé anil présentant un équilibre entre une forme énol et une forme cétone. Il est démontré que l’équilibre énol/cétone peut être déplacé vers la forme cétone en augmentant la proportion d’éthanol dans le mélange binaire de solvants éthanol/cyclohexane, conduisant à une augmentation de l’intensité HRS du mélange. La dernière partie de la thèse propose une étude théorique systématique des effets de substitution sur les propriétés ONL de sels de flavylium, dans le but d’optimiser le contraste des réponses ONL entre les différentes formes des composés. Il est démontré qu’une combinaison optimale de substituants permet d’obtenir de forts contrastes, démontrant le potentiel de ces composés comme systèmes multi-états pour des applications ONL. / This PhD addresses the nonlinear optical (NLO) properties of the reference organic molecules and molecular switches, by means of quantum chemical calculations and Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) measurements. The thorough investigation of the NLO responses of a series of organic solvents first evidences the need of using theoretical methods including environment and electron correlation effects, as well as highly extended basis sets to quantitatively evaluate the molecular first hyperpolarizabilities. Decomposing the first hyperpolarizability tensor into dipolar and octupolar contributions via the spherical harmonics formalism also highlights the impact of the molecular symmetry on the NLO responses. The second part addresses the solvent effects on the NLO properties of an anil derivative, which exhibits an equilibrium between a enol and a keto form. It is shown that the enol/keto equilibrium is shifted towards the keto form when increasing the ethanol ratio in ethanol/cyclohexane solvent mixtures, leading to an increase of the HRS intensity. The last part addresses the effects of the chemical substituents on the NLO properties of flavylium salts, with the aim of optimizing the NLO contrasts between the various forms of the compounds. It is found that optimal combinations of chemical substituents lead to high NLO contrats, which demonstrates the potential of these compounds as multi-states systems for NLO applications

Les interrupteurs moléculaires sont des composés capables de commuterréversiblement entre deux ou plusieurs états stables en réponse à un stimulusextérieur. Lʼobjectif de la thèse est la conception dʼinterrupteurs moléculairesprésentant des contrastes optiques non-linéaires (ONL) et la mise évidence desparamètres structuraux et électroniques menant à dʼimportants contrastes depremière hyperpolarisabilité (β) via une approche multidisciplinaire qui combine lasynthèse de nouveaux composés, la caractérisation de leurs réponses optiqueslinéaires et non-linéaires par spectroscopie dʼabsorption UV-visible et par diffusionhyper-Rayleigh et lʼutilisation des méthodes de la chimie théorique afin de prédire etdʼinterpréter les propriétés moléculaires. Ces phénomènes de commutationsréversibles et les changements de propriétés qui les accompagnent présentent denombreux intérêts, tant technologiques comme lʼélaboration dʼordinateursmoléculaires quʼau niveau des organismes vivants où de nombreuses fonctionsbiologiques sont basées sur un phénomène de commutation. Les principaux résultatsde nos travaux se situent au niveau de lʼinterprétation des réponses ONL et de leurscontrastes en fonction de la nature, de la position et du caractère donneur/accepteurdes substituants présents sur le squelette des interrupteurs moléculaires. / Molecular switches are compounds presenting the ability to commutereversibly between two or more states in response to external stimuli. The goal of thework is the design of molecular switches exhibiting contrasts of their second-ordernonlinear optical (NLO) properties and the highlight of the structural and electronicparameters leading to large contrasts of first hyperpolarizability (β) via amultidisciplinary approach combining the synthesis of new compounds, thecharacterization of their linear (by UV-Visible absorption spectroscopy) and nonlinearoptical properties (by hyper Rayleigh scattering), and the theoretical simulations inorder to predict and interpret molecular properties. These reversible switchingprocesses and the resulting variations of molecular properties have many interests intechnological area such as the development of molecular computers or in lifesciences since many biological functions are based on commutation mechanisms.The major results of our investigations are the interpretation of the NLO responsesand contrasts as a function of the nature, the positioning, and the donor/acceptorcharacter of the substituents.

Ce manuscrit décrit le processus optique non linéaire de Génération de Second Harmonique (acronyme anglais SHG pour Second Harmonic Generation) réalisé en phase liquide. En particulier, la propriété de cohérence de ce processus est étudiée en détail. En effet, en raison de la parité du processus SHG, cette cohérence est perdue dans les liquides. Ces études portent ainsi sur plusieurs géométries afin d’accéder aux réponses de volume et de surface. Les avantages d’une méthode combinée sont aussi discutés. Dans une première partie, la configuration classique de la Diffusion Hyper Rayleigh (acronyme anglais HRS pour Hyper Rayleigh Scattering ou SHS Second harmonic scattering) est utilisée pour l’étude de systèmes simples comme les solvants purs. Cette étude porte en particulier sur les méthodes de normalisation des hyperpolarisabilités moléculaires. Une voie alternative est proposée basée sur l’introduction d’une section efficace HRS ou SHS. Par la suite, les effets liés aux ordres non linéaires supérieurs sont démontrés et interprétés, ceux-ci pouvant altérer les valeurs absolues qui peuvent être mesurées.La seconde partie porte sur l’introduction de plusieurs améliorations dans les mesures HRS ou SHS. En particulier, l’évolution vers des géométries non conventionnelles s’éloignant de la géométrie standard ainsi que sur des évolutions permettant d’accéder aux aspects dynamiques sont proposées. Des expériences sont réalisées sur des systèmes simples comme les solvants purs, des composés moléculaires et des nanoparticules, tous présentant des spécificités propres. Cette partie finit sur l’exploration des systèmes aléatoires diffusants et les problèmes associés. Enfin, dans une dernière partie, la réponse HRS ou SHS de solutions aqueuses de sels est discutée. Les mesures portent plus particulièrement sur une étude comparée des aspects cohérents et incohérents et les propriétés qu’il est possible de mesurer dans ces systèmes / This manuscript describes the nonlinear optical process of Second Harmonic Generation (SHG acronym for Second Harmonic Generation) carried out in liquid phase. In particular, this process coherence property is studied in detail. Indeed, due to the parity of the SHG process, this coherence is lost in liquids. These studies covers several geometries to access the volume and surface responses. The benefits of a combined method are also discussed. In the first part, the typical configuration of the Hyper Rayleigh Scattering(HRS or SHS for Second harmonic scattering) is used for the study of simple systems like pure solvents. This particular study focuses on methods of standardization of molecular hyperpolarizabilities. An alternative route is proposed based on the introduction of a HRS or SHS cross. Subsequently, the effects of the higher nonlinear orders are demonstrated and interpreted, they can alter the absolute values that can be measured.The second part deals with the introduction of several improvements in the HRS or SHS measurement. In particular, the trend towards unconventional geometries away from the standard geometry as well as developments for accessing dynamic aspects are proposed. Experiments are performed on simple systems such as pure solvents, molecular compounds and the nanoparticles, all presenting specificities. This part ends on exploring the random scattering systems and associated problems. Finally, in the last part, the HRS or SHS response of aqueous salt solutions is discussed. The measures focus specifically on a comparative study of coherent and incoherent aspects and properties that can be measured in these systems

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse avait pour but de synthétiser de nouveaux composés pour des applications en imagerie médicale. La première partie porte sur la synthèse de ligands hétéroleptiques pour la chélation de deux métaux différents en vue d’une utilisation dans deux types d’imagerie. Pour cela, nous avons d’abord synthétisé des porphyrines. Ces molécules sont connues pour la chélation de nombreux métaux de transition et notamment le cuivre, dont l’isotope cuivre-64 est un radioémetteur β+ utilisable en Tomographie par Émission de Positron (TEP). Ces porphyrines ont été couplées à un dérivé du DOTA, molécule connue pour son application, après métallation avec du gadolinium, en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). Ces composés possèdent des valeurs de relaxivité encourageantes pour une application en IRM. Enfin, des biomolécules ont été modifiées afin de vectoriser nos composés. La seconde partie porte sur la synthèse de composés pour l’imagerie médicale par optique non-linéaire. Nous avons dans un premier temps synthétisé des porphyrines amphiphiles et zwiterrioniques pour la Génération de Second Harmonique (GSH). Leur efficacité a été mesurée et celle-ci est suffisante pour pouvoir envisager l’obtention d’images. Dans un second temps, nous avons travaillé sur la synthèse d’un composé pour une application en imagerie biphotonique et en IRM. Pour cela, nous avons relié un dérivé du DOTA avec un fluorophore de type DPP. Le composé final a été métallé avec du gadolinium et sa relaxivité est supérieure à celle du DOTA(Gd). / The goal of my PhD studies was to synthesize new compounds for possible medical imaging applications. The first part of my thesis focused on the synthesis of heteroleptic ligands to achieve the chelation of two different metals aimed at addressing two types of medical imaging. We first synthesized porphyrins, which are well-known for the chelation of numerous transition metals. We focused on copper, whose copper-64 isotope is a β+ emitter usable in Positron Emission Tomography (PET). These porphyrins have been coupled with a DOTA derivative. This molecule, metallated with gadolinium, is well-known in Magnetic Resonance Imaging (MRI). Our compounds display encouraging relaxivities for MRI applications. At last, these molecular probes have been conjugated to a few biomolecules in order to vectorize our compounds. The second part of this work is related to the synthesis of fluorophores for nonlinear optical imaging. We first synthesized amphiphilic zwitterionic porphyrins for Second Harmonic Generation (SHG). The efficiency of these compounds has been measured and was satisying enough to consider the possibility to perform imaging studies. We also worked on the synthesis of compounds for Two Photon Emission Fluorescence (TPEF) imaging and MRI. We have linked a DOTA derivative with a diketopyrrolopyrrole (DPP). This conjugate has been metallated with gadolinium and its relaxivity has been measured. Interestingly, this value is superior to that of DOTA(Gd).

Cette thèse traite du contrôle et de la caractérisation de l'alignement et de l'orientation du point de vue théorique et expérimental. L'alignement d'une molécule linéaire consiste à obtenir une probabilité élevée de localisation de l'axe internucléaire symétrique autour de l'axe de polarisation du champ tandis que l'orientation privilégie un sens particulier le long du champ. L'orientation à l'aide d'impulsions bi couleur (2+1) non résonnantes est étudiée en détail et les conditions permettant d'obtenir une orientation efficace sont examinées. Un schéma bi couleur où la deuxième harmonique est en quasi-résonance avec un niveau vibrationnel de la molécule est également étudié. Cette technique présente l'avantage d'offrir un paramètre supplémentaire à savoir l'écart à la résonance qui peut être ajusté de manière à optimiser l'orientation moléculaire. Finalement une nouvelle technique expérimentale de détection de l'alignement moléculaire est présentée. Celle-ci permet une détection monocoup de l'alignement moléculaire sur une étendue temporelle jusqu'alors inégalée.

Au cours de ce travail, la génération de second harmonique optique des molécules biologiques a été étudiée. Cette technique optique non linéaire possède un caractère cohérent qui permet d’accéder aux propriétés de symétrie des molécules dont la taille est très inférieure aux longueurs d’onde optiques visibles utilisées et l’hyperpolarisabilité quadratique des acides aminés aromatiques a été mesurée en solution par diffusion non linéaire. L’hyperpolarisabilité des acides aminés non aromatiques a été obtenue de manière indirecte grâce à des mesures effectuées sur le collagène, une protéine ne contenant pas d’acide aminé aromatique. Le collagène possède en fait une très forte réponse non linéaire et fait l’objet d’études intenses en microscopie optique non linéaire. Par un modèle de sommation cohérente des champs harmoniques réémis, l’origine de la très forte efficacité non linéaire de cette protéine, liée à sa grande rigidité et à son organisation spatiale en triple hélice, a pu être obtenue. En parallèle, l’étude de plusieurs petits peptides synthétiques possédant de un à quatre tryptophanes a permis de comprendre la construction de la réponse optique non linéaire de ces objets à partir de motifs répétés. Par ailleurs, pour apporter des informations supplémentaires sur les nano systèmes, un nouveau montage expérimental a été développé. La grande sensibilité du montage a permis notamment d’atteindre la sensibilité d’une seule particule dans le volume sondé et de mettre en place un système de cartographie en trois dimensions par diffusion Hyper Rayleigh. La démonstration a été réalisée pour des nanoparticules métalliques uniques d’argent piégées dans une matrice de gélatine / This thesis presents an experimental study of second-harmonic generation of biological molecules. The coherent nature of this process allows obtaining the symmetries of molecules whose size is less than the wavelengths used. The hyperpolarizabilities of aromatic amino acids were measured in solution and the hyperpolarizability of non-aromatic amino acids was measured indirectly through measurements on the collagen molecule. Thus, all the building blocks of proteins are characterized. Among the biological molecules, collagen has a very strong non-linear response despite the absence of harmonophore. A model of coherent summation of the fields reissued to understand the origin of the very high non-linear efficiency from the rigidity and the spatial arrangement of amino acids in triple helix. In the same way, the study of several peptides with one to four tryptophans has enabled us to quantify the importance of conformation and the ionic environment of proteins in the nonlinear response. To provide additional information on nano systems, a new setup has been developed, combining two beams of excitation. Thus, the dipole and quadrupole radiation are differentiated to obtain the symmetry of molecular arrangements. Finally, the great sensitivity of the setup allows mapping in three dimensions, with the Hyper Rayleigh scattering, singles metal nanoparticles catch in a gelatin matrix.

Le caractère cohérent du processus de doublage de fréquence, processus de<br />conversion de deux photons à la fréquence fondamentale en un photon à la fréquence<br />harmonique, permet de sonder la matière à des échelles sub-longueur d'onde. Pour mettre en<br />évidence cette propriété, la technique de diffusion hyper Rayleigh a été employée pour sonder<br />l'organisation dans des assemblages moléculaires dispersés en solution liquide. Après une<br />étude initiale de quelques solvants usuels purs, l'influence de l'environnement sur la réponse<br />du cristal violet, une sonde moléculaire octupolaire de référence, a été étudiée. Ces études ont<br />été poursuivies pour des sondes moléculaires amphiphiles afin d'étudier des solutions mixtes<br />comprenant à la fois des sondes libres et des sondes engagées dans des assemblages<br />moléculaires appelés micelles. En raison de la centrosymétrie de ces assemblages, la<br />composante dipolaire de la réponse harmonique diffusée s'affaiblit, laissant la réponse<br />harmonique totale dominée par une forte contribution quadripolaire clairement mise en<br />évidence par ces mesures de diffusion hyper Rayleigh résolue en polarisation. Un modèle<br />complet décrivant les différentes composantes de la réponse harmonique totale est introduit<br />pour interpréter globalement les observations sur ces solutions mixtes. Enfin, les études<br />préliminaires d'un système biomimétique reconstitué à l'interface air-eau par doublage de<br />fréquence sont présentées.

La réponse optique linéaire et non linéaire d'assemblages moléculaires et de nano particules métalliques bidimensionnels a été déterminée. Dans un premier temps, l'étude a porté sur des films moléculaires de DiA, un composé amphiphile ayant une forte réponse non linéaire. La conclusion marquante de cette partie est la mise en évidence par des mesures de génération de second harmonique de l'apparition de la chiralité dans les agrégats moléculaires initialement non chiraux à très forte compression. Dans la seconde partie, l'étude optique linéaire et non linéaire des films de particules métalliques d'or et d'argent révèle la présence d'agrégats dont la taille et la mobilité dépendent de la densité moyenne de particules en surface. L'observation de fortes fluctuations de l'intensité mesurée lors de la compression a nécessité la mise en œuvre d'une approche dynamique de ces mesures mettant en évidence les mécanismes à l'œuvre dans ces films et les temps caractéristiques associés.