Les ligands β-diiminates sont des plateformes intéressantes utilisées en chimie de coordination en particulier pour la catalyse homogène, leurs paramètres électroniques et géométriques facilement ajustables les rendant particulièrement attractifs. Toutefois, ces modifications sont limitées à l’introduction de bases de Lewis neutres (éthers, amines tertiaires) sur les substituants portés par les atomes d’azote du squelette β-diiminate. L’objectif principal de ce travail de thèse porte sur le dépassement de telles limitations avec la synthèse de nouveaux ligands β-diiminates fonctionnalisés par un ou deux groupements phénolates anioniques et l’étude de leur chimie de coordination avec des ions lanthanides et actinides. Un intérêt particulier a été apporté à l’élucidation du mécanisme de formation de ces ligands, qui a mis en lumière la sensibilité des fonctions imines vis-à-vis des fonctions phénols, à l’origine des limitations décrites ci-dessus. Deux nouveaux ligands N-aryloxy-β-diiminates ont été synthétisés à l’échelle de plusieurs grammes avec de très bons rendements. Ces ligands diffèrent par leur encombrement stérique, qui influe sur leur coordination aux ions lanthanides et actinides. La réactivité de trois des complexes N-aryloxy-β-diiminate a été explorée. Un complexe du Ce(III) possède des propriétés de réduction intéressantes, sa sphère de coordination permettant un abaissement significatif du potentiel d’oxydation du couple Ce(III)/Ce(IV). La présence d’une lacune de coordination dans un complexe du Th(IV) a été mise àprofit pour stabiliser différents adduits de bases de Lewis. Deux types de réarrangement du complexe de thorium ont été mis à jour, qui sont contrôlés par la minimisation de répulsions inter-ligands. La réactivité rédox d’un complexe N-aryloxy-β-diiminate de l’U(IV) a été exploitée pour préparer un exemple rare de complexe monooxo terminal d’uranium. Cette espèce possède une chimie rédox riche et sa réduction a permis la synthèse des analogues de l’U(V) et de l’U(IV), formant ainsi la première série de complexes monooxo terminaux d’uranium stables à trois degrés d’oxydation successifs. Cette série représente une opportunité unique d’étudier l’influence des électrons f sur le phénomène d’influence trans inverse (ITI) observés dans les complexes oxo de l’uranium. Des calculs DFT préliminaires ont été réalisés pour rationaliser les comportements expérimentaux. / Β-Diketiminate ligands have received increased interest in coordination chemistry, especially for homogeneous catalysis. Their successful applications arise from an easy and fine tuning of the ligand electronic and geometric properties. However, these modifications are limited to the introduction of neutral donors (ethers or amines), on the nitrogen substituents of the β-diketiminate skeleton. The main focus of this research project is to overcome this limitation by synthesizing new β-diketiminate ligands functionalized by one or two anionic aryloxide groups, and to study their coordination chemistry with lanthanide and actinide ions. Access to these species relies on a fine understanding of the mechanism underlying their formation, and the sensitivity of the β-diiminium skeleton towards nucleophiles (phenols) has been identified as the limiting side reaction in the synthetic route. Addition of reactants in well defined order allowed the formation of two new N-aryloxy-β-diketiminate dianions on a multi-gram scale. The two ligands differ by their steric bulk and exhibit different coordination behaviors towards lanthanides and actinide ions, which were rationalized on geometric considerations. The reactivity of three of these new complexes has been investigated. A Ce(III) N-aryloxy-β-diketiminate complex exhibits interesting reduction properties, due to the shift of its oxidation potential to negative values by its coordination environment. A Th(IV) complex presents a vacant coordination site, which has been probed with different Lewis bases, emphasizing two spatial arrangements ruled by inter-ligand repulsion. It has been compared to its U(IV) analogue, which can be oxidized to a rare terminal monooxo uranium(VI) species. The latter was reversibly reduced to its U(V) and U(IV) derivatives, creating the first series of terminal monooxo uranium complexes with three successive oxidation states. These compounds represent an opportunity to better understand the influence of f-electrons on the inverse trans influence (ITI) in uranium oxo complexes. Preliminary DFT calculations have been carried out to explore geometric and energetic aspects at play in this interaction.

Si la chimie des complexes cyanures des métaux d est une discipline fortement étudiée depuis de nombreuses années, celle-ci est cependant peu développée avec les métaux f et en particulier avec les actinides. L’ion cyanure, qui est un ligand extrêmement coordinant, bidente et apte à stabiliser les hauts comme les bas degrés d’oxydation des centres métalliques semble particulièrement adapté à l’uranium. Son utilisation avec les éléments f offre, outre des perspectives synthétiques attrayantes qui ont déjà bouleversé certaines idées communément admises, un intérêt certain pour l’obtention de composés doués de propriétés physico-chimiques intéressantes. Ce doctorat concerne le développement de la chimie des complexes cyanures des éléments f (Ce, U, Th) dans les deux séries de précurseurs [Mf(N*)₃]ʲ˖ (j = 0, 1) et [An(Cot)₂] (N* = −N(SiMe₃)₂ ; Cot = C₈H₈²⁻). Le premier chapitre traite de la réactivité des complexes trivalents [Mf(N*)₃] (Mf = Ce, U) avec l’ion cyanure. Les synthèses et les structures cristallines des complexes mono- et polycyanures [Mf(N*)₃(CN)][M], [Mf(N*)₃(CN)₂][M]₂ et [Mf(N*)₂(CN)₃][M]₂ et des complexes bimétalliques [{Mf(N*)₃}₂(µ-CN)][M] (M = NR₄, K(18-C-6)) y sont présentées. Selon l’ion considéré, Ce³˖ ou U³˖, les caractérisations structurales montrent un mode de coordination différent du ligand cyanure. Par exemple, les complexes bis-cyanures dévoilent une coordination du cérium par l’atome d’azote (Ce−NC) et de l’uranium par l’atome de carbone (U−CN). Le mode de coordination isocyanure est extrêmement rare avec les métaux de transition d et f. Des complexes cyanures d’U(IV) présentés dans le chapitre 2 ont également été obtenus à partir du nouveau précurseur tris-amidure [U(N*)₃][BPh₄]. L’espèce bimétallique [{U(N*)₃}₂(µ-CN)][BPh₄] et surtout les dérivés à cyanures terminaux neutre [U(N*)₃(CN)] et anionique [U(N*)₃(CN)₂][M] (M = NEt₄, K) ont été isolés. Ces espèces monométalliques présentent le mode de ligation isocyanure U−NC, au contraire des autres complexes cyanures de l’uranium déjà connus. Des études théoriques de DFT expliquent l’origine de ces différents modes coordinations du ligand cyanure vis-à-vis des ions Ce³˖ et U³˖ par l’implication des orbitales 5f et les duretés distinctes (selon Pearson) des centres métalliques. Ces calculs sont en accord avec l’expérience et mettent en avant la stabilité énergétique légèrement plus grande des composés à liaison Ce³˖−NC , U³˖−CN et U⁴˖−NC. L’apport du cyanure dans la chimie des actinocènes [An(Cot)₂] (An = U, Th), composés sandwiches mythiques considérés jusqu’à peu comme des espèces sans aucune chimie de coordination, est manifeste avec la préparation d’une nouvelle classe de composés de géométries coudées. Alors que le complexe mono-cyanure [U(Cot)₂(CN)][NEt₄] est le seul composé coudé caractérisé avec l’uranium, [Th(Cot)₂] présente une chimie beaucoup plus variée qui fait l’objet du troisième chapitre. Le thorocène réagit ainsi avec les ions CN⁻, N₃⁻ et H⁻ pour donner les complexes anioniques [Th(Cot)₂(X)][M] (X = CN⁻, N₃⁻ et M = Na(18-C-6) et NBu₄), dianionique [Th(Cot)₂(CN)₂][NBu₄]₂ et les bimétalliques [{Th(Cot)₂}₂(μ-X)][M] (X = CN⁻, H⁻ et M = Na(18-C-6) et NBu₄]. Les structures des analogues [An(Cot)₂(CN)][NR₄]₂ sont notablement différentes (monomère pour U et polymère pour Th). Les complexes à cyanures terminaux sont des briques moléculaires intéressantes pour l’élaboration de systèmes polynucléaires et de matériaux qui, du fait des propriétés physico-chimiques particulières des éléments f, sont particulièrement attractifs pour des applications dans le domaine du magnétisme moléculaire et/ou de la luminescence. / The cyanide ligand is one of the most widely used ligands in coordination chemistry of d-transition metals. The low number of cyanide complexes of lanthanides and actinides incited us to develop this field for reactivity and theoretical aspects, and also for their potentially interesting physicochemical properties. In this Ph.D., we investigated the reactivity of [An(Cot)₂] (An = Th, U ; Cot = C₈H₈²⁻) and [Mf(N*)₃]ʲ˖ (j = 0, 1; Mf = Ce, U ; N* = ⁻N(SiMe₃)₂) precursors toward the cyanide ion. The first chapter is dedicated to the synthesis and characterization of trivalent f-elements cyanide complexes [Mf(N*)₃(CN)][M], [Mf(N*)₃(CN)₂][M]₂, [Mf(N*)₂(CN)₃][M]₂ and the cyanido-bridged binuclear compounds [{Mf(N*)₃}₂(µ-CN)][M] (M = NR₄, K(18-C-6)). Crystals of the bis(cyanido) uranium and cerium complexes are not isostructural since the data revealed distinct coordination modes of the CN group, through the C or N atom to the U³˖ or Ce³˖ metal center, respectively. In chapter 2, the novel silylamide uranium(IV) precursor [U(N*)₃][BPh₄] has been isolated, and proved to be useful for the synthesis of the cationic species [{U(N*)₃}₂(µ-CN)][BPh₄] and the neutral monocyanide [Mf(N*)₃(CN)] and anionic bis(cyanide) [Mf(N*)₃(CN)₂][M] derivatives. Here again, the X-ray data reveal the uncommon N coordination mode of the CN group to the U(IV) center. This global differentiation has been analyzed using density functional theory calculations. The observed preferential coordination of the cyanide ion in Ce³˖−NC, U³˖−CN and U⁴˖−NC is corroborated by energetic considerations and by the comparison of DFT optimized geometries with the true crystal structures. Finally, the recent discovery of the first bent "uranocene" species, eg [U(Cot)₂(CN)]⁻, led us to compare the reactivity of the actinocenes [An(Cot)₂] (Th, U) in order to understand the effect of the metal electron configuration (respectively 5f² for U⁴˖ and 5f⁰ for Th⁴˖). [Th(Cot)₂] reacted with the cyanide, azide and hydride anion and distinct products, eg anionic, dianionic and binuclear complexes [Th(Cot)₂(X)][M] (X = CN⁻, N₃⁻ et M = Na(18-C-6), NBu₄), [Th(Cot)₂(CN)₂][NBu₄]₂ and [{Th(Cot)₂}₂(μ-X)][M] (X = CN⁻, H⁻ et M = Na(18-C-6), NBu₄] were isolated depending on the nature of counter ion (Na˖ vs. R₄N˖). This study which is presented in chapter 3 clearly illustrates the distinct chemical behavior of thorocene versus uranocene. All these mononuclear mono and polycyanides compounds of the f-elements might serve as valuable building blocks for the synthesis of novel clusters and coordination polymers with interesting magnetism and/or luminescence properties.

Com o objetivo do entendimento do modo pelo qual são formadas as diferentes morfologias dos óxidos de lantanídeos obtidos a partir da calcinação de citratos, neste trabalho foram sintetizados óxidos de lantanídeos (La2O3, CeO2, Pr6O11, Nd2O3, Sm2O3 e Eu2O3) a partir da calcinação dos respectivos citratos. Durante a síntese da série dos sais [LnCit.xH2O], uma nova série de sais com a composição [Ln2(HCit)3.2H2O] foi isolada e caracterizada para (Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu). Em contraste com os sais amorfos [LnCit.xH2O] configurando agregados irregulares, os sais [Ln2(HCit)3.2H2O] são cristalinos com hábitos cristalinos fibrosos. Os estudos térmicos destes sais mostraram perfis distintos de decomposição térmica em atmosfera de ar. A decomposição da espécie amorfa fornece itaconatos de lantanídeos, seguido pela formação do oxicarbonato de lantanídeo e finalmente o respectivo óxido. A espécie cristalina, por sua vez, se decompõe, formando oxalato de lantanídeos seguido pela formação de oxicarbonato e posteriormente óxido. A morfologia dos óxidos de lantanídeos foi investigada utilizando microscopia eletrônica de varredura. Esta técnica mostrou a correlação entre as morfologias dos óxidos e as dos respectivos precursores obtidos a partir da calcinação dos diferentes citratos. Enquanto a calcinação dos sais amorfos formado por partículas irregularmente formadas resultou em óxidos com partículas irregulares, a calcinação dos citratos cristalinos, com partículas fibrosas, resultou na formação de óxidos com partículas fibrosas. Isso sugere fortemente que a morfologia dos precursores age como molde na formação dos óxidos dando origem a partículas com morfologias hierarquicamente similares. Foram conduzidos testes catalíticos de ozonização de fenol em meio ácido utilizando, as diferentes morfologias do CeO2. Todos os tipos morfológicos do CeO2 mostraram excelente atividade, proporcionando taxas de mineralização de aproximadamente 100%, contra 60% da ozonização na ausência de catalisador. O óxido tipo 2, proveniente do precursor [Ce2(HCit)3.2H2O] mostrou a mais alta ela foi de 5,1 unidade de (Kcorr / min-1.m-2.10-3) atividade. As diferentes atividades aprtesentadas pelas diferentes morfologias dos óxidos foram atribuídas às quantidades de Ce(III) como centro ativo na superfície os óxidos. Estas diferentes quantidades de Ce (III), estimadas por luminescência óptica e o Uv/Vis, foram atribuídas aos diferentes teores de carbono nos precursores que competem pelo oxigênio durante a calcinação. Isso leva à estabilização de Ce(III) e vacâncias de oxigênio na superfície dos óxidos. / With the aim of understanding the way that the morphologies of lanthanide oxides are influenced by precursors two series of lanthanide citrates were synthesized, characterized and used as precursors in the synthesis of these oxides through calcinations (La2O3, CeO2, Pr6O11, Nd2O3, Sm2O3 and Eu2O3) . A new series of lanthanide citrates with formula [Ln2(HCit)3.2H2O] was synthesized and characterized. Compared to amorphous [LnCit.xH2O], these new salts have a fibrous morphology pointed out by SEM analysis. Thermal analysis show that [LnCit.xH2O] decompose through two major steps: itaconates, oxycarbonates and finally lanthanide oxides. [Ln2(HCit)3.2H2O], on the other hand, decompose through two distinct steps: oxalates, oxycarbonates and lanthanide oxides. The morphology of lanthanide oxides was investigated using scanning electron microscopy. A correlation between the morphologies of the oxides and their precursors could be found. While amorphous citrates consisting of irregular shaped particles give rise to irregular shaped oxides particles, calcinations of fibrous crystalline salts series led to fibrous crystalline oxide shaped particles. These results strongly suggest that the morphology of a citrate polymeric precursor acts as a template, producing to hierarchically similar particles. Acid catalytic ozonation of phenol using three morphologies of CeO2 were carried out. All tested oxides show high activity providing 100% of mineralization of phenol, whereas without catalyst only 60% of mineralization was observed. The oxide synthesized from [Ce2(HCit)3.2H2O] shows the higher activity per surface area. CeO2 synthesized from [CeCit.xH2O] shows intermediary activity per surface area. The internal combustion synthesized CeO2 showed the worst activity. The different activities showed by the three morphological forms of CeO2 were attributed to the presence of different Ce(III) amounts in the surface of catalysts. The quantities of Ce(III) were estimated by luminescence and the results agreed very well with the activity of catalysts. The different Ce(III) contents in the precursors were attributed to different carbon contents in the precursor, which compet for oxygen of environment during calcinations, leading to stabilization of Ce(III) and vacancies in the oxides.

Ces travaux de thèse traitent de l’exploitation des nombreuses propriétés chimiques, physiques et structurales qu’offre le macrocycle porphyrinique.Le premier chapitre présente la sensibilisation de lanthanides émettant dans le proche-infrarouge par un chromophore porphyrinique. La synthèse d’une porphyrine substituée par deux 8-hydroxyquinoléines, sa métallation avec des lanthanides (La, Nd, Yb et Gd) ainsi que les propriétés photophysiques de ces complexes sont présentées. La synthèse de porphyrines fonctionnalisées par des oxamates orientés de façon convergente dans le but de diminuer les désactivations non radiatives du lanthanide par vibrations des liaisons est également étudiée. Le second chapitre décrit la synthèse de porphyrines substituées par deux groupements pyridyl et éthynylpyridyl en position méso-trans. La métallation du macrocyclique porphyrinique par du Zn(II) conduit à la formation de réseaux de coordination mono- ou bi-dimensionnels dont la topologie est dépendante de la nature de la porphyrine. Le troisième chapitre présente la fonctionnalisation de surface par chimi- ou par physi-sorption d’un réseau de coordination directionnel. Dans un premier temps la synthèse de porphyrines substituées par des pyridines et des terpyridines est présentée. Puis l’adsorption de ces tectons sur une surface de graphite est décrite. Enfin une dernière partie traite de la synthèse de porphyrines fonctionnalisées par deux ou quatre bras possédant des substituants soufrés, qui après chimisorption sur une surface d’or, pourraient servir de point d’ancrage à la construction d’un réseau de coordination directionnel perpendiculaire à la surface. / This thesis deals with the various chemical, physical and structural properties featured by the porphyrin macrocycle.The first chapter is related to the sensitization by a porphyrinic chromophore of the emission of lanthanide ions in the near-infrared. Synthesis of a porphyrin functionalized by two 8-hydroxyquinoline, its metallation with lanthanides (La, Nd, Yb and Gd) and its photophysical properties are described. In a second part, the synthesis of porphyrin functionalized by oxamates, in order to limit the non-radiative deactivation of lanthanides through vibrations of bounds, is also studied.The second chapter is focused on the synthesis of porphyrins substituted by two pyridyl or ethynylpyridyl groups in meso-trans positions. The metallation of the porphyrin core by Zn(II) leads to the formation a mono- or bi-dimensional coordination networks with different topologies depending on the nature of the porphyrin.The third chapter presents the surface functionnalisation by chemi- or physis-orption of a monodimensional polar network. The synthesis of porphyrin substituted with a pyridine and a terpyridine, necessary to the formation a non-centrosymmetric coordination network, is described. Thereafter the absorption of these compounds on graphite surface is studied. The second part of this chapter is related to the synthesis of porphyrin functionnalised by two or four arms with thiolate moiety that could be used as an anchor for the construction of a monodimensional network orthogonal to a gold surface.

Le domaine du proche infrarouge a une importance majeure pour l'imagerie optique en raison de la faible autofluorescence des systèmes biologiques et de la diffusion limitée de la lumière permettant l’amélioration du rapport signal-sur-bruit et une pénétration plus profonde dans les tissus. Les sondes fluorescentes proche-infrarouges les plus couramment utilisées à ce jour sont les fluorophores organiques ou les nanocristaux semi-conducteurs qui sont affectés par un certain nombre d’inconvénients. Plusieurs cations lanthanide possèdent des propriétés optiques uniques comme des bandes d'émissions étroites dont les longueurs d'ondes sont très peu sensibles à l’environnement, de grandes différences d’énergie entre longueurs d’onde d’excitation et d'émission et une forte résistance au photoblanchiment. Afin de bénéficier de la luminescence des lanthanides, les faibles absorbances des cations lanthanides libres doivent être compensées par l'utilisation de groupes chromophores appropriés fonctionnant comme sensibilisateurs. On parle d’effet d’"antenne". Nous présentons dans ce travail plusieurs familles de sondes à base de lanthanides (i) de petites molécules, plus spécifiquement des complexes monométalliques constitués par la coordination de Ln³⁺ par un ligand de type TTHA-anthraquinone et des métallacrowns polymétalliques Ln³⁺/Zn²⁺ auto-assemblés; (ii) de nouveaux nanomatériaux basés sur des billes de polystyrène possédant deux types de chargements différents, à savoir (i) un complexe bimétallique d-f Cr³⁺-Ln³⁺ ainsi que (ii) des antennes dérivées d’hydroxyanthraquinone et des cations lanthanide libres; (iii) des macromolécules de type dendrimère polyamidoamine de génération 3 fonctionnalisés avec sensibilisateurs aza-BODIPY en leurs périphéries et qui encapsulent des lanthanide luminescents. Les propriétés photophysiques, la cytotoxicité et l'incorporation cellulaire ont été décrites et discutées pour chacun des types de sondes. En outre, ces sondes ont été testées en imagerie in vitro visible et/ou proche-infrarouge par des expériences de microscopie confocale et d’épifluorescence. L’ensemble des sondes décrites dans ce travail, en raison de leurs propriétés avantageuses et nouvelles, constituent des avancées majeures pour le développement de nouvelles générations d'agents d'imagerie optique. / The near-infrared (NIR) region has a significant importance for optical imaging due to the minimal autofluorescence and reduced light scattering thus allowing for improved signal-to-noise ratio and deeper penetration through tissues. Nowadays, the most commonly used NIR-emitting fluorescent probes rely mainly on organic fluorophores or quantum dots and exhibit drawbacks. Several lanthanide(III) ions (Ln³⁺) possess unique optical properties e.g. sharp emission bands the wavelengths of which have minimal sensitivity to the microenvironment, large differences between excitation and emission wavelengths and strong resistance toward photobleaching. In order to obtain the luminescence of lanthanides, the low absorbances of the free Ln³⁺ have to be overcome by the use of appropriate chromophoric groups functioning as a sensitizing “antenna”. We present here several families of Ln³⁺-based probes: (i) small molecules, in particular monometallic complexes constituted by the TTHA-anthraquinone moiety and Ln³⁺, and polymetallic self-assembled Ln³⁺/Zn²⁺ metallacrowns; (ii) novel nanomaterials based on polystyrene beads with two different loadings, i.e. d-f bimetallic Cr³⁺- Ln³⁺+ complex and hydroxyanthraquinone antennae and Ln³⁺ ; (iii) macromolecular generation-3 polyamidoamine dendrimers functionalized with aza-BODIPY sensitizers at their periphery and encapsulating the luminescent Ln³⁺. The photophysical properties, cytotoxicity and cellular uptake were reported and discussed for each of the presented types of Ln³⁺-based probes. Moreover, these probes were successfully tested for visible and/or NIR in vitro imaging by confocal or epifluorescence microscopy experiments. Finally, the reported Ln³⁺-based probes, due to the number of advantageous properties, represent significant breakthroughs toward the developments of new generations of optical imaging agents.

Les ions lanthanide sont employés avec succès pour la synthèse de molécules-aimants caractérisées par une relaxation lente du moment magnétique d’origine purement moléculaire. Ces propriétés sont principalement liées à la forte anisotropie intrinsèque de ces ions, ainsi qu’à leur moment magnétique intense. Dans le cas de complexes contenant plusieurs porteurs de spin (métaux 3d, 4f ou radicaux organiques), la proximité de ces centres peut induire entre ces derniers une interaction de couplage aussi appelée échange magnétique. La rationalisation de telles propriétés est notamment rendue possible par l’approche ab initio. / Lanthanide ions have been used successfully in the synthesis of single molecule magnets for more than a decade. This particular class of molecules shows slow relaxation of their magnetization from purely molecular origin. This property come mainly from the strong single ion anisotropy of these ions, and from their high magnetic moment. In the case of complexes with more than one spin carrier (3d, 4f metal or organic radical), coupling interactions can arise. These are called magnetic exchange. In this framework, ab initio calculations are a useful tool for magneto-structural correlations.

La thérapie photodynamique (PDT) est une méthode de lutte contre le cancer basée sur l’utilisation de la lumière et d’un composé sensible à la lumière, appelé photosensibilisateur (PS). Le PS absorbe la lumière et, en présence d’oxygène, engendre la production des dérivés réactifs de l'oxygène (DRO), lesquels sont toxiques et provoquent la régression de la tumeur. La limitation principale des PSs utilisés dans les tests cliniques est leur faible sélectivité envers les tissus cancéreux. Le but principal de ce projet est de créer des agents multifonctionnels combinant sur une même molécule l’activité PDT, la vectorisation et l’imagerie optique proche infrarouge. Dans cette région du spectre optique, les cellules possèdent une faible autofluorescence, et la lumière proche infrarouge pénètre plus profondément dans les tissus biologiques que la lumière visible. Nous proposons ici de modifier une structure dendrimérique de type poly(amidoamine) de génération 3, en tant que plateforme polyvalente. En effet, ce dernier possède trente-deux groupes terminaux qui peuvent être facilement substitués par des PSs. De plus, cette macromolécule peut complexer dans ses cavités jusqu’à 8 cations lanthanides émettant dans le proche infrarouge. Quatre nouveaux ligands dendrimère ont été synthétisés avec différents PSs tels que des dérivés de naphtalimide, d’anthraquinone et de tétraphénylporphyrine. De plus, le naphtalimide a été couplé avec des groupes dérivés de l’acide folique pour assurer la vectorisation envers les tissus cancéreux. Les complexes de lanthanide émettant dans le proche infrarouge ont été préparés pour chaque dendrimère. La caractérisation des performances des différents complexes a été réalisée. La production de DRO et la présence de complexes d’Yb(III) a été démontrée dans les cellules HL60. Les dendrimères modifiés par les groupes anthraquinone et tétraphénylporphyrine en tant que PS, ont montré, dans les cellules vivantes, une émission proche infrarouge lorsqu’ils sont sous la forme de complexe d’Yb(III). Les résultats obtenus montrent que les complexes de lanthanides formés avec des ligands dendrimères peuvent servir comme des agents de PDT et des rapporteurs luminescents proche infrarouge in cellulo. / PDT is a cancer treatment that uses the combination of a nontoxic photoactivated molecule (photosensitizer), an appropriate source of light excitation and molecular oxygen to generate reactive oxygen species (ROS) leading to the decrease of size or to the destruction of tumors. However, the PDT efficiency of currently used drugs is limited by the selectivity for the cancer tissue. The main goal of this work is to develop a multifunctional agent which combines a PDT activity, a tumor targeting and near-infrared (NIR) optical imaging. The use of reporters that absorb at low energy is justified by low tissue autofluorescence and high tissue penetration depth in the NIR spectrum window. For this purpose, we have chosen the generation-3 poly(amidoamine) dendrimers as a versatile platform. Such macromolecules can incorporate eight NIR emitting lanthanide ions inside their branches forming species with thirty-two end groups at the periphery that can be substituted by suitable photosensitizers. Four new dendrimer ligands were synthesized with different photosensitizers, such as derivatives of naphthalimide, anthraquinone, and porphyrin. In addition the naphthalimide photosensitizer was functionalized with a targeting molecule, based on folic acid, to induce selectivity of the molecule towards cancer tissues. The corresponding NIR emitting lanthanide complexes were prepared for each dendrimer. Four Yb(III)-dendrimer complexes were characterized for their photophysical and ROS production properties. All complexes demonstrated a ROS production. The dendrimer functionalized with anthraquinone and tetraphenylporphyrin photosensitizers show strong NIR emission in living cells. These new multifunctional Yb(III)-dendrimer complexes have been designed to broaden the current scope of PDT agents and of NIR optical imaging agents.

La fonctionnalisation sélective de BINOL en position 6 ou 6 et 6' par des groupements 3 - (diméthylamino)prop-1-yn-1-yl est décrite. Cette méthode constitue une stratégie prometteuse pour le développement de nouveaux ligands recyclables. Les complexes de La et Yb correspondants ont été testés dans la réaction d’époxydation des cétones α, β-insaturées. Les complexes d’ytterbium sont les plus efficaces, fournissant les époxydes chiraux attendus avec 90 ou 93% d’excès énantiomérique en conditions homogène et hétérogène, respectivement.Dans le cadre de nos études, nous avons également évalué de nouveaux catalyseurs comportant un ion de manganèse penta-coordinnée [LMn(III)OH]ClO4 et [LMnCl](MnCl4)0,5. Ces complexes ont été testés dans la réaction d’époxydation des oléfines terminales utilisant H2O2/NaHCO3 et PhIO comme oxydant. Il s'avère que le complexe [LMn(III)OH]ClO4 est le catalyseur le plus efficace de la série. Une autre approche également été envisagée : oxyder une molécule d’eau présente dans la sphère de coordination du métal par le Cerium Ammonium Nitrate (CAN) et utiliser l’espèce oxydante ainsi générée pour oxyder des substrats. Nos études ont montré que cette stratégie était possible et permettait d’oxyder des substrats organiques. / The selective functionalization of BINOL in position 6 or 6 and 6’ with 3-(dimethylamino)prop-1-yn-1yl is described, and it constitutes a promising strategy for the development of a recyclable ligands. The corresponding La and Yb complexes were evaluated towards the epoxidation of α,β-unsaturated ketones. The Yb-complexes displayed an efficient activity, affording the expected chiral epoxides in up to 90 or 93% ee in homogeneous and heterogenous catalysis, respectively.As part of our studies, we also evaluated new catalysts with a penta-coordinated manganese ion [LMn(III)OH]ClO4 and [LMnCl](MnCl4)0.5. These complexes were tested in the epoxidation reaction of terminal olefins using H2O2/NaHCO3 and PhIO as an oxidant. It turns out that the complex [LMn (III) OH] ClO4 is the most efficient catalyst of the series. Another approach was also considered: oxidize a molecule of water present in the coordination sphere of the metal by Cerium Ammonium Nitrate (CAN) and use the generated oxidizing species to oxidize substrates. Our studies have shown that this strategy was feasible and allowed to oxidize organic substrates.

Le projet de recherche de cette thèse a pour ambition la conception de nouveaux récepteurs moléculaires artificiels exploitant les propriétés complexantes des calixarènes, des éther-couronnes et des complexes insaturés de lanthanides liées aux propriétés photophysiques et photochimiques de photochromes spiropyraniques. L’alliance supramoléculaire ainsi formée doit permettre d’exploiter les processus de photoéjection et ensuite de détection par un site distant, c’est-à-dire d’établir une communication à l’échelle moléculaire grâce à la lumière. Un récepteur moléculaire employant le calix[4]arène substitué sur un bord par une aza-éther-couronne et sur l’autre bord par des groupements pyrène a été synthétisé et ses capacités à complexer différents cations ont été étudiées ; la migration des ions à travers la cavité du calix[4]arène provoquée par protonation a également été examinée. De même, des aza-éther-couronnes substituées par des spiropyranes ont été synthétisées et ont été étudiées dans le but d’établir une communication avec un récepteur fluorescent. Enfin, un exemple de complexe d’europium(III) dont la luminescence est photocontrôlée est montré. La stratégie de photoncontrôle est démontrée et optimisée dans les milieux organisés que sont les micelles. / The research project of this thesis focuses on the development of new artificial molecular receptors based on the complexation properties of calix[4]arenes, crown ethers and coordinatively unsaturated lanthanide complexes as well as photochromic spiropyrane derivatives : while the fluorescent receptors detect the presence of ions, the photochromes can reversibly release protons and metal ions. The supramolecular alliance of these moieties should allow processes such as photoejection and then detection, thus setting up molecular communication induced by light. A molecular receptor based on a calix[4]arene which one of the rims is substituted by an azacrown ether and the other one by pyrenes was synthetised and its ability to complexe several cations was studied ; the cation migration through the calix[4]arene cavity provoked by protonation was also investigated. Equally, two azacrown ethers substituted by spiropyrans were synthetised and studied in order to establish communication between them and fluorescent receptors. In a different approach, a proof-of-principle example of an Europium(III) complex whose luminescence is photocontrolled via the intermediacy of a molecular messenger is given, proving optimal in micellar domains.

L’objectif de cette thèse est l’élaboration de sondes à base de lanthanide pour la microscopie optique biphotonique. Cette technique d’imagerie complémentaire à l’IRM et au scanner permet une analyse rapide et facile de tissus épais. Afin de permettre l’observation en profondeur, l’absorption et l’émission de la sonde doit se situer dans la zone de transparence biologique [700 – 1200 nm]. L’absorption à deux photons (ADP) est un phénomène d’optique linéaire de troisième ordre par lequel l’état excité est atteint par absorption simultanée de deux photons. De fait, l’excitation à énergie moitié se situe dans la zone de transparence biologique. Les sondes envisagées combineraient les propriétés optiques uniques des lanthanides, telles que des bandes d’émission très étroites allant du visible à l’infrarouge et des durées de vie de luminescence longues, et les avantages de l’ADP, permettant une excitation dans l’IR et une résolution tridimensionnelle. Dans ce contexte, cette thèse décrit l’élaboration de complexes d’europium et d’ytterbium à ligands macrocycliques stables en milieu aqueux et dont la luminescence peut être sensibilisée à deux photons. Ces complexes ont permis l’imagerie de la vascularisation de cerveaux de souris par microscopie biphotonique dans le proche infrarouge. La seconde approche consiste à encapsuler un complexe luminescent dans des nanoparticules desilice formées par la technique sol-gel (collaboration A. Ibanez, institut Néel, Grenoble) afin de protéger le complexe du milieu biologique. Enfin la dernière approche consiste à greffer des complexes de lanthanides à la surface d’une particule de silice par chimie organométallique de surface. Ces travaux ont conduit à la formation de nano-objet très brillants dans le rouge et le proche infrarouge, détectables à l’échelle de l’objet unique par microscopie à deux photons. / Two Photon Scanning Laser Microscopy (TPSLM) has evolved as an emerging bio-imaging technique widely used in academic research and in medical diagnosis. This technique requires the design of bioprobes specially optimized for such purpose. A particular attention is actually devoted bio-probes featuring both two-photon absorption (TPA) and emission in the near infra-red (NIR) spectral range [700 – 1200 nm], also called biological window that is particularly promising for thick tissues imaging. In this context, europium complexes emitting in the red (615 nm) has been recently sensitized by two photon antenna effect and used for TPSLM in cells combining the advantages of lanthanide emission (sharp line and long lived) and those of TPA. Based on this preliminary results, this thesis describe the design of europium and ytterbium complexes which have an improved stability in water and good emission properties sensitized by TPA. Theses complexes allow the imaging of mice’s brain vascularisation in the NIR. An another approach to stabilize lanthanide complexes was also used by encapsulating theses fluorophores in silica nanoparticle (collaboration with A. Ibanez, Institut Néel, Grenoble). Then the last approach consists on the grafting of the chromophores on silica sphere using surface organometallic chemistry methods. The nanoparticles obtained by both way are really luminescent in the red or infrared and can be imaged as single nanoparticle by TPSLM.