Le premier objectif de ce travail a consisté à développer la réaction CuSAC (découverte au laboratoire) pour la synthèse régiosélective de pyrazoles poly-substitués, dans un contexte de méthodologie de synthèse. Il existe de nombreux composés biologiquement actifs contenant le motif pyrazole et peu de méthodes régiosélectives décrites pour les synthétiser. Développer une nouvelle réaction pour obtenir des pyrazoles poly-substitués de façon contrôlée était donc très intéressant pour des applications synthétiques.Le deuxième objectif a été d’appliquer cette réaction à la bioconjugaison et notamment au développement de sondes profluorescentes Des coumarines-sydnones subissant un effet d’extinction de fluorescence par le phénomène PeT ont été développées. Suite au couplage avec un alcyne, le pyrazole formé n’éteint plus lafluorescence de la coumarine. Ce type de sondes est très intéressant pour le marquage de biomolécules, car il n’y a aucun parasitage de fluorescence et donc ne nécessite aucun lavage.Le troisième objectif de la thèse a été d’explorer la réactivité des composés mésoioniques pour un alcyne, sous une catalyse au cuivre, dans le but de découvrir de nouvelles réactions click. Un criblage de 24 composés dans 9 conditions de catalyses différentes, faisant plus de 200 réactions réalisées, a été effectué. Deux réactions ont été révélées, dont une très prometteuse. Celle-ci permet dans la même opération de lier deux partenaires tout en libérant un fragment d’un des deux partenaires. Cette réaction a été étudiée dans le but de développer un outil de théranostique où être utilisée pour la mise au point de nouveaux espaceurs clivables. / The first aim of this work was the development of a new regioselective synthetic access to poly-substituted pyrazoles via the CuSAC reaction, previously discovered in the laboratory. The development of new reactions leading to poly-substituted pyrazoles with a full control of regioselectivity is highly interesting for synthetic applications.The second aim of this work was the application of this reaction for the labeling of complex biomolecules. To broaden the scope of the CuSAC, fluorogenic coumarin-sydnones which undergo fluorescence extinction via PeT have been designed and synthetized. Following the coupling reaction, the newly formed pyrazole core allows huge enhancement of the fluorescence signal.This kind of probes is highly interesting in the specific labelling of biomolecules avoiding washing steps.The last project of this thesis have been focused on the discovery of new [3+2] cycloaddition reaction implying a mesoionic compound and a terminal alkyne under copper catalysis. 24 mesoionic dipoles were screened for their ability to react with a terminal alkyne in 9 different catalytic conditions, yielding to more than 200 reactions screened. Two hits were identified, one of them holding great promise. This hit allows an efficient “click and release” reaction which should find tremendous applications, especially in the fields of theranostic and cleavable linker development.

Notre laboratoire a récemment mis en évidence la réaction de cycloaddition entre les sydnones et les alcynes terminaux ou cycliques. Ces réactions sont bioorthogonales et possèdent la particularité de former deux produits : l’un provenant de la ligation (click) des deux partenaires réactionnels par cycloaddition (3+2), l’autre provenant d’un relargage (release) par réaction de rétro Diels-Alder. Le potentiel de ce type de réaction est très grand de par le nombre d’applications possibles que ce soit dans le domaine de la bioconjugaison, du marquage fluorescent ou de la libération de principes actifs.Les sydnones sont des composés hétérocycliques dipolaires qui appartiennent à la famille des mésoioniques. Cette thèse vise à découvrir de nouvelles réactions de ligation et de coupure mettant en jeu ces mésoioniques et des dipolarophiles. Vingt-cinq mésoioniques et trois familles de dipolarophiles ont été synthétisés et criblées.Lors du premier criblage, la réactivité des composés mésoioniques avec un alcyne terminal, sous une catalyse au cuivre, a été explorée. Neuf conditions de catalyse ont été testées. Ce criblage a mis en évidence la cycloaddition entre les aza-iminosydnones et les alcynes terminaux dont le produit formé dépend du système catalytique et de la nature de l’alcyne.La deuxième famille de dipolarophiles testée est celle des cycloalcynes. Nous avons découvert que, les dithiolium-olates réagissaient avec les cycloalcynes peu encombrés et que les sydnone-imines réagissent avec tous les cyloalcynes de manière bioorthogonale en libérant une molécule complexe.Enfin, les cycloalcènes ont été testés comme dipolarophiles. Dans cette partie, les résultats préliminaires du criblage nous ont amené à modifier la structure de la sydnone pour permettre la libération d’une molécule complexe. / Our laboratory has recently discovered the cycloaddition between sydnones and cyclic or terminal alkynes. These reactions are bioorthogonal and generate two products: one coming from the (3+2) cycloaddition (click) between both partners and the second from a cleavage step (release) through a retro Diels-Alder reaction. This type of new reactions would be of prime importance in the development of new reagents useful for bioconjugation and drug delivery applications.Sydnones are dipolar heterocycles belonging to the large family of compounds known as mesoionics. This work aims at discovering new chemoselective and bioorthogonal processes between mesoionic compounds and various dipolarophiles, that undergo in a same reaction both ligation and cleavage. Twenty-five mesoionics and three types of dipolarophiles were synthetized and screened.For the first screening, the reactivity between mesoionics and terminal alkyne, under a copper catalysis, was studied. Nine conditions of catalysis were tested. This screening revealed the cycloaddition between aza-iminosydnones and terminal alkynes. The structure of the formed products depends on the catalytic system and the nature of the alkyne used.The second type of dipolarophiles screened was cyclic alkynes. Dithiolium-olates were found to react with non-hindered cyclic alkynes. On the other side, imino-sydnones react with all cycloalkynes to afford a click product together with a released molecule.Finally, cycloalkenes were screened. Thanks to preliminary results from a screening, we engineered new sydnones to allow the release of a complex molecule after the cycloaddition step

Très récemment, notre équipe a mis en évidence une réaction dite de ligation et coupure entre une famille de composés mésoioniques, les sydnone-imines, et les cyclooctynes. Cette réaction bioorthogonale agit selon un processus en deux étapes, une cycloaddition [3+2] suivie d’une rétro Diels-Alder, qui génère deux nouveaux composés : un produit de ligation et un produit de coupure. L’objectif de cette thèse consiste à améliorer la cinétique de réaction entre ces deux partenaires afin de pouvoir l’utiliser en tant qu’outil pour la libération contrôlée de principes actifs in vivo.Trois stratégies ont été développées lors de cette thèse afin d’optimiser ce système réactionnel : l’étude d’une relation structure/réactivité du partenaire sydnone-imine vis-à-vis de la réaction bioorthogonale; l’utilisation de micelles constituées d’amphiphiles possédant un motif sydnone-imine en tant que lien clivable entre la partie hydrophobe et la partie hydrophile de la molécule; et enfin, l’étude de l’utilisation de la reconnaissance moléculaire entre deux brins d’acides nucléiques peptidiques (ANP) complémentaires. / Recently, our laboratory has discovered a click and release reaction involving iminosydnones, a family of mesoionic compounds, and cyclooctynes. This bioorthogonal reaction occurs via a two step process: a [3+2] cycloaddition followed by a retro Diels-Alder, to give two new compounds: a click product and a release product.The main goal of this work is to improve the kinetic of the reaction between these two partners in order to use it as a powerful tool for in vivo drug delivery. Three strategies were developed during this thesis to optimize this reaction system: the study of a structure/reactivity relationship of the iminosydnone partner regarding the bioorthogonal reaction; the development of micelles built by amphiphiles containing an iminosydnone moiety as a cleavable linker, strategically located between the hydrophobic and the hydrophilic part of the compound and finally, the use of molecular recognition between two peptide nucleic acids (PNA) complementary strands.

L'imagerie de biomolécules, et plus particulièrement des glycanes, au sein d'organismes vivants, représente un incroyable challenge. Cependant, des progrès significatifs ont été réalisés ces dix dernières années grâce au développement de la stratégie du rapporteur chimique bioorthogonal. Cette technique implique, dans un premier temps, l'incorporation d'une fonctionnalité chimique non native (rapporteur) au sein de biomolécules complexes. Ce rapporteur peut ensuite réagir sélectivement avec une sonde moléculaire spécifique permettant ainsi la détection de la biomolécule ciblée. Afin d'imager ces biomolécules en temps réel, les sondes fluorogènes, des réactifs non fluorescents qui deviennent fluorescents après réaction avec le rapporteur chimique, ont été récemment développées. Ces dernières années, la cycloaddition 1,3-dipolaire sans métaux, entre les cylooctynes et les azotures, a été élégamment employée comme réaction bioorthogonale pour l'imagerie de biomolécules au sein d'organismes vivants. Cependant, l'azoture présente certaines limitations, notamment il peut être réduit par les thiols cellulaires. En conséquence, nous avons étudié l'utilisation de 1,3-dipôles plus stables, en tant que nouveaux rapporteurs chimiques bioorthogonaux pour l'imagerie de biomolécules par fluorescence. De plus, nous avons aussi développé de nouvelles sondes fluorogènes bioorthogonales ayant de bonnes propriétés de fluorescence, telles que de hautes valeurs de rendement quantique et des longueurs d'ondes d'émission déplacées dans le rouge, pour une potentielle application chez l'animal. / Imaging biomolecules, such as glycans, in living systems remains a formidable chemical challenge. However, significant progress has been made over the past ten years, with the ground-breaking development of the bioorthogonal chemical reporter strategy. In this context, complex biomolecules are fitted with a non-native chemical functionality (reporter) that can react selectively with a complementary bioorthogonal probe for detection. In order to image these biomolecules in real time, fluorogenic probes, non fluorescent reagents that produce highly fluorescent products, have recently been developed. This last decade, the metal-free 1,3-dipolar cycloaddition between cyclooctynes and azides have been elegantly employed for biomolecules imaging in living systems. However, azides suffer from limitations such as their reduction by endogenous cellular thiols. Consequently, we have investigated the use of more stable 1,3-dipoles as new chemical reporters for fluorescent biomolecule imaging. In addition, we also developed novel bioorthogonal fluorogenic probes with improved fluorescence properties such as high quantum yields and red-shifted fluorescence emission for potential applications in living animals.