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.

Comme nous le savons, les applications sont déterminées par des propriétés, qui sont essentiellement déterminées par la structure. L’interaction entre la forme (structure moléculaire) et la fonction (propriétés physiques) peut être exploitée par le ligand, l’ion métallique, l'approche métallacrown et ainsi de suite. Les travaux portent sur la synthèse et l’étude du comportement magnétique de complexes mononucléaires cobalt(II) de géométrie bipyramide trigonale et sur l’étude de complexes mononucléaires de lanthanides possédant une structure de type métallacrown.Pour les complexes de cobalt(II), l’objectif a été de modifier l’anisotropie magnétique en modifiant la nature du ligand organique tétradenté et du ligand terminal en gardant, autant que faire se peut, la géométrie et même la symétrie des complexes. Presque tous ces complexes se comportent comme des molécules-aimants avec une barrière énergétique à l’inversion de l’aimantation qui peut être liée à leur anisotropie magnétique et donc à la nature des ligands. Et les complexes métallacrown à base de lanthanides étant hautement symétriques, permet de les utiliser comme modèles pour effectuer une corrélation entre la nature de l’ion lanthanide et leurs propriétés d’aimants.La thèse est composée de 6 chapitres. Le chapitre 1 présente l’état de l’art du magnétisme, des molécules-aimants (SMMs et SIMs), et quelques exemples importants. Le chapitre 2 se concentre sur une famille de complexes de géométriebipyramide trigonale de formule générale [Co(Me6tren)X]Y avec le ligand axial (X) et le contre-ion (Y) induisant le comportement SMM.Dans cette série de composés, j’ai étudié l’influence du ligand axial X sur la nature et l’amplitude de l’anisotropie magnétique. J’ai montré que la série des halogénures, l’anisotropie la plus forte est obtenue pour le ligand axial fluorure (F–). J’ai aussi étudié l’effet du cation Y qui influence l’interaction entre les molécules qui affectent le comportement d’aimant moléculaire. Au chapitre 3, on étudie l’influence du changement du ligand tétradenté. Le remplacement des trois atomes d’azote qui se trouvent en position équatoriale dans la sphère de coordination de cobalt(II) par des atomes de soufre induit une augmentation des distances Co–L dans le plan équatorial qui conduit à une plus forte anisotropie. Les calculs théoriques effectués sur ces complexes permettent de rationaliser les résultats expérimentaux et surtout de prévoir les propriétés de nouveaux complexes. Les chapitres 4 et 5 concernent deux séries de SMM 12-MC-4 basées sur LnGa4 (Ln = TbIII, DyIII, HoIII, ErIII, YbIII) avec les ligands basés sur l’acide salicylhydroxamique (H3shi) et l’acide 3-hydroxy-2-naphtohydroxamique (H3nha). J’ai préparé plusieurs complexes et étudié leurs propriétés magnétiques. Les calculs théoriques permettent de rationaliser la différence entre les propriétés des magnétiques dues aux différents ions lanthanide. Enfin, une conclusion générale avec des perspectives sont récapitulées au chapitre 6. / As we know, the applications are determined by properties, which are essentially determined by structure. The interplay between form (molecular structure) and function (physical properties) can be exploited engineering by the ligand, the metal ion, the metallacrown approach and so on. The work focuses on the synthesis and the study of the magnetic behavior of mononuclear cobalt(II) complexes with trigonal geometry and on the study of mononuclear lanthanide complexes that possess a metallacrown structure.For the cobalt(II) complexes, the aim was to tune the magnetic anisotropy by changing the nature of the tetradentate organic ligand and the terminal ligand. Almost all these complexes behave as Single Molecule Magnets with an energy barrier to the reversal of the magnetization that can be linked to their magnetic anisotropy and thus to the nature of the organic ligands. The lanthanide containing metallacrown complexes are highly symmetric, which allows performing a correlation between the nature of the lanthanide ion and their Single Molecule Magnet properties.The dissertation will be composed of 6 chapters. Chapter 1 introduces the background of the magnetism, Single Molecule Magnets, Single Ion Magnets, and some important SIMs. Chapter 2 focuses on a family of trigonal bipyramidal complexes [Co(Me6tren)X]Y. We show that the axial ligand affects the SMM behavior allowing us to prepare a complex with a magnetic bistability at T = 2 K. In Chapter 3, we examine the effect of changing the coordinated atoms (sulfur instead of nitrogen) in the equatorial coordination sphere of cobalt(II). We demonstrate that this slight change improves the SMM behavior. Chapter 4 and 5, which concern two series of 12-MC-4 SMMs based on LnGa4 (Ln = TbIII, DyIII, HoIII, ErIII, YbIII) with the ligands salicylhydroxamic acid (H3shi) and 3-hydroxy-2-naphthohydroxamic acid (H3nha), respectively, where we correlate the nature of the lanthanide ion to its magnetic behavior using ab initio calculations. At last, the understanding gained from this dissertation research, along with future research directions will be recapitulated in Chapter 6.