Cette thèse est dédiée à la conception de synthons entrelacés pour la préparation efficace de machines moléculaires pH-sensible de type rotaxane et de rotaxanes dénués de site de reconnaissance. Bien que la stratégie dirigée par l’effet « template » ait été employée très fréquemment et avec succès à ce jour, elle ne mène dans la plupart des cas qu’à des composés entrelacés qui contiennent les sites d’interactions nécessaires à la reconnaissance préalable des éléments moléculaires à assembler. Pour remédier à cette limitation, une nouvelle voie d’accès directe utilisant des synthons entrelacées pour la préparation de machines moléculaires de type rotaxanes et de rotaxanes dénués de site d’interaction fort a été étudié. Dans un premier temps, des « briques moléculaires » [2]rotaxanes isolables, bien qu’activées, ont été obtenus par une stratégie de glissement. Dans le but de les convertir aisément en machines moléculaires, les paramètres cinétiques et thermodynamiques relatifs au processus d’entrelacement ont été déterminés et ont permis de juger de l’importance de la nature et de l’orientation des pseudo-bouchons sur la cinétique d’entrelacement, ainsi que du rôle primordial du degré de liberté conformationnel de l’axe moléculaire sur la vitesse de formation des rotaxanes. Par la suite, les synthons entrelacées activés sous forme d’ester actif (ester de NHS isolable) sont utilisées dans la préparation de différentes machines moléculaires possédant une station moléculaire principale ammonium et une station moléculaire secondaire triazolium ou amide (secondaire ou tertiaire). D’autres synthons entrelacés qui différent par l’orientation du motif NHS sont utilisé comme transporteurs d’éther couronne pour permettre la préparation de rotaxanes dénués de site d’interaction fort. Enfin, dans la continuité des travaux réalisés au laboratoire sur le contrôle de la conformation chaise d’un mannosyl par une machinerie moléculaire, de nouvelles navettes pH-sensible de type glyco[2]rotaxanes contenant toutes une station moléculaire principale anilinium, et qui différent des machines précédentes par la deuxième station pyridinium, ont été obtenus et étudiés. / This thesis is dedicated to the synthesis of interlocked synthons for the efficient preparation of pH-sensitive rotaxane molecular machines and rotaxanes devoid of recognition site. Although the strategy directed by the "template" effect has been used very frequently and successfully so far, in most cases it only leads to interlocked compounds that contain the interaction sites necessary for prior recognition molecular elements to assemble. To overcome this limitation, a new direct access using interlocked synthons for the preparation of molecular machines of the rotaxane and rotaxane type devoid of strong interaction sites has been studied. Firstly, isolable [2]rotaxane "building block", although activated, were obtained by a slipping strategy. In order to easily convert them into molecular machines, the kinetic and thermodynamic parameters relating to the slipping process were determined and made it possible to judge the importance of the nature and orientation of the pseudo-stopper on the kinetics of slipping, as well as the primordial role of the degree of conformational freedom of the molecular axis on the speed of formation of rotaxanes. Subsequently, the activated ester (NHS isolatable ester) interlocked synthon are used in the preparation of different molecular machines having a main ammonium molecular station and a secondary molecular triazolium or amide station (secondary or tertiary). Other interlocked synthons that differ in the orientation of the NHS motif are used as crown ether transporters to enable the preparation of rotaxanes devoid strong interaction sites. Finally, in the continuity of the work carried out in the laboratory on the control of the chair conformation of a mannosyl by a molecular machinery, new pH-sensitive shuttles of glyco[2]rotaxane containing a main molecular station anilinium, and which different previous machines by the second station pyridinium, were obtained and studied.

Une famille de pinces moléculaires commutables par coordination métallique basées sur une architecture modulaire de type bis(M-salphen) terpyridine (salphen = N,N’-disalicylidene-o-phenylenediamine) a été synthétisée dans le but de moduler, par un effet mécanique, des propriétés physiques ou chimiques à l’échelle moléculaire. Deux pinces fonctionnalisées par des complexes phosphorescents de platine(II) ont été synthétisées par une approche modulaire. Un mouvement réversible de fermeture et d’ouverture par coordination / décoordination a été obtenu ainsi qu’une extinction de la luminescence via un contrôle allostérique de la reconnaissance de Hg2+. Une pince comportant des complexes paramagnétiques de cuivre (II) a permis l’observation par RPE et SQUID d’une commutation réversible de l’interaction d’échange à travers l’espace entre les deux centres métalliques. Du manganèse(III) a également été utilisé afin de permettre la commutation de l’interaction d’échange via un ligand pontant cyanure grâce à un contrôle allostérique de l’intercalation. De manière similaire, la synthèse d’une pince moléculaire incorporant des unités molécule aimant a été mise au point. D’autre part les propriétés rédox d’une pince à base de nickel(II) ont aussi pu être contrôlées par le mouvement et l’intercalation de pyrazine dans la forme oxydée nickel(III). Finalement, la synthèse d’une pince catalytique a été mise au point, ouvrant la voie à des catalyseurs commutables biomimétiques fonctionnant par effet allostérique. / A family of switchable molecular tweezers based on a bis(M-salphen) terpyridine (salphen = N,N’-disalicylidene-o-phenylenediamine) structure has been developed to study the influence of a mechanical motion on physical properties at the molecular level. Two tweezers functionalized by phosphorescent platinum (II) complexes were synthesized using a modular approach. The reversible mechanical motion by coordination / decoordination of a first metal cation allowed reversible quenching of the luminescence thanks to mercury (II) intercalation with allosteric control. Similar tweezers bearing paramagnetic copper (II) permitted to reversibly switch through-space exchange interactions between the two metallic centers according to EPR and SQUID measurements. manganese (III) was also used in order to switch the exchange interaction through a cyanide bridging ligand whose intercalation can be controlled by allosteric effect. With a similar strategy, the synthetic route towards tweezers showing single-molecule-magnet behavior has beendeveloped. The redox property of nickel(II) based tweezers was also controlled by the mechanical motion and the intercalation of pyrazine in the oxidized nickel (III) closed form. Finally, the synthesis of catalytic tweezers was developed, opening the way to switchable biomimetic catalysts operating with allosteric control.

Un défi dans le domaine des nanotechnologies consiste à coupler des mouvements moléculaires individuels bien définis pour produire une réponse macroscopique.Dans nos travaux, nous avons pu démontrer, pour la première fois et de manière originale, la contraction et l’extension micrométrique de polymères supramoléculaires téléscopiques. En particulier, des rotaxanes mécaniquement entrelacés et possédant deux stations aux affinités modulables ont été fonctionnalisés par des unités de coordination, permettant ainsi leur polymérisation en présence d’ions métalliques. L’utilisation de techniques de diffusion du rayonnement en solution a démontré la présence de chaines polymères supramoléculaires uniques présentant un très haut poids moléculaire. La variation du pH a ensuite permis d’obtenir les nano‐ contractions et extensions coopératives des rotaxanes individuels conduisant aux mouvements amplifiés de type muscle des chaines supramoléculaires avec des changements de leur longueur de contour de l’ordre de plusieurs micromètres. Un autre exemple consistant en un monomère rotaxane fonctionalisé à ces extrémités par des unités pyridines bis‐imides, pouvant former des liaisons hydrogènes avec un connecteur approprié, a permis de combiner plusieurs niveaux d’organisation hiérarchique. Des études par microscopie électronique à transmission ont mis en évidence la formation de « fagots » de fibres présentant un aspect de muscle. Ce travail représente le premier exemple démontrant la synchronisation de milliers de machines moléculaires à des échelles différentes et est considéré, en lui‐même, comme une avancée majeure en chimie supramoléculaire à l’interface avec les nanotechnologies. / One of the targeted challenges in nanotechnologies consists in coupling together defined individual molecular motions for the production of macroscopic response. Herein we have developed for the first time innovative micrometric contraction and extension of telescopic supramolecular polymers. In particular, mechanically interlocked and switchable double threaded rotaxanes have been tailored with coordination functions and subsequently polymerized in the presence of metal ions. Characterizations by scattering techniques in solution reveal the formation of single-strand supramolecular polymer chains with very high molecular weight (up to 8 × 106 g.mol-1). The subsequent pH modulation triggers cooperative nano-contractions / extensions of the individual rotaxanes resulting in an amplified motion of the muscle-like supramolecular chains with changes of their contour lengths by several micrometers.In another example, consisting in a rotaxane monomer ended by pyridine bis-imide units which can form donor-acceptor-donor type H-bonding with an appropriate connector, we were able to combine several level of hierarchical organization. The acid / base titration process of the rotaxane and the corresponding polymer with the connector was studied by 1H NMR and neutron scattering. TEM studies showed the formation of bundles of fibers with a muscle-like aspect.This work represents the first example showing this synchronization of thousands of molecular machines to cross several length scales and as such, it is considered as a major step in supramolecular chemistry at its interface with nanotechnologies.

Dans le contexte du développement des machines moléculaires, l'objet de ce travail est la synthèse de solides cristallins amphidynamiques basés sur des rotors 1,4-diéthynylbicyclo[2.2.2]octane (BCO) fonctionnels, auto-assemblés ou organisés par coordination à un métal. Ces rotors chiraux possèdent deux degrés de liberté caractérisés à l'état solide de deux manières indépendantes. Des expériences de relaxation spin-réseau du proton en fonction de la température pour étudier le mouvement de rotation du rotor hélicoïdal sur son axe ont été réalisées. De plus, des expériences d'optique non-linéaire ont mis en évidence la génération d'un signal de seconde harmonique, conséquente au mouvement de torsion des pales de l'hélice au sein de 'mutamères'. Les expériences de RMN du solide, réalisées sur des échantillons polycristallins statiques (barrières expérimentales de rotation et fréquence des sauts stochastiques du BCO) ont été couplées à des calculs d'énergie d'interaction des rotors avec leur environnement (barrières de rotation). Nous avons montré qu'il est possible d'interpréter la dynamique au sein de ces systèmes et notamment la très grande influence des liaisons hydrogènes au sein de l'environnement proche de la partie mobile sur la rotation du rotor. En parallèle, des expériences d'optique non linéaire sur monocristal ont mis en évidence la brisure de symétrie d'inversion de l'espace inhérente au changement de configuration hélice-gauche / hélice-droite du BCO. Dans le but d'exploiter cette propriété optique singulière, des stratégies de synthèse organique et d'ingénierie cristalline ont été mises en place afin de diriger l'orientation des rotors lors de leur assemblage au sein des matériaux. Cela permet d'obtenir des objets pour lesquels la présence d'une réponse en optique non-linéaire est directement corrélée à la dimensionnalité du système étudié.

Les travaux décrits dans ce manuscrit s’intéressent au contrôle du mouvement moléculaire. Après une introduction dédiée à l’état de l’art des machines moléculaires, le premier chapitre s’intéresse à la conception de tourniquets moléculaires à base de complexes porphyriniques de P(V). Le mouvement moléculaire a pu être contrôlé de manière réversible soit par l’utilisation des sites de coordination présents à la périphérie du système soit par des variations de pH. Le deuxième chapitre s’intéresse aux propriétés photophysiques des porphyrines de P(V) obtenues et plus particulièrement à leur capacité à générer de l’oxygène singulet avec une application potentielle en Thérapie Photodynamique (PDT).Le troisième chapitre concerne l’élaboration d’un complexe contenant deux porphyrines de Zn(II) dont le mouvement relatif a pu être bloqué réversiblement par l’utilisation des positions axiales des cations métalliques. / The manuscript focuses on molecular machines and the control of their movement. Two different devices have been designed, synthetized and characterized. Moreover, a series of new potential photosensitizer was obtained.The introduction gives a general overview on molecular machines, reported during the past 20 years. The first chapter describes the synthesis of molecular turnstiles based on P(V) porphyrins. The molecular motion was controlled reversibly using either coordination chemistry or by changing the pH. The second part is dedicated to the study of the photophysical properties of P(V) porphyrins and especially their capacity to generate singlet oxygen under irradiation., making them potential photosensitizers that can be use in Photodynamic Therapy (PDT) or as catalyst. The third chapter is devoted to the study of a molecular break based on a Zn (II) porphyrin dimer. The control of the movement was performed using the coordination of a bidentate ligand in the axial position of the metal cations.

L’orchestration des mouvements directionnels d’architectures supramoléculaires s’avère cruciale pour la préparation de machines moléculaires artificielles. Les oligomères d’amides aromatiques (i.e. foldamères) peuvent adopter des conformations stables capables de se complexer à des tiges moléculaires pour former des (pseudo)-rotaxanes. Un contrôle fin des cinétiques d’association et de dissociation de l’hélice autour de la tige permet à l’oligomère hélicoïdal de glisser le long de celle-ci sans dissociation. Des études RMN et cristallographiques ont montré que des tiges moléculaires possédant plusieurs sites de reconnaissance pour des hélices permettaient l’élaboration d’architectures supramoléculaires hélicoïdales chirales avec une haute-fidélité. Chaque station possédant une longueur et une chiralité définie peut induire la complexation de foldamères de taille et d’hélicité concordante. Le glissement directionnel d’une double hélice le long d’une tige possédant plusieurs stations a également été investigué. Insérer un espaceur encombrant (i.e. plus large que la cavité de l’hélice) sur le chemin du foldamère le force à se déplier et se replier pour atteindre le site le plus favorable thermodynamiquement. Un oligomère asymétrique montrant de hautes affinités et de fortes sélectivités pour des tiges asymétriques a été préparé. L’enfilement de cet oligomère sur des tiges asymétriques a été étudié. Des données cinétiques (RMN) indiquent que l’enfilement de celui-ci s’effectue de façon polarisée en fonction de la nature de la tige. / The directional motion orchestration of supramolecular architectures is crucial for the construction of artificial molecular machines. Aromatic amide oligomers (i.e. foldamers) can adopt stable helical conformations able to wind around dumbbell-like guests to form (pseudo)-rotaxanes. A fine control of the association-dissociation kinetics allows the oligomers to slide along the rods without dissociation. In this thesis, based on the segregation of the kinetics of association-dissociation and sliding, helical oligomer motions were orchestrated to form complex self-assemblies and to perform directional motion. NMR and crystallographic studies showed that multistation rod guests can template the formation of well-defined multi-helical supramolecular polymers with high fidelity. Each station possessing a defined length and chirality can induce the complexation of oligomers presenting matching length and chirality. Directional sliding of a double helical oligomer along linear multistation rod guests was investigated. Placing a bulky spacer on the rod prohibits the sliding process, forcing the oligomer to dissociate and reassociate onto the thermodynamically favored station. An asymmetrical oligomer was prepared showing highly selective binding toward asymmetrical rod guests. The threading of this oligomer onto linear asymmetrical guests was investigated. Kinetic data indicated that the threading orientation of this asymmetrical oligomer was polarized by its passage along guest molecules.