Les systèmes moléculaires sont constitués d'unités distinctes, qui se coordonnent pour permettre l'émergence d'une propriété, ou d'un comportement complexe. Les molécules entrelacées, et notamment les rotaxanes, sont des composés particulièrement adaptés à la réalisation de tels systèmes, en raison de la liaison mécanique qui les caractérise. Grâce au développement impressionnant des stratégies de synthèse permettant d'accéder de façon efficace à diverses architectures entrelacées, de nombreux systèmes fonctionnels ont été développés, et nous nous proposons d'enrichir ce panel à travers trois exemples.Nous avons élaboré le premier rotaxane enzymo-sensible capable de libérer sélectivement un agent anticancéreux, grâce aux actions successives de deux hydrolases. L'originalité de ce système réside dans l'ouverture contrôlée du macrocycle, qui conduit au désassemblage des constituants entrelacés. Notre rotaxane enzymo-sensible est stable dans le plasma et déclenche de façon autonome l'activité du paclitaxel au sein des cellules cancéreuses.Dans un deuxième temps, nous avons étudié la synthèse stéréosélective de rotaxanes présentant une chiralité mécanique et ses applications dans le cadre du contrôle du mouvement à l'échelle moléculaire.Enfin, le dernier projet concerne le développement d'un système moléculaire capable de mimer le fonctionnement d'une enzyme. Ce système doit être en mesure de fonctionner de façon catalytique au sein d'un mélange pour conduire à la formation sélective d'une molécule parmi une multitude de possibilités. / Molecular systems are composed of distinct units that coordinate to allow the emergence of a property, or a complex behavior. Within this framework, the design of functional interlocked molecules programmed to perform specific tasks in response to an external stimulus has received considerable attention. The main goal of this thesis is to enrich this field of research through the study of three novel such functional systems. First of all, we developed the first enzyme-sensitive [2]rotaxane designed to release a potent anticancer drug within tumor cells. The molecular device includes a protective ring that prevents the premature liberation of the drug in plasma. However, once located inside cancer cells the [2]rotaxane leads to the release of the drug through the controlled disassembly of the mechanically interlocked components, in response to a determined sequence of two distinct enzymatic activations.We also studied the stereoselective synthesis of chiral rotaxanes with the aim to control the direction of the motion at molecular level. These [2]rotaxanes include a thread with two identical triazole stations that can interact with an unsymmetrical fluorinated macrocycle in the presence of cupper (I). We demonstrated that the interaction of the macrocycle with one or the other of the stations lead to the synthesis of two mechanical diastereoisomers.Finally, we attempted to develop a molecular system able to mimic the operation of an enzyme in a complex mixture. This system was designed to allow the selective formation of one particular molecule among several other possibilities in a catalytic way.

Le présent travail concerne principalement l'élaboration d'un nouveau ligand en l'occurrence le cyclen-hydrazone, luminescent et efficace pour une détection relativement sélective de l'ion d'intérêt biologique, Zn2+. La synthèse du groupement azaxanthone à greffer sur le cyclen a été décrite. A partir de ces ligands, la complexation de zinc, a été traitée dans le but de développer une sonde optique sélective pour les ions métalliques de la première série de transition. Une étude photophysique associée à un travail de modélisation théorique en solution a plus particulièrement montré la formation de deux nouveaux complexes de zinc. Finalement, le contrôle des conditions de déprotection par hydrazinolyse du cyclen-glyoxal-azaxanthone, a montré que le motif azaxanthone puisse être maintenu dans la conception de nouveaux complexant de métaux de la première série de transition. / This study deals with the development of a new ligand: the cyclen-hydrazone, luminescent and effective for a relatively selective detection of biological ion, Zn2+. The synthesis of graft azaxanthone group to the cyclen was described. From these ligands zinc complexation was treated in order to develop an optical probe selective for the first row transition metals. A photophysic study associated with theoretical modeling work in solution, specifically showed the formation of two new zinc complexes. Finally, the monitoring of deprotection by hydrazinolysis of cyclen-glyoxal-azaxanthone, showed that the azaxanthone deprotection could be maintained in the design of new metals complexes of the first serie of transition metals.

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Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese eindimensionaler Nanoröhren basierend auf leichten Elementen. Inspiriert von Kohlenstoff Nanoröhren werden Interessante Eigenschafte für diese Materialien erwartet. Aktuell ist die Synthese solcher Kohlenstoff Nanorohren nur mit vergleichsweise aufwendigen Methoden möglich. Hierbei stellt besonders die uniforme Synthese von Röhren mit exakt gleichen Durchmessern und Symmetrien ein noch ungelöstes Problem dar. Durch diese Arbeit erhofften wir uns eine völlig neue Arte der Synthese für solche 1D Nanomaterialien zu etablieren. Dazu wurden in Kapitel 2 und 3 zwei verschiedene Typen von gespannten aromatischen Makrozyklen synthetisiert. Die synthetisierten Makrozyklen zeichnen sich durch einen hohen Grad an Funktionalisierung aus, welcher zukünftig dazu genutzt werden soll die Prinzipien der dynamisch kovalenten Chemie in der finalen Materialsynthese anzuwenden. Der durch die Funktionalisierung erzeugte innere Hohlraum dieser zyklischen Verbindungen lässt sich nutzen, um verschiedene molekulare Gäste zu binden. Die Erkenntnisse in Bezug auf die Synthese solcher Makrozyklen, die hierbei erzielt wurden, werden entscheidend dazu beitragen, dass anfänglich beschriebene Ziel der nasschemischen Synthese 1D organischer Nanoröhren in Zukunft zu erreichen. Die Methoden, der Makrozyklisierung sollten in Kapitel 4 dazu genutzt werden einen chiralen aromatischen Makrozyklus auf Basis von [5]Helicen-Untereinheiten zu synthetisieren, allerdings ohne Erfolg. Stattdessen wurde ein Nebenprodukt isoliert, dass sich als bisher unbekannter molekulare Schalter erwies. Dieser Schalter erlaubt es durch Bestrahlung bei tiefen Temperaturen reversibel ein paramagnetisches Isomer zu erzeugen. Dadurch eröffnet sich eine völlig neue Klasse an molekularen Schaltern, deren Anwendungspotential den Rahmen dieser Arbeit überschreitet. / The aim of this work was the synthesis of one-dimensional nanotubes based on light elements. Inspired by carbon nanotubes, interesting properties for these materials are expected. Currently, the synthesis of such carbon nanotubes is only possible with comparatively complex methods. Especially the uniform synthesis of tubes with exactly the same diameters and symmetries is still an unsolved problem. Through this work we hoped to establish a completely new way of synthesis for such 1D nanomaterials. To this end, two different types of strained aromatic macrocycles were synthesized in Chapters 2 and 3. The synthesized macrocycles are characterized by a high degree of functionalization, which will be used in the future to apply the principles of dynamic covalent chemistry in the final material synthesis. The internal cavity of these cyclic compounds created by functionalization can be used to bind various molecular guests. The knowledge regarding the synthesis of such macrocycles obtained here will be instrumental in achieving the initially described goal of wet chemical synthesis of 1D organic nanotubes in the future. The methods of macrocyclization were to be used in Chapter 4 to synthesize a chiral aromatic macrocycle based on [5]helicene subunits, but without success. Instead, a byproduct was isolated that proved to be a previously unknown molecular switch. This switch allows reversible generation of a paramagnetic isomer by irradiation at low temperatures. This opens up a completely new class of molecular switches whose potential applications are beyond the scope of this work.

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The thesis is focused on the synthesis and characterization of novel Mn2+ complexes as alternative to Gd3+ chelates which are wide-spread contrast agents in Magnetic Resonance Imaging (MRI). In the perspective to find suitable chelators of Mn2+ , three groups of pentadentate ligands with different size of macrocylic cavity, different donor atoms and number of pendant arms containing various functional groups have been investigated. Coordination numbers of 6 or 7 were found in the crystal structure of the Mn2+ complexes enabling binding of one or two water molecules in the first coordination sphere. The direct water coordination causes a decrease in the complex stability and thus, the thermodynamic stability of investigated chelates is lower than that of polyaminocarboxylate complexes and their dissociation is very fast in comparison to [Mn(nota)] and [Mn(dota)]2- . The studied Mn2+ complexes do not undergo oxidation in air except for complexes with 12-membered ligands which are oxidized to Mn3+ species. The proton relaxivities of the bishydrated complexes are two times higher than those for monohydrated complexes and are comparable to those of commercial contrast agents based on Gd3+ complexes. Variable-temperature 17 O NMR data revealed that the water exchange varies from slow to intermediate or...

Abstract : The objectives of this work were to prepare and characterize films of benzylic amide macrocycles and rotaxanes obtained by functionalisation of an acidterminated self-assembled monolayer (SAM) on gold, and thus to probe the aptitude of these surfaces for applications in the field of the nanotechnologies. We initially studied the self-assembled monolayer of 11-mercaptoundecanoic acid and focused on its composition, structure and organization. We show that the molecules of alcanethiol are oriented with the acid group pointing out from the surface. The film is highly ordered with defect density below 0.2%. We investigated the functionalisation process with the covalently bound Mac-OH macrocycle, with the physisorbed Mac-pyridine macrocycle and with the naphtalimide rotaxane. The latter is also anchored to the SAM through a non-covalent interaction. We focused on the comprehension of both quantitative as qualitative characteristics of the films, such as the degree of functionalisation, their stability with respect to external constraints, their order and homogeneity, their structure and their orientation. By combining techniques such as X-ray photoemission spectroscopy, infrared reflection-absorption spectroscopy, atomic force microscopy, electrochemical and contact angle measurements, we demonstrated that the films of macrocycles reach a high degree of functionalisation. The layers are homogeneous and a preferential orientation of the macrocycle molecules with the plan of the ring tilted with respect to the surface and with the alkyl chains pointing-out from the films is observed. In addition, we studied the possibility of using the macrocycle films for molecular recognition, employing the Fc-Gly-Gly molecule as a model target. Through similar experiments and analysis, films of naphtalimide rotaxane were proven to give a good functionalisation of SAM. The molecule adsorbs with a preferential orientation of the linear axis parallel to the surface and the macrocycle unit normal to it. We characterized the fluorescent properties of the molecule due to the naphtalimide group and showed that when adsorbed on a gold substrate the presence of the self-assembled monolayer prevents total quenching. <br> Résumé : Les objectifs de ce travail étaient de caractériser des films de macrocycles et de rotaxanes de type amide benzylique obtenus par la fonctionnalisation de monocouches auto-assemblées d'alcanethiols, ayant un groupe acide terminal, sur une surface d'or, et ainsi de mettre en évidence certaines des potentialités de ces surfaces en vue d'applications éventuelles dans le domaine des nanotechnologies. Nous avons d'abord étudié la monocouche auto-assemblée de l'acide 11-mercaptoundecanoïque et particulièrement les aspects tels que la composition, la structure et l'organisation du film et nous avons mis en évidence que les molécules d'alcanethiol sont orientées dans le film avec le groupe acide vers l'extérieur de la surface, de façon à pouvoir interagir avec les molécules à greffer, et que le degré d'ordre de la monocouche est très élevé, en montrant celle-ci une fraction de défauts inférieure au 0.2% de l'aire totale du film. L'étude de la fonctionnalisation successive avec le macrocycle Mac-OH, lié de façon covalente, et le macrocycle Mac-pyridine ainsi que la rotaxane naphtalimide, ancrés à travers une interaction non-covalente à la monocouche auto-assemblée, a porté une attention particulière à la compréhension d'aspects tels que le degré de recouvrement de la surface, la stabilité vis-à-vis de contraintes externes, l'ordre et l'homogénéité, ainsi que la structure des films et l'orientation des molécules. Grâce à la combinaison de techniques telles que l'XPS, l'IRAS, les techniques électrochimiques, les mesures d'angle de contact et l'AFM, nous avons mis en évidence que les films de macrocycle atteignent un recouvrement élevé et homogène de la monocouche autoassemblée et qu'une orientation des molécules de macrocycle, avec une inclinaison du plan de l'anneau par rapport à la surface et pointant leurs chaînes alkyles vers l'extérieure du film, est observée. Ensuite, nous avons abordé la possibilité d'impliquer les films de macrocycle en tant que récepteurs moléculaires d'une molécule modèle, la Fc-Gly-Gly. Par une caractérisation similaire, les films de la rotaxane naphtalimide ont montré d'atteindre un recouvrement élevé de la surface de la monocouche avec une orientation privilégiée des molécules avec l'axe parallèle et le macrocycle perpendiculaire à la surface pour pouvoir interagir, à travers les fonctions pyridine du macrocycle, avec la monocouche. De plus, nous avons caractérisé les propriétés fluorescentes de la molécule, résidantes dans son groupe naphtalimide, lorsqu'elle est adsorbée sur un substrat métallique, l'or, affectées par la présence de la monocouche auto-assemblée.

Our research involved two projects: Crown Aza and Crown ether. Crown Aza are compounds that have nitrogens as the hetero-atoms in the macrocycle. In the first aim, the 1 H NMR spectrum of strongly-coupled di-iron complexes shows 5 different conformations, but is unable to identify these conformers. Calculation using Density Functional Theory (DFT) were performed to attempt to quantify these conformers to correlate with the experimental NMR data. The second aim of this study was to utilize the carbonyl functional group of the macrocycles to couple the iron complexes to obtain tetramers or higher oligomers. Visible spectra of the selective reduction of iron mono-keto-macrocycles with boron trifluoride and triethylsilane showed a coupling reaction to form a di-iron complex. A mixture of iron mono-keto-macrocycic with iron diketo-dimacrocycle showed a new species with an intense NIR absorption at 1010 nm. This intense band at 1010 nm is extremely rare in transition metal compounds and is of potential interest in photodynamic therapy. This indicates a new species is formed with a very low energy gap between the ground and excited states. Our second interest is in ionizable crown ethers that have many potential applications from environmental to medical. These macrocyclic poly-ethers contain phosphorous and oxygen atoms which produce a charged moiety in the ring to form a neutral complex with our targeted ions. They are significantly different from all ionizable cyclic poly-ethers in the literature. They vary in ring size from 16-crown-6 to 22-crown-8 using ethylene or propylene linkages between the oxygen atoms. Theoretical calculations revealed these ionizable crown ethers can accommodate ions from 2.6 angstroms to 4.2 angstroms in diameter. Strontium 90 ( 90 Sr 2+ ) is a radioactive product ion from nuclear fission reactions. The Phosphorous containing macrocyclic poly-ether with 2 charges could form complexes with Strontium and are possible candidates for clean-up agents of radioactive materials. The synthesis of ionizable crown ethers is discussed.

In der vorliegenden Dissertation werden das Selbstaggregationsverhalten und die elektronischen Eigenschaften von vier expandierten pi-konjugierten Makrozyklen in geordnete supramolekulare Architekturen mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie (STM) und Tunnelspektroskopie (STS) an Fest-Flüssig-Grenzflächen zwischen organischen Moleküllösungen und der Basalfläche von Graphit untersucht. Zwei Makrozyklen sind die Fotoisomere Z,Z–8T6A und E,E–8T6A, in denen sechs Ethynylengruppen und zwei cis- bzw. trans-Ethylen erhalten sind. STM-Bilder zeigen 2-dimensionale hexagonale Gitter. Strom-Spannungs-Kennlinien bestätigten den erwarteten donor-artigen Charakter der Makrozyklen. Das Schalten von Z,Z–8T6A zu E,E–8T6A wird durch STS zyklische Messungen angezeigt, nachdem die stabilste kationische Spezies ausgebildet wurde. Diese Ergebnisse stellen das erste elektrochemische Schalten unter Standard STM Bedingungen dar. Außerdem wurden die Photoisomerisierungen zwischen Z,Z-8T6A und E,E-8T6A an der Fest-Flüssig-Grenzfläche beobachtet. Eine selbstorganisierte Monoschicht aus Wasserstoffbrücken-gebundenen Trimesinsäuren an der Fest-Flüssig-Grenzfläche bildet Wirtsstellen für die epitaktische Anordnung von Fullerenen mit E,E–8T6A Komplexen in Mono- und Doppelschichten aus. Mit Hilfe der STM-Tomographie wird die Bildung der Templatschicht überprüft. Die Konformationsstabilität und die Adsorptionsstellen der Monoschichten werden mit der Hilfe von Molekulardynamik-Simulation bestätigt. Die STS-Experimente zeigen die Modifikation der gleichrichtenden Eigenschaften der Makrozyklen durch die Bildung von Donor-Akzeptor-Komplexen in einer dicht gepackten, selbstorganisierten supramolekularen Nanostruktur. Die Kombination von Wirt-Gast-Komplexen mit der Schaltfähigkeit und den elektronischen Transporteigenschafte von makrozyklischen Oligothiophenen prädestinieren diese als Kandidaten für Anwendungen in supramolekular konstruierten Systemen mit gewünschten (opto)elektronischen Eigenschaften. / The present thesis concerns to the self-assembly and the electronic properties of four pi-expanded macrocycles into ordered supramolecular architectures, investigated by means of scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) at the solid-liquid interface between organic solutions and the basal plane of graphite. Two macrocycles are the photoisomers Z,Z–8T6A and E,E–8T6A, which contain six ethynylenes and two cis- and trans-ethylenes in opposite positions of the ring, respectively. STM images reveal hexagonally ordered 2D-networks. Current–voltage characteristics confirm the expected donor-like character of the macrocycles. Cyclic STS measurements indicate that Z,Z–8T6A switches to E,E–8T6A after formation of a most stable cationic species. This result represents the first reported electrochemical switching experiment under standard STM conditions. Additionally, the reversible photoisomerization between Z,Z-8T6A and E,E-8T6A upon irradiation was recognized at the solid-liquid interface. Moreover, a self-assembled monolayer of hydrogen-bonded trimesic acid at the solid-liquid interface provides host-sites for the epitaxial ordering of Saturn-like complexes of fullerenes with E,E–8T6A macrocycles in mono- and bilayers. STM tomography verifies the formation of the templated layer, while molecular dynamics simulations corroborate the conformational stability and assign the adsorption sites of the adlayers. STS measurements reveal the modification of the rectifying properties of the macrocycles by the formation of donor-acceptor complexes in a densely packed all-self-assembled supramolecular nanostructure. The combination of host-guest complexation and the switching capabilities and electronics transport characteristics of cyclic oligothiophenes render them candidates for applications in the study of supramolecular engineered systems with desirable (opto)electronic properties.

Le développement d'une médecine personnalisée nécessite la mise au point de sondes permettant la détection des marqueurs d'une pathologie au stade le plus précoce possible. Ce mémoire décrit la synthèse et l'évaluation de sondes ciblées permettant de réaliser des images en IRM ou en scintigraphie. Ces sondes sont construites par fonctionnalisation d'un châssis moléculaire préparé par une réaction à trois composants. La propargylamine résultante possède plusieurs points d'ancrage pour introduire les ligands destinés au ciblage et deux groupes chélatants pour l'imagerie. Ce châssis possède aussi en position terminale un groupement réactif pour le fixer sur des petites molécules polyfonctionnelles, des dendrimères ou des protéines. Une technique de criblage à flux rapide, basée sur l'utilisation des puces à petites molécules, a été utilisée pour la détection des ligands. Les molécules déposées sur la puce proviennent soit des C-glycosides complexes préparés selon le concept de la synthèse orientée vers la diversité, soit de la chimiothèque du laboratoire. Ces puces ont permis l'identification de ligands de plusieurs protéines comme la protéine VPR de la capside du virus du sida. Un criblage secondaire par RMN a confirmé l'interaction protéine-petite molécule. Les sondes portant un flavonoïde pour cibler les cellules tumorales de l'endothélium ont été traitées par une solution de sel de gadolinium puis leurs propriétés ont été évaluées par IRM. Les premiers résultats indiquent que ces composés offrent un contraste de 2 à 4 fois supérieurs aux agents de contraste usuellement utilisés. Leur évaluation biologique sera réalisée prochainement.