L’une des grandes directions de recherche dans la chimie moderne est la synthèse et l’étude denouveaux composés « commutables » capables de modifier leurs propriétés sous l’effet de stimuli extérieurs (température, lumière, champ magnétique ou électrique…). Ces systèmes peuvent stocker une information à l’échelle moléculaire. Dans ce contexte, parmi les systèmes les plus étudiés en chimie de coordination figurent les réseaux et les analogues moléculaires du bleu de Prusse. Cette thèse est dédiée à la synthèse et aux caractérisations de nouveaux analogues moléculaires du bleu de Prusse à transfert d’électron de type {Fe(µ-CN)M} (M = Fe, Mn, Co). Dans le premier chapitre sont présentées les familles de composés commutables à transfert d’électron par ordre décroissant de leur dimensionnalité, des systèmes 3D vers des systèmes discrets 0D. Le deuxième chapitre regroupe la synthèse et les caractérisations structurales, spectroscopiques, magnétiques, et électrochimiques de complexes-précurseurs de type [MII(LN5)]2+ et [FeIII(LN3/LN2)(CN)n]- (n = 2, 3) (LN5, LN3, LN2 étantdes ligands azotés penta-, tri- ou bidentes, respectivement) qui seront ensuite utilisés dans la synthèse des composés binucléaires. Le troisième chapitre présente la synthèse et les études structurales,spectroscopiques, magnétiques, optiques et électrochimiques de quatre nouveaux composés binucléaires paramagnétiques {FeIII(µ-CN)MII} (MII = Fe, Co). Enfin, le quatrième chapitre se focalise sur la synthèse et les propriétés spectroscopiques, magnétiques, photomagnétiques et électrochimiques de trois nouveaux complexes binucléaires diamagnétiques {FeII(µ-CN)CoIII} à transfert d’électron. / One of the main research directions of modern chemistry is the synthesis and study of new switchablecompounds which can change their properties under external stimuli (temperature, light, magnetic orelectric field…). These systems can store the information at the molecular level. In this contextamongst the most studied systems in coordination chemistry are the 3D networks and the molecularPrussian blue analogs. This thesis deals with the synthesis and characterizations of new{Fe(µ-CN)M} (M = Fe, Mn, Co) molecular Prussian blue analogs. In the first chapter electrontransfer compounds are described in order of decreasing of their dimensionality, from 3D to thediscrete 0D systems. The second chapter describes the synthesis and structural, spectroscopic,electrochemical and magnetic characterizations of [MII(LN5)]2+ precursors (MII = Fe, Mn, Co) and[FeIII(LN3/LN2)(CN)n]- (n = 2, 3) (LN5, LN3, LN2 - nitrogen-based penta-, tri- and bi-dentate ligands,respectively), which are used in the synthesis of the binuclear complexes. Chapter three presents thesynthesis and structural, magnetic, spectroscopic and electrochemical studies of four binuclearparamagnetic {FeIII(µ-CN)MII} complexes (MII = Fe, Co). Chapter four is focused on the synthesisand spectroscopic, magnetic, photomagnetic and electrochemical properties of three binucleardiamagnetic {FeII(µ-CN)CoIII} electron transfer complexes.

Cette thèse porte sur la synthèse de nouveaux complexes binucléaires à ponts cyanures de type {Fe(μ-CN)Co}, qui reproduisent au sein d'une seule molécule les propriétés originales du réseau de coordination d'analogue de bleu de Prusse AxCo[Fe(CN)6]y•nH2O (A=ions alcalins), i.e. un transfert d'électron intramoléculaire thermo- et photo-induit à l'état solide. Au sein de ce travail, nous nous sommes intéressés à l'étude des propriétés physiques des paires moléculaires Fe/Co, avec l’objectif de comprendre les mécanismes du phénomène de transfert d'électrons. Le chapitre I contient les exemples les plus représentatifs des réseaux de coordination d'analogues de bleu de Prusse et de leurs analogues moléculaires Fe/Co, en se concentrant sur les techniques utilisées pour comprendre leurs propriétés photomagnétiques et les stratégies synthétiques employées pour contrôller leur dimensionnalité et obtenir ces analogues moléculaires. Les bases théoriques du transfert d'électron ainsi que la motivation de ce travail sont décrites à la fin du chapitre. Après une introduction sur l’utilisation des briques moléculaires employées au cours de ce travail à travers l’étude de leurs potentiels redox, le chapitre II est consacré à la synthèse et la caractérisation de nouveaux composés dinucléaires à ponts cyanures Fe/Co. Des études structurales, spectroscopiques, magnétiques, photomagnétiques, diélectriques et d’absorption des rayons-X révèlent qu'un transfert d’électron métal-métal peut être déclenché à l'état solide en faisant varier la température et par application de la lumière. Dans le chapitre III est présenté l'influence de l'environnement des complexes binucléaires Fe/Co, à savoir les contre-ions, sur le transfert d’électron thermo- et / ou photo-induit à l'état solide. Enfin le chapitre IV porte sur la possibilité de transférer le phénomène de transfert d'électron des paires Fe/Co étudiées de l'état solide à la solution / This thesis is dedicated to the synthesis of new dinuclear cyanido-bridged Co/Fe complexes, which mimics on a single molecule the original properties of the coordination network of Prussian Blue Analogues AxCo[Fe(CN)6]y•nH2O (A= alkaline ions), i.e. intramolecular thermal and photo-induced electron transfer in the solid state. We focus on the study of the physical properties of the simplest Fe/Co PBA, a dinuclear complex, with the hope to understand the fundamental concepts of this fascinating phenomenon. Chapter I contains the most representative examples of Fe/Co PBAs, focusing on the synthetic strategies employed in order to obtain Fe/Co PBAs of different dimensionalities and the techniques used to understand their photomagnetic properties. The theoretical background of the electron transfer phenomenon and the motivation of our work are described in the end of the chapter. After introducing the choice of the building blocks used in this work through the study of their redox potential properties, chapter II is devoted to the synthesis and the characterization of a novel dinuclear Fe/Co cyanido-bridged complex, which exhibits metal-to-metal electron transfer properties in solid state triggered by temperature and light. The ET phenomenon has been also studied by X-ray absorption spectroscopy and dielectric measurements. In Chapter III is illustrated the influence of the environment content of the dinuclear Fe/Co complexes, such as the counter ions, on the occurrence of the thermally and/or photo-induced electron transfer in solid state, thus highlighting the versatility of these molecular materials. Finally in chapter IV, the possibility of transferring the electron transfer phenomenon of the studied Fe/Co pairs from solid state to solution is investigated.

Die molekulare Elektronik setzt sich zum Ziel, passive und aktive Bausteine in integrierten Schaltkreisen auf molekularer Ebene zu realisieren. Dabei ist entscheidend, dass sich der elektrische Leitwert der molekularen Bauelemente hinreichend regulieren lässt. Um zu belegen, dass dies möglich ist, wird in dieser Dissertation die gezielte Leitwertkontrolle einzelner über Nanoelektroden kontaktierter Moleküle nachgewiesen. Die erzielten Ergebnisse ergänzen dabei nahtlos aktuellste Studien. Zum einen werden kontaktierte molekulare Schalter durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge in-situ von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand geschaltet, wobei der Einfluss unterschiedlicher Seitengruppen für eine zusätzliche Modifikation des Leitwerts sorgt. Ausschlaggebend ist hierbei die elektronische Anbindung des Moleküls an die Elektroden. Zum anderen werden Molekül-Metall-Komplexe durch die Einbindung eines Übergangsmetallions von einem isolierenden in einen leitenden Zustand versetzt. In diesem Fall lässt sich der leitende Zustand durch die Wahl des Ions innerhalb einer Größenordnung variieren, was eine völlig neue Möglichkeit der Leitwertkontrolle in molekularen Bausteinen darstellt. Das Ion bestimmt dabei sowohl die mechanische Stabilität als auch die elektronische Struktur des Moleküls. Für die Kontaktierung einzelner Moleküle kommt die Technik des mechanisch kontrollierten Bruchkontakts zum Einsatz. So lassen sich feine Goldnanoelektroden herstellen, an die Moleküle anbinden. Um eine präzise Analyse durchzuführen, werden über zwei unabhängige Messstrategien Informationen über das elektrische Transportverhalten sowie über die elektronische Struktur der Moleküle erworben. In dieser Arbeit sind echte Neuentwicklungen auf dem Gebiet der molekularen Elektronik gelungen, die einen wesentlichen Beitrag für die Umsetzung integrierter molekularer Schaltkreise leisten.

L’autoassemblage de diverses biomolécules pour former des complexes moléculaires est à la base de la machinerie cellulaire et des processus biologiques qui s’y rattachent. Il est typiquement considéré qu’un assemblage de plusieurs protéines offre des avantages régulatifs comparativement à une structure protéique similaire construite avec une ou un nombre inférieur de composantes. Ces assemblages offrent, par exemple, la possibilité de contrôler l’activité d’un complexe grâce à la dépendance directe de l’assemblage sur la concentration de ces composantes. De plus, la coopérativité d’interaction entre ces diverses composantes ouvre la voie vers l’obtention de nouveaux mécanismes de régulation. Toutefois, les avantages et les inconvénients directement reliés au nombre de composantes impliquées dans un assemblage ne sont pas totalement bien compris puisque les protéines ont évolué et ont divergé suivant des millions d’années d’évolution. L’objectif principal de cette thèse est d’abord de créer un modèle moléculaire simplifié permettant de mieux comprendre les avantages coopératifs des autoassemblages biologiques pour ensuite s’en inspirer afin de mettre au point de nouveaux mécanismes moléculaires permettant d’optimiser la plage dynamique d’interrupteurs moléculaires autoassemblés. En même temps, il sera possible de mettre en lumière certains avantages évolutifs qui ont poussé les protéines à acquérir plus de composantes moléculaires. Tout d’abord, la création d’assemblages moléculaires fut effectuée en fragmentant une structure unimoléculaire en plusieurs fragments qui pourront, grâce à leurs interactions, reformer la structure originale. Grâce à une nanostructure simple d’ADN, c.-à-d. une jonction à trois branches, il fut possible d’étudier directement l’impact du nombre de composantes sur la fonctionnalité et la régulation d’assemblages multimériques. Il fut observé, malgré l’association plus lente d’un assemblage de trois composantes, que ce même assemblage s’associe de manière plus coopérative tout en permettant la création de nouveaux mécanismes de régulation (p. ex. plage dynamique étendue, auto-inhibition et minuterie moléculaire). Ce système simplifié d’ADN a donc permis de conclure que la fragmentation d’une nanostructure en plusieurs composantes est une méthode simple permettant d’optimiser un nanosystème artificiel ou naturel. Ensuite, une autre méthode de création d’assemblages moléculaires fut étudiée. Celle-ci consiste à fusionner des domaines interagissant par le biais d’un espaceur. Dans une telle stratégie, l’espaceur est appelé à jouer un rôle important dans les propriétés de l’assemblage. Ainsi, en utilisant le même modèle d’ADN à trois composantes, il fut en effet observé que les propriétés de l’espaceur (p. ex. sa longueur, sa composition ou sa nature chimique) affectent grandement les propriétés d’assemblage d’un système à trois composantes (p. ex. sa stabilité, son niveau de coopérativité ou sa plage dynamique d’assemblage). En effectuant une étude thermodynamique approfondie sur divers assemblages trimériques d’ADN, il fut découvert qu’un espaceur optimal stabilise l’association des diverses composantes en créant une structure plus compacte où les espaceurs se cachent au coeur de la jonction. Il fut aussi démontré qu’en optimisant l’espaceur, il est possible de programmer précisément la plage dynamique d’un assemblage moléculaire à trois composantes. Finalement, ces découvertes sur les avantages d’un assemblage à trois composantes ont permis la création d’une nouvelle stratégie afin d’optimiser la plage dynamique d’interrupteurs moléculaires. À l’inverse des activateurs allostériques classiques qui altèrent la force d’interaction d’un ligand, c.-à-d. le KD, en modifiant la conformation de l’interrupteur, un activateur multivalent permet de programmer précisément la plage dynamique de l’interrupteur en exploitant une nouvelle surface d’interaction grâce à la formation d’un assemblage à trois composantes. Cette nouvelle stratégie d’optimisation des interrupteurs moléculaires fut validée grâce à une tige-boucle d’ADN servant comme balise moléculaire. Cette preuve de concept permet de démontrer la viabilité des assemblages moléculaires pour conceptualiser de nouvelles nanotechnologies avec une plage dynamique optimisée. Il est donc possible d’imaginer que les assemblages moléculaires auront un impact immédiat dans divers domaines de la nanotechnologie comme en diagnostic médical, en délivrance contrôlée de médicaments ou en imagerie moléculaire. / The self-assembly of various biomolecules to form molecular complexes is at the basis of the cellular machinery and their related biological processes. It is typically thought that an assembly of several proteins provides regulatory advantages compared to a similar protein built with one or fewer molecular components. These molecular assemblies offer, for example, the possibility to control their activity through the direct dependency of the assembly on the concentration of its components. Moreover, the cooperativity of interaction between their multiple components opens the door to acquiring novel regulation mechanisms. However, the advantages and disadvantages directly related to the number of components involved in an assembly are not totally understood since proteins have evolved and diverged over millions of years of evolution. The main objective of this thesis is to first create a simplified molecular model that will enable to better understand the cooperative advantages of biological self-assemblies. Then, inspired by these new understandings, novel molecular mechanisms will be developed to enable the optimization of the dynamic range of self-assembled molecular switches. Meanwhile, it will be possible to highlight some advantages that have pushed proteins to acquire more molecular components. The creation of molecular assemblies was demonstrated by fragmenting a nanostructure into multiple fragments which, through their intermolecular interactions, reassemble into the original structure. Using a simple DNA-based nanostructure, i.e., a three-way junction, it was possible to directly study the impact of the number of components on the functionality and regulation of multimeric assemblies. It was found that despite the slower assembly rate of a three-component assembly, this same assembly undergoes a more cooperative assembly enabling the creation of new regulatory mechanisms (e.g., extended dynamic range, self-inhibition and molecular timers). This simplified DNA-based system has therefore made it possible to conclude that fragmenting a nanostructure into multiple components is a simple method to optimize an artificial or a natural nanosystem. Next, another method to create molecular assemblies was studied. This method consists in fusing interacting domains through a linker. In this strategy, the linker will play an important role in dictating the properties of the assembly. Therefore, by using the same three-component DNA-based model, it has been observed that the chemical properties of the linker (e.g., its length, its composition, or its chemical nature) considerably affect the assembly properties of a three-component system (e.g., its stability, its level of cooperativity, or its dynamic range). Through an exhaustive thermodynamic study on various trimeric DNA-based assemblies, it was determined that the optimal linker stabilizes the association of all components by creating a more compact assembly where the linkers are buried within the core of the junction. It was also demonstrated that the optimization of the linkers allows to precisely program the dynamic range of the assembly. Finally, these discoveries on the advantages of a three-component assembly have enabled the creation of a new design strategy to optimize the dynamic range of molecular switches. In contrast to the classic allosteric activator which alters the affinity of a ligand (i.e., the KD) by changing the conformation of the switch, a multivalent activator enables to precisely program the dynamic range of a switch by exploiting a new interacting interface through the formation of a three-component assembly. This new strategy to optimize molecular switches was validated using a DNA-based molecular beacon. This proof of concept demonstrates the viability of molecular assemblies to design novel nanotechnologies with optimized dynamic range. It is possible to imagine that these molecular assemblies could have a direct impact on multiple fields of nanotechnology including medical diagnostics, controlled drug delivery and molecular imaging.

Trans-2-Aminocyclohexanol (TACH) is a promising model for pH-triggerable molecular switches with a variety of potential applications. In particular, such a switch, when incorporated into cationic liposomes, provides a novel design of the pH-sensitive helper lipids for gene delivery. Protonation of TACH molecules results in a strong intramolecular hydrogen bond between the amino and its neighboring hydroxyl groups, which triggers a conformational flip, and forces changes of the relative position of other substituents on the ring. In this work, a library of TACH-lipids has been designed and built based on structural modifications of both hydrophilic headgroups and hydrophobic tails, and their conformational behavior has been studied by 1 H NMR. NMR-titration has been done to quantitatively monitor the conformational switch for TACH derivatives. It was discovered that conformational behavior of TACH-lipids is independent from the length or shape of their hydrophobic tails. Therefore, a simplified model was suggested based on TACH with diethyl groups instead of hydrocarbon tails. Conformational study of these models has demonstrated that the position of equilibrium shift A [special characters omitted] BH + can be effectively changed by altering structure of NR 2 R 3 group. Furthermore, the pH-induced conformational flip occurs in a certain pH range that mostly depends on the basicity of group NR 2 R 3 , allowing a broad tuning of the pH-sensitivity of TACH-based conformational switches in a wide range of acidity. The hydrophilic OH group was also modified to influence the conformational equilibrium. External stimuli including addition of acid, change of solvent and of the solution ionic strength also showed impact on conformation equilibrium to different extents. To explore the potential to serve as pH-sensitive helper lipids in gene delivery, a variety of TACH-lipids were incorporated into lipoplexes together with the cationic lipid DOTAP to mediate DNA transfection in Bl6F1 and HeLa cancer cell lines. The lipoplex comprising TACH-lipid 3o (R 1 = C 19 H 37 ; R 2 R 3 = CF 3 CH 2 NH) exhibited one to two orders of magnitude better transfection efficiency than the one with the conventional helper lipid DOPE while only inducing slight higher cytotoxicity. Thus, the lipid can be suggested as a novel helper lipid for efficient gene transfection with low cytotoxicity.

La miniaturisation toujours plus poussée des composants électroniques a atteint une limite en arrivant à l’échelle atomique. Afin de fabriquer des circuits à cette échelle, il est nécessaire de intéresser aux plus petits composants pouvant être intégrés : les molécules individuelles et les groupes d’atomes. Dans cette optique, les molécules de 1,4-bis(pyridin-4-ylethynyl) benzène (BPEB), Dibenzo[a,h]thianthrene (DBTH), de Bis{82,92,152,162,222,232- hexa-(2,4,6-trifluorophenoxy)[g,l,q]-5,10,15,20-tetraazaporphyrino)}[b,e]-benzene (H4Pc2) ont été conçues, synthétisées et caractérisées afin d’en étudier le transport de charges et les changements induits proche de la surface. Des techniques de SPM, tels que le STM, le nc-AFM et l’usage conjoint de l’AFM avec le STM ont été mises en pratique pour analyser les molécules reposant intégralement ou partiellement sur un substrat. L’interprétation des résultats expérimentaux a été faite au moyen de calculs de DFT. De plus, l’autoassemblage en solution de nouvelles mono-phthalocyanines métalliques fluorées, MPc (M= Mg2+, 2H+, Co2+) a été étudié.Tout d’abord, les mesures de conductance mirent en évidence, lors d’expériences de manipulation de fils moléculaires (BEPB), les changements de conformation associés aux transport des électrons à travers les molécules. De plus, le mouvement dit de “retournement papillon” (anglais: butterfly flapping) ayant lieu dans la classe des thianthrènes fut bloqué à basse température grâce à l’interaction avec le substrat. Ce blocage a permit de conduire la première étude stéréochimique de dérivés de thianthrènes chiraux (DBTH). Les analyses STM du DBTH ont montrées que le passage entre deux configurations de DBTH est reproductible et non-destructif. Par ailleurs, le nc-AFM utilisé à résolution sub-moléculaire a constitué un outils important pour réaliser une caractérisation complète et distinguer entre les différents isomères de configuration et de constitution déposés sur une surface. D’autre part, la structure moléculaire de la phthalocyanine binucléaire (H4Pc2) a été confirmée en utilisant un STM en mode “courant constant” et un AFM en mode “fréquence constante”. Ces résultats jettent les bases d’une prochaine étude de transport (travail en cours). En outre, l’étude de l’agrégation dans les molécules de MPc mit en évidence le rôle important de la capacité de coordination de l’atome central de la cavité Pc sur la formation d’agrégat. Finalement, des mesures électrochimiques ont démontrées que l’agrégation moléculaire peut bloquer le nature active de l’atome Co2+. Dans ce travail, il a été clairement montré que le SPM est une technique adéquate pour étudier les changements de conformations et de configurations associés aux courant tunnel d’électrons à travers des molécules, qu’elles soient planaire ou pas. Les études d’agrégation des interrupteurs magnétiques ont permis de mieux comprendre l’organisation supramoléculaire. Cette organisation est un point crucial pour le développement de futurs circuits basés sur une fabrication “bottom-up”. / The demand of downscaling of technology will reach its limit at the atomic length scale. This claim creates the necessity of investigating the smallest components suitable to become devices, single molecules or group of atoms. Therefore, 1,4-bis(pyridin-4-ylethynyl) benzene (BPEB), Dibenzo[a,h]thianthrene (DBTH) and Bis{82,92,152,162,222,232-hexa-(2,4,6-trifluorophenoxy)[g,l,q]-5,10,15,20-tetraazaporphyrino)}[b,e]-benzene (H4Pc2) have been designed, synthesized and characterized to investigate transport of charge through molecules and surface confined molecular switching. Scanning Probe Microscopy (SPM), such as STM, nc-AFM and combined STM/AFM were used to study the molecules on near-surface conditions. Density Functional Theory (DFT) calculations were used to interpret the experimental results. Moreover, the self-assembly of new fluorinated metalo mono-phthalocyanines, MPc (M= Mg2+, 2H+, Co2+) was investigated in solution.Firstly, conductance experiments performed while a molecular wire (BPEB) was being lifted up from a surface revealed the conformational changes associated to the transport of electrons through molecules. Secondly, the “butterfly” flapping motion in the class of the thianthrenes was blocked due to the interaction with a surface at low temperature. This block leads to the first stereochemical study of a quiral thianthere derivative (DBTH). The STM experiments on DBTH revealed a reproducible and non-destructive switching between two surface confined configurations of DBTH. In addition, nc-AFM with submolecular resolution has been proved to be a powerful tool for the full characterization and distinction of configurational and constitutional isomers on surfaces. Thirdly, the molecular structure of a binuclear phthalocyanine (H4Pc2) was confirmed through constant current STM and constant high _f AFM experiments. These results set the state of future spintronic transport experiments (ongoing work). On the other hand, the aggregation studies on MPc revealed that the coordination character of the central atom of the Pc cavity has an important effect on the formation of aggregates. Additionally, electrochemical experiments demonstrated that molecular aggregations can lead to the quenching of the electrochemical-active nature of a Co2+ atom.Herein it has been demonstrated that SPM are suitable techniques to study the conformational and configurational changes associated with the tunneling of electrons through planar and non-planar molecules in real space. Aggregation studies of magnetic switches were carried out to better understand the supramolecular organization under near surface conditions, a key point for the design of future devices based on the bottom up approach.