Depuis la fin du XXème siècle, la chimie combinatoire dynamique permet de synthétiser sous contrôle thermodynamique des récepteurs macrocycliques pour des molécules invités cibles. Ainsi, de nombreux hôtes supramoléculaires capables d’effectuer de la reconnaissance de molécules d’intérêt biologique dans l’eau ont été reportés dans la littérature. Nous avons décrit une nouvelle famille de récepteurs macrocycliques hydrosolubles appelés dyn[n]arènes polycarboxylates. Leur propriété de reconnaissance moléculaire vis-à-vis des polyamines, des métaux et des acides aminés ont permis d’envisager des applications biologiques. D’un point de vue fondamental, le rôle des divers paramètres, dont le solvant, a été étudié pour identifier les forces motrices responsables des associations. Des expériences in cellulo ont permis de démontrer un effet cytostatique anti-prolifératif transitoire du dyn[4]arène sur les cellules cancéreuses HeLa. Dans le but de moduler leurs propriétés de reconnaissance moléculaire, des réactions d’extrusion de soufre ont été envisagées pour synthétiser des dérivés plus robustes des dyn[n]arènes. Enfin, une famille d’objets macrocycliques apparentée a été envisagée basée sur le motif imino-1,5-dithiocines. Des études synthétiques et physico-chimiques pour l’élaboration de ces nouveaux cavitands laissent entrevoir de possibles applications biologiques similaires à celle de leurs analogues, les bases de Tröger / Since the end of the 20th century, dynamic combinatorial chemistry under thermodynamic control has enabled the synthesis of macrocyclic receptors towards targeted guest. So, many supramolecular hosts have been reported to be efficent in the molecular recognition of biologically relevant molecules in water. We describe a new family of hydrosoluble macrocycles called polycarboxylated dyn[n]renes. Their molecular recognition properties with polyamines, amino acids and metals allow biological studies. From the fundamental view, the role of each parameters, including the solvent, has been deeply studied to identify the strength of the association. In cellulo experiments have shown an antiproliferative and cytostatic effect of the dyn[4]arene on HeLa cancer cells for several hours. In order to modulate their molecular recognition properties, sulfur extrusion process has been carried out to synthesize more robust derivatives of dynarenes. Finally, a new family of similar macrocycles has been studied, based on imino-1,5-dithiocines. Syntheses and physico-chemical studies for the design of futurs cavitands pave the way for similar biological applications as described for Tröger’s bases

Molecular recognition has become a very important field of research in chemistry during the last decades. This<br />chemical phenomenon is responsible for all processes occurring in biology and asymmetric synthesis is based<br />upon the capability of molecules or substrates to recognise each other in a selective manner. In this thesis, the<br />design, preparation and evaluation of a series of new synthetic receptors has been described. The importance of<br />regioselectivity and stereoselectivity in molecular recognition has also been underlined with two different<br />biological examples.<br />The capability of host molecules, derived from (+)-tartaric acid, to accommodate various guests in a selective<br />manner was demonstrated using 1H-NMR spectroscopy (paper I). These host molecules, known as TADDOLs,<br />enantioselectively recognised the valuable chiral alcohols glycidol and menthol. Macromolecular receptors, i.e.<br />molecularly imprinted polymers (MIPs), were also prepared in order to catalyse the aldol reaction between either<br />(R)- or (S)-camphor and benzaldehyde (paper II). With the help of analytical methods, it was demonstrated that<br />the MIPs interacted in a selective manner with the enantiomers of camphor. Moreover, these MIPs enhanced<br />significantly the rate of the aldol condensation mentioned above.<br />Regarding biological systems, various regioisomeric analogues of benzoic acid have been tested as antifeedants<br />against the pine weevil Hylobius abietis (paper III and IV). The regioisomers studied displayed very different<br />antifeedant activities. The significance of stereoisomerism on pheromone function has been shown in the<br />preparation of lures for the control of the insect pest Argyrotaenia sphaleropa (paper V). It was demonstrated that<br />male leafrollers could be caught by a lure containing components of the female sex pheromone gland.

Fluctuations in protein structure are vital to function. This contrasts the dominating structure-function paradigm, which connects the well-defined three-dimensional protein structure to its function. However, catalysis is observed in disordered enzymes, which lack a defined structure. Disordered proteins are involved in molecular recognition events as well. The aim of this Thesis is to describe the structural changes occuring in protein structure and to investigate the mechanism of molecular recognition. Protein architecture is classified in a hierarchical manner, that is, it is categorized into primary, secondary, and tertiary levels. One of the major questions in biology today is how proteins fold into a defined three-dimensional structure. Some protein folding models, like the framework model, suggest that the secondary structure, like α-helices, is formed before the tertiary structure. This Thesis raises two questions: First, are structural fluctuations that occur in the protein related to the folding of the protein structure? Second, is the hierarchic classification of the protein architecture useful to describe said structural fluctuations? Kinetic studies of protein folding show that important dynamical processes of the folding occur on the microsecond timescale, which is why time-resolved fluorescence spectroscopy was chosen as the principal method for studying structural fluctuations in the peptides. Time-resolved fluorescence spectroscopy offers a number of experimental advantages and is useful for characterizing typical structural elements of the peptides on the sub-microsecond timescale. By observing the fluorescence lifetime distribution of the fluorescent probe, which is a part of the hydrophobic core of a four-helix bundle, it is shown that the hydrophobic core changes hydration state, from a completely dehydrated to a partly hydrated hydrophobic core. These fluctuations are related to the tertiary structure of the four-helix bundle and constitute structural transitions between the completely folded four-helix bundle and the molten globule version. Equilibrium unfolding of the four-helix bundle, using chemical denaturants or increased temperature, shows that the tertiary structure unfolds before the secondary structure, via the molten globule state, which suggests a hierarchic folding mechanism of the four-helix bundle. Fluctuations of a 12 amino acid long helical segment, without tertiary structure, involve a conformational search of different helical organizations of the backbone. Binding and recognition of a helix-loop-helix to carbonic anhydrase occurs through a partly folded intermediate before the final tertiary and bimolecular structure is formed between the two biomolecules. This confirms the latest established theory of recognition that the binding and the folding processes are coupled for the binding molecules.

Aquesta Tesi Doctoral està dividida en diferents capítols tots ells basats en aplicacions de macrocicles nitrogenats triolefínics de 15 membres i dels seus complexos amb metalls de transició. En primer lloc es descriu l'aplicació d'un complex macrocíclic ferrocenílic de Pd0 com a catalitzador en reaccions de Mizoroki-Heck i Suzuki emprant sals de diazoni com a agents arilants. Aquest catalitzador va proporcionar bons rendiments de productes i va poder ser recuperat i reutilitzat, essent el primer sistema catalític reciclable descrit en la reacció de Mizoroki-Heck amb sals de diazoni. La metodologia es va estendre de forma efectiva a alcohols al·lílics, però en no ser possible recuperar el catalitzador macrocíclic, es va emprar Pd(dba)2.Posteriorment es van preparar estructures macromoleculars mitjançant la introducció de diferents unitats macrocícliques sobre un espaiador. La complexació d'aquestes estructures va permetre preparar complexos tant homo (Pd0) com heterometàl·lics (Pd0, Pt0) amb bons rendiments. Els complexos homometàl·lics van resultar ser bons catalitzadors en reaccions de Suzuki i fàcilment recuperables per simple filtració.En una última part, es van preparar nous macrocicles triolefínics contenint d'un a tres grups amino lliures en l'estructura mitjançant la utilització del grup protector (2-trimetilsilil)etansulfonil (SES). Aquesta modificació estructural va permetre ampliar la capacitat coordinant dels macrocicles a altres metalls de transició, com el PdII, possibilitant noves aplicacions. Concretament es va aplicar el lligand contenint un sol grup amino lliure al reconeixement, transport i preconcentració de PdII i PtIV continguts en dissolucions aquoses. / The present work has been organized in different chapters all related with applications of 15-membered N-containing triolefinic macrocycles and their complexes with transition metals. Firstly, the application of a ferrocenylic macrocyclic complex as catalyst in Mizoroki-Heck and Suzuki reactions using diazonium salts was described. This catalyst afforded good yields of products and it could be recovered and reused. In addition, it was the first catalytic system described in the literature in Mizoroki-Heck reactions using diazonium salts. The methodology was extended effectively to allylic alcohols, but since the catalyst could not be recovered, Pd(dba)2 was used.Then, macromolecular structures containing different macrocyclic units were prepared using a suitable building-block. The complexation of these compounds permitted the preparation of homo (Pd0) and heterometallic (Pd0, Pt0) complexes in high yields. Homometallic complexes were effective and easily recoverable catalysts in Suzuki couplings.Finally, new macrocyclic ligands containing one to three NH groups were prepared by using SES protective group. This structural modification extended the coordination properties of these ligands to other metals, such us PdII, allowing new applications. In this sense, the ligand contaning one NH group was used as agent in recognition, transport and preconcentration of PdII and PtIV contained in aqueous solutions.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT) verfügen über eine Vielzahl von herausragenden und möglicherweise nutzbringenden Eigenschaften. Die kontrollierte Integration von CNT in technische Systeme stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Methoden für den Aufbau von Strukturen und Bauelementen aus CNT entwickelt, die auf Selbstorganisation bzw. bottom-up assembly basieren. Dabei kamen sowohl biochemische als auch physikalische Verfahren zum Einsatz. Einzelsträngige DNA wurde verwendet um CNT in wässrigen Medien zu suspendieren und zu vereinzeln. Beides sind wichtige Voraussetzungen, um die günstigen elektronischen Eigenschaften der CNT zugänglich zu machen. DNA-CNT-Suspensionen wurden sowohl spektroskopisch in ihrer Gesamtheit als auch kraftmikroskopisch auf molekularer Ebene untersucht. So konnten wesentliche Parameter des Herstellungsprozesses optimiert werden, um Suspensionen mit einem hohen Gehalt an langen, sauberen, vereinzelten CNT zu erhalten. Durch die Verwendung von funktionalisierten DNA-Molekülen ist es gelungen, Halbleiterquantenpunkte und Goldkolloide an CNT anzubinden. Im Fall der Quantenpunkte gelang dies mit Hilfe der Biotin-Streptavidin Bindung unter Anwendung des Prinzips der molekularen Erkennung. Die Anbindung dieser Nanopartikel kann als Prototyp für den DNA-vermittelten Strukturaufbau aus CNT angesehen werden. Zur Deposition von CNT in Elektrodenstrukturen wurde ein auf Dielektrophorese beruhendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es gelungen, die wesentlichen Parameter zu identifizieren, die für die Morphologie der abgeschiedenen CNT entscheidend sind. So konnte die Dichte der CNT-Verbindungen zwischen Elektroden von einzelnen Verbindungen über wenige bis hin zu sehr vielen parallel assemblierten CNT eingestellt werden. Durch ein sich selbst steuerndes Hintereinanderlagern von CNT war es möglich auch Elektroden zu verbinden, deren Abstand größer war als die Länge der verwendeten CNT. Durch gezieltes Eliminieren metallischer CNT-Strompfade nach der Deposition ist es gelungen, CNT-Feldeffekttransistoren (CNT-FETs) mit Schaltverhältnissen von bis zu sieben Dekaden herzustellen. Auch dieses Verfahren ist skalierbar und unkompliziert, da es sich selbst steuert. Es ist skalierbar und deshalb auch für technische Anwendungen geeignet. An Hand des Beispiels der Detektion von Ethanoldampf konnte gezeigt werden, dass die über Dielektrophorese aufgebauten CNT-FETs auch als Sensoren eingesetzt werden können. Durch eine Kombination der dielektrophoretischen Deposition von CNT und dem dielektrophoretisch gesteuerten Wachstum metallischer Nanodrähte konnte eine neuartige Hybridstruktur aus CNT und Palladium-Nanodrähten erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist eine Voraussetzung für den Aufbau integrierter nanoskaliger Schaltkreise. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen zahlreiche Möglichkeiten auf, verschiedenartige nanoskopische Objekte miteinander integrieren, um neue Anwendungen zu ermöglichen.

Cyclodextrins (CD) are cyclic oligosaccharides composed of six to more than sixty glucose units. Large-ring cyclodextrins (LR-CD) are novel CD comprised of more than eight glucose units with cavity structures and sizes different from that of commercially available CD₆ – CD₈. LR-CD may offer unique molecular recognition properties and can be produced biocatalytically from starch using cyclodextrin glucanotransferase (CGTase, E.C. 2.4.1.19) in a short reaction time. LR-CD were isolated from glucose, CD₆ – CD₈ and other compounds by complexation of CD₆ – CD₈ as well as precipitation techniques. The yield of LR-CD (degree of polymerization from 9 to 21) was optimized using central composite design. Addition of polar organic solvents to the synthesis resulted in higher yields of LR-CD. LR-CD composed of 9 to 21 glucose units were successfully separated using reversed-phase of ODS-AQ chromatography and normal-phase of polyamine II chromatography. Maintaining optimized reaction conditions aided in a high yield of CD₉; it could be separated with reasonable yield using a single step of polyamine II chromatography. A co-grinding method helped to obtain higher solubilization levels of glibenclamide, vitamin A acetate and vitamin D₃ in CD₁₃, CD₁₀ and CD₁₁, respectively when compared to other CD. Vitamin K₁ was solubilized in distilled water with CD₆ – CD₁₃ using a co-precipitation method. When compared with other CD, CD₉ was seen to be the best solubilizer. The analysis of complexes using ESI MS showed spironolactone and glibenclamide complexed with CD₉ and CD₁₃, respectively.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La bio-détection de molécules reposant sur le phénomène de résonnance plasmon permet de détecter des espèces en utilisant les propriétés optiques de films métalliques. L’utilisation de ce type de capteurs nécessite néanmoins l’augmentation de leurs performances afin de détecter des concentrations faibles d’analyte dans des milieux complexes. L’assemblage de nanoparticules d’oxyde de fer sur des substrats d’or, en utilisant des groupements complémentaires spécifiques via la méthode de chimie « click », permet de contrôler leur distribution spatiale à la surface du substrat. Les propriétés magnétiques portées par les nanoparticules sont ainsi étudiées en fonction de leurs distances inter-particules ainsi que de leurs tailles. Par ailleurs, le plasmon de surface du substrat étant directement influencé par l’assemblage des nanoparticules, il sera possible de contrôler la sensibilité du capteur pour étudier la détection de différentes biomolécules impliquées dans des processus biologiques. La présence des nanoparticules augmente les propriétés optiques intrinsèques de la surface du substrat et la géométrie de l’assemblage permet d’augmenter la quantité de biomolécules détectées. / Biomolecular detection based on the surface plasmon resonance phenomenon allow detecting species by using the optics properties of metallic thin films. This kind of biosensors require the increase of their performances in order to detect low concentration analyte in complex medium. The assembly of iron oxide nanoparticles on gold substrates by using specific complementary groups via the “click” chemistry technique allows controlling their spatial distribution on the substrate surface. The magnetic properties carried by the nanoparticles are studied as function of their inter-particle distances and their sizes. Moreover, the surface plasmon of the substrate is directly influenced by the nanoparticle assembly and the control of the sensor sensitivity will be possible in order to study the detection of different biomolecules implies in biological processes. The presence of nanoparticles increases the intrinsic optical properties at the substrate surface and the geometry of the assembly allow increasing the number of biomolecules detected.

Les résultats présentés dans ce manuscrit décrivent la synthèse et l'étude de silices hybrides organiques-inorganiques visant des applications dans le domaine de la santé. Les précurseurs polysilylés synthétisés sont des dérivés de la triazine comportant des motifs de reconnaissance moléculaire du type donneur-accepteur-donneur qui peuvent complexer des molécules complémentaires, tel que l'acide cyanurique, via des liaisons H. La préparation de matériaux hybrides à partir de ces précurseurs complexés ou non, ainsi que leur mise en forme pour obtenir des nanoparticules, sont réalisées dans des conditions nucléophiles. Ces matériaux sont sensibles aux pH puisque des pH légèrement acides peuvent entrainer la dissociation du complexe. Des précurseurs du même type sont également utilisés pour la fonctionnalisation de nanoparticules de type MCM-41 afin de créer des nanomachines. Ces dernières se sont révélées très efficaces lors d'études in vitro en présentant une mort cellulaire significative pour le cancer du sein. / In this thesis hybrid organic-inorganic silicas have been synthesized and studied for applications in health field.The synthesized polysilylated precursors are based on triazine derivatives including donor-acceptor-donor molecular recognition motifs which can complex complementary compounds, like cyanuric acid, via hydrogen bonds. Hybrid bulk materials as well as nanoparticles, with or without complex, are obtained upon nucleophilic catalysis from these precursors and are shown to be pH-sensitive since a slightly acidic pH could destabilize the complex.In addition, such type of precursors is also used to functionalize MCM-41 nanoparticles in order to prepare nanomachines. In vitro studies showed the efficiency of these systems with significant cell death for breast cancer.

Le présent travail de recherche vise à mieux connaître les interactions au sein d'auto-assemblages petites molécules – ADN dans le but de faciliter la conception de futurs ligands ou vecteurs de l'ADN. Pour se faire, des composés guanidiniums, sélectionnés pour leur capacité d'interaction avec les oxoanions – incluant les phosphodiesters de l'ADN – ont été bisfonctionnalisés pour sonder l'importance des interactions secondaires dans les auto-assemblages petites molécules - ADN. Deux approches différentes, rationnelle et combinatoire dynamique, ont été utilisées pour étudier les interactions au sein des auto-assemblages formés le long du squelette phosphodiester.Avec l'approche rationnelle, des guanidiniums bisfonctionnalisés avec des groupements aromatiques de taille variable ont démontré leur capacité à s'auto-assembler avec l'ADN en solution aqueuse via la reconnaissance du squelette phosphodiester. Les expériences de compétition montrent l'importance des interactions d'empilement π-π dans la stabilisation de ces auto-assemblages.Dans le cadre de l'approche combinatoire dynamique, un guanidinium comportant deux terminaisons aldéhyde a été utilisé pour générer, par amination réductrice, des bibliothèques combinatoires dynamiques basées sur la liaison imine. La génération de bibliothèques avec différentes amines en absence et en présence d'oligo(dT) sur cellulose met en évidence des effets de matrice caractérisés par des changements constitutionnels. Les résultats montrent ainsi que les constituants aux groupements cationiques et aromatiques sont sélectivement retenus contrairement aux constituants portant des substituants anioniques. Les informations structurales obtenues par ces deux approches pourront à l'avenir être utilisées pour la conception de nouveaux ligands de l'ADN.Parallèlement à ces études des interactions petites molécules – ADN, des polymères covalents dynamiques poly-acylhydrazones combinant des moitiés cationiques et de courts groupements d'éthylène glycol au sein de leur chaîne principale ont été conçus. Ces matériaux, capables de s'auto-assembler sous forme d'oligomères par polycondensation à haute concentration, complexent efficacement l'ADN double brin dans les médias biologiques et sont dégradables en milieu acide. L'association de ces deux caractéristiques les rend donc intéressants pour une application en tant que vecteurs « intelligents » pour la délivrance de gènes. / The present research work aims to learn more about the interactions inside small-molecules – DNA self-assemblies in order to facilitate the conception of future DNA ligands or vectors. To achieve this goal, guanidinium compounds, selected for their recognized ability to interact with oxoanions – DNA phosphodiesters – were bisfunctionnalized to probe the importance of secondary interactions in the small-molecules – DNA self-assemblies. Two different approaches, rational and dynamic combinatorial, were used to study the interactions inside the self-assemblies formed along the phosphodiester backbone.With the rational approach, guanidiniums bisfunctionnalized with aromatic groups of varying size demonstrated the ability to self-assemble with DNA in aqueous solution via phosphodiester recognition. The competition experiments show the importance of the π-π stacking interactions in the stabilisation of these self-assemblies.Within the framework of the dynamic combinatorial approach, a guanidinium bearing two aldehyde terminations was used to generate, by reductive amination, dynamic combinatorial libraries based on the imine bond. The generation of libraries with different amines in absence and in presence of oligo(dT) on cellulose shows templating effects that are characterized by constitutional changes. The results thus show that constituents with cationic or aromatic groups are selectively retained on DNA while those featuring anionic groups are not.The structural information gained by these two approaches could be used in the future to design new DNA ligands.In parallel to these studies of the small-molecules – DNA interactions, dynamic covalent polymers combining cationic moieties and short ethylene glycol groups in their principal chain have been designed. These materials are able to self-assemble as oligomeres by polycondensation performed at high concentration and effectively complex double-stranded DNA in biological media and are degradable in acidic conditions. The association of these two characteristics make them interesting for an application as “smart” vectors for gene delivery.