Ce travail porte sur la conception de nouveaux composés π-conjugués, potentiellement utilisable en électronique organique en tant que matériaux actifs dans des dispositifs tels que les OLEDs, les cellules photovoltaïques et les capteurs optiques. Dans ce but, nous avons exploité le motif silacyclopentadiène appelé également silole, possédant un bon rendement quantique de fluorescence à l'état solide et une excellente conduction des électrons. Dans un premier temps, l'introduction de groupements structurants (triptycène, stilbènes..) sur le silacyclopentadiène a permis de moduler l'arrangement moléculaire dans la couche active et par conséquent, les propriétés d'électroluminescence. Des diodes possédant des performances très encourageantes furent ainsi obtenues. Dans un deuxième temps, des dérivés siloles présentant une structure tridimensionnelle et une architecture spirosilole (accepteur)-bithiophène (donneur) furent synthétisées. Une cellule photovoltaïque basée sur ces édifices présentant des performances encourageantes fut ensuite mis au point. Enfin, l'étude des mécanismes de transfert d'énergie entre un film de polymère fonctionnalisé par un groupement sensible silole et des composés nitroaromatiques nous a permis de réaliser un nouveau type de capteur optique hautement sensible pour la détection d'explosifs. / This work concerns the design of new π-conjugated compounds, potentially useful in organic electronics as active materials in devices such as OLEDs, photovoltaic cells and optical sensors. To this end, silacyclopentadiene, alias silole, groups were used exhibiting high fluorescence quantum yields in the solid state and excellent electron conductivities. Firstly, the introduction of structurizing groups (triptycene, stilbenes etc.) at the silacyclopentadiene allowed tuning of the molecular arrangement in the active layer and, consequently, the electroluminescence properties. Diodes showing very encouraging activities were thus obtained. Secondly, silole derivatives possessing a three-dimensional structure and a spirosilole (acceptor) - bithiophene (donor) architecture were synthesized. A photovoltaic cell based on these molecules was then developed exhibiting encouraging activity. Finally, a study of the mechanisms of energy transfer between a polymer film functionalized by a sensitive silole group and nitroaromatic compounds enabled the development of a new type of highly sensitive optical sensor for the detection of explosives.

Nitroreductase from Enterobacter cloacae (NR) is a member of a large family of homologues represented in all branches of the tree of life. However the physiological roles of many of these enzymes remain unknown. NR has distinguished itself on the basis the diverse sizes and chemical types of substrates it is able to reduce (Koder et al 1998). This might be an evolved characteristic suiting NR for a role in metabolism of diverse occasional toxins. While there are numerous studies of determinants of substrate specificity, we know less about mechanisms by which enzymes can be inclusive. Therefore, we present a synthesis of NR's dynamics, stability, ligand binding repertoire and kinetic mechanism. We find that NR reduces para-nitrobenzoic acid (p-NBA) via a simple mechanism limited by the chemical step in which the nitro group is reduced (Pitsawong et al 2014). Thus, for this substrate, NR's mechanism dispenses with gating steps that in other enzymes can enforce substrate specificity. Our data demonstrate that substrate reduction is accomplished by rate-contributing hydride transfer from the flavin cofactor coupled to proton transfer from solvent, but do not identify specific amino acids with a role. This is consistent with our crystal structures, which reveal a spacious solvent-exposed active site bounded by a helix that moves to accommodate binding of substrate analogs (Haynes et al 2002). Because it is able to reduce TNT (trinitrotoluene), herbicides and pesticides, NR has important potential utility in bioremediation.

Sleeping sickness, caused by Trypanosoma brucei, is a deadly disease that affects some of the poorest countries in sub-Saharan Africa. Although the disease prevalence is declining, strengthening of the current control efforts, including introduction of more adequate chemotherapeutic options, is needed to prevent the re-emergence of yet another epidemic. Nitroaromatic compounds, such as nifurtimox (in combination with eflornithine) and fexinidazole (in clinical trials), have been recently introduced for the treatment of the second stage of sleeping sickness. These compounds are believed to act as pro-drugs that require intracellular enzymatic activation for antimicrobial activity. Here, the role of the bacterial-like nitroreductase TbNTR as a nitrodrug activating enzyme is examined through overexpression and knock-out studies in T. brucei. Multiple attempts to purify soluble recombinant TbNTR from E. coli were unsuccessful, because the recombinant protein was found to be membrane associated. In keeping with the role of TbNTR in nitrodrug activation, loss of an NTR gene copy in T. brucei was found to be one, but not the only, mechanism that may lead to nitrodrug resistance. Furthermore, in the bloodstream form of T. brucei, resistance was relatively easy to select for nifurtimox, with no concurrent loss of virulence and at clinically relevant levels. More worryingly, nifurtimox resistance led to a decreased sensitivity of these parasites to other nitroaromatic compounds, including a high level of cross-resistance to fexinidazole. Conversely, generation of fexinidazole resistance resulted in cross-resistance to nifurtimox. Should these findings translate to the field, emerging nitrodrug resistance could reverse all recent advances in the treatment of sleeping sickness, made since the introduction of eflornithine 20 years ago. Therefore, all efforts should be made to ensure nitroaromatic drugs are used only in drug combination therapies against sleeping sickness, in order to protect them from emerging resistance.

Le manuscrit est divisé en six chapitres et deux parties indépendantes, la première étant consacrée à l'étude de l'effet de substituants nitro sur des ligands phosphines aromatiques (L). Une série de (N-phényl-benzimidazol-1-yl)diphénylphosphines substituées par 1 à 3 groupes nitro à différentes positions des noyaux N-phényle et benzimidazolyle, a été synthétisée, et comparée au parent non nitré et à l'homologue N-méthyl-benzimidazolium cationique. Dans les complexes trans-L2RhICl(CO) correspondants, des variations faibles mais systématiques de la fréquence d'élongation C=O IR et du déplacement chimique RMN 103Rh fournissent une quantification empirique des effets régio-spécifiques des substituants nitro sur le caractère donneur global du ligand. Les produits secondaires dinucléaires (µ-CO)(LRhCl)2 donnent des cristaux de clathrate uniques à teneur élevée (6,7:1) en solvate de dichlorométhane. La deuxième partie, regroupant cinq chapitres, concerne l'étude de nouveaux types de carbo-mères fortement p-conjugués, principalement conçus pour pallier la faible solubilité limitante du noyau carbo-benzène. La synthèse et la caractérisation des hexaaryl-carbo-benzènes de référence sont revisitées. Une voie de synthèse en 12 étapes améliorée du dérivé hexaphényle connu et de l'homologue p-bis-3,5-di-tert-butylphényle est décrite. Les deux carbo-benzènes ont été entièrement caractérisés, en particulier par analyse par diffraction des rayons X et par électrochimie. Leur utilisation dans les cellules solaires photovoltaïques organiques s'est avérée freinée par leur faible solubilité empêchant la formation de couches minces de haute qualité. Le troisième chapitre porte sur une série de p-dialkyl-tétraphényl-carbo-benzènes à deux chaînes aliphatiques R = CnH2n +1, n = 2, 4, 8, 14, 20. Leur synthèse basée sur l'addition nucléophile de RMgBr sur la [6]péricyclynedione clé conduit à la fois aux dialkyl- et mono-alkyl-carbo-benzènes réduits, le processus de réduction étant supprimé en utilisant un réactif RLi/CeCl3. Une augmentation spectaculaire de la solubilité dans les solvants chlorés a été observée pour n = 8. Un empilement p-p direct des cycles en C18, guidé par les forces de dispersions aliphatiques, a été montré pour la première fois dans la structure cristalline du dérivé bis-tétradécyle, appuyant l'existence de l'allotrope du carbone 3D ?-graphityne (carbo-mère putatif du graphite). Le quatrième chapitre décrit deux trialkoxyaryléthynyl-tétraphényl-carbo-benzènes et l'étude des propriétés mésogènes de l'un d'entre eux. Une mésophase rectangulaire colonnaire, mise en évidence à 115 °C par des analyses DSC, POM et PXRD, ouvre des perspectives pour une étude systématique des cristaux liquides apparentés. Les constantes du réseau 3D sont cohérentes avec les images STM 2D du carbo-mésogène sur HOPG. Le cinquième chapitre décrit trois carbo-mères de squelette de bis- et ter-phényles, conçus pour leur relation aux fils moléculaires OPP ou OPE. Un carbo-terphényle a montré un très faible potentiel de réduction (-0,39 V/SCE), sans précédent en série carbo-mère. Dans le dernier chapitre, de nouveaux types de carbo-mères sont illustrés: les carbo-barrélènes et les carbo-stilbènes. Leur préparation repose sur l'addition de triyne dinucléophiles sur un ou deux équivalents d'un précurseur [6]péricyclyne (di)one. Dans la série tricyclique, deux carbo-barrélènes non macro-aromatiques et un dérivé bis-butatriénique partiellement réduit, se sont révélés suffisamment stables pour permettre une caractérisation complète, y compris par cristallographie. Le rôle de cage d'un carbo-barrélène vis-à-vis de petites molécules telles que NH4+, même si elle n'a pas encore été clairement établie, a été étudiée théoriquement et expérimentalement. Les carbo-stilbènes ont été obtenus sous forme de mélanges. En l'absence d'analyse cristallographique, ils ont été attribués aux diastéréoisomères cis et trans sur la base de la spectroscopie RMN 1H et des calculs DFT. / The manuscript is divided into six chapters and two independent parts, the first part being dedicated to the investigation of the effect of nitro substituents on aromatic phosphine ligands (L). A series of (N-phenyl-benzimidazol-1-yl) diphenylphosphines substituted with 1 to 3 nitro groups at different positions of the N-phenyl and benzimidazolyl cores, were synthesized, and compared with the non-nitrated parent and cationic N-methyl-benzimidazolium counterpart. In the corresponding trans-L2RhICl(CO) complexes, prepared in two steps and fully characterized, moderate but systematic variations of the C=O IR stretching frequency and 103Rh NMR chemical shift provide an empirical quantification of regio-specific effects of the nitro-substituents on the global donating character of the P-ligand. Dinuclear (µ-CO)(LRhCl)2 side-products were shown to give unique clathrate crystals with a high content (6.7:1) of dichloromethane solvate. The second part, gathering five chapters, concerns the study of new types of highly p-conjugated carbo-mers, primarily devised to palliate the limiting poor solubility of the aromatic C18 carbo-benzene core. The synthesis and characterization of reference hexaaryl-carbo-benzenes are revisited. An improved 12-step synthetic route to the long known hexaphenyl derivative and p-bis-3,5-di-tert-butylphenyl homologue is described. Both carbo-benzenes were fully characterized, in particular by X-ray diffraction analysis and electrochemistry. Their use in organic photovoltaic solar-cells was found to be hampered by their very low solubility preventing the formation of high quality thin films. The third chapter focusses on a series of p-dialkyl-tetraphenyl-carbo-benzenes with two aliphatic chains R = CnH2n+1, n = 2, 4, 8, 14, 20. The synthetic route based on nucleophilic addition of RMgBr to a key [6]pericyclynedione ultimately led to both the dialkyl- and reduced mono-alkyl-carbo-benzenes, the reduction process being found suppressed by using a RLi/CeCl3 reactant. A dramatic enhancement of solubility in chlorinated solvents was observed for n = 8. A direct p-p stacking of C18 rings, driven by aliphatic dispersions forces, could be evidenced for the first time in the X-ray crystal structure of the bis-tetradecyl derivative, giving experimental support to the existence of the a-graphityne 3D carbon allotrope (putative carbo-mer of graphite). The fourth chapter describes two trialkoxyarylethynyl-tetraphenyl-carbo-benzenes and the study of the mesogen properties of one of them. A columnar rectangular mesophase, evidenced at 115 oC by DSC, POM and PXRD analyses, opens prospects for a systematic study of related liquid crystals. The 3D lattice constants are consistent with 2D STM images of the carbo-mesogen deposited on HOPG. The fifth chapter reports on three skeletal carbo-mers of bis- and ter-phenyls, devised for their acquaintance with OPP or OPE molecular wires. A carbo-terphenyl was found to exhibit a very low first reduction potential (-0.39 V/SCE), unprecedented in the carbo-mer series. In the last chapter, new types of carbo-mers are exemplified: carbo-barrelenes and carbo-stilbenes. Their preparation relies on the addition of triyne dinucleophiles to either one or two equivalents of a [6]pericyclyne(di)one precursor. In the tricyclic series, two non-macroaromatic carbo-barrelenes and one partially reduced bis-butatrienic derivative, both containing two sp3-C bridgeheads, were found to be sufficiently stable to allow full characterization, including by crystallography. The cage-ability of a carbo-barrelene toward small molecules such as NH4+, albeit not clearly proven yet, was investigated both theoretically and experimentally. The carbo-stilbene product was evidenced as an unseparated mixture of two isomers. In the absence of crystal of suitable quality for crystallography, they were assigned to the cis and trans diastereoisomers on the basis of 1H NMR spectroscopy and DFT calculations.

La presente tesis doctoral titulada ¿Materiales funcionales híbridos para el reconocimiento óptico de explosivos nitroaromáticos mediante interacciones supramoleculares¿ se basa en la combinación de principios de Química Supramolecular y de Ciencia de los Materiales para el diseño y desarrollo de nuevos materiales híbridos orgánico-inorgánicos funcionales capaces de detectar explosivos nitroaromáticos en disolución. En primer lugar se realizó una búsqueda bibliográfica exhaustiva de todos los sensores ópticos (cromogénicos y fluorogénicos) descritos en la bibliografía y que abarca el periodo desde 1947 hasta 2011. Los resultados de la búsqueda están reflejados en el capítulo 2 de esta tesis. El primer material híbrido preparado está basado en la aplicación de la aproximación de los canales iónicos y, para ello, emplea nanopartículas de sílice funcionalizadas con unidades reactivas y unidades coordinantes (ver capítulo 3). Este soporte inorgánico se funcionaliza con tioles (unidad reactiva) y una poliamina lineal (unidad coordinante) y se estudia el transporte de una escuaridina (colorante) a la superficie de la nanopartícula en presencia de diferentes explosivos. En ausencia de explosivos, la escuaridina (color azul y fluorescencia intensa) es capaz de reaccionar con los tioles anclados en la superficie decolorando la disolución. En presencia de explosivos nitroaromáticos se produce una inhibición de la reacción escuaridinatiol y la suspensión permanece azul. Esta inhibición es debida a la formación de complejos de transferencia de carga entre las poliaminas y los explosivos nitroaromáticos. En la segunda parte de esta tesis doctoral se han preparado materiales híbridos con cavidades biomiméticas basados en el empleo de MCM-41 como soporte inorgánico mesoporoso (ver capítulo 4). Para ello se ha procedido al anclaje de tres fluoróforos (pireno, dansilo y fluoresceína) en el interior de los poros del soporte inorgánico y, posteriormente, se ha hidrofobado el interior de material mediante la reacción de los silanoles superficiales con 1,1,1,3,3,3-hexametildisilazano. Mediante este procedimiento se consiguen cavidades hidrófobas que tienen en su interior los fluoróforos. Estos materiales son fluorescentes cuando se suspenden en acetonitrilo mientras que cuando se añaden explosivos nitroaromáticos a estas suspensiones se observa una desactivación de la emisión muy marcada. Esta desactivación de la emisión es debida a la inclusión de los explosivos nitroaromáticos en la cavidad biomimética y a la interacción de estas moléculas (mediante interacciones de ¿- stacking) con el fluoróforo. Una característica importante de estos materiales híbridos sensores es que pueden ser reutilizados después de la extracción del explosivo de las cavidades hidrofóbicas. En la última parte de esta tesis doctoral se han desarrollado materiales híbridos orgánicoinorgánicos funcionalizados con ¿puertas moleculares¿ que han sido empleados también para detectar explosivos nitroaromáticos (ver capítulo 5). Para la preparación de estos materiales también se ha empleado MCM-41 como soporte inorgánico. En primer lugar, los poros del soporte inorgánico se cargan con un colorante/fluoróforo seleccionado. En una segunda etapa, la superficie externa del material cargado se ha funcionalizado con ciertas moléculas con carácter electrón dador (pireno y ciertos derivados del tetratiafulvaleno). Estas moléculas ricas en electrones forman una monocapa muy densa (debida a las interacciones dipolo-dipolo entre estas especies) alrededor de los poros que inhibe la liberación del colorante. En presencia de explosivos nitroaromáticos se produce la ruptura de la monocapa, debido a interacciones de ¿-stacking con las moléculas ricas en electrones, con la consecuencia de una liberación del colorante atrapado en el interior de los poros observándose una respuesta cromo-fluorogénica / Salinas Soler, Y. (2013). Functional hybrid materials for the optical recognition of nitroaromatic explosives involving supramolecular interactions [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31663 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales