Dans ce travail de thèse, plusieurs groupes de nouveaux complexes d'or(I) à base de carbènes N-hétérocyclique (NHC)contenant des bras amino-aliphatiques et aromatiques avec un potentiel intéressant dans des applications biomédicales ont été synthétisés et entièrement caractérisés. En outre, une série de complexes d'iridium(III) contenant des ligands NHC avec des activités anticancéreuses prononcées pour une application en thérapie photodynamique, a étépréparée et entièrement caractérisée. Le premier groupe représente une famille de complexes cationiques or(I) bis(NHC) contenant des bras latéraux amino-aliphatiques. Ces complexes ont étésynthétisés et étudiés pour leurs activités antiprolifératives vis-à-vis de quatre lignées cellulaires cancéreuses humaines et de la lignée cellulaire non cancéreuse MDCK. Dans cette série, la lipophilie est directement liée àl'activitécytotoxique contre les cellules cancéreuses. La deuxième famille de composés concerne les complexes cationiques or(I) bis(NHC) contenant des bras latéraux amino-aromatiques. La cytotoxicitéin vitro de ces complexes et de leurs proligands sur les lignées cellulaires représentatives du cancer de la prostate PC-3 et de la vessie T24 a étéévaluée. Tous ces complexes présentent des valeurs de Log P (lipophilie) supérieures àcelles de la première série de complexes en accord avec leur cytotoxicité plus élevée, mais une lipophilie trop élevée peut également conduire àune sélectivitéplus faible. Afin de développer un candidat-médicament avec une activitéet une sélectivité optimisées, nous avons conçu et synthétisé la troisième famille de complexes cationiques or(I) bis(NHC). Les valeurs de log P de cette série se situent entre la première série et la deuxième série. Ces complexes moins lipophiles sont moins cytotoxiques envers les lignées cellulaires saines (NIH3T3) et montre des activités anticancéreuses un peu plus faibles sur les cellules PC-3 que la deuxième série, avec néanmoins des valeurs de GI50 dans la gamme du nanomolaire. Les études mécanistiques sur deux complexes d'or(I) ont été réalisées. Les mesures d'absorption cellulaire ont montré une accumulation cellulaire rapide et une bonne biodisponibilitédes complexes, en accord avec l'activitéantiproliférative de ces deux complexes. De plus, les deux complexes inhibent la thiorédoxine reductase (TrxR), une cible commune pour les complexes d'or(I). La mort cellulaire induite par ces deux complexes est dépendante des espèces réactives de l'oxygène. En plus des activités anticancéreuses, nous avons également testédes complexes d'or(I) mono-NHC pour une autre application biomédicale, la leishmaniose, maladie parsitaire. Ils ont été testés in vitro sur les formes promastigotes et amastigotes axéniques de L. infantum. De plus, leur cytotoxicitéa étéévaluée sur les macrophages murins J774A.1 afin de déterminer leur sélectivitéd'action. Un autre sujet de cette thèse concerne les complexes d'iridium(III)-NHC. Trois familles de complexes ont étépréparées et caractérisées. La cytotoxicitéin vitro de tous les complexes sur les cellules cancéreuses de la prostate PC-3 et de la vessie T24, et les cellules non cancéreuses NIH3T3 a étéévaluée. De plus, tous les complexes sont des agents théranostiques, et les expériences de microscopie confocale d'un complexe ont montréqu'il pouvait être rapidement et efficacement absorbédans les cellules PC-3 et se localiser spécifiquement dans les mitochondries. De manière intéressante, ces complexes peuvent agir comme des photosensibilisateurs efficaces. La cytotoxicitéde ces complexes a étéaugmentée substantiellement après une irradiation lumineuse de 365 nm, ce qui suggère le potentiel élevéde ces agents anticancéreux théranostiques ciblant les mitochondries pour la thérapie photodynamique. / In this work of thesis, several groups of novel NHC-based gold(I) complexes containing aliphatic and aromatic amino-side arms with interesting potential in biomedical applications have been synthesized and fully characterized. Also, a series of iridium(III) complexes containing NHC ligands with pronounced PDT anticancer activities has been prepared and fully characterized. The first group represents a family of cationic bis(NHC)-gold(I) complexes containing aliphatic amino-side arms. These complexes have been synthesized and investigated for their antiproliferative activities towards four human cancer cell lines and the non-cancerous MDCK cell line. In this series, the lipophilicity correlates directly with the cytotoxic activity against cancer cells. The second family of compounds concerns cationic gold(I) bis(NHC) complexes containing aromatic amino-side arms. The in vitro cytotoxicity of these complexes and proligands on the representative PC-3 prostate and T24 bladder cancer cell lines has been evaluated. All these complexes show higher Log P values (lipophilicity) than the first series of complexes, and in line with this higher cytotoxicity, nevertheless too high lipophilicity can also lead to lower selectivity. In order to develop a drug candidate with optimized activity and selectivity, we designed and synthesized the third family of cationic gold(I) bis(NHC) complexes. The Log P values of this series were between the first series and the second series. The lower cytotoxicity towards non-cancerous NIH3T3 cells was found for this series of complexes whereas they also displayed less activities towards cancer cells than the second series. The mechanistic studies on two gold complexes by monitoring the cellular uptake showed the rapid cellular accumulation of the intact gold bis(NHC) and a good bioavailability, in good agreement with the antiproliferative activity of these two complexes. Moreover, both complexes inhibit TrxR, a common target for gold(I) complexes. The cell death induced by these two complexes was ROS-dependent. Besides anticancer activities, we also tested gold(I) mono-NHC complexes for other biomedical applications in parasite disease Leishmaniasis. They were screened in vitro against both promastigote and axenic amastigote forms of L. infantum. Moreover, their cytotoxicity was evaluated on the murine J774A.1 macrophages in order to determine their selectivity of action. Another topic of this thesis concerns iridium(III)-NHC complexes. Three families of theranostic iridium(III)-NHC complexes were prepared and characterized. The in vitro cytotoxicity of all the complexes against PC-3 prostate, T24 bladder cancer cells and non-cancerous NIH3T3 cells was evaluated. Moreover, all complexes are theranostic agents, and the confocal microscopy experiments of one complex showed that it can be quickly and effectively taken up into PC-3 cells and specifically localize into mitochondria. Interestingly, these complexes can act as efficient photosensitizers. The cytotoxicity of these complexes was increased substantially upon 365 nm light irradiation, which suggested the high potential to be mitochondria-targeting theranostic anticancer agents for photodynamic therapy.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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Le premier projet de ce travail de doctorat a consisté à étudier l’activité catalytique de complexes à base de gallium(I), pour continuer à rechercher des alternatives aux catalyseurs à base de métaux nobles, plus communs, mais réputés coûteux et/ou toxiques. Le savoir-faire de l’équipe en catalyse par des complexes de gallium(III) a pu être réinvesti dans l’étude de ce bas degré d’oxydation du gallium, rarement étudié dans la littérature scientifique, dans l’espoir de détecter des réactivités et/ou sélectivités différentes d’avec des complexes de gallium(III). Ainsi, le complexe cationique bien défini de gallium(I) [Ga(PhF)2][Al(OC(CF3)3)4] a été employé dans une large gamme de réactions dans lesquelles les catalyseurs à base de gallium(III) avaient déjà fait leurs preuves, telles que l’hydroarylation d’arénynes, la réaction de Friedel-Crafts ou encore l’hydrogénation d’alcènes par transfert, pour laquelle une réactivité supérieure à celle des complexes usuellement utilisés au sein de l’équipe a été observée. Un analogue à base d’indium(I), [In(PhF)2][Al(OC(CF3)3)4], a également été étudié dans ces réactions, sans succès. En revanche, il s’est avéré efficace dans le cadre de réactions d’hydroamination d’aminoalcènes.En parallèle a été conduit un projet basé sur l’étude en tant qu’abstracteurs d’halogénures de complexes de divers métaux (argent, lithium, potassium, thallium(I)) comportant l’anion perfluoré, très volumineux et très faiblement coordinant [Al(OC(CF3)3)4]-. Dans le cadre de l’activation de pré-catalyseurs à base d’or(I), de gallium(III) ou d’indium(III) par abstraction d’halogénures, les sels d’argent sont les plus communément employés dans la littérature. Cependant, ces sels d’argents ne sont pas innocents en termes de réactivité. Par ailleurs, si les cations métalliques des sels employés en abstraction d’halogénures font l’objet d’un nombre raisonnable d’études dans la littérature, ce n’est pas autant le cas des anions qui leur sont associés : notre étude s’oriente selon ces deux problématiques. Il s’est avéré que les propriétés très faiblement coordinantes de l’anion [Al(OC(CF3)3)4]- ont mené à des réactivités et sélectivités différentes de celles obtenues avec l’emploi de sels plus usuels, AgSbF6 plus particulièrement, dans le cadre de réaction classiquement catalysées par l’or(I) ou le gallium(III) et déjà étudiées dans le premier projet de ce travail de thèse. Les complexes à base de gallium(I) et d’indium(I) impliqués dans le premier projet ont également été, succinctement, étudiés dans ce projet parallèle. / In the main project of this thesis work, the catalytic activity of gallium(I)-based complexes was explored. The aim was to keep on looking for alternatives to noble metals-based, more common catalysts, which have a reputation for being expensive and/or toxic. The know-how developed in the team on gallium(III)-based catalysis was reinvested into the study of this low oxidation degree of gallium, only scarcely studied in the literature. It was hoped to then detect different reactivity and/or selectivity than with gallium(III) complexes. Thus, the well-defined, cationic, gallium(I)-based complex [Ga(PhF)2][Al(OC(CF3)3)4] was used in a large array of reactions that were already successfully studied with gallium(III)-based catalysts, such as the hydroarylation of arenynes, the Friedel-Crafts reaction or the transfer hydrogenation of alkenes. In this later reaction in particular, the observed reactivity was superior to that achieved with the catalysts more commonly used in the team. An indium(I)-based analogue, [In(PhF)2][Al(OC(CF3)3)4], was also tested in these reactions, without any success. However, it was actually efficient in the context of aminoalkenes hydroamination reactions.The side-project of this work consisted in the study as halide abstractors of complexes, based on diverse metals (silver, lithium, potassium, thallium(I)) and containing the perfluorinated, very bulky and very weakly coordinating anion (WCA) [Al(OC(CF3)3)4]-. In the frame of the activation of gold(I), gallium(III) or even indium(III)-based pre-catalysts by halide abstraction, silver salts are the most frequently used. However, these silver salts are not non-innocent in terms of reactivity. Besides, if the cationic metal of the salts used in halide abstraction are the subject of a reasonable amount of studies in the literature, it is not the case of their anionic counterparts: we planned to address these two problematics with this project. It appeared that the very weakly coordinating properties of the anion [Al(OC(CF3)3)4]- in the context of the previously referred to reactions classically catalyzed by gold(I) or gallium(III)-based complexes led to different reactivity and selectivity than those achieved with the usual salts and in particular AgSbF6. The gallium(I) and indium(I)-based complexes involved into the main project were also briefly studied in this side-project.