Le travail présenté dans ce mémoire avait pour but de synthétiser de nouvelles molécules dont l'architecture donne accès à des complexes hétérobimétalliques aux propriétés intéressantes pour l'imagerie médicale multimodale. Dans ce manuscrit plusieurs points principaux ont donc été abordés. La première partie de se travail porte sur la synthèse et la caractérisation des ligands. Nous décrivons dans ce manuscrit la synthèse de cinq nouveaux ligands hétérobismacrocycliques basés sur l'association d'une porphyrine et d'un ou de plusieurs dérivés du cyclène. Ces ligands présentent la particularité d'être solubles en milieux aqueux. Au cours des synthèses, nous avons ciblé les améliorations à apporter à notre travail et élaboré une nouvelle voie de synthèse qui permet d'accéder, en seulement six étapes, à un ligand composé d'une porphyrine, d'un dérivé du cyclène et d'une fonction amine libre qui permettra de greffer le ligand sur un vecteur biologique. La seconde partie de ce manuscrit porte sur l'incorporation de centres métalliques dans les ligands synthétisés ainsi que l'étude de leur efficacité en tant qu'agent de contraste de l'IRM. Nous décrivons la synthèse de cinq complexes de gadolinium (III) et de trois complexes hétérobimétalliques associant du gadolinium (III) et du cuivre (II). En effet, le gadolinium est actuellement utilisé dans les agents de contraste de l'IRM et un des isotopes du cuivre, le cuivre-64, est utilisé en imagerie PET. Nous décrivons un protocole de mesure de la relaxivité des complexes à haut et à bas champs magnétiques. Cinq complexes présentent des valeurs de relaxivité quatre fois supérieures à celles des agents de contraste commerciaux de l'IRM. Le dernier chapitre de ce travail porte sur la synthèse, la caractérisation et les études photophysiques de quatre antennes moléculaires associant des porphyrines et des BODIPY. Nous avons développé deux voies de synthèses originales. La première est basée sur la création de liaisons bore-oxygène en substituant les atomes de fluor portés par l'atome de bore des BODIPY. L'autre voie de synthèse utilise la réaction de cycloaddition dipolaire d'Huisgen. Nous décrivons des études photophysiques qui mettent en évidence des transferts d'énergie du BODIPY vers la porphyrine Nous avons mis en évidence le premier exemple de transfert d'énergie d'une porphyrine vers un BODIPY grâce à un système "blue" BODIPY étendu couplé à des porphyrines par une réaction de chimie "click".

Le travail présenté dans ce mémoire avait pour but de synthétiser de nouvelles molécules dontl’architecture donne accès à des complexes organométalliques fluorescents aux propriétésintéressantes pour le photovoltaïque et la théranostique. Ce projet a donc abordé plusieurs pointsprincipaux.La première partie a été consacrée à la synthèse de nouveaux complexes organométalliquesphotoniques à base de titanocènes et de métalloporphyrines visant à la conception de cellulessolaires. Après une brève introduction, nous avons présenté la synthèse des complexes de titane etde métalloporphyrines dans le premier chapitre. En particulier, nous avons décrit la synthèse descomposés modèles et les difficultés rencontrées lors du passage aux dérivés porphyriniques.Cependant, au grès des résultats et des opportunités, le projet a été peu à peu tourné versl’application de ce type d’objet « complexe organométallique – fluorophore » au domaine médicalet plus particulièrement de la théranostique.La deuxième partie de ce manuscrit traite de l’application de ce type de composés à la théranostiqueet plus précisément aux théranostiques optiques. Elle commence par une introduction détaillée quidéfinit les enjeux de cette thématique émergente autant du point de vue de l’imagerie que de lathérapie. Dans le deuxième chapitre, nous avons présenté la synthèse d’agents théranostiquesprésentant un fragment métallique à activité thérapeutique lié à un BODIPY, sonde fluorescenteconnue pour ses propriétés optiques intéressantes. Leur caractérisation et l’étude de leurs propriétésbiologiques sont également décrites. Le troisième chapitre porte sur la synthèse de complexeshétérobimétalliques incorporant des métaux d’intérêt pour l’oncologie. Ces complexes sontégalement développés pour la recherche d’agents théranostiques. Le ligand utilisé pour l’imageriemédicale est la porphyrine. Ce chapitre inclut aussi les études photophysiques de nos complexes. / The goal of my PhD thesis was to synthesize new molecules, which give access to fluorescentorganometallic complexes with interesting properties for photovoltaic and theranostic. In thisproject, several main points have been studied.The first part of this manuscript concerns the synthesis of new metallocene and metalloporphyrinsbasedorganometallic complexes to the design of solar cells. After a short introduction, wepresented the synthesis of titanium complexes and metalloporphyrins in the first chapter. Inparticular, we described the synthesis of model compounds and the difficulties encountered duringthe transition to porphyrin derivatives. However, in view of results obtained and opportunities, theproject has gradually turned towards the application of this type of object « organometallic complex- fluorophore » to the medical field and more particularly the theranostic.The second part of this manuscript describes the application of this type of compounds to thetheranostic field and more specifically the optical theranostic. It begins with a detailed introductionthat defines the challenges of this emerging topic both from the point of view of the imaging astherapy. In the second chapter, we presented the synthesis of theranostic agents including a metalfragment with therapeutic activity linked to a BODIPY, a fluorescent probe known for itsinteresting optical properties. Their characterization and study of their biological properties are alsodescribed. The third chapter focuses on the synthesis of heterobimetallic complexes incorporatingmetals of interest in oncology. These complexes are also being developed for research theranosticagents. The ligand used for medical imaging is the porphyrin. This part also includes thephotophysical studies of our complexes.

La présence d'hétéroatomes et métaux dans des fractions lourdes de pétrole brut peuvent entraîner la désactivation des catalyseurs d’hydrotraitement et d’hydrocraquage. Les composés contenant ces éléments sont connus pour être inclus dans des agrégats macromoléculaires d’asphaltènes, qui sont considérées comme les composants les plus problématiques des produits pétroliers. Ces travaux ont pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de l’environnement chimique de ces espèces et des phénomènes d’agrégation pour optimiser les processus de raffinage. Des techniques de séparation comme la chromatographie de perméation de gel ou Gel Permeation Chromatography (GPC), Advanced Polymer chromatographie (APC) et la chromatographie sur couche mince d’haute performance ou High Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC) ont été combinées avec des techniques d’analyse élémentaire comme la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif ou Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) et la spectrométrie de masse moléculaire d’haute résolution pour la caractérisation des fractions pétrolières lourdes. Les profils de distribution en taille d’espèces qui contiennent du vanadium, du nickel et du soufre, les hétéroatomes et métaux les plus abondants dans les produits pétroliers, ont été déterminés par GPC couplé à une détection élémentaire par ICP MS. Les paramètres ayant le plus d’impact sur la distribution en taille et l’évolution des agrégats dans les solutions de différentes coupes pétrolières ont été optimisés. Cela nous a permis de faire différentes comparaisons, entre de nombreuses charges et effluents de procédés, ainsi que d’autres séries d’échantillons ou de mélanges provenant d’unités-pilotes d’hydrotraitement. Les résultats obtenus ont pu être mis en regard de caractéristiques macroscopiques comme la viscosité. Le couplage du nouveau système APC avec l’ICP MS a été mis au point avec succès. Cette technique a permis de réaliser des cartographies d’échantillons pétroliers plus rapides qu’en GPC tout en consommant moins de solvant. Cependant, les différences des chromatogrammes APC obtenus par rapport aux profils GPC suggèrent des interactions indésirables avec la phase stationnaire, qui ont été l’objet d’une évaluation approfondie.Enfin, un dernier type de séparation a été évaluée. L’HPTLC, qui utilise des plaques à usage unique, peut être appliquée à la séparation de produits lourds par polarité, et ce sans étapes de déasphaltage préalable, contrairement aux colonnes de chromatographie liquide qui peuvent être détériorées à cause de l'adsorption irréversible et de la précipitation des asphaltènes. Différents types de plaques et éluants ont été testés afin de développer une méthode simple pour la séparation des fractions SAR (Saturés, Aromatiques et Résines) des échantillons de distillat sous vide ou Vacuum Gas Oil (VGO). Ce travail avait pour but des migrations en une seule étape et analyse UV qui pourrait être mis en œuvre pour l’analyse de routine dans les laboratoires de contrôle avec une adsorption irréversible réduite. Des résultats très prometteurs ont été obtenus avec l’utilisation de plaques de cellulose pour la séparation des familles de polarité différentes au sein des agrégats d’asphaltènes. Des tests sur l'analyse directe des plaques par Désorption-Ionisation par Électronébulisation (DESI) MS, l'analyse directe en temps réel ou Direct Analysis in Real Time (DART) MS et Ablation Laser (LA) ICP MS ont été effectués. / The presence of heteroatoms and metals in heavy fractions of crude oil can cause the deactivation of hydrotreatment and hydrocracking catalysts. Compounds containing these elements are known to be included in macromolecular asphaltene aggregates, which are considered the most problematic components of heavy oil. This thesis aimed for a better understanding of the chemical environment of these species and on the aggregation phenomenon to optimize refining processes. Separation techniques such as Gel Permeation Chromatography (GPC), Advanced Polymer Chromatography (APC) and High Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC) were combined with elementary analysis techniques such as Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP MS) or high-resolution molecular mass spectrometry for the characterization of heavy fractions of crude oil. Here, the size profiles of species that contain vanadium, nickel and sulfur, the most abundant heteroatoms and metals present in petroleum products, were determined by GPC online with elemental detection by ICP MS. The parameters having the most significant impact on size distribution and the evolution over time of aggregates from solutions of different petroleum cuts were optimized. This allowed the comparison between various feeds and effluents and other series of samples and mixtures from pilot units of refining processes by GPC ICP MS. Results obtained could be related to macroscopic characteristics such as viscosity. Hyphenation of the new APC System to ICP MS has been successfully completed. It allowed the mapping of petroleum samples faster than GPC, therefore with less solvent consumption. However, the differences of the APC chromatograms obtained with respect to the GPC profiles suggested significant unwanted interactions of the highly polar compounds of the petroleum samples with the stationary phase, which have been thoroughly studied. Finally, another type of separation was evaluated. HPTLC, of single-use plates, can be applied to the analysis of heavy petroleum products by polarity without prior deasphalting steps while chromatography columns can be deteriorated because of the irreversible adsorption and asphaltene precipitation. To this end, various types of plates and eluents were tested to develop straightforward SAR (Saturates, Aromatics and Resins) separations of Vacuum Gas Oil (VGO) samples. This method, based on single-step migrations with reduced irreversible adsorption and UV monitoring, could be implemented for routine analysis in control laboratories. Very promising results were obtained by the use of cellulose plates for the separation of different families within asphaltene aggregates. Tests on Desorption ElectroSpray Ionization (DESI) MS, Direct Analysis in Real Time (DART) MS and Laser Ablation (LA) ICP MS analyses of the plates have been performed.

La thérapie photodynamique (PDT) constitue une approche prometteuse pour le traitement de tumeurs cancéreuses accessibles à la lumière, en particulier pour la réduction des effets indésirables comparés à la chimiothérapie classique. Particulièrement intéressante pour le traitement du rétinoblastome, cancer le plus fréquent chez le jeune enfant, elle nécessite le développement de nouveaux photosensibilisateurs dont la structure est mieux adaptée aux spécificités des cellules ciblées. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié des dérivés porphyriniques à structure dendrimérique pour amplifier leur caractère amphiphile et créer un cluster de sucres. Cette structure pourrait favoriser la reconnaissance de ces molécules par des récepteurs membranaires, interactions déjà mises en évidence grâce à des modèles membranaires artificiels. L'objectif de cette thèse était de déterminer les mécanismes d'interactions spécifiques et non spécifiques de ces molécules avec la membrane plasmique et de valider la pertinence des modèles artificiels. Si la culture cellulaire s'est avérée inadaptée pour cette détermination, une approche innovante utilisant une microbalance à cristal de quartz et des expériences de cytométrie en flux ont confirmé la capacité des porphyrines dendrimériques à interagir avec un ou plusieurs récepteurs spécifiques. Une analyse de la composition lipidique des membranes cellulaires de la lignée Y79 et de deux xénogreffes a été également entreprise afin de mieux caractériser ces membranes et de contribuer à l'élaboration d'un modèle lipidique artificiel davantage biomimétique du rétinoblastome. / Photo Dynamic Therapy (PDT) is a promising alternative treatment against solid tumors reachable to light with less side-effects than classical chemotherapies. Its efficacy mainly relies on the physicochemical properties of a photosensitizer (PS), and its penetration into tumour cells. PDT is particularly interisting for the treatment of retinoblastoma, a malignant intraocular tumor affecting young children. Consequently, new photosensitizers need to be created. Since PS uptake may be ease by the over-expression of a mannose receptor at the surface of retinoblastoma cells, amphiphilic dendrimeric porphyrins grafted with mannose groups have been synthetised. Model membranes allow the identification of structural parameters controlling the passive penetration of porphyrins into cells. Specific interactions have been previously shown between these porphyrins and a model membrane grafted with a lectin (Concanavalin A) mimicking the mannose receptor on the retinoblastoma cell membrane. In this work we aimed at i) assessing the relevance of the membrane model with biological studies (cell culture and flow cytometry) and ii) improve the model with a lipidomic analysis of retinoblastoma cells and xenografts. Cell culture revealed to be unsuitable for our studies. To overcome this, we used an innovative approach in which retinoblastoma cells were immobilized onto the sensor of a quartz crystal microbalance (QCM-D). We fully confirmed the results achieved with the artificial membrane model. Since the composition of a membrane plays a crucial role, a lipidomic analysis of Y79 cell and xenografts membranes has been performed. Phospholipids and cholesterol have been identified and quantified with LC-DEDL and GC-MS. The feedback from these experiments not only provided useful information about the differences in lipidic composition of these membranes, but also allowed us to refine the lipidic composition of our models.

Le travail présenté dans ce mémoire avait pour but de synthétiser de nouvelles molécules dont l’architecture donne accès à des complexes hétérobimétalliques aux propriétés intéressantes pour l’imagerie médicale multimodale. Dans ce manuscrit plusieurs points principaux ont donc été abordés. La première partie de se travail porte sur la synthèse et la caractérisation des ligands. Nous décrivons dans ce manuscrit la synthèse de cinq nouveaux ligands hétérobismacrocycliques basés sur l’association d’une porphyrine et d’un ou de plusieurs dérivés du cyclène. Ces ligands présentent la particularité d’être solubles en milieux aqueux. Au cours des synthèses, nous avons ciblé les améliorations à apporter à notre travail et élaboré une nouvelle voie de synthèse qui permet d’accéder, en seulement six étapes, à un ligand composé d’une porphyrine, d’un dérivé du cyclène et d’une fonction amine libre qui permettra de greffer le ligand sur un vecteur biologique. La seconde partie de ce manuscrit porte sur l’incorporation de centres métalliques dans les ligands synthétisés ainsi que l’étude de leur efficacité en tant qu’agent de contraste de l’IRM. Nous décrivons la synthèse de cinq complexes de gadolinium (III) et de trois complexes hétérobimétalliques associant du gadolinium (III) et du cuivre (II). En effet, le gadolinium est actuellement utilisé dans les agents de contraste de l’IRM et un des isotopes du cuivre, le cuivre-64, est utilisé en imagerie PET. Nous décrivons un protocole de mesure de la relaxivité des complexes à haut et à bas champs magnétiques. Cinq complexes présentent des valeurs de relaxivité quatre fois supérieures à celles des agents de contraste commerciaux de l’IRM. Le dernier chapitre de ce travail porte sur la synthèse, la caractérisation et les études photophysiques de quatre antennes moléculaires associant des porphyrines et des BODIPY. Nous avons développé deux voies de synthèses originales. La première est basée sur la création de liaisons bore-oxygène en substituant les atomes de fluor portés par l’atome de bore des BODIPY. L’autre voie de synthèse utilise la réaction de cycloaddition dipolaire d’Huisgen. Nous décrivons des études photophysiques qui mettent en évidence des transferts d’énergie du BODIPY vers la porphyrine Nous avons mis en évidence le premier exemple de transfert d’énergie d’une porphyrine vers un BODIPY grâce à un système “blue” BODIPY étendu couplé à des porphyrines par une réaction de chimie “click”. / The goal of my PhD thesis was to synthesize new molecules, which give access to heterobimetallic complexes with interesting properties for multimodal imaging. In this manuscript, several main points have been studied. The first part of this work concerns the synthesis and characterization of ligands. We describe here the synthesis of five new ligands based on the association of one porphyrin and one or several cyclen derivatives. Those ligands are water-soluble. During the synthesis, we have targeted improvements to our work and developed a new synthetic pathway, which allowed us to obtain one ligand incorporating a porphyrin, a cyclen derivative and a free amine function. This function could be activated to further graft the ligand onto a biological vector. The second part of this manuscript describes the chelation of metallic centers into the ligands and the study of their efficiency as MRI contrast agents. We describe the synthesis of five gadolinium (III) complexes and three heterobimetallic complexes associating gadolinium (III) with copper (II). Indeed, gadolinium is currently used in contrast agents for MRI and the radioactive isotope of copper, copper-64 is used in PET imaging. We describe also a procedure to measure the relaxivity of the gadolinium complexes at low and high magnetic fields. Five complexes exhibit relaxivity values five times larger than commercially available MRI contrast agents. The last part of this work is related to the synthesis, characterization and photophysical studies of four molecular antennas incorporating porphyrins and BODIPY. We describe two original synthetic pathways. The first one is based on the formation of boron-oxygen bonds by substitution of the fluorine atoms bound to BODIPY boron atom. The second synthetic pathway involves the Huisgen’s dipolar cycloaddition. We describe photophysical data and give evidences of the energy transfer from BODIPY to porphyrin. We present also the first example of energy transfer from porphyrin to BODIPY in the system obtained by “click” chemistry involving an extended “blue” BODIPY.

Améliorer notre compréhension des mécanismes de transport/transfert de charges et de stockage de charges dans les films d'oxyde métallique semi-conducteur mésoporeux transparents (fonctionnalisés ou non par des chromophores redox-actifs) dans des électrolytes aqueux est d'une importance fondamentale pour le développement et l'optimisation d'une large gamme de dispositifs de production ou de stockage d'énergie éco-compatibles et/ou éco-durables (cellules solaires à colorants, batteries, photoélectrolyseurs, ….). Dans ce but, des films de TiO2 semi-conducteur mésoporeux préparés par dépôt sous incidence rasante (GLAD-TiO2) ont été sélectionnés pour leur grande surface spécifique, leur morphologie bien contrôlée, leur transparence élevée dans le visible et leur semiconductivité bien définie qui peut être facilement ajustée par l’application d’un potentiel externe, autorisant ainsi leur caractérisation aisée par spectroélectrochimie en temps réel. Nous avons d'abord étudié le transfert et transport de charges dans des électrodes GLAD-ITO et GLAD-TiO2 fonctionnalisées par une porphyrine de manganèse redox-active jouant à la fois le rôle de chromophore et de catalyseur. Nous avons démontré que la réponse électrochimique des électrodes ainsi modifiées, enregistrée en l'absence ou en présence du substrat O2, dépend fortement de la conductivité du film mésoporeux. En utilisant la voltamétrie cyclique couplée à la spectroscopie d'absorption UV-visible, nous avons pu extraire des informations clés telles que la vitesse du transfert d'électrons hétérogène entre le chromophore redox immobilisé et le matériau semi-conducteur, et aussi pu rationaliser le comportement électrochimique spécifique obtenu sur un film GLAD-TiO2 modifié par la porphyrine en condition catalytique. En parallèle, nous avons développé un procédé de fonctionnalisation de ces films d'oxyde métallique mésoporeux (en l’occurrence des films GLAD-ITO) par électrogreffage de sels d'aryldiazonium générés in situ, permettant d'obtenir des électrodes fonctionnalisées avec un taux de recouvrement surfacique élevé et une stabilité dans le temps particulièrement bonne en conditions hydrolytiques. Nous avons également étudié le stockage de charges au sein d’électrodes GLAD-TiO2 dans divers électrolytes aqueux. Nous avons notamment démontré pour la première fois qu’une insertion rapide, massive et réversible de protons peut être effectuée dans des films de TiO2 nanostructurés amorphes immergés dans un tampon aqueux neutre, le donneur de protons étant alors la forme acide faible du tampon. Nous avons également démontré que ce processus de stockage d’électrons couplé à l’insertion de protons peut se produire sur toute la gamme de pH et pour un vaste panel d'acides faibles organiques ou inorganiques, mais aussi de complexes aqueux d'ions métalliques multivalents, à condition que le potentiel appliqué et le pKa de l'acide faible soient correctement ajustés. / Better understanding of the mechanisms of charge transport/transfer and charge storage in transparent mesoporous semiconductive metal oxide films (either functionalized or not by redox-active chromophores) in aqueous electrolytes is of fundamental importance for the development and optimization of a wide range of safe, eco-compatible and sustainable energy producing or energy storage devices (e.g., dye-sensitized solar cells, batteries, photoelectrocatalytic cells, …). To address this question, mesoporous semiconductive TiO2 films prepared by glancing angle deposition (GLAD-TiO2) were selected for their unique high surface area, well-controlled morphology, high transparency in the visible, and well-defined semiconductivity that can be easily adjusted through an external bias, allowing thus their characterization by real-time spectroelectrochemistry. We first investigated charge transfer/transport at GLAD-ITO and GLAD-TiO2 electrodes functionalized by a redox-active manganese porphyrin that can play both the role of chromophore and catalyst. We demonstrate that the electrochemical response of the modified electrodes, recorded either in the absence or presence of O2 as substrate, is strongly dependent on the mesoporous film conductivity. By using cyclic voltammetry coupled to UV-visible absorption spectroscopy, we were able to recover some key information such as the heterogeneous electron transfer rate between the immobilized redox-active dye and the semiconductive material, and also to rationalize the specific electrochemical behavior obtained at a porphyrin-modified GLAD TiO2 film under catalytic turnover. In parallel, we developed a new functionalization procedure of mesoporous metal oxide films (GLAD-ITO in the present case) by electrografting of in-situ generated aryldiazonium salts, allowing for modified electrodes characterized by both a high surface coverage and a particularly good stability over time under hydrolytic conditions. Also, we investigated charge storage at GLAD-TiO2 electrodes under various aqueous electrolytic conditions. We notably evidenced for the first time that fast, massive, and reversible insertion of protons can occur in amorphous nanostructured TiO2 films immersed in near neutral aqueous buffer, with the proton donor being the weak acid form of the buffer but not water. We also demonstrated that this proton-coupled electron charge storage process can occur over the entire range of pH and for a wide range of organic or inorganic weak acids, but also of multivalent metal ion aquo complexes, as long as the applied potential and pKa of weak acid are properly adjusted.