La synthèse et l'étude de rotaxanes et de porphyrines sont deux domaines particulièrement actifs de la recherche en chimie. Cependant, les composés combinant les propriétés intéressantes de ces deux types de structures sont plus rares. De nouveaux multi-rotaxanes à base de porphyrines, dont la préparation représente un défi synthétique, sont décrits dans cette thèse.Des porphyrines liées à deux ou quatre anneaux coordinants ont été synthétisées. Des rails moléculaires à deux chélates ont été enfilés dans les anneaux grâce à l'effet template du cuivre(I); l'introduction de bouchons a mené à la formation de rotaxanes. Dans le cas du bis-macrocycle porphyrinique, un [4]rotaxane a été obtenu. Des études de complexation hôte/invité avec des ligands azotés rigides ont montré que ce rotaxane est un récepteur moléculaire qui peut s'adapter à la taille du substrat invité en se "gonflant" ou en se "dégonflant".Dans le cas du tétra-macrocycle porphyrinique, la formation d'un [3]rotaxane d'architecture originale a étéobservée.La synthèse d'un nouveau bis-macrocycle plus rigide est en cours. Ce composé sera utilisé pour la construction d'un [4]rotaxane, qui pourrait montrer un caractère de presse moléculaire capable de modifier la conformation d'un substrat invité en le comprimant. / Rotaxanes and porphyrins are two particularly active fields of research in chemistry. However,molecules that combine the interesting properties of these types of structures are not so common. In this thesis we describe new porphyrin-based multi-rotaxanes, whose syntheses constitute interesting challenges.Porphyrins linked to two or four coordinating macrocycles were synthesised. The "gathering-andthreading" effect of copper(I) was used to thread molecular rods through the rings; the subsequent introduction of stoppers led to the formation of rotaxanes. In the case of the porphyrinic bis-macrocycle a [4]rotaxane was obtained. Host/guest complexation studies with rigid nitrogen ligands showed that the rotaxane behaves as a distensible molecular receptor that can adopt an "inflated" or "deflated" conformation and adjust its shape to the size of the guest. In the case of the porphyrinic tetra-macrocycle the formation of a [3]rotaxane of novel architecture was observed.The synthesis of a new, more rigid bis-macrocycle is in progress. This compound will be used for the construction of a [4]rotaxane that could act as a molecular press able to change the conformation of a guest substrate by compression.

This thesis describes the synthesis of halogen bonding receptors for integration within interlocked anion host systems. Chapter 1 introduces the field of supramolecular chemistry, with a particular focus on anion recognition and sensing, halogen bonding, and the synthesis of mechanically interlocked structures. Chapter 2 describes the preparation and anion binding properties of carbazole-based receptor molecules. A systematic anion binding study on a series of halogen- and hydrogen-bonding 3,6-bis-triazolium carbazole acyclic receptors is described initially, followed by the development of a halogen bonding rotaxane. The anion and metal complexation properties of acyclic and macrocyclic systems incorporating the 1,8-bis-triazole carbazole motif are also presented. Chapter 3 details the synthesis and anion complexation investigations of halogen and hydrogen bonding naphthalene-based acyclic and interlocked rotaxane host molecules. Chapter 4 presents receptors based on the 4,4'-bis-triazole-2,2'-bipyridyl motif. A halogen bonding rhenium(I) bipyridyl complex is exploited in the development of a rotaxane host system which optically senses anions via luminescence purely through halogen bonding interactions. The anion recognition and sensing properties of diquat-based receptors are also investigated, and shown to exhibit optical and electrochemical responses to anions. Chapter 5 summarises the major conclusions from Chapters 2-4. Chapter 6 describes the experimental procedures used in the work, and includes characterisation data for the synthesised compounds. Supplementary information relating to crystallographic data, and absorption, luminescence and electrochemical studies, is provided in the Appendices.

This thesis describes the synthesis and investigation of novel anion templated interlocked structures which incorporate the positively charged imidazolium and triazolium binding motifs for applications in anion recognition and sensing. Chapter One introduces the fields of anion supramolecular chemistry and mechanically interlocked structures, focusing on topics of particular relevance to this thesis, including anion recognition, anion sensing and the templated synthesis of interlocked architectures. Chapter Two details the incorporation of the imidazolium motif into the axle components of anion templated rotaxane hosts to achieve selective anion recognition by virtue of their interlocked binding cavities. The effects of exploiting imidazolium motifs with contrasting hydrogen bond donor arrangements and reducing the macrocycle size on the anion recognition properties of such systems were investigated using 1H NMR spectroscopy. Chapter Three reports the work undertaken to utilise fluorescent reporter groups as stoppers in the synthesis of anion sensing rotaxanes. Imidazolium- and triazolium based systems containing either luminescent ruthenium(II) bipyridyl complexes or the organic fluorophore anthracene were prepared and their anion sensing behaviours explored using fluorescence spectroscopy. Synthetic efforts to construct suitable photo-active rotaxanes are detailed. Chapter Four describes investigations of the novel naphthalimide triazolium motif both for use in interlocked molecular motion systems, and for fluorescence sensing applications. The preparation of a naphthalimide triazolium rotaxane, capable of selective, anion-induced, uni-directional shuttling which was investigated extensively using 1H NMR spectroscopy and optically signalled by perturbations in the UV/Vis spectrum, is detailed. Preliminary research studies into the potential to exploit this motif for surface based fluorescence sensing devices are also included. Chapter Five presents research into the utilisation of acyclic receptors displaying considerable binding induced conformational changes for fluorescence anion sensing. The recognition properties of a series of imidazolium-based receptors were studied, whilst the ability of a pyrene appended analogue to signal anion complexation via changes in excimer emission is reported. The control of interpenetrated assembly formation using anion-induced conformational changes within the threading component of a pseudorotaxane is also discussed. Chapter Six provides the experimental procedures and characterisation details for the compounds synthesised in this thesis. Chapter Seven is a summary of conclusions from Chapters Two, Three, Four and Five. Supplementary information relating to titration protocols, crystallographic data and surface studies is provided in the Appendices.

This thesis explores the surface assembly of mechanically interlocked molecular architectures at gold surfaces for potential applications in molecular switches, anion sensing and stimuli (redox and optical) responsive molecular films. <b>Chapter One</b> introduces the field of mechanically interlocked molecules focusing on rotaxane and catenane surface assemblies in the form of single molecule thick self-assembled monolayers. A review of the surface-attached characteristics of mechanically interlocked molecules is given before exploring specific anion template directed strategies for their construction. The potential to incorporate both redox-active and optically-active functional groups within these mechanically interlocked molecules is also discussed. <b>Chapter Two</b> provides the experimental details and procedures employed in this thesis to characterise the molecular systems under investigation. <b>Chapter Three</b> introduces several surface characterisation techniques such as; ellipsometry, contact angle, X-ray reflectivity and X-ray photoelectron spectroscopy, with a particular focus of applying these tools to probe the surface co-conformation of switchable and interlocked molecules at surfaces. Electroanalytical techniques such as cyclic voltammetry, chronoamperometry and electrical impedance spectroscopy are also introduced. <b>Chapter Four</b> details the surface assembly of a series of ferrocene containing anion templated catenane self-assembled monolayers on gold. Detailed electrochemical and angle resolved X- ray photoelectron spectroscopy characterisation elucidates the co-conformation upon surface attachment. <b>Chapter Five</b> details the anion templated surface assembly of a redox-active rotaxane self- assembled monolayer on gold. Subsequent electroanalysis and X-ray photoelectron spectroscopy characterisation confirms the structural integrity of the film and a possible co- conformation at the surface is discussed. <b>Chapter Six</b> describes efforts towards constructing optically responsive hybrid d-f lanthanide containing mechanically interlocked molecules. Initial work focuses on switching characteristics of a redox switchable antennae and its ability to modulate the luminescence of a series of lanthanide complexes in solution. Subsequent surface attachment of the lanthanide complexes in the form of emissive self-assembled monolayers is also investigated.

Neuartige Rotaxane, die zwei 9-Aryl-9-methoxy-10-methyl-9,10-dihydroacridin-Bausteine (Acridane) an beiden Enden der molekularen Achse als Bindungsstellen für den tetrakationischen CBPQT4+-Ring besitzen, wurden gemeinsam mit ihren korrespondierende Acridinium-Rotaxanen synthetisiert. Mit diesen Rotaxanen wurde ein neues Konzept für die Steuerung der Ringbewegung im Rotaxan realisiert. Aufgrund der Brownschen Molekularbewegung pendelt der Ring von einem Ende der Achse zur anderen in den Acridan-Rotaxanen. Diese Pendelbewegung wird durch die Umwandlung von einer oder zwei Acridan-Stationen in die entsprechende Acridinium-Einheit gestoppt. Wenn beide Acridane durch Zugabe von Säure umgewandelt werden, komplexiert der Ring auf einer Ausweich-Station, die im mitlleren Bereich der Achse zu finden ist. Durch Photonen wird nur die unbesetzte Acridanstation umgewandelt, so dass der Ring auf der unveränderten Acridan-Station verbleibt. Die Pendelbewegung kann wieder durch Zugabe von Base und durch thermische Rückreaktion des Methoxids mit dem gebildeten Acridinium-Ion angeschaltet werden. / Novel rotaxanes containing two 9-aryl-9-methoxy-10-methyl-9,10-dihydroacridine moieties (acridanes) at both ends at the molecular axle as recognition stations for the tetracationic ring CBPQT4+ were synthesized together with their acridinium counterparts. A new concept of controlling the ring movement within rotaxanes has been realized with these rotaxanes. Owing to Brownian molecular movement, the ring shuttles from one end of the axle to the other one in acridane rotaxanes. The shuttle process is stopped by converting two or one of the acridane stations into the corresponding acridinium unit. If both acridanes are transformed by addition of an acid, the ring resides on evasive stations present in the center of the axle. Photons convert only the unoccupied acridane station, thus the ring remains on the unchanged acridane station. The shuttle process can be switched on by addition of a base and by thermal reaction of the methoxide with the formed acridinium ion, respectively.

Un défi dans le domaine des nanotechnologies consiste à coupler des mouvements moléculaires individuels bien définis pour produire une réponse macroscopique.Dans nos travaux, nous avons pu démontrer, pour la première fois et de manière originale, la contraction et l’extension micrométrique de polymères supramoléculaires téléscopiques. En particulier, des rotaxanes mécaniquement entrelacés et possédant deux stations aux affinités modulables ont été fonctionnalisés par des unités de coordination, permettant ainsi leur polymérisation en présence d’ions métalliques. L’utilisation de techniques de diffusion du rayonnement en solution a démontré la présence de chaines polymères supramoléculaires uniques présentant un très haut poids moléculaire. La variation du pH a ensuite permis d’obtenir les nano‐ contractions et extensions coopératives des rotaxanes individuels conduisant aux mouvements amplifiés de type muscle des chaines supramoléculaires avec des changements de leur longueur de contour de l’ordre de plusieurs micromètres. Un autre exemple consistant en un monomère rotaxane fonctionalisé à ces extrémités par des unités pyridines bis‐imides, pouvant former des liaisons hydrogènes avec un connecteur approprié, a permis de combiner plusieurs niveaux d’organisation hiérarchique. Des études par microscopie électronique à transmission ont mis en évidence la formation de « fagots » de fibres présentant un aspect de muscle. Ce travail représente le premier exemple démontrant la synchronisation de milliers de machines moléculaires à des échelles différentes et est considéré, en lui‐même, comme une avancée majeure en chimie supramoléculaire à l’interface avec les nanotechnologies. / One of the targeted challenges in nanotechnologies consists in coupling together defined individual molecular motions for the production of macroscopic response. Herein we have developed for the first time innovative micrometric contraction and extension of telescopic supramolecular polymers. In particular, mechanically interlocked and switchable double threaded rotaxanes have been tailored with coordination functions and subsequently polymerized in the presence of metal ions. Characterizations by scattering techniques in solution reveal the formation of single-strand supramolecular polymer chains with very high molecular weight (up to 8 × 106 g.mol-1). The subsequent pH modulation triggers cooperative nano-contractions / extensions of the individual rotaxanes resulting in an amplified motion of the muscle-like supramolecular chains with changes of their contour lengths by several micrometers.In another example, consisting in a rotaxane monomer ended by pyridine bis-imide units which can form donor-acceptor-donor type H-bonding with an appropriate connector, we were able to combine several level of hierarchical organization. The acid / base titration process of the rotaxane and the corresponding polymer with the connector was studied by 1H NMR and neutron scattering. TEM studies showed the formation of bundles of fibers with a muscle-like aspect.This work represents the first example showing this synchronization of thousands of molecular machines to cross several length scales and as such, it is considered as a major step in supramolecular chemistry at its interface with nanotechnologies.

Malgré les efforts extrêmement importants réalisés pour la recherche de nouveaux agents anticancéreux, les traitements par chimiothérapie ne permettent toujours pas de traiter efficacement un grand nombre de tumeurs. En effet, les molécules utilisées cliniquement ne sont généralement pas sélectives des tissus cancéreux et la destruction des tissus sains qu'elles engendrent provoque de lourds effets secondaires. Le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques plus sélectives représente donc un intérêt majeur en chimie médicinale. Dans ce cadre, nous avons développé plusieurs vecteurs non toxiques conçus pour reconnaître des spécificités liées à la malignité puis libérer de manière contrôlée des agents cytotoxiques exclusivement au niveau de la tumeur. Dans le cadre de cette thèse, le concept de vecteur glucuronylé a été adapté à la MMAE et à la cyclopamine. Ces vecteurs pourront être sélectivement activé par la B-glucuronidase présente en concentration importante dans les zones nécrotiques de nombreuses tumeurs solides et ainsi libérer ces agents anticancéreux au niveau des tissus cancéreux. Des études préliminaires visant à évaluer l'efficacité de ces composés in-vitro et in-vivo ont montré la validité de cette approche. Dans un deuxième temps, un vecteur glucuronylé de la doxorubicine pouvant se lier à l'albumine plasmatique a été conçu. Une étude réalisée chez la souris a montré que ce composé possède une efficacité thérapeutique similaire à celle de la doxorubicine et ne provoque pas les effets secondaires constatés lors du traitement avec la drogue seule. La troisième partie est consacrée au développement du premier vecteur activable par la B-galactosidase ut / Despite several years of intensive research devoted to the discovery of novel anticancer agents, chemotherapy is still not entirely effective for the treatment of many solid tumors. Most of the drugs used clinically act by anti-proliferative mechanisms and lack any intrinsic selectivity, leading to severe adverse effects due to the destruction of normal tissues. Therefore, the development of more selective therapeutic approaches has become a major goal in medicinal chemistry. Within this framework, we have developed several nontoxic drug carriers designed for both the efficient recognition of malignant specificities and the controlled release of anti-neoplastic agents exclusively at the tumour site. First, we applied the concept of glucuronide prodrugs to MMAE and Cyclopamine in order to deliver these anticancer drugs at the tumor site. Indeed, glucuronide prodrugs can be selectively activated by B-glucuronidase present in high concentration in necrotic area of numerous solid tumors. Preliminary in vitro and in vivo evaluations of these prodrugs demonstrated the potential of this approach. Second, we studied the first B-glucuronidase-responsive albumin-binding prodrug designed for the selective delivery of doxorubicin at the tumor site. In vivo experiment conducted in mice show that this compound inhibits tumor growth in a similar manner to doxorubicin whilst avoiding side effects induced by the free drug. We also developed the first B-galactosidase-responsive drug delivery system suitable for the treatment of solid tumors in PMT. Such a targeting system can be selectively activated by lysosomal B-galactosidase located inside malignant cells expressing a specific tumor-a

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

L’avancée des infrastructures informatiques a permis l’émergence de la modélisation moléculaire. À cet effet, une multitude de modèles mathématiques sont aujourd’hui disponibles pour simuler différents systèmes chimiques. À l’aide de la modélisation moléculaire, différents types d’interactions chimiques ont été observés. À partir des systèmes les plus simples permettant l’utilisation de modèles quantiques rigoureux, une série d’approximations a été considérée pour rendre envisageable la simulation de systèmes moléculaires de plus en plus complexes. En premier lieu, la théorie de la fonctionnelle de densité dépendante du temps a été utilisée pour simuler les énergies d’excitation de molécules photoactives. De manière similaire, la DFT indépendante du temps a permis la simulation du pont hydrogène intramoléculaire de structures analogues au 1,3,5-triazapentadiène et la rationalisation de la stabilité des états de transition. Par la suite, la dynamique moléculaire et la mécanique moléculaire ont permis de simuler les interactions d’un trimère d’acide cholique et d’un pyrène dans différents solvants. Cette même méthodologie a été utilisée pour simuler les interactions d’un rotaxane-parapluie à l’interface d’un système biphasique. Finalement, l’arrimage moléculaire et les fonctions de score ont été utilisés pour simuler les interactions intermoléculaires entre une protéine et des milliers de candidats moléculaires. Les résultats ont permis de mettre en place une stratégie de développement d’un nouvel inhibiteur enzymatique. / The evolution of computer systems has led to the emergence of molecular modeling. To this end, a variety of mathematical models are now available to simulate various chemical systems. Using molecular modeling, different types of chemical interactions were observed. From the simplest systems allowing the use of rigorous quantum models, a series of approximations were considered in order to make possible the simulation of increasingly complex molecular systems. First, time-dependent density fonctional theory has been used to simulate the excitation energies of photoactive molecules. Similarly, time-independent DFT has enabled the simulation of intramolecular hydrogen bonding in the 1,3,5-triazapentadiene system and the rationalization of the stability of the transition states. Subsequently, molecular dynamics and molecular mechanics were used to simulate the interactions of a trimer of cholic acid with a pyrene in different solvents. This methodology was then used to simulate the interactions of an umbrella-rotaxane at the interface of a biphasic system. Finally, molecular docking and the concept of scoring functions were used to simulate the intermolecular interactions between a protein molecule and thousands of potential ligands. The results were then used to create a strategy for the development of a new enzyme inhibitor.

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