Parmi les molécules entrelacées, les « muscles moléculaires » et les lassos occupent une place de choix due à leur structure singulière qui leur permet d’adopter différentes co-conformations en fonction d’un stimulus externe. En effet, la structure doublement entrelacée dimère de [2]rotaxane permet des états plus ou moins contractés en fonction du « glissement » d’un monomère par rapport à un autre, d’où son appellation muscle moléculaire, par analogie avec les muscles de notre organisme. D’autre part, l’architecture [1]rotaxane peut être comparée à un lasso qui peut se resserrer ou se desserrer en fonction d’un stimulus externe. L’accessibilité à ces synthons entrelacés paraît importante à étudier pour une application plus large de ces structures dans des domaines variés. En particulier, l’intégration de ces synthons dans des structures polymères paraît séduisante à envisager. Aussi, nous proposons dans ce manuscrit différentes voies d’accès efficaces à des synthons dimères de [2]rotaxanes et lassos fonctionnalisés ou activés, dépourvus ou non de sites d’interactions entre les éléments à assembler, et qui peuvent être isolés, soit pour des condensations ultérieures avec des polymères convenablement fonctionnalisés pour la formation de polymères à réseau tridimensionnel, soit utilisés comme monomères pour la synthèse de polymères à propriétés physico-chimiques modulables. Enfin, une application méthodologique de la synthèse de synthon dimère de [2]rotaxane à la formation d’une espèce tetraentrelacée est proposée. Celle-ci combine un agencement dimère de [2]rotaxane avec une architecture [2]rotaxane, dont deux mouvements distincts peuvent être actionnés par machinerie moléculaire. Après une introduction générale bibliographique, mon manuscrit de thèse s’articule autour de trois chapitres. Un premier chapitre concerne la synthèse et l’étude de dimères de rotaxanes symétriques à extrémités fonctionnalisées (i.e. dialcynes et diazotures). Quelques essais préliminaires d’utilisation de ces synthons dans des réactions de réticulation d’un polymère sont présentés. De manière méthodologique, nous avons envisagé la synthèse non-statistique de dimères de [2]rotaxanes dissymétriques (i.e. azoture / alcyne) en jouant sur des interactions supplémentaires entre macrocycles. Le deuxième chapitre concerne une application méthodologique de l’utilisation d’un synthon dimère de [2]rotaxane, décrit dans le premier chapitre, pour la conception et l’étude d’un muscle moléculaire pH-sensible d’architecture tetraentrelacée à trois stations moléculaires différentes (anilinium, ammonium et triazolium). La stratégie de synthèse efficace est basée sur un tri-automatique d’espèces supramoléculaires. La molécule cible, un hétéro[4]rotaxane original, contient deux agencements supramoléculaires distincts au sein d’une même molécule : un dimère de [2]rotaxane comme échafaud, lié à deux extrémités [2]rotaxanes. Enfin, un troisième et dernier chapitre traite de la synthèse d’une brique élémentaire d’architecture lasso pouvant être incorporée dans un polymère polyaminé. À titre d’exemple préliminaire, un [1]rotaxane et un tris-[1]rotaxane ont été synthétisés et étudiés. Une méthode propre au laboratoire et basée sur une stratégie originale utilisant un « transporteur » de macrocycle, permet la synthèse de lassos dénués de sites d’interactions efficaces, qui restent encore actuellement des cibles synthétiques difficiles voire impossibles d’accès. Ainsi, cette nouvelle stratégie de synthèse ouvre de réelles perspectives puisqu’elle permet l’accès généralisé à n’importe quelles structures entrelacées. / Among the interlocked molecules, "molecular muscles" and lassos hold a prominent place result of their singular structure which allows them to adopt stretched and tightened co-conformations in response to an external stimulus. Indeed, the doubly interwoven architecture [2]rotaxane dimer allows more or less contracted states based on the "sliding" of a monomer relative to the other, hence the name molecular muscle, by analogy to the movement observed in the muscles of the human body. On the other hand, the [1]rotaxane architecture may be compared to a lasso, which can tighten or loosen in response to an external stimulus. The accessibility of these interlocked building-blocks seems important to study for a broader application of these structures in various fields. In particular, the integration of these building-blocks in polymer structures is attractive to consider. Also, we propose in this PhD different chemical routes to effective functionalized or activated [2]rotaxanes dimers and lassos building-blocks, devoid or not of interaction site between components to be assembled and which may be isolated, either for subsequent condensation with suitably functionalized polymers with the aim of forming three-dimensional network, or used as monomers for the synthesis of adjustable polymers with tunable physicochemical properties. Finally, a methodological application of the synthesis of a [2]rotaxane dimer building-block in the formation of a tetra-interlocked species is proposed. The chemical architecture combines a [2]rotaxane dimer arrangement with two [2]rotaxane moieties, whose distinct movements may be actuated by molecular machinery. The manuscript begins by a bibliographical general introduction and is followed by three different chapters. One chapter relates on the synthesis and study of symmetrical rotaxane dimers which are functionalized at the extremities of the threads (i.e. dialkyne and diazide). Some preliminary tests using these building-blocks in polymer crosslinking reactions are reported. In a methodological aim, we considered non-statistical synthesis of asymmetrical [2]rotaxanes dimers (i.e. azide / alkyne) by adjusting additional interactions between macrocycles. The second chapter relates to a methodological application of the use of [2]rotaxane dimer building-block for the design and study of a tetra-interlocked pH-sensitive molecular muscle including three molecular stations (anilinium, ammonium and triazolium). The efficient synthetic strategy is based on a self-sorting of supramolecular species. The targeted molecule, an original hetero[4]rotaxane, contains two distinct supramolecular arrangements in the same molecule: a [2]rotaxane dimer as the scaffold linked to two [2]rotaxane ends. Finally, a third and last chapter deals with the synthesis of a lasso building-block molecular architecture that can be incorporated into a polyamine compound. As a preliminary example, triazolium-based mono- and tris-branched [1]rotaxanes were synthesized and studied. A peculiar method of the laboratory and based on a strategy using a “transporter” of macrocycle, allows the synthesis of lassos devoid of any efficient template, which are still currently difficult or impossible synthetic targets. Thus, the new synthetic strategy open avenues to the wide access of any interlocked structures.

L'auto-assemblage dynamique est une méthode puissante pour accéder à des édifices moléculaires fonctionnels complexes. Son application à la construction de moteurs moléculaires par le biais de la maîtrise des échelles de temps ouvre la voie à des générations de nano-machines de plus en plus sophistiquées pouvant spontanément renouveler leurs composants ou les changer pour d'autres. La première partie de ce manuscrit est axée sur le design d’hélices d’oligoamides aromatiques qui peuvent s’enrouler le long d’un axe et glisser rapidement le long de celui-ci avant de se dérouler. Le second volet de cette thèse est consacré à la mise en évidence d’un mouvement qui est caractérisé pour la première fois à l’échelle moléculaire: le vissage. Le dernier axe de recherche développé dans ce manuscrit concerne la mise en évidence d’un intermédiaire cinétique de type foldaxane se transformant progressivement en un complexe hôte-invité 2:2 thermodynamiquement stable. / Dynamic self-assembly is a powerful method for fabricating complex, functional molecular structures. Its application to the construction of molecular motors through the control of timescales paves the way for new generations of nano-machines, in which sophisticated components can be spontaneously renewed or changed by others. The first part of this thesis focuses on the design of aromatic oligoamides that can slowly wind along an axis and shuttle along it before unfolding. The second chapter is devoted to the detection of a movement that is characterized for the first time at the molecular level: the screwing motion. The last line of research developed in this manuscript concerns the identification of a long-lived kinetic supramolecular by-product based on foldaxane architecture, which gradually transforms into a thermodynamically favored 2:2 host-guest complex.

Les systèmes moléculaires sont constitués d'unités distinctes, qui se coordonnent pour permettre l'émergence d'une propriété, ou d'un comportement complexe. Les molécules entrelacées, et notamment les rotaxanes, sont des composés particulièrement adaptés à la réalisation de tels systèmes, en raison de la liaison mécanique qui les caractérise. Grâce au développement impressionnant des stratégies de synthèse permettant d'accéder de façon efficace à diverses architectures entrelacées, de nombreux systèmes fonctionnels ont été développés, et nous nous proposons d'enrichir ce panel à travers trois exemples.Nous avons élaboré le premier rotaxane enzymo-sensible capable de libérer sélectivement un agent anticancéreux, grâce aux actions successives de deux hydrolases. L'originalité de ce système réside dans l'ouverture contrôlée du macrocycle, qui conduit au désassemblage des constituants entrelacés. Notre rotaxane enzymo-sensible est stable dans le plasma et déclenche de façon autonome l'activité du paclitaxel au sein des cellules cancéreuses.Dans un deuxième temps, nous avons étudié la synthèse stéréosélective de rotaxanes présentant une chiralité mécanique et ses applications dans le cadre du contrôle du mouvement à l'échelle moléculaire.Enfin, le dernier projet concerne le développement d'un système moléculaire capable de mimer le fonctionnement d'une enzyme. Ce système doit être en mesure de fonctionner de façon catalytique au sein d'un mélange pour conduire à la formation sélective d'une molécule parmi une multitude de possibilités. / Molecular systems are composed of distinct units that coordinate to allow the emergence of a property, or a complex behavior. Within this framework, the design of functional interlocked molecules programmed to perform specific tasks in response to an external stimulus has received considerable attention. The main goal of this thesis is to enrich this field of research through the study of three novel such functional systems. First of all, we developed the first enzyme-sensitive [2]rotaxane designed to release a potent anticancer drug within tumor cells. The molecular device includes a protective ring that prevents the premature liberation of the drug in plasma. However, once located inside cancer cells the [2]rotaxane leads to the release of the drug through the controlled disassembly of the mechanically interlocked components, in response to a determined sequence of two distinct enzymatic activations.We also studied the stereoselective synthesis of chiral rotaxanes with the aim to control the direction of the motion at molecular level. These [2]rotaxanes include a thread with two identical triazole stations that can interact with an unsymmetrical fluorinated macrocycle in the presence of cupper (I). We demonstrated that the interaction of the macrocycle with one or the other of the stations lead to the synthesis of two mechanical diastereoisomers.Finally, we attempted to develop a molecular system able to mimic the operation of an enzyme in a complex mixture. This system was designed to allow the selective formation of one particular molecule among several other possibilities in a catalytic way.

Cette thèse est dédiée à la conception de machines moléculaires pH-sensibles inédites de type muscles et nœuds moléculaires. Le premier muscle moléculaire pH-sensible a été synthétisé de manière très directe, et publié en 2008, en utilisant une stratégie en deux étapes: 1) fermeture des axes encapsulés par cycloaddition 1,3-dipolaire de type Huisgen catalysée par le cuivre (I), 2) méthylation des triazoles formés en triazoliums, capables d'être reconnus par les macrocycles DB24C8. Deux états étirés ou contractés, déclenchés par simple variation de pH, permettent le contrôle de l'orientation et de la distance entre les deux « stoppeurs » glucidiques non reliés de manière covalente. Des stations pyridiniums amides mono ou disubstitués inédites ont également été utilisées pour la synthèse de muscles moléculaires de plus large amplitude à effets co-conformationnels induits. Lors de la contraction du muscle par carbamoylation des ammoniums, la différence de localisation des macrocycles autour des stations pyridiniums amides, dépendante de la substitution des amides, engendre deux effets très différents : rôle de frein moléculaire de la DB24C8 ou basculement conformationnel impressionnant des chaises des mannopyranoses. Une étude méthodologique a été menée afin de classer les stations moléculaires rencontrées dans ce manuscrit, selon leurs affinités respectives pour la DB24C8, et a conduit à la conception d'un muscle moléculaire oscillant dont l'état varie continuellement entre contracté et semi-contracté en fonction de la température et de la nature du solvant. Enfin, différentes stratégies de synthèse ont été explorées pour obtenir des nœuds moléculaires inédits en forme de double lasso par cyclisation de synthons dimères de rotaxanes. Un double lasso dont la vitesse de rotation et la taille de la cavité peuvent être modulées en fonction du pH a ainsi été obtenu. / This thesis is devoted to the synthesis of pH-sensitive molecular muscles and knots. The first molecular muscle has been readily synthesized and published in 2008, using a two-step strategy: 1) end-capping of the interlocked axles by copper(I)-catalyzed Huisgen alkyne-azide 1,3-dipolar cycloaddition, 2) methylation of triazoles to triazoliums, which are able to interact with the macrocycle DB24C8. Two stretched and contracted states, triggered by variation of pH, allow the control of the distance and of the orientation of the two glucidic ends, which are not covalently linked. Novel mono- and disubstituted pyridinium amide stations have been used for the synthesis of large-amplitude molecular muscles, whose translation of the macrocycles trigger a second co-conformational induced effect. In fact, upon contraction of the molecular muscle, using carbamoylation of the ammoniums, the slight different localizations of the macrocycles around the pyridinium amides (depending on their mono- or disubstitution) trigger two very different effects. The first one is a molecular break played by the DB24C8, whereas the second one is a flipping of the chair-like conformation of the mannopyranosyl ends. A methodologic study was then carried out with the aim to determine the relative affinity of the new described molecular stations for the DB24C8, and led to the synthesis of a molecular muscle which oscillates from the contracted to the semi-contracted co-conformation, depending on solvent and temperature. Eventually, different routes to very new double-lasso molecular knots were investigated from a molecular muscle building-block. One molecular knotted machine has been obtained, and has a double-lasso structure, whose rotation and size of its cavity can both been modulated by variation of pH.

This thesis describes the synthesis and anion recognition properties of a variety of interlocked host receptors and the application of metal nanoparticles in the areas of catalysis and sensing. <b>Chapter One</b> introduces the field of anion supramolecular chemistry, with particular emphasis on areas relevant to the research discussed in later chapters. Following this, the synthesis and applications of metal nanoparticles are outlined. <b>Chapter Two</b> details the synthesis of a range of halo-triazolium based rotaxanes and explores the effects of altering both the halogen bond donor atom and degree of preorganisation on the anion recognition properties of the interlocked host system. A halogen bond containing catenane is also prepared and its anion binding properties investigated. <b>Chapter Three</b> initially reports the anion-templated synthesis of a series of neutral pyridine N-oxide axle containing rotaxanes before their ability to recognise anions in aqueous solvent mixtures is studied. Attempts to enhance anion binding through the incorporation of a positive charge into the macrocyclic component of the rotaxane structure are also explored. <b>Chapter Four</b> outlines the preparation of β-cyclodextrin functionalised metal nanoparticles and investigations of their catalytic and sensing properties. <b>Chapter Five</b> describes in detail the synthetic and analytical procedures discussed in chapters two to four. <b>Chapter Six</b> summarises the conclusions of this thesis.

Hybrid macrocycles, which chimerically integrate multiple chemical compositions and architectures, provide an effective way to impart new properties to polymers that are not found in their linear or homocyclic analogues. This dissertation addresses the incorporation of hydrophilic blocks into hydrophobic polymer, as either a poly(dimethyl siloxane)-block-poly(oxyethylene) (PDMS-POE) tadpole with a hydrophobic head and a hydrophilic tail or as a diblock poly(styrene)-block-diethylene glycol (PS-DEG) hydrophobic-hydrophilic macrocycle. The supramolecular association properties of both kinds of cycles were studied: the PDMS-POE tadpoles in forming micelles, and the PS-DEG macrocycles in threading with linear polymer to form polyrotaxanes. For the PDMS-POE macrocycle, linear alpha,omega-dihydroxy PDMS was cyclized under dilute conditions with dichloromethylhydrosilane as a linking group to produce hydrosilane-functionalized cyclic PDMS. This was joined to alpha-methoxy,omega-allyl POE via a free radical hydrosilylation reaction to produce the hybrid tadpole macrocycle, which was analyzed by GPC, DSC, and 1H, 13C, and 29Si NMR spectroscopy. Supramolecular aggregation consisting of the formation of micelles under both polar and nonpolar conditions was studied by surface tensiometry and quasielastic light scattering. For the PS-DEG macrocycle, linear alpha,omega-dihydroxy PS was prepared by ATRP polymerization of styrene, followed by reaction with KOH to give hydroxyl endgroups. The linear PS was then cyclized under dilute conditions with diethylene glycol ditosylate, and the product was analyzed by GPC, MALDI-TOF MS, DSC, and 1H, 13C and DOSY NMR spectroscopy. The macrocycle was then statistically threaded with linear PS to give the supramolecular structure poly(styrene)-rotaxa-cyclo[poly(styrene)-block-diethylene glycol]. Characterization was performed with DOSY NMR to verify that the product was threaded, and 1H NMR was collected to determine that the product was 13% macrocycle by weight. DSC showed only one Tg, indicating that the linear and cyclic species were present in the same phase.

Thèse de doctorat : Chimie : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 253-257.

In the emerging aield of molecular machines, a molecular ratchet is a chemical system that allows the positional displacement of a submolecular component of be captured and directionally released. In information ratchets, the track over which a Brownian particle is to be transported is able to respond to the particle’s position. By raising energetic barriers to translation selectively behind the particle, it is possible to move the particle in a forward direction. This Thesis describes the development of a series of chemically-­‐driven information ratchets based on rotaxane architectures. Acylation of the rotaxane thread presents an impassible kinetic barrier to macrocycle shuttling. The incorporation of chiral centres into the thread allows the macrocycle’s position to have an effect on the kinetics of acylation in a chiral environment, with the result that the macrocycle is transported by successive acylation reactions in a direction speciaied by the handedness of a chiral. In Chapter One the physical principles of molecular motors are examined. It is shown that molecular motors are a subset of the much broader class of “triangular” reactions investigated by Onsager in 1931. Progress in the exciting aield of artiaicial chemical ratchets and motors is reviewed, and the deep connections between molecular motors and the cyclic reaction networks postulated to explain the origin of biological homochirality are explored. Chapter Two describes the synthesis and operation of a three-­‐compartment rotaxane information ratchet in which the macrocycle can be transported along a thread in either direction depending on the handedness of a chiral catalyst. Internal mechanisms of operation are elucidated by treating the system as a hidden Markov process. Chapter Three describes the synthesis and operation of a second-­‐generation three-­‐compartment information ratchet. A comparison between this system and that of the previous chapter sheds light on the complicated trade-­‐offs between kinetics and thermodynamics when these molecular ratchets are operated. In Chapter Four the ongoing efforts to construct extended information ratchets, incorporating many repeat units, are described. The synthesis of a aive-­‐ compartment information ratchet proved unexpectedly difaicult owing to problems of solubility. A four-­‐compartment rotaxane was easier to synthesise. Preliminary aindings suggest that an information ratchet mechanism is operating in this four-­‐compartment system.

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