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"Multi-functionalized Side-chain Supramolecular Polymers:A Methodology Towards Tunable Functional Materials". Even as we see a significant growth in the field of side-chain supramolecular polymers in the last ten years, systems employing multiple non-covalent interactions have been scarcely studied. Non-covalent multi-functionalization provides unique advantages such as rapid optimization via reversible functionalization as well as for the tuning of materials properties by exploiting the differences in the nature of these reversible interactions. This thesis involves the design principles, synthesis & methodology of side-chain multi-functionalized polymers. The combination of the principles of a functionally tolerant & a controlled polymerization technique such as ROMP with multiple noncovalent interactions such as hydrogen bonding, metal coordination & Coulombic self-assembly has been used to synthesize multi-functionalized polymers. Furthermore, the orthogonality between hydrogen bonding, metal coordination & ionic self-assembly in random/block copolymers has been studied in detail. In order to validate the viability of this multi-functionalization methodology towards materials design non-covalent crosslinking of polymers was used as a potential application. Three classes of crosslinked networks have been studied: complementary multiple-hydrogen bonded networks, multiple-metal crosslinked networks, & multi-functionalized hydrogen bonded & metal coordinated networks. By using non-covalent multi-functionalization, important materials properties & its responsiveness towards chemical agents have been tuned & controlled to yield novel materials which would be difficult to be obtained via traditional covalent techniques or by using single non-covalent interactions.

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.

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.

Des polymères supramoléculaires liés par liaisons hydrogènes basés sur des motifs associatifs de type benzène-1,3,5-tricarboxamide (BTA) et bis-urée ont été étudiés comme support dynamique pour la catalyse. Les propriétés catalytiques d'un lot de ligands, comprenant une série de onze nouveaux ligands bis-urées, et des co-monomères complémentaires ont été étudiés pour diverses réactions catalysées par des métaux. Des copolymères formés par mélange de monomères achiraux fonctionnalisés par des phosphines (les ligands) et des additifs sans fonctions phosphines (les co-monomères) ont été étudiés comme supports pour la catalyse asymétrique. L'objectif était de transférer, amplifier et changer la chiralité supramoléculaire du support polymère vers le centre métallique intrinsèquement achiral localisé à sa périphérie. Des mélanges de BTA ont été utilisés aves succès dans deux différentes catalyses asymétriques avec jusqu'à 85% ou 80% d'e.e. pour respectivement l'hydrogénation de l'itaconate de diméthyle catalysée par le rhodium et l'hydrosilylation de la 4'-nitro-acétophénone catalysée par le cuivre. Les centres catalytiques de rhodium et de cuivre supportés par les BTA montrent de fortes propriétés d'amplification de chiralité : i) pour la catalyse au rhodium, la quantité nécessaire de co-monomère chiral peut être réduite jusqu'à un quart de celle du ligand sans détérioration de l'énantioséléctivité de la réaction et ii) la chiralité du catalyseur au cuivre peut être changée pendant le déroulement de la réaction. Une autre plateforme, basée sur des mélanges de monomères bis-urée, a aussi été étudiée dans plusieurs réactions asymétriques catalysées par des métaux mais de l’énantioséléctivité n’a été obtenue que pour l’hydrosilylation de la 4’-nitro-acétophénone catalysé par le cuivre (22% e.e.). Dans le contexte de l’organocatalyse, la possibilité de modifier l’activité d’un centre catalytique de type thiourée en contrôlant son auto-assemblage a aussi été étudié. Au bilan, nos études montrent clairement les propriétés innovantes de catalyseurs supportés par des polymères supramoléculaires liés par liaisons hydrogène. / Hydrogen-bonded supramolecular polymers based on benzene-1,3,5-tricarboxamide (BTA) and bis-urea recognition units were investigated as dynamic scaffolds for catalysis. The catalytic properties of a full set of ligands, including a series of eleven new bis-urea ligands, and complementary co-monomers have been investigated in various metal-catalyzed reactions. Co-polymers formed by mixing an achiral phosphine-functionalized monomer (the ligand) and a chiral phosphine-free additive (the co-monomer) were investigated as scaffolds for asymmetric catalysis. The aim was to transfer, amplify and switch the supramolecular chirality of the polymer scaffold to intrinsically achiral metal centres located at its periphery. BTA mixtures have been successfully applied in two different asymmetric reactions providing up to 85% and 80% e.e. in the rhodium-catalysed hydrogenation of dimethylitaconate and in the copper-catalysed hydrosilylation of 4’-nitro-acetophenone respectively. The BTA scaffold supporting the catalytic rhodium and copper centres display strong chirality amplification properties: i) for the rhodium catalysis, the amount of chiral co-monomer can be decreased down to one-fourth of that of the ligand without deteriorating the enantioselectivity of the reaction and ii) the chirality of the copper catalyst can be switched during the course of the catalytic reaction. In the case of the bis-urea platform, mixtures of monomers have been investigated in several asymmetric metal-catalysed reactions but selectivity was obtained only for the copper-catalyzed hydrosilylation of 4’-nitro-acetophenone (22% e.e). We also tested the use of supramolecular polymers in the context of organocatalysis: the possibility of tuning the activity of a thiourea catalytic centre by controlling its self-assembly behaviour was investigated. Overall, our studies clearly reveal the innovative properties of catalysts supported by hydrogen-bonded supramolecular polymers

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Lors de ces travaux de thèse, des unités monomériques appelées unimères ont été synthétisées et utilisées pour le développement de polymères métallo-supramoléculaires (MSPs). Ces unités se composent (i) d’un bloc central: 2,5-dithiénylphosphole, (ii) dA’un chélate : 2,2':6',2''-terpyridine-4'-yl (tpy) et (iii) de connecteurs variés assurant la jonction entre le bloc central et le chélate. Les propriétés physico-chimiques de ces unimères ont été mesurées afin d’établir des relations structures/propriétés. Par exemple, l’unimère ne comportant pas de connecteurs entre l’unité central et le chélate présente un maximum d’absorption fortement décalé vers le rouge par rapport à l’unimère bis(tpy)terthiophène. Cette observation montre que la délocalisation électronique est accrue dans ces systèmes et permet de couvrir un large domaine spectral. L’introduction de connecteurs (éthynediyle, éthynediyle-thiophène-2,5-diyle, éthynediyle-1,4-phénylène) entre le bloc central et le chélate a un effet mineur sur l’écart HO-BV et sur la position des maxima d'absorption. Puis tous les unimères synthétisés ont été mis en présence de différents ions métalliques (Co2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ et Zn2+) pour former les MSPs correspondants. Ce phénomène de polymérisation a été étudié en détail en utilisant les spectroscopies d’absorption, d’émission et la chromatographie d’exclusion stérique. Ainsi, cette polymérisation présente 3 étapes : (i) la formation des dimères U-M-U, (ii) la prolongation de chaine de polymères qui atteint un une longueur maximale pour le ratio 1/1 ion métallique/unimère; (iii) terminaison réalisée avec des ions métalliques lorsque ces ions sont présent en excès. Les propriétés optiques de ces nouveaux polymères ont également été étudiées montrant qu’elles dépendent fortement de la nature de l’ion métallique utilisé. / New π-conjugated building blocks (unimers) for metallo-supramolecular polymers (MSPs), whose comprise: (i) substituted phosphole ring surrounded by two thiophene rings as the central block, (ii) 2,2':6',2''-terpyridine-4'-yl (tpy) end-groups as ion-selectors, and (iii) different linkers inserted between the central block and tpy end-groups, are described. Chemical and physical properties of those unimers were studied with attention on correlation between properties and structure of unimers. For example the unimer without linkers shows the UV/vis absorption maximum red shifted about 60 to 100 nm compared to bis(tpy)terthiophenes, which proves that replacing of the thiophene with phosphole unit significantly enhances the delocalization of electrons within the unimer molecule and significant area of absorption spectra can be covered. Introduction of linkers (ethynediyl, ethynediyl-thiophene-2,5-diyl, ethynediyl-1,4-phenylene) has a minor effect on the bandgap energy. All prepared unimers underwent self-assembling process with various metal ions (Co2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ and Zn2+) resulting into metallo-supramolecular polymers. Three stages of the assembly of unimers into related MSPs were observed and characterized by absorption, fluorescence spectroscopy and size exclusion chromatography: 1) formation of dimer species: U-M2+-U (U stands for unimer); 2) prolongation of polymer chain to reach the maximum length at equimolar ratio of unimer and metal ions; 3) end-capping of polymer chains and their partial decomposition at stoichiometric excess of ion couplers. Optoelectronic properties of newly formed metallo-supramolecular polymers were investigated and choice of the metal ions was shown to be of crucial importance. / V rámci této disertační práce byly připraveny stavební bloky (nazývající se unimery) pro tvorbu konjugovaných metalo-supramolekulárních polymerů (MSPs), které ve své struktuře obsahují: (i) substituovaný fosfolový kruh obklopený dvěma thiofenovými cykly jako centrální blok, (ii) 2,2':6',2''-terpyridin-4'-yl (tpy) jako koncovou skupinu pro navázání iontů, a (iii) různé spojky mezi uvedeným centrálním blokem a tpy skupinou. Chemické a fyzikální vlastnosti těchto unimerů byly prostudovány s důrazem na korelaci mezi vlastnostmi a strukturou unimeru. Například unimer bez přídavných spojek vykazuje posun UV/vis absorpčního maxima do červené oblasti o 60 až 100 nm v porovnání s bis(tpy)terthiofenem, což značí, že nahrazením thiofenu fosfolem se značně zvyšuje delokalizace elektronů v molekule unimeru a může být pokryta značná část spektra. Začlenění spojek (ethynediyl, ethynediyl-thiofen-2,5-diyl, ethynediyl-1,4-fenylen) do struktury unimeru má jen malý vliv na šířku zakázaného pásu, a tedy pozici absorpčního maxima. Všechny připravené unimery byly podrobeny procesu samo-seskupování s různými kovovými ionty (Co2+, Cu2+, Fe2+, Ni2+ a Zn2+) za vzniku organokovových polymerů. Tři stadia provázející proces samo-seskupování byla pozorována pomocí absorpční a fluorescenční spektroskopie a gelové permeační chromatografie (SEC): 1) tvorba dimerů U-M2+-U (U = unimer), 2) prodlužování polymerních řetězců a dosažení maximální délky při ekvimolárním poměru unimeru a kovových iontů, 3) vazba kovových iontů na koncové terpyridinové skupiny a rozklad polymerního řetězce na kratší při stechiometrickém přebytku kovových iontů. Optické vlastnosti nově připravených organokovových polymerů byly prozkoumány a ukázalo se, že velmi závisí na vybraném kovovém iontu.

Ce projet de thèse étudie la synthèse et les propriétés des triarylamines pour le transport d'électrons, d'ions ou de molécules d'eau, en se basant sur les propriétés d'auto-assemblage et de conductivité de certaines triarylamines, récemment découvertes par notre équipe. La thèse débute par une introduction sur la chimie supramoléculaire et les polymères supramoléculaires, et aborde ensuite dans son deuxième chapitre la synthèse et les propriétés d'analogues macrocycliques de triarylamine présentant des propriétés électromagnétiques intéressantes. Dans le chapitre suivant, ce travail de thèse explore l'applicabilité des triarylamines pour le transport biomimétique des ions métalliques et des molécules d'eau à travers des membranes de bicouches lipidiques. Le dernier chapitre de cette thèse s'intéresse ensuite à la fabrication de surfaces conductrices organiques / inorganiques hybrides par dopage de surfaces non conductrices avec des assemblages de triarylamines. / Based on the navel and highly interesting self-assembly properties found for certain triarylamines, together with the resulting conducting properties, this PhD project investigates the synthesis and properties of triarylamines towards the transport of electrons, ions or water molecules. The thesis starts with an introduction on supramolecular chemistry and supramolecular polymers, and then discuss in its second chapter the synthesis and properties of macrocyclic triarylamine analogues with interesting electromagnetic properties. ln the following third chapter this thesis work explores the applicability of triarylamines towards the biomimetic transport of metal ions and water molecules through lipid bilayer membranes. The last chapter of this thesis then deals with the fabrication of hybrid organic/inorganic conducting surfaces through doping of non-conducting surfaces with triarylamine assemblies.

Applications of conjugated polymer (CPs) in optoelectronic devices are critically depend on nature of thin film morphology. In thin film of CPs, the distribution of conjugation length is highly heterogeneous because of conformational defects, distortions of polymer chain and aggregates. A greater understanding of the self-assembly properties of polymer in solution, in particular control over aggregation leads to richer description of electronic properties and hence reproducible fabrication of thin film devices. Recently, chiral CPs have attracted profound interest because of their promising chiroptical properties in thin films and easy control over the selective agglomeration process. In this thesis, we have investigated the role of chiral side-chains on a series of thiophene diketopyrrolopyrrole (TDPP)-benzodithiophene (BDT) based copolymers. Chiral 3,7-dimethyloctyl chain was introduced as an asymmetric chain to incorporate chirality on one of the repeating unit (TDPP) of copolymers. Two polymers with side-chains of identical chirality (S),(S)-PTDPP-BDT; (R),(R)-PTDPP-BDT and a third polymer with similar side-chains of opposite chirality (R),(S)-PTDPP-BDT were synthesized. The chiroptical properties were investigated by UV-visible and circular dichroism (CD) spectroscopy. Figure 1: The structure of the TDPP-BDT copolymers. The copolymers dissolved in a good solvent (e.g. chloroform, chlorobenzene) in which polymers adopts random coil conformation, no chiral response has been observed. However, a critical addition of non-solvent (methanol), the copolymers stack in a chiral fashion and leads to typical bisignate Cotton effects. It is noteworthy that the two polymers, (S),(S)-PTDPP-BDT and (R),(R)-PTDPP-BDT exhibiting a nearly ideal mirror-image relationship in CD spectra (Figure 2a) whereas the (R),(S)-PTDPP-BDT lacks chiropticity even with the addition of methanol. The aggregation induced CD phenomena are dependent on the temperature of solution and do not exhibit reversibility in a heating-cooling cycle. Figure 2: (a) The mirror image Cotton effects of (S),(S)-PTDPP-BDT and (R),(R)-PTDPP-BDT (b) No CD signal was observed for the (R),(S)-PTDPP-BDT polymer. Figure 3: The variation of (a) UV-vis and (b) CD spectra of (R),(R)-PTDPP-BDT polymer with thickness of the solid film. To investigate the role of thickness and annealing temperature on optical and chiroptical properties of polymer films, thin films were prepared using drop-casting method from a solution of chlorobenzene. Both the polymer showed gradual enhancement of CD signal with the increase of film thickness but we did not see any such order with temperature (Figure 3). Figure 4: The morphology observed for the film by (a) AFM; (b); (c) FESEM. The thin film morphology of polymers is characterized by atomic force microscopy (AFM) and field emission scanning electron microscopy (FESEM) (Figure 4). AFM studies show the polymer molecules self-assembled and formed interconnected nanofibers. Whereas FESEM images clearly revealed that, the nanofibers of polymers are predominantly stack in a chiral fashion and mimic a one-handed helix which leads to bisignate Cotton effects. The (S),(S)-PTDPP-BDT and (R),(R)-PTDPP-BDT form fibers with opposite handedness whereas (R),(S)-PTDPP-BDT do not have such preferred handedness. The research described in this thesis aims to explore the role of chiral side-chains to impose chiral stacking and hence resulting chiral expression. Chirality in this class of polymers may endows them promising optoelectronic properties. (For figures pl see the abstract pdf file)