Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés à la synthèse d'hétérocycles azotés dérivés de benzazépinones et de composés pyridiniques et pyrimidiniques. Ces travaux ont été menés sous la direction du Pr. Samir Z. Zard au Laboratoire de Synthèse Organique à l'Ecole Polytechnique. Ce manuscrit est composé de cinq chapitres. Dans un premier temps, nous presentons brièvement les grands principes de la chimie radicalaire (Chapitre I), et puis plus particulièrement la chimie radicalaire des xanthates qui a été développée au laboratoire (Chapitre II), afin de familiariser le lecteur à la chimie radicalaire par transfert de xanthate. Le Chapitre III concerne une nouvelle synthèse de benzazépin-2-ones et 5-arylpipéridin-2-ones (ce motif est un précurseur de pipéridines, qui sont au centre de nombreuses molécules bioactives) par voie radicalaire à partir de matières premières simples, via une cyclisation radicalaire sur noyau aromatique de type 7-endo-trig. L'optimisation de l'étape de cyclisation a permis d'obtenir des rendements modérés à excellents. De plus, grâce à la présence de substituents halogènes sur le noyau aromatique, il est possible de combiner ce processus radicalaire avec d'autres réactions importantes, ce qui pourrait avoir des applications intéressantes. Le Chapitre IV traite de la préparation de nouveaux 3,4-disubstitués-5,6-difluoro-7-azaindoles et 7-azaindolines avec de bons rendements par voie radicalaire à partir de la pentafluoropyridine. La formation de ces deux composés comprend la rupture homolytique d'une très forte liaison C-F, ce qui est très rare dans de telles conditions douces. L'efficacité de cette cyclisation radicalaire se trouve être très sensible à la propriété électronique de la substitution en C-4. Sur la base de ce travail, une mini-librairie de composés divers de 7-azaindoles et 7- azaindolines pourrait être créée. Enfin, le dernier chapitre a été réalisé en collaboration avec M. Ling QIN, que j'ai été amené à encadrer au cours de ma thèse. Dans cette partie, nous nous sommes interessés à de nouvelles cyclisations radicalaires de xanthates sur des noyaux hétéroaromatiques bis-azotés. L'un des développements de ce travail est la possibilité d'utiliser des substrats où l'azote non aromatique n'est pas protégé. La méthode pourrait être partiellement étendue à des pyridines. En outre, la première cyclisation radicalaire à l'azote hétéro-aromatique de type 6-endo-trig a également été réalisé. Les développements de ces voies de synthèse a permis de mieux comprendre certains mécanismes réactionnels ainsi que d'en découvrir de nouveaux.

Depuis quelques années on assiste au développement de nouveaux bio-catalyseurs qui sont des hybrides combinant les avantages de la catalyse organométallique (système robustes, efficaces, mais couteux) à ceux de la catalyse enzymatique (écologique, spécifique mais peu flexible). Parmi les différentes stratégies mises en œuvre pour créer des enzymes artificielles, aucune d'elles n'a jusqu'à présent véritablement envisagé d'utiliser l'activité d'une enzyme et de la combiner à celle d'un composé organique. C'est la nouvelle approche proposée dans ce travail pour tenter d'orienter l'activité catalytique d'une oxydase à fort potentiel industriel, la laccase. Les produits d'oxydation de la laccase sont des radicaux phénoxyls qui se recombinent dans le milieu sans contrôle de l'enzyme. Chez certaines plantes, des petites protéines nommées « dirigent proteins » interagissent avec les radicaux phénoxyls pour conduire à la formation d'un seul produit optiquement pur. Dans ce travail, nous avons tenté de mimer ces « dirigent proteins » en greffant une molécule cage de type cyclodextrine à proximité du site actif de la laccase. Dans un premier temps, nous avons réalisé la synthèse de modules organiques dits « plateformes » possédants a) un point d'attachement à l'enzyme, b) un groupement pour la purification des protéines fonctionnalisées et c) une cyclodextrine qui permet d'encapsuler un grand nombre de molécules organiques. Par des mesures de fluorescences et d'immuno-détection, nous avons identifié les conditions optimales de fonctionnalisation pour la laccase et ainsi validé sa dérivatisation. / In recent years we are witnessing the development of new bio-catalysts which are hybrids combining the advantages of organometallic catalysis (robust and efficient system, but expensive) to those of enzymatic catalysis (ecological, specific but not very flexible). Among the various strategies used to create artificial enzymes, none of them has yet seriously considered to combine an enzyme activity with that of an organic compound. This is the new approach proposed in this work to try to orient the catalytic activity of the laccase, an oxidase with an industrial potential. The oxidation products of the laccase are phénoxy radicals which recombine in the medium regardless of the activity of the enzyme. In some plants, small proteins called "dirigent proteins" interact with phénoxy radicals leading to the formation of a single optically pure product. In this work, we tried to mimic the "dirigent proteins" by grafting a cyclodextrin-cage molecule near the active site of the laccase. As a first step, we performed the synthesis of organic modules called "platforms" with a) an anchor point to the enzyme, b) a group for functionalized protein purification c) a cyclodextrin that encapsulates a large number of organic molecules. By fluorescence and immunodetection measurements, we identified the optimal conditions for laccase functionalization and thus validated its derivatization. Monitoring the oxidation of coniferyl alcohol by the functionalized laccase with a cyclodextrined platform highlights a change in the kinetic profiles of the substrate and products. This difference appears due to the location of the cyclodextrin near the substrate oxidation site.

Les techniques de fluorescence sont des outils de choix pour l’étude et la compréhension fine des processus biologiques. Ceci requiert toutefois l’utilisation de sondes fluorescentes parfaitement adaptées au but visé et répondant aux différentes exigences requises pour l’application visée. Dans ce cadre, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l’élaboration de sondes biphotoniques de pH adaptées à une mesure très sensible de faibles variations de pH autour du pH neutre. Les variations et gradients de pH sont en effet impliqués dans un certain nombre de processus biologiques importants et peuvent être associées à des dysfonctionnements liés à certaines maladies. Dans ce cadre, nous avons développé de nouvelles sondes fluorescentes de pH fluorescentes présentant à la fois un comportement ratiométrique, une forte sensibilité autour du pH neutre et facilement excitables dans le proche IR par absorption à deux photons. Ces sondes de structure quadrupolaire et bolamamphiphile permettent ainsi la détection ratiométrique du pH dans des environnements biologiques au moyen d'une excitation biphotonique dans le proche IR. En parallèle, nous nous sommes intéressés à l’élaboration de nanoparticules hyperbrillantes dédiées à l’imagerie biologique par microscopie de fluorescence induite par excitation à deux photons. Nous nous sommes plus particulièrement attachées au design de nanoparticules organiques fluorescentes constituées de molécules organiques de bas poids moléculaire (FONs). Cette approche offre en effet une grande flexibilité et la possibilité d’accéder à des nanosondes ayant des brillances comparables aux très populaires quantum dots mais moins toxiques et plus facilement dégradables. L’ingénierie moléculaire des fluorophores utilisés pour la préparation des FON est cruciale puisqu’elle influence fortement à la fois les propriétés photophysiques (brillance, couleur…) et leur propriétés physico-chimiques (stabilité chimique et structurale, stabilité colloïdale). Dans ce contexte, une librairie de nouveaux chromophores dipolaires a été synthétisée et utilisées pour la préparation de FON par la méthode de nano-précipitation. Leurs propriétés ont été étudiées afin de déterminer la relation entre la structure du chromophore et les propriétés globales des nanoparticules constituées de ces colorants. Ce travail a permis d’identifier les paramètres structuraux permettant d’accéder à des nanoparticules présentant à la fois une brillance exceptionnelle, une émission modulable du vert au rouge et proche IR et une remarquable stabilité colloïdale. Ces nanoparticules présentent des potentialités majeures pour l’imagerie in vivo par excitation et détection dans le proche IR. / Fluorescence-based techniques are popular tools for the study and understanding of biological processes. This has prompted continuous research aimed at the development of a wide range of fluorescent probes specifically designed for specific applications. Among them, fluorescent pH probes are of much interest as pH variations or gradients are involved in many biological events and anomalous alterations are often related to the onset of dysfunctions and diseases. In this framework we have developed a series of promising two-photon pH fluorescent molecular probes. These quadrupolar bolaamphiphilic probes are of great interest, as they combine a steep pH dependence of their optical properties close to neutral pH, ratiometric behavior and large response to two-photon (2P) excitation in the NIR region. As such they offer much promise for ratiometric detection of the pH in biological environments and in situ monitoring of acidification. In parallel, we have been interest in the design of ultrabright nanoparticles for bioimaging purpose (in particular highly sensitive optical imaging). We chose to focus on Fluorescent Organic Nanoparticles made of organic molecules with low molecular weight (FONs) as they offer a flexible route and promising alternatives to toxic quantum dots. In this case the design of the dye used as building blocks of the FONs is of crucial importance and strongly influence the chemical and physical properties of the nanoparticles generated, such as their one and two-photon brightness and both their structural and colloidal stability. In that context a library of novel dipolar chromophores have been synthesized and used to prepare FONs using the nanoprecipitation method. Their properties were thoroughly investigated in order to determine the relationship between the molecular design of the isolated dye and the overall properties of the nanoparticles made of these dyes. As a result, Hyperbright FONs emitting in the green to NIR region and combining giant brightness and remarkable stability have been achieved. They offer major promise for bioimaging based on both excitation and detection in the NIR region.

Les 2,2´-bipyridines et leurs homologues, les N,N´-dioxydes, appartiennent à une classe de composés hétéroaromatiques très importante ayant montré de nombreuses applications dans le domaine de la chimie et principalement en synthèse asymétrique. Une des méthodes les plus performantes pour leurs synthèses s´est révélée être une réaction de cocyclotrimérisation d´alcynes en présence de dérivés nitriles.Une nouvelle variante de la réaction de cyclotrimérisation – cocyclotrimérisation de diynes halogénés avec des dérivés nitriles – permettant la formation de composés 2- et3-halogéno-pyridines a ainsi été développée. La réaction a été étudiée sur une large gamme de substrats permettant l´accès à une librairie de pyridines avec de bons rendements. La formation d´un sous-produit, issu d´un échange d´halogène, a été approfondie au cours de l´étude et son origine a été élucidée grâce à différentes expériences.Les 2-halogéno-pyridines ont été utilisées comme réactifs de départ pour la synthèse de ligands chiraux de type 2,2´-bipyridines. L´étape problématique s´est avérée être la réaction de dimérisation réductrice des 2-halogéno-pyridines donnant accès aux2,2-bipyridines correspondantes. L´efficacité de ces ligands chiraux de type 2,2´-bipyridinea été évaluée dans différentes réactions asymétriques catalysées par des métaux de transition telles que l´aldolisation de Mukaiyama, l´hydroxyméthylation, l´addition conjuguée, l´activation C–H d´indoles mais aussi la désymmétrisation d´époxydes meso, dans laquelle un des ligands bipyridines a montré une extraordinaire activité et robustesse. Ensuite, basées sur des analyses RMN, des calculs DFT et des analyses par diffraction des rayons X, les propriétés structurales de ce ligand ont été étudiées.De plus, une nouvelle famille de catalyseurs à chiralité axiale de type 2,2´-bipyridines N,N´-dioxydes a pu être synthétisée via 2 différentes approches, où seule l´étape clé de dimérisation diffère. La première approche, basée sur la réaction de dimérisation réductrice des 2-halogéno-pyridines, permet l´obtention d´un seul atropoisomère du N,N´-dioxydes cible après une séquence réactionnelle de 8 étapes tandis que la seconde approche, basée sur la réaction de dimérisation oxydante de pyridines N-oxydes, donne l´accès aux 2 atropoisomères en seulement 5 étapes. Le champs d´application de ces nouveaux catalyseurs de typeN,N´-dioxydes, en tant que base de Lewis, a été examiné dans l´allylation énantiosélective du benzaldéhyde ainsi que dans l´aldolisation de l´acétal de cétène trichlorosilylé en présence de l´acétophénone. / 2,2'-Bipyridines and their appropriate N,N'-dioxides form a significant class of heteroaromatic compounds, which has found application in various fields of chemistry and predominantly in asymmetric catalysis. One of the most powerful methods for their synthesis is cocyclotrimerization of alkynes with nitriles.A new variant of cyclotrimerization reaction – cocyclotrimerization of halodiynes with nitriles, which results in the formation of 2- and 3-halopyridines, has been developed. The reaction was studied on a wide range of substrates providing the pyridine products in good isolated yields. Formation of an unexpected product of halogen exchange reaction was observed during the course of the study and its origin was elucidated by experimental studies.The prepared 2-halopyridines were used as starting materials for syntheses of new chiral 2,2'-bipyridine ligands. The crucial step of their synthesis turned out to be the reductive dimerization of 2-halopyridines to the corresponding 2,2'-bipyridines. Application of the formed bipyridine ligands was then tested in various metal-catalyzed asymmetric reactions, namely Mukaiyama aldol reaction, hydroxymethylation, conjugate addition, C–H activation of indole and desymmetrization of meso-epoxides, in which one of the bipyridine ligands showed extraordinary activity and robustness. The structural properties of this ligand were then studied based on the NMR analyses, DFT calculations and single crystal X-ray analyses.New axially chiral 2,2'-bipyridine N,N'-dioxides were synthesized via two approaches, which differed in the type of the key dimerization step. While the first approach, based on the reductive dimerization of 2-halopyridines, furnished only one atropoisomer of the target N,N'-dioxide by an eight-step reaction sequence, the second approach, based on oxidative dimerization of pyridine-N-oxides, provided both atropoisomers in only five steps. The applicability of these novel N,N'-dioxides as Lewis base catalysts were then examined in the enantioselective allylation of benzaldehyde and aldol reaction of trichlorosilyl ketene acetal with acetophenone.

La variante « glyoxylique » de la réaction de Perkin permet de lier entre eux deux fragments aromatiques par un pont maléique. La rigidification de cet intermédiaire flexible mène à des systèmes aromatiques polycycliques étendus par création des liaisons carbone-carbone manquantes. Cette stratégie requiert l'utilisation d'acides arylacétiques et arylglyoxyliques, et l’utilisation d'unités bifonctionnelles a auparavant permis la synthèse de cibles variées allant des phénacènes plans aux (poly)hélicènes très distordus, mais aussi des macrocycles conjugués. Afin d'étendre la taille et la variété des molécules obtenues à l'aide de cette stratégie, des méthodes générales de protection/déprotection sont développées. Une dissymétrisation efficace des unités bifonctionnelles mène à des nouveaux précurseurs monoprotégés qui sont ensuite assemblés par la réaction de Perkin en oligomères de taille contrôlée possédant encore des fonctions chimiques réactives aux extrémités après déprotection. L'utilisation de ces derniers lors d'une deuxième réaction de Perkin donne alors accès à de longs précurseurs flexibles, d’au moins cinq unités, qui donneront ensuite de très longs phénacènes, de grands macrocycles mais aussi des cyclo-tris[5]hélicènes qui présentent une géométrie de Möbius persistante et une aromaticité de Möbius. / The “glyoxylic” variant of the Perkin reaction allows to link two aromatic fragments by a maleic bridge. The stiffening of the obtained flexible intermediate by the creation of the missing carbon-carbon bonds leads to extended polycyclic aromatic systems. This strategy relies on the use of arylacetic and arylglyoxylic acids, and the use of bifunctional units has previously allowed the synthesis of a variety of targets spanning from flat phenacenes to strongly distorted (poly)helicenes, as well as of conjugated macrocycles. This approach is generalized here by developing protection/deprotection techniques in order to enhance the size and the variety of the molecules that can be obtained by this strategy. These techniques enable an efficient dissymetrization of bifunctional units and the recycling of symmetrical side products. The new monoprotected building blocks are connected by Perkin reactions to yield oligomeric intermediates with reactive functions at their extremities after deprotection. Several of these intermediates are assembled in a second Perkin reaction to obtain long phenacenes, large macrocycles and also cyclo-tris[5]helicenes with persistent Möbius geometry and Möbius aromaticity.

Du fait de leurs exceptionnelles propriétés, un très vaste champ d'applications s'ouvre aux nanotubes de carbone. La connaissance de leur toxicité est un enjeu primordial afin de connaître les risques et les dangers que ces objets représentent.Le travail présenté dans cette thèse vise à la synthèse de dérivés ayant pour but de favoriser les interactions entre les nanotubes et le milieu vivant.La synthèse d'une série de dérivés du cholestérol utilisables pour la fonctionnalisation des nanotubes de carbone a été mise au point. L'utilisation de tels dérivés a pour but de favoriser les interactions entre les objets greffés et les membranes cellulaires.Par ailleurs, de nombreux intermédiaires de synthèse présentent des propriétés mésomorphes. Celles-ci ont été étudiées au moyen de différentes méthodes telles que la microscopie optique, la calorimétrie différentielle à balayage et la diffusion des rayons X.Des nanotubes HiPco ont pu être purifiés et fonctionnalisés. L'analyse de leur cytotoxicité a été abordée, celle-ci a permis de mettre en avant une diminution de la toxicité des nanotubes greffés comparée à celles de nanotubes purifiés. / Synthesis and study of mesomorphic properties of grafts for carbon nanotubes functionalizationIn order to study the toxicity of carbon nanotubes, cholesterol based derivatives were synthesized. Due to their exceptional properties, a wide field of applications is opened for carbon nanotubes. Regarding this field, knowing their toxicity becomes a key issue.The work presented here aims towards the synthesis of chemical derivatives designed to increase interactions between carbon nanotubes and a biological environment. The synthesis of a series of cholesterol derivatives aimed for the functionalization of carbon nanotubes has been developed. Such derivatives are intended to interact with cell membranes.Moreover, many synthetic intermediates have mesomorphic properties. These properties have been studied using different methods such as polarized optical microscopy (POM), differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray scattering (MWAXS).HiPco nanotubes have been purified, functionalized and characterized with techniques such as Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD).Finally, a study of carbon nanotubes toxicity is presented.

Les systèmes donneur-accepteur suscitent un intérêt croissant car l'interaction électronique entre les deux partenaires est un paramètre essentiel pour l'élaboration de nouveaux matériaux organiques fonctionnels. Ce travail est consacré à la synthèse d'assemblages moléculaires incorporant le donneur d'électron tétrathiafulvalène associé à l'accepteur d'électron p-benzoquinone ou 1,10-phénanthroline. L'introduction d'un espaceur conjugué entre les moitiés 1,3-dithiole du tétrathiafulvalène conduit à de nouveaux systèmes à grande extension spatiale portant à chaque extrémité le motif p-benzoquinone ou son précurseur, l'objectif étant d'utiliser le tétrathiafulvalène comme pont dans un transfert électronique intramoléculaire entre les deux extrémités. Afin d'étendre cette application au motif 1,10-phénanthroline, la versatilité du groupement 2-cyanoéthylsulfanyle est exploitée avec la possibilité d'une déprotection sélective conduisant à des dérivés 5,6-dithiofonctionnalisés de la 1,10-phénanthroline, symétriques ou dissymétriques, dans leur forme neutre ou sous forme de complexe de ruthénium(II) chélaté avec les unités 2,2'-bipyridines. Des systèmes fusionnés associant le tétrathiafulvalène au motif dipyridoquinoxaline sont développés comme capteurs électroactifs, avec la mise en évidence de la complexation métallique de la 1,10-phénanthroline utilisant les propriétés optiques et redox du tétrathiafulvalène.

ce travail porte sur la synthèse de nouveeux polymères utilisant des motifs alcoxythiophènes. après un rappel sur les propriétés des systèmes conjugués linèaires, la première partie est consacrée à la présentation de nombreux polyalcoxythiophènes décrit dans la littérature. Elle met l'accent sur les effets éléctroniques et structurant des groupements alcoxy sur les propriétés des système conjugués. La seconde partie décrit la synthèse d'un nouveau système donneur/accepteur et la préparation des polymères associés. L'introduction des deux groupements donneur ( alcoxy) et accepteur (nitrile)d'électron sur le même motif thiophène est utilisée pour améliorer l'homogénéité de la densité éléctronique et ainsi préparer des polymères à faible gap. La dernière partie est consacrée à la synthèse de 3,6-dialcoxythiéno[3,2-b]thiophènes et de 3,4-dialcoxythiéno[3,2-b]thiophènes, qui associent la structure intrinsèquement rigide des thiénothiophènes à une autorigidification due à la présence des groupements alcoxy. les deux types de structures étudiées conduisent à des systèmes présentant des propriétés très différentes et permettent ainsi de moduler les prpriétés électroniques des systèmes conjugués.

Le but de cette thèse consistait en l'amélioration de l'activité thérapeutique d'agents anti-radicalaires synthétiques de type nitroxyde et nitrone. Ces deux classes d'antioxydants synthétiques ont été choisies pour leur très bonne activité de piégeurs de radicaux libres, des substances particulièrement délétères et impliquées à l'heure actuelle dans un grand nombre de pathologies. Dans une première partie de ce travail, des nitroxydes ont été fonctionnalisés par des transporteurs amphiphiles dérivés de la lysine et de l'acide aspartique, puis une deuxième approche a consisté en la modification d'une nitrone, l'alphaphényl-N-tert-butyl-nitrone (PBN) par des groupements polaires et apolaires. Les études physico-chimiques ont ensuite permit de caractériser les propriétés d'auto-assemblage en milieux aqueux de ces composés ainsi que leur caractère hydrophobe et leurs propriétés antioxydantes. Enfin, des études biologiques ont mis en évidence les propriétés protectrices de ces molécules vis-à-vis des phénomènes de stress oxydant sur des modèles in vitro et in vivo.

Du fait de leurs exceptionnelles propriétés, un très vaste champ d'applications s'ouvre aux nanotubes de carbone. La connaissance de leur toxicité est un enjeu primordial afin de connaître les risques et les dangers que ces objets représentent.Le travail présenté dans cette thèse vise à la synthèse de dérivés ayant pour but de favoriser les interactions entre les nanotubes et le milieu vivant.La synthèse d'une série de dérivés du cholestérol utilisables pour la fonctionnalisation des nanotubes de carbone a été mise au point. L'utilisation de tels dérivés a pour but de favoriser les interactions entre les objets greffés et les membranes cellulaires.Par ailleurs, de nombreux intermédiaires de synthèse présentent des propriétés mésomorphes. Celles-ci ont été étudiées au moyen de différentes méthodes telles que la microscopie optique, la calorimétrie différentielle à balayage et la diffusion des rayons X.Des nanotubes HiPco ont pu être purifiés et fonctionnalisés. L'analyse de leur cytotoxicité a été abordée, celle-ci a permis de mettre en avant une diminution de la toxicité des nanotubes greffés comparée à celles de nanotubes purifiés.