L'objectif de ce travail est l'analyse de la stabilité thermodynamique et de l'inertie chimique de complexes métalliques avec des ligands ou des nanoparticules conçus pour des applications en IRM. Deux types de ligands polyaminocarboxylates ont été étudiés, ligands pour lesquels les unités complexantes sont soit linéaires soit macrocycliques.Les ligands macrocycliques étudiés sont des ligands basés sur des squelettes DO3A, substitués par des entités benzimidazole (L1H4) ou p-nitrophenylbenzimidazole (L2H3). Les données thermodynamiques indiquent que les affinités de ces ligands vis-à-vis des ions de la première série de transition (Cu(II) et Zn(II)) ou vis-à-vis des lanthanides (Gd(III) et Eu(III)) sont plus élevées que celles des complexes correspondants avec le ligand DO3A. Ce renforcement d'affinité est corrélé avec la participation des groupements benzimidazole à la sphère de coordination de chacun des métaux. L'inertie chimique du complexe Gd(III)- L1H4 a ensuite été évaluée par relaxométrie en tampon phosphate, en présence d'une quantité équimolaire de Zn(II). Dans cette expérience, le Zn(II) joue le rôle d'un compétiteur du Gd(III) c'est-à-dire qu'il peut si le complexe Gd(III)-L1H4 n'est pas inerte chimiquement, induire une libération de l'ion gadolinium. Pour Gd(III)-L1H4, aucune réaction de ce type n'a été détectée, ce qui plaide en faveur de l'inertie chimique de ce complexe.Les ligands linéaires étudiés sont des dérivés dithiolés de ligands DTPA bisamide L@1H5. Ces ligands ont été conçus pour être greffés sur des nanoparticules d'or. La stabilité thermodynamique des complexes de Cu(II), Zn(II) et Gd(III) utilisant les ligands L@1H5 et L@1H5 greffé sur nanoparticule d'or (autrement appelé L@2H3) suit l'ordre de stabilité croissant Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Par ailleurs, les résultats montrent que le complexe Gd(III)-L@1H5 est moins stable d'au moins deux ordres de grandeur que le complexe Gd(III)-L@2H3. Ceci suggère qu'une fois greffé sur la nanoparticule, le complexe de gadolinium correspondant gagne en stabilité. Par ailleurs, des études comparatives d'inertie chimique montre que le complexe Gd(III)-L@1H5 greffé sur la nanoparticule a une inertie chimique comparable à celle de l'agent de contraste commercial Gd-DTPA. En revanche lorsque ce complexe est seul, sa vitesse de démétallation est rapide. Le greffage du ligand L@1H5 à la surface de la nanoparticule est donc au bénéfice de la stabilité et de l'inertie chimique de son complexe de Gd(III). Ce gain de stabilité peut être attribué à l''effet de ballast' de la nanoparticule qui rigidifie la structure du complexe et limite sa démétallation. / The aim of this work is to analyse the stability of metal complexes with ligands or nanoparticles of interest in MRI and to study their transmetallation mechanisms in the presence of endogenous cations near physiological pH. Two types of polyaminocarboxylate ligands were studied for which the binding unit was either linear or macrocyclic.Macrocyclic ligands are constituted of a DO3A backbone functionalized with a benzimidazole (L1H4) or a p-nitrophenylbenzimidazole unit (L2H3). Thermodynamic data indicated that the affinities of these ligands towards first row transition metal ions (Cu(II) and Zn(II) or lanthanide ions (Gd(III) and Eu(III)) are increased compared to the corresponding ones with DO3A. This enhancement is correlated to the involvement of the benzimidazole moiety to each metal coordination sphere. For gadolinium complex Gd(III)- L1H4, its kinetic inertness was evaluated in phosphate buffer by relaxometry, in the presence of equimolar quantities of Zn(II) as a competitor. In these conditions, if the complex is not chemically inert, it would be subjected to a transmetallation reaction, that is to say that at least, gadolinium would be released. For Gd(III)-L1H4, no such reaction was detected which is in favour of kinetic inertness of Gd(III)- L1H4.Linear ligand, dithiolated DTPA bisamide L@1H5 was designed with an aim of grafting it onto gold nanoparticles. L@1H5 and the ligand grafted into gold nanoparticle,namely L@2H3, were analysed for their thermodynamic stability towards mainly Cu(II), Zn(II) and Gd(III). Whatever the system, L@1H5 or L@2H3, the general trend of increasing complex stability was Zn(II) < Cu(II) < Gd(III). Furthermore, Gd(III)-L@1H5 complex was less stable than Gd(III)-L@2H3, this latter being 2 orders of magnitude more stable at physiological pH. This suggested that the gadolinium complex stability is enhanced when the ligand is grafted onto the nanoparticle. Moreover, comparative kinetic inertness studies showed that the gadolinium complex Gd(III)-L@1H5 is not chemically inert and demetallates rapidly while the gadolinium complex grafted onto the nanoparticle exhibit almost equal kinetic inertness as Gd-DTPA (Magnevist). The bulky nanoparticle probably rigidifies the structure of the complex and prevents Gd(III)-L@2H3 from an extensive demetallation, which was a good point for the possible use of these nanoparticles in living organisms for imaging applications.

Dans cette thèse nous proposons une étude théorique de réactions de transmétallation entre des complexes de cuivre (I) et ceux de trois métaux du groupe principal: Si, Zn et Li. La détermination des chemins réactionnels de ces processus d'échange a été réalisée en utilisant plusieurs approches. Quand le ligand transféré est une chaîne alcoolate, ces structures sont facilement obtenues en utilisant les méthodes classiques de recherche de minima et d'état de transition, soit l'intuition chimique comme seul guide. En revanche, cette tâche devient d'une grande difficulté quand le ligand transféré est une chaîne alkyl, comme cela été le cas pour le transfert du ligand méthyle entre zinc et cuivre. Pour aborder ce problème, nous nous sommes tournés vers l'algorithme de recherche des minima GSAM, basé sur l'échantillonnage des différentes structures topologiques à partir de fragments moléculaires. Cette méthode qui a été appliquée avec succès sur des cluster atomiques ou l'hydratation de molécules biologiques, a nécessité des adaptations pour l'étude sur des espèces organométalliqes. Une fois cela réalisé, elle a démontré son efficacité dans l'étude de réactions d'intérêt expérimental. Une autre problématique abordée est la détermination du mécanisme de transfert de ligand dans un complexe bimétallique possédant un cation métallique peu coordinant (Li) et un autre très coordinant (Cu). Le réarrangement électronique associé à la transmétallation est déterminé grâce à une astuce qui consiste à remplacer Li par un atome bien coordinant tel que l'hydrogène. Cette méthode a été appliquée à l'étude du mécanisme de l'inversion de configuration dans un allénylcuprate lithié. / In this thesis we propose a theoritical study for transmetallation reactions between copper (I) complexes and those of three metals of the main group: Si, Zn and Li. Determination of reaction pathways of the exchange process was conducted in using several approaches to the localization of the structures of reaction intermediates or transition states. When the transferred ligand is an alcoolate chain, these structures are easily obtained using conventional methods of search of minima and transition states, that is chemical intuition. However, this becomes a major difficulty when the transfered ligand is an alkyl chain, for instance the methy transfer between zinc and copper. In order to handle this problem, we turned toward the global search algorithm of minima GSAM, based on the sampling of different topological structures from molecular fragments. This method, that had been successfully applied on atomic cluster or hydration of biological molecules, required adaptations for the study of organomtallic species. Once achieved, this algorithm has proved efficient for the study of reactions of experimental interest. Another transmetalation problem addressed is the determination of ligand transfer mechanism in a bimetallic complex having a weakly coordinating metal cation (Li) and a highly coordinating one (Cu). The electronic rearrangement associated with the transmetallation is determined through a trick which consist in replacing Li by a well coordinating atom such as hydrogen. This method was applied to the study dy of the inversion of configuration mechanism in a lithium allenylcuprate.

Le sujet de cette thèse porte sur l’étude de ligands hybrides incorporant un donneur carbène N-hétérocyclique (NHC). Les ligands phosphine-NHC construits sur le motif m-phénylène ont conduit à des complexes di- ou tétranucléaires d’Ag, Cu, Au et Ir, et à des complexes bimétalliques Ag/Cu et Ag/Ir par transmétallation sélective du site NHC. Dans le cas des ligands phosphino-picoline-NHC (PNC), la transmétallation des sels de Li ou K correspondants a permis d’isoler des complexes « pinceurs » dé-aromatisés du Cr, Fe et Co. La déprotonation du ligand bis(phosphinométhyl)pyridine (PNP) a été examinée, et les ligands dé-aromatisés mono- et bis-anioniques correspondants ont été utilisés dans des réactions de transmétallation vers le Cr(II) et Zr(IV). Différents modes de coordination des ligands dé-aromatisés, notamment une métallation de la position alpha-CHP, ont été observés. La substitution de la phosphine dans PNC par une fonction imine conduit à un ligand hybride « rédox non-innocent ». / The purpose of this work is the synthesis and study of hybrid and potentially “pincer” ligands featuring an N-heterocyclic carbene (NHC) donor. The phosphine-NHC ligands based on the m-phenylene framework led to di- or tetranuclear Ag, Cu, Au and Ir complexes, and to bimetallic Ag/Cu and Ag/Ir complexes by selective transmetallation of the NHC. With the phosphino-picoline-NHC (PNC) ligands, transmetallation from the corresponding Li or K salts led to dearomatised Cr, Fe and Co “pincer” complexes. Deprotonation of the bis(phosphinomethyl)pyridine (PNP) ligand was also examined. The corresponding dearomatised mono- and bis-anionic ligands were isolated as Li or K salts and further used in transmetallation reactions towards Cr(II) and Zr(IV). Different coordination modes of the dearomatised ligands, including side-arm metallation, were observed. Substitution of the phosphine group in PNC by an imine donor led to a hybrid and “redox non-innocent” ligand.

Ce manuscrit traite de la complexation des métaux post-transitionnels de la période 6 par des porphyrines comportant une ou deux anses à acide(s) carboxylique(s) suspendu(s). Celles-ci possèdent des cinétiques rapides d'insertion du Bi permettant d'envisager, de par la complexation et la vectorisation du 213Bi, une application en α-radio-immunothérapie (α-RIT). Dans ce but, trois porphyrines à anse(s) ont été élaborées et le meilleur taux d'insertion du 213Bi a été obtenu avec la porphyrine bis-anse bis-acide grâce à un processus sans précédent de transmétallation Pb«froid»213Bi, il atteint les 80% et est comparable à celui obtenu avec le CHX-DTPA, meilleur chélate du 213Bi. S'agissant de la vectorisation du 213Bi, deux porphyrines bifonctionnelles ont été préparées et les tests de couplage sur anticorps ont montré la formation d'agrégats en raison de leur faible hydrosolubilité. Par ailleurs, une porphyrine hydrosoluble mono-anse monoacide a été synthétisée, mais en absence d'une deuxième anse à acide carboxylique l'insertion du 213Bi reste faible (< 10%). Ce travail permet de conclure que pour atteindre notre objectif d'α-RIT, il faudra élaborer une porphyrine hydrosoluble comportant deux anses à acide carboxylique. Les deux autres parties sont plus fondamentales, d'abord l'accès à un commutateur moléculaire grâce à une double translocation d'ions métalliques au sein de complexes bimétalliques de thallium, déclenchée par un processus d'oxydoréduction TlI↔TlIII. En effet, au sein de nos complexes bimétalliques, deux modes de coordination coexistent, l'un avec un métal M lié à la porphyrine «out of plane» OOP et l'autre avec un métal M' lié à l'anse «hanging atop» HAT. Nous visons un état dans lequel le TlIII serait OOP et le deuxième métal M HAT et un second avec le TlI HAT et M OOP. Les études de coordination du thallium par une porphyrine bis-anse bis-acide ont mis en évidence la formation du 1er exemple de complexe à valence mixte TlIII/TlI par photo-oxydation ou par réduction du HgII. De plus, les deux états du commutateur moléculaire visé ont été obtenus indépendamment : TlIII OOP/PbII HAT et TlI HAT/ PbII OOP. L'utilisation du deuxième phénomène redox pourra permettre le passage de l'un à l'autre constituant un premier pas vers un commutateur moléculaire. Finalement, nous visons de nouveaux complexes supramoléculaires de coordination à partir de sous-unités bimétalliques dont l'assemblage métal-dirigé via l'anse sera modulé par la nature des métaux sur la porphyrine. Trois nouvelles porphyrines ont été synthétisées avec une ou deux anses à acide carboxylique suspendu dont la position α est substituée par une seconde fonction acide carboxylique ou par une fonction cyano. La métallation de celles-ci par le PbII, le HgII ou le CdII a été étudiée et deuxstructures RX de complexes dinucléaires de CdII et de PbII ont été obtenues avec une porphyrine bis-anse bis-cyano. Elles montrent l'influence de la nature du métal sur l'orientation des groupements coordinants. / This manuscript is related to the complexation of the period 6 main group and late transition metals by porphyrins bearing one or two straps with overhanging carboxylic acid. These porphyrins possess fast metal ion insertion rate allowing us to consider, through 213Bi-α-emitter complexation and vectorization, an application in α-radio-immunotherapy (α-RIT). For that purpose, we designed 3 strapped-porphyrins with one or 2 overhanging carboxylic acid. The best 213Bi insertion rate of 80% was obtained with the bis-acid bis-strapped porphyrin thanks to an unprecedented transmetallation “cold” Pb213Bi process; which is close to that of the CHX-DTPA, best known 213Bi chelate. Regarding 213Bi vectorization, 2 BFC porphyrins were synthetized and immunoconjugation experiments proved aggregate formation due to their poor water-solubility. Furthermore, a water-soluble mono-acid and mono-strapped porphyrin was realised but without the 2nd carboxylic acid the 213Bi insertion was very low (<10%). This work provided the conclusion that to achieve the α-RIT objective we have to design a new porphyrin water-soluble with 2 straps bearing one overhanging carboxylic acid. The 2 last chapters are related to fundamental applications, Firstly, a molecular switch through thallium heterobimetallic complexes in which a double translocation of metallic ions will take place thanks to Tl(I)↔Tl(III) redox process. In fact, in our heterobimetallic porphyrin complexes 2 coordination modes can coexist, one M metal is out of the porphyrin plane (OOP) while the other M’ metal is bound to the strap and hanging atop the porphyrin (HAT). So, we considered a state in which the Tl(III) will be OOP while the other metal M will be HAT and in the 2nd the Tl(I) will be HAT and the M metal will be OOP. Thallium coordination studies were implemented with a bis-acid bis-strapped porphyrin and they evidenced the sunlight-driven and redox-driven formation the 1st example of a mixed-valence Tl(III)/Tl(I) porphyrin complex. Moreover, 2 states of the targeted molecular switch have been independently obtained the OOP Tl(III)/HAT Pb(II), and the HAT Tl(I)/OOP Pb(II). Using the 2nd phenomenon, we can consider obtaining transition between those 2 complexes to move towards an eventual molecular switch. Finally, we aim new supramolecular coordination complexes from bimetallic and dynamic porphyrin sous-units of which the metal-directed self-assembly through the strap could be modulated by the nature of metals bound to the porphyrin. 3 new porphyrins were designed with strap(s) bearing overhanging carboxylic acid of which α-position is occupied by either one other carboxylic acid or a cyano group. Metalation studies of those porphyrins was performed with Pb(II), Bi(III), Hg(II) or Cd(II) and 2 Xray structures of binuclear complexes of Cd(II) and Pb(II) was obtained with a bis-cyanoacid bis-strapped porphyrin. They proved the influence of the metallic ion nature on the coordinating group orientation.

Cette thèse est consacrée à l’étude de mécanismes de réactions catalysées par des métaux ainsi qu’au développement de nouveaux outils pour la rationalisation et la prévision du comportement catalytique. L’étape de transmétallation entre le bore et le nickel a été étudiée en détail à l’aide de méthodes expérimentales variées (electrochimie, RMN, cinétiques) et par DFT, permettant d’expliquer certaines limitations rencontrées par les experimentateurs. La seconde partie de cette thèse est dédiée à la rationalisation du comportement d’une famille d’acides de Lewis : les sels de triflate et de triflimidate. Leur comportement a été étudié sur des réactions modèles d’amination et d’oxidation et une nouvelle échelle théorique d’acidité de Lewis basée sur l’estimation du transfert de charge vers l’acide à permis de reproduire et prévoir l’activité catalytique. / In this thesis mechanistic studies of metal-catalyzed reactions as well as development of new tools to predict and rationalize the catalytic properties are presented. The boron-tonickel transmetalation step was thoroughly studied by experimental technics (electrochemistry, NMR, kinetics) and DFT calculations, allowing us to solve some of the limitation encountered by the synthetic chemists. In the second part of this thesis the behavior of a family of Lewis acids (triflates and triflimides) is rationalize. Two model reactions (SN and redox) were studied and a new theoretical scale of Lewis acidity was developed based on the charge transferred to the acid allowing us to reproduce and predict the catalytic activity of these salts.