The study of the binding and recognition of anions has emerged as a significant branch of supramolecular chemistry over the past 20 years. Of particular interest is the binding in aqueous media of industrially or biologically relevant anions including fluoride, pyrophosphate, and terephthalate. To date, most anion recognition using synthetic systems has been accomplished with small molecule receptors operating in organic media. We believe the challenge of sensing and binding anionic species in aqueous media could be addressed through polymers. This is due to their solubility, which can be tuned by judicious selection of the appropriate polymer backbone. Further, polymers can be cross-linked (forming interchain bonds) to produce insoluble materials that are attractive for use as filter materials for liquids and gases. The polymer network can also act as a net to strip away the solvent shell of the anions, leading to increased sensitivity toward hydrated analytes. In addition, the multi-valency due to multiple binding sites in a polymer can lead to increased affinities for analytes. This dissertation details the author’s work focused on the preparation of anion receptor-containing polymers and their subsequent evaluation as both sensors for the fluoride anion and as extractants for bisanions under conditions of liquid-liquid extraction. Chapter 1 gives a brief review of the challenges of anion binding and a primer on the field of sensing and extracting anions using polymeric systems. Chapter 2 describes our work incorporating three quinoxaline-based anion receptors into poly(methyl methacrylate) polymers and their sensing of anionic targets. Chapter 3 describes our work incorporating calix[4]pyrrole anion receptors into poly(methyl methacrylate) polymers. These polymeric systems were found to undergo reversible crosslinking in organic media when combined with certain ditopic anions. Chapter 4 describes our work to investigate chemopreventives of prostate cancer based on the phytochemicals 6-gingerol and 6-shogaol. The mechanism of action was linked to the inhibition of inflammation pathways. Derivatives of 6-shogaol were synthesized and their ability to inhibit prostate cancer cell growth was evaluated. Chapter 5 details all the syntheses and characterization data of the compounds discussed in this dissertation, as well as spectra from titrations and extraction studies. / text

La presente tesis consta de dos vertientes interrelacionadas. La primera se centra en intentar cuantificar experimentalmente la contribución energética en disolución de la interacción anión-, mediante el uso de calix[4]pirroles aril substituidos en las posiciones meso- como moléculas modelo. El trabajo realizado muestra que la interacción anión- es repulsiva para anillos con valores de ESP negativos y a medida que el efecto electrón atrayente de los sustituyentes aumenta la interacción se vuelve menos repulsiva, hasta que, cuando el valor de ESP en el centro del anillo aromático es positivo la interacción se vuelve ligeramente atractiva. La segunda en el uso de estos receptores simples para obtener arquitecturas supramoleculares más complejas, y su autoensamblaje en capsulas. Los estudios muestran que calix[4]pirroles sustituidos con grupos urea en sus anillos aromáticos se autoemsamblan en capsulas diméricas en presencia de un huesped adecuado como los N-óxidos de alquil aminas y piridinas en disolventes apolares. / This thesis consists of two interrelated aspects. The first one pretends to quantify experimentally the energetic contribution in solution of the anion- interaction, using aryl extended calix[4] pyrroles substituted in their meso- positions as a model system. The work performed shows that the anion- interaction is repulsive for aromatic rings with negative ESP values, as the electron withdrawing character of the substituent increases the interaction becomes less repulsive, until eventually, when the ESP value in the center of the aromatic ring is positive the interaction turns into slightly attractive.The second one is based on the use of these simple receptors as scaffolds to obtain complex structures and their self-assembly into capsules. The studies performed show that aryl extended calix[4]pyrroles substituted with urea functions on their upper rim self-assemble into dimeric capsules in the presence of a suitable guest like the N-oxides of alkyl amines and pyridines in non-polar solvents.

L’élaboration de récepteurs artificiels pouvant reconnaître soit des ions métalliques soit des molécules chargées ou neutres avec une haute affinité et une grande sélectivité est l’un des objectifs majeurs de la chimie supramoléculaire. En effet, de tels récepteurs ont de potentielles applications dans de nombreux domaines comme en imagerie médicale ou en analyse environnementale. Afin de pouvoir obtenir des récepteurs sophistiqués, il faut cependant généralement passer par une étape d’ingénierie de la molécule dont la conception concrète nécessite une fonctionnalisation ad hoc. Cela requiert souvent la mise au point de méthodes originales de synthèse accompagnée d’un travail méthodologique important. Par ailleurs, alors que l’eau, de par ses propriétés physico-chimiques, joue un rôle tout à fait particulier dans la reconnaissance moléculaire (effet hydrophobe) et dans les réactions enzymatiques (transfert d’électrons et de protons), la majorité des études décrites dans la littérature ont été faites en solvant organique. Si quelques récepteurs, principalement basés sur des molécules intrinsèquement hydrosolubles (telles que la cyclodextrine ou le cucurbiturile) ont permis d’enrichir la chimie supramoléculaire dans l’eau, l’étude comparée de récepteurs en milieux organique et aqueux, qui apporterait de nombreuses informations est, elle, en revanche peu explorée par la communauté supramoléculaire. Ce travail de thèse s’insère dans ces deux cadres et cherche à répondre en partie à ces problématiques. Il est axé sur :(i) le développement d’une méthodologie unique pour la fonctionnalisation sélective de calix[6]arènes; et (ii) la synthèse et l’étude de nouveaux récepteurs hydrosolubles dérivés du calix[6]tren.La première partie de ce travail décrit le développement d’une stratégie supramoléculaire, qui consiste en l’utilisation des propriétés réceptrices du macrocycle calix[6]arène comme un outil pour sa monofonctionnalisation sélective. Le champ d’application d’une telle approche est notamment étudié à partir de différents récepteurs calix[6]arèniques dont la reconnaissance est basée sur divers types d’interactions (interactions ioniques ou chimie de coordination). Ces travaux s’insèrent dans un cadre plus général de fonctionnalisation sélective de macrocycles via assistance supramoléculaire, qui fait l’objet du chapitre introductif de cette partie. Les propriétés émergentes de ces nouveaux ligands monofonctionnalisés sont également présentées dans ce document.La deuxième partie du travail concerne l’hydrosolubilisation de ligands calixaréniques et l’étude de leurs propriétés de reconnaissance ainsi que celles de leurs complexes (Zn(II), Cu(II)) correspondants dans l’eau. L’étude est pour cela dirigée vers l’hydrosolubilisation d’un récepteur qui s’est révélé particulièrement prometteur en solvant organique, mais qui n’était pas soluble en milieu aqueux :le calix[6]tren. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Synthetic molecular receptors find applications in the selective extraction, transport and detection of neutral or charged species and the study of these systems is an important facet of supramolecular chemistry. In this thesis, we focused our attention on a specific family of molecular receptors called calix[6]arenes. These receptors possess a hydrophobic cavity formed by 6 aromatic rings that can accommodate small organic molecules. They can furthermore be easily functionalized and give rise to for example ditopic receptors or sensing systems. We worked with two families of calix[6]arenes but also looked at the complexation properties of some related compounds: a homooxacalix[3]arene and a resorcin[4]arene derivatives. The first part of this thesis is devoted to the study of the complexation properties of a fluorescent calix[6]tris-pyrenylurea. The binding of anions, ion pairs, ion triads and phospholipids was monitored by 1H Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Emission Spectroscopy. Our results showed that the receptor exhibits a remarkable selectivity for the sulfate anion in DMSO for which a binding constant of the order of 103 M-1 was found. In chloroform the affinity for sulfate is of the order of 105 M-1 and the selective recognition of ammonium-TBASO4 triads was observed (TBA = tetra-n-butylammonium; ammonium = PrNH3+, HexNH3+ or DodNH3+). This work has been reported in the paper “Fluorescent Chemosensors for Anions and Contact Ion Pairs with a Cavity-Based Selectivity” Emilio Brunetti, Jean-François Picron, Karolina Flidrova, Gilles Bruylants, Kristin Bartik and Ivan Jabin J. Org. Chem. 2014, 79, 6179–6188. We also showed that calix[6]tris-pyrenylurea displays a remarkable selectivity in chloroform for phospholipids bearing a phosphatidylcholine head (PCs) over those bearing a phosphoethanolamine head (PEs). We were able to show that this fluorescent receptor is able to extract PCs from a water solution enabling their quantification. This work has been reported in the paper “A Selective Calix[6]arene-based Fluorescent Chemosensor for Phosphatidylcholine Type Lipids” Emilio Brunetti, Steven Moerkerke, Johan Wouters, Kristin Bartik and Ivan Jabin Org. Biomol. Chem. 2016. Accepted Manuscript. DOI: 10.1039/C6OB01880G.The second part of this thesis is devoted to the evaluation of the binding properties of different receptors incorporated into dodecylphosphocholine (DPC) micelles. This strategy was used to make the hydrophobic molecular receptors “water-compatible” without having to undertake synthetic modifications. Our results showed that a calix[6]azacryptand-based receptor can be incorporated into DPC micelles, either as a zinc complex or as a polyammonium at low pH. We observed that the zinc complex incorporated in the micelles is able to bind small and long linear primary amines in its cavity and we were able to highlight that complexation is driven by the hydrophobic effect. This work has been reported in the paper “Primary Amine Recognition in Water by a Calix[6]aza-cryptand Incorporated in Dodecylphosphocholine Micelles” Emilio Brunetti, Alex Inthasot, Flore Keymeulen, Olivia Reinaud, Ivan Jabin and Kristin Bartik Org. Biomol. Chem. 2015, 13, 2931-2938.We also validated the micellar incorporation strategy with a homooxacalix[3]tris-acid and with a resorcin[4]arene zinc complex bearing four methyl-imidazole moieties. Once incorporated into DPC micelles, we showed that the two receptors can bind small organic guests: the homooxacalix[3]arene derivative can bind tert-butylammonium or adamantylammonium, albeit with low affinity and the resorcin[4]arene-based zinc complex can bind acetate and acetylacetone.The final part of this thesis is devoted to the work undertaken in order to try and elucidate the guest exchange mechanism of calix[6]arene-zinc complexes where the zinc is tri-coordinated to the calixarene-based ligand and coordinates a guest molecule inside the calixarene cavity. The hypothesis that we put forward is that when the zinc is only tri-coordinated to the calixarene ligand, the guest exchange mechanism involves a zinc penta-coordinated intermediate where the zinc atom is simultaneous coordinated to an endo-complexed guest (inside the cavity) and an exo-complexed molecule (outside the cavity). 1D EXchange SpectroscopY experiments (EXSY) were undertaken with two calix[6]arene-zinc complexes where the zinc is tri-coordinated to the calixarene ligand and with a calix[6]arene-zinc complex where the zinc is tetra-coordinated to the calixarene ligand. The exchange of different guests (ethanol, dimethylformamide and acetonitrile) was monitored in deuterated dichloromethane. We observed that in all cases water accelerates guest exchange but that the guest residence times are highly dependent on the acidity of the metal center and on the nature of the guest buried inside the cavity. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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L’élaboration de récepteurs artificiels pouvant reconnaître soit des ions métalliques soit des molécules chargées ou neutres avec une haute affinité et une grande sélectivité est l’un des objectifs majeurs de la chimie supramoléculaire. En effet, de tels récepteurs ont de potentielles applications dans de nombreux domaines comme en imagerie médicale ou en analyse environnementale. Afin de pouvoir obtenir des récepteurs sophistiqués, il faut cependant généralement passer par une étape d’ingénierie de la molécule dont la conception concrète nécessite une fonctionnalisation ad hoc. Cela requiert souvent la mise au point de méthodes originales de synthèse accompagnée d’un travail méthodologique important. Par ailleurs, alors que l’eau, de par ses propriétés physico-chimiques, joue un rôle tout à fait particulier dans la reconnaissance moléculaire (effet hydrophobe) et dans les réactions enzymatiques (transfert d’électrons et de protons), la majorité des études décrites dans la littérature ont été faites en solvant organique. Si quelques récepteurs, principalement basés sur des molécules intrinsèquement hydrosolubles (telles que la cyclodextrine ou le cucurbiturile) ont permis d’enrichir la chimie supramoléculaire dans l’eau, l’étude comparée de récepteurs en milieux organique et aqueux, qui apporterait de nombreuses informations est, elle, en revanche peu explorée par la communauté supramoléculaire. Ce travail de thèse s’insère dans ces deux cadres et cherche à répondre en partie à ces problématiques. Il est axé sur : (i) le développement d’une méthodologie unique pour la fonctionnalisation sélective de calix[6]arènes; et (ii) la synthèse et l’étude de nouveaux récepteurs hydrosolubles dérivés du calix[6]tren. La première partie de ce travail décrit le développement d’une stratégie supramoléculaire, qui consiste en l’utilisation des propriétés réceptrices du macrocycle calix[6]arène comme un outil pour sa monofonctionnalisation sélective. Le champ d’application d’une telle approche est notamment étudié à partir de différents récepteurs calix[6]arèniques dont la reconnaissance est basée sur divers types d’interactions (interactions ioniques ou chimie de coordination). Ces travaux s’insèrent dans un cadre plus général de fonctionnalisation sélective de macrocycles via assistance supramoléculaire, qui fait l’objet du chapitre introductif de cette partie. Les propriétés émergentes de ces nouveaux ligands monofonctionnalisés sont également présentées dans ce document. La deuxième partie du travail concerne l’hydrosolubilisation de ligands calixaréniques et l’étude de leurs propriétés de reconnaissance ainsi que celles de leurs complexes (Zn(II), Cu(II)) correspondants dans l’eau. L’étude est pour cela dirigée vers l’hydrosolubilisation d’un récepteur qui s’est révélé particulièrement prometteur en solvant organique, mais qui n’était pas soluble en milieu aqueux : le calix[6]tren. / The elaboration of artificial receptors that can bind either metal ions or charged/neutral species with a high affinity and a high selectivity is one of the major goals of supramolecular chemistry. Indeed, such receptors have potential applications in many fields such as in medical imaging or in environmental analysis. In order to obtain sophisticated receptors however, one has generally to go through a step of molecular engineering. This often requires the development of original synthetic methods, accompanied by an important methodologic work. Furthermore, although water, by its special physico-chemical properties, plays a particular role in molecular recognition (hydrophobic effect) and in enzymatic reactions (transfer of electrons and protons), the majority of the studies reported in the literature have been conducted in organic solvent. If a few receptors, mainly based on intrinsically water-soluble molecules (such as cyclodextrin and cucurbituril) have permitted to enrich the field of supramolecular chemistry in water, the comparative study of given receptors in both organic and aqueous environment, which could be very informative, has been less explored by the supramolecular community. The present work fits into these two frameworks and seeks to answer, in part, to these problematics. The work is centered around: (i) the development of an unique methodology for the selective functionalization of calix[6]arenes; and (ii) the synthesis and study of new water-soluble derivatives of calix[6]tren. The first part of this work describe the development of a supramolecular strategy that relies on the use of the host-guest properties of the calix[6]arene macrocycle as a tool for its selective monofunctionalization. The scope of such approach is studied using several different calix[6]arene-based receptors which recognition process is based on different type of interactions (ionic interaction or coordination chemistry). The emerging properties of these newly monofunctionalized ligands are also presented in this document. The second part of this work deals with the water-solubilization of calix[6]arene ligands and the study of their coordination properties towards Zn(II) and Cu(II). The work is for this directed towards the water-solubilization of a receptor which revealed to be particularly promising in organic solvent, but that was not soluble in water: the calix[6]tren.

La reconnaissance moléculaire énantiosélective est un processus fondamental et universel qui est au cœur de tous les systèmes biologiques. Ce travail a pour but de contribuer à la compréhension des phénomènes, mis en jeu lors de cette reconnaissance, par l’utilisation de récepteurs artificiels, capables de complexer et discriminer des acides aminés. De par leurs rigidités et leurs modularités fonctionnelles, les calix[4]arènes constituent des plateformes de choix pour la conception de ces récepteurs organisés. Une série de 12 ligands calixarèniques et thiacalixarèniques chiraux homo et hétéroditopiques, portant des groupements fonctionnels dérivés d’acides aminés, a donc été synthétisée. La synthèse de ces ligands a nécessité la mise au point d’une méthode originale et sélective, qui a permis d’obtenir une série de calix[4]arènes mono-O-fonctionnalisés par des groupements fonctionnels variés. Une étude mécanistique a permis de mettre en évidence les intermédiaires réactionnels. Après caractérisation de tous les composés synthétisés, des études de complexation des ligands avec des dérivés tosylés d’acides aminés neutres ont été effectuées. Les investigations, menées par spectrométrie de masse, par microcalorimétrie et par RMN 1H, nous ont permis de mettre en évidence la capacité de certains ligands à complexer et discriminer des acides aminés. La stœchiométrie et les constantes d’association des complexes formés ont ainsi pu être déterminées. Des études par RMN 2D ont permis de déterminer les liaisons impliquées dans la formation des complexes et ont révélé un réarrangement spatial des ligands, au sein des complexes, afin d’améliorer la stabilité de ceux-ci / Molecular recognition is a fundamental and universal process in biological systems. This work aims to contribute to the understanding of phenomena involved in this recognition by the use of artificial receptors able to complex and discriminate amino acids. Because of their rigidity and their functional modularity, calix[4]arenes and thiacalix[4]arenes are good starting materials for the design of these receptors. A series of 12 chiral homo and heteroditopic calix[4]arenes and thiacalix[4]arenes bearing amino acids derivatives has been synthesized. In order to improve the synthesis of heteroditopic receptors, an original and selective method for the preparation of mono-O-functionalized calix[4]arenes was developed. This procedure, based on the de-O-functionalization of 1,3 di-O-substituted calix[4]arenes by titanium tetrachloride (TiCl4), yielded a series of calix[4]arenes, mono-O-substituted by various functional groups (alcohol, halogen, nitrile, ester, alkyne ...). A mechanistic study revealed the formation of two titanium calixarene complexes during the reaction. After characterization of all these compounds, complexation studies of chiral receptors with neutral N-tosyl amino acids derivatives (valine, leucine, and phenylalanine) were done. Various investigations carried out by mass spectrometry, microcalorimetry and 1 H NMR allowed us to establish the ability of some ligands to complex and discriminate amino acids. Stoichiometry and association constants of the complexes were determined. 2D NMR (NOESY, COSY) studies were used to specify the bonds implied in complex formation

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Boîtes quantiques (QDs) et nanoparticules fluorescentes de silice (NPs) ont influencé le domaine de la bioimagerie de par leur forte luminosité et photostabilité. Par rapport aux QDs, les NPs organiques peuvent s’avérer être encore plus brillantes et entièrement biodégradables, avec une bonne biocompatibilité et sans contenir aucun élément toxique. Nous avons développé quatre types de ces NPs : en premier, des nano-gouttelettes lipidiques chargées de colorants lipophiles (flavone et Nil Rouge) pour l'imagerie in vivo chez le poisson zèbre ; en second, l’association ionique entre rhodamine B alkylée et tétraphénylborate fluoré (TPB) donne des NPs de 11-20 nm avec un rendement quantique de ~60% ; une troisième type de NPs consiste en des micelles de 7 nm obtenus par co-assemblage de cyanine amphiphiles et contre-ions TPB ; enfin, la polymérisation de micelles de calix[4]arène par agents de réticulation bi-fonctionnels à base de cyanine donne des NPs de 7 nm présentant un comportement fluorogène et une bonne stabilité en milieu intracellulaire. Ces NPs plus brillantes et de taille inférieure aux QDs apparaissent comme des outils prometteurs en bioimagerie. / Quantum dots (QDs) and fluorescent silica nanoparticles (NPs) have impacted the domain of bioimaging by their high brightness and robust photostability. In comparison to QDs, organic NPs can be even brighter and fully biodegradable, as well biocompatible and not containing toxic elements inside. Herein, we developed four types of these NPs. At first, lipid nano-droplets loaded with lipophilic flavone and Nile Red dyes for in vivo imaging in zebrafish; second, ion-association of alkyl rhodamine B with fluorinated tetraphenylborate (TPB) counterions result in 11-20 nm NPs with fluorescence quantum yield up to 60%; third, 7 nm micellar NPs obtained by co-assembly of cyanine amphiphiles with TPB counterions; finally, polymerization of calix[4]arene micelles using bi-functional cyanine crosslinkers giving 7 nm NPs, that show fluorogenic behavior and high intracellular stability. These NPs, being of smaller size and brighter than QDs, have emerged as promising tools for bioimaging.

La thèse est consacrée à la développement de méthodes efficaces pour la synthèse d'une nouvelle classe d'intrinsèquement chiral calix[4]arènes contenant du phosphore, phosphines et acides phosphoriques avec une certaine disposition mutuelle des groupes fonctionnels sur le bord inférieur du macrocycle, avec un potentiel activité catalytique. La façon optimale fot la synthèse de calix[4]arènes contenant du phosphore par la substitution progressive des hydroxyles phénoliques a été développé afin de concevoir des intrinsèquement chiral calix[4]arènes avec des types de remplacement ABHH et ABCH au bord inférieur du macrocycle. En utilisant ces techniques, la synthèse de la six catalyseurs et efficaces avec chiralité planaire a été réalisée. En utilisant des études de diffraction des rayons X a permis d'étudier la localisation spatiale des groupes fonctionnels. L'utilisation de la réaction de Mitsunobu autorisé à fournir une synthèse de la nouvelle "poche" -comme ligands - calix[4]arènes portant des fragments ferrocényle-phosphines chirales. L'efficacité des nouveaux ligands phosphine synthétisés a été confirmé par l'exemple du modèle de réaction Tsuji-Trost. intéressante dépendance du niveau de sélectivité de la taille du cation de métal de base ajoutée, en raison de l'effet de ligand de chélation du supramoléculaire a été observée. Calix[4]arènes acides phosphoriques a d'abord été appliqués comme organocatalyseurs la série de réactions modèles: aza-Diels-Alder, aza-Mukayiama réaction asymétrique et réaction d'ouverture d'époxydes anneau. Il a été constaté que la plupart des composés synthétisés présentent un degré notable de activitydue catalytique à des caractéristiques de chiralité interne. / The thesis is devoted to the developing of effective methods for the synthesis of new class of inherently chiral phosphorus-containing calix[4]arenes, phosphines and phosphoric acids with a certain mutual arrangement of functional groups on the lower rim of the macrocycle, with potential catalytic activity. The optimal way fot the synthesis of phosphorus-containing calix[4]arenes by the stepwise substitution of the phenolic hydroxyls was developed in order to design inherently chiral calix[4]arenes with ABHH and ABCH replacement types at the lower rim of the macrocycle. By using these techniques, synthesis of six analogues of known and effective catalysts with planar chirality was performed. Using X-ray diffraction studies allowed to investigate spatial location of functional groups. Using of Mitsunobu reaction allowed to provide synthesis of the new "pocket"-like ligands - calix[4]arenes bearing chiral ferrocenyl-phosphines moieties. The effectiveness of the synthesized new phosphine ligands was confirmed by the example of the model Tsuji-Trost reaction. Interesting dependence of the selectivity level on the metal cation size of added base, due to chelation effect of supramolecular ligand was observed. Calix[4]arenes phosphoric acids was first applied as organocatalysts the series of model reactions: aza-Diels-Alder reaction, aza-Mukaiyama asymmetric reaction and epoxides ring opening reaction. It was found that most of the synthesized compounds exhibit a noticeable level of catalytic activitydue to features of internal chirality.