This thesis covers combination of two independent works accomplished throughout the study. One part research is about the unexpected cyclization of Dipyridyl-glycoluril, and the other part is about synthesis of precursor calix[4]arene derivatives. In an attempted synthesis of peripherally pyridine substituted cucurbituril, an unexpected cyclized product was obtained. A careful NMR analysis followed by mass spectrometry and preliminary crystallographic analyses, helped us in resolving the structure. The structure has two quaternized pyridine functionalities and a groove suitable as a potential receptor site. In addition, just like the parent glycoluril structure, two remaining urea-derived nitrogens can be alkylated by alkyl halides. Thus, we believe this high yielding reaction may become an entry point to a new class of anion receptors. In the second work, certain important calix[4]arene derivatives were synthesized. They are the building blocks of important potential molecular, anion and cation sensing, and enzyme mimics. For these precursor molecules, functionalizations both on lower and upper rim have been studied. A careful study on NMR data has been performed and detailed investigation on the NMR data was discussed herein. Applying further one or two step procedures produces important target molecules having potential as sensors or artificial enzymes.

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Les récepteurs moléculaires synthétiques sont au cœur de la chimie supramoléculaire. Ils procurent un apport théorique important en reconnaissance moléculaire et peuvent trouver des applications en nanoscience, science séparative, biologie, médecine, catalyse, chimie analytique, science des matériaux ou industrie alimentaire. Dans le cadre de la reconnaissance moléculaire, les calix[6]arènes sont des candidats de choix car ils possèdent des arguments structuraux uniques et une cavité hydrophobe de taille propice à l’inclusion de petites molécules organiques. De plus, de nombreuses méthodes ont été mises au point pour les modifier chimiquement. Ainsi, dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la complexation d’anions, de paires/triades d’ions de contact (anion et ammonium(s) associé(s)) ou de cations métalliques et de molécules neutres. Ces complexations sont classiquement mises en évidence par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). Toutefois, cette méthode souffre d’un manque de sensibilité, et nous nous sommes donc proposé de développer une nouvelle génération de calix[6]arènes portant des fluorophores, ce qui permettait la détection d’analytes présents en faible concentration dans le milieu par des méthodes spectrophotométriques. A notre connaissance, seuls de rares exemples de calix[6]arènes porteurs de fluorophores ont été décrits pour la détection de paires/triades d’ions de contact ou de cations métalliques et de molécules neutres. Notre démarche est donc tout à fait originale dans le sens où la cavité du récepteur est exploitée, au contraire de la plupart des exemples décrits dans la littérature qui n’utilisent que des sites de complexation extra-cavité.<p><p>Deux types de récepteurs ont été étudiés :les calix[6]trisurées qui sont capables de complexer des anions et des paires d’ions et les calix[6]trisimidazoles qui peuvent coordiner un ion métallique et une molécule neutre. En ce qui concerne le fluorophore, nous nous sommes particulièrement intéressés au pyrène, connu pour son aptitude à former des excimères, facilement détectables par fluorimétrie. Ainsi, le calix[6]trispyrénylurée, portant un site de reconnaissance pour anions au niveau de son petit col, a été synthétisé avec succès. La haute flexibilité de la structure associée à la taille importante des groupes pyrène du récepteur ont conduit à des problèmes de stœchiométrie pour la complexation de la plupart des anions dans le CDCl3 et dans un mélange CDCl3/CD3CN. Toutefois, l’anion sulfate est le seul à être reconnu en stœchiométrie 1:1 par ce récepteur avec une constante d’association élevée, déterminée avec précision par fluorimétrie. Ce récepteur est même sélectif pour le sulfate dans le DMSO. Un problème de sélectivité du mode de reconnaissance, lié à la flexibilité du récepteur et à l’encombrement des groupes pyrène, a été observé avec des paires d’ions de type RNH3+X- (X-=anion). Toutefois, de manière remarquable, la complexation de triades d’ions de type ammoniumTBASO4 (ammonium = PrNH3+, HexNH3+, DodNH3+, TMA+, pyrrolidinium) a pu être observée au sein du récepteur avec une sélectivité assurée par la cavité du calixarène, ceci par spectroscopie de RMN ainsi que par des méthodes spectrophotométriques. Un mécanisme d’adaptation induite de la structure du récepteur a en outre été observé au cours de la complexation de ces ammoniums de tailles différentes. Trois récepteurs calix[6]trisimidazoles portant des fluorophores de type pyrène, dansyle ou dérivé du benzothiazole au niveau du grand col ont également été obtenus. La complexation de cations métalliques tels que Zn2+, Cd2+, Co2+, Mg2+, Cu+ ou Cu2+ a pu être détectée par fluorimétrie, méthode qui a également permis de déterminer les constantes d’association de ces complexes, ce qui n’était pas possible par spectroscopie RMN. Le complexe zincique du récepteur trisimidazole trispyrényle a pour sa part permis d’inclure des amines primaires linéaires (PrNH2, DodNH2) ainsi qu’un dérivé de la dopamine, composé d’importance biologique, au sein de la cavité avec une haute sélectivité assurée par un effet cavitaire du calixarène. En outre, la complexation de ces espèces a pu être mise en évidence par fluorimétrie avec une grande sensibilité via une modification du rapport IM/IE du fluorophore en présence de l’amine d’intérêt endo-complexée. La fonctionnalisation sélective d’un invité ditopique complexé dans la cavité du récepteur a également pu être réalisée. Enfin, l’utilisation de multiples méthodes d’analyse (RMN, UV-Vis, fluorimétrie, ITC) pour mettre en évidence les phénomènes de complexation a permis de montrer leur complémentarité et de mettre en lumière certaines de leurs limites.<p><p>Tous ces travaux prometteurs permettent de valider le concept de détection d’espèces neutres ou chargées par des calix[6]arènes porteurs de fluorophores via des méthodes spectrophotométriques avec une haute sélectivité assurée par la cavité du calix[6]arène.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In der vorliegenden Arbeit wird die Darstellung und Charakterisierung von aromatisch substituierten Calix(4)resorcinarenen behandelt. Im zweiten Kapitel werden die Grundlagen und Besonderheiten bei Calix(4)resorcinarenen angesprochen. Ein Überblick über die wichtigsten Verbindungen dieser Gruppe von Makrocyclen wird gegeben. Im Kapitel 3 werden wesentliche Methoden zur vollständigen O-Alkylierung bei Calix(4)resorcinaren genannt. Außerdem werden Methoden zur partiellen O-Alkylierung von C-Arylcalix(4)resorcinarenen vorgestellt. Das Kapitel 4 stellt die Methoden zur Strukturaufklärung mittels 2D-NMR-Spektroskopie bei diesen Verbindungen vor. Möglichkeiten zur Unterscheidung des rccc-Isomer vom rctt-Isomer werden beschrieben. Das Kapitel 5 zeigt wesentliche Ergebnisse der semiempirischen Rechnungen zu C-Arylcalix(4)resorcinarenen und ihrer Acetate. Am Beispiel einer Verbindung werden Energiewerte aller Isomere und Konformere verglichen. Eine Deutung der ROESY-Spektren von Standpunkt der Quantenchemie aus wird gegeben. Im Ergebnis aller gewonnener Daten werden Aussagen zum wahrscheinlich ablaufenden Mechanismus gemacht. Der Vorgeschlagene Mechanismus geht von dimeren Verbindungen aus und berücksichtigt die Stereochemie der erhaltenen Produkte. / In this work the preparation and characterisation of aromatic substituted Calix(4)resorcinarens are shown. In the second chapter the basis's and the peculiarity's of the Calix(4)resorcinarens are given. A summary of the most important compounds of this class is shown. In chapter 3 preparation methods for the complete O-alcylation of Calix(4)resorcinarens are given. Methods for the particular O-alcylation of C-Arylcalix(4)resorcinarens are introduced. Chapter 4 presents the methods for the characterisation of this class of compounds with 2D-NMR-spectroscopy. Methods for the distinction of the rccc-isomer from the rctt-isomer are described. The chapter 5 shows important results of the semiempirical calculations with C-Arylcalix(4)resorcinarens and their acetates. The energy values of all isomers and conformers of one compound are compared. A interpretation of the ROESY-spectras with quantum chemical methods is given. As a result of this work a new mechanism is proposed.

La γ-hémolysine HlgC/HlgB et la leucocidine de Panton et Valentine (LPV) sont deux toxines formant des pores de la famille des leucotoxines bipartites (formées de deux sous-unités de classe S et F) sécrétées par S. aureus qui ciblent directement les polynucléaires neutrophiles humains (hPNNs) et qui augmentent le pouvoir pathogène de la bactérie. Ces leucotoxines sont également capables de cibler d’autres types cellulaires comme les neurones en grain du cervelet de rat et les DRG. D’abord, le composé de classe S de ces leucotoxines se fixe à un récepteur membranaire, le C5aR. Des substitutions en Alanine par mutagénèse dirigée ont permis la caractérisation d’un cluster d’acides aminés essentiels pour la fixation de LukS-PV à C5aR, localisé sur 2 boucles du domaine « Rim ». Puis, suite à la fixation de la sous-unité de classe F, HlgC/HlgB et la LPV semblent être internalisées, permettant une augmentation de la [Ca2+]i. Malgré les grandes similarités entre ces deux leucotoxines les sous-unités de classe F permettent à chaque leucotoxine d’activer des voies calciques différentes. Des dérivés du para-sulfonate-calix[4]arène ont un effet inhibiteur de ces toxines et pourraient montrer un potentiel à être utilisés comme auxiliaires aux antibiothérapies. / The γ-hemolysin HlgC/HlgB and the Panton and Valentine leukocidin (PVL) are two pore-forming toxins of the family of bicomponent leukotoxins secreted by S. aureus that directly target human neutrophils (hPNNs) and increase the pathogenicity of the bacteria. These leukotoxins also are capable of targeting other cell types such as rat cerebellar granular neurons and DRG. First, the compound of the class S binds to a membrane receptor, C5aR. Alanine-scanning mutagenesis allowed the characterization of a cluster of amino acids localized on two loops of the “Rim” domain essential for LukS-PV binding to C5aR. Then, after the class F subunit binding, HlgC/HlgB and PVL appear to be internalized, allowing an increase in [Ca2+]i. Despite the similarities between these two subunits, the class F component allows each leukotoxin to activate different pathways. Derivatives of para-sulfonato-calix[4]arene have an inhibitory effect on these toxins and may offer a potential to be used as auxiliary to antibiotherapy.

In der vorliegenden Arbeit wird die Darstellung und Charakterisierung von aromatisch substituierten Calix(4)resorcinarenen behandelt. Im zweiten Kapitel werden die Grundlagen und Besonderheiten bei Calix(4)resorcinarenen angesprochen. Ein Überblick über die wichtigsten Verbindungen dieser Gruppe von Makrocyclen wird gegeben. Im Kapitel 3 werden wesentliche Methoden zur vollständigen O-Alkylierung bei Calix(4)resorcinaren genannt. Außerdem werden Methoden zur partiellen O-Alkylierung von C-Arylcalix(4)resorcinarenen vorgestellt. Das Kapitel 4 stellt die Methoden zur Strukturaufklärung mittels 2D-NMR-Spektroskopie bei diesen Verbindungen vor. Möglichkeiten zur Unterscheidung des rccc-Isomer vom rctt-Isomer werden beschrieben. Das Kapitel 5 zeigt wesentliche Ergebnisse der semiempirischen Rechnungen zu C-Arylcalix(4)resorcinarenen und ihrer Acetate. Am Beispiel einer Verbindung werden Energiewerte aller Isomere und Konformere verglichen. Eine Deutung der ROESY-Spektren von Standpunkt der Quantenchemie aus wird gegeben. Im Ergebnis aller gewonnener Daten werden Aussagen zum wahrscheinlich ablaufenden Mechanismus gemacht. Der Vorgeschlagene Mechanismus geht von dimeren Verbindungen aus und berücksichtigt die Stereochemie der erhaltenen Produkte. / In this work the preparation and characterisation of aromatic substituted Calix(4)resorcinarens are shown. In the second chapter the basis's and the peculiarity's of the Calix(4)resorcinarens are given. A summary of the most important compounds of this class is shown. In chapter 3 preparation methods for the complete O-alcylation of Calix(4)resorcinarens are given. Methods for the particular O-alcylation of C-Arylcalix(4)resorcinarens are introduced. Chapter 4 presents the methods for the characterisation of this class of compounds with 2D-NMR-spectroscopy. Methods for the distinction of the rccc-isomer from the rctt-isomer are described. The chapter 5 shows important results of the semiempirical calculations with C-Arylcalix(4)resorcinarens and their acetates. The energy values of all isomers and conformers of one compound are compared. A interpretation of the ROESY-spectras with quantum chemical methods is given. As a result of this work a new mechanism is proposed.

Une antisepsie-désinfection (ATS-D) efficace est fondamentale si l'on considère le manque de traitements antiviraux spécifiques, l'émergence de nouveaux virus et l'accroissement du nombre d'infections nosocomiales virales. A ce jour, une seule norme Européenne, la norme NF EN 14476+A1, propose un cadre pour évaluer l'activité ATS-D antivirale en médecine Humaine et certaines améliorations sont encore nécessaires.Dans ce but, nous avons développé et validé, biologiquement et physico-chimiquement, un protocole pour évaluer l'activité ATS-D antivirale. Ce dernier est basé sur une méthode originale de filtration sur gel faisant appel à des colonnes de Séphadex™ G-25 et G-10 de notre conception comme moyen de neutralisation. Nous avons ainsi évalué, sur le coronavirus Humain 229E (HCoV 229E), les activités ATS-D de deux molécules de référence, la chlorhexidine (CHX) et l'hexamidine (HXM), ainsi que de deux calixarènes : le tetra-para-sulfonato-calix[4]arène (C[4]S) et le 1,3-bis(bithiazolyl)-tetra-para-sulfonato-calix[4]arène (C[4]S-BTZ). Selon la norme Européenne, pour qu'une formulation puisse prétendre à une activité ATS-D antivirale, il faut qu'elle induise une diminution de 4 log10 dans les titres viraux. L'HXM et le C[4]S n'ont montré qu'une très faible activité vis à vis du HCoV 229E. La CHX a montré quant à elle une activité beaucoup plus intéressante bien qu'elle ne puisse néanmoins pas prétendre à une activité ATS sur le HCoV 229E. Enfin, le C[4]S-BTZ a montré une activité comparable, voire meilleure, que la CHX. Son activité s'est en effet avérée plus rapide, rémanente et dénuée de cytotoxicité, contrairement à la CHX / Efficient antisepsis-disinfection is fundamental, considering the lack in antiviral treatments, the emergence of new viruses and the raising of viral nosocomial infections. Only one European Standard (NF EN 14476 + A1) proposes a frame to evaluate antiseptic antiviral activity in Human medicine and some improvements are still needed. We thus developed and validated, biologically and physico-chemically, a virucidal assay based on an original gel filtration method, using “in-house” G-25 and G-10 Sephadex™ columns, as neutralization method. We evaluated, on the Human coronavirus 229E (HCoV 229E), the antiseptic activity of two reference molecules, chlorhexidine (CHX) and hexamidine (HXM), and of two new potent antiviral drugs: the tetra-para-sulfonatocalix[4]arene (C[4]S) and the 1,3-bis(bithiazolyl)-tetra-para-sulfonato calix[4]arene (C[4]S-BTZ). A 4 log10 reduction in viral titers is required, according to the European Standard.HXM and C[4]S showed almost no activity on the HCoV 229E. Considering the CHX, it showed a quite interesting activity, even if it did not reach the threshold to pretend to an antiseptic activity on the HCoV 229E. Finally, The C[4]S-BTZ showed a comparable activity to the CHX, and even better. Thanks to this original method, we could highlight a new interesting molecule, the C[4]S-BTZ, which showed a close activity to the CHX, but faster, residual and exempt of cytotoxicity, whereas chlorhexidine did

Cette thèse porte sur la synthèse de ligands P-stéréogéniques dérivés du calix[4]arène et leur utilisation en catalyse asymétrique dans des complexes de métaux de transition. Des mono et diphosphines ont été préparées sur la cavité supérieure du macrocycle par réaction du mono ou dianion du calix[4]arène avec des chlorophosphines borane ou le complexe d'oxazaphospholidine borane préparés à partir d'éphédrine. La meilleure sélectivité est observée par réaction du dianion avec le complexe d'oxazaphospholidine borane qui conduit à une bisaminophosphine borane. Après acidolyse par HCl pour donner la bischlorophosphine correspondante puis réaction avec organolithien, les diphosphines diborane sont obtenus avec 40 à 60 % de rendement. Les structures cristallographiques des ligands préparés confirment la stéréospécificité de la méthode éphédrine. La préparation de diphosphines P-stéréogéniques surélevées au dessus de la cavité supérieure du calix[4]arène a été effectuée par réaction de phosphures borane avec le dérivé bisiodométhyl correspondant. Des ligands de type aminophosphinephosphinite (AMP*P) ont également été préparés à partir du produit d'ouverture du complexe d'oxazaphospholidine borane par l'anion du calixarène. Les différents ligands ont été synthétisés en série complexée au borane. La décomplexation est ensuite réalisée par réaction avec le DABCO et les phosphanes libres obtenus quantitativement ont été utilisés pour la préparation de catalyseurs chiraux de métaux de transition. Les AMP*P porteurs d'un substituant calix[4]arène sur le fragment aminophosphine ont permis d'obtenir de très bonnes inductions asymétriques en catalyse d'hydrogénation de l'α-acétamidocinnamate de méthyle par des complexes de rhodium (98% e.e.). L'étude comparée avec des ligands homologues d'un point de vue stérique et/ou électronique montre clairement l'influence bénéfique du substituant calix[4]arène. Les mono et diphosphines P-stéréogéniques fonctionnalisées sur la partie supérieure du calix[4]arène ont été utilisés en substitution allylique catalysée par des complexes de palladium. La réaction donne d'excellents rendements et stéréosélectivités avec des nucléophiles carbonés et azotés. Les meilleures inductions ont été obtenues avec une diphosphine porteuse de substituants méthyl et phényl au niveau des atomes de phosphore, qui entraîne des excès énantiomériques de 82% et 79 % en alkylation et en amination, respectivement.

Membrane transport processes underlie many purification technologies. The efficiency of a membrane separation process depends upon material throughput (flux), and the degree to which the membrane discriminates amongst species in the feed stock (selectivity). In a supported liquid membrane, flux may be enhanced by carrier molecules, which act as catalysts of translocation. Carrier molecules also confer selectivity, via differential molecular recognition of the substances in the feed stock. The effect of electrical potential on the flux and selectivity of carrier-containing supported liquid membranes is not well documented. We elected to study the effect of electrical potential on supported liquid membranes containing valinomycin, a potassium ionophore, and a calixarene ester, a sodium ionophore. In these systems, the open circuit membrane potential could be made positive or negative by the choice of anion. With both of these carriers, we observed that selectivity for potassium or sodium salts was dependent on the open circuit membrane potential. To confirm that electrical potential was responsible for the observed selectivity variance, we applied a potential across the membrane using a potentiostat. The applied potential created conditions for carrier-mediated electrodialysis, where oxidation and reduction reactions on either side of the membrane act as the driving force for transmembrane flux of charged species. In chronoamperometry experiments, we found that selectivity for potassium or sodium ion was dependent on the applied electrical potential. Subject to some constraints, selectivity and flux could be controlled by the application of positive or negative electrical potentials. Linear sweep voltammetry experiments allowed for the rapid prediction of the potential that must be applied to achieve optimal selectivity. We also found that membrane potential measurements, as well as the magnitude of current that flows in chronoamperometry experiments, could be interpreted to predict Eisenman and Hofmeister sequences. These results are novel, and await a convincing theoretical justification. The results also suggest that a separation technology could be developed around the idea of modulating selectivity with electrical potential. In this regard, carrier-mediated electrodialysis may be suitable for the sequestration of toxic or radioactive heavy metals, and a large number of carrier molecules for metal ions are currently known. The technique may also be suitable for separating organic molecules, such as high-value chiral pharmaceuticals. Supported liquid membranes are a useful research tool, but industrial applications may require a more stable membrane architecture. / Graduate

The development of synthetic molecular receptors that can selectively bind anions, translocate them through a lipidic bilayer membrane and release them on the other side is a very topical and emerging field of supramolecular chemistry, warranted by the biological importance of transmembrane anion transport.The first part of this thesis is devoted to the study of the transmembrane transport of chloride and of the organic ion pair propylammonium chloride with calix[6]arene receptors functionalized with three (thio)urea arms on their small rim. The transport of chloride across the lipid bilayer of liposomes was monitored by fluorescence spectroscopy using the lucigenin assay. We report the first example of calix[6]arenes able to act as mobile carrier for the transport of chloride via a Cl-/NO3- antiport. We furthermore show that our calixarene systems are able to perform the cotransport of propylammonium chloride, with the chloride bound at the level of the (thio)urea groups and the ammonium included in the calixarene cavity. To provide direct proof of cotransport, we developed a 1H NMR methodology involving a thulium- complex shift reagent with which we were able to distinguish the signals of the ammonium transported inside the liposomes from those of the external ammonium. We also highlight the role of the complexing calixarene cavity for the cotransport by comparing the calixarenes to known transporters deprived of a cavity. The transmembrane transport organic ion pairs could find applications in the transport of biologically relevant ammonium compounds such as catecholamines and amino acids. Our results are reported in the publication “Repositioning Chloride Transmembrane Transporters: Transport of Organic Ion Pairs” Grauwels, G. Valkenier, H. Davis, A. P. Jabin, I. Bartik, K. Angew. Chemie - Int. Ed. 2019, 58, 6921–6925.The second part of this thesis is devoted to the study of binding of chloride to receptors embedded in a lipid membrane, the first step of the transmembrane transport process. Both 1H and 31P NMR spectroscopy proved to be inadequate to study the binding using liposomes or micelles as model membranes. With liposomes, the NMR signals are too broad to be exploited and in the case of micelles, the competition between the lipid headgroups and chloride made it impossible to obtain a NMR signature which unambiguously characterizes chloride binding. The 35Cl NMR signal is on the other hand strongly affected by the presence of anion receptors, both in organic solvents and when incorporated lipid bilayers. We developed a methodology to evaluate the binding of chloride, based on the monitoring of the chloride linewidth during titration experiments. A linear relationship between the linewidth and the concentration of receptors is observed and the slopes can be exploited to compare the binding strengths of different structurally related receptors. We show that 35/37Cl NMR is a versatile tool which can help in the understanding and development of new transporters by providing new insights of the physicochemical understanding of the transport process. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished