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.

Le retraitement des déchets radioactifs est un problème crucial de nos jours. Ce travail est dédié au développement de nouveaux systèmes d'extraction des radionucléides sur la base de solvants "verts", les liquides ioniques (LI). Dans ce but, des LI ont été fonctionnalisés avec des motifs variés : oxyde de phosphine, carbamoyl oxyde de phosphine et fragments malonamides. De même, les plateformes calix[4]arènes ont été utilisées pour la synthèse de LI fonctionnalisés (LIF) et de leurs précurseurs. Des LIF de deux types (cationiques et anioniques) ont été obtenus.Les LIF synthétisés ont été testés pour l'extraction liquide/liquide de radionucléides. Il a été montré que l'extraction est bien due aux motifs extractants. Toutefois, la charge de l'ion modifié influence l'extraction.Différentes expériences d'extraction et une modélisation mathématique ont été effectuées pour déterminer les mécanismes d'extraction. Ces études ont montré que chacun des systèmes d'extraction est caractérisé par un ensemble d'équilibres d'extraction différent, basés essentiellement sur l'échange cationique. / Radioactive waste treatment is a crucial problem nowedays. This work was dedicated to the development of the new extracting systems for radionuclides on the basis of "green" solvents Ionic Liquids {Ils). For this purpose Ils were functionalized with various extracting patterns: phosphine oxide, carbamoyl phosphine oxide groups and malonamide fragment. Also the calix[4]arene platforms were used for the synthesis of functionalized ionic liquids (Fils) and their precursors. The Fils of both types cationic and anionic have been obtained. The synthesized Fils were tested for the liquid-liquid extraction of radionuclides. lt was found that extraction well occurs due to the extracting patterns, however a charge of a modified ion influences extraction.The various extracting experiments and mathematical modelling have been performed to determine the mechanisms of extraction. These studies showed that each extracting system is characterized by a different set of extracting equilibria, based mostly on cationic exchange.

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. / We were interested in synthesis of P-stereogenic ligands derived from calix[4]arene and in their application in asymmetric catalysis. Mono et diphosphines were prepared on the upper rim of the macrocyle starting from the mono or dianion of the calix[4]arene and chlorophosphines borane or the oxazaphospholidine borane complex. The best selectivity was obtained by reaction of the dianion with the oxazaphospholidine borane complex leading to a bisaminophosphine borane. After acidolysis with HCl giving the corresponding bischlorophosphine and reaction with organolithium reagents, diphosphines diborane were obtained with good yields (40 à 60 %). X-ray structures of the prepared ligands confirmed the stereospecificity of the ephedrine method. Preparation of P-stereogeniques diphosphines elevated above the upper rim of the calix[4]arène was carried out by reaction of phosphides borane with the corresponding bisiodomethyl derivative. Ligands aminophosphinephosphinite (AMP*P) were also prepared from the opened product of the oxazaphospholidine borane complex by the calixarene anion. Ligands were synthetised in borane complex serie. Decomplexation with DABCO affords quantitatively the free phosphanes which were used in the preparation of transition metal catalysts. AMP*P bearing calix[4]arene on the aminophosphine moeity gave very high asymetric induction in hydrogenation catalysis of methyl α-acetamidocinnamate with rhodium complexes (98% e.e.). Compared study with isoelectronic or sterically similar ligands obviously prove the positive influence of the calix[4]arene substituent. P-stereogenic mono and diphosphines on the upper rim of the macrocycle were used in asymetric allylic subtitution catalyzed with palladium complexes. High yields and enantioselectivities were obtained with carboned and nitrogened nucleophiles. The best inductions were carried out with a diphosphine bearing methyl and phenyl on the phosphorous centers, affording enantiomeric excesses of 82 % and 79 % in alkylation and in amination, respectively.

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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.

Die bisher gängigen PVC-Membranen ionenselektiver Elektroden weisen eine Reihe von Schwachstellen auf: Sie haften nur durch Adhäsion am Substrat, sodass sich bei miniaturisierten Elektroden die Membran ablösen kann; Membranbestandteile wie der Weichmacher, das Ionophor oder der Ionenaustauscher können bei der Verwendung ausgewaschen werden, sodass sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Membran verschlechtern; auf der Membranoberfläche kann sich auf Grund ihrer Hydrophobie ein Biofilm ausbilden, der die Membran abschirmt. Diese Schwachstellen bewirken eine Dysfunktionalität der ionenselektiven Elektrode, weshalb im Rahmen dieser Arbeit ein Glycopolymerfilm entwickelt worden ist, der diese Schwachstellen nicht aufweist. Die in dieser Arbeit entwickelte Membran, die auf einem multifunktionalen Glycopolymer beruht, zielt auf die Egalisierung der Schwachstellen konventioneller ionenselektiver PVC-Membranen. Die entwickelte Membran kommt dabei ohne Weichmacher aus, reduziert die Ausbildung von Biofilmen, bindet kovalent an das darunterliegende organische Substrat und durch die kovalente Anbindung des Ionophors wird dessen Auswaschen verhindert. Um eine kovalente Bindung der Membran an organische Vermittlerschichten zu erreichen, wie sie bei All-solid-state-Elektroden zum Einsatz kommen, werden zunächst die photovernetzbaren Glycopolymere 12a–c entwickelt, bei denen etwa neun Photovernetzereinheiten über PEG-Spacer an den PEI25-Kern gebunden sind. Drei PEG-Spacer mit unterschiedlicher Länge werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Filmbildung untersucht: Sie besitzen vier (12a), acht (12b) und zwölf Ethylenglycoleinheiten (12c). Dabei zeigt sich, dass eine Spacerlänge von zwölf Ethylenglycoleinheiten für eine effektive Photovernetzung notwendig ist, weshalb für die folgenden Strukturen nur PEG12-Spacer eingesetzt werden. Um eine kovalente Anbindung des Ionophors an das Glycopolymer zu erreichen, werden verschiedene Syntheserouten genutzt und auf ihre Wirkung hin analysiert. Die frühe direkte Anbindung des Calix[4]arenderivats 3 an den PEI25-Kern der Glycopolymere 17a–c erweist sich als nachteilig, da hierdurch darauffolgende Syntheseschritte beeinträchtigt werden. Anderseits zeigen diese Glycopolymere, dass sich die Calix[4]areneinheiten nicht negativ auf die Glycopolymerfilmbildung auswirken. Zur Überwindung der erwähnten Probleme werden in den multifunktionalen Glycopolymeren 22a und 22b die Calix[4]arene wie der Photovernetzer am Ende der Syntheseroute über PEG12-Spacer angebunden. Dies erfolgt dabei über den upper rim des Calix[4]arens, da somit der lower rim, an dem sich ionenkomplexierenden Gruppen befinden, nicht beeinflusst wird. Neben der Struktur des Glycopolymers wird auch eine Methode zur Glycopolymerfilmbildung auf Modellsubstraten entwickelt. Hierfür werden Siliziumwafer mit einer hydrophilen organischen Vermittlerschicht aus (3-Glycidyloxypropyl)-trimethoxysilan (GOPS) eingesetzt. Bei der Filmbildung zeigt sich, dass die alleinige Bestrahlung mit UV-Licht nicht ausreichend ist, um eine stabile Vernetzung zu generieren. Erst nach vorausgehendem Tempern (1 h bei 120 °C) werden Filme mit einer Dicke von (42±8) nm für das Glycopolymer 12c erhalten. Die Glycopolymere 12a und 12b, die kürzere PEG-Spacer enthalten, bilden deutlich dünnere Filme aus. Für die vollständige Vernetzung ist eine Bestrahlungszeit von einer Stunde notwendig, was einer Energiedosis von etwa 290 J/cm² entspricht. Trotz möglicher freier Aminogruppen in der Struktur bilden die Glycopolymere 17a–c, bei denen unterschiedlich viele Calix[4]arene direkt an den PEI25-Kern gebunden sind, stabile Filme aus. Die sich ergebenden Schichtdicken zeigen dabei weder im Vergleich zum Glycopolymer 12c noch untereinander signifikante Unterschiede. Die Filmbildung auf dem hydrophilen GOPS wird demzufolge durch die direkt angebundenen Calix[4]arene nicht beeinträchtigt. Auf Grund des erwarteten amphiphilen Charakters der Glycopolymere 17a–c wird ihre Filmbildung nicht nur auf hydrophilen, sondern auch auf hydrophoben Modellsubstraten untersucht. Hierzu werden Siliziumwafer mit hydrophoben Vermittlerschichten aus Benzophenonsilan (BPS) und Poly-α-methylstyrol (PαMS) eingesetzt. Auf den hydrophoben Vermittlerschichten bilden die Glycopolymere 17a–c deutlich dünnere Filme aus als auf dem hydrophilen GOPS. Die Calix[4]areneinheiten sind demnach durch die Maltosehülle abgeschirmt und es treten kaum Wechselwirkungen mit den hydrophoben Substratoberflächen auf. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Anbindung der Calix[4]arene über PEG12-Spacer den Glycopolymeren 22a und 22b auf hydrophilen wie hydrophoben Vermittlerschichten in etwa gleich dicke Filme auszubilden. Offensichtlich liegt bei diesen Glycopolymeren eine amphiphile Peripherie vor, sodass sich die Glycopolymere besonders zur Beschichtung von All-solid-state-Elektroden mit verschiedenen Mediatorschichten eignen. Die photovernetzten Glycopolymerfilme quellen auf Grund ihrer hydrophilen Eigenschaften. Der Quellungsgrad q liegt dabei niedriger, wenn hydrophobe Calix[4]arene in die Struktur eingebunden sind: q(17c) = 2,3 im Vergleich zu q(12c) = 3,6. Erfolgt die Anbindung der Calix[4]arene direkt an den PEI25-Kern, ist die Glycopolymerstruktur unflexibel, sodass der Quellungsprozess bis zu sieben Stunden benötigt. Durch die Anbindung der Calix[4]arene über PEG12-Spacer wird die Flexibilität der Glycopolymere hingegen nicht beeinträchtigt, sodass der Quellungsprozess weniger als zwei Stunden benötigt. PVC-Membranen verlieren schon nach kurzer Zeit ihre ionenselektiven Eigenschaften, weil etwa der Weichmacher aus den Membranen diffundiert und diese dadurch spröde werden. Die Glycopolymerfilme sind hingegen über einen Zeitraum von mindestens 100 Tagen gegenüber sauren (pH = 4), neutralen und basischen (pH = 10) Lösungen stabil. Die entwickelten Glycopolymere werden im Rahmen einer Kooperation mit dem Kurt-Schwabe-Institut (KSI) in Meinsberg auf All-solid-state-Elektroden als ionenselektive Membranen eingesetzt. Die Graphitelektroden werden dafür mit einer Mediatorschicht aus leitfähigem Polypyrrol (PPy) und dem Glycopolymer 17c beschichtet. Die All-solid-state-Elektroden werden hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens gegenüber verschiedenen Ionen untersucht. Die Anbindung und Vernetzung erfolgt nach der für die Modellsubstrate optimierten Methode. Jedoch werden die Bedingungen für das Tempern angepasst, um eine Beschädigung der All-solid-state-Elektrode auszuschließen: 12 h bei 45 °C statt 1 h bei 120 °C. Dabei bildet sich ein inhomogener Belag aus, bei dem Teile der PPy-Schicht frei bleiben. Im Vergleich zur reinen und zur mit Polypyrrol (PPy) beschichteten Graphitelektrode zeigt die Elektrode, die mit einem Glycopolymerfilm versehen ist, trotz der Inhomogenität stabile und reproduzierbare Potentiale. Diese sind jedoch nicht von der Konzentration der Kationen, sondern von der der Anionen abhängig. Durch die Auftragung einer Ionentauscherschicht auf die ionenselektive Membran soll das Vordringen der Anionen in die Membran der All-solid-state-Elektrode unterbunden werden. Dadurch soll das Ansprechverhalten der All-solid-state-Elektrode auf die Kationen gelenkt werden. Entsprechende Arbeiten werden am KSI durchgeführt.

Cette thèse présente la synthèse de ligands originaux construits sur des plateformes coniques de type résorcin[4]arène ou calix[4]arène étant susceptibles de positionner un métal à proximité d'une unité réceptrice: a) des bis-binaphtylphosphites optiquement actifs dont les centres phosphorés ont été greffés sur le bord supérieur de cavités génériques. Ces coordinats ont été testés en hydroformylation asymétrique d’arènes vinyliques et ont conduit à une sélectivité iso très élevée avec de bons, voire très bons excès énantiomériques; b) des carbènes N- hétérocycliques ayant soit un, soit les deux atomes d'azote substitués par des unités résorcinarényle (variante cavitand) et leur utilisation pour la formation d'espèces comportant un centre métallique supramoléculairement piégé dans la partie cavitaire (complexes du type [NiXCpL] (X = Br ou Cl, Cp = cyclopentadiényle, LH = NHC). Ces complexes se sont avérés efficaces en dimérisation de l'éthylène; c) des carbènes N-hétérocyliques anormaux obtenus à partir de sels de triazolium comportant un ou deux substituants résorcinarène. Ces composés à fort encombrement ont été efficacement employés en couplage croisé de Suzuki-Miyaura entre des chlorures d'aryles volumineux et des acides arylboroniques stériquement encombrés. Les activités les plus importantes ont été obtenues avec le sel de triazolium stériquement le moins encombré, celui portant un seul substituant résorcinarène. Sa plus grande efficacité est due à une approche plus facile des substrats dans les intermédiaires catalytiques correspondants ainsi que de la présence de groupes pentyles flexibles pouvant interagir stériquement avec le centre métallique de manière à faciliter l'étape d'élimination réductrice / This thesis describes the synthesis of a series of compounds built on conical resorcin[4]arene and calix[4]arene platforms: a) diphosphites derived from optically active binol, in which the phosphite moieties have been grafted to the wider rim of the generic cones. These ligands were assessed in asymmetric hydroformylation of vinyl arenes and led to high iso selectivity with good to excellent enantiomeric excess; b) N-heterocyclic carbenes bearing either one or two cavitand moieties and their use for the synthesis of [NiXCpL] complexes (X = Br or Cl, Cp = cyclopentadienyl, LH = NHC) in which the NiCp moiety has been supramolecularly trapped in a resorcinarene bowl. These complexes were found active in ethylene dimerization; c) bulky triazolium salts with one or two resorcinarene substituents that were found suitable for the synthesis of complexes with abnormal NHCs. The latter were tested in palladium-catalysed Suzuki-Miyaura cross-coupling of bulky aryl chlorides with sterically hindered aryl boronic acids. Better activities were observed with the sterically less hindered triazolium salt, which bears a single resorcinarene substituent. Its higher efficiency arises from a higher substrate accessibility in the resulting catalytic intermediates as well as the presence of flexible pentyl groups that may interact with the metal centre so as to facilitate the reductive elimination step.