Ce travail visait à explorer les interactions supramoléculaires comme un outil dans les domaines de la chimie hôte-invité, les nanomatériaux et les nanotechnologies en général, afin de parvenir à des objectifs différents. D'abord, une interaction classique hôte-invité a été étudiée, au moyen d'une technique innovante telle que l'ITC, puis nous avons exploité les interactions supramoléculaires afin de maitriser la production de graphène exfolié en phase liquide, en mettant un accent particulier sur l'amélioration de la qualité et la quantité du matériau produit. Enfin, nous avons étendu l'utilisation de la chimie supramoléculaire à un dispositif réel par la fonctionnalisation des électrodes d'or avec des molécules photochromiques, ouvrant alors la voie à des dispositifs organiques multifonctionnels, pouvant être contrôlés par la lumière. / This work was aimed at exploring supramolecular interactions as a tool in the fields of host-guest chemistry, nanomaterials and in general nanotechnology, in order to achieve different goals. First, a classical host-guest interaction was studied by means of the ITC technique, then we exploited supramolecular interactions in order to harness the production of liquid-phase exfoliated graphene, with a particular focus on improving the quality and quantity of material produced. Finally, we extended the use of supramolecular chemistry to a real device by functionalization of gold electrodes with photochromic molecules, hence paving the way towards multifunctional organic devices and in prospective to graphene based light-controlled multifunctional devices.

Les propriétés des matériaux découlent en partie de leur organisation à l’échelle nano ou microscopique. Dans cette thèse, on montre qu’en contrôlant la chimie aux interfaces, des organisations très régulières peuvent être obtenus spontanément dans divers matériaux polymères.Dans une première, la chimie supramoléculaire a été utilisée pour contrôler l’organisation en masse de polymères greffés à une ou deux de leurs extrémités par la thymine (Thy) ou la 2,6-diamino-1,3,5-triazine (DAT), deux unités supramoléculaires complémentaires s’associant par liaisons hydrogène. Quelque soit la nature de la chaine polymère (PE, PDMS, PPG), les matériaux présentent des organisations lamellaires nanoscopiques très régulières lorsque l’unité terminale (Thy) et/ou la chaine (PE) cristallisent. Les contributions respectives à ces organisations de la ségrégation de phase, de la cristallisation, des liaisons supramoléculaires et des interactions secondaires ont été déterminées. Il a été montré que le confinement des chaines polymères dans les lamelles empêche la formation de chaines de grandes masses molaires. Cependant, les interactions supramoléculaires Thy/DAT permettent de former des copolymères à blocs supramoléculaires en mélangeant des chaines incompatibles fonctionnalisées par ces unités.Dans une seconde partie, nous avons montré que la texturation spontanée de films acrylates photopolymérisés à l’air est gouvernée à l’interface formulation/air par l’équilibre des cinétiques de polymérisation et d’inhibition par l’oxygène. Des morphologies microscopiques très régulières, hexagonales, lamellaires ou cacahuètes, sont obtenues en contrôlant différents paramètres expérimentaux et ce pour une large gamme d’épaisseur de film (6 µm – 2 mm). L’auto-texturation confère aux films des propriétés optiques singulières (flou, clarté) qui peuvent être modulées en ajustant les caractéristiques de la morphologie. / Materials properties very often derive from their nano or micro-scale organization. In this thesis, we evidence that controlling the chemistry at the interfaces allows obtaining spontaneously very regular organizations in various polymer materials.In the first part, supramolecular chemistry has been used to control the organization in the bulk of polymer grafted at one or both extremities by thymine (Thy) or 2,6-diamino-1,3,5-triazine (DAT), two self-complementary supramolecular units interacting via hydrogen bonds. Whatever the polymer nature (PE, PDMS, PPG), materials present very regular nanoscale long-range ordered lamellar organizations if the end group crystallize (Thy) and/or the chain crystallize (PE). Respective contributions to these organizations of phase segregation, crystallization, supramolecular interactions and secondary interactions have been determined. It was shown that the confinement of chains in lamellae prevent the formation of high molecular weight chains, resulting in poor mechanical properties. However, Thy/DAT interactions allow creating supramolecular block copolymers by mixing incompatible chains functionalized with these units.In the second part, we have studied the spontaneous formation of patterns at the film surface of acrylate film during their photopolymerization under air. This phenomenon occurs if there is a balance at the film surface between the polymerization and the oxygen inhibition rates. Very regular microscale patterns (hexagons, lamellae, peanuts) have been generated by controlling some experimental parameters (UV intensity, initiator concentration) for a wide range of film thicknesses (6 µm – 2 mm). Self-patterning gives interesting optical properties to the films (haze, clarity) which can be modulated by adjusting the patterns wavelength and amplitude.

Les foldamères d’oligoquinoline carboxamide forment des structures hélicoïdales en solution et dans le solide. Ces structures sont stabilisées par liaisons hydrogène, empilement aromatique et interactions électrostatiques. Dans une première partie de ce manuscrit, les fonctions amide connectant les unités quinolines ont été substituées par des fonctions vinylène, isostères de celles-ci. Ces composés quinolynènes-vinylènes, seuls, forment principalement des structures étendues en solution. Toutefois lorsque ces nouvelles unités sont en faible proportion au sein de l’oligomères contenant principalement de connections amides, des architectures hélicoïdales ont pu être obtenues. Dans une seconde partie, des ions Cu (II) ont été introduits au centre des hélices d’oligoquinoline carboxamide. Ces ions sont liés aux atomes d’azote des quinolines, et à ceux des fonctions amides après leur déprotonation. Une organisation linéaire de ces ions a été observée dans le solide. L’auto-assemblage d’hélices, en faisceaux, par empilement aromatique d’unités acridines portées par les chaines latérales a été entrepris dans une troisième partie de ce manuscrit. De faibles associations ont pu être mises en évidence en solution. Dans le solide ces interactions, bien que faibles, ont permis le contrôle de l’organisation des hélices dans le cristal. Dans une dernière partie de ce manuscrit, la coordination de métaux a été utilisée afin de permettre l’assemblage d’hélices d’oligoquinoline carboxamide. Des ligands acridine et pyridine ont été fixés sur la périphérie de l’hélice de façon à permettre la coordination par des métaux de transition tel que le palladium (II). Ces assemblages d’hélices induits par le palladium, ont été caractérisés par RMN en solution et par diffraction des rayons X dans le solide. / Oligo-quinolinecarboxamide foldamers form stable helical structures in solution and in the solid state. These helices are stabilized by hydrogen bonds, π-π stacking and electrostatic interactions. In a first part of this manuscript, vinyl functions have been introduced as isosteres of amides. The resulting quinolylene-vinylene oligomers form mainly extended structures in solution. Helical folded conformations can nevertheless be stabilized by attaching two segments of oligoamides at both ends of an oligoquinolylene-vinylene. In a second part, copper (II) ions have been loaded into the single helices of quinolinecarboxamide foldamers. The copper (II) ions coordinate the nitrogen atoms of the quinoline units and also deprotonated amide nitrogen atoms. A one dimensional alignment of the copper (II) ions was observed in the solid state. In a third part, acridine functionalized foldamers were prepared in order to test their self-assembly into bundles through interactions between aromatic functions at the exterior of helices. Associations of the acridine functionalized oligoamides are weak in organic solution. In contrast, in the solid state, interactions between helices are mainly governed by acridine units. In a fourth part, metal coordination has been used to promote helix-helix assembly of quinoline oligoamides foldamers. Acridine and pyridine rings have been attached on the side chains of these oligomers to allow coordination with metals, palladium (II) in this case. The helix-helix assembly of quinoline oligoamides by palladium coordination has been confirmed by NMR and x-ray diffraction.

Dans ce mémoire d'habilitation à diriger les recherches, nous avons abordé un ensemble de thématiques articulées autour de la matière organisée hybride organique-inorganique. Chaque thème de recherche, brièvement décrit dans ce document, demande une interdisciplinarité corrélée à une situation d'apprentissage permanent. Après avoir brièvement décrit mon travail de thèse et les axes de recherches menés aux Etat-unis, sont déclinées les recherches actuelles menées au CRPP, centrées sur une thématique de "morphosynthèse" à l'interface entre sciences moléculaires et physico-chimie de fluides complexes, fortement corrélées à la réalisation "d'architectures fonctionnelles multi-échelles" dites hiérarchisées. Ces architectures obtenues sont, dans tous les cas, micro-structurées (agencement des polyèdres de bases), méso-texturées (utilisation de mésophases lyotropes, micelles etc.) et macro-structurées (mousses, émulsions, instabilités hydrodynamiques, décompositions spinodales etc.)

Ce travail a pour objectif d'augmenter la diversité des foldamères par le développement d'une nouvelle classe d'architectures abiotiques mimant le repliement des feuillets β protéiques. La stratégie employée repose sur des processus de structuration qui diffèrent de ceux observés au sein du vivant. Les deux éléments essentiels des systèmes naturels, à savoir la boucle courte et flexible d'acides aminés et les brins β liés entre eux par des liaisons hydrogènes, sont ici substitués respectivement par un coude rigide formé de noyaux aromatiques et par des oligoarylamides plans interagissant par empilement aromatique.Ces objets ont été conçus pour adopter des structures repliées caractérisables en solution par spectroscopie RMN et à l'état solide par diffraction des rayons X. Dans une première partie, l'optimisation du pseudo-coude β et de la séquence des brins, ainsi que l'exploration des premières architectures en feuillet seront étudiées à travers la conception, la synthèse et les études structurales de ces oligoamides et oligoamines aromatiques. Dans une seconde partie, le concept mis en oeuvre sera étendu à la synthèse de foldamères plus élaborés à brins courbés, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes vers l'obtention d'architectures toujours plus complexes.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les proazaphosphatranes sont des entités phosphorées bicycliques superbasiques également connues sous le nom de superbases de Verkade et les azaphosphatranes constituent leurs acides conjugués. Les travaux de cette thèse porte sur l'étude des propriétés de ces molécules en milieu confiné. Premièrement, le confinement des superbases a été étudié au sein de structure de type hémicryptophane (molécules possédant des cavités dissymétriques formées à partir d'une unité cyclotrivératrylène et d'une seconde unité de symétrie C3). Une modulation de la basicité a pu être notamment observée dans les différentes structures étudiées possédant des tailles de cavité différentes par comparaison avec les superbases modèles dépourvues de cavité. L'activité catalytique d'une superbase encagée a pu être testée dans deux réactions de catalyse nucléophile et basique. Puis les azaphosphatranes, acides faibles aux stuctures robustes, jusque-là peu utilisés en organocatalyse ont été valorisés pour la synthèse de carbonates cycliques à partir d'époxydes et de dioxyde de carbone (CO2). Un effet sur la stabilité des catalyseurs encagés a pu être démontré. Enfin un catalyseur hétérogène a pu être mis au point par immobilisation d'un azaphosphatrane sur silice mésoporeuse de type SBA-15.

Synthèse et utilisation de mimes de quadruplexes contraints pour l'évaluation de ligands II est maintenant bien connu que l'ADN simple brin peut s'associer sous différentes conformations telles que la double hélice, les triplexes, les i-motifs ou bien encore les G-quadruplexes. Ces dernières années les structures de type quadruplexes (G-quadruplexes et i-motif) ont suscité un certain intérêt notamment pour leur implications au niveau cellulaire (maintenance des télomères, activation de gènes...). C'est pourquoi de nombreuses équipes travaillent sur le développement de ligands affins pour ces structures qui pourraient agir en tant qu'anticancéreux. Cependant, le fait que les quadruplexes présentent un polymorphisme important(variabilité du nombre de brins dans la structure, des différents types de boucles et de l'orientation des brins) rend la compréhension des interactions entre un ligand et le quadruplexe plus difficile. Dans ce contexte, l'équipe développe un nouveau concept, " Template Assisted Synthesis of Quadruplexes " (TASQ) dont le but est d'obtenir un quadruplexe ne présentant qu'une topologie de façon contrôlée afin de permettre des études plus précises sur la façon dont un ligand pourrait interagir avec les quadruplexes. La première partie de ce manuscrit reporte l'évaluation par résonnance plasmonique de surface de complexes métalliques en tant que ligands de G-quadruplexe. Ces études reposent sur l'utilisation d'un premier mime de G-quadruplexe parallèle sur lequel deux séries de complexes sont testées : des métalloporphyrines et des ligands de type salphen. La seconde partie du manuscrit décrit la synthèse de mimes de G-quadruplexes antiparallèle. Elle repose sur l'utilisation du gabarit peptidique qui relié aux séquences spécifiques d'oligonucléotides de façon adéquat contraint la structure. Pour se faire, deux réactions chimiosélectives ont été utilisées : la cycloaddition 1,3 dipolaire de Huisgen et la ligation oxime. Les travaux reportés concernent trois types de structure mimant un i-motifs, des G-quadruplexes tétramoléculaires ou bimoléculaires.

Des assemblages linéaires de porphyrines reliées par des cations métalliques ont été obtenus en solution et visualisés à l’interface HOPG-solvant par STM. Afin de contrôler la taille des assemblages synthétisés en solution, une stratégie par différenciation de la réactivité des deux sites de coordination externes des porphyrines a été exploitée. De fortes interactions électroniques ont été mises en évidence entre les sous-unités des assemblages multi-porphyriniques. Atteignant la limite de solubilité et de caractérisation en solution avec les molécules comportant six porphyrines, une seconde stratégie a été développée, afin de synthétiser les oligomères à l’interface HOPG-phényloctane. L’auto-assemblage de monomères de porphyrines possédant deux sites de coordination externes a été étudié par STM. Après ajout de l’ion connecteur, des nanorubans comportant plusieurs dizaines de porphyrines reliées par des cations métalliques ont été observés par STM à l’interface HOPG-solvant. / Linear assemblies of porphyrins linked by metal ions were prepared both in solution and at an HOPG/phenyloctane interface. In the first part of the project, controlling the size of the linear assemblies generated in solution was the main goal. Porphyrins bearing two different external coordination sites were used to prepare finite oligomers. Strong interactions between the subunits were found in these compounds. In a second part of the project, the organization of monomeric or dimeric porphyrins at a solid/liquid interface was studied. Finally, linear porphyrin oligomers were prepared directly by self-assembly at an HOPG/phenyloctane interface. These porphyrin nano-ribbons were visualized by STM and presented sizes of several dozen nanometers.

L'objectif de ce travail de recherche est l'étude du transport des ions et des molécules d'eau à travers de membranes bicouche lipidique et des membranes polymériques. Dans une première partie, ce transport a été réalisé à travers des systèmes synthétiques auto-organisés, dont la sélectivité est en étroite relation avec le type d'architecture supramoléculaire formée grâce à des liaisons faibles. Le but est d'obtenir des systèmes qui peuvent imiter les fonctions de transport des protéines membranaires. Ce mimétisme fonctionnel est obtenu par l'auto-assemblage de molécules organiques contenant le cycle imidazole et la fonction urée, qui peuvent s'auto-assembler et créer des voies sélectives de transport des ions. Pour créer l'équivalent de la membrane cellulaire, nous avons utilisé des vésicules lipidiques unilamellaires. Ensuite, nous avons déterminé une relation entre l'activité des composés et leur structure. Pour ce faire, le transport des ions est étudié à l'aide d'une méthode de spectroscopie de fluorescence, et le transport d'eau par diffusion dynamique de la lumière utilisant la technique de « stopped flow ». Le but de la deuxième partie est la fabrication et la caractérisation des nouvelles membranes composites sous forme de couches minces, qui permettraient un bon compromis entre le flux d'eau et le rejet de sel. Dans ce cadre, la synthèse d'une série d'hydrazides en tant que précurseurs moléculaires a été réalisée, pour remplacer la métaphenylène diamine (MPD) classiquement utilisée. Ici aussi les liaisons hydrogène jouent un rôle important, car le principe de la séparation repose sur la création d'une organisation interne hautement réticulée. Les polymères synthétisés par polymérisation interfaciale ont été caractérisés par des méthodes de spectroscopie infrarouge, analyses thermogravimétriques et diffraction des rayons X. Les membranes composites ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage, microscopie à force atomique et mesures d'angle de contact. Les performances membranaires ont été testées en filtration frontale d'eau et de solutions salines. / The aim of this work is the study of ion and water transport either across bilayer membranes or polymeric membranes used for reverse osmosis. In the first part, this transport through self-assembled synthetic systems was studied; the transport selectivity is in strong relation with the supramolecular structure, formed by weak intra and intermolecular bonds. Ion transport is studied by fluorescence spectroscopy and water transport is studied by light scattering using “stopped flow” technique. The objective is to obtain systems that could imitate transport functions of biomolecules as transmembrane proteins. This functional mimicry is achieved through self-assembly of organic molecules containing imidazole cycle and urea function that can self-assembly and form selective pathways for ion transport. To create the equivalent of the cell membrane, we used unilamellar lipid vesicles. Then, we determined a structure - transport activity relationship for a series of synthesized compounds. For the second part of this work we described the fabrication and the characterization of new thin film composite membranes for water desalination that can present a good balance between permeability and salt rejection. A series of hydrazides as molecular precursors was synthesized in order to replace the metaphenylene diamine (MPD), classically used. Again, hydrogen bonds play an important role, because the rejection is due to a high cross-linking. The polymers synthesized by interfacial polymerization were characterized by infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis, and X-Ray diffraction. The membrane films were characterized by scanning electron microscopy, atomic force microscopy and contact angle measurements. Membrane performances were then tested in cross-flow filtration of water and saline solutions.