L'intérêt pour les verres fluorés n'a cessé de croître depuis leur découverte en 1974. De nombreux travaux ont traité des diverses matrices vitreuses à base de fluorures dans le but d'exposer au maximum leurs propriétés prometteuses. Néanmoins, bien peu d'études portent sur le comportement des métaux de transition dans ces verres mise à part à titre d'impuretés. C'est pourquoi ce projet propose d'être une étude comportementale du cuivre dans des matrices fluorozirconates et fluoroindates. À la vue de certains paramètres clés, les matrices fluorées devraient être de bonnes candidates pour la formation de nanoparticules de cuivre. Un verre contenant de telles espèces pourrait, entre autres, servir d'amplificateur de signaux lumineux grâce à la fluorescence émise par les terre-rares via un couplage plasmonique. À plus long terme, ce type de matériau composite vitreux pourrait devenir un outil efficace pour la détection du glucose. La formation de nanoparticules s'étant déjà observée pour les verres fluorozirconates, l'objectif principal du présent projet de maîtrise est de former des nanoparticules de cuivre dans un verre fluoroindate. La caractérisation des verres dopés au cuivre en proportions diverses n'a pas démontré de résultats probants allant dans le sens des objectifs. Ainsi, plusieurs hypothèses sont proposées pour mieux comprendre l'incapacité apparente des fluoroindates à précipiter le cuivre à l'échelle nanométrique.

342751\u Comparativement à leur analogue à base de silicium, les cellules solaires organiques qui sont à base de polymères semi-conducteurs ont pour avantages de pouvoir être produites à plus faible coût, d’être plus légères, d’être flexibles et de pouvoir être mises en œuvre sous forme d’encre. De plus, lorsqu’un copolymère ayant de bonnes propriétés est obtenu, celuici peut ensuite être optimisé par modification chimique des monomères afin de combler ses lacunes. Ainsi, une méthode de plus en plus répandue et présentant de nombreux avantages consiste en l’incorporation d’atomes de fluor au sein des monomères composant le polymère. En effet, il a été démontré à maintes reprises que l’incorporation d’atomes de fluor a pour effet d’améliorer l’efficacité de conversion de la lumière en courant électrique via différents mécanismes tel que la stabilisation des orbitales moléculaires et la meilleure organisation à l’état solide des chaînes polymères. En ce sens, nous avons décidé d’entreprendre la synthèse de nouveaux monomères fluorés à base de thiophène afin d’étudier l’influence du nombre et de la position des atomes de fluor sur les propriétés physiques et optoélectroniques de polymères ainsi que sur la polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD). Différents nouveaux dérivés de thiophène monofluorés ont donc été synthétisés permettant alors la préparation de nouveaux monomères conjugués inspirés d’une unité très étudiée dans le domaine de l’électronique organique, soit le 4,7-bis(thiophèn-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (DTBT). Ensuite, les différents monomères de DTBT fluorés ont été copolymérisés par PHAD avec le 1,4dibromo-2,5-bis(alkoxy)phénylène. La présence d’atomes de fluor s’est révélée très bénéfique à la PHAD puisque des temps de polymérisation beaucoup plus courts ainsi que de meilleures masses molaires ont été obtenus pour les monomères comportant un atome de fluor à la position adjacente au site de polymérisation. Finalement, la caractérisation des propriétés physiques, thermiques et optoélectroniques a permis de démontrer que la position et le nombre d’atomes de fluor jouent effectivement un rôle important dans la préparation de polymères conjugués aux propriétés améliorées pour des applications en électronique organique.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / L’activation de liens C–F a été un sujet de recherche prolifique des dix dernières années, considérant l’utilité de telles études pour mieux comprendre et utiliser le comportement des composés fluorés. Toutes les méthodes qui existent pour réaliser la substitution nucléophile de fluorures aliphatiques tirent profit d’interactions faibles en conditions acides ou basiques, ou de métaux de transition. Cependant, une interaction comme la liaison hydrogène avec un lien C–F, certainement faible en énergie, n’a toujours pas été utilisée pour réaliser l’activation en conditions neutres. Après une introduction sur l’activation C–F et leur capacité d’accepteur de liaisons hydrogène, divers systèmes utilisant cette faible interaction pour la substitution nucléophile de fluorures aliphatiques, qui ont été développés dans cette thèse, seront présentés. Plusieurs types de donneurs de liaisons hydrogène (DLH) ont été utilisés au courant de la thèse, notamment l’eau, les alcools polyfluorés, ainsi qu’une large gamme d’alcools, diols, triols et autres groupements donneurs. En présence de nucléophiles variés, il a été démontré que les liaisons hydrogène sont suffisamment puissantes pour permettre la transformation de composés organofluorés par l’activation et la substitution de leur lien C–F. L’analyse des mécanismes réactionnels a aussi démontré qu’en plus de nécessiter des activateurs pour pouvoir le substituer, le lien C–F conserve un certain caractère spécial dans nos conditions avec les DLHs. Pour nos systèmes de substitution nucléophile, un mécanisme SN2 semble correct, tandis que dans les réactions de Friedel-Crafts, des paires d’ions fortement retenues par les liaisons hydrogène semblent expliquer la réactivité observée mieux qu’un mécanisme ionisant SN1 classique ne pourrait le faire. / C–F activation has been a subject of intensive research over the last decade, considering the usefulness of such studies to understand, predict and profit from the unusual behaviour of fluorinated organic compounds. All methods that are known to enable the nucleophilic substitution of aliphatic fluorines use weak interactions in acidic or basic conditions, or require transition metals. However, hydrogen bonds with fluorine, energetically-weak interactions, have not yet been harnessed to activate C–F bonds in neutral conditions. After an introduction on C–F activation and on the possibility of these bonds to accept hydrogen bonds, various systems that exploit this weak interaction for the nucleophilic substitution of aliphatic fluorines and that were developed during the thesis, will be presented. Multiple types of hydrogen-bond donors (HBD) were used to affect this transformation, notably water, polyfluorinated alcohols and a wide variety of alcohols, diols, triols, and other donating groups. In the presence of varied nucleophiles, it will be shown that hydrogen bonds are strong enough to permit the transformation of organofluorine compounds through activation and substitution of their C–F bond. Thorough analysis of the reaction mechanisms demonstrated that, in addition to needing activating agents to be able to substitute it, the C–F bond keeps its unusual behaviour in our conditions with HBDs. In our systems of nucleophilic substitution, a SN2 mechanism seems to operate, while for the Friedel-Crafts reactions, ion pairs strongly kept together by hydrogen bonds are a better explanation for the observed reactivity than the traditional SN1 mechanism involving free carbocations.

Montréal Trigonix inc. 2018

Ce doctorat a permis la conception de nouvelles molécules destinées aux développements de futurs produits phytosanitaires. Tout d’abord, la synthèse d’alpha,alpha-difluoro-beta-hydroxy cétones a été réalisée. Motif déjà reconnu dans le domaine pharmaceutique, nous voulions étendre son champ d’application à l’agrochimie. Une série de composés possédant une activité biologique en tant qu’agonistes des récepteurs GABA a été synthétisée. Ils ont été obtenus à l’issu d’une synthèse convergente nécessitant une réaction de couplage entre un aldéhyde aromatique et un intermédiaire alpha,alpha-difluoro-beta-trifluoromethyldihydroxy cétone. L’analyse biologique de nos produits a fait ressortir un type de famille spécifique. Une approche prodrug a débuté afin d’en affiner la structure et d’en faire ressortir un hit. Dans un second temps, le développement d’une série de quinoléines substituées par des groupements fluorés en position 2 et 4 a été conduit. Ces molécules peu décrites dans la littérature fûrent synthétisées dans des conditions douces avec de bons rendements et une complète régiosélectivité, inspirée par les réactions de Combes et de Meth-Cohn utilisant un Réactif Fluoroalkyl Amine (FARs). La post-fonctionnalisation en position 3 et 8 a permis l’exemplification de ces composés. Une étude physico-chimique réalisée sur une série homogène a apporté des informations complémentaires sur leurs propriétés électroniques. Bien qu’aucune molécule n’ait montré d’activité biologique, nous avons pu lors de ce projet réaliser la synthèse de nouvelles quinoléines et évaluer des FARs dans la synthèse de molécules inconnues de la littérature jusqu’à ce jour. / This PhD thesis allowed the conception of new molecules for the development of novel phytosanitary ingredients. First, the synthesis of alpha,alpha-difluoro-betahydroxy ketones was performed. Since this motif is already known in the pharmaceutical field, we decided to extend their application to the agrochemical field. A series of compounds with biological activities as GABA agonist receptors was synthesized. They were obtained by a convergent method after a coupling reaction between benzaldehydes and alpha,alpha-difluoro-beta-trifluoromethyldihydroxy ketone intermediates. Biological analysis highlighted a specific family of compounds. A prodrug approach was applied to tune the structure and allowed the discovery of a hit. Second, the development of a series of 2,4-(fluoroalkyl)-substituted quinoline derivatives was conducted. Scarcely described in literature, these molecules were obtained under smooth conditions, with good yields and a complete regioselectivity, inspired by Combes and Meth- Cohn reactions using Fluoroalkyl Amino Reagents (FARs). Post-functionalization in position 3 and 8 allowed us to increase the scope of the reaction. A physico-chemical study gave complementary informations on their electronical properties. Although none of these molecules have shown biological activity, we have during this project realized the synthesis of new quinolines and evaluated the use of FARs in the synthesis of unknown fluorinated molecules.

L’intérêt des composés organiques fluorés est de nos jours de plus en plus important en raison de leur large domaine d’application (agrochimie, nucléaire, matériaux, chimie médicinale…). Par exemple, en chimie médicinale, la présence d’un ou plusieurs atomes de fluor au sein de biomolécules conduit très souvent à une amélioration de leur profil thérapeutique. Par ailleurs, le cyclopropane, le plus petit et le plus tendu des cycloalcanes, permet également de modifier les caractéristiques pharmacologiques de composés biologiques de par sa géométrie inhabituelle. En effet, la rigidification structurale apportée par ce motif influe sur la biodisponibilité d’une biomolécule en améliorant sa sélectivité et son affinité pour un récepteur biologique. Dans ce contexte, nous avons choisi d’associer les propriétés remarquables de l’atome de fluor à la contrainte structurale du cyclopropane dans le but d’élaborer deux nouvelles classes de fluoropeptidomimétiques.Tout d’abord, nous nous sommes intéressés à la modification de la chaîne latérale d’acides aminés naturels en développant la synthèse des analogues cyclopropaniques fluorés de la méthionine, de la leucine, de la lysine et de l’arginine. Nous avons ensuite appliqué l’un de nos acides aminés cyclopropaniques fluorés à la synthèse totale de l’analogue fluoré d’un inhibiteur de la sérineprotéase NS3/4A, le TMC 435.Enfin, dans le but de proposer une voie de synthèse générale permettant l’accès aux pseudopeptides fluorés comportant un monofluorocyclopropane à la place du lien peptidique, nous avons développé une nouvelle stratégie basée sur une étape d‘addition nucléophile de réactifs organométalliques sur des N-(tert-butanesulfinyl)-α-fluoroimines chirales. / Fluoroorganic compounds are increasingly popular owing to their wide range of applications. For instance, in the field of medicinal chemistry, fluorinated molecules often lead to an improvement of the therapeutic profile compared to non-fluorinated derivatives. Besides, with its unique bonding properties, the cyclopropane ring provides unusual physical and pharmacological properties to structures that incorporate it. Indeed, the structural constraint provided by the cyclopropane ring clearly alters the selectivity and the affinity for a binding site. In this context, we decided to combine the cyclopropane and the fluorine atom to develop two new classes of peptidomimetics. First, we focused on the modification of the side chain of natural aminoacids (methionine, leucine,lysine and arginine) and the synthesis of fluorinated cyclopropyl analogues was achieved. Then, we applied our strategy to the synthesis of the fluorinated analogue of the TMC 435, a NS3/4A serine protease inhibitor involved in the replication cycle of Hepatitis C virus. Finally, in our project aiming at proposing a general method to access pseudopeptides featuring a fluorinated cyclopropane moiety as the peptide bond isostere, we develop a new strategy based on the nucleophilic addition of organometallic reagents to N-(tert-butanesulfinyl)-α-fluoroimines. This methodology allows us to control the asymmetric center on the N-terminal side of the peptide.

Le Syndrome d’Apnée Obstructive du Sommeil affecte 4 à 6 % de la population en France soit près de 3 millions de personnes. Toutefois, les techniques de diagnostic usuelles ne permettent pas de déterminer de façon précise les sites d’occlusion ni de décrire les interactions fluide-paroi qui jouent un rôle important dans les processus de fermeture des voies aériennes supérieures. Au cours de ce travail, un ensemble d’outil a été mis en œuvre pour explorer les mécanismes sous-jacents conduisant à une apnée obstructive. La détermination géométrique et la caractérisation mécanique des voies aériennes supérieures, d’une part, la mesure des écoulements dans ces dernières, d’autre part, ont été réalisées par imagerie par résonance magnétique de l’hydrogène, pour les tissus, de l’hélium-3 et du fluor-19 pour les gaz. Les données obtenues ont été exploitées tout d’abord dans un modèle numérique statique pour estimer les lois d’état locales et caractériser la compliance des voies aériennes supérieures, puis, dans un modèle monodimensionnel, prenant en compte l’interaction fluide-structure et la limitation de débit au cours de l’inspiration, pour localiser les sites potentiellement responsables d’un éventuel collapsus. Par ailleurs, les écoulements de gaz d’hélium-3 et d’hexafluorure de soufre ont été simulés afin de déterminer le potentiel de ces deux modalités d’imagerie de gaz pour l’étude des obstructions des voies aériennes. La faisabilité d’une imagerie statique et dynamique par résonance magnétique du fluor a été démontrée. Avec une densité du gaz traceur bien plus importante, cette dernière technique présente une plus grande sensibilité à l’obstruction. Cette thèse ouvre ainsi une nouvelle voie de diagnostic et de guide thérapeutique personnalisé pour ce syndrome. / Obstructive Sleep Apnea (OSA) is a common disorder occurring in almost 3 million French people. However, current diagnosis methods are not sufficient to precisely define obstructing sites and doesn't take into account the fluid structure coupling which plays an important role during upper airway closing. During this thesis, we developed a series of tools exploring upper airway closing process. On the one hand, a screening tool of the structure and the mechanical properties of the upper airway, and on the other hand, a screening tool exploring with dynamic images of inert gases flow into the upper airway, were obtained using conventional hydrogen MRI coupled to magnetic resonance elastography (MRE) and helium-3 or fluor-19 gases MRI, respectively. Geometric and biomechanical data obtained using MRI/MRE are injected into a numerical model given the compliance and the state law of upper airway. Contributions of anatomical restriction on airway collapse are also investigated using a multi-compartmental two-dimensional fluid structure interaction model during a breath inspiration to predicted airway mechanical changes and collapse pressures. Furthermore, helium 3 and sulfur hexafluoride flow was modeled at steady state using commercial finite volume software to evaluate potential feasibility to image upper airway collapsibility during OSA. First dynamic MR imaging using sulfur hexafluoride (SF6) was obtained showing the feasibility of this technique. Using SF6, 6 times denser than air, shows a higher sensibility to upper airway obstruction. This thesis opens a new imaging modality to probe and to diagnose upper airway obstruction.

Le cancer est un problème de santé publique dans le monde entier et d'importantes ressources en soins de santé sont dépensées pour le diagnostic. Plus précoce sera le dépistage des tumeurs, meilleures sont les chances de rémission sans rechute. Les techniques d'imagerie permettent de suivre l’évolution du traitement et de réorienter la stratégie en cas d’échec. En combinaison avec des agents de contraste ciblés, les modalités d'imagerie permettent même de sonder les structures à l’échelle moléculaires ce qui pourrait laisser envisager un traitement personnalisé du cancer [1, 2]. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) et l’échographie sont deux techniques complémentaires et non invasives qui permettent la détection de plusieurs cancers (sein, colon, cerveau ...). L'échographie est rentable, portable et fournit, en temps reel, des informations anatomiques. L'IRM profite d’une pénétration profonde dans les tissus mous, d’un contraste élevé et d’une meilleure sensibilité que l’échographie [3]. Néanmoins, l'utilisation de ces techniques en combinaison avec des agents de contraste est difficile, surtout parce que la concentration locale atteint dans la tumeur est souvent inférieure à la plage de sensibilité de détection [4]. Au cours des 20 dernières années, les agents de contraste multifonctionnels ont été construits sur mesure pour atteindre une accumulation préférentielle dans les tissus malades [5]. Dans cette étude, des stratégies de ciblage passif et actif de la tumeur ont été envisagées pour renforcer la concentration locale de nanocapsules polymère, contenant un noyau liquide de bromure de perfluorooctyle (PFOB). L’approche de ciblage passif est basée sur l’effet de pénétration et la rétention accrue (EPR). Les nanocapsules doivent avoir un diamètre inférieur à 400nm une demi-vie plasmatique prolongée. L’approche de ciblage actif est basée sur la reconnaissance spécifique d’un ligand pour une cible biologique surexprimée par la tumeur ou la néovascularisation. Pour le ciblage passif, les nanocapsules ont été préparées avec PLGA-b-PEG par un procédé d'émulsion-évaporation. La morphologie cœur-couronne a été confirmée par RMN du Fluor et cryo microscopie électronique. La surface des nanocapsules est densément couverte par des chaînes de PEG qui adoptent une conformation en brosse, telle qu'évaluée par XPS et diffusion des neutrons aux petits angles. La furtivité des nanocapsules a été démontrée in vitro par des mesures d'activation du complément et in vivo par une étude cinétique de la capture hépatique, réalisée après l'administration intraveineuse de nanocapsules chez la souris nude. L'imagerie des tumeurs, par IRM du Fluor, a révélé que seulement 1% de la dose injectée a été accumulée dans le tissu malade. Par échographie aucun réhaussement du contraste n’a été observé. Ainsi, une autre approche de ciblage a été nécessaire afin d’augmenter l’accumulation des nanocapsules au sein de la tumeur. Les nanocapsules ont été fonctionnalisées avec un peptide RGD (Arginine-Glycine-Acide aspartique afin de cibler les intégrines avß3, qui sont des protéines transmembranaires surexprimées par les néovaisseaux. Deux stratégies, appelées bottom-up et top-down, ont été élaborées pour mener à une décoration satisfaisante du peptide à la surface des nanocapsules. L'efficacité du couplage a été mesurée par RMN du proton. La morphologie des nanocapsules a été étudiée par CryoTEM. / Cancer is a worldwide public health concern and significant health care resources are spent on diagnosis. The sooner the tumor detection, the better the chance of remission without relapse. Furthermore, imaging modalities facilitate the treatment monitoring and feedback, and support decision making to change the strategy when the treatment fails. When used in combination with targeted contrast agents, imaging modalities even enable to probe molecular structures on specific cells opening the doors to personalized cancer therapy [1, 2]. Ultrasonography and Magnetic Resonance Imaging (MRI) are two complementary and non invasive imaging modalities, which allow the detection of a broad range of cancers (breast, colon, brain…). Ultrasonography is cost-effective, portable and provides real-time anatomical information. MRI imparts deep penetration into soft tissues with high contrast and better sensitivity [3]. Nevertheless the use of these techniques in combination with contrast agents is challenging, mostly because the local concentration reached in the tumor is often below the sensitivity detection range [4]. In the last 20 years, multifunctional contrast agents were custom-built to achieve preferential accumulation in the diseased tissue [5]. In this study, passive and active tumor targeting strategies were considered to enhance the local concentration of polymeric nanocapsules, containing a liquid core of perfluorooctyl bromide (PFOB). The passive tumor targeting approach is based on the enhanced permeation and retention (EPR) effect. The related nanocapsules require to be small enough (< 400nm) and have extended plasmatic half life. The active tumor targeting approach is based on the specific receptor-ligand recognition.For passive tumor targeting, the nanocapsules were prepared with PLGA-b-PEG by an emulsion-evaporation process. The core shell morphology was confirmed by cryoTEM and 19F NMR. The surface of nanocapsules was densely covered by PEG chains with brush conformation, as assessed by XPS and Small Angle Neutrons Scattering. The related stealthiness of nanocapsules was evidenced in vitro by complement activation measurements and in vivo by a kinetic study of the mice liver uptake, performed after intravenous administration of nanocapsules. The tumor imaging, by 19F MRI, revealed that only 1% of the injected dose was accumulated in the diseased tissue whereas, by ultrasonography no contrast enhancement was observed. Thus, another targeting approach was required to increase nanocapsule distribution within the tumor. Nanocapsules were functionalized with an Arginine-Glycine-Aspartic acid (RGD) peptide to target the αvβ3 integrins, which are overexpressed proteins on neovessels. Two strategies, called bottom-up and top-down, were designed to achieve satisfying peptide decoration on nanocapsule surface. The coupling efficiency was measured by 1H NMR. The nanocapsule morphology was studied by CryoTEM.

La première partie est consacrée au réexamen de l'environnement géologique qui permet de situer les minéralisations dans leur cadre naturel, puis à la description détaillée de ces minéralisations. Dans la deuxième partie, plus proprement gîtologique, sont examinées successivement les conditions physico-chimiques de formation et la nature des solutions minéralisantes, à partir des informations livrées par l'étude des inclusions fluides, des teneurs en terres rares des fluorines, des teneurs en SFe et des éléments traces des blendes, des données thermo-optiques concernant cette dernière, enfin des données concernant la répartition du fluor dans l'encaissant; en conclusion de ces études, une hypothèse sur la mise en place et l'âge des minéralisations est proposée. En annexe, sont décrites les différentes méthodes d'étude utilisées, et présentées les autres méthodes d'analyse ponctuelle dont on dispose actuellement pour l'étude des inclusions fluides.

In the first part of this thesis, palladium(0)-catalyzed and -mediated carbonylations are discussed. Paper I describes a new method for the safe, efficient use of a solid carbon monoxide source in the synthesis of primary and secondary benzamides. In total, 35 benzamides were synthesized from aryl iodides (20 examples, 69-97% yield) and aryl bromides (15 examples, 32-93% yield). Reduction-prone groups were used successfully in the reactions. In paper II, the same protocol was adopted for the palladium(0)-catalyzed synthesis of N-cyanobenzamides from aryl iodides/bromides, carbon monoxide and cyanamide. In total, 22 N-cyanobenzamides were synthesized (42-88% yield). The radiosynthesis of [11C]N-cyanobenzamides is discussed in paper III. In total, 22 compounds were synthesized from various aryl halides in 28-79% decay corrected radiochemical yield. The protocol was then applied to the radiosynthesis of [11C]N-cyanobenzamide analogs of flufenamic acid and dazoxibene. In the second part of this thesis, compounds of interest in relation to amyloid diseases are discussed. Paper IV describes the solid-phase synthesis of BACE-1 enzyme inhibitors containing secondary and tertiary hydroxyl as the transition state isostere. In total, 22 inhibitors were synthesized. The most potent compound (IC50= 0.19 µM) was co-crystallized at the active site of the enzyme to reveal a new binding mode. In paper V, the evaluation of a potent BACE-1 inhibitor as a potential radiotracer for use in PET is described. The radiolabeled [11C]BSI-IV was obtained in 29±12% decay corrected radiochemical yield by a three-component palladium(0)-mediated aminocarbonylation. Its properties as a potential PET tracer were investigated in vitro by autoradiography and in vivo in rats using small animal PET-CT. A new class of amyloid-binding PET ligands is described in paper VI. Three polythiophenes were labeled with carbon-11 or fluorine-18 (26-43% decay-corrected radiochemical yield). The in vitro studies showed that these ligands bind specifically to amyloid deposits. In vivo PET showed low uptake in the organs of interest in healthy rats and a monkey. These results suggest the labeled thiophenes derivatives could be useful as PET tracers for the study of amyloid diseases.