Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Yes / Condensation of a pyridyl-2-carbaldehyde derivative with 2-(bromoethyl)amine hydrobromide gave tetracyclic pyrido[1,2-a]pyrido[1’,2’:3,4]imidazo-[2,1-c]-6,7-dihydropyrazinium dications in excellent yields. Crystal structures and NOE data demonstrated the helical character of the dications, the dihedral angles between the two pyrido groups ranging from 28–458. An intermediate in the synthesis was also characterized. A much brighter emission compared to literature helicenes has been found, with quantum yields as high as 60% in the range of l=460– 600 nm. Preliminary cytotoxicity studies against HT-29 cancer cells demonstrated moderate-to-good activity, with IC50 values 12–30x that of cisplatin.

Les composés polyaromatiques polysoufrés représentent une classe de molécules peu étudiées, malgré leurs propriétés intéressantes. La présence du soufre influence les propriétés redox, photophysiques et de complexation. Nous avons préparé une série de ces composés par des réactions de substitution nucléophile aromatique. Ceux-ci peuvent être fonctionnalisés par des unités polyaromatiques, tels que l’anthracène ou le pyrène, ou par des glycosides. Leurs propriétés de luminescence ont été étudiées en particulier sous l’angle de l’émission induite par l’agrégation, où les composés deviennent émissifs lorsqu’ils sont immobilisés en phase solide ou fortement refroidis. Ils permettent également de stabiliser des nanoparticules de fer/platine, où une forte densité d’atomes de soufre divalent joue un rôle important en nanosciences. Les dérivés glycosylés ont été testés chez différentes lectines comme ConA, PAIL, PAIIL et Bc2lA, les trois dernières étant impliquées dans les infections bactériennes chez les patients atteints de mucoviscidose. Les études comprennent les propriétés photophysiques, de réticulation et des mesures d’affinité par des méthodes biophysiques (SPR, ITC et HIA). Ceci a ammené à la production de nouveaux biocapteurs ou sondes luminescentes basés sur des interactions sélectives lectine-sucre dans l’éventualité future de dispositifs de diagnostics et de détection à partir d’expression de lectines (ex. cancer, infections bactériennes, etc.).Une autre classe de composés polyaromatiques a été étudiée, les hélicènes. Ces molécules hélicoïdales chirales sont retrouvées sous deux formes énantiomériques, selon le pas d’hélice. Nous présentons ici une nouvelle méthode de synthèse des hélicènes par une voie organométallique de réactions d’annulation et d’insertions C-H. Une étude poussée des conditions réactionnelles a été réalisée. Nous avons préparé des hélicènes fonctionnalisés. Les dérivés bromés et cyanés du [5]-hélicène ont été déposés sur la surface de Suzuki, afin d’étudier par nc-AFM les propriétés de structuration de ces produits sur une surface isolante. Le [5]-hélicène a aussi été fonctionnalisé par des unités mannosylés, dans les mêmes perspectives que pour les astérisques soufrés glycosylés. Ces hélicènes glycosylés sont les premiers de la sorte décrit dans la littérature. Ils ont présenté des propriétés convenables vers des sondes luminescentes chirales et d’autres biocapteurs, qui sont basés sur les interactions lectine-sucre. / Polysulfurated polyaromatic compounds represent a class of molecules that are not extensively studied, despite their interesting properties. The presence of sulfur affects their redox, photophysical and complexation properties. We prepared a series of these compounds by using some aromatic nucleophilic substitutions. They can be further functionalized by some polyaromatic units, such as anthracene or pyrene, or by some glycosides.Their luminescence properties have been especially studied for their agregation induced emission properties, where the emission of the compounds is turned on when they are immobilized in solid phase or strongly cooled. These compounds can also be used to stabilize iron/platinum nanoparticles, where a high density of divalent sulfur atoms play an important role in nanosciences. Glycosylated derivatives have been tested with different lectins like ConA, PAIL, PAIIL and Bc2lA, the last three being involved in bacterial infections found in patient suffering from cystic fibrosis. Studies include photophysical and reticulation properties, and also affinitiy assays by using biophysical methods (SPR, ITC, and HIA). It provided some novel biosensors or luminescent sensors based on some selective lectin-carbohydrate interactions, in the event of future diagnostic devices and biological detection originating from lectins expressions (ex. cancer, bacterial infection, etc.).Another class of polyaromatic compounds has been studied, the helicenes,. Those chiral helical molecules can be found under two enantiomeric forms, according to the sense of the helical pitch.We herein present a new synthetic method of helicenes based on an organometallic route for some annulation reactions and C-H insertions. An exhaustive study of reaction conditions has been performed. We have prepared some functionnalized helicenes. Brominated and cyanated [5]-helicene derivatives have been deposited on a Suzuki surface, in order to study their structuration properties by nc-AFM on a non conductive surface. [5]-helicene was further functionnalized with some mannosylated units, with the same perspectives as for the glycosylated sulfurated asterisks. Those glycosylated helicenes are the first of their kind described in the literature. They provided some adequate properties toward new chiral and luminescent sensors, as well as other biosensors, which are based on lectin-carbohydrate interactions.

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Projet de thèse consiste de plusieurs parties:-synthèse de nanographène chirale, caractérisation de ses propriétés photo-physiques (publication en JACS acceptée);-synthèse des astérisques moléculaires, qui combinent les propriétés luminescences du noyau benzène persulfuré et des solubilité aqueuse et biocompatibilité des dendrons avec des branches de PEG; une application de ces dendrons pour couvrir les nanoparticules de silice ;-synthèse des astérisques moléculaires avec noyau de benzène persulfuré et branches des heterocycles, pour explorer leurs auto-assemblage et propriétés chelatantes vers métaux. / The synthesis of molecular asterisks as "smart sensors" with a persulfurated benzene core and various ligands was explored. Asterisks with heteroaromatic ligands were synthesized for exploring their metal ions complexing ability. PEG dendrons were tested for increasing the water solubility of the asterisks, and to verify if PEG asterisks could encapsulate some hydrophobic molecules. The PEG dendrons were synthesized for making smart asterisks sensors, and for another purpose: the coating of silica nanoparticles to prevent their fast degradation in water. Unfortunately, this protection from degradation was ineffective, but we could make PEG asterisks to encapsulate molecules (Nile Red) toward new drug nanocarriers.The synthesis of chiral nanographenes embedding [5]- or [7]helicenes is reported. Usually [5]helicenes are configurationally labile, while higher helicene homologs are stable. We synthesized a stable chiral nanographene with six embedded [5]helicene units (a [5]helicene trimer). We found a strong distortion of benzene rings, especially in the triphenylene core. The enantiomers were separated and the chiroptical properties were measured.The synthesis of [7]helicene trimer was also performed with a great enantio- and diastereoselectivity. When a Ni(0)- mediated cyclotrimerization is achieved with an enantiopure [7]helicene substrate, only one enantiomer of the trimer is obtained, while keeping intact the configuration of the substrate. On a racemic substrate, three diastereomers were obtained. One of them demonstrated the highest values of a benzene ring distortion reported to date (mean puckering angle and twisting angle).

Dans le cadre de ma thèse, nous avons développé des édifices moléculaires associant des hélicènes et des carbènes N-hétérocycliques (NHC) afin de développer les premiers complexes métalliques de NHC-hélicènes. Dans un premier temps, des premiers complexes cycloiridiés de ligands NHC-[4,6]hélicènes, de formule générale IrLCp*X, dans lesquels le ligand porte un hélicène et un NHC greffés par l’intermédiaire d’un pont méthylénique, ont été obtenus. Les propriétés chiroptiques de ces complexes ont été étudiées à la fois expérimentalement et théoriquement. Nous avons ainsi pu démontrer la bonne communication entre les deux unités hélicène et NHC par l’intermédiaire de l’iridacycle, et la contribution du NHC dans les propriétés chiroptiques. Dans un deuxième temps, des complexes monocoordinnés de formule IrL(COD)X, à base d'iridium(I) et de ligands dans lesquels l’hélicène et le NHC sont orthofusionnés, ont été développés. L’efficacité de ces complexes en catalyse énantiosélective a été évaluée dans une réaction de transfert d’hydrogène de l'acétophénone, révélant un excès énantiomérique (ee) assez modeste allant jusqu’à 36%. D'autre part, des complexes d'iridium(III) cyclométallés de formule IrL(dfppy)2 ont révélé des propriétés de phosphorescence dans le vert et des temps de vie très longs. La comparaison du spectre d’émission avec celui d’un complexe analogue sans unité hélicénique a permis de mettre en évidence l’implication à la fois des orbitales d du métal mais aussi de l’unité NHC-hélicénique. Enfin, d'autres voies d’obtention d’hélicène-NHC ont été explorées, parmi lesquelles la synthèse d'un [4]hélicène-benzimidazole à partir d'un hélicène-boronate, suivie de sa déprotonation in situ et de sa cycloiridation. / During my PhD work, I have developed new molecular architectures combining helicenes and N-heterocyclic carbenes (NHC). Firstly, a novel family of cycloiridiated complexes bearing NHC-[4,6]helicene ligands, of general formula IrLCp*X, in which the ligand bear a helicene and a NHC grafted through a methylene bridge, were obtained. The chiroptical properties of these complexes have been analyzed both experimentally and theoretically. In this way, we have demonstrated the good communication between the helicene and NHC units through the iridacycle, and the contribution of the NHC in the chiroptical properties. Secondly, monocoordinated iridium(I) complexes of general formula IrL(COD)X, in which the ligands are this time constituted of orthofused NHC-helicenes, were obtained. The efficiency of these complexes in enantioselective catalysis was evaluated in a hydrogen transfer reaction on acetophenone, and revealed rather modest enantiomeric excess (ee) up to 36%. Then, cyclometallated iridium(III) complexes of general formula IrL(dfppy)2 were prepared and have shown to be phosphorescent in the green region with very long lifetimes. The comparison of the emission properties with an analogous complex without helicenic unit enabled to highlight the contribution of both the d orbitals of the iridium metal and the helicoïdal-NHC unit. Finally, other methods for the development of new NHC-helicenes structures have been explored. Among them, the synthesis of a [4]helicene-benzimidazole by transformation of a helicene-boronate, and the subsequent in situ deprotonation and cycloiridation, have been performed.

Au cours de ce travail de doctorat, nous avons d'abord étudié un aspect fondamental de la chiralité au niveau moléculaire visant à observer des différences d'énergie entre deux énantiomères provenant d'effets de violation de la parité (PV). Nous avons en particulier examiné les complexes oxorhénium chiraux dont les deux énantiomères présentent théoriquement des énergies d'absorption infrarouge différentes. Leur propriétés chiroptiques, en particulier leur dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD), ont été examinées. D'autres complexes métalliques chiraux comme des complexes de platine portant un carbone asymétrique fluoré ont été préparés. Par ailleurs, nous avons étudié la chiralité hélicoïdale provenant de la fusion en ortho de plusieurs cycles aromatiques. Ainsi, des hélicènes portant des fonctionnalités bi-pyridines ont été synthétisés et ont montré des propriétés photophysiques et chiroptiques intéressantes. La présence d'unité chélatantes de type N^N’ ou N-C nous a permis d'étudier l'influence de la coordination de divers métaux de transition (Re(I) et Pt(II)) sur les propriétés et de concevoir de nouveaux commutateurs chiroptiques acido-basiques. / In this PhD work, we first investigated a fundamental aspect of chirality at the molecular level aiming to determine the parity violation (PV) energy difference between two enantiomers. We focused on chiral oxorhenium complexes for which the two corresponding enantiomers show theoretically different infrared absorption energies. Their chiroptical properties and especially their vibrational circular dichroism (VCD) were examined. Other chiral metal complexes such as platinum complexes bearing an asymmetric fluorinated carbon have also been prepared. Furthermore, we have investigated the helical chirality derived from the skew shape of ortho-fused aromatic ring. Indeed, helicenes bearing 2,2’-bipyridine functionalities were synthesized and they showed interesting photophysical and chiroptical properties. The presence of N^N’ or N-C chelating moieties enabled us to study the coordination effect of different transition metals (Re(I) and Pt(II)) on their properties and to conceive new acid-base triggered chiroptical switches.

Various ways of preparing enantiomerically pure 2-amino[6]helicene derivatives were explored. Ni(0) mediated cyclotrimerization of enantiopure triynes provided (M)- and (P)-7,8-bis(p-tolyl)hexahelicene-2-amine in >99% ee as well as its benzoderivative in >99% ee. The stereocontrol was found to be inefficient for a 2- aminobenzo[6]helicene congener with an embedded five-membered ring. Helically chiral imidazolium salts bearing one or two helicene moieties have been synthesized and applied in enantioselective [2+2+2] cyclotrimerization catalyzed by an in situ formed Ni(0)-NHC complex. The synthesis of the first helically chiral Pd- and Ru- NHC complexes and their application in enantioselective catalysis was demonstrated. The latter shows promising results in enantioselective olefin metathesis reactions. A mechanistic proposal for asymmetric ring closing metathesis is provided.

Carbon nanoribbons are today of great interest as graphene segments with modulable electronic properties. Whilst top down techniques give giant ribbons, bottom-up organic synthesis may lead to exactly designed nanoribbons of controlled geometries. The Scholl reaction is a precious chemical tool for that purpose since it yields efficiently to the graphitization of long and flexible polyphenylene precursors.Surprisingly, twisted structures may be obtained preferentially even if less crowded isomers are also feasible. It has been shown that, against all expectation, even a strong steric hindrance has no marked effect on regioselectivity and highly twisted polycyclic aromatic hydrocarbons are sometimes preferentially formed, whereas their flat and more symmetrical isomers are only obtained in minority. Highly twisted structures such as hexabenzotriphenylene (HBTP) may then be obtained very easily from flexible polyphenylene precursors.After discovering this unexpected regioselectivity, we used it on purpose to form polyhelicenic species. Attempts to prepared hexaphenanthrotriphenylene (HPTP) were unsuccessful due to reactivity issues when synthesizing the corresponding flexible precursors. By using a new versatile strategy leading to an advanced common precursor, several C3-symmetrical flexible substrates have been synthesized and submitted to Scholl reaction. The expected [6]helicenes were not obtained and rearranged products were formed instead, but TMS-bearing HBTP could be prepared, as well as a hexabenzocoronene (HBC) which exceptionnal solubility is due to the distortion of the aromatic core under the effect of bulky tert-butyl substituents in bay regions.The easily formed [5]helicene fragment has been incorporated in the design of twisted carbon nanoribbons that would be composed of a succession of such motifs. As a test reaction, the corresponding monomer and dimer have been synthesized with an excellent yield and fully characterized. Their X-ray structures have even been determined, giving interesting information about their configuration. A more general strategy has then been developed and optimized for the systematic synthesis of longer oligomers of twisted nanoribbons. Using this technique, the trimer and tetramer have been synthesized and characterized by mass spectrometry.