Ce manuscrit détaille l’ensemble des travaux de recherches effectués au cours de mes trois années de thèse. Après un chapitre général portant sur les principes de la chimie supramoléculaire, et quelques unes de ces applications, nous nous sommes focalisés sur l’utilisation des propriétés de molécules cages (cryptophanes et hémicryptophanes) pour aller vers la conception de sondes en imagerie médicale. Nous évoquons successivement le cheminement vers la synthèse d’un hémicryptophane apte à complexer le Gadolinium(III), pour une utilisation en tant qu’agent de contraste en IRM du proton, puis à l’élaboration de cryptophanes hydrosolubles adaptés à la RMN et l’IRM du 129Xe. Cette thèse s’achève sur la synthèse d’un nouvel hémicryptophane fonctionnalisé pour former des complexes avec le Terbium(III) et l’Europium(III) dont les propriétés de fluorescence sont prometteuses. / This book details all the research work that has been done during three years of Ph-D. After a chapter dedicated to the general principles of supramolecular chemistry, and some of its applications, we focalise on the use of cage-shapes molecules (cryptophanes and hemicrypto-phanes) in order to build probes for biological imaging. We successively mention the way toward the synthesis of a hemicryptophane able to complex Gadolinium(III), to use it it as a proton-MRI contrast agent, then toward the elaboration of hydrosoluble cryptophanes adapted to 129Xe NMR and MRI. This PhD manuscript ends with the synthesis of a new hemicryptophane functionnalized to form complexes with Terbium(III) and Europium(III), whose fluorescence properties are promising.

Au cours de ces travaux de thèse, nous avons exploré de nouvelles applications des proazaphosphatranes et de leurs dérivés, en particulier leur confinement dans une cage moléculaire. Dans la première partie, une bibliographie présente la littérature concernant (i) la découverte et les applications de proazaphosphatranes, (ii) les catalyseurs confinés dans des cages covalentes et (iii) la liaison halogène - une interaction non covalente émergente-. Par la suite, l’utilisation de proazaphosphatranes comme organocatalyseur très efficace pour la réaction de Strecker est décrit. Ensuite, un système FLP (paire de Lewis frustrée) comprenant un proazaphosphatrane encagé comme base de Lewis et du TiCl4 comme acide de Lewis a été utilisé pour catalyser la réaction de MBH (Morita-Baylis-Hillman). Finalement, un azaphosphatrane chloré a été synthétisé, et ses propriétés de reconnaissance vis à vis de différents anions halogénures, par liaison halogène, a été étudié. / In this dissertation, our goal is to explore new applications of proazaphosphatranes and their derivatives, especially in a confined space. In the first part, a comprehensive literature review regarding 1) discovery and application of proazaphosphatranes, 2) confined covalent cages based organo- and metal-catalysts, and 3) halogen bonding – an emergent noncovalent interaction has been demonstrated. Subsequently, proazaphosphatrane as highly efficient organocatalyst for the Strecker reaction is discussed. And a FLP (frustrated Lewis pair) system comprising an encaged proazaphosphatrane as Lewis base and TiCl4 as Lewis acid for MBH (Morita–Baylis–Hillman) reaction is reported. In the end, chlorinated azaphosphatrane is synthesized and studied in the recognition of different halide anions by halogen bonding, exhibiting a preferable affinity for chloride over bromide and iodide.

Les hémicryptophanes, molécules constituées d’une unité cyclotriveratrylène (CTV) reliée à un autre groupement de symétrie C3, sont des molécules cages qui trouvent de nombreuses applications dans le domaine de la chimie hôte-invité. Dans une première partie, ce manuscrit présente une revue des développements récents de la chimie des hémicryptophanes et définit les objectifs de ce travail de thèse.Nos travaux concernent principalement le design d'hémicryptophanes spécifiquement conçus pour la reconnaissance moléculaire de substrats d'intérêt. Ainsi, des structures variées d'hémicryptophanes ont été conçues comme capteur fluorescent du phosphate de choline, ou pour la reconnaissance de paire d'ions. Des hémicryptophanes hétéroditopiques originaux portant des unités tris(2-pyridylmethyl)amine (TPA) ont été synthétisés et présentent un grand intérêt pour des applications ultérieures en reconnaissance. Nous avons étudié la reconnaissance stéréosélective de saccharides avec des hémicryptophanes énantiopurs qui associent trois types de chiralité sur sept centres stéréogènes. Enfin, nous décrivons le mouvement de "respiration" moléculaire de cages énantiopures, enrichissant ainsi les rares applications des hémicryptophanes comme machines moléculaires.Des complexes du vanadium(V) des hémicryptophanes ont été développés comme catalyseurs efficaces dans des réactions de sulfoxydation et pour l'oxydation catalytique de lignines. Des dérivés azaphosphatrane d’hémicryptohanes ont été développés comme organocatalyseurs de la réaction de polymérisation par ouverture du lactide. La dernière partie de ce manuscript est consacrée à des développements nouveaux dans le domaine de la formation de cages par auto-assemblage. Nous avons réussi à former par coordination des tétraèdres dont les quatre faces comportent une sous-unité azaphosphatrane. Nous montrons pour la première fois que dans ce type de cage l’unité azaphosphatrane joue un rôle prépondérant dans la complexation d’anions. / In the wide area of host-guest chemistry, hemicryptophanes, a type of molecular cages combining a cyclotriveratrylene (CTV) unit with another different C3 symmetrical moiety, have received increasing attention. In a first part of this work, the advances in hemicryptophane chemistry have been thoroughly reviewed and the objectives of the thesis have been postulated. Our work mainly concerns the targeted molecular recognition by rational design of hemicryptophanes. Various hemicryptophane structures have been designed as fluorescent sensors for choline phosphate, or for ion-pairs recognition. Original heteroditopic hemicryptophanes bearing tris(2-pyridylmethyl)amine (TPA) units have been synthesized that present a great interest for further applications in molecular recognition. We investigated the stereoselective recognition of carbohydrates using enantiopure hemicryptophanes combining three classes of chirality on seven stereogenic units. At last, we described the breathing motion of a series of enantiopure cages, complementing the rare application of hemicryptophanes as molecular machines.Hemicryptophane vanadium(V) complexes, have been developed as efficient supramolecular catalysts for sulfoxidation and for the catalytic lignin oxidation. Azaphosphatrane-functionalized hemicryptophanes were developed as hydrogen-bonding organocatalysts for the ring-opening polymerization of lactide. Finally, my attention has opened to a more prospective view focusing on cages constructed by self-assembly, and we have demonstrated the feasibility of introducing azaphosphatrane moieties into tetrahedron capsules using subcomponent self-assembly, and also proved for the first time the utility of azaphosphatranes as anion binding moieties.

Une grande partie des chimistes puisent leur inspiration auprès de la biologie. C’est le cas des chercheurs en chimie supramoléculaire, qui travaillent sur l’élaboration de récepteurs moléculaires synthétiques capables d’effectuer des reconnaissances moléculaires envers des substrats d’intérêt biologiques. Le but est ainsi de mimer l’activité des protéines naturelles, en vue d’applications cliniques.L’unité cyclotribenzylène (CTB) est une structure de symétrie C3 qui possède des propriétés complexantes intéressantes. Un CTB relié à une deuxième unité complexante par trois bras espaceurs constitue la famille des hémicryptophanes. Au cours de cette thèse, nous avons travaillé sur l’élaboration de récepteurs moléculaires basés sur cette unité CTB. Dans un premier temps nous avons développé une nouvelle méthode de synthèse d’hémicryptophane énantiopurs à l’échelle du gramme en vue d’effectuer des reconnaissances stéréosélectives de neurotransmetteurs chiraux. Nous avons ensuite développé des récepteurs CTB et hémicryptophanes combinant la chiralité du CTB et du groupement binaphtol. La configuration absolue des unités chirales ont été déterminées par une méthode de corrélation chimique. Ces récepteurs ont été utilisés pour réaliser des expériences de reconnaissance stéréosélective de saccharide et de bonnes diastéréosélectivités ont été obtenues. Enfin, nous avons travaillé sur l’élaboration d’une voie de synthèse d’hémicryptophanes fluorescents capables de subir des excitations bi-photoniques dans le but d’effectuer des expériences de suivi dans l’espace et dans le temps de substrats d’intérêt biologiques en milieu in-vivo. / Biology is an inspiration for chemists. Especially for the field of supramolecular chemistry, which one of the aim is to develop synthetic molecular receptors capable of molecular recognition to biological substrates, to mimic the activity of natural proteins for clinical applications.Cyclotribenzylene unit (CTB) is a C3-symmetry structure which present interesting recognition properties. When a CTB is connecting to another molecular unit by three spacers arms, it forms an hemicryptophane receptor. During this thesis, we worked on elaboration receptors based on CTB unit. First, a new way of enantiopure hemicryptophane synthesis on gram scale has been developed for stereoselective recognition of chiral neurotransmitters. Then receptors based on chirality of CTB and binaphthol unit has been developed. Assignment of absolute configuration of chiral unit was determined by a chemical correlation. Stereoselective recognition of carbohydrates by these receptors revealed good diastereoselectivity. Finally, a synthetic pathway leading to fluorescent hemicryptophanes was developed for bi-photonic excitation in order to realize in-vivo experiments of tracking biological substrates.

La reconnaissance moléculaire est un phénomène omniprésent dans les systèmes vivants et intervient dans de nombreux processus biologiques comme la reconnaissance cellulaire ou encore la transmission de signaux par les neurotransmetteurs. L’élaboration de molécules synthétiques capables de mimer l’action des récepteurs naturels en complexant sélectivement un substrat cible est, à l’heure actuelle, très recherchée pour la détection ou le diagnostic en biologie et médecine. Parmi l’ensemble des récepteurs synthétiques, les hémicryptophanes sont des molécules cages composées d’un cyclotribenzylène connecté à une autre unité moléculaire par trois bras espaceurs. Les travaux de cette thèse reposent sur l’élaboration de nouveaux hémicryptophanes et l’étude de leurs propriétés de complexation vis-à-vis de molécules d’intérêt biologique. Dans un premier temps, la chiralité de ces récepteurs a été utilisée pour étudier leurs propriétés de reconnaissance stéréosélective face à différents sucres et analogues de neurotransmetteurs. De bonnes diastéréosélectivités et énantiosélectivités ont ainsi pu être observées en milieu organique pour les substrats étudiés. En parallèle, plusieurs hémicryptophanes hydrosolubles ont été synthétisés et ont permis de reconnaitre sélectivement des neurotransmetteurs comme la choline dans l’eau. Enfin, une dernière partie de cette thèse à été consacrée à la mise en place d’une voie de synthèse pour rendre ces récepteurs fluorescents, dans le but d’élaborer par la suite des sondes moléculaires capables de détecter et de suivre spatio-temporellement des molécules d’intérêt biologique dans les systèmes vivants par fluorescence. / Molecular recognition is a very important phenomenon for living systems as it occurs in many biological processes like cell-cell recognition or transmission of signals by neurotransmitters. Nowadays, the design of synthetic host molecules able to mimic natural receptors by complexing selectively a target substrate, is much sought-after for detection or diagnostic in biology and medicine. Among all the different synthetic receptors, hemicryptophanes are cage-shape molecules which are composed of a cyclotribenzylene moiety connected to another molecular unit by three spacer arms. This thesis is about the synthesis of new hemicryptophanes and the study of their complexation properties toward biologically important molecules. First, the stereoselective recognition of carbohydrates and neurotransmitter analogues by these chiral receptors was investigated in organic solvents and revealed good enantioselectivities and diastereoselectivities. In parallel, several water-soluble hemicryptophanes were synthesized and showed an aptitude for recognizing selectively ammonium substrates like choline in water. The last part was devoted to the development of a synthetic pathway to make hemicryptophanes fluorescent, in order to design molecular probes able to track biologically important molecules in living systems by fluorescence.