Cette thèse concerne le développement de complexes de lanthanide et leur utilisation pour résoudre les structures de macromolécules biologiques par diffraction des rayons X, en particulier celles de protéines membranaires et de complexes protéiques de grande taille. Les complexes de lanthanide sont formés d'un atome de lanthanide et d'un ligand chimique qui assure une liaison non-covalente avec les surfaces protéiques. Introduits dans les cristaux de protéine, ces derniers constituent une sous-structure qui, déterminée par les méthodes de phasage de novo courantes, permet de résoudre la structure de la macromolécule d'intérêt. La première partie de ce travail de thèse est une étude menée sur la grande famille des complexes picolinates de lanthanide, complexes luminescents dont la fixation au sein des cristaux est aisément décelable. En premier lieu, nous avons défini les conditions dans lesquelles le complexe tris-dipicolinate de lanthanide peut être utilisé ainsi que ses éventuelles capacités à promouvoir la cristallisation (effet supramoléculaire). En second lieu, un nouveau complexe, dérivé du précédent, a été développé au cours de cette thèse : le tris-hydroxymethyltriazoledipicolinate de lanthanide (" [Ln(TDPA)3]3- "). Il nous a permis de réaliser un phasage de novo très précis conduisant à la détermination des structures du lysozyme de blanc d'œuf de poule et de la thaumatine de Thaumatococcus daniellii à haute résolution. Par ailleurs, différents ligands pour ce nouveau complexe ont été synthétisés par chimie-click, nous permettant de créer une panoplie de complexes uniques et des complexes hybrides. Nous avons montré que cette nouvelle famille de complexes présente une meilleure affinité pour les protéines permettant leur utilisation à de faibles concentrations. Les essais menés avec ces LnTDPA ont aussi permis d'entrevoir l'importance de la charge globale pour expliquer l'effet supramoléculaire. En troisième lieu, un tripicolinate cagé, le LnTNTPA, a également été évalué. Constitué d'une cage chimique de charge globale nulle, nous avons montré que ce nouveau complexe luminescent est le seul de cette famille picolinate qui puisse être utilisé en présence d'ions divalents. Dans la seconde partie de cette thèse, nous décrivons l'utilisation des complexes de lanthanide pour le phasage de protéines multimériques de grandes tailles par les méthodes de phasage de novo. Premièrement, la structure de l'aminopeptidase dodécamérique PhTET1-12s de 480 kDa a été déterminée à 4 Å de résolution à l'aide du tris-dipicolinate d'europium. Ceci nous a permis de démontrer que les complexes de lanthanide peuvent être utilisés pour obtenir un phasage précis, même à basse résolution. Deuxièmement, les complexes de lanthanide issus de l'imagerie médicale ont aussi permis de déterminer la structure de trois nouvelles enzymes homotétramériques de la famille des malate déshydrogénases. Ces structures permettent d'apporter de nouveaux éclaircissements sur l'adaptation halophile. Enfin, en utilisant ces enzymes en tant que bibliothèque de fonctions chimiques, nous avons pu mettre en place une nouvelle approche méthodologique pour comprendre finement les modes d'interaction des complexes de lanthanide.

Ce travail de thèse a consisté en la conception et la réalisation d'une nano-sonde hybride luminescente visant à permettre la détection précoce du cancer de la prostate. La première partie de ce projet a été consacré à la synthèse, par une voie de chimie click, d'une bibliothèque d'acides 4-triazolyl dipicoliniques substitués en position 4 du triazole par une large gamme de substituants. Ces diacides ont permis d'obtenir les complexes d'europium(III) et de terbium(III) correspondant, qui ont montré d'excellentes propriétés optiques, avec des rendements quantiques de luminescence sous excitation UV pouvant atteindre 60% et 36%, pour les complexes d'europium(III) et deterbium(III) respectivement. D'autre-part, ces fluorophores ont pu être excités efficacement en régime biphotonique, à la fois au travers des transitions S0 ®S1 et S0 ®T1. Sur la base de ces résultats, certains de ces chélates ont été sélectionnés afin de les incorporer dans des nanoparticules de silice. Le procédé d'élaboration par microémulsion inverse s'est révélé efficace pour l'incorporation des complexes électriquement neutres, mais n'a pas permis celle de nanohybrides incorporant des complexes chargés négativement. Ces nanohybrides présentent des propriétés optiques caractéristiques des lanthanides, avec des rendements quantiques allant jusqu'à 30%. La surface de ces nano-objets a ensuite été fonctionnalisée par des groupements amino, qui ont permis le greffage de bras espaceur et d'un vecteur ciblant la PSMA, l'un des signaux du cancer de la prostate, nous donnant ainsi accès à un modèle de nano-sonde luminescente. Un autre volet de ce travail a été dédié à l'étude de nouveaux analogues du NAAG, substrat naturel de la PSMA. Bien que la synthèse des deux composés cibles, sélectionnés parmi une vingtaine de structures par modélisation moléculaire, n'ait pu aboutir, elle a été largement avancée. Enfin, la dernière partie de ce travail décrit les premiers résultats obtenus in vitro et in vivo avec les nanosondes. Ces études ont porté sur l'évaluation de la cytotoxicité des nanoparticules ainsi que sur leur biodistribution chez la souris saine et chez la souris porteuse d'une tumeur prostatique. Cette étude a révélé une élimination rapide des nanoparticules par l'organisme, mais n'a malheureusement pas pu mettre en évidence un marquage des zones tumorales par les nanosondes.

Ce travail de thèse visait la conception de marqueurs à base d'ions lanthanides pour le diagnosticprécoce de la maladie d'Alzheimer, à travers un transfert d'énergie avec des nanocristaux semi- conducteurs luminescents. Notre choix s'est porté sur des ligands polyaminophosphonatés de type pyridine-bis-pyrazolyl rendus réactifs vis-à-vis des biomolécules par la présence de groupements activés. Nous présentons la synthèse d'un ligand modèle incorporant seulement l'unité de photosensibilisation tridentate et des groupes phosphonatés. À partir de ce ligand, les complexes d'europium et de terbium synthétisés ont été caractérisés. Une grande stabilité et des propriétés de luminescence avantageuses ont été mises en évidence par nos études, notamment en ce qui concerne le complexe de terbium. Une méthode synthèse de ligands de ce type, fonctionnalisés par la présence de groupements réactifs a été développée et le marquage de biomolécules dont des marqueurs de la maladie d'Alzheimer a été réalisé avec succès. La synthèse d'un autre ligand phosphonaté associé de façon covalente à la biotine et l'utilisation de son complexe de terbium comme donneur d'énergie a permis de réaliser des expériences de transfert d'énergie avec divers accepteurs luminescents dont des nanocristaux semi-conducteurs.

Ces travaux de thèse traitent de l'exploitation des nombreuses propriétés chimiques, physiques et structurales qu'offre le macrocycle porphyrinique.Le premier chapitre présente la sensibilisation de lanthanides émettant dans le proche-infrarouge par un chromophore porphyrinique. La synthèse d'une porphyrine substituée par deux 8-hydroxyquinoléines, sa métallation avec des lanthanides (La, Nd, Yb et Gd) ainsi que les propriétés photophysiques de ces complexes sont présentées. La synthèse de porphyrines fonctionnalisées par des oxamates orientés de façon convergente dans le but de diminuer les désactivations non radiatives du lanthanide par vibrations des liaisons est également étudiée. Le second chapitre décrit la synthèse de porphyrines substituées par deux groupements pyridyl et éthynylpyridyl en position méso-trans. La métallation du macrocyclique porphyrinique par du Zn(II) conduit à la formation de réseaux de coordination mono- ou bi-dimensionnels dont la topologie est dépendante de la nature de la porphyrine. Le troisième chapitre présente la fonctionnalisation de surface par chimi- ou par physi-sorption d'un réseau de coordination directionnel. Dans un premier temps la synthèse de porphyrines substituées par des pyridines et des terpyridines est présentée. Puis l'adsorption de ces tectons sur une surface de graphite est décrite. Enfin une dernière partie traite de la synthèse de porphyrines fonctionnalisées par deux ou quatre bras possédant des substituants soufrés, qui après chimisorption sur une surface d'or, pourraient servir de point d'ancrage à la construction d'un réseau de coordination directionnel perpendiculaire à la surface.

Un procédé sol-gel développé au laboratoire a été appliqué à des précurseurs hétéroleptiqueset/ou hétérométalliques pour l'élaboration de nouveaux matériaux hybrides et/ou dopés.Des nanoparticules de TiO2 dopées par le gadolinium et l'europium ont été obtenues sous formede nanocristallites d'anatase par ce procédé basse température. Leurs performancesmagnétiques et luminescentes ont été évaluées afin de pouvoir les utiliser comme agents decontraste pour l'imagerie médicale. L'utilisation d'un précurseur hétérométallique ethétéroleptique contenant à la fois du titane, du gadolinium et du PABA a pu conduire à laformation de matériaux dopés et hybrides en une seule étape. L'utilisation future de cesmatériaux dans le domaine biomédical est envisagée.La deuxième partie de ce travail a consisté en l'élaboration de supports hybrides TiO2(citrate) en appliquant le même procédé de co-hydrolyse à un nouvel alcoxyde de titane comportant le ligand citrate. Plusieurs degrés de fonctionnalisation organique de surface ont été obtenus par la modification des quantités relatives des précurseurs de départ. En mettant simplement en présence ces supports avec des solutions aqueuses de sels d'or ou d'argent, les fonctions citrates ont permis la formation de particules métalliques directement à la surface des supports. Ces matériaux M/TiO2 ont été utilisés en tant que catalyseurs dans l'époxydation du transstilbène en phase liquide et ont permis d'améliorer la connaissance des mécanismes de cette réaction aérobie.

[Truncated abstract] This work was concerned with investigations into the synthesis of Ce(OH)4, Sm(OH)3 and hydrated Ce-Sm mixed oxide nanoparticles with anisotropic morphologies via a chemical precipitation technique. The effect of various experimental parameters including temperature, aging time, ionic environment and thermal treatment on the morphology, structure of nanoparticles as well as elemental homogeneity of the mixed oxide nanoparticles was emphasised. It was shown that different experimental conditions resulted in different particle morphologies. This suggested that by tuning experimental parameters an ultimate goal of nanotechnology, the formation of nanoparticles with desired morphologies and sizes, may be achieved. It was found that by modifying experimental parameters it was possible to influence the development of various morphological and structural characteristics of Ce(OH)4 nanoparticles. The resulting morphologies were fibrous needle-like, rod-like and nanowire particles of various sizes. Characterisation of the nanoparticles was conducted through analysis by X-ray diffraction, surface area analysis and transmission electron microscopy techniques. Investigations into the structure of the hydrated CeO2 nanoparticles were undertaken since it is considered to be a key to the relevant properties of the material. The structure was found to exhibit multiple twinning phenomenon with 5-fold symmetry, with a consequence that atomic planes formed the particle surface. However, upon thermal treatment of needle-like particles, structural transformation was observed that possibly led to the development of more reactive and particle circumferential facets. A structural model and formation mechanism of such structures was proposed. ... A preliminary study into suitability of particle anisotropic morphology for compaction and densification processes was undertaken. Investigations into the sintering behaviour of the particles with anisotropic morphology were conducted on ceria nanoneedles. It was found that these particles displayed favourable sintering characteristics. The final densities of the hydrated ceria needle-like particle samples were achieved as high as 94.1% of the theoretical density after sintering at 1100°C for 5 hours.

A preparação de vitrocerâmicas transparentes a base de SiO2-ZrO2 dopado com íons Eu3+ e Er3+ através da metodologia sol-gel foi o objetivo desta dissertação. São apresentados resultados estruturais e óticos deste sistema, em função de temperatura, tempo e composição (variando-se a concentração de zircônia). Os sóis foram preparados em meio ácido e deixados em repouso até evaporação total do solvente, obtendo-se assim monolitos amorfos, os quais foram submetidos a tratamentos a 900, 1000 e 1100ºC durante 2, 4 e 8 horas visando eliminação de resíduos orgânicos, moléculas de água, grupos hidroxilas e densificação do material. O processo de densificação com os tratamentos leva a formação inicial da fase tetragonal de ZrO2. Foi observado o crescimento de nanopartículas de ZrO2 com dimensão dependente do tempo e temperatura de tratamento térmico, além da composição do nanocompósito. As nanopartículas obtidas apresentam tamanho que variam entre 3,1 a 5,5 nm, observadas por microscopia eletrônica de transmissão. A partir da adição de 20% de óxido de zircônio é possível observar uma mistura de fases entre tetragonal e monoclínica, resultado este evidenciado principalmente por espectroscopia Raman. Neste trabalho, o íon Eu3+ foi usado como sonda estrutural e um possível luminóforo na região do vermelho. Íons lantanídeos encontram-se parcialmente distribuídos na rede amorfa à base de sílica, apresentando um tempo de vida do 5D0 de 1,5 ms e em óxido de zircônio, com um tempo de vida de 2,7 ms. À medida que ocorre cristalização, aumenta-se a proporção de íons no óxido de zircônio, sugerindo que os íons lantanídeos preferencialmente encontram-se distribuídos em regiões ricas de ZrO2. Todas as amostras dopadas com íons Er3+ apresentam emissão no infravermelho próximo, na região da banda C utilizada em telecomunicações. A emissão do íon Er3+ em 1532 nm, atribuída à transição 4I13/2 4I15/2, apresentou uma largura a meia altura que variou entre 29 a 56 nm, dependendo da composição e do tratamento térmico realizado. O tempo de vida (1/e) do estado excitado 4I13/2 é de 5,3 ms a 6,5 ms dependendo do tratamento térmico. / The preparation of transparent glass-ceramic based on the SiO2-ZrO2 doped with Eu3+ and Er3+ ions by the sol-gel methodology was the aim of this work. The structural and optical properties of the systems as a function of the time and temperature of annealing and also zirconium concentration are presented. The sol was prepared in acid solution and left in rest until total evaporation solvent, to obtaining the amorphous monoliths. The follow, the growthing of ZrO2 nanoparticles were induced and by the Transmission Electron Microscopy sizes between 3.1 and 5.5 nm were observed to be dependent to the time and temperature of annealing. The densification from the annealing at 900, 1000 and 1100ºC initially takes the formation of the tetragonal phase of ZrO2, and after 20 mol% of zirconium oxide is observed a mixture of phases between the tetragonal and monoclinic phase, result this evidenced by Raman spectroscopy. In this work the Eu3+ ion was used as a structural and possible luminescent material in the red region, displaying a life time value between 1.4 - 2.3 ms, for samples contend 0.3 mol% of Eu3+. The life time values increases as a function of time and temperature of annealing due the increase of the crystallinity of material that decreases the sites number of Eu3+ ions on the system. The Er3+ ions emission assigned to 4I13/2 4I15/2 localized around 1532 nm, showed a full width half maximum between 29 and 56 nm. The lifetime measurements were realized for Er3+ ions. The larger values of lifetime obtained are correspondent to samples with less crystalinity. Samples annealed in less temperatures show 5.3 ms of lifetime while samples annealed in higher temperatures show 6.5 ms of lifetime.

Ce travail est consacré à la synthèse et la caractérisation des commutateurs et des fils moléculaires incorporant l'unité et le ruthénium organométalliques fractions photochromiques. La première partie traite de lanthanides complexe Yb combiné avec l'unité et le ruthénium acétylure fractions photochromiques afin de moduler la luminescence avec l'aide de redox et de stimuli lumineux. Dans la deuxième partie explique la combinaison d'unités DTE photochromiques avec des fragments acétylures de ruthénium pour fixer sur la surface de nanoparticules métalliques afin d'affiner leur résonance plasmonique grâce à la modification de l'environnement de surface en utilisant la lumière et redox stimuli. La troisième partie décrit la préparation de complexes de lanthanides combinés avec une unité photochromique spiropyranne pour commuter les propriétés SMM des complexes via photoisomérisation de l'unité spiropyranne. Dans la dernière partie, nous présentons la synthèse de Oligo (phénylène éthylène) Les fils moléculaires avec différents noyaux centraux afin d'obtenir une variété de fil avec différents niveaux d'énergie HOMO-LUMO pour vérifier l'effet de l'épinglage. / This work is devoted to the synthesis and characterization of novel molecular switches and wires incorporating photochromic unit and ruthenium organometallic moieties. The first part deals with lanthanide Yb complex combined with photochromic unit and ruthenium acetylide moieties in order to modulate the luminescence with the help of redox and light stimuli. In the second part explained the combination of photochromic DTE units with ruthenium acetylide moieties to attach on the surface of metal nanoparticles in order to tune their plasmonic resonance through the surface environment modification by using light and redox stimuli. The third part describes the preparation of lanthanide complexes combined with a spiropyran photochromic unit in order to switch the SMM properties of the complexes via photoisomerization of the spiropyran unit. In the last part, we report the synthesis of Oligo(phenylene ethylene) molecular wires with different central cores in order to obtain various wire with different HOMO-LUMO energy levels to check the effect of pinning.

Dans le but d’élucider la chimie de coordination et la structure des complexes formés avec des ligands organiques de la famille des sidérochélates, des études physico-chimiques sur la complexation du fer(III), de certains lanthanides(III) (La3+, Nd3+, Sm3+, Eu3+, Gd3+, Ho3+, Lu3+) et de l’uranium(VI) ont été effectuées. La connaissance des propriétés de complexation sidérophore-actinide est une étape essentielle pour appréhender le comportement à long terme d'un sol contaminé par des radioéléments. Trois acides dihydroxamiques synthétisés au laboratoire ((LCyEt)2–, (LCyPr)2– et (LO)2–) mimant un sidérophore d’origine fongique, l’acide rhodotorulique, ont été évalués pour la chélation du fer(III) par des titrages potentiométriques éventuellement couplés à une détection spectrophotométrique en milieu KNO3 0,1 M. Ces mesures ont permis de confirmer la présence de complexes di- et trileptiques dans les conditions d’excès du ligand. Le modèle chimique comprend au total cinq espèces de formule [Fem(L)lHh](3–2l+h)+ : [Fe(L)]+, [Fe(L)(OH)], [Fe(L)(OH)2]–, [Fe(L)2H] et [Fe2(L)3]. Le traitement numérique des données spectrophotométriques collectées dans le visible nous a conduit à proposer le spectre électronique pour chacune des espèces identifiées. En outre, la spectroscopie de masse par ionisation électrospray (ESI-MS) a confirmé la formation des espèces mono- ([Fe(L)]+) et dileptiques ([Fe(L)2H]). L’étude potentiométrique du ligand dihydroxamique abiotique (LCyPr)2– en présence de sept lanthanides trivalents a permis de proposer un modèle chimique comprenant cinq espèces mono- et dileptiques ([Ln(LCyPr)]+, [Ln(LCyPr)H]2+, [Ln(LCyPr)2]−, [Ln(LCyPr)2H]) et une espèce monohydroxylée [Ln(LCyPr)OH] en milieu KNO3 0,1 M. Par ailleurs, les mesures potentiométriques et spectrophotométriques pour le système UO22+/(LCyPr)2– suggèrent la formation à l’équilibre de cinq complexes d’uranium(VI) entre p[H] 2 et 10. Le modèle comprend les complexes mono- et dileptiques suivants : [UO2(LCyPr)], [UO2(LCyPr)H]+, [UO2(LCyPr)OH]−, [UO2(LCyPr)2]2− et [UO2(LCyPr)2H]−. La combinaison de ces deux techniques nous a permis d’appréhender la spéciation de ce radionucléide en milieu KNO3 0,1 M et de proposer des schémas de coordination pour les différentes espèces mises en évidence / With the aim of elucidating the coordination chemistry and the structure of the complexes formed with organic ligands belonging to the family of siderochelates, physico-chemical studies of the complexation of iron(III), some lanthanides(III) (La3+, Nd3+, Sm3+, Eu3+, Gd3+, Ho3+, Lu3+) and uranium(VI) have been performed. The knowledge of the properties of actinide-siderophore complexes is an essential step to assess long-term behavior of soils contaminated by actinides. Three dihydroxamic acids synthesized in our laboratory ((LCyEt)2–, (LCyPr)2– and (LO)2–) mimicking a fungal siderophore, rhodotorulic acid, have been evaluated with respect to iron(III) chelation by potentiometric and spectrophotometric titrations in 0,1 M KNO3. These measurements revealed the formation of di- and trileptic complexes in the presence of an excess of ligand. The chemical model includes five species of [Fem(L)lHh](3–2l+h)+ general formula : [Fe(L)]+, [Fe(L)(OH)], [Fe(L)(OH)2]–, [Fe(L)2H] and [Fe2(L)3]. The numerical treatment of the spectrophotometric data collected in the visible range, led us to propose the electronic absorption spectrum for each of the identified species. Moreover, electrospray ionization mass spectroscopy (ESI-MS) confirmed the formation of the mono- ([FeL]+) and dileptic ([FeL2H]) complexes. The potentiometric study of the abiotic dihydroxamic ligand (LCyPr)2– in the presence of seven trivalent lanthanides allowed us to propose a chemical model which includs five mono- and dileptic species ([Ln(LCyPr)]+, [Ln(LCyPr)H]2+, [Ln(LCyPr)OH], [Ln(LCyPr)2]–, [Ln(LCyPr)2H]) in 0,1 M KNO3. Finally, potentiometric and spectrophotometric measurements for the UO22+/(LCyPr)2– system suggested the formation at equilibrium to five of uranium(VI) complexes between p[H] = 2 and 10. The model includes the mono- and dileptic [UO2(LCyPr)], [UO2(LCyPr)H]+, [UO2(LCyPr)OH]–, [UO2(LCyPr)2]2–, [UO2(LCyPr)2H]– complexes. The combination of both techniques allowed us to assess the speciation of this radionuclide in KNO3 medium and to propose a coordination scheme for each complex

This report details the development and validation of a model for the simulation of supported liquid membrane processes, as applied to the extraction of lanthanides. Supported liquid membranes are systems where two phases, usually aqueous, are separated by a third phase, typically organic, which acts as a membrane, in order to separate solutes from one phase to the other. The model employs an analytical solution to the diffusion equation for the organic phase and linear approximations of the resistances to mass transfer in the aqueous phase boundary layers. The goal of this model is to underline the importance of taking these boundary layer resistances into account. / Detta arbete introducerar, deriverar och evaluerar en matematisk modell för simulering av vätskemembranprocesser, tillämpat på vätskeextraktion av lantanider. Immobiliserade vätskemembran betecknar system där två faser oftast vatten, separeras av en tredje organisk fas som agerar membran för att separera och transportera lösta komponenter från den ena vattenfasen till den andra. Modellen utnyttjar sig av en analytisk lösning till diffusionsekvationen för den organiska fasen och linjära approximationer för motstånden mot masstransport i de båda vattenfasernas gränsskikt. Målet med modellen är att understryka vikten av att inkludera dessa gränsskikt i beräkningarna.