Nous cherchons à développer une sonde permettant le relargage sélectif de cations métalliques. Un tel système permettrait de capter et relarguer des cations sans contamination ni perturbation importante de l'environnement proche de l'électrode. Par la suite le dispositif pourrait être miniaturisé et utilisé in vivo. La stratégie adoptée consiste à concevoir des composés possédant un centre redox à proximité d'un ligand ayant une grande affinité vis-à-vis des cations métalliques, en particulier pour le calcium. Des groupes fonctionnels, séparés par un espaceur modulable, permettent le greffage à la surface de l'électrode. Lors de l'oxydation du centre redox initialement neutre, on peut s'attendre à ce que la constante de complexation soit diminuée de manière importante, principalement à cause de la répulsion électrostatique qui tend à éjecter le cation de la cavité. Lors de mon travail de thèse, quatre nouvelles familles de ligands possédant une phénylènediamine comme centre redox ont été synthétisées et étudiées. Parmi ces composés, les dérivés de type " demi-BAPTA " ont permis de démontrer le concept de relargage de calcium pour la première fois en milieu aqueux, à pH physiologique. Cependant, la constante d'affinité étant trop faible pour des applications in vivo, des composés basés sur le ligand BAPTA ont été préparés et s'avèrent prometteurs

Ce travail de thèse s’est intéressé au développement de complexes de métaux non-nobles portant des ligands non-innocents et leurs applications en catalyse comme alternatives efficaces aux complexes de métaux nobles dans un contexte de fortes préoccupations économiques et environnementales. Ainsi, nous avons synthétisé et caractérisé des complexes de fer et de nickel portant des ligands non-innocents, à l’aide de différentes techniques spectroscopiques. Ces ligands pourraient moduler la réactivité du métal et étendre ainsi le champ d’applications de ces métaux de transition. Dans le but de développer de nouvelles méthodes de synthèse en catalyse au fer, des complexes de ce dernier avec des ligands bis(imino)pyridines ont été évalués pour une réaction tandem d’activation/arylation d’arènes non activés. Des études mécanistiques préliminaires, basées sur des données spectroscopiques (RMN, IR in situ, RPE) et théoriques (DFT), ont permis de suggérer un mécanisme différent de ceux connus pour le fer dans la littérature et n’est pas compatible avec un mécanisme de substitution aromatique radicalaire (HAS). Nous nous sommes également intéressés à un autre domaine majeur en catalyse : les réactions de couplage croisés catalysées par des complexes de nickel portant des ligands redox non-innocents. Les défis actuels de la catalyse au nickel sont la réalisation de couplage croisés d’halogénures d’alkyle non activés et les mécanismes impliqués diffèrent généralement de ceux mis en jeu dans les réactions de couplage croisé pallado-catalysées. Les réactions de couplage croisé catalysées par des complexes de nickel portant des ligands redox non-innocents ont été étudiées afin de découvrir de nouvelles réactivités et d’avoir une meilleure compréhension des cycles catalytiques mis en jeu. / This PhD work has focused on the development of complexes of non-noble metals bearing non-innocent ligands and their catalytic applications as efficient alternatives to noble metal complexes, in the light of increasing concerns regarding cost and sustainability-related issues of noble metals. Towards this goal, we have developed and characterized complexes of non-noble metals (Fe, Ni) with non-innocent ligands using multiple spectroscopic techniques. This work was aimed at broadening the field of useful catalytic applications of these particular complexes. For our dedicated program in iron catalysis, a new method for tandem C–H activation/arylation of unactivated arenes catalyzed by iron complexes bearing redox-active bis(imino)pyridine ligands was developed. Preliminary mechanistic insights were gained based on combined spectroscopic data (NMR, in situ IR, EPR), reactivity studies as well as DFT calculations. The results obtained are clearly in favor of a mechanism distinct to that previously reported for iron-based catalytic systems and are not compatible with homolytic aromatic substitution (HAS). We have also focused on another challenging field in catalysis: cross-coupling reactions catalyzed by nickel as base metal, bearing redox non-innocent ligands. Several challenges in cross-coupling reactions remain among which coupling of non-activated alkyl halides. Mechanisms involving nickel catalysts often differ from those involved in palladium catalyzed cross-coupling reactions. The behavior of nickel complexes bearing redox non-innocent ligands was studied in order to unveil new reactivites and gain a better understanding of the catalytic cycles at stake.

Les ligands phosphasalen développés au sein du laboratoire peuvent être considérés comme les analogues phosphorés des ligands salen dont ils diffèrent par la présence de groupements iminophosphorane à la place des imines. L’introduction de ces fonctions a d’importantes conséquences sur les propriétés de ces ligands, qui sont plus électrodonneurs et plus flexibles que les dérivés salen correspondants, capables de stabiliser des métaux à haut degré d’oxydation. Ces ligands ont également un caractère redox non-innocent, une propriété très étudiée de nos jours tant en chimie de coordination qu’en catalyse.Dans la cadre de cette thèse, différents ligands ont été synthétisés en modifiant les différents paramètres au sein du ligand : les substituants du cycle phenolate, MeO vs. tBu (PsalentBu et PsalenOMe); les substituants du phosphore, alkyl vs. aryl (iPrPsalen); et le lien entre les deux azotes, avec l’introduction de différentes o-phenylenediamines à la place d’ethylenediamine, qui donne les ligands Psalophen, PsalophenOMe2, PsalophenMe and PsalophenCF3.Les complexes neutres de cuivre et nickel, ainsi que les produits de mono-oxydation ont été synthétisés et caractérisés. Pour déterminer précisément la structure électronique des complexes différentes techniques ont été utilisés : des spectroscopies UV-visible, RMN et RPE, voltampérométrie cyclique, diffraction de rayons X, mesures magnétiques à l’état solide (SQUID), ainsi que des calculs DFT.De manière générale ces travaux montrent que les phosphasalen sont mieux à même de stabiliser la densité de spin sur le métal, donnant en certains cas des complexes à haute valence (NiIII, CuIII) encore rares dans la littérature. Dans certains cas les observations expérimentales et les calculs pointent vers un état fondamental multiconfigurationel. Contrairement aux ligands salen, les complexes portant un lien aromatique entre les deux azotes dimerisent lors de l’oxydation. Afin de contrôler la densité électronique sur ce cycle, une série des complexes à ligands phosphasalophen ont été également étudies.Une synthèse de complexes phosphasalen de manganèse(II) et (III) a été également réalisée. La stabilisation des complexes oxo ou nitrido, ainsi que la catalyse d’oxydation ont été envisagés avec ces complexes et des résultats prometteurs ont été obtenus. / Phosphasalen ligands developed in our laboratory can be considered as the phosphorous analogues of salen ligands where the imines have been substituted by iminophosphorane functions. The presence of the P-N bond makes these ligands more electro-donating and more flexible than salen analogues. They are able to stabilize high-valent metal complexes, as in the case of a Ni phosphasalen complex, which was characterized as a NiIII complex in solution and in solid state. This was never obtained before with salen-type ligands.Phosphasalen ligands, as the salen ones, can act as redox non-innocent ligands. Therefore, upon oxidation either the ligand or the metal center can be oxidized depending on the relative energy of metal and ligand orbitals. This behavior has been deeply investigated in coordination chemistry and in catalysis.In order to elucidate the factors that influence the oxidation locus different ligands have been synthetized modifiying the phenolate subtituents, MeO vs. tBu (PsalentBu and PsalenOMe); the phosphorous substituents, alkyl vs. aryl (iPrPsalen); and the linker between the two nitrogen atoms, ethylenediamine vs. phenylenediamine (Psalophen, PsalophenOMe2, PsalophenMe and PsalophenCF3).The neutral and one-electron oxidized copper and nickel complexes were synthetized and characterized. In order to determine the electronic structure of the complexes a combination of different characterization techniques were used: UV-vis, EPR and NMR spectroscopies, cyclic voltammetry, X-ray diffraction, magnetic measurements (SQUID), as well as theoretical calculations.In a general manner, phosphasalen ligands favor a metal center oxidation in a higher extent than salen derivatives, leading in some cases to high-valent metal complexes (NiIII, CuIII), remaining rare cases in the literature. For some complexes, experimental observations and theoretical calculations point to the presence of multiconfigurational ground states. Contrary to salen, complexes bearing an aromatic linker between the two nitrogen atoms dimerize upon oxidation. In order to tune the electronic density in the central ring, a series of phosphasalophen complexes displaying different substituents in the aromatic bridge, have been studied.Manganese (II) and (III) phosphasalen complexes has been also studied. The stabilization of oxo and nitride complexes as well as catalytic applications have been targeted for these complexes and encouraging results have been obtained.

Les radicaux organiques tiennent une place de choix dans de nombreux domaines et il est établi que ceux-ci peuvent exister coordinés à des centres métalliques dans les métalloenzymes. La Galactose Oxydase par exemple contient une entité cuivre(II)-radical phénoxyle indispensable à sa réactivité pour l'oxydation aérobie d'alcools en aldéhydes. Ces travaux de thèse ont consisté en l'élaboration de complexes de métaux de transitions (cuivre, nickel, cobalt) à partir de ligands noninnocents. Les caractérisations des espèces sous divers degrés d'oxydation ont été réalisées par différentes techniques complémentaires d'analyse (l'électrochimie, la RPE, l'UV-visible-proche-IR, la resonance raman ainsi que la diffraction des rayons X) combinées à des études de chimie théorique. Nous avons synthétisé des complexes Ni(II)-salen symétriques et dissymétriques et montré que l'espèce oxydée radicalaire pouvait acquérir un caractère localisé (composé de classe II) ou délocalisé (composé de classe III selon Robin-Day) en fonction des substituants phénoliques. Dans des complexes Cu(II)-salophen nous avons mis en évidence une activité redox centrée sur le pont, conduisant à des espèces Cu(II)-radicaux π diaminobenzène. Dans le cas des complexes de cobalt, les orbitales redox actives du métal et du ligand sont si proches en énergie que l'espèce oxydée est un hybride de résonance entre les formes Co(III)-phénolate et Co(II)-phénoxyle. Nous avons évalué l'influence du remplacement des oxygènes du salen par des azotes sur la structure électronique des espèces oxydées. Enfin, des complexes ont été mis au point à partir d'un ligand bis(phénol)-dipyrrine et les espèces oxydées radicalaires ont été caractérisées structuralement. Elles ont un caractère mixte porphyrinyle-phénoxyle jamais mis en évidence au préalable.

Les radicaux organiques tiennent une place de choix dans de nombreux domaines et il est établi que ceux-ci peuvent exister coordinés à des centres métalliques dans les métalloenzymes. La Galactose Oxydase par exemple contient une entité cuivre(II)-radical phénoxyle indispensable à sa réactivité pour l'oxydation aérobie d'alcools en aldéhydes. Ces travaux de thèse ont consisté en l'élaboration de complexes de métaux de transitions (cuivre, nickel, cobalt) à partir de ligands noninnocents. Les caractérisations des espèces sous divers degrés d'oxydation ont été réalisées par différentes techniques complémentaires d'analyse (l'électrochimie, la RPE, l'UV-visible-proche-IR, la resonance raman ainsi que la diffraction des rayons X) combinées à des études de chimie théorique. Nous avons synthétisé des complexes Ni(II)-salen symétriques et dissymétriques et montré que l'espèce oxydée radicalaire pouvait acquérir un caractère localisé (composé de classe II) ou délocalisé (composé de classe III selon Robin-Day) en fonction des substituants phénoliques. Dans des complexes Cu(II)-salophen nous avons mis en évidence une activité redox centrée sur le pont, conduisant à des espèces Cu(II)-radicaux π diaminobenzène. Dans le cas des complexes de cobalt, les orbitales redox actives du métal et du ligand sont si proches en énergie que l'espèce oxydée est un hybride de résonance entre les formes Co(III)-phénolate et Co(II)-phénoxyle. Nous avons évalué l'influence du remplacement des oxygènes du salen par des azotes sur la structure électronique des espèces oxydées. Enfin, des complexes ont été mis au point à partir d'un ligand bis(phénol)-dipyrrine et les espèces oxydées radicalaires ont été caractérisées structuralement. Elles ont un caractère mixte porphyrinyle-phénoxyle jamais mis en évidence au préalable. / Organic radicals play key roles in various fields and it is established that they could coordinate metal centers in metalloenzymes. For example, Galactose Oxydase exhibits a copper-phenoxyl entity, essential for its reactivity (aerobic oxidation of alcohols to aldehydes). This thesis is focused on the design of transition metal complexes (copper, nickel, cobalt) from non innocent ligands. The characterization of species at various oxidation states has been performed by complementary analytical techniques (electrochemistry, EPR, UV-vis-NIR, raman resonance, X-ray crystallography) and theoretical chemistry. Several Ni-salen complexes were synthetized (symmetrical or not) and the resulting oxidized species could be either localized (class II compound) or delocalized (class III compound) radicals depending on the phenolic substituents. In Cu(II)-salophen complexes we successfully shed light on a bridge-centered redox activity, leading to Cu(II)-diaminobenzene π radical species. In the case of cobalt, both metal and ligand redox active orbitals are isoenergetic and the oxidized species is a resonance hybrid between the Co(III)-phenolate and the Co(II)-phenoxyl forms. We evaluated the influence of the replacement of the salen oxygen atoms by nitrogen ones on the electronic structure of the resulting oxidized species. Finally, original complexes were synthesized from a bis(phénol)-dipyrrine ligand and the radical oxidized species were structurally characterized. They exhibit a unprecedented mixed porphyrinyl-phenoxyl character.

Des complexes salen et dipyrrophénolate de fer comportant des unités phénolatesenrichies en électron (substituants tert-butyl ou methoxy) ont été préparés. Leur chimieoxydative conduit à des espèces radicalaires dont une a été caractérisée par diffraction desRX. Les complexes dipyrrophénolate de manganèse et cuivre ont été également étésynthétisés et oxydés, engendrant des espèces radicalaires. Le premier s’est avéré efficace entermes d’oxygénation d’oléfines, le second pour l’oxydation d’alcools.La fonctionnalisation des phénols par des chaînes alkylimidazolium rend les complexeshydrosolubles. Les salophen de nickel ainsi préparés interagissent fortement avec l’ADN Gquadruplexe(KD < 1-2 mM) en s’empilant sur le dernier quartet de guanine. Ils stabilisent lesG-quadruplexes contre la dénaturation thermique et bloquent l’activité de la télomérase avecdes IC50 < 3 mM. / We prepared salen and dipyrrophenolate iron complexes involving electron rich (tertbutyland methoxy substituents) phenolate moieties. Their oxidative chemistry leads to radicalspecies, one of them being characterized by X-Ray diffraction. The manganese and copperdipyrrophenolate complexes were also synthesized and oxidized, affording radical species.The first ones are efficient catalysts for the oxygenation of olefins, while the second ones areactive towards alcohol oxidation.Functionnalization of the phenols by alkylimidazolium chains makes the compoundshydrosoluble. The so-prepared nickel salophen complexes interact strongly with GquadruplexDNA (KD < 1-2 mM), mainly through p-stacking interactions over the lastguanine quartet. They stabilize the G-quadruplex structures against thermal denaturation andinhibit telomerase activity with IC50 < 3 mM.