Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont eu pour objectif d'élaborer de nouvelles nanoparticules magnétiques pour l'imagerie médicale. Ce manuscrit abordera la méthode de synthèse des nanoparticules, leurs caractérisations puis leur évaluation comme agent de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et radio-traceur pour la scintigraphie.Dans un premier temps, nous proposerons une méthode de synthèse pour obtenir des nanoparticules magnétiques à base de polymères de coordination cyano-pontés élaborées à partir de précurseurs moléculaires de métaux de transitions et de lanthanides en utilisant des ligands cyanure pontant et stabilisées par des ligands solubles dans l'eau et biocompatibles. Nous présenterons la synthèse, les caractérisations structurales et texturales et les propriétés magnétiques de ces nano-objets de formule générale My[M'(CN)6]z @stabilisant avec M = Fe, Gd, Tb, Y, Ni, Cu ; M' = Fe, Co et stabilisant = PEGNH2, PEG400, Glu-TEG, D-Mannitol, NADG. Nous évaluerons ensuite leur potentielle pour des applications en imagerie médicale. Pour ce faire, nous discuterons de leur capacité à se comporter comme agent de contraste pour l'IRM et comme radio-traceur pour la scintigraphie ou plus précisément la tomographie par émission mono-photonique. Nous développerons une discussion sur les paramètres fondamentaux qui doivent être optimisés afin d'obtenir des nano-objets comme agents de contraste pour l'IRM et dans le but de comprendre le mécanisme de relaxivité de ces nano-objets. Enfin, nous testerons ces agents de contraste et radio-traceurs in vitro et in vivo sur le petit animal. Puis, nous évaluerons la cytotoxicité, la cinétique et les voies d'élimination, la biodistribution, la génotoxicité et la carcinogénèse des nanoparticules utilisées. / The goal of the present research is to elaborate new magnetic nanoparticles for medical imaging. This manuscript will describe the nanoparticles' synthesis method, their characterization and their evaluation as contrast agent for magnetic resonance imaging (MRI) and functional probe for scintigraphy.In a first time, we will propose synthesis processes allowing to obtain cyano-bridged coordination polymer based magnetic nanoparticles elaborated from transition metals or lanthanides molecular precursors using cyano-bridged ligands and stabilizing ligands soluble in water and biocompatible. We will introduce the synthesis, structural and textural characterizations and magnetic properties of these nano-objects with general formula My[M'(CN)6]z @stabilizer with M = Fe, Gd, Tb, Y, Ni, Cu ; M' = Fe, Co and stabilizer = PEG NH2, PEG400, Glu-TEG, D-Mannitol, NADG.In a second time, we will evaluate their potential as nanoprobles for application in medical imaging. For that, we will discuss about their capacity to act as a contrast agent for MRI and as a functional probe for scintigraphy or more specifically single photon emission computed tomography (SPECT). We will develop discussion about fundamental parameters which must be optimized to obtain contrast agent nano-objects for MRI and to understand nano-object relaxivity mechanisms. Then, we will test these contrast agents and functional probes in vitro and in vivo on mice. Also, we will evaluate the cytotoxicity, the kinetics and way of elimination, the biodistribution, the genotoxicity and the carcinogenesis of the used nanoparticles.

Les alginates, polysaccharides extraits des algues brunes, sont des copolymères à blocs linéaires formés d'unités mannuronates (M) et guluronates (G). Leur structure dépend de la source naturelle. La complexation de cations divalents ou trivalents (sauf Mg2+) par les fonctions carboxylates conduit à la formation d'un hydrogel. Pour approfondir l'étude de la formation des gels ionotropiques d'alginate, des hydrogels et des aérogels séchés en conditions supercritiques ont été caractérisés à plusieurs échelles par différentes techniques. L'analyse orbitalaire ab initio de petits complexes a montré la formation de liaisons covalentes fortes avec les métaux de transition alors que les alcalino-terreux ne mettent en jeu que des interactions électrostatiques. Selon le rapport M/G et la nature des cations, différents régimes structuraux ont pu être identifiés par des mesures SAXS (~10-200Å) : des gels fibrillaires ou formés d'agglomérats interconnectés. Les propriétés mécaniques des hydrogels et les surfaces spécifiques des aérogels correspondants sont directement reliées à ces morphologies. La présence simultanée de plusieurs métaux dans les gels peut induire des effets coopératifs dans la formation mais aussi dans les propriétés des matériaux. De nouvelles méthodes ont été mises au point pour contrôler la synthèse de gels hétéro-cationiques, en considérant les effets d'affinité.Sur la base de cette étude, des synthèses originales de matériaux fonctionnels nano-structurés ont été développées. Certains ont été construits directement dans le réseau d'alginate en exploitant les cations de gélification ; d'autres ont nécessité le sacrifice de la matrice pour former des oxydes simples ou mixtes nanocristallins. / Alginates, polysaccharides produced by brown algae, are linear block-copolymers formed by mannuronate (M) and guluronate (G) units. Their structure depends on the natural source. The coordination of divalent or trivalent cations (except Mg2+) with the carboxylate functions leads to the formation of a hydrogel. In order to get some insight in ionotropic alginate gel formation, hydrogels and supercritical dried aerogels were analysed through various characterizations at different scales. The ab initio molecular orbital analysis on small complexes revealed strong coordination-covalent bonds in the transition metal complexes, whereas only ionic interaction occurs between the alkaline-earth cations and the carboxylates. Depending on the M/G ratio and the nature of the cation, different structural regimes were identified by SAXS analysis (~10-200Å) : well-defined fibrillar gels or gels with multiple junction nature. The mechanical properties of the hydrogels and surface areas of the resulting aerogels are directly related to these morphologies. The concomitant presence of different metals in the gel can bring cooperative effect for the formation but also for the properties of the materials. New methods to control the synthesis of hetero-cationic gels were implemented, taking into account the affinity effects. On the basis of this study, we developed new nanostructured functional materials synthesis. Some were built directly in the alginate network using the gelling cations. Others needed to sacrifice the matrix to form nanocrystalline single or mixed oxides.

L’objet majeur de cette étude est de contrôler la taille de nanoparticules de matériaux à transition de spin (TS), et d’étudier l’influence d’une réduction de taille sur les propriétés de commutation thermique. Plusieurs voies ont été explorées : La première stratégie basée sur la synthèse d’oligomères puis l’assemblage en unités supérieures s’est révélée difficile due à un manque de réactivité. La deuxième approche a consisté à utiliser le confinement moléculaire au sein d’une nanogouttelette pour synthétiser des oligomères de coordination de quelques nanomètres, et mettre en place une véritable “ingénierie moléculaire” en microémulsion. La dernière partie de ce travail est consacrée à la synthèse de particules à TS d’une centaine de nanomètre en milieu micellaire inverse permettant la discussion de l’influence de la taille des particules sur le comportement coopératif. / The main aim of this following study is to control the size of spin crossover nanoparticles, and investigate the influence of size reduction on thermal switch properties. The research has been undertaken along several approaches : Firstly a strategy was developed to build higher dimensionality from synthesized oligomers which revealed difficulties relevant to reactivity. The second approach consisted of using the molecular containment in a nanodrop to synthesize nanometric coordination oligomers and establish a real “molecular engineering” in microemulsion. The last part of this work is devoted to the synthesis of particles with spin crossover property as big as 100 nm in reverse micellar medium allowing the discussion of the interplay of their size with respect to the cooperative behaviour.

Les polymères de coordination (PC) présentent un intérêt tant fondamental qu'appliqué de par leur structure et composition modulables ouvrant de nouvelles perspectives au niveau des propriétés chimiques (catalyse, conversion matériaux mous-durs…) et physiques (magnétisme, optique…). L'objectif principal de ces études consiste à vérifier le transfert de la structure, méso-structure et composition du PC vers la céramique obtenue par traitement thermique. Dans ce contexte, ce manuscrit décrit des études sur la conversion de polymères de coordination obtenus à partir d'un auto-assemblage entre des métaux 4f, 5f et de la 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (DHBQ). Dans un premier temps, des méthodes de synthèses, aqueuse et anhydre en atmosphère contrôlée, ont été mises au point. Ainsi, plusieurs types de PC ont été obtenus (4f, 4f-4f, 4f-5f), les composés mixtes formant des solutions solides. Après caractérisation de ces composés, leur comportement sous traitement thermique a été étudié. Les principaux résultats montrent que les précurseurs à base de DHBQ obtenus par voie aqueuse possèdent une méso-structure micrométrique, formée par l'assemblage de sous-unités monocristallines possédant la même structure cristallographique quelle que soit la morphologie observée. L'étude de l'assemblage de cette méso-structure a permis de contrôler la morphologie du grain élémentaire (cylindre, cube, disque…) avec une très bonne distribution en taille. La mise en œuvre de systèmes anhydres en atmosphère contrôlée a permis d'accéder à une plus large gamme de paramètres micro-structuraux (surface spécifique, porosité…). Pour l'ensemble des composés de type PC, la conversion thermique en céramique n'a pratiquement pas altéré la morphologie des matériaux. Les aspects microstructuraux ont pu être contrôlés via la méthode de synthèse. / Coordination polymers (CP) are of great academic and industrial interest due to flexible structure and composition and offer prospects for original chemical (catalysis, soft-hard materials conversion…) and physical properties (magnetism, optics…). The major interest of these studies is to check the transfer of the structure, meso-structure and composition from the CP to the ceramic via a thermal treatment. In this context, this thesis describes studies on conversion of coordination polymers obtained by self-assembly of 4f and 5f metal ions with 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (DHBQ). Aqueous and anhydrous synthetic ways were developed, which yielded different kinds of CPs (4f, 4f-4f, 4f-5f) ; solid solutions were obtained with the mixed compounds. The products were characterized and their behaviour under thermal treatment was studied. The main results show that the DHBQ-based precursors obtained by aqueous way have a micrometric meso-structure, formed by the assembly of micro-crystalline subunits which all posses the same crystallographic structure. The study of the assembly of the meso-structure allowed controlling the morphology of the elementary grain (cylinder, cube, disk ...) with very good size distribution. The implementation of anhydrous systems in a controlled atmosphere allowed yielded a wider range of micro-structural parameters (surface area, porosity ...). For all CP-type compounds, the thermal conversion to ceramic has barely altered the morphology of the materials. The microstructural aspects could be controlled via the method of synthesis.

L'incorporation d'éléments f au sein d'architectures polymétalliques et organisées est d'un intérêt fondamental en chimie supramoléculaire et permet la mise au point de composés combinant une taille nanométrique avec les propriétés optiques ou magnétiques des ions métalliques Ln(III). Cependant, à cause des difficultés liées au contrôle de l'environnement de coordination de ces ions, les assemblages de complexes polynucléaires à base de lanthanides ont été beaucoup moins étudiés que les autres systèmes et la construction de tels assemblages reste encore un véritable défi. Afin de mieux comprendre les facteurs régissant l'assemblage des complexes polymétalliques, nous avons conçu deux types différents de ligands organiques, favorisant, dans un cas, la formation de complexes infinis (ou polymères de coordination), et dans l'autre, l'assemblage d'architecture polymétalliques discrètes. Ainsi, nous montrons que l'utilisation de ligands dérivés de l'unité picolinate, flexibles et multidentes permet la formation de polymères de coordination présentant des propriétés de luminescence très intéressantes. La géométrie du ligand a une grande influence sur l'architecture finale du réseau. En particulier, l'incorporation de quatre unités picolinates au sein d'un ligand tétrapode résulte en la formation contrôlée de réseaux à une dimension. Inversement, pour favoriser l'assemblage contrôlé de complexes polymétalliques discrets des ligands dissymétriques et de faible denticité ont été utilisés. Les études de complexation d'un ligand tridente dérivé de l'unité 8 hydroxyquinoléine et d'un ligand tétradente possédant un cycle oxazoline sont présentées.

L'objet majeur de cette étude est de contrôler la taille de nanoparticules de matériaux à transition de spin (TS), et d'étudier l'influence d'une réduction de taille sur les propriétés de commutation thermique. Plusieurs voies ont été explorées :<br />La première stratégie basée sur la synthèse d'oligomères puis l'assemblage en unités supérieures s'est révélée difficile due à un manque de réactivité. La deuxième approche a consisté à utiliser le confinement moléculaire au sein d'une nanogouttelette pour synthétiser des oligomères de coordination de quelques nanomètres, et mettre en place une véritable “ingénierie moléculaire” en microémulsion. La dernière partie de ce travail est consacrée à la synthèse de particules à TS d'une centaine de nanomètre en milieu micellaire inverse permettant la discussion de l'influence de la taille des particules sur le comportement coopératif.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'objet de cette étude est d'utiliser la technique des micelles inverses pour synthétiser des nanoparticules à transition de spin, de taille et de forme contrôlées afin d'en permettre l'utilisation en électronique moléculaire. Dans la première partie, nous avons déterminé les paramètres de synthèse influençant la taille et la forme des particules d'un complexe à transition de spin à fort potentiel d'application. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé ces paramètres sur trois autres complexes afin de comprendre la relation entre les paramètres de la synthèse et la morphologie des particules. Les nanoparticules ainsi synthétisées constituent la base d'une discussion sur l'existence d'un lien entre la taille/forme des particules et les propriétés de transition de spin. Enfin, la dernière partie de ce travail est consacrée à l'utilisation de ces matériaux en électronique moléculaire, et l'observation des propriétés de photoconductivité et photovoltaïque à l'échelle des nanoparticules.

Ce mémoire est consacré à la synthèse, à la caractérisation et à l'étude des propriétés électrochimiques et photophysiques dans l'acétonitrile de complexes hétérobimétalliques comportant des unités photosensibles du type ruthénium(II)-tris-bipyridine reliées de manière covalente à une unité polypyridinique de fer (II) ou de cobalt (II), dans le but d'étudier les transferts d'électrons photoinduits dans de telles architectures.<br />A l'aide de ligands bis-bipyridine, une série de complexes tétranucléaires formés d'une unité centrale FeII-tris-bipyridine reliée à trois unités RuII-tris-bipyridine par une chaîne alkyle de longueur variable, a été obtenue. L'examen de leurs propriétés photophysiques met en évidence un transfert d'énergie partiel, intramoléculaire, de l'état excité des unités, RuII*, vers l'unité centrale FeII. Ce transfert d'énergie est court-circuité en présence d'un accepteur d'électron irréversible externe par un processus de transfert d'électron, qui conduit à la formation d'espèces RuIII capables d'oxyder la sous-unité FeII. En utilisant un ligand hétéroditopique de type bipyridine–terpyridine, de nouveaux complexes trinucléaires comportant une unité centrale FeII ou CoII bis-terpyridine reliée à deux unités RuII-tris-bipyridine ont également été synthétisés. L'utilisation de ce type de ligand confère à ces complexes une structure plus linéaire. Dans le cas du complexe de FeII, le transfert d'énergie purement intramoléculaire peut également être court-circuité par un transfert d'électron en présence d'un accepteur irréversible conduisant à l'oxydation quantitative de la sous-unité FeII. Dans le cas du complexe de cobalt, le cycle photocatalytique envisagé implique la photogénération de l'espèce RuIII via un transfert d'électron entre RuII* et l'unité CoIII (préalablement générée par voie électrochimique) qui joue le rôle d'accepteur d'électron. Toutefois cette réaction catalytique est relativement lente car le donneur d'électron utilisé pour régénérer le RuII ne possède par une irréversibilité suffisante pour concurrencer la réaction retour, c'est-à-dire la réoxydation de CoII par RuIII.<br />Enfin, l'étude de polymères de coordination électro-et photo-activables de RuII et FeII a été abordée. Ce type de polymères dérive des complexes trinucléaires de RuII et de FeII. Ils sont obtenus sous forme soluble grâce à l'utilisation de ligands hétéroditopique de type bipyridine-bis-terpyridine, dont la partie bipyridine est complexée par le RuII, tandis que l'ajout de Fe2+ permet la formation du polymère par auto-assemblage. Comme pour les complexes de FeII et de RuII de dimensions finies, l'oxydation photoinduite de l'unité FeII est possible bien que son efficacité dépende de la nature du pont entre la bipyridine et les terpyridines. De plus, ces polymères ont pu être adsorbés sous forme de films minces électroactifs à la surface d'une électrode (élaboration d'électrodes modifiées) par une technique simple d'électrodéposition.

La thèse commence le 1er octobre 2012. IL s'agit pour cette première année de thèse de synthétiser différents complexes de coordination a base du Ruthénium, Fer, Manganèse et de Cobalt à ligands polypyridinique. Ces complexes seront ensuite assemblés par lien covalent. Nous proposons d'utiliser entre autre les techniques d'electrochimie pour induire ces couplages. On cherchera aussi a immobiliser les assemblages sur surface. La principale difficulté attendue dans cette etape du travail concerne la fonctionalisation dissymétrique des ligands pour l'obtention de triade. / This thesis deals with the synthesis and characterization of inorganic triads for photoinduced charge separation. A range of photosensitizers will be studied, and the effect of the donor and acceptor will be assesed as well. These systems will be studied in solution and immobalized on surfaces. Cette thèse traite de la synthèse et la caractérisation des triades inorganiques pour la séparation de charge photoinduite. Une gamme de photosensibilisateurs seront étudiées, et l'effet du donneur et accepteur sera ainsi étudié. Ces systèmes seront étudiés en solution et immobalizes sur les surfaces.