L’émergence de nouvelles souches bactériennes résistantes a signé la fin de l’« âge d’or » des antibiotiques. L’organisation mondiale de la santé a reconnu l’imminence des problèmes associés à ces nouvelles bactéries, qui engendrent de nouveau une mortalité en augmentation. Afin de palier à ce problème, de nouvelles alternatives aux antibiotiques sont envisagées par les chercheurs à travers le monde. La thérapie photodynamique antimicrobienne est l’une de ces alternatives. Elle a su se démarquer grâce à son incapacité à induire la résistance bactérienne. Alors que les résultats furent initialement très prometteurs contre les bactéries Gram positif, une moins bonne sensibilité fut rapidement observée de la part des bactéries Gram négatif. Afin d’augmenter le potentiel antibactérien de cette technique, diverses stratégies furent élaborées comme l’utilisation de photosensibilisateurs cationiques, l’ajout d’un agent de ciblage, ou la présence d’un agent de perméabilisation membranaire. L’un de ces agents est la polymyxine B, un peptide antimicrobien qui arbore une très bonne affinité avec les bactéries Gram négatif. Dans cette étude, nous avons voulu associer chimiquement différents photosensibilisateurs avec des dérivés de polymyxines B de façon covalente, par l’intermédiaire d’un bras « spacer » ou d’une plateforme. L’association de ces deux familles de molécules a permis d’élaborer de nouveaux composés qui ont démontré une activité photobactéricide accrue contre un large spectre de bactérie. De plus, ces composés ont montré une affinité augmentée pour les bactéries, ce qui permettra de réduire les effets secondaires sur les cellules humaines. Cette étude confirme l’importance d’utiliser des peptides antimicrobiens afin d’améliorer la thérapie photodynamique. Ces travaux seront approfondis afin de permettre la création de nouveaux traitements dermatologiques basées sur cette nouvelle thérapie et efficaces contre un large spectre de souche bactérienne / Despite advances achieved over the last decade, infections caused by multi-drug resistant bacterial strains are increasingly important societal issues that need to be addressed. New approaches have already been developed in order to overcome this problem. Photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT) could provide an alternative to fight infectious bacteria. Interesting results have been obtained against Gram-positive bacteria, but it also appeared that Gram-negative strains were less sensitive to PACT. Enhanced efficacy against Gram-negative bacteria had been previously obtained following three differents strategies, which are respectively the use of cationic photosensitizers, photosensitizers bound to antimicrobial peptides, or a membrane disrupting agent. Polymyxin B is an antimicrobial peptide, known as the “last-line” treatment against Gram-negative resistant strains, which has already been used as a disrupting agent in order to improve PACT. In addition of this enhancement, this peptide is known for its strong interaction for Gram-negative bacteria. Thus, in this work, we designed differents coumpounds, consisting of a photosensitizer covalently attached to derivatives of polymyxin B, through a spacer or a chemical platform. These combinations have led to the creation of novel compounds which have shown highly photobactericidal activities against a wide spectrum of bacteria. Moreover, these compounds present enhanced affinity for bacteria, which should significantly reduce side effects on mammalian cells. This study confirmed the importance of using antimicrobial in order to target bacterial strains. Thus, such results may allow the creation of novels PACT-based dermatological treatments efficient against a wide spectrum of bacterial strains.

Des supramolécules basées sur la reconnaissance de viologènes par des curcubit[n]urils (CB[n]) ont été étudiées. Les systèmes développées incluent des [3]-, [4]- et [7]pseudorotaxanes, composés de multimères à base de viologène et de CB[7] ou CB[8]. L’étude physicochimique a montré que ces supramolécules sont interconverties électrochimiquement entre un état complexé, défini par les pseudorotaxanes, et un état dissocié comprenant chacun des partenaires. Le désassemblage résulte d’une pimérisation intra/intermoléculaire entre radicaux viologènes.L’étude physicochimique de complexes pentacoordinés basés sur la reconnaissance d’azo-aryl-imidazoles par une porphyrine à anse phénanthroline a été menée; l’objectif étant d’utiliser les propriétés d’isomérisation photoinduite trans-cis d’azo-chromophores pour dissocier ces complexes. Les complexes initiaux sont alors régénérés par relaxation thermique. La stabilité et les propriétés cinétiques des complexes pentacoordinés ont été évaluées. / Supramolecules based on the recognition of redox-active bipyridiniums by cucurbit[n]uril (CB[n]) have been studied. The investigated systems include a [3]-, a [4]- and a [7]pseudorotaxane, each of them composed of a multimeric viologen-based thread molecule and CB[7] or CB[8]. The physicochemical approach emphasized that these systems can be electrochemically switched between a complexed state, defined by the pseudorotaxanes, and an uncomplexed state comprising their components. The disassembly results from intra/intermolecular pimerization of the viologen radicals.A physicochemical approach of pentacoordinated complexes of a phen-strapped porphyrin with azo-arylimidazoles has been undertaken with the aim to use the photoinduced trans-cis isomerization properties of azo-chromophores to dissociate the complexes. Thermal equilibration reinstates the thermodynamically favoured complexes. The strength and the kinetic properties of these pentacoordinated species have been evaluated.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le domaine émergent du « théranostique » qui associe le diagnostic par l’imagerie à la thérapie au sein d’un même système. De nouveaux photosensibilisateurs (PS) pour la thérapie photodynamique (PDT) activables par un processus d’excitation biphotonique ont été synthétisés. Ils sont composés de porphyrines reliées à des unités dicétopyrrolopyrroles. Ces systèmes présentent d’importantes valeurs de sections efficaces d’absorption biphotonique dans le proche infra-rouge ainsi que de bons rendements quantiques de formation d’oxygène singulet. Deux PS ont ensuite été reliés à des complexes de Gd(III) permettant d’apporter la fonction d’imagerie par résonance magnétique (IRM). En plus de conserver de bonnes propriétés d’absorption biphotonique, ces systèmes présentent également de remarquables valeurs de relaxivité. Enfin, des études de phototoxicité in cellulo ont démontré l’activité d’un des agents théranostiques sous irradiation biphotonique. Ces résultats permettent de valider pour la première fois le concept d’un agent moléculaire unique pour la PDT par absorption biphotonique et pour l’IRM. / The work presented in this thesis belongs to the emerging field of « theranostic » whose aim is to combine a diagnostic and a therapeutic agent within the same system. New photosensitizers (PS) activated by a two-photon absorption process for Photodynamic Therapy (PDT) have been synthesised. These systems consist of porphyrins conjuguated to diketopyrrolopyrrole units. These compounds have significant high two-photon absorption cross-sections in the near infrared and good singlet oxygen quantum yields. Two PS have been linked to Gd(III) complexes in order to bring the magnetic resonance imaging (MRI) function. These systems still have good two-photon absorption properties and also show remarkable high relaxivity values. Finally, in cellulo phototoxicity studies have been performed for one of the theranostic agent and the two-photon PDT activity has been retained. These results validate, for the first time, a proof of concept of a single molecular agent for two-photon PDT and for MRI.

Différents systèmes polyoxométallates@M-colorants ont été réalisés dans cette thèse pour électrochimique dégagement d'hydrogène catalytique et génération photocourant.• Des films hybrides, basés sur des interactions électrostatiques entre une porphyrine tetracationique et des nanoparticules stabilisées par des POMs du type POM@Pt sur ITO, ont été formés par la méthode dite couche par couche et ont été utilisés pour la génération de H2 ou de photocourant. • Pour améliorer le transfert de charge entre les nanoparticules POM@M et le substrat, la réduction de l'oxyde de graphène a été réalisée pour former des systèmes hybrides rGO/POM@Pt. Le dégagement d'hydrogène a été mesuré.• Les copolymères polycationiques bis-porphyrine ont également été obtenus par électropolymérisation avec des espaceurs bis-pyridinium. Par réaction de métathèse, l’incorporation avec divers POM de type Keggin ou des nanoparticules du type POM@Ag ont ensuite été realise. Leurs performances photovoltaïques ont ensuite été étudiées.• Enfin des films hybrides PEDOT dopés avec des nanoparticules du type POM@M ont également été fabriqués. Les performances photovoltaïques ont été examinés montrant une forte amélioration sous illumination dans le domaine du visible. L’ensemble de ces matériaux hybrides ont montré des propriétés intéressantes pour des applications photovoltaïques et la conversion d'énergie. / Polyoxometalates@M NPs-dyes molecular hybrid systems were realized in this thesis for electrochemical catalytic hydrogen evolution and photocurrent generation. • First, hybrid films, based on electrostatic interactions between the tetracationic porphyrin and POMs@Pt NPs composites on ITO slides, were formed by the so called Layer-by-Layer method for HER and photocurrent generation.• To improve the charge transfer between POMs@M NPs and the substrate, reduced graphene oxide was introduced to form rGO/POMs@Pt NPs hybrid systems. Hydrogen evolution was measured after dropping this composites onto the surface of glassy carbon electrodes.• Polycationic bis-porphyrin copolymers have been also obtained by an electropolymerization leading to the formation of new bis-porphyrin copolymers with pyridinium as spacers. Incorporation with various Keggin type POMs or POMs@Ag was then achieved, their photovoltaic performances were also studied.• POMs@M NPs doped PEDOT hybrids films have been also fabricated. The photovoltaic performances has been examined showing particularly strong enhancement under visible light. In conclusion, these polyoxometalates based hybrids materials have shown interesting properties for photovoltaic application and energy conversion.

L’objectif de cette thèse a été de synthétiser et de caractériser des assemblages linéaires de porphyrines reliées par des ions métalliques. Par réaction de porphyrines possédant un site de coordination externe avec des ions platine(II), des nouveaux homodimères et de nouvelles dyades ont pu être obtenus. Les mesures photochimiques et électrochimiques de ces composés ont alors permis de mettre en évidence un accroissement des interactions électroniques entre les sous-unités par rapport aux systèmes reliés par du palladium(II). Des transferts d’énergie ultra-rapides ont notamment été mis en évidence. Une série de monomères de porphyrines métallées en périphérie avec du palladium(II) ou du platine(II) ont ensuite été préparées. Pour ces molécules, les propriétés électroniques varient très peu en modifiant le complexe porté par la porphyrine. Des assemblages incorporant une unité porphyrinique difonctionnalisée ont ensuite été développés. La méthodologie utilisée a permis d’accéder à des trimères et des tétramères en solution comportant des porphyrines de nickel(II) ou de palladium(II). L’étude physico-chimique de ces composés a montré que les porphyrines interagissaient peu à travers les ions métalliques connecteurs. Enfin,des porphyrines difonctionnalisées comportant de longues chaînes alkyles ont été préparées. Comme cela a été vu grâce à la STM, certaines de ces molécules peuvent s’auto-assembler sur surface de graphite (HOPG) et ont permis de former des oligomères en présence d’ions métalliques / The goal of this thesis was to synthesize and characterize linear porphyrins assemblies linked by metal ions. The reaction of porphyrins bearing an external coordination group with platinum(II) ions led to the formation of new homodimers and new dyads. Electrochemical measurements demonstrated an increase in the electronic communication between the two subunits of the Pt-linked dimers compared to Pd-linked systems. In addition, an ultrafast energy transfer between the subunits was observed in the new dyads. Porphyrin monomers metalated at their periphery with palladium(II) and platinum(II) complexes were also prepared. Trimers and tetramers were obtained by reacting porphyrins with various external coordination sites with metal ions. With porphyrins bearing additional long alkyl chains, self assembly at the solid/liquid interface was also studied by STM. In particular, addition of metal ions to these self-assembled systems on HOPG led to linear porphyrin arrays.

Le polyéthylène (PE) est omniprésent dans notre vie de tous les jours et ce principalement car il présente des propriétés thermiques et mécaniques qu’on ne retrouve pas d’autres polymères. Cependant, sa très faible réactivité chimique fait qu’il est difficile de l’incorporer dans des architectures macromoléculaires plus complexes qui pourraient profiter de ses propriétés uniques. La modification de polymères fonctionnels en extrémité de chaîne par des réactions de couplage efficaces est un outil très utilisé pour la conception d’architectures macromoléculaires. Parmi les différentes réactions envisageables, la réaction de cyclo-addition 1,3 dipolaire de Huisgen entre un azoture et un alcyne est très utilisée dans le domaine de la science des polymères pour lier des polymères entre eux. Une autre méthode performante est le couplage par une réaction d’addition de type hétéro Diels-Alder (HDA) entre un diène et un dithioformate. L’objectif de ce travail de thèse est dans un premier temps d’identifier un système de polymérisation catalytique de l’éthylène qui permette de synthétiser du polyéthylène de masse molaire variable et comportant à une extrémité une fonction réactive. Puis cette extrémité réactive est mise à profit dans des réactions de couplage efficaces comme celles mentionnées plus haut pour la synthèse d’architectures macromoléculaires incorporant des segments de PE / Polyethylene (PE) is a polymer of great importance in our everyday life due to its unique thermal and mechanical properties. However, it suffers from lack of reactivity that prevents to introduce it into more complexed architectures the final properties of which would benefit from these unique features. The modification of end-functionalized polymers through orthogonal and efficient coupling reactions is a powerful and widely used tool for the design of various macromolecular architectures. In today’s polymer science the copper catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) is the most frequently used « click » reaction. Another efficient coupling method is the hetero Diels-Alder (HDA) reaction between a diene end-functionalized polymer and the electron deficient dithioester end-group of a polymer synthesized by reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. Our first aim was to fin and optimize the best ethylene catalytic polymerization system that would allow to produce PE with different molar masses and end functional groups. In a second step, we tried to introduce polyethylene segments in macromolecular architectures by taking advantage of the best attributes of the aforementioned coupling reactions

Les polymères de coordination poreux appelés Metal Organic Frameworks (MOF) sont envisagés pour des développements et applications prometteuses dans la catalyse par exemple. La compréhension des mécanismes de synthèse et leurs croissances cristallines restent cependant un défi. Actuellement, seules quelques études in-situ ont été réalisées pour rationnaliser la synthèse des MOFs, comme des suivis par résonance magnétique nucléaire, par spectroscopie de masse ou par diffraction des rayons X en dispersion d'énergie. Nous proposons, l'analyse thermodifférentielle qui est une technique plus aisée à mettre en oeuvre et permet un suivi calorimétrique en continu pour identifier les phénomènes thermiques régissant la synthèse tels que la réaction de formation et la cristallisation. Grâce à ces analyses thermiques, le domaine réactionnel est déterminé et l'importance des différents paramètres influençant la synthèse sont étudiés, comme la température et les vitesses de chauffage et de refroidissement ainsi que la concentration des réactifs. Ce suivi calorimétrique a été appliqué à la synthèse de nouveaux composés de coordination poreux à base d'un dérivé tetra acide carboxylique de la porphyrine pour en comprendre les étapes réactionnelles importantes. La détermination des structures cristallines montre que certains appartiennent à la classe des Porphyrin Paddle-Wheel Frameworks. De nouvelles approches pour la synthèse de MOFs sont également proposées, en utilisant des ligands organiques acides, imines, oximes et bases de Schiff / Porous coordination polymers so called Metal Organic Frameworks (MOFs) are considered for promising development and applications such as in catalyst. However, the understanding of the synthesis mechanisms and crystal growth is a challenge. Currently, only a few in-situ studies have been done to rationalize the synthesis of MOFs, such as monitoring by nuclear magnetic resonance, mass spectroscopy and energy dispersive X-ray diffraction. In this manuscript the differential scanning calorimetry is proposed as an easier technique to implement that allows a continuous calorimeter tracking to identify the phenomena which govern the synthesis such as the formation reaction and crystallization temperatures. With such thermal analyses, the temperature range of the reaction was determined and the importance of various parameters influencing the synthesis was studied, such as heating temperatures and cooling speeds or reactant concentration. This was applied to the synthesis of new porous coordination compounds based on porphyrin acid derivative in order to understand the important reaction steps. Crystal structure determinations show that some are Porphyrin Paddle-Wheel Frameworks. New approaches to the MOFs synthesis are also proposed using organic ligands like acids, imines, oximes and Schiff bases

La construction de nouvelles architectures d'aimant moléculaire basé sur l'approche métal-radical repose sur la conception de nouvelles molécules radicalaires. Dans cette optique, notre stratégie s'est concentrée sur la synthèse de porphyrins incorporant des composés radicaux libres. En effet, les porphyrines sont des composés π conjugués qui devraient favoriser la délocalisation de spin et la transmission des interactions magnétiques sur l'entier macrocycle et de plus sur l'ensemble du composé obtenu. A cause de leur excellente stabilité dans une grande diversité d'environnements chimiques et leur capacité à coordonner avec des métaux de transitions, notre choix s'est porté sur les radicaux nitroxides. Dans cette thèse, une série de porphyrines contenant des tBUNO, nitronyl and imino nitroxide directement liés sur le squelette de la molécule ont été synthétisées. Les macrocycles obtenus ont été caractérisés par UV-Vis, Masse et RPE spectroscopie. De plus, durant ce travail, des intermédiaires réactionnaires intéressant ont été obtenus et caractérisés pour la première fois. Ce fut le cas pour la meso-tetrakis(4-formylphenyl)porphyrin et ses équivalents métallés pa le Cu(II) et le Mn(II). Ainsi que pour quelques précurseurs prometteurs de macrocycle tetrapyrroliques comme 2-(3,4-dicyanophenyl)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-3-oxide-1oxyl, 2-(3,4-dicyanophenyl)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl and 2-(4-benzaldehyde)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl. D'après ce que nous savons, ces composés représentent le premier exemple de porphyrines substituées par des nitronyl et imino nitroxide radical, ayant été caractérisées sans ambiguïté par des méthodes spectroscopiques / The preparation of Molecule-Based Magnets is based on the assembling carriers of magnetic moment. These may be the metal ions only with diamagnetic linkers or the metal ions connected through open-shell organic molecule. The building of novel Molecule-Based Magnets architectures following the metal-radical approach relies on the design of innovative open-shell organic molecular blocks. In this regard, we focus our strategy on the synthesis of porphyrins incorporating free radicals. Indeed, porphyrins compounds are π-conjugated systems which should favor spin delocalization and the transmission of the magnetic interactions on the overall macrocycle and further over the all architecture. Due to their excellent stability in a wide variety of chemical environments, and their abilities to coordinate with transition metal we focus our attention on nitroxide radicals. In this dissertation a series of porpyrin macrocycles were synthesized, bearing tBuNO, nitronyl and imino nitroxide covalently linked to the skeleton. Characterization was done by UV-Vis, Mass and EPR spectroscopy. Moreover during this work some interesting synthetic intermediates were obtained with good yield and characterize for the first time. This was the case for meso-tetrakis(4-formylphenyl)porphyrin and its corresponding metallated derivatives by Cu(II) and Mn(II). Some novel promising tetrapyrrolic macrocycle precursors bearing nitronyl and imino nitroxides free radicals as 2-(3,4- dicyanophenyl)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-3-oxide-1-oxyl, 2-(3,4- dicyanophenyl)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl and 2-(4-benzaldehyde)-4, 4, 5, 5-tetramethylimidazoline-1-oxyl. To the best of our knowledge, these compounds represent the first example of nitronyl and imino nitroxide substituted porphyrin derivatives that have been unambiguously characterized by spectroscopic techniques

L’impression moléculaire de polymères est une technique utile pour créer des récepteurs artificiels capables de lier sélectivement des substrats. Cette propriété de reconnaissance rend les polymères à empreintes moléculaires particulièrement intéressants pour développer des catalyseurs macromoléculaires. Notre objectif a ainsi été d’accéder à un catalyseur supramoléculaire recyclable et capable d’oxyder des dérivés du soufre dans des conditions hétérogènes en présence d’un oxydant doux et éco-compatible tel que le peroxyde d’hydrogène. Compte-tenu de l’engagement du laboratoire dans la lutte contre les armes chimiques, nous avons décidé d’orienter nos travaux vers la mise au point d’un système catalytique qui serait utile pour la décontamination de surfaces ou de matériels, suite à l’exposition à certains composés dont la détoxification passe par l’oxydation sélective d’un sulfure. Nous avons ainsi préparé un MIP à base de porphyrine dont nous avons testé l'efficacité dans l'oxydation de divers sulfures d’intérêt. Les conditions douces utilisées pour la catalyse ont ainsi permis de contrôler le degré d’oxydation d’un simulant de l’ypérite, en obtenant avec une très grande sélectivité le dérivé sulfoxyde, sans que le dérivé sulfone qui serait tout aussi toxique que l’arme chimique elle-même ne se forme. Aves des structures plus proches de celle du VX, nous avons montré qu’il était possible d’oxyder régiosélectivement le soufre, et mis en évidence l’intérêt de ce procédé pour faciliter le clivage d’une liaison C-S. Cette approche représente donc une stratégie de décontamination intéressante qu’il conviendra d’évaluer dans le cas de véritables agents de guerre chimique. / Molecular imprinting polymer is a useful technique for creating artificial receptors able of selectively binding substrates. These recognition properties are particularly interesting for developing macromolecular catalysts. Our aim was to access to a reusable supramolecular catalyst able of oxidizing sulfur derivatives under heterogeneous conditions in the presence of a mild and eco-sustainable oxidant such as hydrogen peroxide. Given the expertise of the team, we decided to focus our work on the development of a catalytic system for the decontamination of surfaces or equipment, after an exposure to compounds that can be detoxified by a selective oxidation of sulfides. Thus, we prepared a porphyrin-based MIP that we tested in the oxidation of various sulfides. The mild conditions used for the catalysis allowed a control of the oxidation degree of a simulant of yperite, leading to a great selectivity the sulfoxide derivative, and avoiding the toxic sulfone formation. With other structures similar to VX, we showed that it is possible to regioselectively oxidize the sulfur atom, and highlighted the interest of this process to facilitate the cleavage of a C-S bond. This approach is then an interesting decontamination strategy that will be evaluated in the future to the case of true chemical warfare agents.

Ziel der Abeit war es, mittels statischer und zeitaufgelöster Spektroskopie Energie- und Ladungstransfer in komplexen Porphyrin-Aggregaten zu untersuchen. Die Porphyrin-Proben konnten aus wenigen Grundelementen durch Assemblierung vielfältig in ihrer geometrischen und substanziellen Struktur variiert werden. Zur Untersuchung standen sowohl statische Fluoreszenz- und Absorptionsmessverfahren als auch zeitaufgelöste zur Verfügung. Neben einem Streak-Scope und zeitaufgelöstem Einzelphotonzählen wurde ein Pump-und-Probe-Aufbau eingeführt. Dieser ermöglicht die Aufnahme transienter Absorptionsspektren im Sub-Pikosekunden-Bereich. Mit Hilfe der transienten Untersuchungen war es möglich, ein Modellsystem aus Porphyrinen zu präsentieren, in dem schneller Ladungstransfer (0,7 ps) nachgewiesen werden kann. Mit statischer Spektroskopie ist dieser Transfer bis in den Tieftemperaturbereich (164 K) existent. Damit ist dieses Porphyrin-System das erste in der Literatur bekannte, das dieses Verhalten zeigt. Bei Komplexeren Porphyrin-Aggregaten ermöglicht die Auswertung mittels Amplitudenspektren die genaue Zuordnung der zeitlichen Komponenten zu den jeweiligen Porphyrinen. Damit ist es möglich, gleiche Fluoreszenzzerfallszeiten eindeutig unterschiedlichen Porphyrinen zuzuordnen.