Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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En termes de chimie supramoléculaire et de tectonique moléculaire, les métacyclophanes [1111] sont des composés attractifs pour la préparation et l’étude de réseaux moléculaires, car la particularité de ces composés est la stabilité exceptionnelle de la conformation l'encombrement stérique entre les groupes ortométhyliques des cycles aryles. Un tel type rigide d'échafaudage moléculaire aussi bien avec la présence de sites de liaison de terminaux est considéré comme un bloc de construction moléculaire très approprié pour la formation de différents types de réseaux moléculaires en utilisant principalement la coordination et la H-bonding. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié le rôle de la nature de la coordination des sites greffés sur le squelette métacyclophane macrocyclique afin d'améliorer leur capacité à former des réseaux de coordination dans la phase cristalline et les systèmes supramoléculaires en solution, une série de nouvelles [1111] métacyclophanes ont été synthétisés et caractérisés en solution et à l'état solide. Leur propension à lier différents cations métalliques dans la phase cristalline ainsi que des complexes en solution ont été étudiés. / In terms of supramolecular chemistry and molecular tectonics,[1111]metacyclophanes are attractive compounds for the preparation and study of molecular networks since the particular feature of these compounds is determined by exceptional stability of the 1,3-Alternate conformation of their molecular platform due to the steric hindrance between the orto-methyl groups of aryl rings. Such rigid type of molecular scaffold both with presence of terminal binding sites is considered as a very suitable molecular building block for formation of different type molecular networks using primarily coordination and H-bonding. Through this work we investigated the role of the nature of the coordinating sites grafted on the metacyclophane macrocyclic backbone in order to enhance their ability to form coordination networks in the crystalline phase and the supramolecular systems in solution, a series of new [1111]metacyclophanes have been synthesized and characterized in solution and in the solid state. Their propensity to bind different metal cations in the crystalline phase as well as complexes in solution have been studied.

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.

L’encapsulation et le relargage à la demande de principes actifs présentent de nombreux avantages et trouvent leur place dans de nombreuses applications, au sein de formulations complexes. Dans cette thèse, nous montrons que la chimie supramoléculaire permet de réaliser des copolymères amphiphiles capables d’encapsuler des composés lipophiles, dispersés en solution aqueuse.L’objectif de ces travaux a été d’élaborer et de caractériser les édifices encapsulants formés par des copolymères amphiphiles supramoléculaires, inspirés des émulsifiants non ioniques commerciaux, les Pluronics®.Dans un premier temps, nous avons synthétisé des copolymères supramoléculaires amphiphiles. Les unités associatives et complémentaires thymine (Thy) et diaminotriazine (DAT), très étudiées dans le domaine des matériaux supramoléculaires, ont été greffées en une étape au(x) extrémité(s) de chaines poly(éthylène) glycol, hydrophiles, et poly(propylène) glycol, hydrophobes, commerciales (Jeffamine®). Les deux unités supramoléculaires s’associent sélectivement par trois liaisons hydrogène parallèles, permettant de former des copolymères amphiphiles. Leur auto-assemblage en solvant sélectif, notamment dans l’eau ou dans des mélanges biphasiques aqueux, conduit à la formation d’objets encapsulants, destinés à des applications cosmétiques.La force et la stabilité de la liaison supramoléculaire Thy/DAT ont été étudiées dans l’eau et dans différents solvants organiques. Les objets formés par l’auto-assemblage des copolymères supramoléculaires ont également été caractérisé par différentes techniques physico-chimiques. L’utilisation des copolymères amphiphiles supramoléculaires s’est révélée concluante pour la stabilisation d’émulsions directes préparées par émulsification spontanée (effet Ouzo). Ainsi, la preuve de concept de l’encapsulation a été établie, les émulsions obtenues s’apparentant à l’encapsulation d’un composé lipophile en phase aqueuse (dispersion liquide-liquide). / The encapsulation and triggerable release of actives display numerous benefits and are used in complex formulations designed for various applications. In this thesis, we show that supramolecular chemistry enables the design of amphiphilic copolymers, capable to encapsulate lipophilic compounds, dispersed in aqueous solution.The goal of this work was to develop and characterize encapsulating objects formed by amphiphilic supramolecular copolymers, inspired by non ionic, commercially available emulsifiers, Pluronics®.As a first step, we synthesized amphiphilic supramolecular copolymers. Associative and complementary units thymine (Thy) and diaminotriazine (DAT), which are largely studied in supramolecular materials subjects, were grafted by a one-step reaction, at the end(s) of poly(ethylene) glycol chains, hydrophilic, and poly(propylene) glycol chains, hydrophobic. Both initial chains are commercially available (Jeffamine®). The two supramolecular units associate selectively by 3 parallel hydrogen bonds, enabling the formation of amphiphilic copolymers. Their self-assembly in a selective solvent, like water, or in a aqueous biphasic mixture, lead to the formation of encapsulating objects, which are designed for a cosmetic application.Strength and stability of Thy/DAT supramolecular bon was investigated in water and in different organic solvents. Objects formed by the self-assembly of the supramolecular copolymers were also characterized by the mean of several techniques. Use of amphiphilic supramolecular copolymers was found conclusive for the stabilization of direct emulsions, formed by spontaneous emulsification (Ouzo effect). Thus, proof on concept was established, emulsions being seen as the encapsulation of a lipophilic compound in an aqueous phase (liquid-liquid dispersion).

L'utilisation de liens non covalents forts entre des chaînes polymères améliore considérablement les propriétés des matériaux. Ainsi, il est possible d'obtenir des propriétés polymères avec des petites molécules fonctionnalisées. Nous décrivons la synthèse d'un nouveau groupe associatif supramoléculaire simple à synthétiser, le groupe amidoéthylimidazolidone. En synthétisant la 1-(2-aminoethyl)-2-imidazolidone, ainsi que d'autres dérivés réactifs comportant notre groupe associatif, on peut envisager la synthèse de matériaux comportant ce motif et s'adapter à tout type de chimie. Le greffage de ce sticker de manière contrôlée sur des dimères d'acides gras donnent des molécules qui, malgré leur petite taille, se comportent comme des polymères et des réseaux supramoléculaires semi-cristallins dans les propriétés peuvent être modulées selon le grade de dimère choisi. En fondu, les systèmes se comportent comme des polymères ramifiés en cours de gélification. De façon encore plus originale, le greffage d'urée sur des dimères d'acides gras déjà fonctionnalisés donne également des petites molécules, mais qui se comportent comme élastomères et qui ont en plus la propriété d'auto-cicatrisation. Ce phénomène est interprété par un mécanisme de reformation des liaisons H rompues lors de la fracture.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude de l'auto-arrangement de molécules organiques conjuguées par microscopie à effet tunnel. Les propriétés semi-conductrices et d'auto-assemblage des molécules présentées dans ce manuscrit en font des matériaux prometteurs pour l'électronique organique. L'étude a tout d'abord porté sur des molécules planaires dérivées des HBC (hexa-péri-hexabenzocoronène) physisorbées sur des surfaces atomiquement planes de graphite et d'or(111). Il a été possible de créer deux types de structures hautement ordonnées, d'une part des monocouches constituées de molécules adsorbées à plat sur la surface, d'autre part des monocouches où les molécules de HBC forment des colonnes allongées sur la surface. La stabilité de ces monocouches colonnaires a ensuite été augmentée par l'introduction de fonctions greffantes dans la structure des molécules, ceci menant à la chimisorption sur des surfaces d'or des molécules constitutives des colonnes. Par ailleurs, l'influence d'une couche tampon de n-alcanes longs sur l'auto-arrangement de molécules de HBC a été étudiée. Dans ce cadre, nous avons mesuré en temps réel et in-situ les transitions de phases ayant lieu sur la surface à l'échelle moléculaire ainsi que les premiers instants du dépôt. Finalement, la dernière partie de cette thèse a porté sur l'utilisation de monocouches tampons lacunaires constituées d'oligothiophènes bidimensionnels dans le but de complexer des molécules de fullerènes C60.