Le développement d'architectures moléculaires enchevêtrées (rotaxanes) est un sujet d'actualité en chimie supramoléculaire. Cette thèse examine la synthèse multi-étape de sous-unités de rotaxanes, notamment de composants macrocycliques électroactifs, et leur assemblage dans des structures moléculaires imbriquées. De nouveaux cycles à 31 et 35 chaînons à liaison hydrogène comprenant un motif récepteur bis (2,6-diamidopyridine) et une unité électroactive, à savoir du ferrocène ou de la triphénylamine, ont été synthétisés. Ces macrocycles ont été analysés par voltampérométrie cyclique, analyse par diffraction des rayons X sur cristal unique, ainsi que par spectroscopie RMN et spectrométrie de masse. Les interactions hôte-invité avec un acide complémentaire 5,5’-diéthylbarbiturique (Barbital) en tant qu’invité modèle ont également été étudiées par titrage spectroscopique par absorption électronique et RMN 1H. Les affinités de liaison étaient corrélées à la structure moléculaire. Des approches pour former des [2]rotaxanes, notamment en utilisant une réaction de matrice métallique active, où l'ion métallique joue le double rôle de matrice et de catalyseur, sont décrites. En particulier, les réactions de couplage de Huisgen ainsi que de Glaser catalysées au cuivre(I) ont été utilisées avec des bouchons de volumes variés. Dans une deuxième approche complémentaire de type "attache" de la formation de rotaxane, l'anneau électroactif a été formé directement entourant le composant de filetage servant de modèle. Cette méthodologie a permis d'obtenir deux [2] rotaxanes inédits via une réaction de "clipping" à cinq composants assistée par matrice, l'un des rotaxanes intégrant deux unités de ferrocène, tandis que l'autre comprenait deux unités de type triphénylamine. Les études de diffraction des rayons X sur cristal unique ont confirmé le caractère imbriqué des assemblages. / Development of interlocked molecular ring-on-thread architectures (rotaxanes) represents a central current topic in supramolecular chemistry. This thesis considers the multi-step synthesis of rotaxane subcomponents, notably electroactive macrocyclic components, and their assembly into interlocked molecular structures. Novel hydrogen-bonding 31- and 35-member rings comprising a bis(2,6-diamidopyridine) receptor motif and an electroactive unit, namely ferrocene or triphenylamine, were synthesized. These macrocycles were analyzed by cyclic voltammetry, single crystal X-ray diffraction analysis, as well as NMR spectroscopy and mass spectrometry. Host-guest interactions with a complementary 5,5’-diethylbarbituric acid (Barbital) as model guest were also studied by electronic absorption and 1H-NMR spectroscopic titrations. Binding affinities were correlated to molecular structure. Approaches to form 2rotaxanes, notably by employing an active metal template reaction, where the metal ion plays the dual role of template and catalyst, are described. In particular, the copper(I)-catalyzed Huisgen as well as Glaser coupling reactions were employed with a variety of bulky stopper groups. In a second complementary “clipping”-type approach to rotaxane formation, the electroactive ring was directly formed encircling the templating thread component. This methodology yielded two further novel [2]rotaxanes via a template-assisted five-component clipping reaction, one rotaxane integrating two ferrocene units while the other comprised two triphenylamine-like units. Single crystal X-ray diffraction studies confirmed the interlocked nature of the assemblies.

Le XXIe siècle est une ère de progrès technologique sans précédent : jamais auparavant il ne nous n’a été possible de se déplacer et de communiquer aussi vite et loin. La démocratisation des transports et des appareils de communication modernes réduit cependant la disponibilité de ressources naturelles causant des problématiques socio-économiques et sanitaires globales comme la pollution ou des conflits politiques. Le contenu de cette thèse tente proposer des façons dont la conception rationnelle de matériaux organiques aux propriétés programmées pourrait améliorer la durabilité et les performances des cathodes de batteries Li-ion. Dans un premier temps, des stratégies permettant la construction contrôlée et ascendante d’assemblages cristallins organiques (essentiellement faits de carbone, hydrogène, oxygène et azote) seront présentées. Ensuite, différentes manières dont ces stratégies de constructions sont mises à contribution du développement de batteries Li-ion plus vertes seront exposées. Finalement, un projet de recherche reposant sur une expertise en chimie organique et en ingénierie cristalline pour la génération de matériaux aux propriétés pertinentes à de telles applications sera détaillé. / The 21st century marks an unprecedented era of technological advancement. Never before have we been able to travel and communicate as swiftly and extensively as we can now. While the accessibility of modern transportation and communication devices democratizes these capabilities, it also diminishes the availability of natural resources, giving rise to global socio-economic and health-related challenges such as pollution and political conflicts. The objective of this thesis is to propose methods by which the rational design of organic materials with programmed properties could improve both durability and sustainability of Li-ion batteries. Initially, the thesis outlines strategies for the controlled and bottom-up construction of organic crystalline assemblies primarily composed of carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen. Subsequently, various ways in which these construction strategies contribute to the development of more environmentally friendly Li-ion batteries are discussed. Finally, a research project is presented, centered around expertise in organic chemistry and crystal engineering for generating materials with properties relevant to such applications.

L'objectif de ces travaux de thèse concerne l'étude de l'apport de la chimie supramoléculaire à différents niveaux de la science membranaire. Lors de la première partie de nos travaux, nous avons étudié les capacités d'auto-organisation dynamique de molécules bolaformes. Des études de caractérisations ont permis de déterminer différentes structures, dont la formation de canaux ioniques ou aqueux pour certaines. Les capacités de transport de ces molécules auto-assemblés au sein de bicouches lipidiques a été déterminé. Une autre étude concerne l'utilisation d'un milieu hydrophobe, par des interactions supramoléculaire de type forces de Van der Waals, pour confiner de nouvelles fonctionnalisations dans des matériaux mésoporeux. Différents matériaux, dont les utilisations varient avec les molécules confinées, ont été obtenus et caractérisés par plusieurs méthodes d'analyses. Suite à ces résultats, nous avons spécifiquement étudié et optimisé l'utilisation de matériaux silicés électrodéposés sur la surface d'électrodes, puis fonctionnalisés par des chaînes alkyles, pour former des capteurs électrochimiques en étudiant le cas du fullerène. / The main objective of this study concerns the contribution of supramolecular chemistry at different level of membrane science. During the first part of our work, we have studied the dynamic self-organizing capacities of bolaform molecules. Different characterization techniques allowed us to define different structures, including ion or water channels for some of them. Transport capacities of those self-assembling molecules through lipid bilayers have been determined by several tests. Another study is about the use of a hydrophobic environment, by supramolecular interactions such as Van der Waals forces, to confine new functionalization inside mesoporous materials. Different materials, which use is determined by the confined molecules, have been obtained and characterized by several analysis methods. Furthermore, we have studied and optimized the use of electrodeposited silice materials on electrodes surface, then functionalized by alkyl groups, to form electrochemical captors by studying specifically the fullerene case.

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

La délivrance de médicament dans l’organisme vers des organes cibles tout en minimisant les effets secondaires représente un énorme défi scientifique. Les recherches actuelles révèlent qu’il existe de nombreuses embuches pour acheminer des composés thérapeutiques vers le système nerveux central. De nombreuses maladies (l’autisme, la schizophrénie, la maladie d’Alzheimer…) liées au système nerveux central nuisent à la qualité de vie et entrainent des coûts importants pour la société. Ce mémoire repose sur l’amélioration de l’accessibilité de composés thérapeutiques vers le cerveau en passant la barrière hémato-encéphalique, une barrière biologique difficilement franchissable. Pour introduire des médicaments dans le système nerveux central, il faut passer cette barrière, ce qui est très difficile, car elle est remarquablement efficace pour protéger le milieu cérébral. C’est pourquoi nous allons développer une nouvelle stratégie consistant à élaborer un nouveau type de transporteur. Nous proposons d’utiliser des macrolactames ayant la propriété de s’empiler sous forme de tubes supramoléculaires d’une stabilité adéquate. Il sera alors possible d’y greffer des médicaments et aussi des agents d’ouverture de la barrière hémato-encéphalique. Ce mémoire présente l’élaboration de ces nouveaux macrocycles chiraux, les résultats de différentes analyses structurales prouvant la présence de tubes et de systèmes robustes et enfin la fonctionnalisation du macrocycle par un agent médicamenteux (doxorubicine). / Abstract : Delivering drug into the body to target specific organs, while minimizing side effects, is an enormous scientific challenge. Current research reveals that there are many pitfalls for delivering therapeutic compounds to the central nervous system. Many diseases (autism, schizophrenia, Alzheimer's, etc.) linked to the central nervous system affect the quality of life and entail significant costs for society. This thesis is based on the improvement in the accessibility of therapeutic compounds to the brain by passing the blood-brain barrier, a biological barrier difficult to cross. To introduce drugs into the central nervous system, this barrier must be overcome. This is very difficult because it is remarkably effective in protecting the brain. This is why we will develop a new strategy based on a new type of transporter. We propose to use macrolactams having the property of stacking in the form of supramolecular tubes of adequate stability. It will then be possible to graft medicines and also agents capable of opening the blood-brain barrier. This manuscript describes the development of these new chiral macrocycles, the results of various structural analyses proving the presence of robust tubes and systems, and finally the functionalization of the macrocycles by a medicinal agent (doxorubicin).

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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

L'auto-assemblage dynamique est une méthode puissante pour accéder à des édifices moléculaires fonctionnels complexes. Son application à la construction de moteurs moléculaires par le biais de la maîtrise des échelles de temps ouvre la voie à des générations de nano-machines de plus en plus sophistiquées pouvant spontanément renouveler leurs composants ou les changer pour d'autres. La première partie de ce manuscrit est axée sur le design d’hélices d’oligoamides aromatiques qui peuvent s’enrouler le long d’un axe et glisser rapidement le long de celui-ci avant de se dérouler. Le second volet de cette thèse est consacré à la mise en évidence d’un mouvement qui est caractérisé pour la première fois à l’échelle moléculaire: le vissage. Le dernier axe de recherche développé dans ce manuscrit concerne la mise en évidence d’un intermédiaire cinétique de type foldaxane se transformant progressivement en un complexe hôte-invité 2:2 thermodynamiquement stable. / Dynamic self-assembly is a powerful method for fabricating complex, functional molecular structures. Its application to the construction of molecular motors through the control of timescales paves the way for new generations of nano-machines, in which sophisticated components can be spontaneously renewed or changed by others. The first part of this thesis focuses on the design of aromatic oligoamides that can slowly wind along an axis and shuttle along it before unfolding. The second chapter is devoted to the detection of a movement that is characterized for the first time at the molecular level: the screwing motion. The last line of research developed in this manuscript concerns the identification of a long-lived kinetic supramolecular by-product based on foldaxane architecture, which gradually transforms into a thermodynamically favored 2:2 host-guest complex.

Des azobenzènes photochromiques ont été intégrés à des macrocycles synthétiques pour moduler photochimiquement la chélation de différents ions qui jouent un rôle essentiel dans les processus biologiques. La photocommutation de ces récepteurs a été étudiée (rendements quantiques, réversibilité, état photostationnaire) et les constantes de stabilité ont été déterminées. Le développement d’un récepteur biocompatible du Ca2+ (BAPTA) a permis de moduler la concentration de Ca2+ dans une solution aqueuse avec la lumière. Les molécules entrelacées sont également un sujet majeur dans le domaine de la chimie supramoléculaire. Une méthode de macrocyclisation photochimique, basée sur la dimérisation de l’anthracène, a été appliquée à des assemblages supramoléculaires dans le but de modifier leur topologie et de développer une nouvelle stratégie de photocaténation. En parallèle, un rotaxane a été réalisé en ajoutant des groupements encombrants sur les anthracènes par une réaction de Diels-Alder. / As the availability of ions plays a key role in biological processes, photochromic azobenzene macrocycles were synthetized to photochemically modulate chelation of different ions in various media. The photoswitching of these receptors was evaluated (quantum yields, reversibility, photostationary state) as well as binding constants. Integrating a biocompatible Ca2+ receptor (BAPTA) with azobenzene enabled the modulation of calcium concentration in aqueous solution and to reversibly switch the fluorescence emission of a molecular probe based on photoinduced electron transfer. Interlocked molecules are also a major topic in the field of supramolecular chemistry. A Photochemical macrocyclization method, based on the dimerization of anthracene, was applied to supramolecular assemblies in order to change their topology and develop a new strategy of photocatenation. In parallel, a rotaxane was achieved by adding bulky groups on anthracenes by a Diels-Alder reaction.

Cette thèse se focalise sur la synthèse et l'étude de nouvelles molécules photoactives et leurs applications en tant que marqueurs, senseurs moléculaires et récepteurs d’ions photomodulables en milieux aqueux et organisés. Les fluorophores développés sont principalement des dérivés du bore-dipyrométhene (BODIPY), comportant des groupements réactifs (azoture, perfluorophényle), des chaines hydrophobes, ou sont intégrés à un récepteur de calcium biocompatible. Le développement d'architectures auto-assemblées multicompartimentées de type vésicules dans des polymersomes géant y est décrit. Ces architectures ont été utilisées pour la génération de lumière blanche dans un micro-domaine, et constitue un modèle pour l'étude de transfert d'ions calcium entre vésicules localisées dans des polymersomes individuels. Ce transfert entre nano-objets confinés à l'intérieur d'un polymersome géant représente un système prototype de communication cellulaire artificiel rudimentaire. / The thesis focuses on the study and design of novel photoactive molecules and their application as labeling agents, fluorescent molecular Ca2+-sensors and photolabile Ca2+-decaging agents in aqueous media and organized supramolecular assemblies. The designed fluorophores are based on boron-dipyrromethene (BODIPY) bearing hydrophobic chains or a reactive group like an azide or a perfluorophenyl moiety. Biocompatible calcium receptors have been prepared harnessing the fluorescence properties of BODIPY, naphthalimide and furan fluorophores. The development of self-assembled multicompartmentalized architectures, namely fluorocarbon vesicles in giant polymersomes is reported and the system has been used to create white light emission in confined microdomains. The Ca2+-based ion transfer ion the confined polymer compartments between individual fluorinated vesicles has been studied. The ion transfer in between vesicles in polymer microcompartments has been established as an artificial prototype system for cellular communication.