La thérapie génique est une forme de médecine moléculaire qui a des potentialités majeures dans le traitement d'un grand nombre de maladies héréditaires ou de cancers. Les acides nucléiques doivent pénétrer à l'intérieur des cellules et interagir avec la machinerie génétique présente. Une des plus grandes limitations dans l'application de ce type de traitement est le développement d'un vecteur sûr et efficace pour transporter ces molécules dans les cellules. Les vecteurs sont classifiés traditionnellement en deux grandes catégories : viral et non-viral. Les vecteurs de type viral sont les plus efficaces et utilisés dans la majorité des tests cliniques, cependant ils peuvent provoquer une forte réponse immunitaire et ils ont des coûts importants de production. Les vecteurs de type non viral peuvent être fabriqués facilement en grande quantité, ne sont pas immunogéniques et possèdent l'avantage de pouvoir être modulés en fonction des applications. Les lipides et les polymères cationiques sont les plus étudiés à cause de leurs propriétés de complexation avec les acides nucléiques. Cependant ces complexes chargés positivement peuvent être toxiques à cause de leur interaction non spécifique avec les membranes cellulaires, ce qui limite leur utilisation in vivo. Cela a conduit à la recherche de nouveaux vecteurs, neutres ou anioniques, pour diminuer les problèmes de cytotoxicité. Les nucléolipides (NL) sont des molécules hybrides bioinspirées amphiphiles formées d’une partie hydrophile nucléotidique et d’une partie hydrophobe lipidique. Ces molécules sont donc capables de s'autoassembler et de former des structures supramoléculaires avec des propriétés physico-chimiques principalement liées à la nature chimique de la tête polaire nucléotidique. L'interaction avec des acides nucléiques est alors possible grâce à des interactions de type Watson-Crick, cependant elles ne sont pas suffisamment élevées pour former un complexe stable pour être utilisées dans les conditions biologiques. La synthèse d’une nouvelle famille de molécules hybrides de type amino-nucléo-lipides (ANL) a été développée dans l'objectif d'améliorer les interactions et donc la complexation grâce à la présence d'un acide aminé sur la partie polaire de l’amphiphile. La synthèse chimique des ANLs avec différents acides aminés (glycine, phénylalanine) en position 5' du sucre et différentes lipides (dimiristoyl, dioleoyl) estérifié au phosphate présent en position 3' a été réalisée. Les études physico-chimiques réalisées par diffusion dynamique de la lumière (DLS), cryo-microscopie électronique (cryo-TEM) et diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) ont permis d'étudier la morphologie et l'organisation structurale des objets supramoléculaires formés par ces molécules. Ces études ont en particulier permis de mettre en évidence la relation entre la structure chimique et les propriétés physico-chimiques. Les NLs forment des vésicules unilamellaires et les ANLs, grâce à la présence de l'acide aminé sur la tête polaire, forment des vésicules de type multilamellaire. L'étude des interactions, réalisée par calorimétrie à titration isotherme (ITC), entre les vésicules et un acide nucléique modèle (poly A) montre qu'il existe une interaction entre les deux partenaires, mais que cette interaction n'est pas suffisamment forte pour envisager des applications biologiques. La stratégie d'utiliser un cation divalent, comme le calcium, pour ponter les charges négatives des nucléolipides et les charges négatives des acides nucléiques a été envisagé et les complexes ont été étudiés par SAXS. Enfin, des transitions de morphologies observées en fonction de la concentration ont été étudiées par DLS et cryo-TEM. Ces transitions de morphologies ont pu être corrélées à des effets de force ionique sur les propriétés de la tête polaire. / Gene therapy is a molecular medicine and a very powerful tool for the treatment of several diseases such as inherited disorder and cancer. Nucleic acids must penetrate into cells in order to interact with their genetic material. Currently the main limitation to the application of this treatment towards clinics is the lack of robust, safe and efficient gene delivery vectors. The two major classes of vectors are those based on recombinant viruses and those based on non-viral systems. Viral vectors are the most efficient and used in several clinical trials, however they can elicit a strong immune reaction and they possess high cost of production. Non-viral vectors are less immunogenic and can be easily produced on a large scale. A large variety of both cationic lipids and polymers have been developed due to their ability to interact spontaneously with negatively charged nucleic acids to form complexes. However these positively charged complexes can present some toxicity due their non-specific interaction with cell membranes and seric proteins. This is the main limitation for their clinical use. For this purpose, new vectors, neutral or anionic, have to be developed in order to diminish the cytotoxicity and increase the circulation time. Nucleotide-lipids (NLs) are bio-inspired amphiphilic hybrid molecules composed of a hydrophilic nucleotidic moiety and a hydrophobic lipophilic moiety. These molecules are able to self-assembly to form supramolecular structures which possess particular physico-chemical properties due to the chemistry of their polar head. These molecules can interact with a nucleic acid by Watson-Crick base pair interactions, however they are not sufficiently strong to form a stable complex that can be used for a biological application. A new chemical family of hybrid amphiphile, amino acid-nucleotide-lipids (ANLs), has been developed in order to increase the interactions and the stability of the complex thank to the presence of the amino acid on the polar head. Herein, we have synthesized novel amino acid-nucleotide-lipids, presenting phenylalanine (or glycine) and thymidine residues and saturated (dimiristoyl) or unsaturated (dioleoyl) diacyl glycerol lipid. The morphology and the structural organization of the supramolecular objects formed by these molecules was studied by dynamic light scattering (DLS), cryo-electron microscopy (cryo-TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS). These studies allowed investigating the relation between the chemical structure and the physic-chemical properties. The amino acids, inserted at the 5′ position of the nucleotide-lipids, stabilize multilamellar systems, whereas unilamellar vesicles are formed preferentially in the case of nucleotide-lipids. Both NLs and ANLs exhibit weak interactions with complementary polyA RNA as revealed by isothermal titration calorimetry (ITC) investigations, however they are not sufficiently strong to form a stable complex that can be used for a biological application. The use of multivalent cations, such as Ca2+, which bridge the phosphate groups on the lipid polar heads with those of the backbone of nucleic acids, to form ternary complexes, has been investigated by SAXS. Finally, a structural study, by DLS and cryo-TEM of NLs aggregates in aqueous solutions as a function of ionic strength and surfactant concentration, has been conducted in order to investigate the different morphologies of the systems.

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La squalénisation est la base d’une nouvelle et très prometteuse nanotechnologie. Le concept repose sur l’observation que la conjugaison d’un analogue nucléosidique ayant une activité thérapeutique à une molécule de squalène conduit à la formation spontanée dans l’eau de nanoparticules, de diamètre compris entre 100 et 300 nm, montrant une activité très supérieure à celle de l’analogue nucléosidique seul. Au cours de cette thèse nous avons cherché à comprendre les relations entre la nature de la paire drogue-terpénoide, la structure des nanoparticules et leur activité biologique. Pour cela, d’une part différents nucléosides et analogues nucléosidiques ont été couplés de façon covalente au squalène et d’autre part la gemcitabine a été couplée à des dérivés terpénoides de longueurs croissantes. L’organisation supramoléculaire de ces composés a été déterminée par diffusion des rayons X aux petits angles et cryo-microscopie électronique. L’influence des conditions de nanoprécipitation sur la structure des nanoparticules a été étudiée. L’impact de l’organisation supramoléculaire des nanoparticules sur leur internalisation cellulaire et leur cytotoxicité a été mis en évidence pour certaines lignées. / Squalenoylation is a new and very promising nanotechnology. The concept consists in coupling nucleoside derivatives that have therapeutic activity to a molecule of squalene: whatever the nucleoside, nanoparticles with a diameter around 100 - 300 nm are spontaneously obtained upon nanoprecipitation of the nucleolipid in an aqueous medium. These nanoparticles display an increased biological activity compared with the nucleoside. The aim of this PhD thesis was to understand the link between the nature of the drug-terpenoid pair, the supramolecular structure of nanoparticles and the biological activity.Therefore, in a first part, several nucleosides and nucleoside derivatives were covalently coupled to squalene, and in a second part gemcitabine was coupled to terpenoid chains with increasing length. The supramolecular organization of the nanoparticles was determined by Small Angle X-rays Scattering and cryogenic transmission electronic microscopy. The influence of the condition of nanoprecipitation on the supramolecular structure of nanoparticles was studied. The impact of the supramolecular organization on the cell internalization and cytotoxicity was highlighted for some cell lines.

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Le ligand Rim3, constitué d’une cavité resorcinarène fonctionnalisée par 3 groupements méthylimidazole a été synthétisé et étudié. Ce ligand est capable de coordiner différents métaux de transitions comme le zinc et le cuivre. Ces complexes possèdent des propriétés hôte-invité intéressantes et une sélectivité avec la taille de la cavité. La complexation d’invités acides nécessite l’addition d’une base exogène. De plus, la présence de base peut être nécessaire pour réaliser des réactions d’hydratation ou d’hydrolyse. Dans ce manuscrit sont présentés différents ligands cavitaires resorcinarène avec 4 imidazoles greffés. Chaque ligand et complexe associé présente des solubilités différentes. Nous étudierons d’abord la synthèse et la caractérisation des systèmes en milieu organique ou aqueux. Les études de complexation montreront la forte affinité associée à ces complexes en milieu organique. L’étude des propriétés hôte-invité montre que le complexe est capable de coordiner un invité acide de manière quantitative dans les conditions RMN. Cette coordination ne nécessite pas l’addition de base. Le 4e imidazole joue le rôle de base intramoléculaire et n’est pas nécessaire à la coordination. Deux positions labiles en cis sont également disponibles, attesté par la coordination de ligands bidentes. Le complexe zincique [Rim4ZnII(EtOH)](ClO4)2 montre des propriétés d’hydratation des nitriles. Dans l’acétonitrile avec 35% d’eau à 70°C, le complexe forme de l’acétamide de manière catalytique. L’addition de base n’est pas nécessaire et le pH n’évolue pas avec la réaction. Dans l’eau avec 10% d’acétonitrile, [WRim(OH)44 Zn(H2O)](NO3)2 catalyse l’hydratation en acétamide mais est inhibé par l’hydrolyse successive en acétate. / In this manuscript, we present the synthesis and caracterisation of three tetradentate bowlshaped ligand. These ligands are resorcin[4]arene functionnalized by four methylimidazole. Each ligand is soluble in a different medium, such as organic solvent, water and mixed solvent. The four methylimidazoles are able to coordinate several metal ions, such as zinc, copper and iron. We then present the host-guest properties of the complexes. The complexes are able to coordinate acidic guests without addition of an exogenous base, thanks to the fourth imidazole. Two labiles positions are avalaible in cis, and bidentate ligands are able to coordinate the metal ions. Finally, we present the reactivity of the complexes. The zinc complex, [Rim4Zn]2+ catalyses the acetonitrile hydration with 35% water at 70°C. In an aqueous media with 10% water,[WRim(OH)44 Zn(H2O)](NO3)2 catalyses not only the acetonitrile hydration but also it’s subsequent hydrolysis into acetate.

Les cucurbiturils (CBn) sont des molécules-cages synthétiques constituées d’un nombre n d’unités glycoluril et dont les applications en chimie, en biologie et en physique ont commencé à être exploitées au début des années 2000. Ces composés trouvent leur importance dans un grand nombre de domaines incluant la chimie en phase solide, le piégeage des contaminants en solution, la catalyse ou encore l’encapsulation de principes actifs pour des applications pharmaceutiques futures. Ces récentes molécules-cages rejoignent le large groupe des récepteurs synthétiques comprenant les cyclodextrines, les calixarènes, les cryptophanes, les carcérands et hémicarcérands. L’encapsulation des gaz dans ce type de structures est encore mal connue à l’heure actuelle et, dans ces travaux de thèse, notre intérêt s’est porté sur la complexation de gaz, notamment de xénon, dans les cucurbiturils. Ces travaux ont débuté par la synthèse de nouveaux cucurbiturils hydrosolubles dans le but d’étudier leur capacité d’encapsulation des gaz rares et de petits alcanes comme le méthane et l’éthane, notre objectif final étant de définir de nouvelles règles régissant l’encapsulation des gaz par les cucurbiturils. Les gaz rares allant de l’hélium au krypton ont été étudiés. Parmi ces gaz, le xénon hyperpolarisé a particulièrement retenu notre attention du fait de son intérêt dans la conception de biosondes pour le développement de nouvelles méthodes de diagnostic en IRM. Dans ce mémoire, la synthèse de nouveaux cyclohexylcucurbiturils mixtes hydrosolubles et leurs études en présence de xénon sont rapportées. Un nouveau cucurbituril mixte constitué de cinq unités glycoluril et d’une unité glycoluril à six chaînons a également été synthétisé. Les deux premiers chapitres constituent une introduction au phénomène d’encapsulation des gaz ainsi que des généralités sur la famille des cucurbiturils. Le troisième chapitre est consacré aux résultats obtenus au laboratoire sur la synthèse de nouveaux composés. Dans un quatrième chapitre, nous avons développé une méthode permettant la préparation de précurseurs d’analogues acycliques de cucurbiturils. Pour cela, la réaction de métathèse par ouverture de cycle associée à la métathèse croisée (ROM-CM) a été utilisée pour mener à bien cette synthèse. Enfin, un cinquième chapitre est consacré aux résultats concernant l’étude de l’encapsulation de gaz dans les nouveaux cucurbiturils synthétisés, étude effectuée en collaboration avec le Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique du CEA de Saclay. / The cucurbituril family (CBn) constitutes a group of recent synthetic host-molecules. These compounds are formed by n glycoluril units and, since the beginning of the 2000’s, they have found their interest in multiple domains such as biology, chemistry and physics. They have joined the large group of synthetic receptors comprising cyclodextrins, calixarens, cryptophanes, carcerands and hemicarcerands. Gaz encapsulation in this family of compounds is misunderstood. In these PhD works, our interest concerned gaz complexation, especially xenon, into cucurbiturils. First, the synthesis of new hydrosoluble cucurbiturils to study their ability to encapsulate noble gaz and small alcans such as methan and ethan is described. Our final goal will be to define new rules concerning gaz encapsulation by cucurbiturils. Noble gaz from helium to krypton have been studied. Among these noble gaz, xenon is particularly interesting in the domain of biosensing, for the design of new diagnostic methods by MRI. In this manuscript, the synthesis of a family of hydrosoluble cyclohexylcucurbiturils and their ability to encapsulate xenon is described. Another new cucurbituril constituted by five glycoluril units and one glycoluril unit forming a six-membered ring, has also been prepared. The first two parts of the manuscript present the gaz encapsulation and the cucurbituril family. The third part describes our results concerning the new synthetized cucurbiturils. In the fourth part, we have developped a method based on metathesis reactions (ROM-CM) for preparing some precursors of acyclic congeneers of cucurbiturils. Lastly, the fifth part concerns results about gaz encapsulation. All of this study has been driven in collaboration with Laboratoire de Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (CEA Saclay).

La préparation de briques élémentaires de pillar[5]arènes « clickables » nous ont permis de construire des édifices moléculaires complexes, en greffant différents groupements fonctionnels autour du coeur macrocyclique. Dans ce contexte, des nouveaux dérivés du pillar[5]arène présentant des propriétés cristaux-liquides ont été synthétisés en greffant du p-dodecyloxybenzoate ou encore des dendrons de type percec. D’autres part, des dérivés pillarèniques portant des unités de porphyrines ont été préparés à partir du squelette « clickable » pillar[5]arène et de porphyrines de Zinc portant des fonctions alcynes vrai. Les études de ce système par RMN du proton à des températures variables ont permis de mettre en évidence un équilibre conformationnel dynamique conduisant au repliement des molécules. Ceci a été expliqué par une complexation intramoléculaire des porphyrines de Zinc par les groupements 1,2,3-triazole. Finalement un support « clickable » detype [2]rotaxane comportant une porphyrine base libre comme bouchon, a été préparé et ensuite fonctionnalisé par dix porphyrines de Zinc permettant l’obtention d’un dispositif supramoléculaire photoactif. / Clickable pillar[5]arene building blocks have been used for the efficient grafting of peripheral subunits onto the macrocyclic core. New liquid-crystalline pillar[5]arene derivatives have been prepared by grafting either p-dodecyloxybenzoate groups or percec-type dendrons on the macrocyclic scaffold. On the other hand, pillar[5]arene derivatives bearing peripheral porphyrin subunits have been efficiently prepared from the clickable pillar[5]arene building block and Zn(II)-porphyrin derivatives bearing a terminal alkyne function. Owing to an intramolecular complexation of the peripheral Zn(II)-porphyrin moieties by 1,2,3-triazole subunits, an original dynamic conformational equilibrium leading to a folding of the molecules has been evidenced by variable temperature 1H NMR studies. Finally, a clickable [2]rotaxane scaffold incorporating a free-base porphyrin stopper has been prepared and functionalized with ten peripheral Zn(II)-porphyrin moieties to afford a sophisticated photoactive supramolecular device.

Cette thèse se focalise sur le design, la synthèse et la caractérisation photophysiques de complexes de platine(II) neutres contenant un ligand chromophore tridenté et un ligand auxiliaire monodenté avec des groupes fonctionnels différents. De tels complexes montrent des changements drastiques de leurs propriétés de photoluminescence à cause de leur auto-assemblage, déclenché par l’établissement de faibles liaisons non covalents tels que l’empilement p-p et des interactions métallophiliques. Il a été démontré que ces complexes de platine(II) peuvent être attaché de manière covalente à des surfaces de silice et d’or mais aussi encapsulé dans des particules de polymère. Les propriétés d’autoassemblage de complexes de platine(II) amphiphiles ont également été étudiées en détails. Comprendre le comportement d’un complexe de platine dans un mélange de solvant nous a permis d’en apprendre plus sur le co-assemblage supramoléculaire de deux complexes de platine(II) différents. Cette approche conduit à la formation de fibres solvatochromiques avec des propriétés photophysiques spécifiques et réversibles. Les composés étudiés et leur auto-assemblage sonti ntéressant pour le développement de nouveaux matériaux fonctionnels aux applications sensoriels et réactives à certains stimuli. / This thesis focuses on the design, synthesis and the photophysical characterisation of luminescent neutral platinum(II) compounds containing a tridentate chromophoric ligand and a monodentate ancillary moiety with different functionalities. Such complexes exhibited drastic changes to their photoluminescence properties upon self-assembly, triggered by the establishment of weak noncovalent p-p stacking and metallophilic interactions. It was demonstrated that these platinum(II) complexes can be covalently attached to silicon and gold substrates but also encapsulated into polymer particles. The self-assembly properties of amphiphilic platinum(II) complexes have also been intensively studied. Understanding the behaviour of one complex in a solvent mixture allowed further investigation into the supramolecular co-assembly of two different platinum(II) complexes. This approach leads to the formation of solvatochromic fibers with specific and reversible phototophysical properties. The investigated compounds and their assemblies were useful for the development of novel functional materials for sensing or stimuli-responsiveness applications.

Le travail réalisé durant cette thèse s’est axé sur la compréhension des mécanismes de transport de charges impliqués dans l’électronique organique ainsi que sur l’ingénierie des propriétés semiconductrices d’interfaces supramoléculaires hybrides. Tout d’abord, l’origine intrinsèque des propriétés de transport de charges a été étudiée dans de petites molécules semiconductrices, similaires en structure chimiques, mais présentant des propriétés électriques nettement différentes. Puis, les propriétés électroniques de matériaux 2D ont été modulées à l’aide de monocouches auto-assemblées induisant des propriétés de dopage antagonistes. Enfin, des pérovskites hybrides ainsi que des petites molécules semiconductrices ont été utilisées comme matériaux actifs dans la détection d’oxygène et d’humidité, respectivement, formant alors des détecteurs à haute performance. L’ensemble de ces projets utilise les principes de la chimie supramoléculaire dans leur réalisation. / The work realized during this thesis was oriented toward the comprehension of the charge transport mechanism involved in organic electronics, and on the engineering of the semiconducting properties of hybrid supramolecular interfaces. Firstly, the intrinsic origin of the charge transport properties was studied for two semiconducting small molecules which are similar in terms of chemical structure but exhibit different electrical properties. Secondly, the electronic properties of 2D material were modulated with the help of self-assembled monolayers inducing antagonist doping properties. Finally, hybrid perovskites and semiconducting small molecules were used as active materials in oxygen and humidity sensing respectively, forming high-performance sensors. All the project employed the principles of the supramolecular chemistry in their realisation.

Ce travail visait à explorer les interactions supramoléculaires comme un outil dans les domaines de la chimie hôte-invité, les nanomatériaux et les nanotechnologies en général, afin de parvenir à des objectifs différents. D'abord, une interaction classique hôte-invité a été étudiée, au moyen d'une technique innovante telle que l'ITC, puis nous avons exploité les interactions supramoléculaires afin de maitriser la production de graphène exfolié en phase liquide, en mettant un accent particulier sur l'amélioration de la qualité et la quantité du matériau produit. Enfin, nous avons étendu l'utilisation de la chimie supramoléculaire à un dispositif réel par la fonctionnalisation des électrodes d'or avec des molécules photochromiques, ouvrant alors la voie à des dispositifs organiques multifonctionnels, pouvant être contrôlés par la lumière. / This work was aimed at exploring supramolecular interactions as a tool in the fields of host-guest chemistry, nanomaterials and in general nanotechnology, in order to achieve different goals. First, a classical host-guest interaction was studied by means of the ITC technique, then we exploited supramolecular interactions in order to harness the production of liquid-phase exfoliated graphene, with a particular focus on improving the quality and quantity of material produced. Finally, we extended the use of supramolecular chemistry to a real device by functionalization of gold electrodes with photochromic molecules, hence paving the way towards multifunctional organic devices and in prospective to graphene based light-controlled multifunctional devices.