Au cours de cette thèse, nous avons préparé différents classes de dérives de la s-tétrazine et étudies leurs propriétés de électrochimiques et de fluorescence. Dans la première partie, nous présentons une étude bibliographique de la tétrazine, principalement centre sur sa synthèse et ses propriétés. Dans le second chapitre, nous introduirons des nouveaux récepteurs de paires d’ions basés sur des bis-tétrazines. Ces récepteurs utilisent des interactions de type pi-anion, qui ont été rarement observées en solution, pour effectuer la reconnaissance. La complexation de ces récepteurs avec des sels d’halogénure d’ammonium (C8H17NH3Br et C8H17NH3I) a été démontrée par RMN et fluorescence. Il est démontré que le récepteur 82 forme des complexes plus stables avec les ammoniums que ces équivalents 80 et 81 à chaine plus courte. De plus, tous ces récepteurs présentent une sélectivité inattendue envers les halogènes suivant l’ordre : I->Br->Cl-. Enfin, une réaction secondaire a été mise en évidence par spectroscopie d’absorption qui conduit a la formation de Br2 ou I2. Un mécanisme probable pour cette réaction est propose au vu de tous les résultats spectroscopiques. Dans le troisième partie, de nombreux dérivés de la tétrazine portant des substituants de nature diverse ont été obtenus afin de mieux comprendre les propriétés physico-chimiques de cet aromatique. Il apparait clairement que les propriétés électrochimiques ne dépendent pas de la taille mais seulement de l’électronégativité du substituant. De plus, des groupes électrodonneurs conduisent à une inhibition de la fluorescence même s’ils ne sont pas directement liés. Une nouvelle classe de dérives de la s-tétrazine a été obtenue grâce à une nouvelle réaction des chlorotétrazines. Cette réaction conduit a l’obtention de dérivés non symétriques portant un hétéroatome et une chaine alkyle qui seront utiles pour de développements futurs. Dans la dernière partie, nous présentons de nouvelles dyades a base de tétrazine présentant une brillance améliorée. Ces dyades sont basées sur un transfert d’énergie entre un donneur (benzimidazole ou naphtalimide) et un accepteur (la tétrazine). Elles présentent des bons rendements quantiques de fluorescence, des durées de vie allongées et des brillances améliorées. L’un de ces dérivés a été utilisé pour fabriquer une cellule fluorescente à trois couleurs contrôlable par électrochimie. / In this thesis, we have prepared different types of s-tetrazine derivatives for electrochemical and fluorescence studies. In the first part, we present a blibliographic study of s-tetrazine focussing on theirs synthesis and properties. In the second chapter, we introduce s-tetrazine derivatives as the ion pair receptor. These receprtors uses pi-anion type of interactions between ion pairs and s-tetrazines whcih has been seldom been observed in solution. The formation of complex between the ammonium salt (C8H17NH3Br or C8H17NH3I) and bis-s-tetrazine receptors is demonstrated by NMR and fluorescence titration experiments. It is also proved that receptor 82 binds stronger to ammonium salt than the shorter equivalents 80 and 81. Furthermore, all of them give the same unexpected selectivity order toward anions namely: I- > Br- > Cl-. Finally, a side reaction has been uncovered by UV-vis absorption which leads to the formation of Br2 or I2. Taking fully into account all spectroscopic results, we proposed a mechanism for this transformation. In the third part, in order to better understand the physico-chemcal properties of s-tetrazine, various s-tetrazines with different types of substituents have been prepared. It is clear that the electrochemical properties of the tetrazine nucleus depend on the electron affinity of its substituent and not on the size. Furthermore, electron donor groups quench the fluorescence of s-tetrazine even if they are not directly linked. A new type of s-tetrazines has been obtained through an unexpected reactivity of chloro-s-tetrazine. This reaction could give unsymmetrical s-tetrazines bearing one heteroatom and one alkyl chain which is useful for future developmemt of their properties. In the last part, we talk about new s-tetrazine dyads with improved brightness. Based on energy transfer from a donor part (naphthalimide or benzimidazole) to an acceptor core (tetrazine), these compounds own good fluorescence quantum yields, longer lifetimes and higher brightness. One derivative has been used to prepare a three colors fluorescent and electrochemically switchable device.

Les travaux de cette thèse présentent le design et la synthèse de matériaux organiques/hybrides électro-photo modulables. La première partie détaille l’influence de groupements fluorés, attracteurs d’électrons, sur les mécanismes de transfert de charges au sein de triphénylamines : une nouvelle famille de molécules émissives, dont les longueurs d’onde d’émission couvrent une large gamme du visible est présentée. De plus, l’hydrophobicité induite par les atomes de fluor doit faciliter la préparation de nanobâtonnets préparés par mouillage d’une matrice d’alumine. Le reste du manuscrit s’intéresse à un second fluorophore organique, la tétrazine. Cette molécule possède une émission de fluorescence jaune qui peut être éteinte en présence de polluants riches en électrons. Immobilisée à la surface de nanoparticules de silice, la tétrazine conserve ces propriétés photophysiques et permet la préparation d’un dispositif solide capable de détecter des polluants aminés. L’incorporation au cœur de la nanoparticule d’un second fluorophore naphtalimide permet d’améliorer le rendement quantique de fluorescence et d’obtenir des nano-objets émettant une fluorescence blanche. Les propriétés photophysiques de ces objets sont décrites dans le manuscrit. Un dernier aspect détaille la synthèse et les études préliminaires de nouvelles dyades tétrazine-diacétylène. Les polydiacétylènes obtenus par polymérisation photo-induite possèdent plusieurs couleurs différentes. Cette partie vise à traiter l’influence des changements de phase du polymère sur l’émission de la tétrazine. / This Ph-D work deals with the design and the preparation of photo and electro-tunable materials. The first part of the manuscript deals with the influence of a fluorinated substitution onto a triarylamine moiety. The electron withdrawing fluorines modify the charge transfer process and customize the emission wavelength. In addition, the fluorinated groups increase the hydrophobic character of the material. This should be useful for the formation of organic nanorods via a template assisted method. The rest of the manuscript focuses on the tetrazine fluorophore which exhibits a yellow fluorescence that can be quenched in the presence of electron rich pollutants. A new methodology to covalently link a tetrazine derivative onto the surface of silica nanoparticle is discussed. The particles have similar photophysical properties as the tetrazine in solution allowing the use of this material as a solid sensing device. The incorporation into the silica core of a naphtalimide dye improves the overall fluorescence quantum yield of the system and provides nanoobjects emitting a white fluorescence. The photophysical phenomena involved in those particles are detailed in the manuscript. Finally, the synthesis and the photophysical properties of tetrazine-diacetylene dyads are discussed. Poly-diacetylenes prepared via a photopolymérisation process display different phases characterized by different colours. This part presents the preliminary results to understand the influence of the phase changes of the polymer on the tetrazine emission.

Cette thèse se compose de deux parties. La première traite de la synthèse et des études électrochimiques et de fluorescence de nouveaux dérivés de la 1,2,4,5 tétrazine en tant que sondes moléculaires pour des anions et des composés riches en électrons. La seconde traite de la synthèse et des études électrochimiques préliminaires de sels de ferrocène à base de pyridinium. Dans la partie I, une vue d'ensemble de la chimie des 1,2,4,5 tétrazine (s tétrazines) est présentée. Les stétrazines ont déjà trouvé des applications dans beaucoup de domaines, mais leur capacité à se lier avec des anions ou des composés riches en électrons par interactions anion n ou empilement n'a été démontrée que très récemment. Dans ce contexte, une série de nouvelles sondes moléculaires contenant des noyaux tétrazine servant d'unités liantes et de détection a été conçue, comprenant des pinces tétrazines, des trépieds tétrazines, des cyclophane tétrazines, et des calices tétrazines. Parmi eux, un trépied tétrazine (86), deux cyclophane tétrazines (90, 93) et deux calices tétrazines (94, 95) ont été synthétisés avec succès en se basant sur des réactions de type SNAr avec la 3,6 dichloros tétrazine (23). Les études photophysiques prouvent que la fluorescence de 86, 90, 94 et 95 peut être efficacement éteinte par les composés riches en électrons tels que la triphénylamine (TPA), la tris (4 bromophényl) amine, le pyrrole, le tétrathiafulvalène (TTF) et le 1,3,5 triméthoxybenzène. Les études électrochimiques indiquent également la présence d'interactions entre les sondes de tétrazine et ces composés électrodonneurs. Les mécanismes d'extinction de fluorescence sont étudiés dans certains cas, et des calculs d'orbitales moléculaires sont présentés pour expliquer le rapport entre les structures et les propriétés moléculaires de fluorescence. Dans la partie II, la synthèse d'un sel de pyridinium à deux branches contenant des ferrocènes (45j) et de deux analogues à trois branches (46h, 46j) obtenus par condensations du 1,2,6 triméthylpyridinium ou 1,2,4,6tétraméthylpyridinium avec des aldéhydes aromatiques est présentée. Une nouvelle voie de synthèse est également développée pour les deux intermédiaires importantes, le trans 5 (2 ferrocényl vinyl) 2 carbaldéhydethiophène (47), et l'aldéhyde du ferrocényléthényl bithiophényle (48). Les études électrochimiques préliminaires prouvent que les sousunités bithiophène influencent considérablement le comportement redox des molécules.

Les travaux de cette thèse présentent le design et la synthèse de matériaux organiques/hybrides électro-photo modulables. La première partie détaille l'influence de groupements fluorés, attracteurs d'électrons, sur les mécanismes de transfert de charges au sein de triphénylamines : une nouvelle famille de molécules émissives, dont les longueurs d'onde d'émission couvrent une large gamme du visible est présentée. De plus, l'hydrophobicité induite par les atomes de fluor doit faciliter la préparation de nanobâtonnets préparés par mouillage d'une matrice d'alumine. Le reste du manuscrit s'intéresse à un second fluorophore organique, la tétrazine. Cette molécule possède une émission de fluorescence jaune qui peut être éteinte en présence de polluants riches en électrons. Immobilisée à la surface de nanoparticules de silice, la tétrazine conserve ces propriétés photophysiques et permet la préparation d'un dispositif solide capable de détecter des polluants aminés. L'incorporation au cœur de la nanoparticule d'un second fluorophore naphtalimide permet d'améliorer le rendement quantique de fluorescence et d'obtenir des nano-objets émettant une fluorescence blanche. Les propriétés photophysiques de ces objets sont décrites dans le manuscrit. Un dernier aspect détaille la synthèse et les études préliminaires de nouvelles dyades tétrazine-diacétylène. Les polydiacétylènes obtenus par polymérisation photo-induite possèdent plusieurs couleurs différentes. Cette partie vise à traiter l'influence des changements de phase du polymère sur l'émission de la tétrazine.

La détection de faibles quantités de petites molécules volatiles, qu’elles soient polluantes, utilisées comme armes chimiques ou encore explosives présente un intérêt sociétal certain. Les polymères de coordination poreux (PCPs) ou ’Metal-Organic Frameworks‘ (MOFs) sont des solides poreux qui peuvent être décrits par l’association de ligands organiques et de briques inorganiques interagissant par liaisons fortes et définissant une structure cristalline avec des pores de différentes tailles et formes. La large gamme d'application de ces solides (séparation, stockage, biomédecine...) repose sur leurs diversités chimique et structurale. Par exemple, il est possible de synthétiser des MOFs luminescents en utilisant un ligand organique lui-même luminescent. Le coeur tétrazine et ses dérivés sont des bons candidats pour cet objectif, puisqu'ils présentent des propriétés de fluorescence remarquables : émission dans le visible (λem~560 nm), bon rendement quantique. De plus, cette fluorescence peut être modifiée par la présence de molécules riches en électrons, ce qui laisse envisager son utilisation comme capteur moléculaire. Nos travaux se sont de plus focalisés sur des métaux à haut degré d'oxydation (Al(III), Zr(IV)) susceptibles de conférer aux solides une stabilité en milieu aqueux adéquate pour les applications envisagées. Deux acides carboxyliques à base de tétrazine, adaptés à la préparation de MOFs, ont tout d'abord été synthétisés. Le premier a été utilisé pour préparer un MOF à base de zirconium.La structure du solide, et entre autres son caractère flexible, ainsi que ses propriétés optiques ont été étudiées. Particulièrement, ses performances en tant que capteur d'amines aromatiques et de phénol ont été évaluées. La réactivité du second ligand avec les ions lanthanides a aussi été explorée et plusieurs solides ont été isolés, leur structure, caractérisée. Leurs propriétés optiques ont été évaluées, afin d'établir des relations entre la structure du MOF et la fluorescence de la tétrazine. Ensuite, avec ce même ligand, une stratégie de synthèse à ligand mixte a été adoptée pour incorporer la tétrazine dans des MOFs. Il s'agit de partir d'une structure aux propriétés avantageuses (stabilité, porosité) et de substituer une partie de ses ligands organiques ‘inactifs’ par des tétrazines. Ceci peut s'effectuer pendant la synthèse ou via un traitement post-synthétique. Les propriétés optiques des solides obtenus ont été enfin étudiées et leur efficacité en tant que capteur évaluées. / Detection of low concentrations of small organic molecules, which can be hazardous, polluting or used as chemical weapons, represents a societal problem worth addressing. Metal-Organic Frameworks (MOFs) are a class of porous crystalline materials that can be described as an association of inorganic subunits and organic ligands defining an ordered structure with accessible cavities of various size and shape. The wide range of potential applications for these materials (biomedicine, gas separation, catalysis...) relies on their chemical and structural diversity, which allows combining porosity with additional properties. For example, it is possible to synthesize luminescent MOFs through the use of a luminescent organic ligand. The tetrazine core and its derivatives appear as good candidates for such a purpose, as they have a fluorescent emission in the visible spectrum (λem~560 nm) with a good quantum yield. In addition, this fluorescence can be affected by the presence of electron rich molecules, making their use possible as sensors for ions or organic molecules. Our work focused mainly on the design of MOFs based on tetrazine and cations of high charge density (Al(III), Zr(IV)) in order to ensure their stability in water, which is desirable in this field.Two different tetrazine dicarboxylic acids suitable for the preparation of MOFs were first synthesized. The first one was used to prepare a new MOF based on zirconium. The structure of this solid, together with its flexible character and its optical properties were investigated. Especially, its use for the sensing of aromatic amines and phenol was evaluated. The reactivity of the second ligand with lanthanide ions was then investigated and few solids were isolated and structurally characterized. Their optical properties have been studied, in order to establish some relationship between their structure and their fluorescence. Then, with the same ligand, a mixed-ligand strategy has been developed in order to incorporate the tetrazine into MOFs. This involves starting from a non-fluorescent MOF with interesting properties (stability, porosity) and substituting some of the 'inactive' ligands with these tetrazines. This was performed either during the synthesis or as a post-synthetic treatment. The spectroscopic properties of these solids were finally investigated and their efficiencies as sensors evaluated.

Cette thèse porte sur la conception, la synthèse et la caractérisation de nouveaux dérivés accepteurs d'électrons. Elle se concentre sur l’étude des dérivés de la 1,2,4,5-tétrazine, mais contient également l’étude de dérivés du benzonitrile, précurseurs typiques de la préparation des 1,2,4,5-tétrazines et de dérivés de la pyridazine, les produits dérivés de la réaction de Diels – Alder à Demande Inverse (IEDDA) des dérivés de la tétrazine. De plus, les dérivés de 1,2,3,4-thiatriazole, en tant que produits imprévus de la synthèse de Pinner modifiée, sont également étudiés de manière approfondie. En raison des états de transfert de charge (CT) introduits dans le système donneur-accepteur, les dérivés préparés accepteur d'électrons présentent en général des propriétés photophysiques et électrochimiques intéressantes, et ont donc un intérêt particulier pour l'électronique organique.Le point culminant de cette thèse est le développement de méthodologies synthétiques dans chaque chapitre. En résumé, le chapitre 2 met en évidence une nouvelle approche synthétique sans métal pour les 1,2,4,5-tétrazines 3-monosubstituées, qui sont très utiles pour la chimie du click bioorthogonal. Le chapitre 3 décrit une stratégie de synthèse élaborée pour de nouveaux dérivés de benzonitrile donneur-accepteur qui présentent de la TADF, de l’ AIE et du mécanochromisme. Le chapitre 4 présente une étude détaillée de la réaction de couplage croisé Buchwald – Hartwig en tant que méthodologie de synthèse importante dans la synthèse de molécules de tétrazine. Le chapitre 5 décrit l'étude de la réaction à l'IEDDA comme un outil synthétique utile pour préparer des dérivés de pyridazine. Le chapitre 6 présente une nouvelle synthèse pratique de 1,2,3,4-thiatriazoles à partir de composés nitriles. / This PhD thesis deals with the design, synthesis and characterization of novel electron-acceptor derivatives. It is focused on the study of 1,2,4,5-tetrazine derivatives, but also involves the study of benzonitrile derivatives which are the typical precursors for the preparation of 1,2,4,5-tetrazines, and pyridazine derivatives which are the products derived from Inverse Electron Demand Diels–Alder (IEDDA) reaction of tetrazine derivatives. Moreover, 1,2,3,4-thiatriazole derivatives, as unpredicted products from modified Pinner synthesis, are also elaborately investigated. Due to the charge-transfer (CT) states introduced in the donor-acceptor system, the prepared electron-acceptor derivatives exhibit interesting photophysical and electrochemical properties, and therefore are of particular interest in organic electronics.The highlight of this thesis is the development of synthetic methodologies in each chapter. To sum up, Chapter 2 demonstrates a novel metal-free synthetic approach to 3-monosubstituted 1,2,4,5-tetrazines, which are highly useful for bioorthogonal click chemistry. Chapter 3 describes an elaborative synthetic strategy for novel donor-acceptor benzonitrile derivatives which exhibit TADF, AIE and mechanochromism. Chapter 4 presents a detailed study of Buchwald–Hartwig cross-coupling reaction as an important synthetic methodology in the synthesis of tetrazine molecules. Chapter 5 described the study of IEDDA reaction as a useful synthetic tool to prepare pyridazine derivatves. Chapter 6 presented a novel convenient one-pot synthesis of 1,2,3,4-thiatriazoles directly from nitrile compounds.

Le cancer constitue l’une des principales causes de mortalité, et représente, de ce fait aujourd’hui un problème de santé publique majeur. Depuis quelques années, les alcaloïdes marins représentent une source d’inspiration importante pour les chimistes en vue d’obtenir de nouveaux médicaments anticancéreux. Dans cette optique, des recherches effectuées au sein de notre laboratoire ont fait état de la synthèse d’analogues de ces alcaloïdes possédant une structure tris aromatique. Nous avons développé des molécules originale analogues de ces alcaloïdes disposant d’un hétérocycle central (1,2,4-triazine et imidazo[1,2-b][1,2,4,5]tétrazine) sur lequel sont greffés deux noyaux phényles diversement substitués. L’obtention de ces composés a également été l’occasion de développer de nouvelles méthodologies de synthèse. Ainsi une nouvelle réaction de type Buchwald-Hartwig sur des méthylsulfanyl-1,2,4-triazines a pu être mise au point ainsi qu’une méthode de CH arylation palladocatalysée sur le noyau imidazo[1,2-b][1,2,4,5]tétrazine. Une partie est aussi consacrée aux réactions multicomposants de type Groebke-Blackburn. Différentes évaluations pharmacologiques ont été réalisées, notamment des tests d’inhibition sur différentes kinases et de cytotoxicité sur diverses lignées cellulaires cancéreuses humaines. / Cancer, one of the leading causes of death, represents today a major public health problem. Over the last few years, marine alkaloids represent a source of inspiration for chemists in order to obtain new anticancer drugs. For this purpose, as a part of our laboratory researches, analogues of marine alkaloids were synthesized possessing a tris-aromatic structure. We developed originals analogs of these alacaloïds formed by a central heterocycle core (1,2,4-triazine et imidazo[1,2-b][1,2,4,5]tetrazine) on wich is graft two arylic moiety variously substituted. Obtaining these compounds was also an opportunity to develop news synthetic methodologies. So a new Buchwald-Hartwig reaction type based on methylsulfanyl-1,2,4-triazines has been perfect, as palladocatalyzed CH arylation pathway on imidazo[1,2-b][1,2,4,5]tetrazine. A part is devoted to Groebke-Blackburn multicomponant reaction. Various pharmacological analyses were carried out in particular with inhibition of various kinases and cytotoxicity evaluation on various human cancer cell lines.

Mémoire numérisé 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