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Chirality plays a key role in life chemistry and most biomolecules such as sugars or proteins are chiral. More than half of the drugs used today are chiral themselves. Some of them have different activity depending on the enantiomer. Indeed, since the human body receptors are chiral, they interact differently with the two enantiomers of the drug. In addition to their chirality, the flexibility of molecules is a key element of the action of drugs, allowing them to optimize their interaction with the target. It is then important to probe both the chirality and the molecular flexibility. Gas phase studies at ISMO and SOLEIL rest on the use of a supersonic jet to study cold and isolated molecules and weakly bound complexes. We used mass and conformation-selective UV and IR spectroscopy at ISMO to obtain the vibrational spectrum of each isomer of each molecule of a mixture separately. The vibrational spectra assignment is achieved thanks to quantum chemical calculations. Thus, we studied chirality effects in the cyclic dipeptide cyclo Tyr-Phe diastereomers and in the diastereomeric dimers of cis-1-phenylcylohexane-1,2-diol. We also compared these gas phase studies with solid phase studies performed with vibrational circular dichroism (VCD) and/or with X-ray diffraction (XRD). Besides, at the SOLEIL synchrotron, we used the photoelectron circular dichroism (PECD) method, which allows discriminating enantiomers in the gas phase thanks to the forward/backward asymmetry in the angular distribution of the photoelectrons resulting from the ionisation by a circularly polarized light. We studied the influence of 1-indanol conformations and hydrogen bonding in 1-amino-2-indanol diastereomers on the PECD., La chiralité joue un rôle primordial dans la chimie du vivant, et la plupart des biomolécules comme les sucres ou les protéines sont chirales. Plus de la moitié des médicaments utilisés aujourd'hui sont eux-mêmes chiraux. Certains ont une activité différente selon l'énantiomère considéré. En effet, les récepteurs du corps humains étant chiraux, ils interagissent différemment avec les deux énantiomères du médicament. Outre leur chiralité, la flexibilité des molécules est un élément clé de l'action des médicaments, leur permettant d'optimiser leur interaction avec la cible. Il est donc important de sonder à la fois la chiralité et la flexibilité moléculaire. Les études en phase gazeuse à l'ISMO et à SOLEIL reposent sur l'utilisation d'un jet supersonique pour étudier des molécules froides et isolées et des complexes faiblement liés. Nous avons utilisé les méthodes de spectroscopie laser IR et UV sélectives en masse et en conformation à l'ISMO pour obtenir séparément le spectre vibrationnel de chaque isomère de chaque molécule d'un mélange. L'attribution des spectres vibrationnels est réalisée grâce à des calculs de chimie quantique. Nous avons ainsi étudié les effets de chiralité dans les diastéréoisomères du dipeptide cyclique cyclo Tyr-Phe et dans les dimères diastéréoisomères du cis-1-phénylcyclohexane-1,2-diol. Nous avons de plus comparé ces études en phase gaz à des études en phase solide, grâce au dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD) et/ou à la diffractométrie de rayons X (DRX). Par ailleurs, au synchrotron SOLEIL, nous avons utilisé la méthode de dichroïsme circulaire de photoélectrons (PECD), permettant de distinguer des énantiomères en phase gazeuse grâce à l'asymétrie avant/arrière dans la distribution angulaire des photoélectrons résultant de l'ionisation par une lumière polarisée circulairement. Nous avons étudié l'influence des conformations du 1-indanol ainsi que l'influence de la liaison hydrogène dans les diastéréoisomères du 1-amino-2-indanol sur le PECD.

Within supramolecular chemistry, host-guest chemistry aims the development of hollow molecules able to encapsulate specifically smaller substrates. Applications are ranging from detection or trapping of molecules to catalysis in confined space. Cryptophanes are a family of cage-shaped molecules containing a hydrophobic cavity able to encapsulate several interesting substrates. Thus, they are studied for the formation of MRI-bioprobes, as they can encapsulate xenon as well as for the trapping of toxic heavy metal cations, which are complexed with huge affinity. The modulation of cryptophanes encapsulation properties is generally performed by changing their cavity size, but the introduction of heteroelements in their structure remains almost unstudied, as it requires some synthetic adaptations. The work carried out in this thesis focuses on the design of new nitrogen-containing cryptophanes called tri-azacryptophanes. The synthesis of two generations of tri-azacryptophanes containing aniline groups is reported, along with their properties of xenon recognition in organic medium. They encapsulate xenon with drastically different properties than their fully oxygenated analogs. Moreover, these properties vary under pH changes, thanks to the protonation of the aniline groups. Finally, the synthesis of an amphoteric tri-azacryptophane is reported. This compound shows first encouraging results for the encapsulation of xenon in water, which is an interesting step toward applications as an MRI-bioprobe, and the presence of nitrogen atoms seems also to increase the affinity for heavy metal cations in basic water., Au sein de la chimie supramoléculaire, la chimie hôte-invité vise le développement de molécules possédant une cavité et permettant l’encapsulation spécifique de certains substrats. Les champs d’applications concernent la détection ou le piégeage de molécules, voire la catalyse en milieu confiné. Les cryptophanes sont une famille de molécules-cages, contenant une cavité hydrophobe, qui peuvent encapsuler plusieurs substrats d’intérêt. Ils sont ainsi étudiés tant pour la formation de biosondes IRM, grâce à leurs propriétés d’encapsulation du xénon, que pour le piégeage de métaux lourds toxiques, qu’ils complexent avec une forte affinité. La modulation des propriétés d’encapsulation des cryptophanes se fait essentiellement en modifiant la taille de leur cavité, mais l’introduction d’hétéroéléments dans leur structure, qui nécessite quelques ajustements synthétiques, reste peu étudiée. Les travaux réalisés pour cette thèse traitent de la conception de nouveaux dérivés azotés nommés tri-azacryptophanes. La synthèse de deux générations de tri-azacryptophanes, possédant des groupements anilines est détaillée, ainsi que leurs propriétés de reconnaissance du xénon en milieu organique. Celles-ci sont drastiquement différentes de celles de leurs analogues oxygénés, et, de plus, varient en fonction du pH, lorsque les fonctions anilines se protonnent. Enfin, la synthèse d’un tri-azacryptophane amphotère est rapportée. Ce composé montre des premiers résultats encourageants pour l’encapsulation du xénon dans l’eau, ce qui constitue une étape importante vers une application comme biosonde, tandis que la présence d’atomes d’azote donneurs favorise nettement le piégeage de cations de métaux lourds par rapport aux analogues oxygénés.

Non-covalent bonds play a crucial role in many processes involving molecular systems of biological and pharmaceutical interest, in particular in molecular recognition between a ligand and its receptor. However, their response upon ionizing radiation has scarcely been investigated for understanding radio induced processes. In the first part of this thesis, we present results of photo-absorption experiments of non-covalent complexes containing the vancomycin antibiotic, carried out by means of a mass spectrometer coupled to synchrotron beamlines producing photons in the X and VUV energy range. First, we show that the fragmentation of molecular systems after absorption of one VUV photon is partly correlated with the geometrical structure of the complex. In addition, the processes induced strongly depend on the charge state of the vancomycin/receptor complexes (protonated or deprotonated). For the protonated complex, the cleavage of non-covalent bonds is much more probable than for the deprotonated complex, in which the native interactions are conserved in the gas phase. Moreover, the absorption of one X-Ray photon by vancomycin leads to fragments that can be considered as a spectral signature of its post-translational modifications. This signature is robust not only in terms of photon energy but also of the molecular environment of vancomycin. The second part deals with the study of a protonated tri-peptid in the gas phase by mass and ion mobility spectrometry, and more particularly the effects of nano-solvation by the presence of one or more molecules of crown-ether. We are interested in the fragmentation induced by collision with a rare gas, or by electron transfer or capture, and we have shown that crown ether is not always spectator since it can lower the charge state of protonated peptides by abstracting a proton or a protonated molecule from it, and can even change binding site after electron transfer., Les liaisons non-covalentes jouent un rôle crucial dans de nombreux phénomènes impliquant les systèmes moléculaires d'intérêt biologique et pharmaceutique, notamment dans la reconnaissance moléculaire entre un ligand et son récepteur. Cependant, les effets des rayonnements ionisants sur ces complexes non-covalents ont été très peu étudiés. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons les résultats d'expériences de photo-absorption de complexes contenant un antibiotique, la vancomycine, réalisées au moyen d’un spectromètre de masse couplé à des lignes de faisceau synchrotron produisant des photons dans la gamme d'énergie X et VUV. D'abord, nous montrons que la fragmentation des systèmes moléculaires après absorption d'un photon VUV est en partie corrélée à la structure géométrique du complexe. De plus, les processus induits dépendent fortement de l'état de charge des complexes vancomycine/récepteur (protonés ou déprotonés). Pour le complexe protoné, la rupture des liaisons non-covalentes est beaucoup plus probable que pour le complexe déprotoné, dans lequel les interactions natives sont conservées en phase gazeuse. Par ailleurs, l'absorption d'un photon X par la vancomycine mène à des fragments qui peuvent être considérés comme une signature spectrale de ses modifications post-traductionelles. Cette signature est robuste non seulement vis-à-vis de l'énergie des photons X mais aussi de l'environnement moléculaire de la vancomycine. La seconde partie traite de l'étude en phase gazeuse par spectrométrie de masse et de mobilité ionique d'un tri-peptide protoné, et plus particulièrement des effets de la nano-solvatation par la présence d'une ou plusieurs molécules d'éther couronne. Nous nous sommes intéressés à la fragmentation induite par collision avec un gaz rare, ainsi que par transfert ou capture électroniques, et nous avons montré que l'éther couronne n'est pas toujours spectatrice puisqu'elle peut baisser l’état de charge du peptide protoné en lui arrachant un proton ou une molécule protonée, et peut même changer de site de liaison suite à un transfert d’électron.

Oligopyridine biscarboxamide-based foldamers constitute a family of synthetic oligomers that can fold into helical structures and hybridize to form double helices. This work aims at synthesizing a new generation of π-functionalized foldamers featuring photoactive and electroactive moieties, in order: to study the factors governing the equilibrium between simple and double helices, to analyze the impact of this equilibrium on the optical and recognition properties, and to set up a new type of stimulus to control this equilibrium. Two photoactive foldamers of different lengths and bearing two Disperse Red units were synthesized. Their crystallographic structures confirm the formation of helical structures. A precise choice of the solvent allows to drive the equilibrium towards the single or the double helix selectively.The cavity generated within the helix presents a good affinity for anions. The control over the hybridization equilibrium allows modulating the Second Harmonic Generation activity. Eventually, our first efforts to control the helicity of these foldamers through supramolecular chiral induction are described. On the other hand, an electroactive foldamer featuring two tetrathiafulvalene (TTF) units was synthesized according to an original methodology. The presence of TTF units allows an unprecedented redox control of the structure of foldamer, by dimerization of radical cations. The concept has been extended by immobilizing a foldamère on a gold surface (SAMs). Finally, an electroactive capsule capable of complexing tartaric acid has also been synthesized and characterized., Les foldamères de type oligopyridine biscarboxamide constituent une famille d’oligomères synthétiques pouvant adopter une structure hélicoïdale et s’hybrider pour former des hélices doubles. Ce travail a eu pour objectif de synthétiser une nouvelle génération de foldamères π-fonctionnels porteurs de groupements photoactifs ou électroactifs, d’étudier les facteurs gouvernant l’équilibre entre hélice simple et hélice double, d’analyser l’impact de cet équilibre sur les propriétés optiques, et enfin de mettre en place un nouveau type de stimulus permettant de contrôler cet équilibre. Deux foldamères photoactifs dotés d’unités Disperse Red, ont été synthétisés. Leurs structures cristallographiques confirment la formation de structures hélicoïdales. Un choix précis du solvant permet d’orienter sélectivement l’équilibre vers la formation d’une hélice simple ou double.Le contrôle de l’équilibre d’hybridation par dilution permet de moduler l’activité en Génération de Seconde Harmonique du foldamère. En outre, la cavité générée par l'hélice permet la reconnaissance de divers anions. Enfin, les premiers efforts fournis pour induire une hélicité donnée à ces foldamères par voie supramoléculaire sont décrits. Par ailleurs, un foldamère électroactif fonctionnalisé par deux unités tétrathiafulvalène (TTF) a été synthétisé selon une méthodologie originale. La présence des unités TTF permet un contrôle redox inédit de la structuration du foldamère, par dimérisation de cations radicaux. Le concept a été élargi via l’immobilisation d’un foldamère sur surface d’or (SAMs). Enfin, une capsule électroactive capable de complexer l’acide tartrique a également été synthétisée et caractérisée.

Oligopyridine biscarboxamide-based foldamers constitute a family of synthetic oligomers that can fold into helical structures and hybridize to form double helices. This work aims at synthesizing a new generation of π-functionalized foldamers featuring photoactive and electroactive moieties, in order: to study the factors governing the equilibrium between simple and double helices, to analyze the impact of this equilibrium on the optical and recognition properties, and to set up a new type of stimulus to control this equilibrium. Two photoactive foldamers of different lengths and bearing two Disperse Red units were synthesized. Their crystallographic structures confirm the formation of helical structures. A precise choice of the solvent allows to drive the equilibrium towards the single or the double helix selectively.The cavity generated within the helix presents a good affinity for anions. The control over the hybridization equilibrium allows modulating the Second Harmonic Generation activity. Eventually, our first efforts to control the helicity of these foldamers through supramolecular chiral induction are described. On the other hand, an electroactive foldamer featuring two tetrathiafulvalene (TTF) units was synthesized according to an original methodology. The presence of TTF units allows an unprecedented redox control of the structure of foldamer, by dimerization of radical cations. The concept has been extended by immobilizing a foldamère on a gold surface (SAMs). Finally, an electroactive capsule capable of complexing tartaric acid has also been synthesized and characterized.; Les foldamères de type oligopyridine biscarboxamide constituent une famille d’oligomères synthétiques pouvant adopter une structure hélicoïdale et s’hybrider pour former des hélices doubles. Ce travail a eu pour objectif de synthétiser une nouvelle génération de foldamères π-fonctionnels porteurs de groupements photoactifs ou électroactifs, d’étudier les facteurs gouvernant l’équilibre entre hélice simple et hélice double, d’analyser l’impact de cet équilibre sur les propriétés optiques, et enfin de mettre en place un nouveau type de stimulus permettant de contrôler cet équilibre. Deux foldamères photoactifs dotés d’unités Disperse Red, ont été synthétisés. Leurs structures cristallographiques confirment la formation de structures hélicoïdales. Un choix précis du solvant permet d’orienter sélectivement l’équilibre vers la formation d’une hélice simple ou double.Le contrôle de l’équilibre d’hybridation par dilution permet de moduler l’activité en Génération de Seconde Harmonique du foldamère. En outre, la cavité générée par l'hélice permet la reconnaissance de divers anions. Enfin, les premiers efforts fournis pour induire une hélicité donnée à ces foldamères par voie supramoléculaire sont décrits. Par ailleurs, un foldamère électroactif fonctionnalisé par deux unités tétrathiafulvalène (TTF) a été synthétisé selon une méthodologie originale. La présence des unités TTF permet un contrôle redox inédit de la structuration du foldamère, par dimérisation de cations radicaux. Le concept a été élargi via l’immobilisation d’un foldamère sur surface d’or (SAMs). Enfin, une capsule électroactive capable de complexer l’acide tartrique a également été synthétisée et caractérisée.

Some relevant wine small molecular components can be selectively recognized by foldamer capsules – artificial oligomeric compounds able to fold into well-defined objects possessing an inner cavity. In recent years, selective and high affinity receptors for fructose, tartaric acid and malic acid have been reported. Here, a new methodology, using solid phase synthetic techniques, for the preparation of a gluconic acid receptor will be discussed. To transform these receptors into sensors, a fluorescent moiety has been incorporated in the binding site. A proof of concept has been achieved using a fluorescence titration of tartaric acid. Indeed, when the guest is encapsulated, a modification of the fluorescence emission is observed. Finally, these fluorescent receptors have been anchored to silica surfaces and pave the way to the development of mobile detection devices. Such sensors could be useful to the wine industry to ensure proper control of biological processes for example during fermentation., Les foldamères – structures oligomériques artificielles adoptant une forme repliée définie – permettent la conception de récepteurs moléculaires de type capsule capables de reconnaitre sélectivement certains analytes pertinents du vin. En particulier, des récepteurs sélectifs et affins du fructose, de l’acide tartrique et de l’acide malique ont été identifiés au cours de ces dernières années. Le développement d’une méthodologie de synthèse sur support solide d’un récepteur moléculaire de l’acide gluconique sera abordé dans ce manuscrit. Cette thèse montre également comment certains de ces récepteurs peuvent être convertis en détecteurs capables d’émettre un signal en présence de l’analyte. La démarche est centrée sur l’incorporation d’un fluorophore au sein du site de reconnaissance. Une preuve de concept a ainsi été effectuée avec le dosage par fluorescence de l’acide tartrique. Enfin, le greffage de ce détecteur moléculaire à la surface de particules de silice a été réalisé et ouvre la voie au développement de dispositifs portables pour le dosage des analytes reconnus. De tels détecteurs sont requis par l’industrie du vin afin d’assurer le contrôle des processus biologiques, en particulier durant la fermentation.

The directional motion orchestration of supramolecular architectures is crucial for the construction of artificial molecular machines. Aromatic amide oligomers (i.e. foldamers) can adopt stable helical conformations able to wind around dumbbell-like guests to form (pseudo)-rotaxanes. A fine control of the association-dissociation kinetics allows the oligomers to slide along the rods without dissociation. In this thesis, based on the segregation of the kinetics of association-dissociation and sliding, helical oligomer motions were orchestrated to form complex self-assemblies and to perform directional motion. NMR and crystallographic studies showed that multistation rod guests can template the formation of well-defined multi-helical supramolecular polymers with high fidelity. Each station possessing a defined length and chirality can induce the complexation of oligomers presenting matching length and chirality. Directional sliding of a double helical oligomer along linear multistation rod guests was investigated. Placing a bulky spacer on the rod prohibits the sliding process, forcing the oligomer to dissociate and reassociate onto the thermodynamically favored station. An asymmetrical oligomer was prepared showing highly selective binding toward asymmetrical rod guests. The threading of this oligomer onto linear asymmetrical guests was investigated. Kinetic data indicated that the threading orientation of this asymmetrical oligomer was polarized by its passage along guest molecules., L’orchestration des mouvements directionnels d’architectures supramoléculaires s’avère cruciale pour la préparation de machines moléculaires artificielles. Les oligomères d’amides aromatiques (i.e. foldamères) peuvent adopter des conformations stables capables de se complexer à des tiges moléculaires pour former des (pseudo)-rotaxanes. Un contrôle fin des cinétiques d’association et de dissociation de l’hélice autour de la tige permet à l’oligomère hélicoïdal de glisser le long de celle-ci sans dissociation. Des études RMN et cristallographiques ont montré que des tiges moléculaires possédant plusieurs sites de reconnaissance pour des hélices permettaient l’élaboration d’architectures supramoléculaires hélicoïdales chirales avec une haute-fidélité. Chaque station possédant une longueur et une chiralité définie peut induire la complexation de foldamères de taille et d’hélicité concordante. Le glissement directionnel d’une double hélice le long d’une tige possédant plusieurs stations a également été investigué. Insérer un espaceur encombrant (i.e. plus large que la cavité de l’hélice) sur le chemin du foldamère le force à se déplier et se replier pour atteindre le site le plus favorable thermodynamiquement. Un oligomère asymétrique montrant de hautes affinités et de fortes sélectivités pour des tiges asymétriques a été préparé. L’enfilement de cet oligomère sur des tiges asymétriques a été étudié. Des données cinétiques (RMN) indiquent que l’enfilement de celui-ci s’effectue de façon polarisée en fonction de la nature de la tige.

The utilization of carbon dioxide (CO2) as a key component in organic transformations has recently drawn much attention as a greener alternative to fossil fuel based resources. The objectives of this work aim at studying the synthesis of cyclic carbonates from the coupling of CO2 with epoxide. Numerous catalysts have been proposed for this reaction among which the ammonium halides providing the nucleophile to initiate the reaction by opening the epoxide. Herein, we propose a new approach based on host-guest chemistry, to improve catalytic reactivity by increasing the nucleophilicity of the halide anion. For this purpose, cavitand molecular receptors able to bind quaternary ammonium ions are used, releasing the anionic nucleophile for the initial epoxide ring-opening reaction. At CO2 atmospheric pressure, our catalytic systems demonstrated a great potential by the dramatic activation of tetramethylammonium halides, whereas when used alone, these catalysts had never shown any activity. The influence of the cavitand structure was investigated through experiments run under 10 bar of CO2 pressure, and revealed that a double activation was possible with cavitand bearing Brönsted acidic hydroxyl functions and optimal recognition properties. The heterogeneization of such catalytic systems was finally studied with the grafting of either ammoniums or cavitands on silica based materials.; Le développement de procédés catalytiques pour la valorisation chimique du dioxyde de carbone (CO2), suscite un intérêt grandissant en termes de chimie du carbone et de développement durable. Les travaux de cette thèse portent sur l’étude de la synthèse de carbonates cycliques à partir du couplage du CO2 avec des époxydes. De nombreux catalyseurs ont été développés dont les sels d’ammoniums fournissant le nucléophile nécessaire pour initier la réaction par ouverture de l’époxyde. Notre projet propose une nouvelle approche qui consiste à augmenter la nucléophilicité du catalyseur via une chimie hôte-invité dans laquelle des récepteurs moléculaires de type cavitands viennent sélectivement encapsuler les cations ammoniums, libérant ainsi l’anion nucléophile pour une meilleure réactivité. Notre système catalytique, testé à 1 bar de CO2, a notamment démontré tout son potentiel par l’activation accrue de sels de tétraméthylammonium initialement inactifs. Des expériences effectuées sous une pression de CO2 de 10 bar, ont permis d'étudier l’influence de la structure des cavitands et de montrer qu’une double activation était possible grâce à la conception de cavitands comportant des fonctions acides de Brönsted et des propriétés d’encapsulation optimales. Une application à la catalyse hétérogène a finalement été initiée par l’immobilisation des ammoniums ou des cavitands sur des supports à base de silice pour profiter des avantages de tels procédés.

National audience; PCPs (Porous Coordination Polymers) or MOFs (Metal Organic Frameworks) are crystalline materialswhose structures consist of metal-based nodes bridged by organic linking groups. They are a well known class of porous materials which can have applications in gas storage (H2, CH4, CO2…), heterogeneous catalysis and chemical sensors.1 Up to now the main strategy to increase the absorption properties has been to introduce coordinatively unsaturated metal centres. In contrast, the incorporation of cationic organic ligands is much rarer despite a certain potential as shown by some reports.2 Our original approach consists of mixing electro-active viologen derivatives to a useful coordination function like carboxylate, which is widely used in such materials,3 to synthesize new PCPs for gas storage and molecular recognition. Those ligands are based on N-substituted-4,4’-bipyridinium monocation and N,N’-disubstituted-4,4’-bipyridinium dication carrying one or several carboxylate groups. Our synthetic strategy and new results will be described in this poster, taking the [Cd4Cl6L3](CdCl4) compound as example, with L = 4,4’-bipy-(C6H4COO)2. In addition to provide a highly stable structure upon temperature and moisture, this PCP exhibits accessible channels with a large zwitterionic surface area which allow reversible sorption properties of gas and small molecules. The obvious color shift in presence of ammonia vapors offers a high potential for chemical sensors and optical applications.

La chimie supramoléculaire est un domaine qui porte sur l’étude des interactionsfaibles entre molécules. Ces interactions sont très répandues dans les systèmes naturels et denombreux récepteurs moléculaires synthétiques ont été développés, soit pour un apportthéorique à la compréhension de ces processus de reconnaissance, soit pour d’éventuellesapplications en biologie ou en chimie analytique par exemple.Les calix[6]arènes sont des composés intéressants pour la reconnaissance moléculaire.Ils possèdent une cavité idéale pour l’inclusion de petites molécules et peuvent être modifiéspar l’ajout de divers motifs de reconnaissance. Le premier calix[6]crypturée préalablementétudié au sein du Laboratoire de Chimie Organique est un récepteur dont la cavité aromatiqueest juxtaposée à un motif de reconnaissance pour anions. Ce dernier est composé d’unchapeau à base de tren (tris(2-aminoéthyl)amine) portant trois groupes urée. Ce récepteurpossède notamment une forte sélectivité pour le chlorure et une forte affinité pour les pairesd’ions organiques de type chlorure d’ammonium, dans un solvant apolaire (CDCl3).Cependant, ces propriétés de reconnaissance sont beaucoup plus limitées dans un solvantprotique (CD3OD), ce qui restreint les éventuelles applications. L’objectif de ces travaux a étéde synthétiser de nouveaux dérivés avec une modification autour du site tris-urée pourrenforcer les propriétés de reconnaissance, notamment en milieu protique.La première stratégie a consisté à agrandir le chapeau cryptant reliant les trois groupesurée. Trois modes différents de complexation d’ammonium intra-cavitaire ont été mis enévidence dans un solvant apolaire, dont deux sont remarquables. Avec un anion peucoordinant (le picrate), le récepteur protoné inclut l’ammonium selon un processusallostérique pour donner un complexe dicationique. Avec la protonation du récepteur et unanion dichargé (SO42-), l’inclusion de l’ammonium constitue un complexe cascade, stable enmilieu protique.La deuxième stratégie a consisté à supprimer les groupes méthyle du petit colcalixarénique via une réaction de déméthylation sélective pour obtenir le calix[6]crypturée1,3,5-trishydroxyle. Dans un solvant apolaire, ce récepteur a montré une plus forte sélectivitépour la complexation de paires d’ions par rapport à la complexation d’anions, permettant parexemple de complexer le chlorhydrate de O,O-diméthyldopamine.La troisième stratégie a été de synthétiser le calix[6]cryptothiourée, un récepteur dontle chapeau comporte trois groupes thiourée. Cette modification structurale a fortementrenforcé la complexation d’anions mais n’a pas favorisé la complexation de paires d’ions dansun solvant protique.Enfin, la complexation de zwittérions a été testée sur l’ensemble de ces récepteurs et lecalix[6]cryptothiourée s’est avéré être un remarquable complexant de la B-alanine bétaïne.Dans un mélange protique (CD3OD/CDCl3 1:1) la constante d’association est élevée (K ≈ 104M-1) et supérieure d’au moins trois ordres de grandeur par rapport aux autres zwittérionstestés. C’est à notre connaissance un des rares récepteurs de bétaïnes et le premier à êtresélectif pour la B-alanine bétaïne. Enfin, le biomimétisme du mode de reconnaissance a étémontré par comparaison avec une protéine transporteur de bétaïne (Corynebacteriumglutamicum)., Doctorat en sciences, Spécialisation chimie, info:eu-repo/semantics/nonPublished

International audience; Porous coordination polymers or metal−organic frameworks have focused attention going from synthetic strategy to applications in heterogeneous catalysis, molecular recognition and gas storage. Our approach consists in combining the coordination versatility of carboxylate functions to electro-active viologen derivatives (N,N’-disubstituted 4,4’-bipyridinium salts) with general formula (OOCC6H4)2(4,4’-bipy) in order to synthesized new porous coordination polymers for gas storage and redox mediators with optical and magnetic properties. In addition to act as charge-separated organic linkers, these pyridinium-carboxylate ligands will i) afford a cationic surface to enhance the interactions with guests and ii) exhibit reversible redox states involving monocationic radicals with good stability and large absorptions coefficients in the visible range.

The synthesis and the use of porous chiral coordination polymers for enantioselective processes are of current interest and prime importance in chemistry. These crystalline materials are mainly obtained by combinations of well-designed organic tectons and properly chosen metallic components. This thesis deals with the synthesis of organic chiral building blocks and their combinations with a variety of metallic salts leading to chiral coordination networks. In a first part, the use of tectons bearing neutral coordinating sites is described. Homochiral cuboid architectures displaying monodimensional channels are presented. In the second part, mono- and bi-dimensional networks of various geometries are described. In some cases, within crystals, interactions lower in energy than the coordination bond are observed and are responsible for the formation of molecular networks of higher dimensionality. Finally, the use of organic tectons displaying charged interaction sites is presented. Their combination with metallatectons under thermal treatments affords robust tridimensional homochiralarchitectures displaying cavities. These materials are interesting candidates for enantioselective recognition and separation. Their gas adsorption propensity (N2 and CO2) is briefly discussed., La formation de polymères de coordination poreux et chiraux ainsi que leur utilisation pour des processus énantiosélectifs est actuellement un des domaines de grand intérêt en chimie. La formation de ces matériaux est rendue possible par le biais des concepts développés dans le domaine de la tectonique moléculaire. Les travaux présentés dans cette thèse s’inscriventdirectement dans cette thématique. Les synthèses de tectons organiques chiraux sont présentées. Leur combinaison avec divers centres métalliques, via différentes méthodes de cristallisation, a permis l’obtention de monocristaux qui ont été étudiés par diffraction des rayons X sur monocristal. Dans un premier temps, des polymères de coordination homochiraux, obtenus par l’utilisation de tectons dotés de sites coordinants neutres sont présentés. Des réseaux de type cuboïde présentant des canaux monodimensionnels au sein de leur architecture sont notamment décrits. Par la suite, des édifices mono- et bi-dimensionnels de géométries diverses sont discutés. Pour certains de ces cristaux, des interactions de plus faible énergie que la liaison de coordination permettent la formation de réseaux moléculaires de plus haute dimensionnalité. Enfin, dans une dernière partie, l’utilisation de tectons dotés de sites coordinants chargés est discutée. Des réseaux tridimensionnels homochiraux poreux et robustes sont décrits. Ces derniers sont des candidats de choix pour des procédés énantiosélectifs de séparation. Leur propension à encapsuler des gaz (N2 et CO2) est présentée.

The control of intramolecular movements has been a topic of high interest for chemists over two decades. Investigations described in this PhD manuscript aim at the design and study, both in solution and in the crystalline state, of molecular turnstiles. These entities are composed of a rotor and a stator, each of these constituents equipped with recognition sites.In the first part, the synthesis and behavior of Pt(II)-based molecular turnstiles are described. The switching between their open and closed states and the migration process between stations are discussed. The recognition sites on both the stator and rotor have been varied, leading to different behaviors, particularly in terms of their dynamics.In solution, 1- and 2-D NMR have been used for the characterization of the dynamic processes.In the last chapter, the use of a Pt(II)-bispyridyl based tecton for the synthesis of MM’OFs is reported. The use of various metal salts as secondary center has led to the construction of networks varying by their geometry and dimensionality. A ligand including two Pt(II) and one Fe(II) complexed by two terpyridyl units is described., Le contrôle du mouvement à l’échelle d’une simple molécule est un sujet actuellement florissant et intensément exploré par des chimistes de tous horizons. Le travail présenté dans ce manuscrit s’inscrit dans ce cadre. La conception ainsi que l’étude en solution et à l’état cristallin de tourniquets moléculaires, espèces composées d’un rotor et d’un stator comportant plusieurs sites d’interaction, y sont décrites.Dans une première partie, la synthèse ainsi que le fonctionnement de tourniquets à charnière de Pt(II) sont décrits. La fermeture et l’ouverture de ces systèmes ainsi que les essais de passage d’une station à une autre y sont étudiés. Les sites d’interactions ont été variés sur le rotor et le stator, pour aboutir à des systèmes variant par la dynamique de leur comportement.Dans une seconde partie, une synthèse optimisée de tourniquets à charnière organique est décrite. Les états ouverts et fermés de ces tourniquets ont été caractérisés.Tous les processus décrits pour les tourniquets ont été étudiés par des études RMN mono- et bi-dimensionnelles en solution.Dans un dernier chapitre, des MM’OFs basés sur un tecton comportant un centre Pt(II) et deux sites coordinant de type pyridine sont exposés. Leur utilisation en tant que tecton organométallique avec divers centres métalliques conduit à la formation de réseaux hétérobimétalliques. Un ligand incluant deux centres Pt(II) et un centre Fe(II) entouré par deux terpyridines est décrit.

The aim of this PhD thesis consists in the elaboration of self-organized materials for fundamental comprehension. More precisely the purpose is to study interfacial reactivity of materials at nanometric scale: electroactive self-assembled monolayers (SAMs). Since the pioneering work by Nuzzo and Allara in 1983, increasing attention has been dedicated to the design and elaboration of SAMs for various applications (chemical sensor, biosensor, catalysis...). SAMs allow the obtaining of simple (single layer), well organized and reproducible surfaces. Advantages brought by SAMs modified surfaces make them platforms of choice for the study of interfacial reactions. Classically, to enhance the interfacial reactivity, the functional group is diluted via the elaboration of mixed SAMs. Here, this work studies the influence of the structure of the mixed SAMs on the electrochemical transduction of cations binding SAMs. The originality of this study rests on a non-covalent approach between a redox probe and a binding unit. Firstly, this study deals with the influence of the distance on the efficiency of the electrochemical transduction with molecules containing redox probe and crown ether. Secondly, mixed SAMs were elaborated from redox probe and binding units. These mixed SAMs were studied by cyclic voltammetry before and after cations injections. The principle of electrochemical transduction without covalent link was highlighted with TEMPO and ferrocene derivatives. This result showed that the efficiency of the phenomena was function of the composition of the SAM and the nature of the guest. The non-covalent approach was interpreted and modeled thanks to the generalized lateral interaction model. The control of the organization of grafted molecules is a key point because the reactivity is depends on of the proximity of both units on the surface. The non-covalent approach facilitates the design of target molecules. This work provides access to additional information about interfacial reactivity of mixed SAMs.; Le contexte dans lequel se positionne cette thèse est l'élaboration de matériaux auto-organisés pour des visées fondamentales. Il s'insère dans les thèmes relatifs à l'étude de la structure et de la réactivité interfaciale de matériaux de dimensionnalité nanométrique : les monocouches auto-assemblées (SAMs) électroactives. De nombreux travaux ont été dédiés aux SAMs depuis 1983 en raison du grand nombre de domaines applicatifs (capteurs chimiques ou biologiques, catalyse ...). Les SAMs présentent l'avantage de former des surfaces simples, organisées et reproductibles. Très souvent, la dilution des motifs d'intérêt de la couche organique greffée, notamment par l'utilisation de SAMs mixtes, est une bonne alternative pour exalter les propriétés visées. L'influence de la structure des SAMs mixtes sur leur réactivité est étudiée ici dans le cas de la transduction électrochimique vue sous l'angle de la reconnaissance d'ions. L'originalité de cette thèse repose sur une approche non covalente entre le site complexant et le site électroactif. Dans un premier temps, le travail s'est axé sur l'influence de la distance entre la sonde redox et l'entité complexante sur l'efficacité de la transduction électrochimique. Dans un second temps, des SAMs mixtes ont été réalisées à partir d'entités redox, d'une part et d'entités éther couronne capables de capter des cations, d'autre part puis étudiées par voltammétrie cyclique avant et après ajout de cations. Le principe de transduction électrochimique sans lien covalent a été mis en évidence avec les sondes redox ferrocène et TEMPO. Il a été montré que l'efficacité du phénomène est fonction du rapport unité redox/unité complexante et de la nature de l'invité. L'approche non-covalente a été interprétée et modélisée via le modèle généralisé des interactions latérales. La maîtrise de l'environnement des entités immobilisées revêt ici un intérêt primordial puisque l'efficacité du dispositif repose sur la proximité des deux types de sites. L'approche non-covalente présente l'avantage d'être modulable à souhait et permet l'utilisation des molécules présentant des structures plus simples. Cette approche apporte un élément de compréhension supplémentaire sur la réactivité interfaciale de monocouches mixtes.

This project aims to analyze the influence of multivalency in sugar-lectin interactions. In collaboration with external teams, a study by atomic force microscopy (AFM) of the ineraction between synthetic ligands of different valences and their specific lectins was conducted. In this study, a first fundamental characterization of sugar-lectin interaction was investigated. This characterization concerns more particularly the influence of multivalency on the adhesion forces and the dynamics of interaction between multivalent ligands and synthetic model lectin, peanut lectin PNA. A second characterization, of a more applied aspect, concerns the use of synthetic multivalent ligands in a new therapeutic approach, based on anti-adhesion, for the treatment of chronic urinary infections caused by uropathogenic Escherichia coli (UPEC). The innovative nature of the ligands (obtained by rational chemical synthesis) and the approach used to characterize their interactions with lectins at the molecular level by AFM reflects the originality of the project.; Le présent projet vise à analyser l'influence de la multivalence dans les interactions sucres-lectines. En collaboration avec des équipes externes, une étude par microscopie à force atomique (AFM) de l'interaction entre des ligands synthétiques de différentes valences et leurs lectines spécifiques a été entreprise. Dans le cadre de cette étude, une première caractérisation fondamentale de l'interaction sucre-lectine a été menée. Cette caractérisation concerne plus particulièrement l'influence de la multivalence sur les forces d'adhésion et la dynamique de l'interaction entre les ligands synthétiques multivalents et une lectine modèle, la lectine d'arachide PNA. Une seconde caractérisation, d'aspect plus appliqué, concerne l'utilisation des ligands synthétiques multivalents dans une approche thérapeutique antiadhésive pour le traitement des infections urinaires chroniques dues à Escherichia coli uropathogène (UPEC). Le caractère innovant des ligands (obtenus par une synthèse chimique rationnelle) ainsi que l'approche utilisée pour caractériser leurs interactions avec les lectines à l'échelle moléculaire par AFM témoigne de l'originalité du projet.

Proazaphosphatranes are highly reactive phosphorous bicyclic compounds also called Verkade’s superbases and the azaphosphatranes are their acidic counterparts. The goal of the work is to investigate the modifications of the properties of these compounds when they are in confined space. Firstly, the superbases were encapsulated into hemicryptophane host compounds (molecular containers created from the association of a cyclotriveratrylene unit with another C3-symmetric moiety). Modifications in the basicity of the supramolecular superbases depending on the substitution pattern around the phosphorous were evidenced compare to the molecules lacking the cavity. The catalytic activity of a superbase was investigated on a nucleophilic and a basic reaction. The azaphosphatranes were then used to catalyze the cycloaddition of carbon dioxide (CO2) to epoxides to form a cyclic carbonate. Enhancements of the stability of encaged catalyst were demonstrated. Finally, an azaphophatrane was immobilized on mesoporous silica leading to a heterogeneous catalyst.; Les proazaphosphatranes sont des entités phosphorées bicycliques superbasiques également connues sous le nom de superbases de Verkade et les azaphosphatranes constituent leurs acides conjugués. Les travaux de cette thèse porte sur l’étude des propriétés de ces molécules en milieu confiné. Premièrement, le confinement des superbases a été étudié au sein de structure de type hémicryptophane (molécules possédant des cavités dissymétriques formées à partir d’une unité cyclotrivératrylène et d’une seconde unité de symétrie C3). Une modulation de la basicité a pu être notamment observée dans les différentes structures étudiées possédant des tailles de cavité différentes par comparaison avec les superbases modèles dépourvues de cavité. L’activité catalytique d’une superbase encagée a pu être testée dans deux réactions de catalyse nucléophile et basique. Puis les azaphosphatranes, acides faibles aux stuctures robustes, jusque-là peu utilisés en organocatalyse ont été valorisés pour la synthèse de carbonates cycliques à partir d’époxydes et de dioxyde de carbone (CO2). Un effet sur la stabilité des catalyseurs encagés a pu être démontré. Enfin un catalyseur hétérogène a pu être mis au point par immobilisation d’un azaphosphatrane sur silice mésoporeuse de type SBA-15.

Proazaphosphatranes are highly reactive phosphorous bicyclic compounds also called Verkade’s superbases and the azaphosphatranes are their acidic counterparts. The goal of the work is to investigate the modifications of the properties of these compounds when they are in confined space. Firstly, the superbases were encapsulated into hemicryptophane host compounds (molecular containers created from the association of a cyclotriveratrylene unit with another C3-symmetric moiety). Modifications in the basicity of the supramolecular superbases depending on the substitution pattern around the phosphorous were evidenced compare to the molecules lacking the cavity. The catalytic activity of a superbase was investigated on a nucleophilic and a basic reaction. The azaphosphatranes were then used to catalyze the cycloaddition of carbon dioxide (CO2) to epoxides to form a cyclic carbonate. Enhancements of the stability of encaged catalyst were demonstrated. Finally, an azaphophatrane was immobilized on mesoporous silica leading to a heterogeneous catalyst.; Les proazaphosphatranes sont des entités phosphorées bicycliques superbasiques également connues sous le nom de superbases de Verkade et les azaphosphatranes constituent leurs acides conjugués. Les travaux de cette thèse porte sur l’étude des propriétés de ces molécules en milieu confiné. Premièrement, le confinement des superbases a été étudié au sein de structure de type hémicryptophane (molécules possédant des cavités dissymétriques formées à partir d’une unité cyclotrivératrylène et d’une seconde unité de symétrie C3). Une modulation de la basicité a pu être notamment observée dans les différentes structures étudiées possédant des tailles de cavité différentes par comparaison avec les superbases modèles dépourvues de cavité. L’activité catalytique d’une superbase encagée a pu être testée dans deux réactions de catalyse nucléophile et basique. Puis les azaphosphatranes, acides faibles aux stuctures robustes, jusque-là peu utilisés en organocatalyse ont été valorisés pour la synthèse de carbonates cycliques à partir d’époxydes et de dioxyde de carbone (CO2). Un effet sur la stabilité des catalyseurs encagés a pu être démontré. Enfin un catalyseur hétérogène a pu être mis au point par immobilisation d’un azaphosphatrane sur silice mésoporeuse de type SBA-15.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la chimie supramoléculaire, domaine s'intéressant à l'étude d'édifices moléculaires liés par des interactions non-covalentes, fréquemment rencontrés dans le monde du vivant. Afin de mieux comprendre les phénomènes de complexation, de nombreux récepteurs moléculaires synthétiques ont été développés depuis ces cinquante dernières années. Dans le cadre de la reconnaissance moléculaire, les calix[6]arènes s'avèrent être des plateformes idéales puisqu'ils sont aisément fonctionnalisables et possèdent une cavité hydrophobe propice à l'inclusion de petites molécules organiques. D'ailleurs de nombreux récepteurs calix[6]aréniques ont déjà été développés et ont été étudiés pour leur aptitude à complexer des molécules neutres, des anions, des paires d'ions ou des ions métalliques. Cependant, ils souffrent de certaines limitations puisqu'ils ne sont pas hydrosolubles et sont difficilement post-fonctionnalisables limitant de ce fait leur applicabilité. Nous nous sommes donc intéressés à la synthèse de récepteurs calix[6]aréniques fonctionnalisés ainsi qu'à l'étude de leurs propriétés réceptrices vis-à-vis d'entités chargées ou de molécules neutres. Les études de ces systèmes ont été réalisées essentiellement par spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).Dans le cadre de ce travail, des récepteurs ditopiques mono- et trisfonctionnalisés de type calix[6]cryptamide ont tout d'abord été développés. Ces récepteurs présentent un motif trenamide qui constitue un second site de reconnaissance, distinct mais proche du premier formé par la cavité calix[6]arénique. Ces récepteurs se sont révélés capables de complexer les molécules neutres polaires ainsi que des entités chargées avec une grande sélectivité en milieu aprotique mais également en présence d'un solvant protique. Le chapeau trenamide étant relativement contraint et bien préorganisé, il assure un fort effet chélate et permet une sélectivité de taille pour l'anion fluorure. La proximité des deux sites de reconnaissance ainsi que la sélectivité pour l'anion fluorure permettent à ces récepteurs de reconnaître des ammoniums sous forme de paires d'ions de contact uniquement avec le fluorure comme partenaire anionique. Les résultats obtenus ont démontré que l'introduction de fonctionnalisations soit au niveau du chapeau trenamide, à proximité du site de reconnaissance, soit au niveau du petit col du calix[6]arène n'inhibait pas les propriétés de complexation de ces récepteurs. Les premiers essais d'introduction de groupes hydrosolubilisants ont alors été réalisés et se sont révélés très prometteurs. En effet, l'introduction de groupements PEG sur un calix[6]cryptamide trisfonctionnalisé a permis de démontrer l'aptitude de ce récepteur à complexer des molécules neutres en milieu aqueux (CD3OD/D2O).Dans un second temps, des récepteurs mono- et trisfonctionnalisés de type calix[6]tren ont été développés. Les études préliminaires réalisées ont permis de mettre en évidence que, comme le calix[6]tren non fonctionnalisé, ces récepteurs étaient capable de complexer de petites molécules organiques lorsqu'ils sont polarisés, soit sous leur forme per-protonnée soit sous la forme d'un complexe métallique (Zn2+ ou Cun+). L'ensemble de ces travaux a ainsi permis de valider la stratégie de synthèse visant à introduire des bras fonctionnels sur des récepteurs ditopiques calix[6]aréniques et de démontrer que ces nouveaux récepteurs fonctionnalisés conservaient des propriétés de reconnaissance. Ces travaux permettent donc d'envisager de multiples applications pour ce type de récepteurs.This work falls within the field of supramolecular chemistry, a field concerned with the study of molecular structures linked by non-covalent interactions. Such weak interactions are frequently encountered in the living world and in particular in molecular recognition processes. In order to better understand and exploit these recognition processes, many synthetic molecular receptors have been developed over the last fifty years. In this regard, calix[6]arenes have proved to be ideal platforms because they can be easily functionalized and they possess a hydrophobic cavity suitable for the inclusion of small organic molecules. Hence, many calix[6]arene based receptors have been studied for their ability to complex neutral molecules, anions, ion pairs or metal ions. However, most of these receptors suffer from major limitations that limit their applicability: they are not water soluble and hardly post-functionalizable. In the frame of this thesis, we were therefore interested in the synthesis of functionalized calix[6]arene based receptors and in the study of their host-guest properties toward charged species or neutral molecules. Studies of these host-guest systems have been carried out mainly by Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR).First, mono- and trisfunctionalized ditopic receptors based on a calix[6]cryptamide skeleton were synthesized. These receptors possess two binding sites in close proximity: a trenamide subunit and the calix[6]arene cavity. They have proved to be capable of complexing neutral polar molecules as well as charged species with high selectivity in aprotic solvents but also in a protic environment. The trenamide cap being relatively constrained and well pre-organized, it provides a strong chelate effect and allows a selectivity of size for the fluoride anion. Remarkably, the proximity of the two recognition sites allow these receptors to recognize ammonium ions in the form of contact ion pairs but only with a fluoride anion as the partner. The results have shown that the introduction of functionalizations at the trenamide cap or at the narrow rim of the calix[6]arene do not inhibit the complexation properties of these receptors. First attempts in order to introduce water-solubilizing groups have been undertaken and promising results have been obtained. Indeed, the introduction of PEG groups on a trisfunctionalized calix[6]cryptamide has led to a receptor able to complex neutral molecules in an aqueous environment (CD3OD/D2O).In a second step, mono- and trisfunctionalized receptors derived from calix[6]tren have been synthesized. Preliminary studies have highlighted that, similarly to the parent calix[6]tren, these receptors are able to complex small organic molecules when they are polarized either in their per-protonated form or in the form of a metal complex (Zn2+ or Cun+).All this work validates the synthetic strategy that consists of introducing functional arms on ditopic calix[6]arene based receptors and opens new perspectives for the elaboration and study of molecular receptors in an aqueous environment., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

The aim of this PhD thesis consists in the elaboration of self-organized materials for fundamental comprehension. More precisely the purpose is to study interfacial reactivity of materials at nanometric scale: electroactive self-assembled monolayers (SAMs). Since the pioneering work by Nuzzo and Allara in 1983, increasing attention has been dedicated to the design and elaboration of SAMs for various applications (chemical sensor, biosensor, catalysis...). SAMs allow the obtaining of simple (single layer), well organized and reproducible surfaces. Advantages brought by SAMs modified surfaces make them platforms of choice for the study of interfacial reactions. Classically, to enhance the interfacial reactivity, the functional group is diluted via the elaboration of mixed SAMs. Here, this work studies the influence of the structure of the mixed SAMs on the electrochemical transduction of cations binding SAMs. The originality of this study rests on a non-covalent approach between a redox probe and a binding unit. Firstly, this study deals with the influence of the distance on the efficiency of the electrochemical transduction with molecules containing redox probe and crown ether. Secondly, mixed SAMs were elaborated from redox probe and binding units. These mixed SAMs were studied by cyclic voltammetry before and after cations injections. The principle of electrochemical transduction without covalent link was highlighted with TEMPO and ferrocene derivatives. This result showed that the efficiency of the phenomena was function of the composition of the SAM and the nature of the guest. The non-covalent approach was interpreted and modeled thanks to the generalized lateral interaction model. The control of the organization of grafted molecules is a key point because the reactivity is depends on of the proximity of both units on the surface. The non-covalent approach facilitates the design of target molecules. This work provides access to additional information about interfacial reactivity of mixed SAMs., Le contexte dans lequel se positionne cette thèse est l'élaboration de matériaux auto-organisés pour des visées fondamentales. Il s'insère dans les thèmes relatifs à l'étude de la structure et de la réactivité interfaciale de matériaux de dimensionnalité nanométrique : les monocouches auto-assemblées (SAMs) électroactives. De nombreux travaux ont été dédiés aux SAMs depuis 1983 en raison du grand nombre de domaines applicatifs (capteurs chimiques ou biologiques, catalyse ...). Les SAMs présentent l'avantage de former des surfaces simples, organisées et reproductibles. Très souvent, la dilution des motifs d'intérêt de la couche organique greffée, notamment par l'utilisation de SAMs mixtes, est une bonne alternative pour exalter les propriétés visées. L'influence de la structure des SAMs mixtes sur leur réactivité est étudiée ici dans le cas de la transduction électrochimique vue sous l'angle de la reconnaissance d'ions. L'originalité de cette thèse repose sur une approche non covalente entre le site complexant et le site électroactif. Dans un premier temps, le travail s'est axé sur l'influence de la distance entre la sonde redox et l'entité complexante sur l'efficacité de la transduction électrochimique. Dans un second temps, des SAMs mixtes ont été réalisées à partir d'entités redox, d'une part et d'entités éther couronne capables de capter des cations, d'autre part puis étudiées par voltammétrie cyclique avant et après ajout de cations. Le principe de transduction électrochimique sans lien covalent a été mis en évidence avec les sondes redox ferrocène et TEMPO. Il a été montré que l'efficacité du phénomène est fonction du rapport unité redox/unité complexante et de la nature de l'invité. L'approche non-covalente a été interprétée et modélisée via le modèle généralisé des interactions latérales. La maîtrise de l'environnement des entités immobilisées revêt ici un intérêt primordial puisque l'efficacité du dispositif repose sur la proximité des deux types de sites. L'approche non-covalente présente l'avantage d'être modulable à souhait et permet l'utilisation des molécules présentant des structures plus simples. Cette approche apporte un élément de compréhension supplémentaire sur la réactivité interfaciale de monocouches mixtes.

Molecular recognition is one of the major challenges of supramolecular chemistry. Here, we present the design, synthesis and study of helical capsules properties self-organised by aromatic oligoamide folding. These receptors consist of oligomeric chains that fold into a helical conformation and comprise of a sequence of units which code for different diameters. Oligomeric folding defines a cavity which can recognize guests. The great modularity of the sequences has allowed a controlled evolution of foldamer structure resulting in the selective and predict recognition of biological substrates. The phenomenon of encapsulation was demonstrated in solution by NMR and CD spectroscopy and in the solid state by X-ray diffraction., La reconnaissance moléculaire constitue l’une des questions fondamentales les plus discutées dans le domaine de la chimie supramoléculaire. Cette thèse présente la conception, la synthèse et l’étude des propriétés de capsules hélicoïdales auto-organisées par repliement d’oligoamides aromatiques. Ces récepteurs sont constitués d’une chaîne oligomérique se repliant en hélice et comprenant une séquence d’unités codant pour des diamètres différents. Le repliement de l’oligomère donne naissance à une cavité pouvant accueillir des molécules invitées. La grande modularité des séquences, permettant une évolution contrôlée des structures des foldamères, donne lieu à la reconnaissance sélective et anticipée de substrats d’intérêts biologiques. Le phénomène d’encapsulation a été mis en évidence en solution par spectroscopie RMN et CD, et dans le solide par diffraction des rayons X.

Biological membranes play a crucial role as a biological barrier but, paradoxically, they were involved in various precesses : as a molecular recognition, enzymatic catalysis, or membrane fusion. Lipids, as a main component of membranes, are entailed in these process but composition, organization, and functional role in these biological systems are quite complex. Here, we use lipid models mimicking biological membrane to identify their interaction mechanisms with various exogenous agents (EAs) like peptides, nanoparticules, drugs, proteins, using atomic force microscopy (AFM). In this project, we worked on two different molecules which interact potentially with biological membrane. The first one was a molecule directly implicated in malaria disease. In fact, the molecular mechanism, probably involving lipid membranes, is still unclear. The understanding of this mechanism would participate to find new antimalarial drug or new therapeutic targets. The second EA studied was titanium dioxide nanoparticules (TiO2 NPs). Widely used in industry, this product from nanotechnology's development could have an impact on human health, whose potential toxicity mechanism still unknown. Biophysical techniques such as fluorescence spectroscopy, Langmuir monolayer were used to evaluate the potential interaction of the EAs with biomimetic membranes. Then, when the interaction was proved, AFM was used in order to visualize the effects inferred by these EAs. Using supported lipid bilayers, we imaged their behavior after injection of the EA concerned, at the nanometer scale. For each EA, we could suggest a mechanism of interaction and respond to the issues raised., Les membranes biologiques sont impliquées dans divers mécanismes comme la reconnaissance moléculaire ou encore la fusion membranaire. Les lipides, principaux composants des membranes, sont inhérents à ces processus cellulaires, mais leur organisation et leur rôle fonctionnel au sein de ces systèmes sont très complexes. Dans ce travail, nous avons utilisé des modèles membranaires mimant ces systèmes biologiques pour identifier les interactions mises en jeu avec divers agents exogènes (AEs), en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). Nous avons donc travaillé sur deux AEs différents qui interagissent potentiellement avec ces membranes. Le premier intervient directement dans le cadre de l'étude du paludisme. Le mécanisme moléculaire de cette maladie (impliquant probablement des structures lipidiques) n'étant pas clair, la compréhension de celui-ci faciliterait le développement de nouvelles molécules antipaludiques et/ou cibles thérapeutiques. Parallèlement notre étude s'est portée sur l'interaction des nanoparticules (NPs) de TiO2, notre second AE, avec les membranes. Très utilisées dans l'industrie, ces NPs de TiO2 pourraient avoir un impact sur la santé humaine, en interagissant notamment avec les membranes cellulaires. Des techniques biophysiques classiques ont tout d'abord été utilisées pour évaluer l'interaction de l'AE avec des systèmes biomimétiques. Ensuite, lorsque celle-ci est prouvée, l'AFM est utilisée pour visualiser les changements morphologiques des modèles membranaires en présence de ces AEs. Ainsi, pour chaque AE, nous avons finalement suggéré un mécanisme d'interaction afin de répondre aux problématiques soulevées.

This thesis concerns the development of new electrochemical methodologies for the characterizationof enantioselective biomolecular recognition between an aptamer and its chiral target.By using a model system, the L-Tyrosinamide and its aptamer of 49 nucleotids, a first analyticaldevice for the detection of the complexation in homogeneous phase was optimized. This approach isbased on the difference of diffusion coefficient that exists between the free state of the target andthe complexed state with the aptamer. Initially based on the intrinsic electroactivity of the target, viathe phenolic function, this approach was extended to non electroactive molecules thanks to acompetitive exchange strategy by marking the target with a redox function (ferrocene). Thismethodology was successfully used for the precise measure of enantiomeric excess until 0,1 %.Coupled with a qualitative approach based on the prediction of the tertiary structures of theaptamer, this technic also allowed to determine the minimal required sequence of 23 nucleotids toinsure the recognition.A second device combining the advantage of working in microvolume (use of small quantities ofreactives) and the advantages of electrochemical measures in forced convection (short mixing time,stationary current) was also developped. This method of stationnary electrochemistry inmicrovolume then allowed the characterization of the kinetics (association constant kon anddissociation constant koff) and the thermodynamics (Kd) of the reaction., Cette thèse porte sur la mise au point de nouvelles méthodologies électrochimiques pour lacaractérisation d’une reconnaissance (bio)moléculaire énantiosélective entre un aptamère et sacible.En utilisant comme système modèle la L-Tyrosinamide et son aptamère de 49 nucléotides, unpremier dispositif analytique pour la détection de la complexation en phase homogène a été mis aupoint. Cette approche repose sur la différence de coefficient de diffusion qui existe entre la formelibre de la cible et la forme complexée à l’aptamère. Initialement basée sur l’électroactivitéintrinsèque de la cible via la fonction phénol, cette approche a été étendue aux molécules nonélectroactive grâce à une stratégie d’échange compétitif en marquant la cible par une fonction redox(ferrocène). Cette méthodologie a été utilisée avec succès pour la mesure précise d’excèsénantiomériques jusqu’à 0,1 %. Couplée à une approche qualitative basée sur la prédiction desstructures tertiaires de l’aptamère, cette technique a également permis de déterminer la séquenceminimale requise de 23 nucléotides pour assurer la reconnaissance.Un second dispositif combinant l’avantage de pouvoir travailler en microvolume (utilisation de faiblesquantités de réactifs) aux avantages de mesures électrochimiques en convection forcée (temps demélange rapide, courants stationnaires) a également été mis au point. Cette méthoded’électrochimie stationnaire en microvolume a alors permis de caractériser la cinétique (constanted’association kon et de dissociation koff) et la thermodynamique (Kd) de la réaction.

This project aims to analyze the influence of multivalency in sugar-lectin interactions. In collaboration with external teams, a study by atomic force microscopy (AFM) of the ineraction between synthetic ligands of different valences and their specific lectins was conducted. In this study, a first fundamental characterization of sugar-lectin interaction was investigated. This characterization concerns more particularly the influence of multivalency on the adhesion forces and the dynamics of interaction between multivalent ligands and synthetic model lectin, peanut lectin PNA. A second characterization, of a more applied aspect, concerns the use of synthetic multivalent ligands in a new therapeutic approach, based on anti-adhesion, for the treatment of chronic urinary infections caused by uropathogenic Escherichia coli (UPEC). The innovative nature of the ligands (obtained by rational chemical synthesis) and the approach used to characterize their interactions with lectins at the molecular level by AFM reflects the originality of the project., Le présent projet vise à analyser l'influence de la multivalence dans les interactions sucres-lectines. En collaboration avec des équipes externes, une étude par microscopie à force atomique (AFM) de l'interaction entre des ligands synthétiques de différentes valences et leurs lectines spécifiques a été entreprise. Dans le cadre de cette étude, une première caractérisation fondamentale de l'interaction sucre-lectine a été menée. Cette caractérisation concerne plus particulièrement l'influence de la multivalence sur les forces d'adhésion et la dynamique de l'interaction entre les ligands synthétiques multivalents et une lectine modèle, la lectine d'arachide PNA. Une seconde caractérisation, d'aspect plus appliqué, concerne l'utilisation des ligands synthétiques multivalents dans une approche thérapeutique antiadhésive pour le traitement des infections urinaires chroniques dues à Escherichia coli uropathogène (UPEC). Le caractère innovant des ligands (obtenus par une synthèse chimique rationnelle) ainsi que l'approche utilisée pour caractériser leurs interactions avec les lectines à l'échelle moléculaire par AFM témoigne de l'originalité du projet.

Inherent chiralty, which arises from a concave structure associated with asymetric substitution, is the most common form of chiralty and is fundamental in enzymatic recognition : although aminoacids have an asymetric center, the folding of proteins creates the inherently chiral active site of enzymes and is responsible for the extraordinary selectivity of enzymatic reactions. Calix[6]arenes have been used as a tool to study complex enzymatic processes. They have also been used to build artificial molecular receptors for cations, anions or neutral molecules through very specific interactions. The goal of this thesis is the synthesis of inherently chiral calix[6]arenes by introducing different functionalities devoid of asymetric centers, and the study of the recognition of chiral molecules. First, we developped a biomimetic and supramolecular strategy to monofunctionalize a zinc calix[6]arene complex bearin three imidazole arms or a tris(2-aminoethyl)amine cap, with high selectivity. By using the recognition abilities of theses substrates, several molecules were liked only one of the three equivalent sites of the big rim of the calixarene. The limits of the biomimetic « monoclick » reaction were also quantified. The monofunctionalized complexes are new objects whose abilities as molecular receptors greatly differ from the previous « funnel complexes » described by our team. The control of the access of the cavity of Zn(II), Cu(II) and Cu(I) complexes to exogenous ligands was thoroughly studied with different competitive ligands. Also, we proved that the access to the cavity could be controled with an electrochemical switch. We also developed strategies to synthesize inherently chiral calix[6]arenes from monofunctionalized complexes and we synthesized the first inherently chiral funnel complex. Its chirality was evidenced by the inclusion of chiral and achiral guests. We also provided the proof of concept that these particular phenomena could be simply studied with 19F NMR spectroscopy.; La chiralité inhérente, provenant d’une structure concave associée à une substitution dissymétrique, est la forme de chiralité la plus répandue et est une des bases fondamentales de la reconnaissance enzymatique : outre le fait que les briques constitutives des protéines présentent un carbone asymétrique, leur repliement définit la chiralité inhérente de la poche du site actif, et est responsable de l’étonnante sélectivité des réactions enzymatiques. De façon générale, les calixarènes ont été notamment utilisés afin de modéliser les processus enzymatiques complexes. Ils sont ainsi à la base de la construction de nombreux récepteurs moléculaires artificiels, capables de reconnaître des cations, des anions ou des molécules neutres par des interactions spécifiques. L’objectif de cette thèse est la synthèse de calix[6]arènes présentant une chiralité inhérente, en leur introduisant différentes fonctionnalités différentes en l’absence de carbone asymétrique, ainsi que l’étude de leurs propriétés de reconnaissance de molécules chirales. Cet objectif est indissociable du challenge classique de la chimie organique qu’est la monofonctionnalisation de molécules possédant plusieurs fonctions réactives équivalentes. Dans un premier temps, nous avons utilisé une stratégie biomimétique et supramoléculaire pour monofonctionnaliser très sélectivement un complexe zincique de calix[6]arène portant trois bras imidazole ou un chapeau Tris(2-aminoÉthyl)AmiNe. En tirant profit de la nature réceptrice de ces complexes, différents substrats ont pu être greffés à la structure sur un seul des trois sites équivalents du grand col. Les limites de cette réaction « monoclick » biomimétique ont été quantifiées. Les complexes monofonctionnalisés sont de nouveaux objets aux propriétés réceptrices considérablement différentes des « complexes entonnoirs » décrits par notre équipe. Le contrôle de l’accès de la cavité des complexes de Zn(II), Cu(I) et Cu(II) pour des ligands exogènes a été étudiés en présence de différents ligands compétiteurs. Par ailleurs, nous avons montré que dans le cas des complexes de cuivre, l’accès à la cavité pouvait être contrôlé par un switch électrochimique. Nous avons également développé deux stratégies de synthèse de calix[6]arènes chiraux de façon inhérente à partir de précurseurs monofonctionnalisés, et nous avons synthétisé le premier »complexe entonnoir » présentant cette propriété. Sa chiralité a été mise en évidence par l’inclusion de ligands achiraux et achiraux. Nous avons également prouvé que ces phénomènes complexes pouvaient être étudiés simplement grâce à la technique RMN 19F.

The main objective of this work was to design, produce and characterize a new familyof artificial proteins and to introduce new tailored specific binding sites within this structuralframework. Our general goal was to develop method allowing to rapidly generate newprotein binding specifically to any predefined target macromolecule. Binders based onartificial proteins can be viewed as antibody-like molecules but due to their different structurehave more favorable physical properties (expression, solubility, folding efficiency, stability)than antibodies and derivatives.The design and experimental assembly of a first generation artificial protein library isdescribed in part I. Proteins of this library are made by a repetition of a motif idealized from afamily of natural protein repeats (HEAT repeat). These artificial proteins, named αRep, havethe same general fold but the number of the repeated motif vary from protein to protein.Furthermore, a set of positions of each motif is highly variable within the library. Proteinisolated from this first generation library are well expressed, soluble, extremely stable andwere shown to have the designed secondary and tertiary structure.The methods used to improve the diversity and the experimental quality of the protein libraryare described in the second part of this thesis and have allowed us to create a secondgeneration αRep library. This library is based on the same general scheme but its diversitywas optimized by an improved design and experimental procedures known as filtration/shuffling.This highly diverse second generation library (1.7*109 independent clones) was usedto select variants with tailored binding specificities using phage display method. The resultsclearly show that news αReps binding tightly and specifically a range of arbitrarily definedprotein targets can be efficiently selected. The tertiary structure of complexes between αRepand their cognate target molecule were solved and allow to analyze the nature and detailedorganization of this newly engineered molecular recognition capacities.; Les travaux décrits dans ce mémoire ont pour objectif d’une part le développementd’une nouvelle famille de protéines artificielles et d’autre part la création de nouveaux sitesde fixation spécifiques dans ces protéines. L’objectif général était de développer une approchegénérale permettant d’obtenir rapidement des protéines reconnaissant toute macromoléculecible choisie. On peut voir ces protéines artificielles spécifiques comme des sortes d’anticorpsartificiels pour leur spécificité et leur affinité mais dont les propriétés physiques : stabilité,solubilité, efficacité d’expression, insensibilité à l’agrégation sont nettement plus favorablesque celles des anticorps et de leur dérivés.Le premier chapitre, présente la conception et la construction d’une bibliothèque deprotéines artificielles dite de première génération où les protéines sont formées par larépétition d’un motif idéalisé à partir d’une famille de motifs naturels appelés HEAT repeats.Toutes les protéines de la bibliothèque, dénommées αRep, sont conçues pour avoir la mêmearchitecture générale mais diffèrent les unes des autres par le nombre de motifs et par laséquence dans certaines positions rendues variables au sein de chaque motif. Cette banquenous a permis de valider l’architecture αRep choisie : Les protéines s’expriment sous formesoluble, sont très stables et adoptent la structure secondaire et tertiaire attendue quel que soitla séquence des positions hypervariables. Le second chapitre présente alors les approchessuivies pour l’amélioration de la qualité et de la diversité de la bibliothèque et a conduit à laconstruction d’une bibliothèque d’αRep de deuxième génération. Cette dernière bibliothèque(2 .1) repose sur le même schéma général mais contient une diversité ayant été optimiséelors de la conception puis améliorée expérimentalement par une procédure dite deFiltration/shuffling. Cette bibliothèque très diverse (1.7*109 clones indépendants) a été alorsexploitée pour y rechercher, par des méthodes d’exposition sur phages, de nouvelles αRepreconnaissant des protéines cibles préalablement choisies. L’ensemble des résultats montretrès clairement que des αRep reconnaissant spécifiquement, avec une affinité élevée, desprotéines cibles choisies arbitrairement peuvent être effectivement obtenues. Les structurestridimensionnelles de plusieurs complexes formés entre les αRep et leur cible a été résoluepermet de comprendre la nature et l’organisation précise de ces capacités de reconnaissancemoléculaire nouvellement créées.

The main objective of this work was to design, produce and characterize a new familyof artificial proteins and to introduce new tailored specific binding sites within this structuralframework. Our general goal was to develop method allowing to rapidly generate newprotein binding specifically to any predefined target macromolecule. Binders based onartificial proteins can be viewed as antibody-like molecules but due to their different structurehave more favorable physical properties (expression, solubility, folding efficiency, stability)than antibodies and derivatives.The design and experimental assembly of a first generation artificial protein library isdescribed in part I. Proteins of this library are made by a repetition of a motif idealized from afamily of natural protein repeats (HEAT repeat). These artificial proteins, named αRep, havethe same general fold but the number of the repeated motif vary from protein to protein.Furthermore, a set of positions of each motif is highly variable within the library. Proteinisolated from this first generation library are well expressed, soluble, extremely stable andwere shown to have the designed secondary and tertiary structure.The methods used to improve the diversity and the experimental quality of the protein libraryare described in the second part of this thesis and have allowed us to create a secondgeneration αRep library. This library is based on the same general scheme but its diversitywas optimized by an improved design and experimental procedures known as filtration/shuffling.This highly diverse second generation library (1.7*109 independent clones) was usedto select variants with tailored binding specificities using phage display method. The resultsclearly show that news αReps binding tightly and specifically a range of arbitrarily definedprotein targets can be efficiently selected. The tertiary structure of complexes between αRepand their cognate target molecule were solved and allow to analyze the nature and detailedorganization of this newly engineered molecular recognition capacities., Les travaux décrits dans ce mémoire ont pour objectif d’une part le développementd’une nouvelle famille de protéines artificielles et d’autre part la création de nouveaux sitesde fixation spécifiques dans ces protéines. L’objectif général était de développer une approchegénérale permettant d’obtenir rapidement des protéines reconnaissant toute macromoléculecible choisie. On peut voir ces protéines artificielles spécifiques comme des sortes d’anticorpsartificiels pour leur spécificité et leur affinité mais dont les propriétés physiques : stabilité,solubilité, efficacité d’expression, insensibilité à l’agrégation sont nettement plus favorablesque celles des anticorps et de leur dérivés.Le premier chapitre, présente la conception et la construction d’une bibliothèque deprotéines artificielles dite de première génération où les protéines sont formées par larépétition d’un motif idéalisé à partir d’une famille de motifs naturels appelés HEAT repeats.Toutes les protéines de la bibliothèque, dénommées αRep, sont conçues pour avoir la mêmearchitecture générale mais diffèrent les unes des autres par le nombre de motifs et par laséquence dans certaines positions rendues variables au sein de chaque motif. Cette banquenous a permis de valider l’architecture αRep choisie : Les protéines s’expriment sous formesoluble, sont très stables et adoptent la structure secondaire et tertiaire attendue quel que soitla séquence des positions hypervariables. Le second chapitre présente alors les approchessuivies pour l’amélioration de la qualité et de la diversité de la bibliothèque et a conduit à laconstruction d’une bibliothèque d’αRep de deuxième génération. Cette dernière bibliothèque(2 .1) repose sur le même schéma général mais contient une diversité ayant été optimiséelors de la conception puis améliorée expérimentalement par une procédure dite deFiltration/shuffling. Cette bibliothèque très diverse (1.7*109 clones indépendants) a été alorsexploitée pour y rechercher, par des méthodes d’exposition sur phages, de nouvelles αRepreconnaissant des protéines cibles préalablement choisies. L’ensemble des résultats montretrès clairement que des αRep reconnaissant spécifiquement, avec une affinité élevée, desprotéines cibles choisies arbitrairement peuvent être effectivement obtenues. Les structurestridimensionnelles de plusieurs complexes formés entre les αRep et leur cible a été résoluepermet de comprendre la nature et l’organisation précise de ces capacités de reconnaissancemoléculaire nouvellement créées.

FKBP12 is an ubiquitous, mostly cytosolic, protein found at the crossroads of several signaling pathways. Its natural abundance in the nervous tissues can be related to its implication in neurodegenerative diseases like Alzheimer's and Parkinson's as well as in peripheral neuropathies and diabetes or in injuries of the spinal cords. Several studies have demonstrated that exogenous molecules (ligands) that can bind to FKBP12 allow the regeneration of many damaged neuron connections. However, there is no clear relationship between the structure of a ligand and its ability to bind to FKBP12. Our study aims at rationalizing the relationship between the structure of a ligand and its affinity to FKBP12. Two model complexes, formed between FKBP12 and each of the two high-affinity ligands 8 and 308, were studied. These two ligands are structurally different. We used molecular dynamics simulations to characterize the intermediate state that is transiently formed during the binding process between the protein and its ligand. In this state, the analysis of the nascent interactions allowed (i) to unravel the role played by the various ligand moieties in the recognition process with FKBP12 and (ii) to rationalize the affinities of related ligands., FKBP12 est une protéine ubiquitaire, principalement cytosolique, qui est au carrefour de plusieurs voies signalétiques. Son abondance naturelle dans les tissus nerveux peut être reliée à son implication dans les maladies neurodégénératives telles que les maladies d'Alzheimer et de Parkinson ainsi que dans les neuropathies périphériques et diabétiques ou dans des blessures des cordons spinaux. De nombreuses études ont montré que des molécules exogènes (ligands) venant se fixer sur cette protéine permettent la régénération d'un grand nombre de connexions neuronales endommagées. Une difficulté provient cependant du fait que, pour un ligand donné, il n'existe aucune relation claire entre sa structure et sa capacité de liaison à FKBP12. Notre étude vise ainsi à rationaliser la relation entre la structure d'un ligand et son affinité pour cette protéine. Deux complexes modèles, formés entre FKBP12 et chacun des deux ligands 8 et 308, ont été utilisés. Ces deux ligands de haute affinité ont des structures différentes. Notre travail s'est appuyé sur des simulations de dynamique moléculaire pour caractériser l'état intermédiaire qui est formé transitoirement lors du processus de complexation entre la protéine et son ligand. Dans cet état particulier, l'identification des interactions naissantes entre les partenaires a permis (i) de comprendre l'implication des différentes parties du ligand dans le mécanisme de reconnaissance avec FKBP12 et (ii) de rationaliser les affinités de certains ligands apparentés.

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

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la recherche relative au développement de biosenseurs à ADN électrochimiques. Des aspects fondamentaux, ainsi que des aspects d’application de la détection d’hybridation d’ADN sont envisagés.Dans un premier temps, le comportement interfacial et le processus d’hybridation d’oligonucléotides d’ADN linéaires et ADN hairpin (structure en épingle à cheveux) nonmarqués sont étudiés en formant des monocouches auto-assemblées mixtes de monobrins d’ADN (ssADN) thiolés et d’un hydroxyalcanethiol (4-mercaptobutan-1-ol) par coadsorption spontanée sur des électrodes d’or polycristallin. L’immobilisation de monocouches mixtes ssADN/MCB est caractérisée par voie électrochimique et par spectroscopie des photoélectrons X. Des mesures de chronocoulométrie, en présence de [Ru(NH3)6]3+ (RuHex), permettent de déterminer la quantité d’ADN dans la monocouche mixte formée. Les résultats montrent que l’excès superficiel d’ADN linéaire est plus important que l’excès superficiel d’ADN hairpin sous des conditions de formation identiques.La réaction de reconnaissance moléculaire d’hybridation est détectée par des mesures d’impédance en présence de [Fe(CN)6]3-/4-. L’hybridation se traduit dans le cas de l’ADN linéaire par une augmentation de la résistance au transfert d’électron Rct tandis que dans le cas de l’ADN hairpin, Rct diminue. Ces différences sont dues au plus faible recouvrement et au changement de conformation des molécules d’ADN hairpin lors de l’hybridation. Des mesures de réflectivité de neutrons nous ont permis de mettre en évidence l’augmentation de l’épaisseur du film d’ADN hairpin et de confirmer le changement conformationel ces sondes lors de la reconnaissance moléculaire.Dans la seconde partie, nous présentons une nouvelle méthode électrochimique de détection d’hybridation, basée sur les interactions électrostatiques entre le complexe cationique RuHex et les groupements phosphates de l’ADN. Afin d’améliorer la détection des molécules de PNA (peptide nucleic acid) ont été immobilisées comme sondes de reconnaissance moléculaire. Après hybridation des sondes PNA avec le brin complémentaire, RuHex s’adsorbe sur l’ADN hybridé et un signal de réduction de ces complexes redox, enregistré par voltampérométrie alternative, constitue une signature claire de l’hybridation d’ADN à l’interface modifiée. Les interactions RuHex/PNA-ADN ont été étudiées. La constante d’adsorption de RuHex sur l’électrode modifiée PNA/MCB après hybridation est évaluée à 2,9 (±0,3) 105 M-1 en milieu Tris-HCl 0,01M, selon une isotherme de Langmuir.Les performances analytiques de la méthode de détection (sensibilité, sélectivité et reproductibilité) ont été évaluées et optimisées pour la détection des séquences d’ADN du gène de l’ARNr 23S d’Helicobacter pylori. La méthode de détection électrochimique présentée est assez sélective pour permettre de discriminer les mutations ponctuelles A2143G et A2144C de la séquence de type sauvage. La diminution significative des signaux d’admittance enregistrés en présence des séquences mutées est attribuée à la capacité accrue de discrimination de mutations ponctuelles des molécules PNA.La réponse de détection est linéaire en fonction du logarithme de la concentration de la cible d’ADN sur plus de quatre ordres de grandeur (10-6 M à 10-10 M). La limite de détection de l’oligonucléotide d’ADN complémentaire de 80 pM est très bonne. La méthode a été appliquée avec succès à la détection de fragments PCR complémentaires de 100 et 400 paires de bases, amplifiés à partir de souches SS1 d’H.pylori., Doctorat en Sciences, info:eu-repo/semantics/nonPublished

A physicist studying surface interactions can reasonably wonder whether there is something original to discover, in the XXIst century, after the works by Young, Laplace, van der Waals, Hamaker, Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek, Lifshitz, Cahn, de Gennes, Helfrich... Taking advantage of our original wetting and colloid physics experiments, we try to demonstrate that all the conceptual background necessary to understand the entropic or van der Waals interactions between inert surfaces has been available for more than twenty years. Subsequently reporting on our experimental study of the streptavidin-biotin couple, we show that, as far as the specific interactions between biological molecules linked to surfaces are concerned, there is still a lot to understand. Moreover, we illustrate the limitations of the physicist approach within the framework of the experimental study of the interactions between molecules directly involved in cellular adhesion: cadherins.Finally, we show two studies of surface interactions for colloids under flow and we introduce two research projects concerning the links between colloidal surface interactions and rheophysics.; Lorsque l'on étudie la physique des interactions entre surfaces, on peut à juste titre se demander s'il est possible d'apporter encore quelque chose d'original, au XXIe siècle, bien après, entre autres, les travaux de Young, Laplace, van der Waals, Hamaker, Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek, Lifshitz, Cahn, de Gennes, Helfrich... En s'appuyant sur nos expériences originales de mouillage et de physique des colloïdes, nous nous efforçons de montrer que tous les concepts utiles pour comprendre les interactions entropiques ou de van der Waals entre surfaces inertes sont en place depuis plus de vingt ans. Nous montrons ensuite, à travers l'étude expérimentale du couple streptavidine-biotine, qu'en ce qui concerne les interactions spécifiques entre molécules biologiques reliées à des surfaces, il reste encore beaucoup à comprendre. Nous illustrons par ailleurs les limites de l'approche du physicien à travers l'étude expérimentale des interactions entre cadhérines, molécules biologiques directement impliquées dans l'adhésion cellulaire.Enfin, nous présentons des études d'interactions entre surfaces d'objets en mouvement ainsi que deux projets de recherches concernant les liens entre les interactions entre surfaces colloïdales et la rhéophysique des colloïdes.

The work presented in this thesis amounts to an exploration of the catalytic properties of enzymes and more generally of catalysts that rest on the relative positioning of reagents in space, through the study of small organic models. Several objectives were pursued: 1) understanding enzyme catalysis at the molecular level; 2) implementing the properties of enzymes in synthetic models; 3) in the long run the ability to prepare an efficient and specific catalyst for a given reaction.Current knowledge on enzyme catalysis and the interest of using small organic models are introduced in Chapter I.In Chapter II, an approach is presented to obtain relatively large molecules with conformations that can be predicted with a high level of precision (the main characteristic of enzyme models). An original solution - an aromatic polyamide - and a preliminary study of its synthesis are presented.Chapter III introduces the notion of substrate-receptor association in the context of a study of the molecular recognition of adenine. The synthesis of a series of adenine receptors and the investigation of their binding properties allowed for the assessment of the role of various factors in the association: geometry, rotational restriction, electronic effects. The notion of chemical complementarity in the context of molecular recognition is thus clearly defined. As a consequence of the adenine-receptor association, remarkable reaction rate enhancements have been observed in condensation reactions between an adenine derivative and a functionalized receptor, and between two adenines within a receptor having two binding sites. These kinetic studies as well as a theoretical model are the object of chapter IV.Chapter V complements the preceding chapter through the synthesis of a series of molecules bearing two receptor sites and the study of their effect on the kinetics of condensation of two adenines. The catalytic properties of the bis-receptors correlate with their geometrical features (size, shape, rigidity).The stabilization of polar reaction intermediates is investigated in Chapters VI and VII. The synthesis of receptors bearing polar groups at different positions is described. These compounds provide an environment within which condensation reactions between adenine derivatives are accelerated. An attempt to combine chemical catalysis through the stabilization of polar reaction intermediates and binding effects is initiated for bis-receptors in Chapter VI and further explored in a self-replicating system in Chapter VII.; Le travail présenté dans cette thèse est une exploration, à travers l'étude de petits modèles organiques, des propriétés catalytiques des enzymes, et plus généralement des catalyseurs fonctionnant par mise en place des réactifs les uns par rapport aux autres. Les objectifs poursuivis se répartissent sur plusieurs fronts: 1) la compréhension au niveau moléculaire de la catalyse enzymatique; 2) la mise en œuvre des propriétés des enzymes dans des modèles de synthèse; 3) à terme la capacité de préparer un catalyseur efficace et spécifique pour une réaction donnée.L'état de la connaissance de la catalyse enzymatique et l'intérêt de l'utilisation de petits modèles organiques dans son étude sont introduits au chapitre I.Au chapitre II, une réflexion est menée sur les différents moyens de parvenir à la synthèse de molécules de taille relativement importante dont la conformation soit prévisible avec un maximum de précision (principales caractéristiques des modèles). Une solution originale -un polyamide aromatique- et une étude préliminaire de la synthèse de ces composés sont proposées.Le chapitre III introduit la notion d'association récepteur-substrat dans une étude de la reconnaissance moléculaire de l'adénine. La synthèse d'une série de récepteurs à adénine et l'étude de leurs propriétés de liaison a permis d'évaluer le rôle de différents facteurs dans l'association: géométrie, restrictions rotationnelles, effets électroniques. La notion de complémentarité chimique au sens de la reconnaissance moléculaire est ainsi clairement définie.En conséquence de l'association adénine-récepteur, des accélérations remarquables ont été observées dans des réactions de condensation entre un dérivé, de l'adénine et un récepteur fonctionnalisé, et entre deux adénines au sein de molécules comportant deux sites récepteurs. Ces études cinétiques ainsi que la construction d'un modèle théorique font l'objet du chapitre IV.Le chapitre V complète le précédent par la synthèse d'une série de molécules portant deux sites récepteurs et l'étude de leur effet sur la cinétique de condensation de deux adénines. Les propriétés catalytiques des bis-récepteurs se corrèlent avec leurs caractéristiques géométriques (forme, taille, rigidité).La stabilisation polaire des intermédiaires réactionnels est abordée aux chapitres VI et VII. La synthèse de récepteurs portant des groupes polaires à différentes positions est décrite. Ces composés constituent un environnement au sein duquel les réactions de condensation de dérivés de l'adénine sont accélérées. Une tentative de combiner catalyse chimique par stabilisation polaire des intermédiaires réactionnels et effets de liaison est amorcée pour les bis-récepteurs au chapitre VI, et poursuivie dans un système auto-réplicatif au chapitre VII.