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The development of porous materials has been one of the most fascinating research topics in the frame of a wide variety of applications ranging from chemical analysis to separation and catalysis. Among the huge amount of different porous materials, nanoporous metals are one of the most interesting candidates because of their outstanding properties such as a high surface area, a large pore volume and a high accessibility for guest molecules which have to diffuse into the internal matrix where catalytically active sites are located. In order to synthesize such materials, a templating approach, including hard and soft templating is typically used to generate uniform porous structures, depending on the shape of the templates. In the present dissertation thesis, the elaboration of various porous metal electrodes via a soft templating approach and their potential applications in the field of enantioselective analysis, synthesis and separation are discussed. Several chiral imprinted metals such as platinum and nickel with a significantly increased internal electroactive surface area are studied. Subsequently, these chiral imprinted mesoporous metals can be used to improve the electrochemical performance with respect to several tasks, including electrochemical synthesis of chiral compounds, chiral separation and actuation, which are important for pharmaceutical applications. The first part of the present work is devoted to the elaboration of chiral imprinted metals for asymmetric synthesis. The prepared electrode surfaces show a surprisingly high selectivity in terms of chiral synthesis when they are combined with the concept of pulsed electrochemistry. The second part of the manuscript is dedicated to their use for the separation of racemic mixtures with the opportunity to fine-tune the separation efficiency by applying a potential to the metal matrix in order to adjust the electrostatic interactions between the chiral compounds and the designer surfaces. Under the most suitable conditions, complete baseline separation of both enantiomers can be observed. The third part of this thesis deals with chiral detection, for which a hybrid film of chiral imprinted Pt and polypyrrole is used as a selective actuator under bipolar electrochemical conditions. The synergistic properties of both materials, wireless actuation and chiral recognition, have been successfully combined for wireless chiral analysis. Apart from the design and application of chiral mesoporous metal films, the last chapter is dedicted to the elaboration of hierarchically structured metals containing macro- and mesoporous features, obtained by using simultaneously hard and soft templating approaches for electrocatalytic oxygen evolution in basic media. Multiporous nickel nanosheets were prepared via a two-step electrodeposition process in the presence of silica beads and surfactant as templates to control the macro- and mesoporous structure, respectively. The resulting synergistic effect of combined macroporous and mesoporous cavities allows fine tuning structural properties, electrocatalytic performance and stability for water splitting applications. In conclusion, our findings open interesting perspectives for development of new porous materials, which are of potential interest for various applications, such as chiral analysis, asymmetric synthesis, chemical separation, as well as energy conversion and storage., Le développement de matériaux poreux est l'un des sujets de recherche les plus fascinants notamment grâce à ces nombreuses applications allant de l'analyse chimique à la séparation et la catalyse. Parmi l'énorme quantité de matériaux poreux différents, les métaux nanoporeux sont le meilleur choix en raison de leurs propriétés intrinsèques telles qu'une grande surface active, un grand volume de pores et une grande accessibilité moléculaire pour les molécules qui doivent diffuser au sein de la matrice où des sites catalytiquement actifs sont localisés. Afin de synthétiser de tels matériaux, une approche modèle est généralement utilisée pour générer des structures poreuses uniformes, y compris des modèles durs et mous, qui dépendent de la forme des modèles. Dans la présente thèse, l'élaboration de diverses électrodes métalliques poreuses via une approche de modèle souple et leurs applications potentielles dans le domaine de l'analyse énantiosélective, de la synthèse et de la séparation seront discutées. Plusieurs métaux à empreinte chirale seront présentés tels que le platine et le nickel dont la surface électroactive est significativement augmentée. Par la suite, ces métaux mésoporeux à empreinte chirale peuvent être utilisés pour améliorer les performances électrochimiques de différents systèmes allant de la synthèse électrochimique de composés chiraux à la séparation chirale ou encore l'actionnement, dont l’importance est grande pour des applications pharmaceutiques. La première partie du présent travail est consacrée à l'élaboration de métaux à empreinte chirale pour la synthèse asymétrique. Les surfaces actives du matériau d'électrode préparés présentent une sélectivité étonnamment élevée en terme de synthèse chirale lorsqu'elles sont combinées avec le concept d'électrochimie pulsée. La deuxième partie du manuscrit est consacrée à l’utilisation de composés naturels énantiomériquement purs pour faciliter la séparation des deux énantiomères d'un mélange racémique en appliquant un potentiel à la matrice métallique afin de contrôler les interactions électrostatiques entre les composés chiraux et les surfaces d’intérêt. Dans les conditions les plus appropriées, une séparation complète des deux énantiomères peut être observée. La troisième partie de cette thèse porte sur la détection chirale pour laquelle un film hybride de Pt imprimé chiral et de polypyrrole est utilisé comme actionneur sélectif dans des conditions d’électrochimie bipolaire. Les propriétés synergiques des deux matériaux, l'activation sans fil et la reconnaissance chirale, ont été combinées avec succès pour l'analyse chirale sans fil. Outre la conception et l'application de films métalliques chiraux mésoporeux, le dernier chapitre démontre l'élaboration de métaux structurés hiérarchiquement contenant des caractéristiques macro et mésoporeuses, obtenus en utilisant simultanément des approches de modèles durs et mous pour l’électrocatalayse de l'oxygène en milieu basique. Des nanofeuilles de nickel multiporeuses ont été préparées via un processus d'électrodéposition en deux étapes en présence de billes de silice et de surfactant comme modèles pour contrôler respectivement la structure macro et mésoporeuse. L'effet synergique résultant des cavités macroporeuses et mésoporeuses combinées permet un réglage fin des propriétés structurelles, des performances électrocatalytiques et de la stabilité du matériau pour l’électrolyse de l’eau. En conclusion, nos résultats ouvrent des perspectives intéressantes pour le développement de nouveaux matériaux poreux qui présentent un intérêt potentiel pour diverses applications, telles que l'analyse chirale, la synthèse asymétrique, la séparation chimique, ainsi que la conversion et le stockage d'énergie.

Amyloid fibrils are associated with many human disorders including Alzheimer’s or Parkinson’s diseases. The formation of insoluble plaques is the result of protein misfolding and aggregation due to abnormal conformational isomerization of the involved protein. The structural and biological studies of amyloids are highly complex. In this thesis, we report on the development of different synthetic methodologies for the preparation of distinct amyloid fibril polymorphs as homogeneous samples for structural and biological studies. We also synthesized covalently-tethered oligomers composed of nine copies of an amyloidogenic peptide segment, where we were able to control the self-assembly of the structure by insertion of N-methylated amino-acids and to obtain monomeric oligomers mimicking a cross section of an amyloid fibril. We also report on the chiral recognition of L-peptides and L-proteins towards corresponding D-enantiomers during amyloid formation. Moreover, we studied various N-methylated peptide analogues to suppress amyloid growth. Overall, the results obtained in this thesis pave the way towards rational design of peptide-based inhibitors and diagnostics against amyloid propagation.; Les fibres amyloïdes sont souvent à l’origine de nombreuses maladies dégénératives telles que la maladie d’Alzheimer ou la maladie de Parkinson. La formation de ces plaques insolubles est due à une agrégation anormale de protéines. Les études structurales et biologiques des amyloïdes sont hautement complexes du fait de leur organisation sous forme de superstructures unidirectionnelles composées d’une infinité d’unités peptidiques ou protéiques, mais aussi à cause de leur hétérogénéité conformationnelle et polymorphique. Au cours de ces différents travaux de thèse en collaboration avec différents laboratoires d’analyses structurales, nous avons développé plusieurs outils de synthèse tant pour la formation de différents polymorphes de fibres amyloïdes que pour la formation d’espèces oligomériques de tailles conséquentes qui sont un challenge du point de vue synthétique et méthodologique mais aussi pour leur caractérisation. Ces différentes avancées permettront de mieux comprendre les mécanismes de formation de fibres amyloïdes et de préparer des échantillons homogènes pour les analyses structurales et biologiques. L’étude de modifications chimiques telles que la N-méthylation ou les polypeptides D est également un enjeu important pour l’élucidation des interactions protéine-protéine vis-à-vis des structures amyloïdogéniques et ainsi permettre l’élaboration de nouveaux composés inhibant la formation de plaques amyloïdes.

National audience

The main objective of this thesis is a spectroscopic study of molecules or complexes bearing multiple chiral centres in the gas phase, to understand the effects of stereochemistry on their structural properties. Neutral cinchona alkaloids have been introduced intact in gas phase by laser-ablation. They have been studied by combining supersonic expansion with laser spectroscopy. The two pseudo-enantiomers Quinine and Quinidine show similar electronic and vibrational spectra, in line with similar structure. Their properties in solution differ more, as shown by Vibrational Circular Dichroism (VCD) experiments. This difference is further enhanced in Hydroquinine and Hydroquinidine. Lastly chiral recognition has been studied in ionic complexes in an ion trap. A homochiral preference has been shown in the stability of the complexes formed between S-Camphor and R and S protonated Alanine. However, the calculated interaction energy as well as the IRMPD spectrum in the fingerprint region are identical. The role of higher energy conformers in chiral recognition has been discussed., L'objectif principal de cette thèse est l’étude spectroscopique de molécules ou de complexes portant plusieurs centres chiraux en phase gazeuse, pour comprendre les effets de la stéréochimie sur leurs propriétés structurales. Des alcaloïdes dérivés de la Cinchonine ont été introduits intacts en phase gazeuse par ablation laser. Ils ont été étudiés en combinant un jet supersonique avec de la spectroscopie laser. Les deux pseudo-énantiomères Quinine et Quinidine ont montré des spectres électroniques et vibrationnels similaires, en accord avec leur structure similaire. Leurs propriétés en solution diffèrent davantage, comme le montrent les expériences de dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD). Cette différence est encore plus marquée dans l’Hydroquinine et l’Hydroquinidine. Enfin la reconnaissance chirale a été étudiée dans des complexes ioniques dans un piège à ions. La stabilité des complexes formés entre S-camphre et les R et S-Alanine protonées indique une préférence homochirale. Cependant, l'énergie d'interaction calculée ainsi que les spectres IRMPD dans la région des empreintes digitales sont identiques. Le rôle des conformères plus hauts en énergie dans la reconnaissance chirale a été discuté.

National audience

Chiral recognition plays a key-role in life chemistry and is thought to happen through the formation of weakly bound contact pairs. Due to their transient nature, they are difficult to study in solution. We have studied jet-cooled complexes of chiral molecules, in the gas phase at low temperature, by means of laser spectroscopy. The aim of this work is a better understanding of the molecular forces responsible for chiral recognition, at the molecular level., La reconnaissance chirale joue un rôle fondamental dans la chimie du vivant. On suppose qu'elle a lieu grâce à la formation de paires de contact transitoires et faiblement liées dont l'étude est difficile en solution. C'est pourquoi nous avons étudié ces paires faiblement liées isolées en phase gazeuse à basse température en jet supersonique, par spectroscopie laser électronique et vibrationnelle. Le but de ce travail est la compréhension au niveau microscopique des forces responsables de la reconnaissance chirale.

This thesis presents the first experimental results of a scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) investigation of rubrene at the supramolecular, molecular and submolecular level. Based on its semiconducting and fluorescent properties, this molecule is of particular interest in view of the emerging fields of molecular electronics and optoelectronics which could one day replace the conventional technology relying on semiconductors such as silicon and gallium arsenide. The goal is the substitution of these inorganic materials by cheap and flexible layers of semiconducting organic molecules for a new class of diodes and transistors, as well as the realization of electronic switches based on individual molecules. One fundamental approach is to take advantage of the molecular self-assembly behavior which results in the creation of well-ordered supramolecular structures. The investigations of the self-assembly of rubrene adsorbed on metal surfaces (Au(111), Au(100), Ag(111), and Ag(100)), which were carried out within the framework of this thesis, show a surprising diversity of supramolecular structures. Amongst other shapes, the molecules organize themselves into geometries of perfect hexagonal and pentagonal symmetry and create multifaceted patterns on the surface. A fascinating peculiarity consists in the spontaneous construction of nested structures which are built up by a hierarchical self-assembly of individual molecules into pentagonal supermolecules which form in a second step perfect supramolecular decagons. The geometric shape of rubrene is characterized by a structural asymmetry leading to the existence of two mirror imaged versions of the molecule which are not superimposable to each other, such as for instance our left and right hand or the helical DNA. The aspect of chirality is crucial for basic processes in living systems and calls for a fundamental understanding of the interaction mechanisms occurring between chiral molecules. The experiments on rubrene reveal that the intermolecular bonding differentiates between the two chiral types of the molecule (chiral recognition), yielding the self-organization into homochiral structures. These assemblies exhibit a geometry which is again chiral, demonstrating a propagation of chirality throughout the three stages of the supramolecular hierarchy. The semiconducting behavior of rubrene is furthermore probed by STS measurements detecting the energetic positions of the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). The experimental data uncover that different adsorption conformations exhibit characteristic HOMO energies and reveal adsorption conformations of rubrene which preserve the intrinsic electronic structure of the free molecule. Furthermore, a switching of the molecular conformation and the electronic structure of one rubrene conformer is induced with the STM.