Développement de nouveaux sels Binol-imidazoliums : de la catalyse asymétrique aux applications biologiques

Le 1,1'-bi-2-naphtol ou Binol, présentant une chiralité axiale, est un ligand très utilisé en catalyse asymétrique. Au cours des vingt dernières années, le Binol a servi de synthon à l’élaboration de très nombreux ligands permettant la catalyse asymétrique de tous types de réactions, allant de l’hydrogénation, à l’alkylation, en passant par diverses réactions péricycliques. Le grand intérêt pour ce ligand vient de sa versatilité et des nombreuses possibilités de fonctionnalisation qu’il offre, permettant d’altérer ses propriétés catalytiques à volonté, aussi bien en modifiant son caractère électronique, qu’en introduisant des facteurs stériques autour du site catalytique. Parallèlement aux développements de la catalyse par des dérivés de Binol, le domaine des liquides ioniques a connu un intérêt croissant ces dernières années. Les liquides ioniques, sels dont le point de fusion est inférieur à 100°C, cumulent de nombreuses qualités convoitées : faible pression de vapeur, stabilité thermique et chimique et fort pouvoir de solvatation. Dû à ces propriétés, les liquides ioniques ont principalement été étudiés dans l’optique de développer une gamme de solvants recyclables. Alors que les propriétés des liquides ioniques sont facilement modulables en fonction de l’anion et du cation choisi, le concept de liquide ionique à tâche spécifique va plus loin et propose d’introduire directement, sur le cation ou l’anion, un groupement conférant une propriété particulière. En suivant cette approche, plusieurs ligands ioniques ont été rapportés, par simple couplage d’un cation organique à un ligand déjà connu. Étonnamment, le Binol a fait l’objet de très peu de travaux pour l’élaboration de ligands ioniques. Dans cette thèse, nous proposons l’étude d’une famille de composés de type Binol-imidazolium dont les unités Binol et imidazolium sont séparées par un espaceur méthylène. Différents homologues ont été synthétisés en variant le nombre d’unités imidazolium et leur position sur le noyau Binol, la longueur de la chaîne alkyle portée par les unités imidazolium et la nature du contre-anion. Après une étude des propriétés thermiques de ces composés, l’utilisation des Binol-imidazoliums en tant que ligands dans une réaction asymétrique d’éthylation d’aldéhydes aromatique a été étudiée en milieu liquide ionique. La réaction a été conduite en solvant liquide ionique dans le but de recycler aussi bien le ligand Binol-imidazolium que le solvant, en fin de réaction. Cette étude nous a permis de démontrer que la sélectivité de ces ligands ioniques dépend grandement de leur structure. En effet, seuls les Binols fonctionnalisés en positions 6 et 6’ permettent une sélectivité de la réaction d’éthylation. Alors que les dérivés de Binol fonctionnalisés en positions 3 et 3’ ne permettent pas une catalyse énantiosélective, il a déjà été rapporté que ces composés avaient la capacité de complexer des anions. D’autre part, il a déjà été rapporté par notre groupe, que les composés comportant des unités imidazolium pouvaient permettre le transport d’anions à travers des bicouches lipidiques en fonction de leur amphiphilie. Ceci nous a amenés à la deuxième partie de cette thèse qui porte sur les propriétés ionophores des Binols fonctionnalisés en positions 3 et 3’ par des unités imidazoliums. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude de la relation structure-activité et au mécanisme de transport de ces composés. Le transport d’anions étant un processus clé dans la biologie cellulaire, l’activité biologique des composés présentant une activité ionophore dans des systèmes modèles (liposomes) a été étudiée par la suite. L’activité antibactérienne des nos composés a été testée sur quatre souches de bactéries. Il s’est avéré que les composés Binol-imidazolium sont actifs uniquement sur les bactéries Gram positives. Finalement, la cytotoxicité des composés présentant une activité antibactérienne a été étudiée sur des cellules humaines.

Sels d’imidazolium avec des anions catalytiques : vers le développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides actifs en milieu liquide ionique

Les liquides ioniques connaissent depuis quelques décennies un essor particulier en raison de leurs nombreuses propriétés physico-chimiques intéressantes, telles qu’une faible pression de vapeur saturante, une viscosité limitée, une faible miscibilité avec la plupart des solvants communs, ou encore des propriétés d’agencement supramoléculaire, qui en font des outils puissants dans de nombreux domaines de la chimie. Les sels d’imidazolium représentent la plus grande famille de liquides ioniques à ce jour. Leur modulabilité leur permet d’être dérivés pour de nombreuses applications spécifiques, notamment en synthèse organique, où ils sont utilisés majoritairement comme solvants, et plus récemment comme catalyseurs. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur leur utilisation en synthèse organique, à la fois comme solvants et principalement comme catalyseurs chiraux, catalyseurs pour lesquels l’anion du sel est l’espèce catalytique, permettant d’ajouter de la flexibilité et de la mobilité au système. En tirant parti de la tolérance des liquides ioniques envers la majorité des macromolécules naturelles, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est le développement d’un nouveau type de catalyseur bio-hybride reposant sur l’encapsulation d’un sel d’imidazolium dans une protéine. Par le biais de la technologie biotine-avidine, l’inclusion supramoléculaire de sels d’imidazolium biotinylés portant des contre-anions catalytiques dans l’avidine a été réalisée et exploitée en catalyse. Dans un premier temps, le développement et l’étude de deux sels de 1-butyl-3-méthylimidazolium possédant des anions chiraux dérivés de la trans-4-hydroxy-L-proline sont rapportés, ainsi que leur comportement dans des réactions énantiosélectives d’aldol et d’addition de Michael. Ces types de composés se sont révélés actifs et performants en milieu liquide ionique. Dans un second temps, la préparation de sels d’imidazolium dont le cation est biotinylé et portant un contre-anion achiral, a été réalisée. Le comportement de l’avidine en milieu liquide ionique et son apport en termes de chiralité sur le système bio-hybride ont été étudiés. Les résultats montrent le rôle crucial des liquides ioniques sur la conformation de la protéine et l’efficacité du catalyseur pour des réactions d’aldol. Dans un dernier temps, l’influence de la structure du cation et de l’anion sur le système a été étudiée. Différents espaceurs ont été introduits successivement dans les squelettes cationiques et anioniques des sels d’imidazolium biotinylés. Dans le cas du cation, les résultats ne révèlent aucune influence majeure sur l’efficacité du catalyseur. La structure de l’anion se montre cependant beaucoup plus importante : la préparation de différents catalyseurs bio-hybrides possédant des anions aux propriétés physico-chimiques différentes a permis d’obtenir de plus amples informations sur le mode de fonctionnement du système bio-hybride et de la coopérativité entre l’avidine et l’anion du sel d’imidazolium.La nature ionique de la liaison cation-anion offrant une liberté de mouvement accrue à l’anion dans la protéine, la tolérance à différents substrats a également été abordée après optimisation du système.

Étude de l’immunité mucosale génitale chez des femmes béninoises hautement exposées au VIH-1 séronégatives (HESN) et séropositives.

Introduction : Aujourd’hui, 35,3 millions de personnes vivent avec le virus de l’immunodéficience humaine (VIH)-1 dans le monde ; l’Afrique subsaharienne concentre 70% des nouvelles infections et les femmes en représentent plus de la moitié. Le mode de transmission du VIH le plus répandu est par voie mucosale génitale suite à des relations sexuelles. Le tractus génital féminin (TGF) possède un milieu immunitaire complexe qui doit contrer l’invasion par des pathogènes tout en maintenant la tolérance/contrôle de la flore normale vaginale étant sous la pression de procréation sous influence des hormones sexuelles. De plus, les mécanismes favorisant ou prévenant l’infection du TGF par le VIH ne sont pas précisément identifiés. Hypothèse : Le contexte inflammatoire mucosal génital et la résultante de dialogues intercellulaires tel qu’entre les cellules épithéliales génitales (CEG) et les cellules dendritiques myéloïdes (mDC), qui sont des premières à rencontrer le virus aux portes d’entrée mucosales, modulent l’activité des lymphocytes qui est déterminante dans le type de réponse immunitaire élaborée par l’hôte. Méthodologie : Des spécimens provenant d’une cohorte de travailleuses du sexe (TS) recrutées à Cotonou au Bénin en Afrique subsaharienne ont été analysés. Nous avons caractérisé le milieu mucosal génital féminin hautement exposé au VIH de TS séronégatives (highly exposed seronegative; HESN) en comparaison avec celui de TS séropositives. Brièvement, les liquides cervicaux-vaginaux ont été déterminés par des techniques de multiplexes/Luminex ou par ELISA et le milieu cellulaire a été décrit suite à des analyses de cytométrie en flux (phénotypage et tri cellulaire). Résultats : Nous avons observé la présence augmentée d’un facteur soluble antiviral, immunomodulateur et antiprolifératif sécrété dans le TGF des TS HESN qui est l’interféron (IFN)-α. La présence augmentée de cette cytokine suggère l’existence possible de connexions intercellulaires clés qui pourraient mener à une régulation homéostatique du compartiment immunitaire génital permettant de contrôler l’infection par le VIH-1. En étudiant l’expression de molécules impliquées dans les voies de signalisation associées à la production d’IFN-α dans les CEG et les cellules myéloïdes du TGF, nous avons pu mettre en évidence l’existence d’un microenvironnement présentant un profil «tolérogénique/régulateur» dans le TGF des TS HESN. Conclusion : Nos observations nous ont permis d’élucider certaines hypothèses sur un potentiel mécanisme d’immunité naturelle protecteur chez les TS HESN. De plus, nous sommes des premiers à décrire une population myéloïde présentant des caractéristiques de DC «tolérogéniques» de par leur expression d’interleukine (IL)-10, de human leukocyte antigen (HLA)-G et de immunoglobulin-like transcript (ILT)-4 dans le TGF de TS HESN. Cette étude aura des implications majeures dans le développement de stratégies d’interventions préventives afin de moduler des conditions inflammatoires préexistantes ainsi établissant une défense mucosale rapide et durable contre le VIH-1.

Analyse et modélisation de la réponse des détecteurs du projet PICASSO pour la recherche de la matière sombre

Les mesures cosmologiques les plus récentes ont montré la présence d’un type de matière exotique constituant 85% de la masse de l’univers. Ce type de matière non baryonique serait formé de particules neutres, non relativistes, massives et interagissant faiblement avec la matière baryonique. L’ensemble des candidats est regroupé sous le nom générique WIMP (Weakly Interactive Massive Particles). L’expérience PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une expérience utilisant des détecteurs à seuil d’énergie contenant des gouttelettes surchauffées constituées de C4F10. Cette technique de détection est basée sur le principe de la chambre à bulles. Le projet PICASSO a pour but de détecter directement une particule de matière sombre. Le principe de détection est qu’une particule de matière sombre interagissant avec le liquide actif engendre un recul nucléaire du 19F. L’énergie de recul serait suffisante pour engendrer une transition de phase accompagnée d’un signal acoustique enregistrée par des senseurs piézoélectriques. Dans le cadre de ce mémoire, une simulation du taux de comptage de l’étalonnage des détecteurs PICASSO soumis à des neutrons monoénergétiques a été effectuée en utilisant la théorie de Seitz qui décrit les critères pour qu’une transition de phase ait lieu pour un liquide en état de surchauffe. De plus, un modèle calculant le signal acoustique émis lors d’une transition de phase engendré par différents types de radiations a été créé permettant de caractériser la discrimination entre différents bruits de fond en fonction de l’énergie de seuil. Finalement, un outil d’analyse, la localisation des évènements, a été utilisé pour appliquer des coupures sur le volume dans le but d’améliorer la discrimination alpha-neutron.

Studies of nonlinear absorption and aggregation in aqueous solutions of rhodamine 6G using a transient thermal lens technique

Dual-beam transient thermal lens studies were carried out in aqueous solutions of rhodamine 6G using 532 nm pulses from a frequency-doubled Nd:YAG laser. The analysis of the observed data showed that the thermal lens method can effectively be utilized to study the nonlinear absorption and aggregation which are taking place in a dye medium.

Open-cell photoacoustic investigation of the thermal effusivity of liquid crystals

We report the use of an open photoacoustic cell configuration for the evaluation of thermal effusivity of liquid crystals. Initially, the method is calibrated using water and glycerol as transparent liquid samples, and the role of thermal conductivity of these liquids on the photoacoustic signal amplitude is discussed. To demonstrate the application of the present method for the evaluation of thermal effusivity of liquid crystals, we have used certain multicomponent nematic liquid crystal mixtures, namely BL001, BL002, BL032, and BL035. Each of these liquid crystal mixtures contains four to nine components and are primarily based on the cyanobiphenyl structure. The measured values of thermal effusivity of BL001 and BL002 were found to be almost the same, but differ from those of BL032 and BL035, which implies a difference in composition of the latter two from the former two mixtures.

Fluorescence quantum yield of rhodamine 6G using pulsed photoacoustic technique

Experimental method for measuring photoacoustic(PA) signals generated by a pulsed laser beam in liquids is described. The pulsed PA technique is found to be a convenient and accurate method for determination of quantum yield in fluorescent dye solutions. Concentration dependence of quantum yield of rhodamine 6G in water is studied using the above method. The results indicate that the quantum yield decreases with increase in concentration in the quenching region in agreement with the existing reports based on radiometric measurements.

Condensation of helium in nanoscopic alkali wedges at zero temperature

We present a complete calculation of the structure of liquid 4He confined to a concave nanoscopic wedge, as a function of the opening angle of the walls. This is achieved within a finite-range density functional formalism. The results here presented, restricted to alkali metal substrates, illustrate the change in meniscus shape from rather broad to narrow wedges on weak and strong alkali adsorbers, and we relate this change to the wetting behavior of helium on the corresponding planar substrate. As the wedge angle is varied, we find a sequence of stable states that, in the case of cesium, undergo one filling and one emptying transition at large and small openings, respectively. A computationally unambiguous criterion to determine the contact angle of 4He on cesium is also proposed.

Role of structural saturation and geometry in the luminescence of silicon-based nanostructured materials

The structural saturation and stability, the energy gap, and the density of states of a series of small, silicon-based clusters have been studied by means of the PM3 and some ab initio (HF/6-31G* and 6-311++G**, CIS/6-31G* and MP2/6-31G*) calculations. It is shown that in order to maintain a stable nanometric and tetrahedral silicon crystallite and remove the gap states, the saturation atom or species such as H, F, Cl, OH, O, or N is necessary, and that both the cluster size and the surface species affect the energetic distribution of the density of states. This research suggests that the visible luminescence in the silicon-based nanostructured material essentially arises from the nanometric and crystalline silicon domains but is affected and protected by the surface species, and we have thus linked most of the proposed mechanisms of luminescence for the porous silicon, e.g., the quantum confinement effect due to the cluster size and the effect of Si-based surface complexes.

Calorimetry of hydrogen desorption from a-Si nanoparticles

The process of hydrogen desorption from amorphous silicon (a-Si) nanoparticles grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) has been analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), mass spectrometry, and infrared spectroscopy, with the aim of quantifying the energy exchanged. Two exothermic peaks centered at 330 and 410 C have been detected with energies per H atom of about 50 meV. This value has been compared with the results of theoretical calculations and is found to agree with the dissociation energy of Si-H groups of about 3.25 eV per H atom, provided that the formation energy per dangling bond in a-Si is about 1.15 eV. It is shown that this result is valid for a-Si:H films, too.

Spin filtering through ferromagnetic BiMnO3 tunnel barriers

We report on experiments of spin filtering through ultrathin single-crystal layers of the insulating and ferromagnetic oxide BiMnO3 (BMO). The spin polarization of the electrons tunneling from a gold electrode through BMO is analyzed with a counterelectrode of the half-metallic oxide La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO). At 3 K we find a 50% change of the tunnel resistances according to whether the magnetizations of BMO and LSMO are parallel or opposite. This effect corresponds to a spin-filtering efficiency of up to 22%. Our results thus show the potential of complex ferromagnetic insulating oxides for spin filtering and injection.