Étude de l'association supramoléculaire à l'état solide des fullerènes C60 et C70 avec des dérivés triptycényles fonctionnalisés

Le fullerène C60 est une molécule sphérique composée exclusivement d'atomes de carbone. Ce composé possède une surface aromatique convexe homogène et peut s'associer, entre autres, avec des molécules possédant des surfaces aromatiques par des interactions non-covalentes. Le triptycène est une molécule en forme de "Y" qui possède des surfaces aromatiques convexes. Cette molécule possède l'habileté de s'associer avec le C60 par des interactions de type π qui sont amplifiées par la complémentarité des surfaces concaves et convexes impliquées dans les arrangements cristallins. Nous avons synthétisé des dérivés triptycényles portant des groupements fonctionnels aux extrémités des bras de ce noyau de façon à étendre les cavités disponibles pour interagir avec le C60. En effet, nous avons découvert que les atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle permettent d'étendre les surfaces disponibles pour interagir avec les fullerènes C60 et C70. Nous avons étudié les associations entre les dérivés triptycényles et les fullerènes par l'analyse des structures cristallographiques résolues par diffraction des rayons-X. De plus, nous avons étudié les associations entre les molécules considérées par l'analyse des surfaces d'Hirshfeld entourant les fullerènes. Découlant de ces études, l'effet d'amplification des atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle a été employé pour identifier de nouveaux solvants aptes à solubiliser efficacement le C60.

Étude de l’association supramoléculaire bi- et tridimensionnelle d’oximes et d’hydrazones trigonales

Les concepts de la chimie supramoléculaire peuvent être exploités avantageusement pour contrôler la structure et les propriétés des matériaux moléculaires. Dans une approche productive, les composantes moléculaires du matériau peuvent être choisies pour pouvoir s'engager dans des interactions fortes et prévisibles avec leurs voisins. Cette stratégie, appelée la tectonique moléculaire, est caractérisée par la préparation de molécules particulières appelées tectons (du grec tectos, qui signifie constructeur) qui, par design rationnel, s’associent de manière prévisible via de multiples interactions non-covalentes afin de générer l’architecture désirée. Ce processus est réversible et guidé par la présence de fonctions chimiques complémentaires, appelées groupements de reconnaissance, qui sont orientées de manière à conférer un aspect directionnel aux interactions intermoléculaires. Ceci permet de positionner les molécules voisines de façon prédéterminée. Les contraintes imposées par les interactions s’opposent souvent à la tendance naturelle des molécules à former une structure compacte et permettent donc à d'autres molécules invitées d’occuper un volume appréciable dans le matériau, sans toutefois contribuer directement à l'architecture principale. Appliquée à la cristallisation, cette approche peut générer des cristaux poreux, analogues aux zéolites. Les ponts hydrogène offrent une interaction non-covalente de choix dans cette stratégie car ils sont forts et directionnels. L’exploration d’une multitude de fonctions chimiques connues pour pouvoir participer à la formation de ponts hydrogène a permis de créer une grande diversité de nouveaux matériaux lors de l’évolution du domaine du génie cristallin. Une molécule classique, qui illustre bien la stratégie tectonique et qui a eu un fort impact dans le domaine de la chimie supramoléculaire, est l’acide 1,3,5-benzènetricarboxylique, communément appelé acide trimésique. L’acide trimésique donne une orientation trigonale à trois groupements carboxyles, favorisant ainsi la formation d'un réseau hexagonal retenu par ponts hydrogène. Nous avons visé une modification dans laquelle les groupements -COOH de l'acide trimésique sont remplacés par deux autres groupements de reconnaissance, jusqu’ici peu exploités en chimie supramoléculaire, l’oxime et l’hydrazone. Nous rapportons la synthèse et la cristallisation de différentes trioximes et trihydrazones analogues à l'acide trimésique. Les cristaux obtenus ont été analysés par diffraction des rayons-X et leurs structures ont été déterminées. L’auto-assemblage de différentes trioximes et trihydrazones en 2D par adsorption sur graphite a également été étudié en utilisant la microscopie à balayage à effet tunnel. Nos résultats nous permettent de comparer l'organisation en 2D et en 3D de différents analogues de l'acide trimésique.

Molecular Networks Created by Charge-Assisted Hydrogen Bonds Between Bis(aminidinium) Cations and Carboxylates, Sulfonates, Phosphonates and Phosphates

L'objectif de cette étude est d'apprendre à créer de nouveaux matériaux moléculaires par design. À l'heure actuelle, il n'existe aucune méthode générale pour la prédiction des structures et des propriétés, mais des progrès importants ont été accomplis, en particulier dans la fabrication de matériaux moléculaires ordonnés tels que des cristaux. En ces matériaux, l'organisation peut être contrôlée efficacement par la stratégie de la tectonique moléculaire. Cette approche utilise des molécules appelées “tectons”, qui peuvent s’associer de manière dirigée par des interactions non covalentes prévisibles. De cette façon, la position de chaque molécule par rapport à ses voisins peut être programmée avec un degré élevé de fiabilité pour créer des cristaux et d'autres matériaux organisés avec des caractéristiques et des propriétés structurelles souhaitables. Le travail que nous allons décrire est axé sur l'utilisation de l'association des cations bis(aminidinium) avec des carboxylates, sulfonates, phosphonates et phosphates, afin de créer des réseaux moléculaires prévisibles. Ces réseaux promettent d'être particulièrement robuste, car ils sont maintenus ensemble par de multiples liaisons hydrogène assistées par des interactions électrostatiques.

Étude sur la reconnaissance de l'ubiquitine par les domaines de transactivation acides des activateurs de transcription

Les domaines de transactivation (TAD) acides sont présents dans plusieurs protéines oncogéniques, virales et dans des facteurs de différenciation de cellules souches. Ces domaines acides contrôlent la transcription à travers une myriade d’interactions avec divers partenaires ce qui provoque l’activation de la transcription ou leur propre élimination. Cependant, dans la dernière décennie, de plus en plus de recherches ont démontré que les TAD possédaient un sous-domaine activation/dégradation (DAD) responsable pour une fonction d'activation de la transcription dépendante de la dégradation de la protéine. Un tel phénomène peut être accompli par plusieurs moyens tels que des modifications post-traductionnelles, l’association à des cofacteurs ou la formation d’un réseau d’interaction complexe en chaînes. Or, aucune preuve concrète n’a pu clairement démontrer le fonctionnement de la dépendance paradoxale entre ces deux fonctions sur un activateur de transcription. Le DAD, a été observé dans plusieurs facteurs de transcription incluant la protéine suppresseur de tumeur p53 et le facteur de différenciation érythrocyte EKLF. Un aspect particulier des DAD est que la composition de leur séquence d’acide aminé est fortement similaire à celle des domaines de liaison à l’ubiquitine (UBD) qui jouent un rôle clé dans le contrôle de la transcription à travers leur interaction non-covalente avec l’ubiquitine. Ainsi, dans ce mémoire, nous avons étudié la possibilité que les TAD acides soient capables d’agir comme UBD pour réguler leur fonction paradoxale à travers des interactions non-covalentes avec l’ubiquitine. L’analyse est faite en utilisant la résonnance magnétique nucléaire (RMN) ainsi qu’avec des essais fonctionnels de dégradation. En somme, cette étude amène une plus grande compréhension des protéines impliquées dans le contrôle des TAD et caractérise le tout premier exemple de TAD capable d’interagir avec l’ubiquitine.

Préparation de réseaux organiques covalents monocristallins par polymérisation de composés polynitroso aromatiques.

La construction modulaire est une stratégie émergente qui permet la fabrication de matériaux ordonnés à l’échelle atomique. Elle consiste en l’association programmée de sous-unités moléculaires via des sites réactifs judicieusement sélectionnés. L’application de cette stratégie a d’ores et déjà produit des matériaux aux propriétés remarquables, notamment les réseaux organiques covalents, dans lesquels des atomes de carbone et d’autres éléments légers sont liés de manière covalente. Bien que des matériaux assemblés par des interactions non-covalentes puissent être préparés sous la forme de monocristaux macroscopiques de cette façon, ceci n’était pas possible dans le cas des réseaux organiques covalents. Afin de pallier cette lacune, nous avons choisi d’étudier des réactions de polymérisation réversibles ayant lieu par un mécanisme d’addition. En effet, l’hypothèse de départ de cette thèse suppose qu’un tel processus émule le phénomène de cristallisation classique – régi par des interactions non-covalentes – et favorise la formation de monocristaux de dimensions importantes. Pour tester la validité de cette hypothèse, nous avons choisi d’étudier la polymérisation des composés polynitroso aromatiques puisque la dimérisation des nitrosoarènes est réversible et procède par addition. Dans un premier temps, nous avons revu en profondeur la littérature portant sur la dimérisation des nitrosoarènes. À partir des données alors recueillies, nous avons conçu, dans un deuxième temps, une série de composés polynitroso ayant le potentiel de former des réseaux organiques covalents bi- et tridimensionnels. Les paramètres thermodynamiques propres à leur polymérisation ont pu être estimés grâce à l’étude de composés mononitroso modèles. Dans un troisième temps, nous avons synthétisé les divers composés polynitroso visés par notre étude. Pour y parvenir, nous avons eu à développer une nouvelle méthodologie de synthèse des poly(N-arylhydroxylamines) – les précurseurs directs aux composés polynitroso. Dans un quatrième temps, nous avons étudié la polymérisation des composés polynitroso. En dépit de difficultés d’ordre pratique causées par la polymérisation spontanée de ces composés, nous avons pu identifier les conditions propices à leur polymérisation en réseaux organiques covalents hautement cristallins. Plusieurs nouveaux réseaux covalents tridimensionnels ont ainsi été produits sous la forme de monocristaux de dimensions variant entre 30 µm et 500 µm, confirmant la validité de notre hypothèse de départ. Il a par conséquent été possible de résoudre la structure de ces cristaux par diffraction de rayons X sur monocristal, ce qui n’avait jamais été possible dans le passé pour ce genre de matériau. Ces cristaux sont remarquablement uniformes et les polymères qui les composent ont des masses moléculaires extrêmement élevées (1014-1017 g/mol). Toutefois, la polymérisation de la majorité des composés polynitroso étudiés a plutôt conduit à des solides amorphes ou à des solides cristallins constitués de la forme monomérique de ces composés. D’autres composés nitroso modèles ont alors été préparés afin d’expliquer ce comportement, et des hypothèses ont été émises à partir des données alors recueillies. Enfin, les structures de plusieurs composés polynitroso ayant cristallisés sous une forme monomérique ont été analysés en détails par diffraction des rayons X. Notre stratégie, qui consiste en l’utilisation de monomères ayant la capacité de polymériser spontanément par un processus d’addition réversible, semble donc prometteuse pour obtenir de nouveaux réseaux covalents monocristallins à partir de composés polynitroso ou d’autres monomères de nature similaire. De plus, les résultats présentés au cours de cette thèse établissent un lien entre la science des polymères et la chimie supramoléculaire, en illustrant comment des structures ordonnées, covalentes ou non covalentes, peuvent toutes deux être construites de façon prévisible.

Design of Cyclophanes: Synthesis and Study of Photophysical and Biomolecular Recognition Properties

Development of organic molecules that exhibit selective interactions with different biomolecules has immense significance in biochemical and medicinal applications. In this context, our main objective has been to design a few novel functionaIized molecules that can selectively bind and recognize nucleotides and DNA in the aqueous medium through non-covalent interactions. Our strategy was to design novel cycIophane receptor systems based on the anthracene chromophore linked through different bridging moieties and spacer groups. It was proposed that such systems would have a rigid structure with well defined cavity, wherein the aromatic chromophore can undergo pi-stacking interactions with the guest molecules. The viologen and imidazolium moieties have been chosen as bridging units, since such groups, can in principle, could enhance the solubility of these derivatives in the aqueous medium as well as stabilize the inclusion complexes through electrostatic interactions.We synthesized a series of water soluble novel functionalized cyclophanes and have investigated their interactions with nucleotides, DNA and oligonucIeotides through photophysical. chiroptical, electrochemical and NMR techniques. Results indicate that these systems have favorable photophysical properties and exhibit selective interactions with ATP, GTP and DNA involving electrostatic. hydrophobic and pi-stacking interactions inside the cavity and hence can have potential use as probes in biology.

Crystal Structures and Spectral Investigation of Aroylhydrazones and their Mixed Ligand Metal Chelates

Supra molecular architectures of coordination complexes of liydrazones through non covalent interactions have been explored. Molecular self—assernbly driven by weak interactions such as hydrogen— bonding, K '”T[, C-1-I‘ "TE, van der Waals interactions, and so forth are currently of tremendous research interest in the fields of molecule based materials. The directional properties of the hydrogembonding interaction associate discrete molecules into aggregate structures that are sufficiently stable to be considered as independent chemical species. Chemistry can borrow nature’s strategy to utilize hydrogen-bonding as Well as other noncovalent interactions as found in secondary and tertiary structures of proteins such as the double helix folding of DNA, hydrophobic selflorganization of phospholipids in cell membrane etc. In supramolecular chemistry hydrogen bonding plays an important role in forming a variety of architectures. Thus, the wise modulation and tuning of the complementary sites responsible for hydrogen—bond formation have led to its application in supramolecular electronics, host-guest chemistry, self-assembly of molecular capsules, nanotubes etc. The work presented in this thesis describes the synthesis and characterization of metal complexes derived from some substituted aroylhydrazones. The thesis is divided into seven chapters.

Synthesis and Aggregation Behavior of Pluronic F87/Poly(acrylic acid) Block Copolymer with Doxorubicin

Poly(acrylic acid) (PAA) was grafted onto both termini of Pluronic F87 (PEO₆₇-PPO₃₉-PEO₆₇) via atom transfer radical polymerization to produce a novel muco-adhesive block copolymer PAA₈₀-b-F₈₇-b-PAA₈₀. It was observed that PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀ forms stable complexes with weakly basic anti-cancer drug, Doxorubicin. Thermodynamic changes due to the drug binding to the copolymer were assessed at different pH by isothermal titration calorimetry (ITC). The formation of the polymer/drug complexes was studied by turbidimetric titration and dynamic light scattering. Doxorubicin and PAA-b-F87-b-PAA block copolymer are found to interact strongly in aqueous solution via non-covalent interactions over a wide pH range. At pH>4.35, drug binding is due to electrostatic interactions. Hydrogen-bond also plays a role in the stabilization of the PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀/DOX complex. At pH 7.4 (α=0.8), the size and stability of polymer/drug complex depend strongly on the doxorubicin concentration. When CDOX <0.13mM, the PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀ copolymer forms stable inter-chain complexes with DOX (110 ~ 150 nm). When CDOX >0.13mM, as suggested by the light scattering result, the reorganization of the polymer/drug complex is believed to occur. With further addition of DOX (CDOX >0.34mM), sharp increase in the turbidity indicates the formation of large aggregates, followed by phase separation. The onset of a sharp enthalpy increase corresponds to the formation of a stoichiometric complex.

Thermo-responsive microphase separated supramolecular polyurethanes

The ability to generate very stable assemblies via non-covalent interactions has enabled materials to be constructed that were not feasible via traditional covalent bond formation processes. A series of low molecular mass bisurethane and bisurea polymers have been developed that form stable self-assembled networks through hydrogen bonding interactions. Thermo-responsive polymers were generated by end-capping poly(ethylene-co-butylene) or polybutadiene chains with the bisurethane or bisurea motif. Microphase separation is observed via TEM and small-angle X-ray scattering (SAXS) for the modified pseudo polymers and significant differences in the temperature dependence of microphase separation are analysed via SAXS. The importance of the polarity of the end groups is manifested in distinct temperature-dependent microphase separation behaviour. Information on the local hydrogen bonding structure is provided by wide-angle X-ray scattering and variable temperature FTI

An amyloid-like fibril forming antiparallel supramolecular beta-sheet from a synthetic tripeptide: a crystallographic signature

Single crystal X-ray diffraction studies of a terminally blocked tripeptide Boc-Leu(1)-Aib(2)-Leu(3)-OMe 1 demonstrates that it adopts a bend structure without any intramolecular hydrogen bond. Peptide 1 self-assembles to form a supramolecular antiparallel beta-sheet structure by various non-covalent interactions including intermolecular hydrogen bonds in the crystal and it exhibits amyloid-like fibrillar morphology in the solid state. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The role of terminal tyrosine residues in the formation of tripeptide nanotubes: a crystallographic insight

Terminally protected acyclic tripeptides containing tyrosine residues at both termini self-assemble into nanotubes in crystals through various non-covalent interactions including intermolecular hydrogen bonds. The nanotube has an average internal diameter of 5 angstrom (0.5 nm) and the tubular ensemble is developed through the hydrogen-bonded phenolic-OH side chains of tyrosine (Tyr) residues [Org. Lett. 2004, 6, 4463]. We have synthesized and studied several tripeptides 3-6 to probe the role of tyrosine residues in nanotube structure formation. These peptides either have only one Tyr residue at N- or C-termini or they have one or two terminally located phenylalanine (Phe) residues. These tripeptides failed to form any kind of nanotubular structure in the solid state. Single crystal X-ray diffraction studies of these peptides 3-6 clearly demonstrate that substitution of any one of the terminal Tyr residues in the Boc-Tyr-X-Tyr-OMe (X=VaI or Ile) sequence disrupts the formation of the nanotubular structure indicating that the presence of two terminally located Tyr residues is vital for nanotube formation. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Nanozipper formation in the solid state from a self-assembling tripeptide with a single tryptophan residue

The self-assembly of a terminally protected tripeptide Boc-gamma-Abu(1)-Ala(2)-Trp(3)-OMe (gamma-Abu = gamma-aminobutyric acid) I results in the formation of a nanostructured supramolecular zipper through various non-covalent interactions in the crystal in which the indole side-chain of the Trp(3) residue plays a key role via N-H...pi interactions. (c) 2006 Published by Elsevier Ltd.

Hydrogen bonded supramolecular elastomers : correlating hydrogen bonding strength with morphology and rheology

A series of six low molecular weight elastomers with hydrogen bonding end-groups have been designed, synthesised and studied. The poly(urethane) based elastomers all contained essentially the same hard block content (ca. 11%) and differ only in the nature of their end-groups. Solution state 1H NMR spectroscopic analysis of model compounds featuring the end-groups demonstrate that they all exhibit very low binding constants, in the range 1.4 to 45.0 M-1 in CDCl3, yet the corresponding elastomers each possess a markedly different nanoscale morphology and rheology in the bulk. We are able to correlate small variations of the binding constant of the end-groups with dramatic changes in the bulk properties of the elastomers. These results provide an important insight into the way in which weak non-covalent interactions can be utilized to afford a range of self-assembled polyurethane based materials that feature different morphologies.

Supramolecular assemblies of metal ions in complex bimetallic and trimetallic salts based on hexacyanoferrate(III) ion

Two complex heterometallic salts with formulae Tl-6[Fe(CN)(6)](1) (33)(NO3)(OH) (1) and [Co(bpy)(2)(CN)(2)](2){[Ag(CN)(2)](0) (5)[Fe(CN)(6)](0) (5)} 8H(2)O (2) have been synthesized and fully characterized Single crystal X-ray analyses reveal that compound 1 is comprised of discrete Tl+ cations and [Fe(CN)(6)](3-) anions together with OH- and NO3- anions Compound 2 contains [Co(bpy)(2)(CN)(2)](+) cations and {[Ag(CN)(2)][Fe(CN)(6)]}(-) anions together with eight molecules of water of crystallization Both structures form unprecedented three-dimensional supramolecular networks via non covalent interactions Another important observation is that the stereochemically active inert (lone) pair present on Tl+ plays little role in controlling the structure of 1 The water molecules in 2 play important roles in providing stability organizing a supramolecular network through hydrogen bonding In the syntheses of 1 and 2 Fe(II) is oxidized to Fe(III) and Co(II) to Co(III) respectively facilitating the formation of the salts that are obtained Both compounds exhibit photoluminescence emission in solution near the visible region.

Hydrogen-bond assisted stabilization of the less favored conformation of a tridentate Schiff base ligand in dinuclear nickel(II) complex: an experimental and theoretical study

The Schiff base ligand, HL (2-[1-(3-methylamino-propylimino)-ethyl]-phenol), the 1:1 condensation product of 2-hydroxy acetophenone and N-methyl-1,3-diaminopropane, has been synthesized and characterized by X-ray crystallography as the perchlorate salt [H2L]ClO4 (1). The structure consists of discrete [H2L](+) cations and perchlorate anions. Two dinuclear Ni-II complexes, [Ni2L2(NO2)(2)] (2), [Ni2L2(NO3)(2)] (3) have been synthesized using this ligand and characterized by single crystal X-ray analyses. Complexes 2 and 3 are centrosymmetric dimers in which the Ni-II ions are in distorted fac- and mer-octahedral environments, respectively, bridged by two mu(2)-phenolate ions of deprotonated ligand, L. The plane of the phenyl rings and the Ni2O2 basal plane are nearly coplanar in 2 but almost perpendicular in 3. We have studied and explained this different behavior using high level DFT calculations (RI-BP86/def2-TZVP level of theory). The conformation observed in 3, which is energetically less favorable, is stabilized via intermolecular non-covalent interactions. Under the excitation of ultraviolet light, characteristic fluorescence of compound 1 was observed; by comparison fluorescence intensity decreases in case of compound 3 and completely quenched in compound 2.