Ingénierie moléculaire et fluorescence pour la reconnaissance de cations toxiques

This work is a part of the “Toxicologie Nucléaire Environnementale” program which aims at studying the effects on the living of heavy metals or radionuclides involved in nuclear industry. Most particularly, it deals with the design of new fluorescent sensors for the selective detection of Pb2+, Cd2+ and Cs+ in biological media. Several fluorescent calixarenes possessing nitrogen atoms were synthesized and their properties as potential lead sensors were investigated. One of them could be used in experimental conditions close to biological media and new target compounds with amide functional groups were proposed. Many approaches were considered for the design of selective fluorescent sensors for cadmium. On the basis of literature results, many chelating compounds incorporating sulfur atoms were synthesized but showed no significant affinity towards cadmium. On the opposite, compounds functionalized with several pyridin-2'-yl-1,2,3-triazol fluorescent moieties linked to a β- cyclodextrin or a calix[4]arene showed good affinity for cadmium in methanol, but the selectivity was found to be insufficient. In contrast, very satisfying results in terms of both selectivity and sensitivity could be obtained with the commercial calcium sensor Rhod-5N in an aqueous medium at neutral pH. Lastly, micromolar detection limits for the selective detection of caesium were reached in an aqueous medium at neutral pH thanks to a new sulfonated fluorescent calixarene with two appended crown-ethers. An original complexation mechanism was proposed and validated by molecular modelling (DFT)Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du programme Toxicologie Nucléaire Environnementale dont l'objectif est d'étudier les effets sur le vivant de différents métaux lourds ou radionucléides issus de l'industrie nucléaire. En particulier, il concerne la conception de nouvelles sondes fluorescentes pour la détection sélective de Pb2+, Cd2+ et Cs+ en milieu biologique. Plusieurs calixarènes azotés fluorescents ont été synthétisés et étudiés pour la détection du plomb. L'un d'entre eux a pu être utilisé dans des conditions proches du milieu biologique. La synthèse de nouveaux composés portant des groupes amides a été proposée. Différentes approches ont été envisagées pour la conception de senseurs fluorescents sélectifs du cadmium. A partir de résultats de la littérature, des ligands incorporant des atomes de soufre ont été synthétisés mais n'ont pas montré d'affinité particulière pour le cadmium. A l'inverse, des composés comportant plusieurs motifs fluorescents pyridin-2'-yl-1,2,3-triazole liés à une β- cyclodextrine ou à un calix[4]arène ont montré une bonne affinité pour le cadmium dans le méthanol, mais une modeste sélectivité a été observée. En revanche, de très bons résultats en termes de sélectivité et de sensibilité ont pu être obtenus en milieu aqueux à pH neutre avec une sonde de calcium commerciale, le Rhod-5N. Enfin, la détection sélective de concentrations micromolaires en césium a été rendue possible en milieu aqueux à pH = 7 grâce à un nouveau calixarène sulfoné fluorescent possédant deux éthercouronnes. Un modèle pour la complexation du césium a été proposé et validé par modélisation moléculaire (DFT)