Faculté des sciences

Insight into the rules dictating the formation of arene ruthenium metalla-assemblies

Garci, Amine ; Therrien, Bruno (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2015.

The self-assembly process is a natural phenomenon with the ability to organize biological systems. Its development by chemists as a synthetic process allowed the formation of esthetical structures as well as highly complex supramolecular systems with remarkable biological functions. Since 1990, metal directed self-assembly strategy has largely contributed to the design and synthesis of discrete... More

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    Résumé
    Le processus d'auto-assemblage est un phénomène naturel capable d'organiser des systèmes biologiques. Son utilisation par les chimistes comme procédé de synthèse a permis la formation de structures esthétiques et de systèmes supramoléculaires hautement complexes, avec des fonctions biologiques avérées. Depuis 1990, la stratégie d'auto-assemblage dirigée par des métaux a largement contribué à la conception et à la synthèse d'architectures discrètes. La formation de ces architectures spécifiques nécessite un contrôle minutieux des différents facteurs dirigeant le processus d'auto-assemblage.
    L'objectif de cette thèse est d'offrir un aperçu des règles dictant la formation des assemblages métalliques arène-ruthénium. Ceux-ci sont construits à l’aide de clips métalliques stables et de ligands polypyridiniques. La caractérisation des échanges dynamiques des ligands, au moyen d’une stratégie de marquage isotopique 1H/2D a démontré la stabilité et l'inertie relative de la structure rectangulaire. En outre, l'étude par résonance magnétique nucléaire, des espèces intermédiaires impliquées dans l'assemblage de cycles métalliques, a permis de mettre en exergue la nature dynamique de la liaison Ru-N en solution, avant la fermeture définitive des cycles métalliques. Cela nous a permis de décrire une voie de germination thermodynamique plausible avec une réactivité spécifique de ces assemblages métalliques.
    Par ailleurs, l’activité anticancéreuse prometteuse des complexes mononucléaires arène-ruthénium, ainsi que l’accumulation préférentielle de leurs espèces macromoléculaires dans les cellules cancéreuses, confèrent un potentiel antiprolifératif très intéressant aux cages métalliques arène-ruthénium. Ainsi notre stratégie pour optimiser l'activité biologique des prismes métalliques comportait deux approches. Dans un premier temps, la fonctionnalisation des ligands pontés, a permis d’améliorer la sélectivité des composés actifs contre les cellules cancéreuses. Dans un second temps, la modification de la taille des ouvertures, de la cavité des cages métalliques, a permis de contrôler la libération d’un photosensibilisateur hydrophobe dans une lignée cellulaire humaine du cancer du côlon HT-29.
    Summary
    The self-assembly process is a natural phenomenon with the ability to organize biological systems. Its development by chemists as a synthetic process allowed the formation of esthetical structures as well as highly complex supramolecular systems with remarkable biological functions. Since 1990, metal directed self-assembly strategy has largely contributed to the design and synthesis of discrete architectures. The formation of these specific architectures needs some control over the different factors ruling the coordination self-assembly process.
    The aim of this thesis was to offer an insight into the rules dictating the formation of arene ruthenium metalla-assemblies built from stable dinuclear metalla-clips and polypyridyl linkers. The characterization of the dynamic ligand exchanges using the 1H/2D isotope labeling strategy showed relative stability and inertness of the final structure. In addition, the study of the intermediate species involved during the assembly of metalla-cycles by NMR experiments highlighted the dynamic nature of the Ru-N bond in solution before the final closure of the metalla-cycles. This helped us to describe a plausible thermodynamic germination pathway together with the specific reactivity of such metalla-assemblies.
    The promising anticancer-activities of the mononuclear arene ruthenium complexes along with the preferential accumulation of macromolecular species in the cancer cells led to more interest in the anti-proliferative potential of arene ruthenium metalla-cages. Our strategies in order to optimize the biological activity of arene ruthenium metalla-prisms were: Functionalization of the bridging linkers resulted in selectivity improvements of the active compounds towards target cancer cells; and the modification of the portal’s size of metalla-cages to control the release of a hydrophobic photosensitizer on the human colon cancer cell line HT-29.