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Time-resolved fluorescence is an advanced spectrophotometric analysis method which allows the selection of emitted luminescent photons on a time-based parameters. It is possible to extract the signal of long-lived luminescent species even in complex and polluted matrix from the industry. This type of analysis is especially fitted for the detection of lanthanide ions. During this thesis two technologies based on time-resolved analysis were designed to answer specific industrial problematics. The first one yields the residual concentration of chemical additives used during oil and gas extraction. The second one aims at protecting crude oils and refined fuels from counterfeiting. They both rely on the use of lanthanide complex and the measurement of their luminescent properties. A prototype of time-resolved spectrofluorimeter was also built to transfer the technologies from the laboratory to the industrial world, La fluorescence en temps résolu est une méthode d'analyse spectrophotométrique avancée permettant la sélection des photons émis par luminescence sur un critère temporel. Il est ainsi possible, et cela même dans des milieux complexes et pollués issu de l'industrie, de faire émerger sélectivement le signal d'espèces luminescentes présentant des durées de vie de luminescence relativement grandes.Ce type d'analyse spectrale est particulièrement adapté à la détection de trace d'éléments lanthanides. Chacun des éléments de la série présente en effet des propriétés luminescentes uniques bien que largement fonction de la nature des ligands qui les entourent. Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit utilisent avantageusement la constatation précédente. Deux technologies ont étés mise sur pied et/ou optimisées pour permettre un transfert vers des domaines industriels aux cahiers des charges bien définis.Ainsi dans le domaine de la lutte anti-contrefaçon l'ajout de marqueurs luminescents à temps résolu à base de lanthanide rend possible la surveillance de l'origine et du devenir de divers produits industriels.Dans le domaine pétrolier l'analyse des effluents à l'aide de sondes luminescentes à base de lanthanide permet de quantifier le taux résiduel de plusieurs classes d'additifs chimiques et permet d'optimiser la sécurité, la rentabilité et l'impact écologique du processus d'extraction.Dernièrement un prototype de spectrofluorimètre résolu en temps adapté à un usage industriel a été mis au point pour permettre un transfert technologique du laboratoire vers le milieu industriel

Since the first protein structure determined in the 1950s, X-ray crystallography emerged as a method of choice to obtain structural data at atomic resolution. Despite technological advances such as new synchrotron sources, hybrid pixel detectors, and high-performance softwares, obtaining an electron density map of a biological macromolecule is always limited by two major bottlenecks namely, producing high quality single crystals and solving the phase problem.This thesis presents a new lanthanide complex called “Crystallophore” (Tb-Xo4). This compound has been developed in collaboration with Olivier Maury and François Riobé of the Laboratoire de chimie Matériaux Fonctionnels et Photonique (ENS –Lyon). The design of this new complex is based on fifteen years of development in the field of structural biology. This thesis highlights the effects of Tb-Xo4 on the crystallisation and the structure determination of biological macromolecules. Indeed, the addition of Tb-Xo4 to a protein solution induces a large number of new and unique crystallization conditions. The analysis of the structures of several proteins co-crystallized with Tb-Xo4 allowed both, to highlight the high phasing power of Tb-Xo4 but also to describe finely the supramolecular interaction of the complex with the macromolecules. This work led to protocols dedicated to crystallization and phasing assisted with Tb-Xo4. Finally, this thesis leads to a model explaining the unique properties of this new lanthanide complex., Depuis les premières structures de protéines déterminées dans les années 1950, la cristallographie aux rayons X s’est imposée comme une méthode de choix pour l’obtention de données structurales à l’échelle atomique. Malgré les progrès technologiques qui ont révolutionné cette méthode (sources synchrotron, détecteurs pixel, programmes informatiques performants), l’obtention d’une carte de densité électronique permettant de modéliser la structure d’une macromolécule demeure toujours limitée par deux goulots d’étranglement qui sont, l’obtention de cristaux de la macromolécule d’intérêt et la résolution du problème des phases inhérent à l’enregistrement des données de diffraction.Cette thèse présente un nouveau complexe de lanthanide appelé « crystallophore » (Tb-Xo4). Cette molécule a été développé en collaboration avec Olivier Maury et François Riobé du laboratoire de chimie Matériaux Fonctionnels et Photonique (ENS –Lyon). La conception de ce nouveau complexe est basée sur quinze années de développement dans le domaine de la biologie structurale. Cette thèse présente les effets uniques induits par de Tb-Xo4 sur la cristallisation et sur la détermination des structures de macromolécules biologiques. L’ajout de Tb-Xo4 au cours de la cristallisation permet d’induire un nombre important de conditions de cristallisation exploitables dont certaines sont propres à la présence du crystallophore. L’analyse des structures atomiques de différentes protéines co-cristallisées en présence de Tb-Xo4 a permis à la fois de mettre en avant le pouvoir phasant élevé de Tb-Xo4 mais également de décrire finement l’interaction supramoléculaire du complexe avec la surface des macromolécules. Ce travail a conduit à la mise en place de protocoles de cristallisation et de phasage des macromolécules biologique assistés par Tb-Xo4. Sur la base de la compréhension du mode d’interaction de ce nouveau composé, cette thèse aboutit à la proposition d’un modèle expliquant les propriétés uniques de ce nouveau complexe de lanthanide.

The effect of paramagnetic compounds in the chemical shift of endogenous protons, i.e., their resonance frequency, widely used in conventional NMR, can also be a tool to modulate the contrast in magnetic resonance imaging (MRI) by achieving frequency-encoded images depending on the nature or the environment of the entity or tissue to be revealed. This approach involves the transfer of magnetization by chemical exchange of protons also referred to as "Chemical Exchange Saturation Transfer" (CEST). The principle consists in selectively saturate by applying a radio frequency pulse, the signal of labile protons transiently belonging to the structure of the contrast agent or to the water molecules which are associated transiently to it. The image then results from the alteration of the signal of the exchanged protons. The method is based on the actual existence of two sets of protons or pools with two distinct resonance frequencies, one corresponding to the protons associated with the contrast agent and the other represented by the surrounding bulk water.LipoCEST systems, liposomes encapsulating a paramagnetic lanthanide complex, allows such a differentiation of two proton pools constituted on one hand by the water molecules contained in the inner cavity of the liposomes (with a resonance frequency changed by the paramagnetic agent ) and on the other hand by the water present outside the vesicle structure. The sensitivity of such systems is mainly due to the large number of protons in the inner pool. The nature of the paramagnetic agent plays a role in the selectivity of the CEST effect while the nature of the liposome membrane and related permeability behavior controls the proton exchange kinetics between the two water pools. These two parameters must be selected and adjusted to provide effective CEST contrast.The work in this thesis aimed at such a development by optimizing liposome systems for MRI-CEST after intravenous administration. Therefore, the diameter of the liposomes was set below 200 nm and their surface covered by chains of poly (ethylene glycol) to ensure stability in the blood compartment. The choice of chemical shift agents based on lanthanide complexes, mainly thulium-based derivatives, was established from their structural and magnetic properties. The methodology specially developed to encapsulate these entities into vesicles of different membrane composition and permeability to water allowed to generate a new LipoCEST contrast agent.; L’effet des composés paramagnétiques sur le déplacement chimique des protons, c’est-à-dire sur leur fréquence de résonance propre, beaucoup utilisé en RMN conventionnelle, peut également être un outil de contraste en Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) pour réaliser des images encodées en fréquence et donc sélectives selon la nature ou l’environnement de l’entité que l’on cherche à révéler. Cette approche fait intervenir le transfert d’aimantation par échange chimique de protons mobiles, en anglais « Chemical Exchange Saturation Transfer » (CEST). Le principe consiste à saturer sélectivement un signal donné de protons labiles appartenant à la structure-même de l’agent de contraste ou aux molécules d’eau qui lui sont transitoirement liées, à l’aide d’une impulsion radiofréquence bien choisie. L’image résulte alors de l’altération du signal des protons échangés. Le fonctionnement de la méthode repose sur l’existence effective de deux ensembles ou réservoirs de protons, celui correspondant aux protons associés à l’agent de contraste et celui représenté par le milieu environnant, autrement dit l’eau des tissus, ces deux réservoirs présentant une fréquence de résonance bien distincte. Les systèmes LipoCEST, liposomes encapsulant un complexe paramagnétique de lanthanide, permettent une telle différenciation de deux réservoirs de protons constitutifs d’une part de l’eau contenue dans la cavité interne des liposomes (dont la fréquence de résonance est modifiée par l’agent paramagnétique) et d’autre part de l’eau présente à l’extérieur de la structure. La sensibilité de tels systèmes est principalement due au grand nombre de protons contenus dans le réservoir interne. La nature de l’agent paramagnétique joue un rôle déterminant dans la sélectivité de l’effet CEST et la nature de la membrane des liposomes dont la perméabilité permet un échange plus ou moins rapide entre les deux réservoirs d’eau doit être sélectionnée de manière à conduire à une réponse CEST efficace.Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur une telle mise au point avec pour objectif l’optimisation de systèmes destinés à une IRM-CEST après administration par voie intraveineuse. De ce fait, le diamètre des liposomes a été fixé inférieur à 200 nm et leur surface recouverte de chaînes de poly(éthylène glycol) pour assurer leur future stabilité dans le compartiment sanguin. Le choix des agents de déplacement chimique à centre lanthanide, principalement des complexes de thulium, a été fixé à partir de leurs propriétés structurales et magnétiques. La méthodologie spécialement développée pour encapsuler ces entités au sein de liposomes de compositions lipidiques induisant des perméabilités membranaires distinctes a permis la mise au point d’un nouvel agent de contraste LipoCEST.

On account of the ubiquity of nitrogen heterocycles and their biological properties, the great attention is paid to developing methodologies of their synthesis and functionalization. For this purpose, the study of functionalization of enamides constitutes an important topic due to the utility of these motifs in the construction of complex heterocyclic derivatives. Palladium-catalyzed reactions of cross-coupling are rapid and efficient methods of choice for synthesis of enamides particularly starting from enol phosphates derived from lactams, imides or amides.The first chapter of the thesis evokes the original C-P coupling reaction of chiral and achiral secondary phosphine boranes with different enol phosphates in mild reaction conditions, leading to corresponding enamido-phosphine boranes. This methodology permits the construction of libraries of novels phosphines. Also, the reaction of nucleophilic addition of phosphide anions onto various enecarbamates acyclic was elaborated, giving an access to original beta-phosphino alpha-amino acids, bearing the quaternary carbon on alpha position to nitrogen.The second chapter is devoted to the preparation and characterization of organic chromophores based on the pyrazinic core, which are likely to exhibit the fluorescence properties. These compounds were designed to form new sensitizing systems for lanthanide cations and could be used as organic sensitizers for molecular imaging in near infrared.; En raison de l’omniprésence des hétérocycles azotés et de leurs propriétés biologiques, une attention particulière est accordée au développement de méthodologie pour leur synthèse et leur fonctionnalisation. L’étude de la fonctionnalisation d’énamides constitue une thématique importante car ces motifs s’avèrent être des outils synthétiques polyvalents permettant d’accéder à des dérivés hétérocycliques complexes. Les réactions de couplage Pd-catalysées constituent une méthode de choix rapide et efficace pour la synthèse d'énamides, notamment à partir de phosphates d'énols issus de lactames, d’imides ou d’amides. Le premier chapitre de ce travail porte sur le couplage organopalladié C-P de phosphines boranes secondaires chirales ou achirales avec des phosphates d’énols. Ce couplage C-P original, réalisé dans des conditions douces, conduit aux énamido-phosphines boranes correspondantes et offre de nombreuses possibilités pour la constitution d’une librairie de phosphines originales. Parallèlement à ce travail, l’addition nucléophile d’anions phosphures sur divers ène-carbamates acycliques conduit à des acides alpha-aminés béta-phosphorés originaux, porteurs d’un carbone quaternaire en alpha de l’azote. Le deuxième chapitre de la thèse porte sur la préparation et la caractérisation de chromophores organiques originaux basés sur un noyau pyrazinique et qui sont susceptibles de présenter des propriétés de fluorescence. Ces composés sont conçus pour former des nouveaux systèmes sensibilisateurs de cations de lanthanides, et être utilisés comme sensibilisateurs organiques pour l'imagerie moléculaire dans le proche infrarouge.

On account of the ubiquity of nitrogen heterocycles and their biological properties, the great attention is paid to developing methodologies of their synthesis and functionalization. For this purpose, the study of functionalization of enamides constitutes an important topic due to the utility of these motifs in the construction of complex heterocyclic derivatives. Palladium-catalyzed reactions of cross-coupling are rapid and efficient methods of choice for synthesis of enamides particularly starting from enol phosphates derived from lactams, imides or amides.The first chapter of the thesis evokes the original C-P coupling reaction of chiral and achiral secondary phosphine boranes with different enol phosphates in mild reaction conditions, leading to corresponding enamido-phosphine boranes. This methodology permits the construction of libraries of novels phosphines. Also, the reaction of nucleophilic addition of phosphide anions onto various enecarbamates acyclic was elaborated, giving an access to original beta-phosphino alpha-amino acids, bearing the quaternary carbon on alpha position to nitrogen.The second chapter is devoted to the preparation and characterization of organic chromophores based on the pyrazinic core, which are likely to exhibit the fluorescence properties. These compounds were designed to form new sensitizing systems for lanthanide cations and could be used as organic sensitizers for molecular imaging in near infrared.; En raison de l’omniprésence des hétérocycles azotés et de leurs propriétés biologiques, une attention particulière est accordée au développement de méthodologie pour leur synthèse et leur fonctionnalisation. L’étude de la fonctionnalisation d’énamides constitue une thématique importante car ces motifs s’avèrent être des outils synthétiques polyvalents permettant d’accéder à des dérivés hétérocycliques complexes. Les réactions de couplage Pd-catalysées constituent une méthode de choix rapide et efficace pour la synthèse d'énamides, notamment à partir de phosphates d'énols issus de lactames, d’imides ou d’amides. Le premier chapitre de ce travail porte sur le couplage organopalladié C-P de phosphines boranes secondaires chirales ou achirales avec des phosphates d’énols. Ce couplage C-P original, réalisé dans des conditions douces, conduit aux énamido-phosphines boranes correspondantes et offre de nombreuses possibilités pour la constitution d’une librairie de phosphines originales. Parallèlement à ce travail, l’addition nucléophile d’anions phosphures sur divers ène-carbamates acycliques conduit à des acides alpha-aminés béta-phosphorés originaux, porteurs d’un carbone quaternaire en alpha de l’azote. Le deuxième chapitre de la thèse porte sur la préparation et la caractérisation de chromophores organiques originaux basés sur un noyau pyrazinique et qui sont susceptibles de présenter des propriétés de fluorescence. Ces composés sont conçus pour former des nouveaux systèmes sensibilisateurs de cations de lanthanides, et être utilisés comme sensibilisateurs organiques pour l'imagerie moléculaire dans le proche infrarouge.

For the de novo structure resolution of proteins by crystallography, it is necessary to calculate the phases of the structure factors from the diffracted X-ray intensities. For this purpose, the SAD and MAD methods take advantage of the anomalous scattering properties of atoms inside the protein crystals. The introduction of the anomalous scatterers into the crystals is one of the key steps of protein structure resolution.We have investigated a class of eight gadolinium complexes used to introduce the anomalous scatterers into the protein crystals. Gadolinium exhibits high anomalous scattering with a laboratory X-ray generator as well as in its LIII absorption edge.A crystallographic study carried out with the class of complexes and eight different proteins allowed to demonstrate the great potential of the complexes for the preparation of derivatives with high phasing power. Indeed, for a great number of derivatives, the calculated experimental phases have led to experimental electron-density maps of excellent quality, allowing the easy construction of the protein model.The refinement of the structure of the complexes bound to the proteins allowed to gain understanding of the interaction between the different complexes and the proteins.The utilization of the complexes allowed the structure resolution of four new proteins.Besides the crystallographic studies we attempted to detect the binding of a complex to a protein with different physico-chemical methods taking into consideration the weak binding constant that characterizes the interaction.; Pour résoudre de novo la structure de protéines par cristallographie, il est nécessaire de calculer les phases des facteurs de structure à partir des intensités des rayons X diffractés. Pour ce but, les méthodes SAD et MAD se servent de la diffusion anomale d'atomes présents dans le cristal de la protéine. L'introduction de ces diffuseurs anomaux dans les cristaux est une des étapes clés de la résolution de structure des protéines.Nous avons étudié une classe de huit complexes de gadolinium servant à insérer les diffuseurs anomaux dans les cristaux de protéine. Le gadolinium présente une forte diffusion anomale et avec le rayonnement X d'un générateur de laboratoire et dans son seuil d'absorption LIII.Une étude cristallographique menée avec cette classe de complexes et avec huit protéines différentes a permis de démontrer le potentiel élevé des complexes pour la préparation de dérivés à fort pouvoir de phasage. En effet, pour un grand nombre des dérivés testés, les phases expérimentales calculées ont mené à des cartes de densité expérimentale d'excellente qualité, permettant la construction aisée du modèle de la protéine.L'affinement de la structure des complexes liés à la protéine a permis de comprendre l'interaction des différents complexes avec les protéines.L'utilisation des complexes a permis de résoudre la structure de quatre nouvelles protéines.Nous avons également étudié des méthodes physico-chimiques alternatives à la cristallographie dans le dessein de détecter la fixation d'un complexe sur une protéine en tenant compte de la particularité de l'interaction qui est caractérisée par une constante de d'association faible.