La thèse porte sur l'étude de la compréhension des mécanismes de corrosion atmosphérique à long terme des alliages ferreux. Les applications sont doubles : d'une part, l'entreposage multi-barrières des déchets nucléaires en surface pendant plusieurs centaines d'années, et d'autre part, la préservation et conservation des objets du patrimoine. Dans un premier axe d'étude, une caractérisation fine du système de produits de corrosion est nécessaire afin de déterminer les phases en présence, leur localisation et leur rôle dans les mécanismes. Cela a nécessité de travailler sur des objets issus des sites archéologiques de référence afin de prélever des échantillons d'études. Dans un second axe d'étude, la réactivité de ces phases et leur comportement électrochimique dans les conditions de corrosion doit être déterminée précisément. Il est alors nécessaire de combiner des études sur phases de référence et sur les objets archéologiques eux-mêmes. La localisation des sites de réduction de l'oxygène dans les objets archéologiques doit être déterminée, après les avoir remis quelques mois en corrosion dans des milieux contenant des traceurs judicieux (l'oxygène 18O2), à l'aide des méthodes nucléaires adhoc. En dernier axe, l'identification de ces processus moteur devrait permettre de proposer de nouvelles méthodes d'inhibition de la corrosion à long terme. Cela concerne uniquement le patrimoine / The present report relates to the understanding of long term atmospheric corrosion mechanisms of low alloy steels which are necessary for various applications such as the interim storage of nuclear waste, and the conservation of cultural heritage artefacts. At a first stage, it may be necessary to characterize ancient corrosion system in order to identify the reactive phases in the rust layers, their localisation and their role in the mechanism. In that purpose, the work on objects reference archaeological sites (analogues) can help to take sample of studies. At a second stage, the electrochemical behaviour and their reactive of the phases constitutive of the corrosion layer must be determined precisely. In that field, it is necessary to combine the study of the pure phases and the powders taken on the analogues. The localisation of oxygen reduction sites in the rust layer is a very pertinent tool. To that end, specific experiments have been set up to re-corrode the ancient samples in marked medium (using 18O2), were investigated by nuclear reaction analysis. Finally, the identification of these newly-formed phases give precious information to develop new methods of inhibition of long term corrosion. It concerns only the heritage

Les maladies d’Alzheimer et de Parkinson (MA et MP) sont des maladies neurodégénératives entrainant une diminution des fonctions cognitives et locomotrices et toujours dépourvues de traitements curatifs. La consommation d’huile d’olive et des polyphénols qu’elle contient atténuerait la survenue des démences telles qu’observées dans la MA ou la MP. À ce jour, ces composés phénoliques ont été étudiés de manière isolée afin de caractériser leur réactivité vis à vis des radicaux et leurs effets biologiques, mais les concentrations utilisées (5–100 µM) sont supérieures aux concentrations retrouvées dans le plasma (0.5-2,8 ng/ml). Jusqu’à présent, aucune étude n’a observé les effets de ces composés combinés, alors que l’oleuropéine et le tyrosol, des composés phénoliques parmi les plus abondants dans l’huile d’olive et que l’acide p-coumarique, un dérivé d’acide hydroxycinnamique, sont connus pour leurs activités antioxydantes et leur biodisponibilité. Dans un contexte cellulaire, les composés phénoliques agissent à travers leurs capacités de donneurs d’atomes d’hydrogène et/ou d’électrons, et impactent la régulation des défenses antioxydante. En conditions oxydatives, ils peuvent subir des modifications structurelles et mener à de nouveaux composés. L’impact cellulaire de ces derniers est encore peu étudié, car leur devenir dans le contexte d’un métabolisme oxydatif reste obscur. L’étude des métabolites issus de l’oxydation des composés phénoliques est donc d’une réelle importance afin d’approfondir les connaissances sur leurs mécanismes d’actions au niveau biologique. Nous avons émis l’hypothèse que la combinaison de l’oleuropéine, du tyrosol et de l’acide p-coumarique potentialise leurs effets neuroprotecteurs à travers leurs capacités de donneurs d’électrons et en lien avec la production des métabolites associés. Ce propose une approche pluridisciplinaire intégrant des composantes biologiques et des questions relevant de la physico-chimie, en s’appuyant sur des outils électrochimiques. En premier lieu, nous avons démontré que l’association de ces trois composés (Mix 1) permettait de potentialiser leurs effets neuroprotecteurs avec concentrations efficaces à 0.1 et 1µM, contrairement aux concentrations neuroprotectrices lorsque ces composés sont utilisés individuellement (5 à 10 fois plus élevées). Le Mix1 augmente la réactivité des composés phénoliques vis-à-vis d’espèces réactives de l’oxygène et permet une diminution de leur génération intracellulaire. Cette neuroprotection semble en partie médiée par une régulation des facteurs de régulation rédox endogènes. Dans un second temps, nous avons comparé le comportement en conditions oxydatives acellulaires de l’oleuropéine, du tyrosol et de l’acide p-coumarique individuellement et dans le Mix1. L’analyse en LC-MS2 des composés stables issus de l’oxydation du Mix 1 a montré une diminution des taux d’oxydation relatifs de chacun des composés, ainsi que la détection de trois néocomposés spécifiques de l’oxydation du Mix1. De plus, un effet neuroprotecteur significatif du Mix1 oxydé a été observé dès 1 et 5 nM, ce qui soutient l’hypothèse que les produits issus de l’oxydation des composés phénoliques peuvent participer aux effets biologiques des composés natifs. Notre troisième objectif était d’évaluer si les composés issus de l’oxydation des composés phénoliques pouvaient être générés dans un système biologique. L’analyse en LC-HRMS des extraits de cellules neuronales traitées avec le Mix1 en conditions oxydatives a révélé que ces composés étaient toujours présents sous leurs formes natives dans les cellules après plusieurs heures de traitement. Ce projet multidisciplinaire a permis d’observer les effets des composés phénoliques sous plusieurs angles. Il confirme qu’un effet neuroprotecteur de composés issus de l’oxydation est possible et ouvre la voie à de nouvelles approches pour le développement de formulations efficaces pour limiter le stress oxydatif au niveau cérébral. / Alzheimer and Parkinson diseases (AD and PD) are neurodegenerative disorders leading to cognitive function decline and curative treatments are still missing. Olive oil and related phenolic compounds consumption could prevent or slow down cognitive decline through neuronal preservation. Indeed, they have direct antioxidant properties as electrons or H-atom donors, which are largely suspected of being responsible for their biological effects, but also of some indirect properties as modulators of endogenous antioxidant defenses. The secoiridoid oleuropein and the monophenols tyrosol and p-coumaric acid have shown abilities to counteract oxidative injuries and associated neuronal death in several cellular and in vivo models. However, the basic mechanisms of action of phenolic compounds remain to be elucidated. In fact, phenolic compounds are highly sensitive to oxidative modifications and could be transformed into new compounds in an oxidative context. Cellular impacts of these products are rarely considered, probably because their intracellular detection is a great challenge and remain an important field to explore. Moreover, oleuropein, tyrosol and p-coumaric were individually evaluated in order to characterize their own reactivity towards ROS and their biological properties. However, the concentration ranges used to observe neuroprotection in cellular models (5 – 100 µM) were far from the possibly recovered phenolic concentration in plasma (0.5 - 2,8 ng /ml of plasma). To observe an effect with concentration range closer to the physiological ones, several antioxidant combinations could be proposed. Nevertheless, despite the biological promises of phenolic compounds from olive oil, studies which combined some of the most abundant phenolic compounds in the neuroprotection field is still missing. We thus hypothesized that the combination of oleuropein, tyrosol and p-coumaric acid in equimolar proportion (Mix 1) could potentiated their ROS scavenging and neuroprotective properties to counteract oxidative stress-induced neuronal death. These effects could be in part due to their oxidized metabolites. First, we demonstrated that the association of these three phenolic compounds potentiated their neuroprotective effects with efficient concentrations at 0.1 and 1µM, contrary to concentration ranges when there are used individually (5 to 10 higher). The Mix1 increase the reactivity of phenolic compounds towards ROS and decreases their intracellular production. These neuroprotective properties seems, at least in part, lead by a regulation of the endogenous redox factors. Then, we compared the behavior of Oleuropein, tyrosol and p-coumaric acid individually and in the Mix1 under acellular oxidative conditions. The oxidized Mix1 LC-ESI-MS2 profiles showed a regeneration of oleuropein through a decrease of the phenolic compounds oxidation rate and highlight the presence of specific oxidized products in Mix 1. This study also showed a significant neuroprotection of oxidized Ole and oxidized Mix1 with very low concentrations (1 and 5 nM), suggesting the putative relevant role of oxidized Ole products to protect or delay neuronal death. Our third objective was to evaluate if these oxidized metabolites could be produced in a biological system. Even under oxidative conditions, we recovered these compounds in cellular extracts under their native forms after few hours of treatments, attesting their accumulation in neuronal cells. Taking together, our results pointed out the relevance to study the phenolic compounds from a chemical and a biological point of view, which should always be as cellular redox reactions are between biological and chemical fields. Lastly, we confirmed the significance to take into account the oxidized metabolites from phenolic compounds to deeper understand their biological properties.

Ce travail est consacré au développement d'une approche électrochimique permettant de préparer, à base de formes allotropiques différentes du carbone, divers matériaux poreux ayant comme : i) leurs éléments (feuillets de graphite, graphène, nanotubes et fullerène C60) sont attachés entre eux de façon covalente par les chaînes d'atomes du carbone de longueur différents, ii) les larges espaces internes (interstices ou les pores aléatoires) pouvant accommoder les cations, premièrement de métaux, plus grandes que Li+ (K+, Mg2+, mais aussi Alk4N+ etc.), iii) flexibilité tout en gardant la stabilité chimique des formes du carbone utilisées pour leur assemblage. Ainsi, une structure lamellaire à multicouches a été élaborée, une sorte du "graphite artificiel" avec les distances interstitielles à la demande : de 4.48 Å (avec -CH2- comme l'espaceur entre les couches) a 5.15 Å (avec -CH2C≡C-), contre 3.35 Å dans le graphite naturel. Élaborée dans ce travail, la méthode d'assemblage des matériaux stratifiés à base du graphite/graphène s'appuie sur le nouveau paradigme de greffage électrochimique aux interfaces carbonées (greffage électrophile, permettant de fixer à l'interface le linkeur CH2I ou CH2Br), et la fixation radicalaire d'une couche suivante par la réduction mono-électronique de sa liaison C-Hal. Les agents d'assemblage, Me3SiCH2I ou Me3SiC≡CCH2Br, dans un milieu universel CH3CN/0.1 M Bu4NPF6 ont été montrés être très efficaces pour ce processus. Un autre agent de couplage, 1,5-dibromopentane, a été utilisé pour assemblage cathodique (nucléophile/radicalaire) des nano-formes du carbone entre eux pour donner les matériaux poreux sans une structure spécifique régulière, les "nano-mousses", potentiellement convenable pour les anodes des batteries aux ions de Li et les batteries "post-Li-ions". Par la méthode combinée anodique/cathodique en utilisant Me3SiCH2I comme l'agent de fixation, un silsesquioxane F-@Ph8T8 avec l'ion fluorure encapsulé a été immobilisé sur le carbone vitreux ; l'interface ainsi préparée a montré son potentiel pour la détection d'exposition aux ions de Li+ ou de H+. Les structures préparées ont été étudiées par la voltampérométrie cyclique, chronocoulométrie, la spectroscopie d’impédance électrochimique et la spectroscopie électronique à balayage. / This work is dedicated to the development of an electrochemical approach to prepare, starting from different allotropic forms of carbon, various porous materials having particular features: i) their constituting elements (graphite sheets, graphene, nanotubes and fullerene C60) are covalently attached between them by the chains of carbon atoms of different length, ii) their large internal spaces (interstices or random pores) can accommodate the cations, - primarily metals, - larger than Li+ (e.g. K+, Mg2+, and also Alk4N+ etc.), iii) they are flexible while keeping the chemical stability of the carbon forms used for their assembly. Thus, a multilayered lamellar structure was developed, a kind of “artificial graphite” with interstitial distances on demand: from 4.48 Å (with -CH2- as the linker) to 5.15 Å (with -CH2C≡C-), against 3.35 Å in natural graphite. The method of assembly of graphite/graphene-based laminated materials developed in this work is based on the new electrochemical paradigm of grafting to carbon interfaces (electrophilic grafting, making possible to fix the CH2I or CH2Br functions at the interface) and the radical grafting of the subsequent layer by the mono electronic reduction of their C-Hal bond. New coupling agents, Me3SiCH2I or Me3SiC≡CCH2Br, in a universal CH3CN/0.1M Bu4NPF6 medium, have been shown to be very effective for this process. Another coupling agent, 1,5-dibromopentane, was used for cathodic (nucleophilic/radical) assembling of carbon nano forms between them to give porous materials without a regular specific structure, the “nano-sponges”, potentially suitable for making the anodes of Li-ion batteries and “post-Li-ion” batteries. Using the combined anodic/cathodic grafting method using Me3SiCH2I as the fixing agent, the fluoride encapsulating silsesquioxane F-@Ph8T8 was immobilized on glassy carbon; the thus prepared interface has shown its promise for devices detecting the exposure to Li+ or H+ ions. The prepared structures were studied by cyclic voltammetry, chronocoulometry, electro-chemical impedance spectroscopy and scanning electron spectroscopy.

L’objectif principal de ce travail de thèse était de mettre en évidence et de mesurer l’effet co-catalytique de complexes moléculaires organo-métalliques à base de métaux de transition adsorbés sur des semi-conducteurs dopés photo-actifs vis-à-vis des réactions de photo-dissociation de l’eau et de photo-réduction du dioxyde de carbone, en en vue d’applications dans des cellules photochimiques et photo-électrochimiques. Nous avons tout d’abord identifié et sélectionné les matériaux (deux semi-conducteurs photo-actifs et deux co-catalyseurs moléculaires électroactifs) les plus adaptés (les résultats sont présentés dans le chapitre I). Nous avons ensuite conçu, développé et mis au point un bâti expérimental permettant la détection et le dosage en continu des produits de réaction lors des réactions d’intérêt (les résultats sont présentés dans le chapitre II). La détection des produits de réaction se fait à l’aide d’un chromatographe en phase gazeuse couplé au réacteur. Nous avons ensuite élaboré/synthétisé et mesuré les propriétés intrinsèques des matériaux sélectionnés (les résultats sont présentés dans le chapitre III). Finalement, nous avons mis en évidence l’activité co-catalytique des complexes utilisés et mesuré un ensemble d’indicateurs de performance tels que les cinétiques de réaction et les fréquences de « turn-over » (les résultats sont présentés dans le chapitre IV). / The main objective of this research work was to put into evidence the co-catalytic effect of organo-metallic molecular complexes containing transition metals as reactive centers, adsorbed at the surface of doped semiconductors with photo-activity with regard to water photo-dissociation and carbon dioxide photo-reduction, in view of practical applications in photochemistry and photo-electrochemistry. First, appropriate materials (two photoactive semiconductors and two molecular co-catalysts) have been identified and selected (results are presented in chapter I). Then, we have designed, constructed and optimized a specific test bench that can be used for the continuous detection and titration of reaction products (results are presented in chapter II). Product analysis was achieved by coupling a gas-phase chromatograph to the photo-electrochemical reactor. Then, photoactive semiconductors and molecular co-catalysts have been elaborated/synthesized and their intrinsic properties have been measured (results are presented in chapter III). Finally, the co-catalytic activity of molecular complexes has been put into evidence and several performance indicators such as reaction kinetics and turn-over frequency have been measured (results are presented in chapter IV).

La recherche intensive sur les matériaux conjugués durant les dernières décennies a permis de mettre en évidence la multitude de propriétés opto-électroniques qu’ils peuvent présenter. Leur compatibilité avec des applications dans divers dispositifs électroniques les rend évident comme alternative aux composés inorganiques, et le fait qu’ils ouvrent la porte sur l’électronique plastique assure que la recherche les concernant n’est pas prête de diminuer. L’utilisation de liaisons azométhines en lieu et place des liaisons « tout-carbone » de type vinylène pour la conception de molécules conjuguées est une alternative intéressante aux méthodes conventionnelles pas très éco-responsables habituellement employées, de par la simplicité relative de leur synthèse et purification. En continuité d’études précédentes, ce mémoire a pour objectif l’analyse des propriétés électro- et spectroélectrochimiques de nouveaux oligomères azométhines fonctionnalisés par des amides, en particulier leur propriété d’électrochromisme. L’influence sur ces propriétés de différents groupements électro-donneurs et électro-attracteurs au centre, ainsi qu’aux extrémités est ainsi présentée. L’emphase est portée sur la pérennité de leur changement de couleur lors de multiples cycles d’oxydation-neutralisation. / Intensive research on conjugated materials over the past few decades has highlighted the plethora of opto-electronic properties that these can present. Their compatibility with various electronic devices make them alternatives to inorganic materials, and the fact that they open the path to plastic electronics assures that research about them is not about to diminish soon. Use of azomethine links instead of “all-carbon” vinylene-type double bonds, for the design and conception of conjugated molecules, is a very interesting alternative to the conventional methods, not very eco-friendly, usually employed, mostly due to their relative simplicity in terms of synthesis and purification. Following on previous work, this thesis aim to analyze the electro and spectro-electrochemical properties of a series of new azomethine-oligomeres that are functionalized with amides. Particular emphasis is placed on their electrochromism.. The influence of various electro-donating and electro-attracting groups in the core of the molecules as well as at their termini on the optical and electrochemical properties is presented. The emphasis is placed on demonstrating their robustness and the durability of their color change when undergoing multiple oxidation-neutralization cycles.

Des millions de patients souffrant d’insuffisance cardiaque bénéficieraient d’analyses sanguines hebdomadaires pour surveiller l’évolution de leur état de santé comme c’est le cas avec les personnes atteintes du diabète. Cependant, il n’existe pas de technologies d’analyses sanguines rapides et efficaces pour détecter des marqueurs d’insuffisance cardiaque, telle que la créatinine, la NT-proBNP et la troponine I par exemple. La possibilité pour les patients de surveiller leurs taux de créatinine régulièrement, du confort de chez soi, améliorerait largement leur qualité de vie ainsi que leur taux de survie. En suivant leur taux de créatinine, le patient pourrait prédire des signes d’insuffisance cardiaque, et ainsi faire ajuster leur plan de traitement en conséquence. Pour y arriver, les biocapteurs électrochimiques, dont un exemple est le glucomètre, représentent une classe prometteuse de dispositifs d’analyse sanguine puisqu’ils sont faciles à utiliser, rapides, peu coûteux, sensibles, stables et potentiellement universels. Les biocapteurs électrochimiques à base d’ADN pourraient potentiellement être adaptés en biocapteur de créatinine, par l’entremise d’aptamères. Le but de cette recherche est de développer un nouveau mécanisme de détection universel et efficace pouvant être adapté directement à partir des stratégies de sélection des aptamères. Pour ce faire, nous avons identifié et caractérisé un élément de bioreconnaissance sélectif pour la créatinine. Ensuite, nous avons conçu une nouvelle stratégie de détection et nous avons validé cette nouvelle stratégie par spectroscopie de fluorescence avant de l’adapter pour une détection électrochimique. Par la suite, nous avons optimisé les performances du biocapteur en modulant des paramètres analytiques tels que sa gamme linéaire et son gain de signal, tout en validant ses performances dans une matrice complexe comme le sérum. Les résultats de cette recherche suggèrent que la stratégie de conception du nouveau biocapteur électrochimique à base d’aptamère est prometteuse pour la détection efficace de biomarqueurs sanguins. Ce type de mécanisme pourrait être facilement adapté pour détecter d'autres molécules cliniquement pertinentes en modifiant simplement la stratégie de sélection de l'aptamère. / Millions of patients suffering from heart failure would greatly benefit from weekly blood analysis to help them manage their disease state like patients suffering from diabetes. However, no simple blood monitoring technologies detecting heart failure biomarkers, such as creatinine, NT-proBNP, and troponin I, are available. The ability to determine and regularly monitor the creatinine level in the home setting would greatly improve the patient’s quality of life and survival rate. Knowing the concentration of creatinine help to predict heart failure and to revise the treatment plan if the concentration of creatinine is abnormal. To achieve this, electrochemical sensors, like a glucometer, represent a promising class of blood analysis devices due to their ease of use, fast response, low cost, inherent sensitivity and stability, and potential universality. More specifically, DNA-based electrochemical biosensors could potentially be adapted into a creatinine sensor by using aptamers specific to a biomarker. To achieve this goal, we identified a selective biorecognition element for creatinine detection and characterized it. We also designed a novel sensing aptamer-based strategy and validated this strategy by fluorescent spectroscopy before transposing it into the electrochemical format. We then optimized the performance of the sensor by tuning its signal gain and characterizing the dynamic range while also validating its performance in serum. The results of this work suggest that the electrochemical aptamer-based strategy represents a promising sensing mechanism. We believe this mechanism could be easily adapted to detect other clinically relevant molecules by simply relying on the aptamer’s selection strategy.

Les batteries Li-ion sont désormais si omniprésentes dans notre société qu’il nous est difficile de concevoir un futur sans elles. Leur usage à grande échelle engendre toutefois plusieurs problèmes politiques, sociologiques, économiques et écologiques reliés à l’exploitation, la distribution et la disposition des matériaux requis incluant notamment le lithium et le cobalt. Les matériaux cathodiques en particulier sont souvent toxiques, dispendieux et difficiles à recycler et la performance des matériaux disponibles limite présentement la performance des batteries. Il est conséquemment plus que jamais nécessaire de développer de nouveaux matériaux cathodiques performants pour les batteries Li-ion et de s’intéresser au développement de nouvelles alternatives plus vertes. Les matériaux organiques électro-actifs sont prometteurs en tant qu’alternative aux matériaux d’électrode actuels puisqu’ils sont versatiles, potentiellement plus performants et peuvent être dérivés de ressources renouvelables. Les quinones en particulier soulèvent beaucoup d’intérêt pour la conception de cathodes organiques en raison de leurs processus rédox rapides, réversibles et multiélectroniques. L’état des connaissances reliées à leur intégration aux batteries demeure toutefois sous-développé par rapport à celui des composés d’intercalation inorganiques et plusieurs efforts sont encore nécessaires afin de mener au développement de batteries organiques performantes; plusieurs classes de matériaux organiques demeurent inexplorées et les principes structuraux menant à des matériaux performants sont encore à élucider. Dans cette optique, nous nous sommes intéressés à l’étude des diphénoquinones, une classe de composés quinoïdes disposant de potentiels plus élevés que les quinones communes et pouvant être préparées par le couplage oxydatif de substrats abondants et potentiellement dérivés de la biomasse. Les diphénoquinones sont très peu solubles et hautement cristallines, ce qui leur permet de produire des électrodes stables et performantes. Malgré cela, ces composés attrayants demeurent peu étudiés et leur intégration aux batteries est négligée. / Li-ion batteries have become so omnipresent in our society that it is difficult to envision a future without them. However, their large-scale production leads to numerous political, sociologic, economic and ecological problems related to the exploitation, distribution and disposition of materials required for their production, including notably lithium and cobalt. Cathodic materials in particular are often toxic, expensive and hard to recycle, and their efficiency is currently limiting the overall performance of batteries. Consequently, it is now more than ever necessary to create new efficient cathodic materials and to revisit the development of alternatives to Li-ion batteries. Organic electro-active materials represent a promising alternative to current battery electrode materials as they are versatile, potentially more efficient and can be derived from renewable resources. Quinones in particular stir a lot of interest which stems from their rapid and reversible multi-electronic redox processes. The state of knowledge related to their integration to batteries yet remains under-developped as opposed to that of inorganic intercalation compounds and many additional efforts are required to develop efficient organic batteries; many classes of organic materials remain unexplored and the structural principles leading to efficient organic electrodes have yet to be uncovered. In this context, we have revisited the study of diphenoquinones, a class of quinonoid compounds which exhibit higher redox potentials than common quinones and can be derived from the oxidative coupling of abundant organic substrates potentially derived from biomass. Diphenoquinones have very low solubility and show a high degree of crystallinity, which allows them to prepare stable and efficient electrodes. Despite this, these attractive compounds remain poorly studied and their integration to batteries has been neglected.

Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec le groupe du professeur William Skene. / Le couplage des aldéhydes aryliques et des amines pour donner les azométhines est une alternative intéressante pour la synthèse des comonomères conjugués. Contrairement aux techniques de couplage classiques qui conduisent à des mélanges de produits, il est possible, par cette méthode, d’obtenir sélectivement des composés ciblés et dissymétriques tout en contrôlant la stœchiométrie des réactifs et les solvants. Dans le cadre de nos recherches sur les matériaux fonctionnels ayant des propriétés électrochromiques améliorées, nous avons planifié de conjuguer des thiophènes et des bipyrroles dissymétriques par les liaisons azométhines. Tout d’abord des analogues des 4-méthoxy-2,2’-bipyrroles 1-2 (chapitre 2) et 3-6 (chapitre 3) ont été synthétisés par une voie générale à partir de 4-hydroxyproline et convertis ensuite en dialdéhydes 8-13 (chapitre 3) qui, à leur tour, ont subit des condensations avec différents aminothiophènes pour donner les azométhines conjugués 17-23 (chapitre 3). / The condensation of amine and aldehyde functional groups is an attractive strategy for the synthesis of conjugated, conductive polymers. Unlike conventional coupling techniques that give a mixture of products, selective product formation affording unsymmetric products is possible by controlling the reagent stoechiometry and solvents. A series of such polymers 17-23 (chapter 3) were synthesized by the dehydration of aminothiophenes and a series of asymmetric bisaldehydes 8-13 (chapter 3) featuring an asymmetric 4-methoxy-2,2'-bipyrrole core. The latter was constructed by a general route from 4-hydroxyproline providing derivatives 1-2 (chapter 2) and 3-6 (chapter 3), which were diformylated in the last step to afford the bisaldehyde monomers 8-13 (chapter 3). In the search for functional materials, the electrochromic properties of polymers 17-23 (chapter 3) were evaluated.

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement. / Surface-functionalized microcantilevers provide an ideal platform for nano- and micro-mechanical actuation and highly sensitive sensing technologies. The basic principle of operation is that a chemical or physical event occurring at the functionalized surface of one side of the cantilever generates a surface stress difference (between the active functionalized and passive non-functionalized sides) that causes the cantilever to bend away from its resting position. However, the factors and phenomena contributing to both the nature and magnitude of the surface stress are not well understood. To this end, the first part of this thesis focused on investigating the potential-controlled actuation and surface stress properties of free-standing gold-coated microcantilevers functionalized with a redox-active self-assembled monolayer (SAM). A ferrocenylundecanethiolate (FcC11SAu) SAM on a gold-coated cantilever was used as a model system to investigate the surface stress generated by faradaic chemistry. The data obtained clearly demonstrates that the electrochemical transformation of a ferrocene moiety in a monomolecular organic film can generate a surface stress change of sufficient magnitude to deflect a microcantilever. In fact, depending on the flexibility of the microcantilever, the mechanical deflection resulting from the redox transformation of the surface-tethered ferrocene can range on the order of nanometers to micrometers. The oxidation of the FcC11SAu SAM in perchlorate electrolyte generates a compressive surface stress change. The microcantilever deflection is driven by the lateral tension resulting from molecular reorientation/volume expansion accompanying the charge-transfer and ion-pairing events. To verify this hypothesis, mixed SAM-modified microcantilevers, in which the electroactive ferrocenes are isolated from one another by an inert n-alkylthiolate matrix, were investigated. Under an applied potential, a Faradaic current was measured, but no microcantilever beam deflection was observed. This finding confirms that the cantilever responds to the lateral pressure exerted by an ensemble of re-orienting ferrocenium-bearing alkylthiolates upon each other rather than to individual anion pairing events. Changes in molecular structure and anion type can also be used to modulate the extent of micromechanical motion. In the next part of the dissertation, electrochemical measurements and surface plasmon resonance spectroscopy were combined to present a description of the adsorption and aggregation of n-alkyl sulfates at the FcC11SAu/electrolyte interface. At all bulk solution concentrations, the surfactant moieties packed perpendicular to the electrode surface in the form of an interdigitated condensed film. However, the density of the specifically adsorbed film was found to be affected by the organizational state of the surfactants in solution. At low concentrations, where the surfactant molecules are present as solvated monomers, the monomers can readily adapt to the changing ferrocenium concentration with the potential potential scan. However, when the molecules are present as micellar structures in solution, a lower surfactant packing density was found because of the inability to respond effectively to the dynamically generated surface ferroceniums. This research demonstrates the potential utility of charge-transfer interactions for organizing materials at solid interfaces and effecting micromechanical actuation using an electrifical stimulus.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte général des solutions envisageables pour répondre aux problèmes du réchauffement climatique global et de la diminution des ressources fossiles. Il a été en majeure partie consacré à l'étude et au développement d'électrocatalyseurs moléculaires pour la réduction du dioxyde de carbone. Un tel procédé pourrait permettre de transformer et valoriser le CO2 en l'exploitant comme une matière première carbonée disponible en quantité non limitée, bon marché et peu toxique. Dans une première partie, un métallocavitand, dont la structure est basée sur un calix[4]arène fonctionnalisé par quatre complexes phénanthroline tris-carbonyl de rhénium(I), a été étudié en solution et sur déposé sur surface transparente conductrice. Le but de cette étude était de contrôler par un stimulus électrochimique la fermeture et l'ouverture du bord large du cavitand. La complexité des processus rédox de ces métallo-macrocycles nous a conduits à étudier en détails les propriétés électrochimiques de complexes de rhénium(I) modèles. Ces propriétés avaient précédemment été rapportées dans la littérature mais étaient sujettes à désaccords entre les différents auteurs. Finalement l'ensemble de cette étude nous a conduits à préciser et à mieux comprendre le mécanisme de la catalyse de réduction du CO2 par ce type de complexes. Dans une deuxième partie, qui représente la partie la plus conséquente de cette thèse, la synthèse, la caractérisation physico-chimique et l'étude spectro-électrochimique de complexes bipyridine tris-carbonyle de manganèse, analogues des complexes de rhénium évoqués ci-dessus, ont été entreprises. Le but était de développer un catalyseur innovant pour la réduction électrochimique du dioxyde de carbone, du type complexe métallique, en substituant les métaux rares utilisés actuellement par un métal non-noble et abondant : le manganèse. Les propriétés électrochimiques des nouveaux complexes de Mn synthétisés ont été caractérisées en détail. La simulation des voltammétries cycliques, associée à des études mécanistiques par spectro-électrochimie UV-vis, a permis d'accéder aux données cinétiques et thermodynamiques des différentes réactions chimiques associées aux réactions de transferts d'électron irréversibles. Ces complexes de manganèse se sont révélés être des électrocatalyseurs de la réduction du CO2 au moins aussi efficaces que les complexes analogues de rhénium, décrits jusque-là comme étant les meilleurs systèmes pour cette application. Les complexes de Mn ainsi préparés montrent une excellente sélectivité (rendements faradiques élevés et peu ou pas de H2) et une bonne efficacité pour l'électro-réduction du CO2 en CO en milieu hydro-organique. Les catalyses à l'échelle préparatrice fonctionnent avec des surtensions modérées. Les mécanismes mis en jeu lors de la catalyse ont été étudiés par spectro-électrochimie UV-vis et RPE (en onde continue et pulsée) associées à des caculs théoriques DFT. Un intermédiaire-clé a ainsi pu être mis en évidence et caractérisé. Enfin, l'étude des réactions de décarbonylation photo-induites dans ces complexes est rapportée. / This PhD takes place in the general context of possible solutions to global warming and peak oil issues. It mostly deals with the study and development of molecular electrocatalysts for carbon dioxide reduction. This process may open the way to the use and valorization of CO2 as a raw material. In the first part, a metallocavitand, which structure is based on a calix[4]arene modified by four phenanthroline tris-carbonyl rhenium(I) complexes, was studied in solution and deposited on a conductive transparent surface. The aim of this study was to control through an electrochemical stimulus the closing and opening of the wide rim of the cavitand. Complexity of the redox properties of the metallocavitand led us to investigate in detail the electrochemical properties of simpler examples of these rhenium(I) complexes. These properties were previously described in the literature ; however, there was disagreement in the interpretation of the results. Finally this study led us to a more precise and better understanding of the mechanism of the reduction of CO2 by a complex of this kind. In the second part, which is the main part of this PhD, synthesis, physico-chemical characterization and spectro-electrochemical study of bipyridine tris-carbonyl manganese complexes, analogues of the rhenium complexes mentioned above, were undertaken. The aim was to develop an innovative catalyst for the electrochemical reduction of carbon dioxide, based on a metallic complex, by substituting rare and noble metals currently used by a non-noble and abundant metal: manganese. Electrochemical properties of newly synthesized manganese complexes were investigated in detail. Simulations of cyclic voltammetry, associated with mechanism studies by UV-vis spectro-electrochemistry, allowed us to determine kinetic and thermodynamic properties of the different chemical reactions coupled with the irreversible electron transfers. These manganese complexes proved to electrocatalyse the reduction of carbon dioxide at least as efficiently as the analog rhenium complexes which were, until now, the best system for this application. These manganese electrocatalysts exhibit a very good selectivity (high faradic yields and no or very little H2) and a good efficiency for reduction of CO2 to CO in aqueous-organic media. Preparative scale electrolysis operates at low overpotential. Mechanisms of the different catalytic pathways were studied using UV-vis and EPR (continuous wave or pulsed) spectro-electrochemistry associated with DFT calculations. A key-intermediate was evinced and investigated. Finally the study of photo-induced decarbonylation reactions of these complexes is also described.