Die eingereichte Dissertation mit dem Thema „Heterogen katalysierte Hydrodehalogenierung von Borhalogeniden im Rahmen eines in sich geschlossenen BNHx-Recyclingkonzepts“ beinhaltet drei für das BNHx-Recycling zentrale Reaktionsschritte: Supersäureaufschluss, Hydrodehalogenierung und den Basenaustausch. Mit Hilfe dieser drei Schritte ist es möglich, die Zersetzungsrückstände von BH3NH3(Polyaminoboran, Borazin und Polyborazylen) wieder in BH3NH3 zu überführen, ohne teure Reduktionsmittel wie LiAlH4 oder Hydrazin verwenden zu müssen. Das Verfahren ermöglichte in einem Durchlauf die Gewinnung von 60 % der eingesetzten Menge an BH3NH3 ohne eine Erzeugung von Abfallprodukten. Mit Hilfe der Chloralkalielelektrolyse kann das Verfahren an Wind- bzw. Solarkraftwerke gekoppelt und über diese alle benötigten Ausgangsstoffe hergestellt werden. Die katalytische Erzeugung von B-H-Spezies auf der Grundlage der Aktivierung von molekularem Wasserstoff ist als Schwerpunkt dieser Arbeit zu sehen. Die mechanistischen Studien lieferten ein genaueres Verständnis über fundamentale Zusammenhänge zwischen dem Lösungsmittel Et3N und der Wasserstoffbereitstellung über die N-CH2-Gruppierung sowie der Wirkungsweise des Katalysators.

Dans la problématique de l'utilisation de nouvelles énergies non polluantes, l'hydrogène est l'un des principaux carburants verts du futur. Les dérivés d'hydrazine et de borane sont potentiellement intéressants pour le stockage chimique de l'hydrogène. Les complexes entre hydrazines ou nitriles avec des boranes ou des alanes sont à la base de cette étude. Ces composés ont été synthétisés afin d'étudier leur structure électronique avant et après la création de la liaison entre les acides et les bases de Lewis. La spectroscopie photoélectronique à rayonnement UV (UV-SPE) est utilisée comme outil principal de caractérisation fournissant des énergies d'ionisation (IE). L’interprétation des résultats expérimentaux est supportée par des calculs quantiques comme ΔSCF + TD-DFT, OVGF, P3 et SAC-CI. Des simulations et des expériences par Flash Vacuum Thermolysis (FVT) ont été effectuées, portant sur l’élimination d'hydrogène à partir de dérivés d'hydrazine borane. / Within the problematic of the use of new non-polluting energies, hydrogen is one of the main green fuels of the future. Hydrazine borane derivatives are potentially interesting chemical hydrogen storage materials. Complexes between hydrazines or nitriles with boranes or alanes are the basis of this study. These compounds were synthesized in order to study their electronic structure before and after creation of the bond between the Lewis acids and bases. Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (UV-PES) is used as a main characterization tool, providing Ionization Energies (IE). The interpretation of the experimental results is supported by Quantum Chemical Calculations as ΔSCF+TD-DFT, OVGF, P3 and SAC-CI methods. Simulations and experiments by Flash Vacuum Thermolysis (FVT) were carried out on hydrogen release from hydrazine borane derivatives.

This thesis work is based on an investigation of intermediates involved in various metal mediated catalytic reactions such as hydrogenation, hydroboration, functionalization of methane etc. An intermediate dictates the energetics of the catalytic cycle of these reactions. Therefore, it is important to study such types of intermediates in order to design a better catalyst. These intermediates are called σ-complexes in which a σ-bond is coordinated to the metal center at some stage of the reaction coordinate. These species are rarely stable at ambient conditions which create difficulties in exploring their chemistry. Our aim is to study the effect of ancillary ligands on the coordination properties of a σ-bond ligand. We chose two different classes of σ-complexes – one contains a B–H σ-bond as a ligand, i.e., σ-borane complex and another contains a H–H σ-bond as a ligand, i.e., σ-dihydrogen complex. Both M–H–B and M–H2 interactions are 3-center-2-electron coordination bonds comprised of two bonding components. One is σ-donation, which is present in both and another is π-back donation from the metal center, which is negligible in the σ-borane complexes contrary to the σ-dihydrogen complexes. The bonding characteristics of M–H–B and M–H2 interactions suggest that an electron deficient metal center is necessary to study the σ-borane complexes with reasonable stability. Thus, we selected an early transition metal, i.e., Cr(0) bearing arene and CO ancillary ligands, for studying the σ-borane complexes. On the other hand, the cis-dihydrogen/hydride and cis-dihydrogen chloride complexes were studied on a late transition metal center, i.e., Ru(II) bearing phosphine and N–N bidentate ligands. Ammonia-borane is known to be a potential hydrogen storage material. Therefore, we picked up the catalytic dehydrogenation reaction of this compound and intended to investigate the interaction between a metal center and the BH σ-bonds of amine-boranes. We characterized the σ-borane complexes [(η6-arene)Cr(CO)2(η1-H–BH2•NMe3)] (arene = fluorobenzene, benzene, and mesitylene), and observed an interesting correlation between the electronics and stability of these species. This was the first report of σ-borane systems possessing an η6-arene ligand. A prototype homobimetallic σ-borane complex, [(η6-C6H5CH2NMe2•BH2–HCr(CO)5)Cr(CO)3] was characterized using single crystal X-ray crystallography. An intramolecular σ-borane complex, (η1-(η6-C6H5CH2NMe2•BH2–H))Cr(CO)2 was found to possess an interesting chelation of the η6-arene, and BH coordination sites of its amine-borane moiety with the Cr(0) center. These σ-borane complexes showed an interesting dynamics in the binding interface between the metal center and the borane ligand. Free energy of activation (ΔG#) for this process was estimated to be 30-40 kJ/mol. To explore certain σ-dihydrogen complexes we investigated the chemistry of cis-dihydrogen/hydride complexes of Ru(II) bearing phosphine and N-N bidentate ligands cis,trans-[RuH(η2-H2)(PPh3)2(N-N)][OTf] (N-N = 2, 2′-bipyridyl, 2, 2′-bipyrimidine) in detail. In those cases, we established that the adjacent hydride ligand has large influence on the dihydrogen coordination. The η2-H2 and hydride ligands showed a single 1H NMR spectral signal due to fast site exchange among each other. We established the mechanism and calculated the free energy of activation (ΔG# = 8-13 kJ/mol) of this dynamics. These complexes were found to be stable at ambient conditions although, a labile dihydrogen ligand is present in the coordination sphere of the metal center. In fact, we could obtain the single crystals of cis,trans-[RuH(η2-H2)(PPh3)2(bpy)][OTf]. The molecular structure of a σ-complex in which a σ-bond (before it gets completely formed or broken) acts as a ligand is what fascinates this area in chemistry. A cis-dihydrogen chloride complex, cis,trans-[RuCl(η2-H2)(PPh3)2(bpm)][OTf] was characterized unambiguously using NMR spectroscopy. The H-H distance (dHH) for the η2-H2 ligand of these complexes were estimated to be 0.9-1.0 Å. We attempted to observe some σ-methane species spectroscopically at low temperatures. Unfortunately, these species were quite unstable for exhibiting the NMR spectral signals even at low temperatures. Nevertheless, we investigated the reactivity of cis,trans-[RuHX(PPh3)2(N-N)] (X = H, Cl; N-N = 2, 2′-bipyridyl, 2, 2′-bipyrimidine) towards a methylating agent, CH3OTf. This reaction resulted in methane evolution by the combination of the hydride ligand of a Ru(II) complex and the CH3+ moiety of CH3OTf. This reaction was carried out in a sealed tube inside a NMR probe at ~183 K and monitored for a long period of time; however, the methane bound metal species was not observed. Perhaps, the longevity of this class of σ-methane complex falls below the NMR time scale.

Die eingereichte Dissertation mit dem Thema „Heterogen katalysierte Hydrodehalogenierung von Borhalogeniden im Rahmen eines in sich geschlossenen BNHx-Recyclingkonzepts“ beinhaltet drei für das BNHx-Recycling zentrale Reaktionsschritte: Supersäureaufschluss, Hydrodehalogenierung und den Basenaustausch. Mit Hilfe dieser drei Schritte ist es möglich, die Zersetzungsrückstände von BH3NH3(Polyaminoboran, Borazin und Polyborazylen) wieder in BH3NH3 zu überführen, ohne teure Reduktionsmittel wie LiAlH4 oder Hydrazin verwenden zu müssen. Das Verfahren ermöglichte in einem Durchlauf die Gewinnung von 60 % der eingesetzten Menge an BH3NH3 ohne eine Erzeugung von Abfallprodukten. Mit Hilfe der Chloralkalielelektrolyse kann das Verfahren an Wind- bzw. Solarkraftwerke gekoppelt und über diese alle benötigten Ausgangsstoffe hergestellt werden. Die katalytische Erzeugung von B-H-Spezies auf der Grundlage der Aktivierung von molekularem Wasserstoff ist als Schwerpunkt dieser Arbeit zu sehen. Die mechanistischen Studien lieferten ein genaueres Verständnis über fundamentale Zusammenhänge zwischen dem Lösungsmittel Et3N und der Wasserstoffbereitstellung über die N-CH2-Gruppierung sowie der Wirkungsweise des Katalysators.:1 Einleitung und Motivation 8 2 Literaturteil 15 2.1 Borazan (AB) Zersetzung 15 2.2 Regenerierung der Zersetzungsprodukte 17 2.3 Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Recyclingverfahren 20 2.3.1 Supersäure-Aufschluss zur Herstellung von BCl3 und BBr3 aus BNHx-Abfall 22 2.3.2 Bekannte Verfahren zur Herstellung von BCl3 23 2.3.3 Bekannte Verfahren zur Herstellung von BBr3 24 2.3.4 Basenaustausch zwischen Trialkylamin-Boranen und NH3 24 2.4 Hydrodehalogenierung 26 2.4.1 Gasphasen-Verfahren ohne Verwendung von Aminen als Hilfsbase 28 2.4.2 Flüssigphasen-Verfahren mit Aminen als Hilfsbase 31 2.4.3 Mechanistische Betrachtung 34 2.4.4 Hydrodehalogenierung von Borhalogeniden mit homogenen Katalysatoren 37 2.5 Amorphe Nickelboride als heterogene Katalysatoren 38 2.5.1 Synthese des amorphen Nickelborids 40 2.5.2 Angewandte Synthese- und Charakterisierungsmöglichkeiten zur Darstellung und Charakterisierung von amorphen Nickelboriden 41 2.5.3 Bekannte Hydrodehalogenierungen mit Nickelborid-Katalysatoren 47 2.5.4 Bekannte Nickelboride als Wasserstoffspeichermaterial 47 2.5.5 Nickelboranat (Ni(BH4)2) – Das wasserstoffreichste Nickelborid? 48 2.6 Heterogene Katalyse am Beispiel der Hydrodehalogenierung von Amin-BX3-Addukten (X=Cl, Br, I) in flüssiger Phase (Et3N) 51 2.6.1 Stofftransport innerhalb eines Drei-Phasen-Slurry-Reaktors 51 2.7 Methoden zur Bestimmung einer Katalysatorvergiftung (TPR) und zur Bestimmung der katalytischen Aktivität (TDS) des amorphen Nickelborids 55 2.7.1 Temperaturprogrammierte Reduktion (TPR) 55 2.7.2 Temperaturprogrammierte Desorption (TDS) 58 3 Ergebnisteil und Diskussion 59 3.1 Charakterisierung von amorphen Nickelboriden der allgemeinen Zusammensetzung NixByHz 59 3.1.1 Bestimmung der katalytischen Produktivität und der Aktivität am Beispiel der Hydrodehalogenierung von Et3NBCl3 59 3.1.2 Bestimmung des Ni/B-Verhältnisses mittels ICP-OES 61 3.1.3 Photoelektronenspektroskopie (XPS) -Bestimmung der Elementzusammensetzung an der Katalysatoroberfläche 62 3.1.4 TPR-Nachweis für das Vorhandensein oxidierter Metall-Spezies im Material 70 3.1.5 DSC-Untersuchung der Phasenumwandlung 73 3.1.6 TPD-Untersuchung der Wasserstoffabgabe 75 3.1.7 Wiederbeladung des Materials mit Wasserstoff (Zyklenstabilität) 81 3.1.8 PXRD-Röntgenpulverdiffraktometrie 84 3.1.9 IR-Spektroskopische Untersuchung zur Aufklärung der Bindungssituation des Wasserstoffs in amorphen Nickelboriden 90 3.1.10 TEM- und REM-Aufnahmen zur Bestimmung der Morphologie von amorphem Nickelborid 94 3.1.11 Bestimmung der BET-Oberfläche durch N2-Physisorption (T=-196 °C) 97 3.1.12 Zusammenfassung der Ergebnisse der Katalysatoraufklärung 100 3.2 BNHx-Abfall Recycling und die Wiedergewinnung von BH3NH3 102 3.3 Die Herstellung von BX3 (X= Cl, Br) aus BNHx –Abfall 102 3.3.1 Supersäure-Aufschluss von Polyaminoboran (BH2NH2)x mit AlCl3/HCl/CS2 und AlBr3/HBr/CS2 103 3.3.2 Supersäure- Aufschluss von Borazin AlCl3/HCl/CS2 106 3.3.3 Supersäure-Aufschluss von stark vernetztem Polyborazylen (PB) mit den Systemen AlCl3/HCl/CS2 und AlBr3/HBr/CS2 108 3.3.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der vorgestellten Aufschlussverfahren 112 3.3.5 Mechanistische Betrachtungen zum Supersäure-Aufschluss des BNHx-Abfalls 113 3.4 Reaktionstechnische Untersuchungen zur Hydrode-halogenierung von Borhaliden des Typs BX3 (Cl, Br, I) 116 3.4.1 Stofftransportphänomene innerhalb der heterogen katalysierten Hydrodehalogenierung 117 3.4.2 Diffusion der Reaktanten in der flüssigen Phase zum Katalysator 119 3.4.3 Wechselwirkungseinflüsse der Addukte Et3NBCl3, Et3NBHCl2, Et3NBH2Cl und Et3NBH3 auf den Katalysator 122 3.4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Stofftransport-Untersuchungen 123 3.5 Katalytische Hydrodehalogenierung von Et3NBCl3 123 3.5.1 Verfolgung der Reaktion über die Probenentnahme der Flüssigphase und Konzentrationsbestimmung mittels 11B NMR-Spektroskopie 124 3.5.2 Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten durch die Verwendung der Methode der Anfangsgeschwindigkeit 133 3.5.3 Katalytische Hydrodehalogenierung anderer Et3NBX3 (X=Br,I) Addukte 134 3.5.4 Nebenreaktionen – Eine Frage von Temperatur und Druck 138 3.6 Reaktionsmechanismus-Aufklärung am Beispiel der Hydrodehalogenierung von Et3NBCl3 145 3.6.1 Die Rolle des tertiären Amins 146 3.6.2 Die Rolle des Katalysators 154 3.6.3 Markierungsexperimente mit schwerem Wasserstoff (D2) 158 3.6.4 Einfluss von Radikalstartern auf die Reaktionsgeschwindigkeit der HDC 162 3.7 Disproportionierung von Et3NBH2Cl durch BCl3-Überschuss 165 3.8 Basenaustausch- Synthese von BH3NH3 aus Et3NBH3 und NH3 167 4 Thermodynamische Bewertung beider Recycling-Verfahren (Cl und Br) auf der Basis der Standard-Reaktionsenthalpien 170 5 Zusammenfassung der Ergebnisse 176 5.1 Amorphe Nickelboride 176 5.2 Supersäureaufschluss 178 5.3 Hydrodehalogenierung 178 5.4 Basenaustausch 180 5.5 Durchführung eines vollständigen Zyklus: Von der Dehydrierung bis zur Synthese von BH3NH3 180 5.6 Bewertung des Recyclingprozesses- Kopplung des Verfahrens mit einer Chloralkalielektrolyse 181 6 Ausblick 184 7 Anhang 185 7.1 Experimenteller Teil 186 7.1.1 Herstellung des BNHx-Abfalls (spent fuel) 186 7.1.2 Supersäure-Aufschluss des BNHx-Abfalls mit dem System AlCl3/HCl/CS2 187 7.1.3 Supersäure-Aufschluss des BNHx-Abfalls mit dem System AlBr3/HBr/CS2 189 7.1.4 Bestimmung der Donor-Akzeptor-WW in Bortrihalid- Trialkylaminkomplexen 190 7.2 Synthese des amorphen Nickelboridkatalysators 198 7.2.1 Probenvorbereitung und Analyseparameter für die einzelnen Analysemethoden 200 7.3 Synthese von wasserstoffreichem Nickelborid unter wasserfreien Bedingungen 203 7.4 Hydrodehalogenierung 204 7.4.1 Experimente für den Katalysatorvergleich in Kapitel 3.1.1 205 7.4.2 Hydrodehalogenierungsexperimente aus Kapitel 3.5 205 7.4.3 Experimente mit Probenentnahme aus Kapitel 3.4 206 7.4.4 Hydrodehalogenierung mit anderen Borhalogenid-Addukten (Et3NBBr3, Et3NBI3) aus Kapitel 3.5.3 206 7.4.5 Hydrodechlorierungsexperimente mit Me2EtN und Me3N 206 7.4.6 Markierungsexperimente mit schwerem Wasserstoff siehe Kapitel 3.6.3 207 7.4.7 Testexperiment Imminiumsalzbildung 207 7.4.8 Nebenreaktionen der Hydrodehalgenierung durch thermische Zersetzung der Addukte 208 7.5 Disproportionierung 209 7.6 Basenaustausch zwischen Et3NBH3 und NH3 210 7.7 Durchführung eines vollständigen Recycling-Zyklus 211 7.7.1 Die Dehydrierung von BH3NH3 (Herstellung von Polyborazylen) 211 7.7.2 Supersäureaufschluss des Polyborazylens 211 7.7.3 Hydrodechlorierung von BCl3 213 7.7.4 Basenaustausch-Experiment 214 8 Kalorimetrie –Bestimmung thermodynamischer Stoffdaten 215 9 NMR-Daten ausgewählter Zersetzungsprodukte von Et3NBX3-Addukten 216 10 Verzeichnisse 217 10.1 Abkürzungsverzeichnis 217 10.2 Tabellenverzeichnis 219 10.3 Abbildungsverzeichnis 221 11 Liste verwendeter Chemikalien 227 12 Versicherung 228 13 Literaturverzeichnis 229

Ammonia borane and ammonium borohydride have been considered extensively as potential hydrogen storage materials. This thesis reports their structure and functional properties, emphasising the key role that dihydrogen bonding plays in both materials. The formation of a 'mobile phase' is considered to be the preliminary step in the decomposition of ammonia borane. The formation of this mobile phase has been studied using neutron diffraction, inelastic neutron spectroscopy and NMR. It has been found that in the mobile phase, 'end-to-end' flipping of the ammonia borane molecule occurs. This is an important precursor to the next step in the decomposition: the formation of the diammoniate of diborane. The dihydrogen bonding networks which occur in both the orthorhombic and the tetragonal phases of ammonia borane, and are the controlling factor in the decomposition process, were investigated using Density Functional Theory Molecular Dynamics (DFT-MD) simulations. It was hence shown that in the high-temperature tetragonal phase of ammonia borane, dihydrogen bonding is still an important stabilising interaction and there is little to distinguish between the three crystallographically distinct dihydrogen bonds. A closely related hydrogen storage material, ammonium borohydride, was also studied using the same techniques. Its low temperature phase progression was examined using variable temperature neutron diffraction. The vibrational modes of ammonium borohydride were assigned by comparing vibrational spectra determined using inelastic neutron spectroscopy with the results of DFT-MD simulations. Quasielastic neutron spectroscopy was used to show that both the ammonium and borohydride groups in ammonium borohydride perform discrete 'hopping' reorientational motions at a wide range of temperatures, and that the ammonium group has a mean residence time approximately 100 times less than that of the borohydride group. Hydrogen atom densities in the ammonium group were determined from DFT-MD simulations, and from refinements of high-resolution neutron diffraction data using cubic harmonic basis functions.

Cette thèse traite de l'utilisation de molécules dîtes ambiphiles, comportant à la fois un site donneur et accepteur d'électrons, en chimie organométallique, en tant que ligand.<br /><br />Dans le premier chapitre, une étude bibliographique décrit l'utilisation des acides de Lewis du groupe 13 en tant que co-catalyseur en chimie organométallique, afin de mieux comprendre quel rôle pourrait jouer celui-ci au sein d'un ligand ambiphile coordiné sur un métal de transition. Les différents modes de coordination de ces ligands sont examinés. Les rares contributions traitant de la réactivité de ce type de complexes sont également décrites.<br /><br />Le second chapitre décrit la synthèse par couplage bore-carbone d'une nouvelle famille de ligands ambiphiles, 2-picolylboranes. En fonction des substituants du bore, ces composés sont obtenus sous forme dimère ou monomère fermé par interactions datives donneur-accepteur, inter ou intramoléculaires. Le comportement en solution du 2-picolylBCy2 a été examiné attentivement. Un équilibre entre la forme dimère et monomère est mis en évidence. Des calculs théoriques valident nos conclusions. La coordination de ce ligand sur plusieurs précurseurs métalliques est étudiée. Un exemple rare de coordination pontante donneur→Ru-Cl→accepteur a été caractérisé dans le complexe [(p-cym)RuCl2(2-picolylBCy2)].<br /><br />Dans le troisième chapitre, la synthèse par hydroboration d'une famille de ligands ambiphiles, 1,2-phosphinoethylborane, est décrite. Deux complexes de ruthénium neutres contenant ces ligands, ainsi que leur dérivés cationiques sont caractérisés. Des tests catalytiques préliminaires d'hydrosilylation du benzaldéhyde avec l'un des complexes cationiques ont montré la dégradation rapide du pré-catalyseur en un complexe ruthénacycle original. Sa réactivité avec un chloroborane et un chloroalane est étudiée.

Dans le premier chapitre, une étude bibliographique présente les rôles joués par les acides de Lewis du groupe 13, principalement du bore, en chimie organométallique. Même si dans ce domaine, ils sont principalement utilisés comme co-adduit, de rares exemples montrent que placés au sein d'un complexe métallique, ils peuvent (a) réaliser l'activation intramoléculaire d'une liaison M-X, (b) servir de point d'ancrage pour approcher un substrat riche en électrons du centre réactif et (c) interagir directement avec le métal lui-même.<br /><br />Dans le second chapitre, la synthèse et l'étude de la structure adoptée par les ligands ambiphiles sont discutées. Les facteurs régissant les préférences structurales des composés mono, di et triphosphine-borane sont étudiés.<br /><br />Dans le troisième chapitre, l'étude de la coordination de composés ambiphiles monophosphine-borane PB est réalisée vis-à-vis de complexes plan carré d8 ML4. Deux modes de coordination sont mis en évidence présentant un acide de Lewis non impliqué dans la coordination P→M, puis en interaction avec un chlorure porté par le métal P→M-Cl→B.<br /><br />Dans le quatrième chapitre, l'utilisation des composés diphosphine-borane PBP permet de mettre en évidence un troisième mode de coordination faisant apparaître une interaction M→B pour des complexes de rhodium, platine et palladium. L'analyse de cette interaction montre une forte dépendance vis-à-vis de la nature du métal.<br /><br />Enfin, dans le cinquième chapitre la variation de la nature du précurseur métallique, ainsi que la modulation de l'acidité de Lewis du site accepteur conduisent à deux complexes d'or présentant une interaction originale Au-B par la coordination des composés mono-phosphine-borane PB.<br /><br />L'ensemble de ce travail a été effectué en associant études expérimentales et études théoriques réalisées par Karinne Miqueu de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour.

A new class of porous polymers has been designed and successfully synthesized by thermal dehydrogenation of several polytopic arylamine-borane adducts and has been designated Borazine-Linked Polymers (BLPs). The polymers reported are constructed of linear, triangular, and tetrahedral amine building units to form 2D and 3D frameworks. The boron sites of the pores are aligned with hydrogen atoms contrasted with the recently reported halogenated BLPs which consist of pore channels aligned with bromine or chlorine atoms. One of the reported BLPs, BLP-2(H), was proven to be crystalline by PXRD, matching the experimental pattern to theoretical patterns calculated from modeled structures. BLPs were found to be thermally stable by thermogravimetric analysis, decomposing at temperatures ~450 ºC. Infrared spectroscopy and 11B MAS NMR spectra confirm the formation of borazine as reported in previous borazine-containing polymers and 13C CP MAS spectra confirmed that the structural integrity of the amine building units were maintained and incorporated in the framework of BLPs. Nitrogen isotherms revealed that BLPs exhibit high surface areas ranging from 1132-2866 m2/g (Langmuir) and 400-2200 m2/g (Brunauer-Emett-Teller, BET) with pore sizes from 7-14 Å. Hydrogen, methane, and carbon dioxide measurements were performed at low pressure (up to 1 atm) and were found to be among the best of organic polymers. High pressure isotherms (up to 40 bar) were also taken at various temperatures ranging from 77-298 K. Isosteric heats of adsorption were calculated using the virial method at low pressures. Gas storage performance of BLPs at 40 bar were found to be: 14.7-42.5 mg/g for H2 uptake at 77 K; 348.9-717.4 mg/g for CO2 uptake at 298 K; and 40.8-116.1 mg/g for CH4 uptake at 298 K. The CO2/CH4 selectivity of BLPs at 298 K up to 40 bar was calculated using the Ideal Adsorbed Solution Theory (IAST) to determine their performance as carbon capture and sequestration materials. Additionally, non-borazine containing nanoporous organic polymers (NPOFs) consisting of all carbon and hydrogen atoms were also synthesized and subjected to low pressure hydrogen storage measurements. The results show that though NPOFs generally exhibit higher surface areas (SALang = 2423-4227 m2/g), the H2 storage capacity of BLPs is superior.

Les matériaux à base de bore et d'azote présentent un grand potentiel et donc un grand intérêt pour des applications énergétique et en particulier dans le domaine du stockage de l'hydrogène. L'ammoniaborane (NH3BH3) s'est révélé, au milieu des années 2000, comme un matériau avec une grande capacité gravimétrique (19,6%m) et volumétrique (140 g.L-1) en hydrogène. Au cours de l'analyse de la bibliographie nous nous sommes aperçus que tous les travaux sur l'ammoniaborane portés sur sa déstabilisation thermique, nous avons donc choisi une approche originale en nous concentrant sur la stabilisation thermique de l'ammoniaborane. Mon travail de thèse a consisté à revisiter la synthèse de l'ammoniaborane pour en dégager les meilleurs paramètres de synthèse (précurseurs de bore et d'azote, solvant et température) possible en vue d'obtenir une température de début de déshydrogénation la plus haute possible. En effet, en faisant varier certains précurseurs nous avons pu observer une modification de la température de début de déshydrogénation et donc de la stabilité thermique de l'ammoniaborane. Après avoir déterminé les meilleurs paramètres de synthèses nous avons entrepris une étude thermique et thermolytique afin de comprendre quel(s) facteur(s) étai(en)t à l'origine de cette différence de stabilisation. Pour cela nous avons effectué une étude d'analyse thermogravimétrique couplée à un spectromètre de masse afin de déterminer le mécanisme de déshydrogénation et une étude en conditions isotherme afin de vérifier la stabilité des ammoniaboranes que nous avons synthétisés. Dans un troisième temps nous avons effectué une étude spectroscopique de surface, grâce à l'XPS et du matériau dans son ensemble, grâce à la RMN-MAS à l'état solide des noyaux de bore 11 et d'azote 15. Ces études nous ont permis de déterminer un nouveau mécanisme de déshydrogénation de l'ammoniaborane pour des expériences en conditions isotherme. / Boron and nitrogen based-materials offer a great potential and interest in energy applications and in particular in the field of hydrogen storage. The ammonia borane (NH3BH3) was revealed, in the mid 2000s, as a material with high gravimetric (19.6%m) and volumetric (140 g.L-1) capacities in hydrogen. During the analysis of the literature we realized that all studies on ammonia borane treated on its thermal destabilization, so we chose an original approach by focusing our work on the thermal stabilization of ammonia borane. My thesis work focused on the synthesis of ammonia borane to identify the best synthesis parameters (boron and nitrogen precursors, solvent, and temperature) for the highest possible onset temperature. Indeed, by varying some precursors we observed a change in the onset temperature and therefore in the thermal stability of the ammonia borane. After determining the best synthesis parameters we undertook thermal and thermolytic studies to understand which factor(s) is(are) responsible for the stabilization's differences. For this, we performed thermogravimetric analysis coupled to mass spectrometer studies to determine the dehydrogenation mechanism and studies in isothermal conditions to verify the stability of our ammonia boranes. Thirdly we performed a spectroscopic study by XPS and solid state MAS-NMR of boron 11 and nitrogen 15. These studies allowed us to identify a new mechanism of dehydrogenation of ammonia borane for experiments in isothermal conditions.

The recognition and capture of fluoride, cyanide and azide anions is attracting great deal of attention due to the negative effects of these anions on the environment and on human health. One of common methods used for the recognition and capture of these anions is based on triarylboranes, the Lewis acidity of which can be enhanced via variation the steric and electronic properties of the boron substituents. This dissertation is dedicated to the synthesis of novel boron-based anion receptors that, for the most part, feature an onium group bound to one of the aryl substituents. The presence of this group is shown to increase the anion affinity of the boron center via Coulombic effects. Another interesting effect is observed when the onium group is juxtaposed with the boron atom. This is for example the case of naphthalene-based compounds bearing a dimesitylboryl moiety at one of the peri-position and a sulfonium or telluronium unit at the other peri position. Fluoride anion complexation studies with these sulfonium or telluronium boranes, show that the boron-bound fluoride anion is further stabilized by formation of a B-F->Te/S bridge involving a lp(F)->sigma*(Te/S-C) donor acceptor interaction. Some of the sulfonium boranes investigated have been shown to efficiently capture fluoride anions from wet methanolic solutions. The resulting fluoride/sulfonium borane adducts can be triggered to release a "naked" fluoride equivalent in organic solution and thus show promise as new reagents for nucleophilic fluorination chemistry. Interestingly, the telluronium systems show a greater fluoride anion affinity than their sulfonium analogs. This increase is assigned to the greater spatial and energetic accessibility of the sigma* orbital on the tellurium atom which favors the formation of a strong B-F->Te interaction. This dissertation is concluded by an investigation of the Lewis acidic properties of B(C6Cl5)3. This borane, which has been reported to be non-Lewis acidic by other researchers, is found by us to bind fluoride, azide and cyanide anions in dichloromethane with large binding constants. This borane is also reactive toward neutral Lewis bases, such as p-dimethylaminopyridine, in organic solvents.