Ce travail s'inscrit dans une démarche d'ingénierie moléculaire impliquant l'utilisation de sondes fluorescentes, avec un double objectif de détection de cations lourds polluants pour l'environnement et d'étude de surfaces d'alumines.<br />Dans une première partie, la conception de sondes mettant à profit une modification des processus photoinduits lors de la complexation du cation doit répondre aux critères de sensibilité et de sélectivité requis. Une série de calixarènes substitués par des groupes dansylamides fluorescents a été synthétisée. L'un d'entre eux présente une sélectivité exceptionnelle pour le plomb. Un composé analogue a ensuite été greffé sur silice afin d'obtenir un matériau fonctionnalisé pour la détection du mercure dans l'eau. Une seconde classe de calixarènes possédant plusieurs fluorophores à transfert de charge de type phénylacétylène est prometteuse pour la détection sensible du plomb.<br />Une seconde partie a pour objet l'étude de la répartition des groupes hydroxyles à la surface d'alumines (gamma et delta) utilisées en catalyse. Une sonde fluorescente à base de pyrène a été synthétisée et greffée à la surface. La capacité du pyrène à former des excimères a été mise à profit afin de détecter les sondes spatialement proches les unes des autres, ce qui a permis de proposer un modèle de distribution des groupes hydroxyles. Ce modèle fait apparaître différentes zones dont les proportions et densités sont différentes selon les deux types d'alumines étudiés.

Le développement de nouvelles méthodes de perturbation, d'intégration thermodynamique et de potentiel de forces moyennes nous a permis de caractériser thermodynamiquement (delta r G, delta r H, delta r S) des processus d'association entre un macrocycle et différents types de cations en solution aqueuse. Différentes méthodologies ont été développées en fonction de la nature des interactions non-covalentes mises en jeu entre le macrocycle et le cation (interaction-pi, électrostatique, van des Waals). Lorsque les grandeurs d'association calculées étaient en accord avec l'expérience, l'aspect description moléculaire des complexes et des phénomènes associés a permis le couplage entre le microscopique et le macroscopique complétant ainsi l'analyse des grandeurs thermodynamiques.

Les investigations menées après attentat par les services de police technique et scientifique ont pour but d'identifier la composition de la charge explosive employée, mais la tâche peut se révéler particulièrement difficile d'un point de vue analytique. En effet, les résidus de charge explosive sont le plus souvent présents à l'état de traces dans des matrices variées et complexes, d'où la nécessité de disposer de protocoles analytiques performants et rapides. Ces travaux ont donc tout d'abord consisté à développer trois méthodes par électrophorèse capillaire pour l'analyse (i) d'anions inorganiques avec un électrolyte de forte force ionique à base de chromate, puis (ii) de cations inorganiques avec une capillaire modifié par une double couche et un électrolyte à base de guanidine, et enfin (iii) d'anions et de cations inorganiques simultanément qui sont spécifiques à l'analyse des résidus récoltés après explosion d'un mélange acide-aluminium. La seconde partie de ce travail a été dédiée à l'analyse par électrophorèse capillaire de carbohydrates, composés pouvant entrer dans la composition de charges explosives artisanales. Un électrolyte de séparation très alcalin, à base de soude, a permis de séparer, mais aussi de détecter les carbohydrates via une réaction photochimique se déroulant lors du passage des analytes dans la fenêtre du détecteur, l'espèce détectée étant selon nos hypothèses sous la forme de malonaldéhyde ou d'un composé voisin. Une séparation en moins de 20 min de neuf carbohydrates a été finalement optimisée à l'aide d'une approche multivariée et d'une analyse de désirabilité. Cette méthode a été validée et appliquée notamment à des analyses d'échantillons récoltés après une simulation d'attaque suicide. Enfin, le développement d'une méthode d'analyse de l'eau oxygénée, grâce à sa complexation avec les ions borate, a été réalisé. Ce composé entre dans la composition d'explosifs à base de peroxyde et son analyse ouvre des perspectives intéressantes pour l'analyse des explosifs à base de peroxydes par électrophorèse capillaire. Toutes les méthodes, ainsi développées, ont été validées et appliquées avec succès à des échantillons réels. L'électrophorèse capillaire apparaît alors comme une technique de grand intérêt, complémentaire de la chromatographie ionique ou de la chromatographie sur couche mince.

Les zéolithes sont des aluminosilicates poreux cristallins dont la taille caractéristique de la porosité est de l'ordre de la taille de nombreuses molécules organiques et inorganiques, ce qui leur confère des propriétés spécifiques en adsorption et catalyse, à l'origine de leur importance dans de nombreuses applications industrielles. La modélisation des propriétés des zéolithes est importante de plusieurs points de vue : du point de vue de l'industriel, elle peut favoriser un choix plus judicieux du matériau qui présente la propriété d'adsorption critique pour une application ; du point de vue fondamental, la structure ordonnée des zéolithes en fait des matériaux modèles uniques pour tester les méthodes de calculs sur des étalons dont les propriétés peuvent être mesurées par de nombreuses techniques expérimentales. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire de Chimie Physique d'Orsay et l'IFP - énergies nouvelles. Différentes méthodes de simulation ont été mises au point pour modéliser, comprendre et prédire diverses caractéristiques structurales et propriétés des zéolithes cationiques : la sélectivité d'adsorption d'eau et hydrocarbures (notamment dans les faujasites au baryum), la localisation des cations extraréseaux (baryum notamment), la localisation des atomes d'aluminium dans la charpente (méthode basée sur des études de diffraction des rayons X), les propriétés d'échange ionique (faujasites NaX et NaY) et la flexibilité de la charpente. Les modèles et les méthodes dont nous disposons aujourd'hui permettent d'étudier des matériaux contenant des cations monovalents mais aussi divalents, ainsi que des matériaux bicationiques.

Le sélénium (Se) est un antioxydant et un oligo-élément pour les animaux et les humains. Néanmoins, l'intervalle de concentration entre carence et toxicité est très étroit. Ce métalloïde est introduit indirectement dans la chaine alimentaire via son accumulation dans les plantes. La littérature sur ce sujet est encore restreinte et incomplète, s'effectuant couramment sur des plantes modèles et en présence de fortes concentrations en Se. Cette thèse porte sur le transfert du Se dans une plante de grande culture, le Zea mays, et les conséquences de cette accumulation sur la physiologique de la plante à travers l'étude de l'accumulation des cations essentiels (Ca, Mg, Fe, Zn, Mn, Cu). Des expérimentations en milieu contrôlé (cultures en hydroponie) ont donc été réalisées pour obtenir un ensemble d'échantillons analysés ensuite par des techniques d'analyse adéquates et sensibles (CRC-ICP-MS par exemple). Diverses modalités influençant le transfert du Se dans la plante ont ainsi été étudiées : la concentration et forme du Se source ainsi que le stade de développement de la plante. Les résultats ont montré que l'absorption racinaire, la concentration au sein de la plante ainsi que le degré de métabolisation du Se, et par conséquent les apports en Se pour les populations animales et humaines, sont fortement influencés par les trois facteurs énoncés. De plus, cette étude a mis en évidence que l'accumulation des cations au sein des plantes dépendent du Se. Ces effets peuvent être associés au déséquilibre du système de détoxification des espèces oxygénées réactives des cellules, en cohérence avec le caractère ambivalent du Se: antioxydant ou pro-oxydant selon sa concentration.

Les métallatranes (M=Si, Ge, Sn) ont fait l'objet d'un intérêt important de la communauté scientifique durant les 50 dernières années et ont des applications dans de nombreux domaines, de la physique à la biologie en passant par la médecine, etc... Cependant, leurs propriétés électrochimiques n'ont été étudiées que de façon très incomplète à ce jour. Dans le travail présenté ici, nous avons réalisé la synthèse de nouveaux métallatranes et les avons caractérisés, et ce par plusieurs approches et techniques différentes (synthèse organique, voltammétrie cyclique, électrolyse préparative, EPR, spectroélectrochimie, voltammétrie cyclique couplée à un EPR, RMN, GC-MS). Plusieurs nouveaux métallatranes ont été obtenus, et leurs structures validées par diffraction RX. Les mesures électrochimiques montrent que l'électrooxidation des métallatranes a lieu via des transferts électroniques réversibles, et les cations-radicaux (CRs) qui résultent de leur oxydation ont été détectés par voltammétrie cyclique, spectroscopie UV-visible, et spectroscopie EPR en temps réel. La délocalisation de spin dans ces espèces paramagnétiques a été caractérisée et soutenue par des calculs de DFT. Nous avons concentré nos efforts sur les propriétés électroniques des métallatranes et la nature des diverses liaisons entre l'atome de silicium penta-coordonné des silatranes d'une part, l'atome d'azote de la structure atrane, et les atomes de différents substituants d'autre part. Nous avons également étudié le problème posé par les sels du fond pour l'électrochimie, qui doivent être non-coordinants et non-nucléophiles, et doivent fournir une bonne conductivité ionique dans des solvants peu polaires. Ils permettent ainsi de mener des expériences de voltammétrie et de la RPE sur des espèces électrogénérées instables, notamment électrophiles ou des radicaux libres.

In this thesis, fundamental questions about the nature of the solvent/counter-ion region of x-ray crystal structures are raised. The ambiguity in the identity and occupancy of the molecular and atomic species in this region is explored experimentally. Anomalous scattering is proposed as a possible method for resolving this ambiguity. To this effect, the properties of rubidium I and thallium I are compared and contrasted to each other and to other group I metals. Finally, the structures of two modified B-DNA dodecamers are determined to explore the effect of monovalent cations on B-DNA structure. The modifications in these structures harbor tethered cations that are covalently linked to the DNA in the major groove. In one structure, the tethered cation causes axial bending of the DNA molecule, while in the second structure the molecule remains linear. We posit that the discrepancy between the two structures is due to lattice packing forces. In addition, we show evidence for the displacement of thallium I cations from the major groove of the bent structure.

DNA sequences containing contiguous AA or TT mismatches, as well as sequences containing a 3-deazacytidine analogue were synthesized. Irradiation of anthraquinone abstracts an electron from the DNA. The loss of an electron from double-stranded DNA results in the formation of a radical cation that migrates through the DNA where it reacts irreversibly with H2O or O2 at GG steps. Subsequent treatment with piperidine or Fpg enzyme cleaves the backbone of the DNA at the site of reaction. DNA oligomers were designed to contain contiguous AA, TT, or G3-deazacytidine mismatches. It was revealed that the mismatches destabilize the duplex DNA; however, there is no measurable effect on the overall secondary structure of the DNA. The contiguous (AA)n mismatch, where n lt 7, was shown to have no effect on charge migration efficiency. In contrast, the contiguous (TT)n mismatch, where n gt 2, was shown to have near complete inhibition of charge migration through the mismatch region. Charge migration through the G3-deazacytidine mismatch was shown to have no effect on charge migration efficiency as well. Interestingly, reaction at the (G3-deazacytidine)2 base pairs revealed a change in the ratio of oxidative damage at the Gs. In (GC)2 base pairs, the ratio of damage at the two Gs is 10:1 with the majority of damage occurring at the 5-G. However, the (G3-deazacytidine)2 base pairs had an equal distribution of damage at the 5 and 3-Gs, with the amount of total reactivity equaling the (GC)2 base pairs. These findings indicate that the base composition in mismatched DNA determines the effect on charge migration efficiency and trapping reactivity.

Thesis (M. Phil.)--University of Hong Kong, 2001. / Includes bibliographical references (leaves 81-86).

Thesis (M. S.)--Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, 2005. / Committee Chair: Kenneth Sandhage; Committee Members: Joe Cochran, Robert Snyder and Tom Sanders. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.