La chimie des métaux alcalino-terreux lourds (calcium, strontium et baryum) a longtemps été décrite comme difficile et imprévisible contrairement à la chimie du magnésium, leur plus léger congénère. Cependant, au cours des dernières décennies, de nombreux complexes basés sur ce type de métaux ont émergés en tant que précatalyseurs efficaces pour un grand nombre de transformations organiques (polymérisation, hydroélémentation, couplage déshydrogénants, etc..). Cette thèse décrit la synthèse et l’étude (expérimentale et théorique) de nouveaux complexes de baryum de basse coordinance basée sur l’utilisation de ligands alcoolates pauvres en électrons. L’étude de ces composés a permis d’améliorer notre compréhension des différents phénomènes nécessaires à la stabilisation de tels composés. Dans un second temps, deux nouveaux systèmes de couplages déshydrogénants BO‒H/H‒Si et SiO‒H/H‒Si ont été développés et étudiés. Ces systèmes ont permis la formation catalytique de borasiloxanes et de siloxanes dissymétriques de façon sélective. Enfin, ces travaux montrent la synthèse et l’utilisation de nouveaux ligands ancillaires pour la formation de complexes hétéroleptiques de baryum stables. Ces derniers ont démontré une forte activité catalytique en hydrophosphination intermoléculaire avec des TOF pouvant atteindre 200 h-1 pour l’hydrophosphination du styrène par la HPPh2. / Heavy alkaline earth metals chemistry (calcium, strontium and barium) has been described as difficult and unpredictable for a long time, unlike the chemistry of magnesium, their lightest congener. However, in the last decades, many complexes based heavy alkaline earth metals have emerged as effective precatalysts for many applications and organic transformations (polymerization, hydroelementation, dehydrogenating coupling, etc.). This thesis describes the synthesis and study (experimental and theoretical) of new low-coordinate barium complexes based on electron-poor alkoxide ligands. The study of these compounds has improved our understanding of the different phenomena required to stabilize such compounds. Then, two new dehydrocoupling systems BO-H/H-Si and SiO-H/H-Si were developed and studied. These systems have allowed the catalytic formation of borasiloxanes and asymmetric siloxanes in a selective manner. Finally, this work shows the synthesis and use of new ancillary ligands for the formation of stable heteroleptic barium complexes. The latter have demonstrated strong catalytic activity in hydrophosphination with TOFs up to 200 h-1 for the intermolecular hydrophosphination of styrene by HPPh2.

Dans le contexte éco-environnemental actuel, l’Humanité est à la recherche d’alternatives pour remplacer les carburants fossiles responsables du changement climatique affectant le quotidien un peu plus chaque année. Inspiré par la Nature et le processus de la photosynthèse, un nouveau domaine à l’interface entre chimie, physique et ingénierie émergea dans les années 70 : la photosynthèse artificielle. Depuis, de nombreux systèmes catalytiques ont été rapportés mais leur intégration à l’échelle commerciale n’est pas encore d’actualité. De nombreux défis demeurent afin d’améliorer les performances, coupler les différentes réactions et s’assurer de la stabilité à long terme des dispositifs. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous nous sommes attachés à explorer la chimie de coordination de complexes de ruthénium et de rhénium, omniprésents dans la littérature mais dont les propriétés peuvent être encore largement modulées par le design de nouveaux ligands. Dans un deuxième temps, les polyoxométallates, composés inorganiques à mi-chemin entre oxydes et molécules aux propriétés fascinantes, ont été recrutés pour développer des dyades covalentes, stratégie permettant de stabiliser un chromophore dans les conditions photocatalytiques. / In the current ecological and environmental context, Mankind needs to find alternative energy sources to replace fossil fuels, as their combustion is a major cause of the current global climate change affecting our daily life a bit more each year. Inspired by Nature and the photosynthetic process, a new area at the interface between chemistry, physics and engineering has emerged in the 70s: artificial photosynthesis. Since then, many catalytic systems have been reported but their integration at commercial scale has not yet been achieved. Several challenges remain to improve their performances, ensure efficient coupling between the different reactions and enhance the long-term stability of these devices. Within this doctoral thesis, we have focused on exploring the coordination chemistry of ruthenium and rhenium complexes, ubiquitous in the literature though their properties can still be vastly tuned by designing new ligands. In a different approach, polyoxometalates, which are inorganic compounds half-way between oxides and molecules with fascinating properties, were recruited to develop covalent dyads, a strategy enabling stabilization of the dye under photocatalytic conditions.

Ce travail de thèse explorait certains aspects de la chimie de coordination de complexes moléculaires à bases de métaux 3d (Fe, Cu, Mn et Ni) supportés par des ligands azotés de type aroyle-hydrazone. Le travail de cette thèse était plus particulièrement centré sur le développement des nouveaux ligands et la photo chimie des complexes ferriques, afin d’élucider en particulier les mécanismes de la photo réduction qui valorise un brevet du laboratoire sur la production et le stockage d’énergie solaire via la photo réduction d’ions ferriques. Les complexes mis en jeu dans le processus ont été totalement caractérisés en solution et à l’état solide. Ce phénomène prend place en solution comme en solution gelée. La cinétique du processus photochimique a été suivie par UV-Visible comme par RPE. Cette photo réduction passe par un intermédiaire radicalaire et le solvant joue le rôle du donneur des électrons. Ce processus a été totalement étudié : l’effet du solvant, l’effet de la modification dans la sphère de coordination du complexe, l’effet de la modification de la périphérie des ligands et finalement l’effet des longueurs d’ondes. D’autres domaines sont également explorés, comme le magnétisme moléculaire ou encore la catalyse homogène (oligomérisation de l’éthylène) avec des complexes à base de Ni2+. / This PhD thesis explored some aspects of the coordination chemistry of molecular complexes based on 3d transition metal ions (Fe, Cu, Mn and Ni) coordinated by multidentate aroyl-hydrazone ligands. The work of this thesis was particularly focused on the development of new ligands, their coordination chemistry and the photochemistry of ferric complexes. The central objective of this work was to elucidate the mechanism of the photo reduction process, in order to valorize an already accepted laboratory patent on the production and storage of solar energy. The complexes involved in the process have been fully characterized in solution and in the solid state. This phenomenon takes place in solution as in frozen solution. The kinetics of the photochemical process was followed by UV-Visible as by RPE. This photo reduction passes through a radical intermediate and the solvent plays the role of the electron donor. This process has been fully studied: the effect of the solvent, the effect of the modification in the coordination sphere of the complex, the effect of the modification of the periphery of the ligands and finally the effect of the light and different wavelengths. Other fields are also explored, such as molecular magnetism for different mono and dinuclear iron and manganese complexes or even homogeneous catalysis (oligomerization of ethylene) with complexes based on Ni(II).

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail est axé vers la compréhension détaillée des propriétés de luminescence de composés de certains métaux lourds. La première partie de ce mémoire décrit la caractérisation spectroscopique d'un radical de type nitronyle nitroxyde, 2-(2-pyridinyl)-4,4,5,5-tétraméthyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-1-oxyl-3-oxyde, abrégé (NIT2-Py), et de ses complexes avec les cations Tb(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py], et Y(III), [Y(hfac)3NIT2-Py]. La variation de la température affecte les spectres de luminescence qui montrent de la structure vibronique résolue. Les maxima de ces transitions vibroniques se rapprochent au fur et à mesure que la température augmente. Ces variations des maxima en fonction de la température ne correspondent pas à des variations de fréquences vibrationnelles et sont de l'ordre de 200 cm-1 entre 80 K et 240 K. La variation de la température n'a pas d'influence significative sur la structure moléculaire, comme atteste la variation mineure des maxima des spectres Raman entre 80 K et 300 K. La comparaison des spectres expérimentaux à des spectres calculés montre que ces variations peuvent être reproduites par l'utilisation d'une combinaison de fréquences vibrationnelles. Le paramètre dont la variation est très significative est la résolution du spectre de luminescence, représentée par la largeur à mi-hauteur des transitions vibroniques qui forment le spectre de luminescence. La deuxième partie de ce mémoire décrit les propriétés de luminescence d'une série de complexes d’or(I). Elles sont comparées aux changements structuraux à pression et température variable. Les interactions aurophiles ont une grande influence sur la luminescence. La variation de la température et de la pression est une approche efficace pour varier la luminescence. Les effets observés dans les spectres d'émission de ces complexes dépendent des changements de structure induits par variation de la température et de la pression. Ces petites variations structurales mènent à des changements importants, à titre d'exemple à un déplacement du maximum de la bande de luminescence de 60 cm-1/ kbar vers les faibles énergies pour un des complexes de l'or(I) étudiés au cours de ce projet. / The overall goal of this work is to contribute to the understanding of luminescence properties of transition metal compounds. The first part of this thesis describes the spectroscopic characterization of a pyridine-substituted nitronyl nitroxyde radical 2-(2-pyridyl)-4,4,5,5-tetramethyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-3-oxide-1-oxyl abbreviated (NIT2-Py) and its complexes with Tb(III) and Y(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py] and [Y(hfac)3NIT2-Py], respectively. Their luminescence spectrum show resolved vibronic structure and variations with temperature The energy difference between vibronic luminescence maxima decreases with increasing temperature. This decrease is on the order of 200 cm-1 between 80 K and 240 K and is not due to decreasing Raman frequencies. The variations of temperature do not have a significant influence on the molecular structures, as illustrated by the very small variation of Raman maxima between 80 K and 300 K. Luminescence spectra were calculated using the time dependent theory of spectroscopy. Calculated luminescence spectra show that the variations with temperature are reproduced by using specific combinations of experimental frequencies and by adjusting the width of the vibronic transitions, determining the resolution of the luminescence spectrum. The second part of the thesis describes the luminescence spectroscopic properties of a series of trimetallic gold(I) complexes at variable temperature and pressure. Aurophilic interactions are very important for these compounds and influence the luminescence spectra. The spectroscopic features are compared to structural changes at variable temperature and pressure. Even small changes in structure lead to significant changes in luminescence, for example a shift of the maximum of the luminescence band by 60 cm-1/ kbar to lower energy for one of the gold(I) complexes studied.

Ce travail est axé vers la compréhension détaillée des propriétés de luminescence de composés de certains métaux lourds. La première partie de ce mémoire décrit la caractérisation spectroscopique d'un radical de type nitronyle nitroxyde, 2-(2-pyridinyl)-4,4,5,5-tétraméthyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-1-oxyl-3-oxyde, abrégé (NIT2-Py), et de ses complexes avec les cations Tb(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py], et Y(III), [Y(hfac)3NIT2-Py]. La variation de la température affecte les spectres de luminescence qui montrent de la structure vibronique résolue. Les maxima de ces transitions vibroniques se rapprochent au fur et à mesure que la température augmente. Ces variations des maxima en fonction de la température ne correspondent pas à des variations de fréquences vibrationnelles et sont de l'ordre de 200 cm-1 entre 80 K et 240 K. La variation de la température n'a pas d'influence significative sur la structure moléculaire, comme atteste la variation mineure des maxima des spectres Raman entre 80 K et 300 K. La comparaison des spectres expérimentaux à des spectres calculés montre que ces variations peuvent être reproduites par l'utilisation d'une combinaison de fréquences vibrationnelles. Le paramètre dont la variation est très significative est la résolution du spectre de luminescence, représentée par la largeur à mi-hauteur des transitions vibroniques qui forment le spectre de luminescence. La deuxième partie de ce mémoire décrit les propriétés de luminescence d'une série de complexes d’or(I). Elles sont comparées aux changements structuraux à pression et température variable. Les interactions aurophiles ont une grande influence sur la luminescence. La variation de la température et de la pression est une approche efficace pour varier la luminescence. Les effets observés dans les spectres d'émission de ces complexes dépendent des changements de structure induits par variation de la température et de la pression. Ces petites variations structurales mènent à des changements importants, à titre d'exemple à un déplacement du maximum de la bande de luminescence de 60 cm-1/ kbar vers les faibles énergies pour un des complexes de l'or(I) étudiés au cours de ce projet. / The overall goal of this work is to contribute to the understanding of luminescence properties of transition metal compounds. The first part of this thesis describes the spectroscopic characterization of a pyridine-substituted nitronyl nitroxyde radical 2-(2-pyridyl)-4,4,5,5-tetramethyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-3-oxide-1-oxyl abbreviated (NIT2-Py) and its complexes with Tb(III) and Y(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py] and [Y(hfac)3NIT2-Py], respectively. Their luminescence spectrum show resolved vibronic structure and variations with temperature The energy difference between vibronic luminescence maxima decreases with increasing temperature. This decrease is on the order of 200 cm-1 between 80 K and 240 K and is not due to decreasing Raman frequencies. The variations of temperature do not have a significant influence on the molecular structures, as illustrated by the very small variation of Raman maxima between 80 K and 300 K. Luminescence spectra were calculated using the time dependent theory of spectroscopy. Calculated luminescence spectra show that the variations with temperature are reproduced by using specific combinations of experimental frequencies and by adjusting the width of the vibronic transitions, determining the resolution of the luminescence spectrum. The second part of the thesis describes the luminescence spectroscopic properties of a series of trimetallic gold(I) complexes at variable temperature and pressure. Aurophilic interactions are very important for these compounds and influence the luminescence spectra. The spectroscopic features are compared to structural changes at variable temperature and pressure. Even small changes in structure lead to significant changes in luminescence, for example a shift of the maximum of the luminescence band by 60 cm-1/ kbar to lower energy for one of the gold(I) complexes studied.

Ce travail de thèse s’est inscrit dans le cadre d’un projet en relation étroite avec une industrie chimique. La problématique initiale concerne le développement de nouvelles molécules antioxydantes permettant de protéger les matériaux plastiques. Dans un premier temps, la stratégie envisagée s’appuie sur la synthèse de phosphines par hydrophosphination, réaction répondant aux principes de la chimie verte. La réaction est hautement régiosélective et la simplicité de la synthèse a permis d’obtenir de nombreuses nouvelles phosphines qui ont alors été testées pour leurs propriétés anti-oxydantes. Nous avons pu identifier plusieurs structures originales répondant au cahier des charges. Dans un second temps, nous avons étudié la faisabilité de développer de nouveaux additifs antioxydants secondaires à base de dérivés phénoliques, dont le cardanol qui est une molécule biosourcée. De nombreuses nouvelles molécules phosphorées ont été synthétisées, complètement caractérisées et évaluées pour leurs propriétés anti-oxydantes. Enfin, nous avons essayé de valoriser nos nouveaux composés pour d’autres applications. Les phosphines étant d’excellents ligands pour les métaux de transition, nous avons étudié la chimie de coordination avec le cuivre(I) en espérant former des complexes cuivreux luminescents. En effet, l’élaboration de diodes électroluminescentes stables reste un défi technologique malgré toutes les avancées actuelles. Dans ce contexte, de nombreux nouveaux complexes de type cubane ont été synthétisés et entièrement caractérisés. Ces complexes tétranucléaires sont des structures intéressantes, faciles à synthétiser, avec d’excellents rendements quantiques. Ces complexes présentent une stabilité élevée et des propriétés de luminescence qui en font de très bons candidats pour des dispositifs en optoélectronique. / This thesis work was part of a project in collaboration with a chemical industry. The topic is the development of new antioxidant molecules to protect plastic materials. Initially, the strategy envisaged was based on the synthesis of phosphines by hydrophosphination, reaction in accordance with the green chemistry principles. The reaction is highly regioselective and the simplicity of the synthesis allowed us to obtain many new phosphines which were then tested for their antioxidant properties. We were able to identify several original structures that meet the requirements. In a second step, we studied the feasibility of developing new secondary antioxidant additives based on phenolic derivatives, including cardanol, which is a biosourced molecule. Many new phosphorus molecules have been synthesized, completely characterized and evaluated for their antioxidant properties. Finally, we tried to apply our new compounds for other applications. Since phosphines are excellent ligands for transition metals, we studied coordination chemistry with copper (I), hoping to form luminescent copper complexes. Indeed, the development of stable light-emitting diodes remains a technological challenge despite all the current advances. In this context, many new cubane-type complexes have been synthesized and fully characterized. These tetranuclear complexes are interesting structures, easy to synthesize, with excellent quantum yields. These complexes exhibit high stability and luminescence properties, which make them very good candidates for optoelectronic devices.

Ce travail présente la synthèse et l’étude d’une nouvelle famille de composés photochromes de type di(hétéroaryl)éthène ainsi que leur utilisation comme ligand pontant en chimie de coordination dans le but d’élaborer des matériaux moléculaires à propriétés photomodulables. Depuis ces dernières années, le photochromisme occupe une place prépondérante dans le développement de nouveaux matériaux photosensible.Ainsi, de nouveaux di(hétéroaryl)éthènes, dérivés de terarylènes, ont été synthétisés et leurs propriétés photochromes ont été étudiées en détail. Ces nouveaux systèmes, baptisés tétrarylènes, ont également permis l’obtention de composés dissymétriques présentant un biphotochromisme exclusif. Enfin, ces tétrarylènes ont pu être utilisés pour la synthèse de complexes mono- et di-nucléaires de Cu(II). Certains cas ont alors révélé l’éjection réversible du métal de la cavité chélatante par étude RPE.Mots clés : photochromisme, diaryléthènes, terarylènes, commutation, Absorption transitoire, chimie de coordination, RPE / This work deals with the synthesis and study of a new family of photochromic di(heteroaryl)ethenes as well as their use as bridging ligand in coordination chemistry in order to design photo-switchable molecular materials. Over the past few years, the interest of the scientific world to photochromism is growing for its potential use in optical memory devices, optoelectronic or any others photonic devices.Thus, new di(heteroaryl)ethenes, structurally close from terarylenes, have been synthesized and their photochromic properties have been studied in depth. These new systems, called tetrarylènes, enable us to obtain biphotochromic compounds, introducing dissymmetry in the structure. Synthesis of mono- and di-nuclear copper(II) complexes can be performed using these tetrarylenes. Some cases revealed, by EPR study, the reversible release and uptake of the metal ion in solution upon irradiation.Key-words : photochromism, diarylethenes, terarylenes, switches, transitory absorption, Coordination chemistry, EPR

L’offre en combustible nucléaire à base d’uranium est un enjeu clé de la stratégie française de production d’électricité, d’autant plus que la demande en uranium naturel continuera à augmenter dans un futur proche. Les terres rares sont aussi considérées comme des métaux stratégiques de par leurs propriétés remarquables qui les rendent indispensables dans de nombreuses applications liées aux nouvelles technologies.Il y a donc un intérêt à proposer de nouveaux procédés d’extraction de l’uranium et des terres rares plus efficaces que ceux utilisés actuellement. Le but est de répondre à un accroissement permanent de la demande en matières-premières, avec en toile de fond, le développement de procédés de recyclage, plus particulièrement pour les terres rares.Par le biais d’une étude multi-échelle, ce travail de thèse vise à développer de nouveaux ligands organiques ayant un fort pouvoir extractant pour l’uranyle (UO22+) ou pour les terres rares (TR3+), ainsi qu’une forte sélectivité vis-à-vis de diverses impuretés, notamment le fer (Fe3+). Ainsi, de nombreux ligands ont été imaginés, synthétisés et testés par extraction liquide-liquide dans plusieurs milieux synthétiques acides. Des molécules bifonctionnelles bi-, tri- et pentadentates ont été développés et leurs propriétés complexantes et leur spéciation en milieu organique évaluées avec l’UO22+ et le Fe3+ par différentes approches (DFT, UV-visible, IR, ESI-MS, EXAFS). Plusieurs nouveaux ligands ont été évalués dans le cadre de l’extraction sélective des terres rares et les résultats obtenus sont remarquables. Ces études ont permis, dans certains cas, d’aboutir au développement de nouveaux designs moléculaires ayant d’excellentes propriétés extractantes. Leur optimisation, couplée à différentes techniques analytiques, a permis d’atteindre les objectifs de cette thèse et servira dans le futur au développement de nouveaux extractants efficaces et sélectifs. / The supply of uranium-based nuclear fuel is a key issue of the electricity production strategy in France, especially as demand for natural uranium will continue to increase in the near future. Rare earths are also considered as strategic metals due to their remarkable properties which make them essential in many applications related to new technologies.There is therefore an interest in developing new, more efficient processes for the extraction of uranium and rare earths than those currently used. The aim is to respond to a permanent increase in demand for raw materials, against the backdrop of the development of new recycling processes, especially for rare earths.Through a multi-scale approach, this PhD thesis sets to develop novel organic ligands with a strong extractant ability for uranyl (UO22+) or for rare earths (TR3+), as well as a high selectivity with respect to various impurities, in particular iron (Fe3+). Thus, many ligands have been designed, synthesized and tested by liquid-liquid extraction in several acidic synthetic media. Bifunctional bi , tri- and pentadentate molecules have been developed and their complexing properties and their speciation in organic medium have been evaluated in the presence of UO22+ and Fe3+ by different approaches (DFT, UV-visible, IR, ESI-MS, EXAFS). Furthermore, several new ligands have been evaluated for the selective extraction of rare earths and the results obtained are remarkable. Overall, these studies have led in some cases to the development of novel molecular designs with excellent extractant properties. Their optimization, coupled with different analytical techniques, fulfilled the objectives of this thesis and will serve in the future to the development of new efficient and selective extractants.

Les bis-ylures peuvent être considérés comme des complexes de carbone(0). L'objectif de cette thèse consiste au développement de nouveaux modèles permettant de diversifier la réactivité de ce type d'espèces. Le premier chapitre de cette thèse dresse un état de l'art des complexes de carbone(0), basé sur l'étude de leur structure électronique, leur chimie de coordination, les applications en catalyse ainsi que leur potentiel en tant que source de carbone atomique. Le second chapitre est centré sur nos efforts pour préparer un nouveau modèle de bis-ylure de phosphonium-sulfonium cyclique. Nos principales approches y sont développées. Ces dernières ont permis l'obtention fortuite d'une nouvelle famille de précurseurs de bis-ylures P-chlorés, qui ont été entièrement caractérisés. Le troisième chapitre est consacré à une nouvelle famille de bis-ylures P,S stabilisés par des groupements sulfoxonium et phosphonium. Ces espèces ont été entièrement caractérisées par spectroscopie RMN et cristallographie. L'étude de leur réactivité met en exergue un potentiel important en tant que ligand pour les métaux de transition, de nombreux complexes organométalliques ont pu être préparés. La dernière partie de ce manuscrit présente l'étude des bis-ylures anioniques, connus également sous le nom d'yldiide. La synthèse d'un nouveau modèle est décrite ainsi que sa caractérisation, et sa réactivité vis-à-vis de composés carbonylés. Pour finir, une réactivité originale sous irradiation a été mise en évidence, permettant l'accès à de nouveaux complexes de C(0). / Bis-ylides can be viewed as carbon (0) complexes, also known as " Carbone ". The goal of this thesis is to develop new models of bis-ylides featuring original reactivities. The first chapter presents the state of the art of carbon(0) complexes. A study of their electronic and structural properties is described, as well as, their applications as ligands in organometallic chemistry and their uses as potential carbon atom sources. The second chapter records the different attempts to synthesize a new cyclic P,S bis-ylide. These efforts lead to the unexpected synthesis of new P-chlorinated mixed bis-ylide precursors. Some preliminary results allow us to class them in the family C(0) complexes. The third chapter consists in the synthesis of a new family of bis-ylides, stabilized by sulfoxonium group. These species were fully characterized theoretically, spectroscopically and by X-Ray diffraction. The reactivity studies demonstrate a high potential as ligand for transition metal, several organometallic complexes were prepared and characterized. The last chapter presents the study of anionic bis-ylides, also known as yldiide. The synthesis of a new model is described, as well as its reactivity towards carbonyls. Finally, original irradiation reactions of this yldiide allowed us to access new C(0) complexes.