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Dans cette thèse, nous améliorons et utilisons le montage expérimental développé au laboratoire nommé femto/OPO-FT-CEAS. Ce montage combine une source laser femto/OPO, une cavité optique haute finesse et un interféromètre à transformée de Fourier. Il permet d'enregistrer des spectres sur un intervalle de 150 cm-1, avec un coefficient d'absorption minimal de 3x10-9 cm-1, à une résolution de 2x10-2 cm-1 et un temps d’acquisition de 2 heures. Un chemin d'absorption de 20 km a été obtenu dans une cellule de 145 cm. Différents miroirs à hauts indices de réflexion permettent d'accéder à deux gamme spectrales dans le domaine de l'infrarouge proche :6200-6700 cm-1 et 7700-8300 cm-1.Le montage femto/OPO-FT-CEAS a été utilisé afin d'enregistrer des spectres à température ambiante. La molécule OCS a été étudiée dans les gammes spectrales de 6200 à 6700 cm-1 et 7700 à 8300 cm-1. Les nouvelles données rovibrationnelles ont été intégrées au modèle global développé par le Prof. Fayt de l'université catholique de Louvain. Un échantillon de CO2 enrichi en oxygène 17 a également été étudié dans la gamme spectrale de 7700 à 8300 cm-1. Les données ont été traitées avec l'aide du Dr. Lyulin l'institut d'optique atmosphérique de Tomsk, Russie.Le montage femto/OPO-FT-CEAS a également été modifié pour enregistrer des spectres de molécules refroidies au sein d'un jet supersonique. Les molécules de N2O, C2H4 et H12C13CH en abondance isotopique naturelle ont été étudiées. Le montage permet de refroidir les molécules étudiées jusqu'à 10 K et un coefficient de 5x10-8 cm-1 a été obtenu. Ce montage a également permis d'enregistrer des spectres CEAS et CRDS de NH3 à des températures de 17 et 14 K respectivement. L'analyse des spectres aété réalisée avec l'aide des Profs. Fusina et Di Lonardo de l'Université de Bologne, Italie.Une cellule de 145 cm pouvant être refroidie à l'aide de réfrigérants liquides a également été développée en vue de remplacer une cellule à température ambiante de 77 cm utilisée dans le montage femto/OPO-FT-CEAS.Enfin, les montages FANTASIO+ et femto/OPO-FT-CEAS ont été utilisés afin afin d'enregistrer des spectres de HCOOH à température ambiante et à 10 K. Les données ont été traitées avec l'aide du Dr. Perrin de l'Université Paris-Créteil, France. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La BSP1, principale protéine du plasma séminal bovin, interagit avec les membranes des spermatozoïdes et joue un rôle crucial dans les événements qui conduisent à la fécondité des spermatozoïdes, lors du phénomène de la capacitation. Le but de cette recherche est d’investiguer la nature de ces interactions. Ce travail vise à démontrer l’influence des lipides qui composent les membranes sur l’action de la protéine BSP1. À l’aide de la fluorescence intrinsèque de la protéine, l’affinité de la protéine a été caractérisée pour quatre systèmes lipidiques. Les résultats montrent que la composition lipidique affecte significativement l'affinité de la protéine pour les membranes. Nous avons observé l'ordre suivant : 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC) > POPC/1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphoéthanolamine (POPE) ≈ POPC/1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phospho-L-sérine (POPS) > POPC/cholestérol. La protéine interagit préférentiellement avec POPC. La présence de POPE, POPS, ou cholestérol dans la membrane diminue systématiquement l’affinité. Il est connu que la présence de POPE ou cholestérol augmente l’empilement des lipides dans les membranes. Cet effet de condensation des chaînes pourrait être défavorable à l’insertion de la partie hydrophobe de la protéine dans les membranes et réduire ainsi l'affinité. La diminution de l’affinité de la protéine induite par la présence de POPS, un lipide chargé négativement, pourrait être associée aux interactions électrostatiques répulsives car la protéine porte une charge globale négative. La littérature mentionne que la BSP1 extrait sélectivement les phospholipides de type choline et le cholestérol lors de son association avec les membranes de spermatozoïdes. Un efflux lipidique est aussi observé avec des membranes modèles. Nous avons désiré caractériser la « solubilisation » des membranes par la BSP1, par diffusion dynamique de la lumière. Comme étape préliminaire, nous avons étudié comment le détergent Triton X-100 solubilise les membranes en utilisant cette technique. Les mesures démontrent que la composition lipidique des membranes (POPC, POPC/POPE, POPC/1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3- [phospho-rac-(1-glycérol)] (POPG)) n’affecte pas le mécanisme général de solubilisation/reconstitution des membranes modèles. Il a été montré qu'il existe trois régions lors des processus de solubilisation pour les différents systèmes lipidiques : i) le détergent se distribue dans les membranes, ii) une coexistence de membranes saturées en détergents et de micelles mixtes de phospholipides/Triton X-100 et iii) exclusivement des micelles mixtes de phospholipides/Triton X-100. Nos résultats montrent que la forme conique de POPE augmente la résistance des membranes à la solubilisation. La présence de POPG, apportant une charge négative à l’interface des membranes, n’induit aucun changement aux processus de solubilisation/reconstitution des membranes par Triton X-100. La diffusion dynamique de la lumière a également permis d’observer si la protéine BSP1 induit des modifications morphologiques des membranes suite à son interaction avec les membranes de POPC. Nos observations n'ont montré aucune variation significative de la taille des particules lors du titrage des vésicules de POPC par la protéine, sur une gamme de rapport molaire de POPC/BSP1 variant de 20 à 0.6. Avec des compositions aussi différentes, on suppose une transition des vésicules saturées en protéine à des complexes de protéine avec un peu de lipides. Cependant, il semble impossible avec la diffusion dynamique de la lumière de différencier ces particules. / BSP1, the main protein in bovine seminal plasma, interacts with sperm membranes and plays a crucial role in events that lead to sperm fertility, during the capacitation. The purpose of this research is to investigate the nature of these interactions. This work aims to demonstrate the influence of the lipids that compose membranes on the action of the BSP1 protein. Using the intrinsic fluorescence of the protein, the affinity of the protein was characterized for four lipid systems. The results show that the lipid composition significantly affects the affinity of the protein for membranes. We observed the following order: 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) > POPC/1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (POPE) ≈ POPC/1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoserine (POPS) > POPC/cholesterol. The protein interacts preferentially with POPC. The presence of POPE, POPS, or cholesterol in membranes decreases systematically the affinity. It is established that the presence of POPE or cholesterol increases the packing of lipids in membranes. This condensation effect could be detrimental to the insertion of the hydrophobic part of the protein into the membranes and reduces, as a consequence, the affinity. The decrease in protein affinity induced by the presence of POPS, a negatively charged lipid, could be associated with repulsive electrostatic interactions as the protein global charge is negative. The literature mentions that BSP1 selectively extracts choline phospholipids and cholesterol when combined with sperm membranes. A lipid efflux is also observed with model membranes. We characterized membrane "solubilisation" by BSP1, using dynamic light scattering. As a preliminary step, we studied how Triton X-100 detergent solubilizes membranes using this technique. The measurements showed that the lipid composition of the membranes does not affect the general solubilization/reconstitution mechanism of the model membranes (POPC, POPC/POPE, POPC/1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-(1-rac-glycerol) (POPG)). It is known that three different regions exist during the solubilization process for the different lipid systems: i) the detergent is distributed in the membranes, ii) a coexistence of membranes saturated with detergents and mixed phospholipid/Triton X-100 micelles and iii) exclusively mixed phospholipid/Triton X-100 micelles. Our results show that the conical shape of POPE increases the resistance of the membranes to solubilization. The presence of POPG, bringing a negative charge at the membrane interface, does not induce any change in solubilization/reconstitution processes. Dynamic light scattering also made it possible to observe if the BSP1 protein induces morphological changes in the membranes following its interaction with POPC membranes. Our observations showed no significant variation in particle size during the titration of POPC vesicles by the protein, over a molar ratio range of POPC/BSP1 from 20 to 0.6. Considering such different compositions, a transition from vesicles saturated with protein to protein complexes with some lipids is assumed. However, it appeared impossible with dynamic light scattering to differentiate these particles.

Nous démontrons qu'il est possible de former des bicouches fluides non phospholipides en milieu aqueux avec un mélange d'acide palmitique (PA), cholestérol (Chol) et sulfate de cholestérol (Schol) avec une proportion molaire de 30/28/42. Ces liposomes non phospholipidiques peuvent maintenir un gradient de pH (pHinterne 8 / pHexterne 6) sur une période 100 fois plus longue que les liposomes faits de 1-palmitoyl-2-oléoyl-sn-glycéro-3-phosphocholine (POPC) et de cholestérol (60/40 mol/mol). De plus, ces LUV non phospholipidiques protègent l'acide ascorbique d'un milieu oxydant (1 mM de fer (III)). Une fois piégé dans les liposomes, l'acide ascorbique présente une vitesse de dégradation similaire à celle obtenue en l'absence de fer(III). Ces performances illustrent la perméabilité exceptionnellement limitée de ces liposomes, ce qui implique qu'ils peuvent présenter des avantages comme nanocontenants pour certaines applications. D'autre part, des vésicules unilamellaires géantes (GUV pour Giant Unilamellar Vesicles) ont été formées à partir d'un mélange d'acide palmitique et de cholestérol (30/70 mol/mol). Ces GUV sont stables sur l'échelle de temps de semaines, elles ne s'agrègent pas et elles sont sensibles au pH. Afin d'établir la formation des GUV, l'imagerie par microscopie confocale à balayage laser a été utilisée. Deux sondes fluorescentes ont été utilisées: le rouge du Nile, une sonde hydrophobe qui s'insère dans le cœur hydrophobe des bicouches lipidiques, et la calcéine, une sonde hydrophile qui a été emprisonné dans le réservoir interne des GUV. Cette approche a permis l'observation des parois des GUV ainsi que de leur contenu. Ces résultats montrent la possibilité de former de nouveaux microcontenants à partir d'un mélange d'un amphiphile monoalkylé et de stérol. / First, we demonstrate that it is possible to form non-phospholipid fluid bilayers in aqueous milieu with a mixture of palmitic acid (PA), cholesterol (Chol), and cholesterol sulfate (Schol) in a molar proportion of 30/28/42. These non-phospholipid liposomes can sustain a pH gradient (pHinternal 8 / pHexternal 6) 100 times longer than LUVs made of 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) and cholesterol (60/40 mol/mol). These non-phospholipid LUVs are shown to protect ascorbic acid from an oxidizing environment (1 mM Iron (III)). Once entrapped in these liposomes, ascorbic acid displays a degradation rate similar to that obtained in the absence of Iron (III). This ability illustrates the exceptionally limited permeability of these liposomes, indicating that they can present advantages as nanocontainers for some applications. Second, Giant Unilamellar Vesicles (GUVs) were formed from a mixture of palmitic acid and cholesterol (30/70 mol/mol). These GUVs were stable over weeks, did not aggregate, and were pH-sensitive. In order to establish their formation, confocal laser scanning microscopy imaging was carried out. Two fluorescent probes were used: Nile Red, a hydrophobic probe that inserted in the hydrophobic core of lipid bilayers, and calcein, a hydrophilic probe that was trapped in the GUV internal pool. This approach allowed observation of both the walls of the GUVs as well as their entrapped content. These results show the possibility to form novel microcontainers from a mixture of a monoalkylated amphiphile and sterols.

Les batteries Li-ion, découvertes depuis presque 40 ans, et dont les inventeurs viennent d’être récompensés par le prix Nobel 2019 de Chimie, font encore l’objet de nombreuses recherches visant à développer leurs composantes et leurs méthodes de synthèse afin de garantir des batteries plus performantes. Dans cette optique, ce mémoire vise à étudier la synthèse des matériaux de cathode de LiFe1-xMnxPO4 (0<x<1) en utilisant, pour la première fois, la méthode de synthèse par fusion. En effet, cette méthode de synthèse pourrait offrir des matériaux de haute pureté avec des bonnes performances électrochimiques et tout cela à des coûts réduits. Ainsi, nous avons comparé la méthode de synthèse par fusion avec la méthode de synthèse classique par voie solide pour différentes compositions de LiFe1-xMnxPO4. Les résultats montrent que la rétention de la capacité et la capacité à se charger/décharger à différentes densités de courant sont similaires pour les deux méthodes et sont proches des résultats rapportés dans la littérature. Cependant, les composés riches en manganèse synthétisés par fusion présentent une capacité de décharge légèrement plus élevée que celles synthétisées par voie solide. Nous avons aussi étudié l’impact de la composition chimique, des conditions de synthèse (température, durée, atmosphère), de la source des réactifs (commerciaux de haute pureté ou des minerais de base) et du processus de revêtement de carbone sur la pureté et les propriétés électrochimiques de LiFe1-xMnxPO4 synthétisé. D’après les résultats obtenus, les conditions de synthèse ont plus d’effet sur la pureté alors que la composition chimique et la méthode de revêtement de carbone ont un impact plus important sur les propriétés électrochimiques du LiFe1-xMnxPO4. Ces résultats prometteurs ouvrent la porte à de nouvelles perspectives pour la production à grande échelle des matériaux de cathode de hautes performances en utilisant la méthode de synthèse par fusion. / Li-ion batteries, discovered for almost 40 years ago, and whose inventors have just been awarded the 2019 Nobel Prize for Chemistry, are still the subject of a large body of research aiming to develop their components and their synthesis methods in order to improve their performances. In this context, this thesis aims at studying the synthesis of LiFe1-xMnxPO4 (0<x<1) cathode materials using, for the first time, the melting synthesis method. Indeed, this synthesis method could offer high purity materials with good electrochemical performance while ensuring reduced costs. We hence compared the melt synthesis method with the conventional solid-state synthesis method for different compositions of LiFe1-xMnxPO4. The results show that the retention of capacity and the rate capability are similar for both methods and are close to the results reported in the literature. However, manganese-rich compounds have a slightly higher discharge capacity than those synthesized by the solid-state method. We also studied the impact of the chemical composition, the synthesis conditions (temperature, time, atmosphere), the reagents source (commercial with high purity or ores) and the carbon coating process on the purity and the electrochemical properties of the synthesized LiFe1-xMnxPO4. According to the obtained results, the synthesis conditions have more effect on the purity whereas the chemical composition and the carbon coating method have a greater impact on the electrochemical properties of LiFe1-xMnxPO4. These promising results open the door to new perspectives for large-scale production of high-performance cathodic materials using melt synthesis method.

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Most pH sensors operate under potentiometric conditions using a simple two-electrode scheme. More generally, a conventional meter measures the electrical potential of the solution using a glass electrode (pH) against another electrode (reference), whose electrochemical potential is known and insensitive to pH. Modern pH sensors are robust, accurate and low cost, but they are limited by the macroscopic electrode size. They also require electrical contacts and they are often affected by errors associated with the contamination of the small electrode liquid junctions. This thesis targets pH measurements at nanoscale interfaces and explores the miniaturization of the pH sensor for local and remote (optical) measurements. By taking advantage of a non-destructive optical technique based on Raman spectroscopy and of the redox chemistry of metals, this work aims to develop a remote pH sensor based on carbon nanomaterials, namely the single walled carbon nanotube (SWCNT) and the graphene in the form of a single layer. By making use of the highly sensitive Raman response of metallic SWCNTs, we devised a pH responsive optical probe consisting of a SWCNT in direct contact with a platinum redox couple. When placed in a buffer solution, the Pt-SWCNT probe shows strong Raman shifts of the nanotube G-band as a function of pH, which is ascribed to charge transfer doping of the SWCNT reference electrode. Referenced potential measurements are demonstrated using a nanoscale version of the Pt-SWCNT electrode, along with the accurate monitoring of pH in solutions of different ionic strengths. Controlled experiments at a constant ionic strength show pH measurement across the full range between 1 to 12 with a best accuracy of ±500 mpH unit. This study also explores the influence of different transition metals (Pt, Ru and Pd), of semiconducting vs. metallic SWCNTs, and supporting substrates on pH sensing. A model based on electron transfer between the redox metal system and the SWCNT is proposed and tested using electrical conductance measurements. Due to the outstanding properties of graphene, such as a semi metallic behavior and its relatively inert surface, graphene was selected as a second nanomaterial to further investigate the Raman-pH sensing. From the study with SWCNTs, which determines optimal response with the Pt/PtO redox couple, we explore the Raman response of graphene coated with a thin layer of Pt in different buffer solutions of pH between 1 and 12. The spectra show clear evidence of charge transfer and doping of graphene in contact with the platinum redox couple. Significant Raman shift with pH is noted in the region of the G-band and also in D-band, which are consistent with the behavior found with the metallic Pt-SWCNT system. An analysis of the Raman shift provides a better understanding of the doping behavior observed for different pH. The analysis provides an estimate of the potential and confirms the Nernstian behavior of the pH sensor. Redox pH sensing at the nanoscale using carbon nanomaterials solves the main limitations highlighted above, namely coverage of the full pH range and a clear miniaturization of the sensor down to the nanometer scale. Although the accuracy requires further improvement, this work demonstrates for the first time an optical pH sensing scheme that is analogous to a conventional pH sensor equipped with a built-in internal reference. / La plupart des capteurs de pH fonctionnent dans des conditions potentiométriques en utilisant un schéma simple à deux électrodes. Plus généralement, un pH mètre classique mesure le potentiel électrique de la solution à l'aide d'une électrode en verre (pH) contre une autre électrode (référence), dont le potentiel électrochimique est connu et insensible au pH. Les capteurs de pH modernes sont robustes, précis et peu coûteux, mais ils sont limités par les tailles macroscopiques des électrodes. Ils nécessitent également des contacts électriques et sont souvent affectés par des erreurs liées à la contamination des petites jonctions liquides des électrodes. Cette thèse concerne l'amélioration des mesures de pH aux interfaces nanométriques et explore la miniaturisation du capteur de pH pour des mesures (optiques) locales et à distance. En tirant parti d'une technique optique non destructive basée sur la spectroscopie Raman et de la chimie redox des métaux, ce travail vise à développer un capteur de pH à distance à base de nanomatériaux de carbone, à savoir le nanotube de carbone à simple paroi (SWCNT) et le graphène monofeuillet. En utilisant la réponse Raman très sensible des SWCNT métalliques, nous avons conçu une sonde optique sensible au pH constituée d'un SWCNT en contact direct avec un couple redox platine. Lorsqu'elle est placée dans une solution tampon, la sonde Pt-SWCNT montre un fort décalage Raman de la bande G du nanotube en fonction du pH, qui est attribué au dopage par transfert de charge de l'électrode de référence SWCNT. La mesure du potentiel référencé est démontrée à l'aide d'une version nanométrique de l'électrode Pt-SWCNT, ainsi que par la surveillance précise du pH dans des solutions de différentes forces ioniques. Des expériences contrôlées à force ionique constante montrent des mesures de pH sur toute la gamme entre 1 et 12 avec une précision allant jusqu'à ± 500 mpH. Cette étude explore également l'influence de différents métaux de transition (Pt, Ru et Pd), du caractère électronique des SWCNTs et des substrats de soutien sur les détection de pH. Un modèle basé sur le transfert d'électrons entre le système métallique redox et le SWCNT est proposé et testé à l'aide de mesures de conductance électrique. En raison des propriétés exceptionnelles du graphène, telles qu'un comportement semi-métallique et une surface relativement inerte, le graphène a été sélectionné comme deuxième nanomatériau pour approfondir la détection Raman-pH. À partir de l'étude avec les SWCNT, qui détermine qu'une réponse optimale est obtenue avec le couple redox Pt / PtO, nous explorons la réponse Raman du graphène recouvert d'une fine couche de Pt dans différentes solutions tampons avec pH iv entre 1 et 12. Les spectres montrent des preuves claires de transfert de charge et dopage du graphène en contact avec le couple redox platine. Un décalage Raman significatif avec le pH est noté dans la région de la bande G et également dans la bande D, ce qui est cohérent avec le comportement trouvé avec le système Pt-SWCNT métallique. Une analyse du décalage Raman permet de mieux comprendre le comportement de dopage observé à différents pH. L'analyse fournit une estimation du potentiel et confirme le comportement Nerstien du capteur de pH. La détection de pH redox à l'échelle nanométrique avec des nanomatériaux de carbone permet de résoudre les principales limitations mises en évidence ci-dessus, à savoir la couverture de toute la gamme de pH et une miniaturisation claire du capteur jusqu'à l'échelle nanométrique. Bien que la précision nécessite une amélioration supplémentaire, ce travail démontre pour la première fois un schéma de détection optique du pH qui est analogue à un capteur de pH conventionnel équipé d'une référence interne intégrée.

Ce mémoire porte sur l’étude théorique d’une réaction permettant la formation de macrocycles via une alkynylation de thiol catalysée au cuivre(I) (macro-CGS). Ce type de réaction implique le couplage entre un thiol et un carbone C(sp). Bien que le volet synthétique associé à cette réaction soit complété, jusqu’à ce jour aucune information n’existe concernant le mécanisme réactionnel. Des outils théoriques tels que la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), la théorie de l’état de transition (TST) et les orbitales des liens naturels (NBO) ont été utilisés afin de mener cette étude à terme. Le mémoire comporte aussi un volet expérimental associé à la synthèse totale du macrocycle utilisé dans la réaction modèle. Le mémoire débutera avec une introduction portant sur la liaison de type S-C(sp) et sur les macrocycles. Nous introduirons ensuite en quoi consiste une étude théorique de mécanisme réactionnel. L’objectif du projet et la stratégie de recherche seront ensuite établis. L’introduction sera suivie d’un chapitre sur la méthodologie, dans lequel nous ferons un survol des concepts théoriques importants concernant le calcul de la structure électronique et la détermination des propriétés thermodynamiques d’un système chimique. Nous verrons ensuite les concepts théoriques importants qui ont été utilisés concertant la cinétique chimique et la modélisation de l’environnement chimique. Ce chapitre sera suivi de la justification du choix de la méthode computationnelle. Pour ce faire, différentes propriétés chimiques ont été prédites et comparées avec les résultats expérimentaux en utilisant différentes méthodes de calculs de structure électronique. Finalement, nous passerons aux résultats de la recherche, ce qui impliquera une courte section concernant la synthèse totale du macrocycle, une section concernant le profil énergétique des mécanismes examinés et une dernière section où nous proposerons une description des mécanismes les plus probables en se basant sur une analyse des orbitales de liaison naturelles (NBO). Les résultats de l’étude favorisent un mécanisme d’α-addition, mais un mécanisme d’α-cuprathiolation et d’addition oxydante - élimination réductrice seraient aussi à prendre en considération. Une étude expérimentale approfondie serait nécessaire afin de pouvoir obtenir plus d’informations concernant le mécanisme le plus probable. / This thesis is about the theoretical study of a reaction allowing the formation of macrocycles via Cu(I) -catalyzed S-C(sp) coupling to form a macrocyclic alkynyl sulfide. This type of reaction involves the coupling between a thiol and a C(sp) carbon. Although the synthetic part of that reaction is complete, to date, no information exists regarding the reaction mechanism. Theoretical tools such as density functional theory (DFT), transition state theory (TST) and natural bond orbitals (NBO) were used in order to undertake this study. The thesis also includes an experimental part associated with the total synthesis of the macrocycle used in the model reaction. The thesis will begin with an introduction on the S-C(sp) bond and on macrocycles in general. Afterwards, we will introduce the concept of theoretical study applied to a reaction mechanism. The goal and strategy of the study will then be established. The introduction will be followed by a chapter on the methodology, in which we make an overview of important theoretical concepts concerning electronic structure calculations and thermodynamic properties of a chemical system. We will then discuss theoretical concepts that have been used in concert with chemical kinetics and chemical environment. This chapter will be followed by a discussion on the choice of the computational method. For that purpose, different chemical properties were predicted and compared with experimental results using different electronic structure calculation methods. Finally, we will discuss the results of the study on the reaction investigated, which include a short section concerning the total synthesis of the macrocycle, a section concerning the energy profile of the studied mechanisms and a section where we provide a description of the most probable mechanisms based on a natural bond orbital (NBO) analysis. The results of the study are in favor of the α-addition mechanism, but the α-cuprathiolation and oxidative addition - reductive elimination mechanism should also be considered. Nevertheless, a thorough experimental study would be necessary in order to be able to obtain more information about the mechanism.

À la lumière du changement climatique et de l'épuisement des réserves de combustibles fossiles, l'innovation dans les technologies énergétiques vertes et durables devient un défi crucial. La fabrication de produits chimiques consomme de grandes quantités d'énergie et est responsable d'une part importante des émissions mondiales de carbone. Dans ce contexte, l'électrosynthèse, alimentée par de l'électricité renouvelable, peut remplacer de nombreux procédés thermochimiques industriels pour générer des carburants, des produits chimiques et des engrais. Plutôt que de nous concentrer sur des domaines qui ont reçu beaucoup d'attention ces dernières années (par exemple, l'électrolyse de l'eau et la réduction du CO2), nous avons exploré les domaines émergents de l'électrosynthèse hétérogène pour lesquels il existe un besoin substantiel. Dans le chapitre 3, nous soulignons l'importance de concevoir des électrocatalyseurs avec des sites actifs bien définis. Nous rapportons l'utilisation de la chimie réticulaire pour concevoir un système de modèle électrocatalytique à base d'organo-métallique conducteur avec des sites actifs moléculaires M-O4 pour l'oxydation électrochimique du 5-hydroxyméthylfurfural (HMFOR). L'activité des MOF portant des sites actifs Ni-O4 (Ni-CAT) et Co-O4 (Co-CAT) a été analysée avec des techniques spectroscopiques électrochimiques et operando pour élucider le mécanisme de réaction se produisant à la surface. Les expériences électrochimiques révèlent que le Co-CAT a un potentiel d'apparition plus précoce pour activer le HMFOR, par rapport à la plupart des catalyseurs établis, tandis que le Ni-CAT présente une cinétique plus rapide pour la conversion du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) en acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA) . Nous avons déterminé que Ni-CAT atteignait des rendements de FDCA (notre molécule cible) de 98,7 %. L'efficacité faradique peut atteindre 86,8% d'efficacité faradique. La spectroscopie infrarouge indique le HMF avec un groupe aldéhyde lié à la surface comme intermédiaire clé dans le cycle catalytique, qui se forme une fois que l'oxydation M (II \ III) se produit. Ce travail illustre l'avantage d'utiliser des sites actifs moléculairement définis couplés à la spectroscopie operando pour fournir des informations fondamentales sur une variété de réactions électrosynthétiques et ouvrir la voie à la conception future de catalyseurs. Suite à ce projet, nous nous sommes tournés vers l'utilisation d'un réacteur à membrane sélective pour l'hydrogène afin d'explorer de nouveaux concepts de réaction et de catalyseurs. La clé ici était d'utiliser une feuille de Pd comme matériau qui réduisait les protons en *H dans un compartiment aqueux et transférait l'hydrogène dans un compartiment organique où il hydrogénait le réactif de choix. À l'aide d'un réacteur à membrane, nous avons pu séparer physiquement la réduction électrochimique de l'hydrogène et la chimie de l'hydrogénation d'une manière qui contournait l'utilisation du gaz H2 qui serait autrement nécessaire. Nous choisissons comme point de départ un produit chimique produit industriellement en excès, l'acétonitrile. Le réacteur à membrane Pd est appliqué pour hydrogéner complètement la liaison C≡N de l'acétonitrile. Avec succès, nous avons obtenu de l'ammoniac et de l'acétaldéhyde comme produits de réaction à un potentiel de début record de 0,4 V vs Ag/AgCl. Enfin, en concevant soigneusement une cellule spectroélectrochimique unique, nous avons pu effectuer des mesures spectroscopiques infrarouges pour visualiser le processus de réaction dans la membrane Pd et par conséquent proposé un mécanisme unique de réaction d'hydrolyse de l'imine (Chapitre 4). Dans le chapitre 5, nous choisissons d'innover dans un domaine émergent : la formation de liaisons électrochimiques C-N à partir de réactifs de petites molécules (par exemple CO2, NH3). Le mécanisme conventionnel de formation de liaisons électrochimiques C-N est basé sur le CO2RR électrochimique. Dans ce chapitre, nous proposons une stratégie orthogonale pour activer simultanément le CO2 et les N-réactifs en appliquant respectivement des impulsions de potentiel négatives et positives. Les nanoparticules de Cu sont utilisées comme catalyseur modèle, le CO2 agit comme réactif C et le NH3 agit comme réactif N pour le couplage C-N. Dans des conditions optimisées dans lesquelles la couverture *NH2 est maintenue à l'état stable tandis que Cu reste métallique, l'électrolyse pulsée augmente à la fois le taux de formation et la sélectivité des produits C-N urée, formamide et acétamide de 3 à 20 fois. En étendant le champ d'application à des réactifs C et N supplémentaires, ainsi qu'au couplage C-S, cette nouvelle approche démontre davantage sa valeur générale en électrosynthèse. / In light of climate change and depleting fossil fuel reserves, innovating green and sustainable energy technologies becomes a critical challenge. Chemical manufacturing consumes large amounts of energy and is responsible for a substantial portion of global carbon emissions. Against this backdrop, electrosynthesis, powered by renewable electricity, can replace many industrial thermochemical processes to generate fuels, chemicals, and fertilizers. Rather than focusing on areas that have received much attention in recent years (e.g. water electrolysis and CO2 reduction), we explored emerging areas within heterogeneous electrosynthesis for which there is a substantial need. In chapter 3, we highlight the importance of designing electrocatalysts with well defined active sites. We report the use of reticular chemistry to design a conductive metal organic framework-based electrocatalytic model system with molecular M-O4 active sites for electrochemical oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMFOR). The activity of MOFs bearing Ni-O4 (Ni-CAT) and Co-O4 (Co-CAT) active sites were analyzed with electrochemical and operando spectroscopic techniques to elucidate the reaction mechanism occurring on the surface. Electrochemical experiments reveal that Co-CAT has an earlier onset potential for enabling HMFOR, relative to most established catalysts, while the Ni-CAT shows faster kinetics for the conversion of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA). We determined that Ni-CAT achieved FDCA (our target molecule) yields of 98.7% yield. The faradic efficiency can reach out to 86.8% faradic efficiency. Infrared spectroscopy points to HMF with a surface-bound aldehyde group as the key intermediate in the catalytic cycle, which forms once the M(II\III) oxidation occurs. This work illustrates the advantage of utilizing molecularly defined active sites coupled with operando spectroscopy to provide fundamental insights into a variety of electrosynthetic reactions and pave the way for future catalyst design. Following this project, we turned to the use of a hydrogen-selective membrane reactor to explore more new reaction and catalysts concepts. The key here was using a Pd foil as a material that reduced protons to *H at an aqueous compartment and transferred the hydrogen through to an organic compartment where it hydrogenated the reactant of choice. Using a membrane reactor, we could physically separate electrochemical hydrogen reduction and hydrogenation chemistry in a manner that circumvented the use of H2 gas as would otherwise be necessary. We choose a chemical that is industrially produced in excess, acetonitrile, as a starting point. The Pd membrane reactor is applied to fully hydrogenate the C≡N bond of acetonitrile. Successfully, we obtained ammonia and acetaldehyde as reaction products at a record onset potential of 0.4 V vs Ag/AgCl. Finally, by carefully designing a unique spectroelectrochemical cell, we were able to carry out infrared spectroscopic measurements to visualize the reaction process in Pd-membrane and consequently proposed a unique imine-hydrolysis reaction mechanism (Chapter 4). In Chapter 5, we choose to innovate in an emerging area: electrochemical C-N bond formation from small molecule reactants (e.g. CO2, NH3). The conventional electrochemical C-N bond formation mechanism is based on electrochemical CO2RR. In this chapter, we propose an orthogonal strategy to simultaneously activate CO2 and N-reactants by applying negative and positive potential pulses, respectively. Cu nanoparticles are used as a model catalyst, CO2 acts as the C-reactant, and NH3 acts as the N-reactant for C-N coupling. Under optimized conditions in which *NH2 coverage is maintained at steady state while Cu remains metallic, pulsed electrolysis increases both the rate of formation and the selectivity of the C-N products urea, formamide and acetamide by 3-20 times. By extending the scope to additional C- and N-reactants, as well as C-S coupling, this new approach further demonstrates its general value in electrosynthesis.