Les matériaux polymères conjugués offrent une combinaison avantageuse de propriétés mécaniques, électroniques et de mise en œuvre permettant de produire des composantes minces, ultra-flexibles et peu coûteuses. Au fil des avancées techniques, ces matériaux émergents ont démontré qu'ils avaient le potentiel de révolutionner plusieurs technologies, notamment pour la production d'énergie solaire, dans les transistors à effet de champs et pour la fabrication de diodes électroluminescentes organiques. La composition entièrement organique de ces matériaux les rend modulables, car il est possible d'ajuster leurs propriétés en modifiant leur structure chimique. Ce faisant, les performances en dispositifs des polymères conjuguées se sont constamment améliorées au fur et à mesure que de nouveaux matériaux ont été synthétisés. En contrepartie, la complexité synthétique des matériaux a continuellement augmenté afin d'atteindre les performances requises. Pour rendre les polymères conjugués compétitifs avec les technologies existantes, il est crucial de les obtenir de façon simple et peu coûteuse. Au cours de ces travaux de doctorat, nous nous sommes concentrés à utiliser une approche combinée où de nouveaux matériaux à faible complexité synthétique sont produits par polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD). Nos efforts se sont consacrés principalement à l'unité isoindigo, un monomère simple à synthétiser dont les performances en piles solaires et transistors organiques étaient prometteuses. Au cours des travaux, nous avons synthétisé plusieurs polymères de type p et de type n, mais les performances en dispositifs n'ont pas atteint le niveau désiré. En contrepartie, ces matériaux ont représenté un système idéal pour l'étude de la PHAD elle-même, en particulier son adaptation pour une utilisation à plus grande échelle. Contrairement aux polymérisations classiques de Suzuki, Stille, Kumada, etc., la PHAD permet la formation de liens C-C entre deux dérivés aromatiques par l'activation des liens C-H. Ces travaux ont démontré pour la première fois son application dans un réacteur en flux continu, ce qui permit d'améliorer la constance des lots et de simplifier la mise à l'échelle industrielle. Ensuite, nous avons développé des conditions réactionnelles robustes biphasiques ne nécessitant pas de pression élevée. Ces conditions réactionnelles évolutives ont pu être appliquées avec succès à d'autres polymères et ont permis d'obtenir des matériaux contenant exceptionnellement peu de défauts et ayant des masses molaires élevées. Ces résultats démontrent le potentiel de la PHAD pour la synthèse de polymères conjugués de façon plus simple et éco-responsable que les méthodes précédemment proposées. / Conjugated polymers offer an advantageous combination of mechanical, electronical and processing properties that allow the production of thin, ultra-flexible and inexpensive electronic components. Along with technical advances, these emerging materials demonstrated that they had the potential to revolutionize several technologies, notably solar energy production, field-effect transistors and for the fabrication of organic light-emitting diodes. The entirely organic composition of these materials makes it possible to modulate their properties by modifying their chemical structure. Consequently, the performances of conjugated polymers in devices constantly improved along with the synthesis of new materials. In return, the synthetic complexity of the materials continuously increased to achieve the required performances. To make conjugated polymers competitive with existing technologies, it is crucial to obtain them in a simple and inexpensive manner. During these Doctorate studies, we focused on using a combined approach where new materials with reduced synthetic complexity were produced using direct (hetero)arylation (DHAP). Our efforts were devoted mainly to the isoindigo unit, a monomer that is simple to synthesize and that is promising for use in organic solar cells and transistors. Over the course of this work, we synthesized several p-type and n-type polymers, but their performances in devices did not reach the expected numbers. However, these materials were an ideal system to study DHAP itself, and specifically for its adaptation to use at larger scales. Contrary to classical polymerization, such as Suzuki, Stille, Kumada, etc., DHAP allows the formation of C-C bonds between two aromatic derivatives by activating C-H bonds directly. This work demonstrated for the first time its application in a continuous flow reactor, which allowed an improvement in batch-to-batch variations and simplified its application in industrial scale. We then developed robust biphasic reaction conditions that do not require high pressure. These scalable reaction conditions were successfully applied to other polymers and allowed us to obtain materials containing exceptionally few defects v along with high molecular weights. These results demonstrate the potential of DHAP to synthesize conjugated polymers in a simpler and eco-friendlier way than previously proposed methods.

Le travail présenté dans cette thèse concerne l’élaboration des cellules photovoltaïques à base de polymères conjugués. Dans un premier temps, l’objectif a consisté à établir un protocole expérimental de fabrication des dispositifs. Nous avons donc choisi d’utiliser une structure classique (ITO/PEDOT : PSS/P3HT : PCBM/Al) de façon à pouvoir comparer nos résultats avec ceux de la littérature. Nous avons mené une étude systématique sur l’influence de l’atmosphère ambiante lors des étapes de pesées et de dépôt de la couche active. Nous avons poursuivi cette étude sur plusieurs paramètres : la masse molaire du polymère, le solvant utilisé, la vitesse d’accélération lors du dépôt et le recuit thermique. Nous avons montré que les rendements s’améliorent par l’insertion d’une couche transparente de PEDOT : PSS qualifié « haute conductivité ». L’efficacité de cette couche peut s’exploiter seulement dans certaine limite : le recuit au delà de 120°C conduit à la possible décomposition de ce PEDOT : PSS. De même, l’insertion d’une couche ultramince de LiF (1nm) augmente le rendement des cellules. Après avoir mis au point de protocole de fabrication des cellules solaires, nous nous sommes intéressés à l’étude des molécules réticulables pour l’amélioration de la durée de vie des dispositifs. Il s’agit des dérivés de polythiophène et pérylènediimide portant des groupements réticulables. Nous avons montré que ces molécules sont facilement réticulées par voie sol-gel ou radiation UV. Néanmoins, les performances photovoltaïques demeurent extrêmement faibles, à cause de l’attaque de la couche d’ITO par l’acide, l’effet néfaste de catalyseur et l’encombrement stérique causé par des chaînes latérales. / This contribution deals with the elaboration of polymer-based photovoltaic solar cells. At first, this work was devoted to validate the experimental procedure in our laboratory. We fabricated cells consisting of the conjugated polymer poly (3-hexylthiophene) (P3HT, electron donor) blended with a fullerene derivate [6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM, electron acceptor). The optical, morphological and photovoltaic properties of cells with a structure of ITO/PEDOT: PSS/P3HT: PCBM/Al has been investigated. We showed the influence of the ambient atmosphere during weighing of compounds or during solution processing. We also studied many parameters such as the active layer thickness, the polymer molecular weight, the solvent nature and the spinning acceleration time. We studied the effect of solvent and thermal annealing treatment on the performance of organic solar cells. The power conversion efficiency was significantly improved by insertion of a layer PEDOT: PSS qualified as ?high conductivity grade?. This specific PEDOT: PSS limits the annealing temperature at 120°C since it dramatically decomposes at higher temperature. The addition of an ultra-thin LiF layer (1 nm) improved significantly the performances. We studied the potential of crosslinkable molecules as active layer: polythiophene and perylene derivatives with specific crosslinkable moities in order to improve the durability of devices. These molecules were able to crosslink by sol-gel method or UV- irradiation. However, the power conversion efficiency of cells was extremely low due to the attack of ITO by acid or due to catalysts involved.

Un des défis majeurs du 21ème siècle sera l'économie d'énergie, c'est pourquoi nous recherchons actuellement la plus grande efficacité du matériel et des procédés industriels, couplée à une économie en énergie. La chimie organique moderne n'échappe pas à ce constat et doit en plus fournir les besoins croissants de nouvelles molécules dans le domaine pharmaceutique, l'agrochimie ainsi que la recherche de nouveaux matériaux. L'utilisation de catalyseur à base de métaux de transition a permis de limiter les étapes de synthèse, de diminuer les quantités de réactifs ainsi que d'augmenter l'efficacité des procédés, et donc de réaliser ces économies. De plus, les précurseurs catalytiques, notamment à base de ruthénium, ont permis de créer de nouvelles combinaisons qui ne sont pas permises par les systèmes dit classiques. La transformation d'alcynes catalysée au ruthénium est un outil puissant nous permettant d'accéder en peu d'étapes de synthèse à des molécules polyfonctionnelles. La synthèse de dérivés 1-halo-1,3-diéniques a été réalisé par dimérisation d'alcynes et addition concomitante d'un proton et d'un halogénure. Ces dérivés sont intéressants et pourront être utilisés comme synthon, car de par la présence d'halogènes, les fonctionnalisations et l'incorporation de l'unité 1,3-diènique à des structures plus complexes sont possibles. L'addition d'un halogènure d'hydrogène sur différents alcynes représente la voie de synthèse la plus économique d'un point de vue atomique pour la préparation d'halogénures de vinyles. La catalyse au ruthénium permet d'effectuer cette réaction à température ambiante. Enfin, en appliquant la dimérisation d'alcynes aux diynes, de nouveaux matériaux photoluminescents ont été synthètisés par catalyse au ruthénium. / One of great challenges of this new century will be energy saving. In this order we are looking the most efficient and energy saving equipments and industrial processes. Modern organic chemistry is not an exception, and has to develop more and more molecules to the needs of pharmaceutical, agrochemical and the search for new materials. Shorter synthesis, less quantity of reactants and increased efficiency of reactions can be done by the use of catalyst based on transition metals. Moreover, new reactions have been discovering by the use of catalysts based on transition metal, in particular with catalysts based on ruthenium. This thesis describes the development of new reactions to synthetize complex products from simple reactant as alkynes, by the use of ruthenium-based catalyst. In the first chapter, an efficient, novel and direct access to 1-halo-1,3-butadienes is developed. This stereoselective ruthenium-catalysed reaction proceeds under mild conditions via the head-to-head oxidative coupling of two alkynes and a concomitant hydrohalogenation. In the second chapter, the synthesis of vinyl halide derivatives is developed. The reaction proceeds very fast at room temperature via the Markovnikov addition of hydrogen halide to alkynes. In the third chapter, by application of dimerisation of alkynes to diynes, access to new π-conjugated polymers is developed. UV-visible absorption and emission properties of these polymers will be exposed.

La méthylation de l’ADN est l’un des facteurs épigénétiques les plus étudiés dans le cadre du dépistage de cancer. Détecter la méthylation de certains promoteurs de gènes permettrait d’identifier un cancer en particulier et d’améliorer, ainsi, le diagnostic lors de l’apparition de cellules cancéreuses. Plusieurs techniques ont été développées dans cette voie mais très peu sont basées sur une détection via des polymères conjugués. La majorité de ces techniques reposent sur une étape de PCR (Polymerase Chain Reaction) qui amplifie le nombre de copies d’ADN. L’utilisation de polymères conjuguée, notamment du poly(3-alkoxy-4-méthylthiophène) permettrait un affranchissement de cet étape due aux propriétés optiques associées aux changements conformationnels de ce dernier. Ce polymère a déjà fait ses preuves autant en détection d’éléments pathogènes (détection de séquences précises) qu’en études conformationnelles (détection de G-quadruplex). Ce mémoire traite de deux approches distinctes pour la détection d’ADN méthylé. La première approche se base sur l’impact de la méthylation d’ADN sur le polymère lui-même et l’étude de ces impacts par diverses techniques de caractérisation. La deuxième approche se penche sur la détection de séquence d’ADN modifiée artificiellement par un traitement au bisulfite de sodium. Ainsi, deux méthodes ont été abordées pour obtenir une détection d’ADN méthylé efficace et reproductible à des fins de diagnostics de cancer.

Le présent mémoire porte sur la synthèse et caractérisation de nouveaux matériaux dérivés de la polyaniline. Ces matériaux possèdent dans leur structure l'unité carbazole afin de remédier à des problèmes de solubilité que présentent la polyaniline et ces dérivés, sans pour autant modifier de façon significative la structure recherchée de la polyaniline. L'étude électrochimique de composés modèles a d'abord été effectuée afin de mieux comprendre le comportement électrochimique des polymères synthétisés. Cette approche est d'un grand intérêt dans la famille des polyanilines puisque leur comportement redox est relativement compliqué. Ainsi, trois composés modèles et deux polymères ont été étudiés de façon approfondie. L'étude électrochimique et spectroélectrochimique nous a permis de prédire les différents processus électrochimiques possible pouvant intervenir lors de l'oxydation de ces matériaux.

Les polymères conjugués organiques ont reçu beaucoup d'attention depuis les 25 dernières années à cause de leur fort potentiel pour des applications en microélectronique, électrooptique et biophotonique. Cependant, les propriétés physiques des polymères conjugués semi-conducteurs dépendent de façon critique de leur structure moléculaire, leur dopage et leur morphologie. Il est donc d'un grand intérêt d'étudier les relations structures / propriétés dans ces matériaux. Parmi ces matériaux, certains polymères conjugués ont aussi la propriété de changer de couleur selon le stimulus impliqué et sont alors appelés thermochromes, solvatochromes ou affinitéchromes. Ces polymères peuvent détecter et transférer de l'information physique ou chimique en un signal optique. Selon la structure du polymère, cette transition a été expliquée par un changement conformationnel du squelette et / ou une variation des interactions interchaînes n-n [i.e. Pi-Pi] Ce travail avait pour objectif d'acquérir une meilleure compréhension des phénomènes conformationnels impliqués lors de la transition chromique. Pour cela, nous avons étudié différents polymères modèles, tels les polythiophènes et les polyphénylèneéthynylènes et essayé d'apporter de nouvelles preuves de l'implication majeure du squelette conjugué dans le cas des polythiophènes alors que, concernant les polyphénylèneéthynylènes, une contribution majoritairement interchaîne serait à l'origine du phénomène de chromisme. En particulier, la transition chromique du poly(3-(2-méthyl-l-butoxy)-4- méthylthiophene) a été étudiée à l'état solide. Des changements importants ont été observés en absorption UV-visible, diffraction de rayons X et spectroscopies infrarouge et Raman.

Le graphène, matériau du XXIe siècle, attire depuis son isolation en 2004 l'attention de chercheurs et d'industriels du monde entier. Ses propriétés électriques, mécaniques ou optiques en font un candidat de choix pour le remplacement de matériaux coûteux et de plus en plus rares. Les nanoparticules d'argent utilisées dans les encres conductrices en sont un parfait exemple. La production à grande échelle de capteurs imprimés pour l'Internet des objets pose d'importants défis économiques et écologiques. Le remplacement de l'argent, coûteux, rare et toxique pour les milieux aquatiques, par le graphène, est une solution potentielle. Des encres de graphène sont déjà vendues à travers le monde, mais la mise à l'échelle de telles encres se heurte à un problème de taille : la production du graphène. Parmi les différentes stratégies disponibles, l'exfoliation en phase liquide du graphite (LPE) est l'une des plus attrayantes. La LPE permet d'obtenir du graphène à partir de graphite, matériau abondant et peu coûteux. L'utilisation d'ultrasons pour générer les forces d'exfoliation est la technique la plus utilisée. Le graphène est ensuite stabilisé soit par les interactions avec le solvant, soit à l'aide de molécules stabilisatrices. Néanmoins, la LPE n'est pas une solution parfaite, et plusieurs défis sont encore à relever. Parmi eux, le fait que les solvants permettant la stabilisation du graphène sont toxiques et possèdent de hauts points d'ébullition, ce qui diminue son attrait pour les industries. Les molécules stabilisatrices, comme des tensioactifs ou des polymères, permettent la réalisation de la LPE dans l'eau, mais ces molécules sont souvent isolantes et réduisent les propriétés de conductivité électrique des encres. La solution qui est explorée au cours de cette thèse est l'utilisation de polymères π-conjugués hydrosolubles pour stabiliser le graphène. Ces matériaux peuvent être conducteurs grâce à des mécanismes de dopage et peuvent donc en théorie stabiliser le graphène sans réduire l'efficacité des encres. L'objectif de cette thèse était donc de synthétiser des polymères π-conjugués hydrosolubles et de les exploiter pour stabiliser le graphène produit par LPE du graphite. Le choix a été fait d'intégrer l'azulène, une molécule possédant un dipôle intrinsèque comme unité principale pour la synthèse de copolymères. Le mécanisme de dopage et les conductivités élevées rapportés pour les copolymères d'azulène en font un choix attrayant d'un point de vue pratique et scientifique. / Graphene, the material of the 21st century, has attracted the attention of researchers and industries worldwide since its isolation in 2004. Its electrical, mechanical, and optical properties make it a preferred candidate for replacing expensive and increasingly scarce materials. Silver nanoparticles used in conductive inks are a perfect example. The large-scale production of printed sensors for the Internet of Things poses significant economic and ecological challenges. Replacing silver, which is costly, rare, and toxic to aquatic environments, with graphene is a potential solution. Graphene inks are already produced globally, but scaling up such inks faces a significant hurdle: graphene production. Among the various available strategies, liquid-phase exfoliation of graphite (LPE) is one of the most attractive. LPE allows the production of graphene from abundant and inexpensive graphite. Using ultrasound to generate exfoliation forces is the most commonly used technique. Graphene is then stabilized either by interactions with the solvent or with stabilizing molecules. However, LPE is not a perfect solution, and several challenges remain. One such challenge is that the solvents used for graphene stabilization are toxic and have high boiling points, reducing their appeal to industries. Stabilizing molecules, such as surfactants or polymers, enable LPE in water, but these molecules are often insulating, reducing the electrical conductivity properties of inks. The solution explored in this thesis involves using water-soluble π-conjugated polymers to stabilize graphene. These materials can be conductive through doping mechanisms and, in theory, can stabilize graphene without compromising the efficiency of inks. The objective of this thesis was to synthesize water-soluble π-conjugated polymers and utilize them to stabilize graphene inks through LPE of graphite. The decision was made to incorporate azulene, a molecule with an intrinsic dipole, as the main unit for copolymer synthesis. The doping mechanism and high conductivities reported for azulene copolymers make them an attractive choice both practically and scientifically.

Le stockage de l'énergie est l'un des enjeux les plus cruciaux du 21e siècle. Le développement de matériaux abordables qui possèdent une grande densité d'énergie et qui affichent une grande stabilité est recherché. Une demande croissante venant du domaine de l'électronique portative fait pression sur la recherche de matériaux toujours plus performants. L'émergence des ordinateurs et téléphones portatifs ainsi que des véhicules électriques est la pièce maitresse de cette révolution. Par ailleurs, le stockage de l'énergie dans des batteries géantes, mais stationnaires, permettra au cours des prochaines années de pallier à la réalité de production d'énergie fluctuante du solaire et de l'éolien au cours d'une journée. La batterie Li-ion est présentement la technologie la plus mature pour mener à ce type de réalisation. L'atome de lithium est pourvu d'une petite masse molaire et l'ion lithium possède un petit rayon ionique. Utilisé à l'anode, le lithium permet d'y avoir une grande densité d'énergie, puis une faible résistance ionique dans l'électrolyte une fois oxydé. Par contre, les batteries Li-ion d'aujourd'hui reposent sur des matériaux de cathode dispendieux comme le cobalt, le nickel et le manganèse, dont l'exploitation soulève de grandes questions environnementales et éthiques. Avec une demande croissante pour des batteries de haute performance, des matériaux de cathode abordables, renouvelables et avec un impact environnemental faible doivent être développés. Dans ce contexte, les molécules organiques qui ont une activité redox ont attiré l'attention avec un faible cout de production, une faible toxicité et une abondance naturelle élevée. Parmi les différents groupements fonctionnels démontrant une activité rédox, les groupements carbonylés se démarquent par leur grande diversité, et leur stabilité à l'état réduit. Les matériaux redox typiques contenant des carbonyles sont les quinones, les 1,2-diones et les imides qui reposent sur un mécanisme d'énolisation lors du processus de réduction. La principale limitation que présentent ces molécules est la dissolution dans l'électrolyte. La formation d'un sel organique ou l'incorporation de la molécule électroactive au sein d'un polymère inerte sont des stratégies qui ont été apportées pour pallier à ce problème. La versatilité des molécules possédant des fonctions imides rend possible l'étude de plusieurs polymères π-conjugués qui ont l'avantage de pouvoir conduire davantage les charges injectées. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, l'objectif général était de synthétiser de nouveaux polymères π-conjugués contenant des fonctions imides et d'analyser leurs performances en tant que matériau actif de cathode en batterie Li-ion. Les molécules qui ont été étudiées sont le maléimide, le pyromellitique diimide et le pyrène diimide. Des polymères π-conjugués ont été synthétisés avec ces unités en utilisant les techniques d'Ullmann, de Stille, de Suzuki ou d'arylation directe.

Les polymères 7t-conjugués possèdent des propriétés mécaniques et électro-optiques qui valorisent leur utilisation versus celle des matériaux inorganiques dans plusieurs dispositifs. La fabrication de diodes électroluminescentes à base de polymères (DELP) est un exemple de dispositifs qui pourraient profiter avantageusement du faible coût de mise en œuvre et de la grande flexibilité de ces matériaux. La principale application visée étant la fabrication d'écrans à affichage polychrome, l'obtention des trois couleurs primaires, soit le rouge, le vert et le bleu, est primordiale. Les recherches pour élaborer une classe de polymères capables de générer ces couleurs par modulation chimique sont donc d'actualité. Bien que les polymères à base d'unités 2,7-fiuorène remplissent cette condition, ils démontrent un problème d'instabilité optique qui affecte leur émission dans la région du bleu. Une alternative à ce problème pourrait résider dans la synthèse de polymères à base d'unités 2,7-carbazole. En effet, la structure du groupement carbazole diffère légèrement de celle du groupement fluorène, ce qui laisse croire que la réaction d'oxydation à l'origine du changement d'émission pourrait être moins favorisée tout en gardant la capacité de modulation. Le meilleur candidat obtenu jusqu'ici dans le laboratoire est le PCMEHP, un copolymère à base d'unité iV-éthylhexyl-2,7-carbazole et d'unité 4-(2'- éthylhexyloxy)anisole. Cependant, l'intégration de groupements électro-attracteurs semble nécessaire à l'obtention d'un polymère électroluminescent bleu à base de 2,7-carbazole efficace. L'objectif de cette maîtrise était donc d'améliorer les performances de ce polymère en ajoutant des groupements transporteurs d'électrons à sa structure. Cette méthode a été choisie pour favoriser l'injection et le transport des charges négatives dans le matériau optiquement actif afin d'obtenir une diode efficace de configuration monocouche. Deux différents groupements déficients en électrons ont été testés, soient Toxadiazole et la triazole. Les dispositifs de diode obtenus à partir des polymères les plus solubles présentant une instabilité optique, une autre modification à la structure de polymère a été apportée. L'instabilité optique pouvait être causée par la formation d'excimères ou par une réaction de réticulation entre les positions 3 et 6 des unités carbazole. Ces positions ont donc été alkylées pour contrer ce problème. Les polymères possèdent des propriétés électro-optiques prometteuses.

L'efficacité de sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire est une inquiétude croissante pour les chercheurs et les consommateurs partout dans le monde. En 2007, notre laboratoire a publié une classe de dérivées de poly-(2,7-carbazole) pour les cellules photovoltaïques organiques en jonction hétérogène nanocomposite. La caractérisation des interfaces de cette jonction hétérogène devient le principe de base pour l'optimisation de l'efficacité des cellules solaires. Au début, les procédures de fabrication des cellules seront optimisées pour développer une méthode définie et reproductible. Par la suite, la caractérisation et l'optimisation de la morphologie de la jonction hétérogène nous donneront une meilleure compréhension des paramètres qui influencent le rendement de la conversion énergétique. La microscopie à force atomique, la microscopie électronique en transmission et la microscopie de fluorescence nous ont permis de mieux qualifier et quantifier les composants de cette jonction. Toutes ces techniques peuvent à l'avenir mieux caractériser et évaluer les nouveaux polymères pour la microélectronique.