La D-fructose-1,6-bisphosphate aldolase (FBPA) catalyse la réaction réversible d'aldolisation dans la voie métabolique du glucose, c'est-à-dire l'interconversion du dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et du D-glyceraldéhyde 3-phosphate (G3P) en D-fructose 1,6-bisphosphate (FBP). Les aldolases sont regroupées en deux classes selon le mécanisme réactionnel : la classe I, dont fait partie l'enzyme humaine, catalyse la réaction en passant par la formation d'un intermédiaire covalent (base de Schiff), alors que les aldolases de classe II sont des métalloenzymes - un cation métallique divalent est requis pour son activité catalytique. L'aldolase de classe II, absente des mammifères, se retrouve notamment chez des agents pathogènes, par exemples Mycobacterium tuberculosis (tuberculose), Giardia lamblia (giardiase), Escherichia coli (infections diverses) et Helicobacter pylori (ulcère et cancer gastrique). Cette distribution en fait une cible potentielle dans la découverte de médicaments. La conception d'inhibiteurs spécifiques pour l'aldolase de classe II requiert une fine connaissance de sa catalyse enzymatique et de sa structure tridimensionnelle. Cette connaissance demeure incomplète, alors que l'ensemble des structures de complexes enzyme-inhibiteur ou enzyme-intermédiaire ne supporte pas une partie du mécanisme publié dans la littérature. Nous étudions le rôle catalytique de deux résidus situés chacun sur une boucle de surface mobile de l'aldolase de classe II de H. pylori et impliqués dans des étapes d'échange de proton. Les mutants simples H180Q et E142A ont été caractérisés cinétiquement et cristallisés pour la détermination de structure sur la base de la diffraction aux rayons X. Les structures cristallines des mutants complexés à des intermédiaires réactionnels ont été résolues. La déprotonation du groupe hydroxyle en C4 du FBP initie le clivage de la liaison en C3-C4 du cétohexose, première étape du mécanisme catalytique de rétro-aldolisation. Nos résultats identifient His180, sur la boucle beta6-alpha8, comme responsable de cet échange de proton. Ce résidu est un ligand de l'ion de zinc dans la structure native; le changement conformationnel observé suite à l'amarrage du phosphate en C1 de FBP libère His180 pour permettre le clivage. L'ion de zinc migre par la suite vers le site actif afin de faciliter la liaison du substrat et la stabilisation de l'intermédiaire énediolate. Nos résultats vont à l'encontre de l'hypothèse publiée précédemment sur le rôle catalytique de Asp82 dans cet échange de proton du groupe hydroxyle en C4, le rôle de ce dernier résidu se limitant plutôt au maintien de l'intégrité structurale du site actif. La libération du G3P nouvellement produit est suivie de la protonation stéréospécifique de l'intermédiaire énediolate générant le DHAP. La libération du DHAP complète ainsi le cycle catalytique. La protonation de l'intermédiaire énediolate est effectuée par l'intermédiaire du résidu Glu142, situé sur la boucle beta5-alpha7, ce qui concorde avec des études cinétiques publiées sur d'autres FBPA de classe II. Ces études ont attribué le même rôle à ce résidu conservé entre homologues. Nous avons par la suite établi un protocole de simulation de dynamique moléculaire pour évaluer le repliement de ladite boucle et ainsi comprendre le mode d'action du résidu Glu142. Des détails mécanistiques de l'étape de clivage s'ajoutent à nos connaissances actuelles; des questions subsistent quant à leur implication au reste de la catalyse. En attribuant un rôle crucial à la boucle beta6-alpha8 dans la catalyse et non limité à la liaison de substrats, cette boucle des aldolases de classe II peut devenir une cible dans le développement d'inhibiteurs. De plus, la migration de l'ion de zinc non dépendante de ligand suggère la possibilité de chélater et restreindre l'ion loin du site actif. / Fructose-1,6-bisphosphate aldolase catalyzes the reversible aldol reaction in glucose metabolism interconverting dihydroxyacetone phosphate (DHAP) and D-glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) into D-fructose 1,6-bisphosphate (FBP). Aldolases are furthermore classified based on their reaction mechanism: class I aldolase (e. g. human aldolase) forms a covalent Schiff base intermediate with substrate, whereas class II aldolase utilizes a divalent metal cation in catalysis. Class II aldolase is commonly found in pathogenic organisms such as Mycobacterium tuberculosis (tuberculosis), Giardia lamblia (giardiasis), Escherichia coli (diverse infections) and Helicobacter pylori (ulcer and gastric cancer) but not in mammals. This distribution makes class II aldolase a potential target for drug discovery. Structure driven drug design depends on an explicit knowledge of the reaction mechanism of class II aldolase and its three-dimensional structure. Our current knowledge is lacking; existing aldolase crystal structures with reaction intermediates and with competitive inhibitors are not coherent with proposed mechanisms in literature. The present study focuses on the catalytic role of two residues, each located on a mobile loop of H. pylori class II aldolase and each implicated in a critical proton transfer step. Single mutants H180Q and E142A were characterized enzymatically and crystallized for X-ray structure determination. Crystal structures of reaction intermediates formed with substrate were determined. The catalytic mechanism requires proton abstraction at the FBP C4 hydroxyl group to initiate C3-C4 bond cleavage, first step of the retroaldol reaction. Our data supports His180 situated on the mobile loop beta6-alpha8, as the residue responsible for this proton transfer. Notably, His180 chelates the zinc ion in the native structure. The structural change induced due to C1 phosphate binding of FBP releases His180 to promote cleavage. Displacement of the catalytic zinc ion ensues, facilitating substrate binding and subsequent stabilization of the enediolate intermediate. Our results do not support the previous hypothesis of a catalytic role for Asp82 in C4 hydroxyl group proton abstraction; it rather plays an important role in maintaining structural integrity for active site binding. Displacement of the nascent aldehyde G3P and concomitant stereospecific protonation of the enediolate species generates the obligate triose phosphate, DHAP. Dissociation of DHAP from the active site completes the catalytic cycle. The residue responsible for initiating enediolate protonation was identified as residue Glu142, situated on mobile loop beta5-alpha7, and this is in agreement with previous kinetic studies of enediolate protonation in other class II aldolases, attributing the same role to this conserved residue. We devised a molecular dynamic simulation method to follow the catalytic loop folding event, further investigating details of the role of Glu142 in catalysis. We gained further knowledge of the cleavage event, although work remains to elucidate missing details of the catalysis and integrate our findings. By attributing a role in catalysis to loop beta6-alpha8 not limited to substrate binding, this loop of class II aldolases becomes a potential target in drug design. In addition, ligand independent zinc ion migration suggest it is possible to chelate the metal and restrain it far from the active site.

Ce travail de thèse est centré sur l'étude expérimentale de deux types de transformations photo-induites observées dans différents complexes métalliques (Fe, Ru, ...) à ligand nitrosyle: (i) la photo-isomérisation au cours de laquelle le ligand NO passe d'un état lié par l'azote (M-NO, état stable GS) à un état lié par l'oxygène (M-ON, état métastable MSI). C'est un processus réversible et un second état métastable, 'side-on' MSII est observable au cours du processus inverse, MSI --> 'side-on' MSII --> GS; (ii) la libération photo-induite du radical NO°. La photo-isomérisation a été étudiée dans le système [Ru(py)_4Cl(NO)](PF_6)_2.1/2H_2O (sur monocristal) par la diffraction des RX, l'absorption visible statique et l'absorption UV-Vis résolue en temps. Nous avons pu mettre en évidence un processus d'absorption de photons (473 nm) en deux étapes, suivre la dynamique des transformations directes et inverses par l'évolution des paramètres de maille et des l'absorption optique visible, caractériser structuralement l'état 'side-on' MSII. La nature de l'état intermédiaire, MSII, lors du processus direct semble être différente de l'état 'side-on' mais la très faible population de cet intermédiaire n'a pas permis de trancher définitivement. Le rôle de la molécule d'eau dans la maille du complexe [Ru(py)_4Cl(NO)](PF_6)_2.1/2H_2O a été testé par diffraction des RX sur les échantillons hydratées, déshydratées et réhydratées. L'effet de déshydratation sur l'évolution des paramètres de maille et sur la génération d'espèces MSII au cours de la photo-commutation inverse, MSI --> MSII --> GS, est présenté. La libération photo-induite du radical NO° a été étudiée dans une solution d'acétonitrile du complexe trans-(Cl,Cl)[Ru^{II}(FT)Cl_2(NO)]PF_6 par spectroscopies d'absorption UV-Vis et Mi-IR, statiques et résolues en temps. En observant la dynamique ultra-rapide de la photo-transformation, nous avons mis en évidence un processus d'absorption de photons (406 nm) en deux étapes. La nature de l'état intermédiaire est discuté par rapport à de récents calculs théoriques et au processus de photo-isomérisation. / This Ph. D. thesis is focused on the experimental study of two photo-induced processes observed in various [ML_5NO] complexes, where M=Fe, Ru, ..., L=CN, Cl, ... : (i) photo-isomerization, where the system goes from N-bound state (M-NO, stable GS state) to O-bound state (M-ON, metastable MSI state) and a second metastable state, 'side-on' MSII is observed during the inverse photo-transformation, MSI --> 'side-on' MSII --> GS; (ii) photo-induced release of NO° radical. The photo-isomerization is investigated in single crystals of [Ru(py)_4Cl(NO)](PF_6)_2.1/2H_2O compound by means of X-Ray diffraction, steady state visible and time-resolved UV-visible absorption spectroscopies. During these experiments we observed the evidence of a two-step photon absorption process (473 nm), we followed the dynamics of direct and inverse photo-switching by the evolution of lattice parameters and absorption in the visible range and we caracterised the structure of 'side-on' MSII state. The nature of MSII in the direct photo-switching, GS --> MSI, seems to be different from the 'side-on' configuration, however, we do not have a direct access to this state due to its low population. The role of water molecule in the unit cell of [Ru(py)_4Cl(NO)](PF_6)_2.1/2H_2O complex was tested by X-Ray diffraction studies on hydrated, dehydrated and rehydrated samples. The effect of sample dehydration on the unit cell parameters evolution and MSII species generation during the MSI --> MSII --> GS inverse photo-switching is presented. The photo-induced NO° release in trans-(Cl,Cl)[Ru^{II}(FT)Cl_2(NO)]PF_6 system in acetonitrile solution is studied by the UV-visible and mid-IR absorption spectroscopies, both steady state and time-resolved. By observing the ultra-fast dynamics of photo-transformation we evidenced a two-step photon absorption process (406 nm). The nature of intermediate state is discussed within the recent theoretical calculations and the photo-isomerization process.

Les liquides diffèrent des solides par une réponse retardée à la sollicitation en cisaillement; c’est-à-dire une absence d’élasticité de cisaillement et un comportement d'écoulement à basses fréquences (<1 Hz). Ce postulat pourrait ne pas être vrai à toutes échelles. A l’échelle submillimétrique, les mesures viscoélastiques (VE) réalisées en améliorant l'interaction entre le liquide et le substrat, montrent qu’une élasticité basses-fréquences existe dans des liquides aussi variés que les polymères, les surfondus, les liquides à liaison H, ioniques ou van der Waals. Ce résultat implique que les molécules à l'état liquide ne seraient pas dynamiquement libres, mais élastiquement corrélées.En utilisant les propriétés biréfringentes des fluctuations prétransitionnelles qui coexistent dans la phase isotrope des cristaux liquides, nous montrons qu'il est possible de visualiser ces corrélations « cachées ». Dans des conditionssimilaires aux mesures VE, une biréfringence optique synchrone à la déformation est observée dans la phase isotrope à des fréquences aussi basses que 0.01 Hz et des températures éloignées de toute transition. Le comportement dela biréfringence basses-fréquences a des similitudes avec l'élasticité; elle est en phase avec la déformation à faibles amplitudes de déformation, puis en phase avec le taux de déformation à plus grandes amplitudes. La biréfringence basses- fréquences est forte, sans défaut et réversible. Elle indique un ordre à longue portée. La synchronisation de la réponse à la sollicitation en fréquence et l’état ordonné qu’elle produit ne sont pas compatibles avec un état liquide isotrope mais montrent qu’il s’agit d’un état élastique soumis à déformation (entropie élastique). / Liquids differ from solids by a delayed response to a shear mechanical solicitation; i.e. they have no shearelasticity and exhibit a flow behaviour at low frequency (<1 Hz). This postulate might be not verified at thesub-millimeter scale. By optimizing the measurement in particular by improving the liquid/substrate interactions (wetting), a low frequency shear elasticity has been found in liquids including molten polymers, glass-formers, H-bond polar, ionic or van der Waals liquids. This result implies that molecules in the liquid state may not be dynamically free but weaklyelastically correlated. Using the birefringent properties of the pretransitional fluctuations coexisting in the isotropic phase of liquid crystals, we show that it is possible to visualize these “hidden” shear-elastic correlations. We detect a synchronized birefringent optical response in the isotropic phase that is observable at frequencies as low as 0.01 Hz and at temperatures far away from anyphase transition. The low-frequency birefringence exhibits a strain dependence similar to the low frequency elasticity: An optical signal that is in-phase with the strain at low strain amplitudes and in-phase with the strain-rate at larger strain amplitudes. The birefringent response is strong, defect-free, reversible and points out a collective response. This long-range ordering rules out the condition of an isotropic liquid and its synchronized response supports the existenceof long-range elastic (solid-like) correlations. In the light of this, the strain dependence of the harmonic birefringent signal and the shear elasticity may correspond to an entropy-driven transition.

Ce travail réalisé dans le cadre de l’initiative africaine de l’IUCr porte sur l’étude structurale par diffraction des rayons X de quelques architectures élaborées par association, via des interactions faibles, des anions {[M(C2O4)3]3-,M = Cr, Fe} et des cations complexes à base de la 2-picolylamine (amp) métaux de transition (Co2+, Cu2+ et Mn2+). L’architecture à base de l’ion Co2+ est bidimensionnelle et présente des feuillets ondulés constitués de chaines bimétalliques de chiralité différente où les deux ions complexes ([Cr(C2O4)3]3- et [Co(amp)3]3+ ) sont connectés par des liaisons hydrogène. Ces feuillets hébergent des molécules d’eau qui forment des clusters dodécamèriques aux caractéristiques nouvelles. Le composé déshydraté se réhydrate rapidement dans l’air ambiant et les deux états possèdent des couleurs différentes. Plusieurs cycles de déshydratation-réhydratation n’altèrent pas la qualité cristalline du composé. L’architecture à base des ions Cu2+ possède également des feuillets mais présente une ondulation plus forte que celle de l’architecture au cobalt. Ces couches sont constituées de chaines formées de cations dimériques [Cu2(amp)4Cl]3+ et d’anions {[M(C2O4)3]3-,M = Cr, Fe}. Les deux composés sont iso-structuraux et leur architecture présente des canaux monodimensionnels qui contiennent des molécules d’eau qui forment des clusters hexamèriques. Le composé subit des transitions de phase entre la basse température (100K) et la température de déshydratation (341K) avec une perte de la symétrie. Le composé se réhydrate plus difficilement que celui à base de l’ion cobalt(III). L’ion Mn2+ ne donne pas l’architecture escomptée mais un polymère de coordination nouveau / This work, realized under the IUCr initiative, framework involves the structural study via X-ray diffraction, of some heteromolecular architectures formed by the association through non-covalent bonds, between the tris (oxalato) chromate (III) and tris (oxalato) ferrate (III) anions {[M(C2O4)3]3-, M = Cr, Fe} and the cationic complex of the 2-picolylamine (amp) and transition metal (Co2 +, Cu2 + and Mn2 +). Co2 + ion builds two-dimensional corrugated layers made of bimetallic chiral chains where the two different complex ions ([Cr(C2O4)3]3- and [Co(amp)3]3 +) are connected by hydrogen bonds. These layers, connected by weak hydrogen interactions, host between them, water molecules which build dodecameric clusters having new characteristics. The dehydrated compound has different structure and color and is able to quickly reabsorb water molecules from surrounding to regenerate the initial compound despite that it has no pores. Several cycles of this process do not seriously affect the crystalline quality of this compound. The compound obtained with the Cu2 + ion also has a two-dimensional framework. Their layers are formed between the dimeric cation [Cu2 (amp) 4Cl]3 + and the anion {[M(C2O4)3]3-,M = Cr, Fe}. Both compounds are iso-structural; their frameworks are formed via π - - - π interactions and build 1D channels which contain water molecules forming hexameric clusters. The compound undergoes a phase transition between 100 K and the dehydration temperature (341K). During this dehydration, a loss of symmetry of the compound is recorded and rehydration process is more difficult than for cobalt(III)-framework. The use of Mn2+ ions does not give the expected architecture but a new coordination polymer

La présente thèse traite de la synthèse à température ambiante et pression atmosphérique de différents composés de coordination hybrides organique-inorganiques. La partie inorganique de ces composés est constituée d’éléments de transition de la première période 3dn divalents: cobalt, nickel et cuivre. Les ligands utilisés constituent la partie organique de ces composés. Les ligands employés sont l’acide-1H-imidazol-4-carboxilique (H2IMC) et l’acide-1H-imidazol-4,5-dicarboxílique (H3IMDC). La composante inorganique Mx+ est introduite dans le composé terminal en utilisant le précurseur métallique moléculaire M(hfac)2 (M = Cu2+, Co2+, Ni2+; hfac = 1,1,1,5,5,5- hexafluoro-2,4-pentanodione), précurseur utilisé afin d'obtenir un centre métallique acide facile à coordonner aux ligands imidazol carboxíliques dans des positions axiales. L’ensemble des composés a été caractérisé par l’étude des propriétés magnétiques, études thermogravimétriques et caractérisation structurale (résolution et affinement) sur échantillons pulvérulents. Dans la totalité des structures obtenues, le ligand imidazol carboxylique se lie à l’espèce métallique en positions équatoriales via l’élément azote du cycle et un élément oxygène du groupement carboxylique. Les mesures magnétiques montrent des déviations à la loi de Curie à basse température qui indiquent des phénomènes de coopération magnétique entre les centres métalliques. Ces centres métalliques ont été traités et modélisés en considérant, pour les composés contenant les éléments cuivre et nickel, un modèle de chaîne régulière qui a permis d’estimer la constante d’interéchange J. Pour les composés contenant l’élément cobalt, seule l’importante contribution orbitale (L≠ 0) à la propriété magnétique (état fontamental 4T1g en symétrie octaédrique) sans interaction inter espèces magnétiques a été prise en considération pour traiter les données. / This thesis work presents the synthesis at ambient temperature and pressure of different hybrids organic - inorganic coordination compounds. The inorganic portion is composed by transition elements from the first period 3dn divalent cobalt, nickel and copper. The selected ligands are the organic portion of these compounds, and there are the 1H-imidazol-4-carboxylic acid (H2IMC) and 1H-imidazole-4,5-dicarboxylic acid (H3IMDC)2. The inorganic component Mx+ is introduced into the terminal compound by using the molecular metallic precursor M(hfac)2 (M=Cu2+, Co2+, Ni2+; hfac=1,1,1,5,5,5-hexafluoro-2,4-pentanodione) used to obtain an acidic metal center that coordinates easily to imidazol carboxylic ligands in axial positions. All compounds were characterized by studying their magnetic properties, thermogravimetric analysis and structural characterization (resolution and refinement) on powdered samples. In all these compounds, the imidazole carboxylic ligand is linked to the central metal ion in equatorial position, by the nitrogen atom from the imidazole ring, and an oxygen atom from the carboxylic group. The magnetic measurements have revealed deviations at low temperatures to the Curie law, suggesting magnetic cooperation phenomena between the metallic centers. For the copper and nickel based compounds, the magnetic data was analyzed considering a regular chain model that has led to obtain the value of the exchange coupling constant J. For the cobalt based compounds the treatment has been different. Only the important orbital contribution (L≠ 0) to the magnetic propierties (fundamental state 4T1g for octahedral symmetry) without interaction between the metallic centers was taken into account for the data treatment. / La presente tesis trata de la síntesis a temperatura ambiente y presión atmosférica de diferentes compuestos de coordinación híbridos órgano-inorgánicos. La parte inorgánica de estos compuestos está constituida por los elementos de transición divalentes del primer período 3dn: cobalto, níquel y cobre. Los ligandos utilizados constituyen la parte orgánica de estos compuestos. Los ligandos empleados son el ácido-1H-imidazol-4-carboxílico (H2IMC) y el ácido-1H-imidazol-4,5-dicarboxílico (H3IMDC). La componente inorgánica Mx+ ha sido introducida en los compuestos terminales utilizando el precursor metálico molecular M(hfac)2 (M = Cu2+, Co2+, Ni2+; hfac = 1,1,1,5,5,5-hexafluoro-2,4-pentanodiona), precursor utilizado con el fin de obtener un centro metálico ácido fácil de ser coordinado por los ligandos imidazol carboxílicos en las posiciones axiales. El conjunto de los compuestos obtenidos ha sido caracterizado mediante el estudio de sus propiedades magnéticas, análisis termogravimétrico y caracterización estructural (resolución y afinamiento) sobre muestras pulverizadas. En la totalidad de la estructuras obtenidas, el ligando imidazol carboxílico se une al metal en posiciones ecuatoriales a través del átomo de nitrógeno del anillo imidazol y un átomo de oxígeno del grupo carboxílico. Las medidas magnéticas muestran desviaciones de la ley de Curie a baja temperatura que indican fenómenos de cooperación magnética entre los centros metálicos. Estos centros metálicos han sido tratados y modelados considerando para los compuestos de cobre y níquel, un modelo de cadena regular que ha permitido estimar el valor de la constante de intercambio J. Para los compuestos de cobalto, se ha considerado la importante contribución orbital (L≠ 0) a la propiedad magnética (estado fundamental 4T1g en simetría octaédrica) sin interacción entre las especies magnéticas para el tratamiento de los datos.

La diffraction des rayons X permet d’obtenir des informations sur la structure atomique et même sur la distribution de charges de composés sous forme cristalline, ce qui est d’une importance fondamentale pour la compréhension de leurs propriétés. Accéder expérimentalement à une description de la distribution de charges de systèmes macromoléculaires reste rarement possible malgré les améliorations techniques. Pour pallier cette limite, la transférabilité des paramètres de distributions de charges est un moyen fiable d’obtenir pour ces systèmes un modèle estimé et d’en déduire leurs propriétés électrostatiques. Les résultats présentés dans ce travail de thèse s’intègrent dans une dynamique visant à étendre les méthodes initialement réservées pour l’étude des petites molécules aux systèmes macromoléculaires. Il s’articule autour du développement de la suite de logiciels MoPro et de la banque de données ELMAM (Experimental Library of Multipolar Atom Model) pour l’étude des énergies des interactions électrostatiques au sein du site actif de complexes enzyme-inhibiteur. L’étude du fidarestat, un inhibiteur de l’holoenzyme aldose réductase, réalisée à partir de données obtenues à très haute résolution, est exposée dans ce manuscrit et a servi notamment à l’amélioration de la banque ELMAM en vue de l’étude des complexes holoenzymes aldo-keto réductase. A cette occasion, la légitimité du recours aux modèles transférés de distribution de charges a été discutée pour la première fois par une estimation statistique des incertitudes sur les énergies d’interaction électrostatique entre enzyme et inhibiteur / X-ray diffraction allows to obtain information about atomic structure and charge density distribution of crystal-state compounds, which is of main interest for the understanding of their properties. Reaching experimentally charge density distribution description of macromolecular systems is rarely possible despite technical improvements. To get around this limit, the transferability of charge density distribution parameters is a reliable way to obtain for these systems estimated model and to deduce their electrostatic properties. Works introduced in this PhD thesis manuscript take part in the will of extending methods initially for study of small molecules to macromolecular systems. It is centered on the development of the MoPro software suite and of ELMAM database (Experimental Library of Multipolar Atom Model) for the study of electrostatic interaction energies in enzyme-inhibitor complexes’ active site. The study of fidarestat, an inhibitor of aldose reductase holoenzyme, performed using ultra-high resolution data, is exposed in this manuscript and allowed to improve ELMAM database for the study of electrostatic interaction in aldo-keto reductase holoenzyme complexes. Moreover, the legitimacy of using transferred charge density distribution models was discussed for the first time, thanks to statistical estimation of uncertainties on electrostatic interaction energies between enzyme and inhibitor

Les superalliages monocristallins à base de nickel sont utilisés en aéronautique pour les aubes de turbines. Cette étude est consacrée à la modélisation du comportement en fluage du superalliage monocristallin AM1 après mise en radeaux, au cours d’essais isothermes à contrainte variable. Des diffractogrammes (200) ont été obtenus in situ par diffractométrie trois axes en rayonnement synchrotron, à haute température (950-1150°C) pour des paliers de contrainte entre 0 et 300MPa. Pour chaque phase, les déformations élastiques se déduisent de la position des pics et les contraintes, déformations plastiques et vitesses de déformation sont obtenues par la mesure du désaccord paramétrique, en utilisant un modèle composite en série. Ces résultats sont combinés à une caractérisation post mortem en microscopie électronique : morphologie des phases, densité et nature des dislocations. La mesure in situ du désaccord paramétrique donne accès à la densité instantanée de dislocations aux interfaces y/y’. Dans la phase ylors d’incréments de la contrainte appliquée, la contrainte de Von Mises augmente, puis se relaxe jusqu’à une contrainte seuil. Cette contrainte est en accord avec la contrainte d’Orowan et les largeurs des couloirs mesurées post mortem. La déformation plastique de la phase y’ est produite par montée de dislocations de vecteur de Burgers perpendiculaire à l’axe de traction sous l’action de la seule contrainte transverse et contrôlée par l’entrée de dislocations depuis les interfaces. Une simulation des pics de diffraction permet de reproduire l’évolution de leur largeur en fonction de la nature et de la répartition des dislocations aux interfaces et dans la phase y' / Nickel-based superalloys are used in aeronautics for turbine blades. This study aims at modelling the creep behaviour of single-crystalline AM1 superalloy with a rafted γ/γ’ microstructure during isothermal tests under variable applied stresses. (200) diffraction profiles are obtained with a triple crystal diffractometer and high energy synchrotron radiation at high temperature (950-1150°C) with an applied stress varying between 0 and 300 MPa. For each phase, the elastic strain is deduced from the peaks’ positions and the stress, plastic strain rate from the lattice mismatch, assuming a model lamellar composite material. Post mortem characterizations by electronic microscopy completes the results: morphology of each phase, dislocations densities and nature. The measurement of lattice mismatch leads to an in situ estimation of the dislocations’ density at the γ/γ’ interfaces. For the γ phase, during successive jumps of the applied stress, the Von Mises stress increases and then relaxes down to a threshold stress. This stress is in agreement with Orowan stress deduced from the post mortem measurements of the γ channels’ width. Plastic strain of the γ' phase is produced by climb of dislocations with Burgers’ vectors perpendicular to the tensile axis under the mere transversal stress and is controlled by the entrance of dislocations into the rafts from the interfaces. The distribution of elastic strains was simulated by assuming two main contributions: dislocations at the γ/γ’ interfaces and within the γ’ rafts. The simulation reproduces the absolute magnitude of the peaks’ width, as well as their increase with dislocation densities

Les émissions des NOₓ par l'industrie métallurgique proviennent principalement de la combustion du charbon au cours du procédé d'agglomération. Parmi les méthodes de réduction des NOₓ de ce procédé, l'ajout des additifs dans le mélange de matières premières du procédé d'agglomération a été choisi grâce à ses avantages. Ces techniques sont relativement simples à mettre en oeuvre, et ne nécessitent qu'un faible coût d'investissement. Cette thèse est une partie du projet européen INTERREG IVA CleanTech et du projet industriel d'ArcelorMittal de Dunkerque, qui portent sur les études de réductions de NOₓ par méthode d'ajout des additifs. L'objectif de cette thèse consiste à étudier le mécanisme de réduction des NOₓ par ces additifs afin d'optimiser le procédé et de choisir des nouveaux additifs. De plus, les propriétés des produits d'agglomérés sont également étudiées pour déterminer l'influence des additifs sur les qualités de produit final. Une première étude expérimentale a été consacrée à l'étude de la décomposition thermique des additifs utilisés afin de comprendre le mécanisme de diminution des NOₓ. Nous avons pu déterminer des composés-réducteurs de NOₓ et des quantités formées au cours de la pyrolyse des additifs. Cela nous permet de confirmer les produits influençant sur la réduction des NOₓ. Dans une deuxième partie, les produits d'agglomérés obtenus lors des essais dans la cuve pilote, ont été mesurés par différentes méthodes (diffraction X au laboratoire, diffraction X à haute énergie et haute résolution sur synchrotron, spectroscopie Mössbauer). Nous avons d'abord déterminé les compositions des phases cristallines contenus dans les agglomérés. Nous avons ensuite comparé les différences entre les agglomérés références (sans additifs) et les agglomérés obtenus avec différents additifs afin de déterminer les phases responsables pour la résistance mécanique. / NOₓ emission in the steel industry mainly come from the combustion of coal in the agglomeration process. Among the methods of NOₓ reduction for this process, the addition of additives to the mixture of raw materials agglomeration process is chosen due to its advantages. This technique is comparatively simple to implement, and requires only a low-cost investment. This thesis is part of European project INTERREG IVA CleanTech and industrial project ArcelorMittal Dunkerque in order to study NOₓ reductions by additives. The objectives of this thesis is to have a better comprehension in the mechanism of NOₓ reduction by additives to optimize the process with more effective additives. With that purpose, the properties of agglomerated products are also studied to determine the additives' influences on the quality of the final product. In the first part, an experimental study was devoted to sutdy the thermal decomposition of the additives to understand the mechanism of NOₓ reduction. The compounds formed during the pyrolysis of additives are identified and quantified. This allows us to confirm the products' influence on the reduction of NOₓ. In the second part, agglomerated products obtained in the pilot test are measured by different methods (X-ray diffraction laboratory, high-energy and high-resolution X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy). To determine the compositions of crystalline phases contained in the agglomerates. We then compared the differences between the reference agglomerate (without additives) and agglomerate obtained with different additives in order to determine the phases related to the mechanical resistance.

Cette thèse présente différents aspects de la cyclonickellation des phosphinites de type Aryl-OP(i-Pr)2, leur potentiel dans la fonctionnalisation et leur utilité pour former des nouveaux types de complexes de types pincer de nickel. Le Chapitre 1 constitue une introduction générale sur l’importance de la liaison carbone-nickel en chimie organométallique. Diverses stratégies de formation des liens C-Ni dans des composés classiques (monodentés), des composés de types pincer (tridentés) et des composé cyclonickellés (bidentés et tridentés) y sont présentées, incluant des réactions impliquant des précurseurs de Ni0, de NiII ou de NiIV. Ce chapitre présente également la réactivité de ces composés comportant des liens C-Ni, et met l’emphase sur la réactivité des liaisons carbone-nickel, en particulier dans les processus catalytiques destinés à la fonctionnalisation des liens C-H, en utilisant des groupes directeurs. Les phosphinites sont ensuite présentées comme des groupes directeurs intéressants en catalyse, bien qu’elles aient surtout été utilisé avec d’autres métaux que le nickel. La dernière partie de ce chapitre pose les questions qui tenterons de trouver réponse dans les travaux présentés aux chapitres suivants. Les Chapitres 2 et 4, basés sur des articles publiés, présentent l’isolation et la caractérisation de composés dimériques de type [{κP,κC-(i-Pr)2POAr}Ni(μ-Br)]2 issus de l’ortho-nickellation des phosphinites dérivées des phénols et des naphtols substitués, ainsi que de certains de leurs adduits monomériques d’acétonitrile ou du ligand lui-même. Ces discussions cherchent à répondre à la question de régiosélectivité de la cyclonickellation : on y démontre que cette réaction est gouvernée par les facteurs stériques, menant à la métallation préférablement (pour les substituants fluor) ou exclusivement (pour les substituants plus volumineux) aux carbones les moins encombrés, lorsque deux positions ortho sont disponibles, et que la réaction mène toujours à la formation de nickellacycles à 5 chainons. Ainsi, les phénols C3-substitués subissent la métallation au carbone C6, alors que les 1- et 2-naphtols subissent la nickellation aux positions C2 et C3, respectivement. Ces deux chapitres démontrent que la métallation peut avoir lieu sur des carbones qui possèdent déjà un voisin encombrant (F, OMe, benzo), menant à des structures relativement distordues, mais que la nickellation n’est pas produite dans les conditions standard au voisinage des substituants Me et Cl qui sont plus volumineux, ni au carbone C8 du 1-naphtol qui mènerait à un nickellacycle à 6 chainons. L’étude structurale permet de rationaliser les régiosélectivités observées, et les études par diverses méthodes RMN complètent la caractérisation de ces nouveaux composés. Le Chapitre 2 démontre que lorsque les sites potentiels de nickellation sont bloqués par des substituants ortho Me ou Ph, la réaction ne prend pas place sur ces substituants en raison de la formation de nickellacycles à 6 ou 7 chainons respectivement. Ceci met en lumière également l’impossibilité d’isoler les composés nickellés aux carbones sp³ des substituants ortho, et le Chapitre 4 démontre par des expériences d’échange H/D que la nickellation à ces positions n’est pas seulement thermodynamiquement défavorisée, mais qu’elle est aussi cinétiquement inexistante. Ce chapitre dévoile également les réactions qui sont observables à 80 °C sont radicalement accélérées à haute température (120 ou 160 °C), et que les produits de nickellation y sont thermodynamiquement stables. Le Chapitre 4 présente également une réaction de fonctionnalisation in situ des liens carbone-nickel de la phosphinite cyclonickellée dérivée du 1-naphthol. Dans cette réaction, qui se produit à haute température en absence de base, la bromophosphine Br-P(i-Pr)2 se génère in situ et permet l’insertion formelle d’un phosphènium [(i-Pr)2P]+ dans le lien carbone-nickel, menant à un complexe phosphine-phosphinite de type {κP,κP’-1-(i-Pr)2PO-2-naphtyl-P(i-Pr)2}NiBr2. Lorsque la position C2 du 1-naphtol est bloquée par un substituant Et, un genre similaire de fonctionnalisation à la position C8 est observé, menant à l’obtention de 8-(i-Pr)2P(O)-2-Et-1-naphtol, ainsi qu’à des sous-produits qui ont été identifiés et caractérisés. Cette réaction démontre l’accessibilité cinétique de la position C8 à haute température, mais démontre également l’instabilité du nickellaycle généré. Les conditions réactionnelles pour l’obtention des phosphinites nickellées dévoilées au Chapitre 2 (utilisant l’acétonitrile comme solvant) ont démontré une efficacité supérieure que celle présentée précédemment (dans le toluène). Ainsi, le Chapitre 3, également basé sur un article publié, cherche à décrire les aspects mécanistiques de cette cyclométallation et démontre que les espèces initialement présentes dans l’acétonitrile sont des adduits mono-phosphinites du nickel au contraire des espèces présentes dans le toluène. Cette étude démontre qu’une base externe est nécessaire pour conduire à l’isolation des composés nickellés, mais qu’elle n’est pas impliquée dans le mécanisme de métallation car la formation des liens C-Ni se produit réversiblement en absence de base. Des suivis cinétiques indiquent que la réaction est de premier ordre et qu’un excès de base ralentit la réaction en formant des espèces non réactives, et que les bases idéales sont fortes et peu coordonnantes. Une étude mécanistique expérimentale révèle que l’étape de nickellation est de nature électrophile (pente de Hammett ρ ≈ –4) et associative (ΔH⧧ = 18(1) kcal·mol–1 and ΔS⧧ = −27(4) cal·mol–1·K–1) et que le transfert de proton est l’étape limitante (kH/kD ≈ 11). Ces résultats sont appuyés par une étude computationnelle par DFT qui démontre que la dissociation d’un ligand Br- mène à une paire d’ions comme intermédiaire, depuis lequel la déprotonation est réalisée par l’anion Br- dans un mécanisme de type CMD. Les résultats de ces calculs théoriques permettent également d’appuyer la thèse d’un état fondamental triplet pour les espèces présentes avant la nickellation dans l’acétonitrile. Les études sur la régiosélectivité ont mené à un résultat surprenant : à la place de subir la nickellation C-H, la phosphinite dérivée du 2-vinylphénol subit une attaque nucléophile sur le groupe vinyle afin de donner un composé tridenté portant un lien Csp³-Ni. Le Chapitre 5 présente ainsi une nouvelle stratégie de préparation des composés pincers par des réactions de type Umpolung. Le ligand 2-vinylphényl-OP(i-Pr)2 réagit avec des amines et des phosphines portant au moins un proton, pour donner des complexes pinceurs de type 6,4-POCY-NiBr (Y = P, N). Ce chapitre dévoile l’étendue des composés qui peuvent être produits par cette méthode, et offre une caractérisation de ces composés par RMN, diffraction des rayons X et par électrochimie, afin de comparer leurs caractéristiques avec les autres pincers décrits dans la littérature. Enfin, alors que le Chapitre 6 présente quelques résultats additionnels reliés aux divers axes de recherche de cette thèse, le Chapitre 7 rappelle les grandes lignes des découvertes présentées aux Chapitres 2-5. Ce chapitre de conclusion générale présente également des perspectives basées sur les résultats de la thèse, et sur les quelques résultats préliminaires. Au menu : une discussion sur la relation entre régiosélectivité et la stabilité, des nouvelles stratégies de nickellation à étudier (à partir de liens carbone-halogène), la fonctionnalisation des liens C-Ni par des composés isolobaux aux phosphèniums et des stratégies pour la fonctionnalisation des oléfines dans les composés de type alcool. / This thesis presents various aspects of the cyclonickelation of phosphinites Aryl-OP(i-Pr)2, as well as their potential in functionalization processes and applications in the preparation of new types of pincer-Ni complexes. Chapter 1 consists of a general introduction on the importance of the carbon-nickel bond in organometallic chemistry. Various strategies leading to C-Ni bonds in classical (monodentate) compounds, pincer complexes (tridentate), and cyclonickelated species (bi- and tridentate) are disclosed, including reactions implicating Ni0, de NiII ou de NiIV precursors. This chapter also presents the reactivity of species featuring C-Ni bonds C-Ni and underlines the reactivity of C-Ni bonds, especially in catalytic processes targeting C-H bonds functionalization, through the use of directing groups. Next, phosphinites are displayed as interesting directing groups in catalysis even though they have been used mostly with metals other than nickel. The last part of this chapter outlines the questions that are meant to be addressed in the next chapters. Chapters 2 and 4, based on published articles, display the isolation and characterization of dimeric complexes of the type [{κP,κC-(i-Pr)2POAr}Ni(μ-Br)]2 arising from the ortho-nickelation of phosphinites derived from substituted phenols and naphthols, as well as some of their acetonitrile or phosphinite adducts. These studies are meant to address the question of regioselectivity in the cyclonickelation. The results obtained prove that when two ortho sites are available for reactivity, the nickelation is governed by steric factors and leads to metalation preferably (in case of F substituents) or exclusively (in case of larger substituents) at the least hidered C-H bond; moreover, the nickelation always leads to 5-membered nickelacycles. Thus, C3-substituted phenols undergo nickelation at the C6 position, while 1- and 2-naphthols undergo nickelation at C2 and C3 positions, respectively. Together, Chapters 2 and 4 show that metalation can take place at the carbon next to a F-, MeO- or benzo substituent, but such nickelation at the hindered sites leads to distorted structures in the products. One the other hand, nickelation never occurs at carbons neighbouring the larger Me- or Cl- substituents, nor at the C8 position of 1-naphthol which would lead to a 6-membered nickelacycle. The structural study allows us to rationalize the observed regioselectivities, and NMR studies complete the characterization of these new compounds. Chapter 2 also reveals that when the ortho sites are blocked by Me or Ph functional groups, no nickelation takes places on these substituents due to the unfavored generation of 6- or 7-membered metallacycles, respectively. This finding also rationalizes why it has not been possible to isolate complexes arising from the nickelation at sp³ carbons of ortho substituents. This point is confirmed in the studies described in Chapter 4, which shows how H/D exchange experiments helped us prove that reactivity at these aliphatic C-H sites is disfavored not only thermodynamically, but also kinetically. This chapter also reveals that reactions observed at 80 °C can be accelerated dramatically at higher temperatures (120 or 160 °C), and that nickelated products are stable in these conditions. Chapter 4 also presents some examples of in situ functionalization of the C-Ni bonds in cyclonickelated 1-naphthyl phosphinites. Conducting these reactions in the absence of base at high temperatures allowed the in situ generation of bromoposphine, Br-P(i-Pr)2, that promotes the formal insertion of a phosphenium fragment [(i-Pr)2P]+ into the C-Ni bond, thus leading to a phosphine-phosphinite complex of Ni, of the following formula: {κP,κP’-1-(i-Pr)2PO-2-naphtyl-P(i-Pr)2}NiBr2. When the C2 position in the naphthyl phosphinite is blocked by an Et substituent, a similar functionalization occurs at the C8 position leading to 8-(i-Pr)2P(O)-2-Et-1-naphtol, along with by-products which have been identified and characterized. These findings demonstrated the kinetic accessibility of the C8 position at high temperatures, while proving the instability of the generated nickelacycle. The reaction conditions used for the syntheses of cyclonickelated phosphinites displayed in Chapter 2 (using acetonitrile as the solvent) have been proven more efficient than that previously reported (in toluene). Thus, Chapter 3, also based on a published article, describes the mechanistic aspects of the new procedure and reveals that acetonitrile generates more reactive species at the pre-nickelation stage, namely mono-phosphinite nickel adducts, as opposed to the bis-phosphinite nickel complexes observed in toluene. This study demonstrates that an external base is required for isolating the nickelated complexes, but that this base is not implicated in the metalation process, since the formation of the C-Ni bond occurs reversibly in the absence of base. Kinetic monitoring reveals that the reaction is 1st order and that an excess of base in fact slows down the rate by generating non-reactive species. Ideal bases for the nickelation are thus strong bases but weakly coordinating nucleophiles. An experiment-based mechanistic investigation shows that the nickelation is of electrophilic (Hammett slope ρ ≈ –4) and associative (ΔH⧧ = 18(1) kcal·mol–1 and ΔS⧧ = −27(4) cal·mol–1·K–1) nature, and that the proton transfer is rate limiting (kH/kD ≈ 11). These results are supported by a DFT-based computational study that points towards an ion pair formation that allows the dissociated Br- anion to capture the proton, in a CMD mechanism. The theoretical calculation also supported a triplet ground state in acetonitrile for the species present in the pre-nickelation mixture in acetonitrile. Regioselectivity studies of a phosphinite bearing an ortho-vinyl substituent led to a surprising finding: instead of undergoing C-H nickelation, the phosphinite derived from 2-vinylphenol is attacked by nucleophiles on the vinyl moiety and give a Ni complex featuring a tridentate pincer-type ligand with a central Csp³-Ni bond. Chapter 5 thus discloses a new Umpolung-based strategy leading to new pincer complexes. Reaction of the ligand 2-vinylphenyl-OP(i-Pr)2 with primary or secondary amines and phosphines produces novel pincer-Ni complexes of the type 6,4-POCsp3Y-NiBr (Y = P, N). This chapter discloses the variety of new complexes that can be prepared by this new synthetic strategy. The characterisation of the new complexes by NMR, XRD and electrochemical analysis allowed us to compare their structural and redox properties to pincer-Ni complexes reported in the literature. While Chapter 6 discloses additional results related to various research axes of this thesis, Chapter 7 recalls the main findings revealed in Chapters 2-5. This conclusion also discloses research perspectives based on the results presented in this thesis, as well as phosphinite-related preliminary results gathered during my Ph. D. studies. The main proposed ideas touch on the following aspects: (a) the relationship between regioselectivity and stability towards functionalization; (b) new nickelation strategies based on the metalation of carbon-halogen bonds; (c) C-Ni functionalization by isolobal compounds to phosphenium ions; and (d) strategies towards the functionalization of alcohols bearing alkene moieties.

Les nouvelles technologies mises en œuvre actuellement suscitent des demandes croissantes auprès de l’industrie électronique dont la capacité des circuits électroniques et de leurs microprocesseurs croît de façon explosive en suivant la loi de Moore. Le nombre croissant de transistors par unité de surface entraîne des échauffements considérables qui sont nuisibles au bon fonctionnement des systèmes et posent des problèmes d’évacuation de la chaleur générée, de façon très localisée, dans les composants électroniques. Afin de maîtriser les flux de chaleur créés, il est indispensable d’utiliser des matériaux nouveaux capables de conduire très rapidement et efficacement, c’est à dire de façon unidirectionnelle, la chaleur vers un puits thermique. Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans cette problématique et proposent l’étude de matériaux, isolants électriques, afin d’éviter des courts circuits dans la fabrication de composants électroniques, mais aussi présentant une conductivité thermique fortement anisotrope afin d’évacuer la chaleur dans une seule direction. Pour cela des matériaux très conducteurs, à l’état monocristallin, sont nécessaires. Pour réaliser des mesures de conductivité thermique dans les meilleures conditions, de tels échantillons, d’excellente qualité et parfaitement homogènes ont été synthétisés. Pour obtenir une telle qualité d’échantillons, la méthode de la zone solvante (TSZM : Travelling Solvent Zone Method) a été utilisée. Cette méthode de croissance cristalline, n’utilisant pas de creuset, permet l’obtention de monocristaux exempts d’impuretés, de plusieurs centimètres de longueur. Les matériaux étudiés dans ce travail sont les cuprates de basse dimensionnalité Sr2CuO3, SrCuO2 et La5Ca9Cu24O41 présentant dans leur structure un arrangement d’ions cuivre Cu2+, de spin ½, sous forme de chaînes linéaires ou d’échelles, présentant un caractère 1D marqué. Leur conductivité thermique, dans la direction 1D, est décrite par la somme de deux contributions, l’une, phononique et, l’autre, d’origine magnétique, liée aux spins des ions cuivre. Pour obtenir une meilleure compréhension des différents mécanismes d’interaction en compétition, l’influence de la pureté de ces composés ainsi que celle du dopage sur le site des ions Cu2+ sur la conduction thermique d’origine magnétique, a été étudiée. La pureté des échantillons joue un grand rôle, à basse température, sur la conductivité thermique magnétique du fait d’une diminution des interactions spinons-défauts. Par ailleurs, une étude structurale par diffraction des rayons X et de neutrons sur chacun des composés a été réalisée et a mis en évidence la présence de distorsions dans la structure du composé La5Ca9Cu24O41. / Today’s new technologies bring increasing demands to the electronics industry whose capacity of electronic circuits and related microprocessors increases very rapidly, following Moore’s law. The increasing number of transistors per unit area brings about significant heating which may be harmful to the good functioning of the systems and creates problems in the evacuation of the very localized heat generated in the electronic components. In order to control the heat flow which is produced, it is essential to use new materials able to conduct rapidly and efficiently, i. e. unidirectionally, the heat toward a heat sink. The present thesis work deals with the above described issues and presents the study of materials which have to be insulating in order to avoid short circuits in the electronic components and also exhibit a strong anisotropy of the thermal conductivity in order to evacuate the heat exclusively in one direction. Single crystals are therefore required. In order to realize thermal conductivity measurements in the best conditions, perfect homogeneous single crystals of excellent quality were synthesized by the Travelling Solvent Zone Method. This no-crucible crystal growth method allows the synthesis of impurity-free single crystals several cm long. The investigated materials are the low dimensional cuprates Sr2CuO3, SrCuO2 and La5Ca9Cu24O41 exhibiting in their structures an alignment of Cu2+ ions of spin ½ as linear chains or ladders, showing thus a distinct 1D character. Their thermal conductivity in the 1D direction is described as the sum of two contributions, one phononic and the other of magnetic origin. In order to obtain a better understanding of the different competitive interaction mechanisms, the influence on thermal conductivity, of the purity of the compounds and also of doping on the copper site has been investigated. Furthermore, structural refinement was done (X-ray and neutron diffraction) and has permitted to highlight distortions in the La5Ca9Cu24O41 samples