Density Functional Theory (DFT) is a powerful tool for treating large organometallic structures efficiently and accurately. DFT calculations on the Hg-catalyzed oxidation of methane to methyl bisulfate in sulfuric acid suggest the lowest energy pathway involves a closed-shell electrophilic C–H activation mechanism coupled with metal alkyl reductive functionalization and oxidation by SO3. Comparison to Tl, Zn, and Cd suggests that Hg is unique in its ability to catalyze this set of reaction steps. Comparison to K2S2O8 highlights the selectivity of this C–H activation reaction as opposed to radical conditions. In contrast, DFT calculations indicate that CoIII(TFA)3 oxidizes methane through a radical TFA ligand decarboxylation pathway. A similar decarboxylation pathway is identified for MnIII(TFA)3, but the low spin ground state of TlIII(TFA)3 favors electrophilic C–H activation over this decarboxylation pathway. DFT calculations indicate that Cp(PPh2Me)Co=CF2 undergoes [2 + 2] cycloaddition with TFE by a unique open-shell singlet diradical mechanism. The significant stability of the perfluorometallacyclobutane reveals why catalytic metathesis with TFE is difficult.

La conductivité électronique de l'éméraldine sel dépend des conditions de sa synthèse (solvant et dopant utilisés) et de son traitement après synthèse. L'objectif principal de cette thèse est de démontrer et d'interpréter les corrélations entre l'environnement et les propriétés de la forme conductrice de la polyaniline. Dans la partie théorique, nous avons examiné l'influence des différents dopants et solvants sur la structure et les propriétés de la polyaniline. Pour atteindre cet objectif, un large dispositif de méthodes de chimie quantique a été testé et une méthode appropriée a été choisie. Dans la partie expérimentale nous avons utilisé une nouvelle approche pour accéder aux propriétés intrinsèques de la polyaniline i.e. sans utiliser ni solvants ni dopants autres que ceux utilisés lors de la synthèse. Les calculs montrent que la description théorique de la polyaniline dépend fortement du choix de la méthode. La modélisation de l'effet de la polarité du solvant grâce à l'utilisation de la méthode PMC semble être cruciale pour une description fiable de l'interaction polyaniline-dopant. Les résultats obtenus démontrent pour la première fois que les interactions, de la polyaniline avec les dopants dépendent de la nature chimique du solvant et pas du dopant lui-même. De plus, nous avons montré que la stabilité de la forme polaronique (conductrice) augmente avec l'augmentation de la polarité du solvant. Ces conclusions correspondent parfaitement à nos résultats expérimentaux qui montrent le rôle crucial du solvant (et pas des dopants) sur les propriétés de la polyaniline. / The electric conductivity of the emeraldine salt depends on the conditions of its synthesis (solvents and dopants) and post-synthetic treatment. The main objective of the present thesis is to demonstrate and interpret the correlations between the environment and the properties of the conductive form of polyaniline. In order to achieve this goal a new theoretical approach is developed with reference to the experimental data. In the theoretical section, we examine the influence of different dopants and solvents on the structure and properties of polyaniline. To achieve this, a variety of quantum chemistry methods is tested and a proper method is chosen. In the experimental part we use a new method for tuning of the intrinsic polyaniline properties without using solvents or dopants other than those employed in the synthesis. The calculations show that the theoretical description of polyaniline depends strongly on the choice of the method. Modeling the effect of solvent polarity (in this case by the PCM method) seems to be crucial for the reliable description of the interaction polianiline-dopant. The obtained results demonstrate for the first time that interaction of polyaniline with dopants depends on the chemical nature of the solvent and not on the dopant itself. In addition, the stability of the polaronic form (conducting) grows with the increase of solvent polarity. These findings correspond well to our experimental results that show the crucial role of the solvent (and not of the dopants) for the properties of polyaniline.

The current energy and environmental scenario in the world demands acute attention on sustainable repurposing of waste CO2 to high value hydrocarbons that not only addresses the CO2 mitigation problem, but also provides pathways for a closed loop synthetic carbon cycle. Difference in the scales of global CO2 emissions (about 40 Gtpa, 2017) and the carbon capture and sequestration (CCS) facilities (estimated cumulative 40 Mtpa, 2018) provokes active research on this topic. Solar thermochemical (STC) and visible light photocatalysis are two of the most promising routes that have garnered attention for this purpose. While STC has the advantages of high CO2 conversion rates, it operates at high temperatures (more than 1000 °C) limiting its industrial implementation. Photocatalysis, on the contrary, is plagued by the poor quantum efficiency and conversion rates, although its exhibits the benefits of low temperature operation. Thus, any significant progress towards low temperature STC and visible light photocatalytic CO2 reduction is a giant leap towards a greener and sustainable energy solution. This dissertation is an effort towards improving both the STC and photocatalytic CO2 reduction. Reverse water gas shift - chemical looping (RWGS-CL) is a modified STC approach that has the potential for low temperature CO2 conversion. RWGS-CL process uses mixed metal oxides like perovskite oxides (ABO3) for the conversion to CO, a potential feedstock for subsequent hydrocarbon production. Generation of oxygen vacancy defects on these perovskite oxides is a key step of RWGS-CL and thus, oxygen vacancy formation energy has been found to be a key descriptor for this process. Using density functional theory based calculations, this intrinsic material property has been used towards rational design of better catalysts. Highest rate of CO2 conversion at the low temperatures of 450 °C was demonstrated by earth abundant perovskite oxide via RWGS-CL. This low temperature and stable CO2 conversion process enables thermal integration with subsequent Fischer Tropsch processes for the hydrogenation of CO to hydrocarbons. Parallel to the developments on materials discovery, another crucial parameter that deserves attention is the surface termination effects of the perovskite oxides. Hence, the site specificity of the bulk and surface oxygen vacancies have been probed in detail towards elucidating the CO2 conversion performance over these materials. In the view of recent progress on the growth of selective crystal facets and terminations, this study opens new avenues for enhanced CO2 conversion performance not only through bulk composition variation, but also via exposing desired crystal facets. Type-II semiconductor heterojunctions (staggered type) are promising candidates for efficient photocatalytic reactions, not only because of their capabilities of electronic density of states tuning, but also their ability to segregate the excited electrons and holes into different materials thereby restricting exciton recombination. Metal oxynitride heterojunctions have recently demonstrated promising activity on visible light water splitting. Elucidating the structure-function relationships for these materials can pave the way towards designing better CO2 conversion photocatalysts. This dissertation focuses on unravelling the roles of material composition, anion vacancy defects and lattice strain towards modulating the electronic density of states of lateral and vertical heterojunctions of (ZnO)X(AlN)1-X and (ZnO)X(GaN)1-X. The heterojunctions consist of periodic potential wells that allows for restricting interlayer charge transport. Increased ZnO concentration was explicitly shown to decrease the band gap due to N 2p and Zn-3d repulsion. Biaxial and vertical compressive strain effected increased band gap while tensile strain reduced the same. Oxygen vacancies was found to have different effect on the electronic state of the materials. When present in charged state (+2), it promotes mid gap state formation, while in neutral state it revealed increased electronic densities near the valence band and conduction band edges. These fundamental site specific material property tuning insights are essential for designing better photocatalysts for future.

This dissertation delves into the catalytic activity of multiple metal-containing complexes with an emphasis on the activation of C–H bonds in small molecules and olefin oligomerization. The research contained in these works employs computational methodologies to better understand the thermodynamics and kinetics of the reactions. Computations can be used to quickly identify novel models and find ideal substitutions for improved catalyst design. Within this dissertation, multiple molecules of divalent and trivalent main group element-containing complexes as well as Group 13 dimetallene complexes were investigated with density functional theory (DFT) to identify their ability to activate C–H of hydrocarbons, including methane, by quantifying their thermodynamics and kinetics of reaction. With several substitutions to the base complex, improved catalysts were designed to decrease the energy barriers of the activations. Multiconfiguration self-consistent field methods were also employed to characterize the biradical character of these Group 13 compounds. Olefin oligomerization by zirconium boratabenzenes with various ancillary pendant groups was also investigated via DFT to identify the most ideal variations as well as the most likely reaction pathway.

L'utilisation des combustibles fossiles (énergies non renouvelables) est responsable de l'augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Parmi les solutions de remplacement envisagées, l'hydrogène apparaît comme le vecteur énergétique le plus séduisant. Son stockage dans des intermétalliques permet d'obtenir des capacités massiques et volumiques (e.g. 140 g/L) supérieures à celles obtenues en voie liquide ou sous pression (respectivement 71 et 40 g/L). Nous avons élaboré des composés à base de Mg et de terres rares (e.g. Y, Ce et Gd) dérivant des phases de Laves cubiques AB2. Leurs propriétés physico-chimiques ont été étudiées (hydruration, électrochimie, magnétisme, ...). Les conditions de sorption (P et T) se sont révélées particulièrement favorables (i.e. absorption à température ambiante et pression atmosphérique). Par ailleurs, afin d'améliorer la cinétique de sorption du magnésium métallique, les composés précédemment élaborés ont été utilisés comme catalyseurs. Ainsi, GdMgNi4 a été co-broyé avec du magnésium et les vitesses d'absorption et de désorption du composite sont supérieures à celles obtenues pour les composites Mg+Ni ou Mg+V qui sont des références. Une approche théorique (DFT) a permis de modéliser la structure électronique des composés ternaires (i.e. TRMgNi4) et ainsi de prédire ou de confirmer les résultats expérimentaux.

Le but de ce travail était de réaliser une étude systématique de la structure électronique et magnétique de la famille des manganites semi-dopés du Ca: Ln0.50$Ca0.50MnO3 (Ln = terre rare). Nous avons particulièrement focalisé notre attention sur l'ordre de charge et l'ordre orbital généralement présents à cette composition. Nous avons dérivé un modèle microscopique de structure nucléaire et magnétique à partir de techniques de diffraction neutronique sur les poudres et de calculs ab-initio afin de comparer les résultats expérimentaux et les modèles numériques et comprendre ainsi le rôle de l'inhomogénéité chimique et magnétique dans ces systèmes. La modification de l'état de spin électronique et du métal de transition par le dopage correspond à une modification structurale de la géométrie du polyèdre de coordination des atomes autour du métal de transition. Ceci induit des modifications structurales coopératives observables par diffraction de neutrons. En contraste avec l'ordre induit par le dopage chimique, un désordre chimique intrinsèque est associé à l'élément de dopage sur le site A du perovskite (formule générale ABO3) où sont placés les ions trivalents (RE3+) et bivalents (Ca2+). Ce désordre est dû à la différence de rayon ionique et d'affinité chimique entre ces ions. Afin d'étudier systématiquement l'effet de la substitution au niveau du site A et la relation entre les propriétés structurales (nucléaires et magnétiques) et les propriétés magnétiques macroscopiques, plusieurs échantillons (spécificiés auparavant) ont été synthétisés et caractérisés par des mesures magnétiques macroscopiques. Les résultats de diffraction de neutrons sont une étape fondamentale vers la compréhension de la relation entre les propriétés structurales et macroscopiques et représentent de fait une source de motivation pour l'étude de la structure magnétique et des phénomènes de CO/OO par des simulations ab-initio. Dans la thèse, suite à la description du diagramme de phase des manganites les plus étudiés (La1-xCaxMnO3), leurs propriétés physiques, les concepts de base et les modèles les plus importants tels que l'effet Jahn-Teller, l'interaction de super-échange, le double-échange et le modèle de Zener seront introduits. Une brève introduction à toutes les techniques expérimentales utilisées dans cette étude sera présentée. Les propriétés magnétiques macroscopiques ont été mesurées en fonction de la température á l'aide d'un SQUID qui sera également décrit au cours dans la partie du techniche expérimentaux. La technique microscopique principale utilisée pour cette thèse a été la diffraction neutronique sur poudre. Celle-ci, ansi que les instruments utilisés à l'institut Laue Langevin à Grenoble, D20 et D1A, seront décrits ainsi que la méthode de Rietveld utilisée pour affiner les données expérimentales et en extraire les informations structurales sous-jacentes. Les résultats expérimentaux correspondant à l'étude systématique sur les échantillons de manganites de Ln0.50Ca0.50MnO3 (Ln = P.R., ND, TB, Dy, Ho, TM, Yb et Lu), seront présentés suite à une description de leur préparation par réaction à l'état solide. La susceptibilité magnétique mesurée jusqu'à 530 K présente un pic large à températures élevées correspondant à la températures d'ordre de charge (TCO). A partir de ces résultats, nous définissons la nature des corrélations magnétiques au-dessus et en-dessous de cette température dans le cadre du modèle des polarons de Zener comme proposé par Daoud-Aladine. Nous présenterons également dans ce chapitre les détails de la structure nucléaire et magnétique pour tous les échantillons en fonction de la température. Tous nos échantillons présentent une configuration magnétique de type pseudo-CE à la plus basse température correspondant à un état fondamental de type CE avec un effet de canting. Les déformations dues au dopage et à l'effet du rayon ionique seront également analysées. Nous décrirons les calculs ab-initio realisés à l'aide de la théorie de la DFT pour modéliser la série des Ln0.50Ca0.50MnO3. Les caractéristiques de ces matériaux sont obtenues à partir de la résolution de l'équation de Schrodinger pour les électrons du système. La théorie de la DFT sera présentée ainsi qu'une discussion sur l'interprétation de l'énergie d'échange-corrélation et des approximations nécessaires à son évaluation. A cet effet, le programme VASP, utilisé pour les calculs, sera présenté ainsi que ses différents fichiers d'entrée et de sortie. Les résultats des simulations seront décrits et comparés aux résultats expérimentaux. En effet, ces calculs ont été effectués pour confirmer les résultats expérimentaux mais également pour accéder à d'autres quantités significatives comme la densité d'états électroniques. Les simulations ont été effectuées avec la DFT spin-polarisée, la fonctionnelle d'échange-corrélation GGA-PBE, et, quand nécessaire, avec une correction d'Hubbard dans l'approche GGA+U, pour prendre en considération la corrélation électronique forte dans les manganites. Nous avons choisi comme système deux manganites purs: CaMnO3 et NdMnO3, ayant déjà fait l'objet d'études précédentes (Filippetti and Picozzi), afin de valider notre protocole de simulation. Deux systèmes semi-dopés -- Nd0.5Ca0.5MnO3 et Lu0.5Ca0.5MnO3 -- ont ensuite été considérés. Nous avons choisi ces systèmes pour deux raisons: (i) les composés semi-dopés contenant le La et le Pr ont déjà fait l'objet de travaux antérieurs (Picozzi, Anisimov}, et il nous a donc semblé naturel de poursuivre la série de lanthanide avec le système Nd-Ca; (ii) nous avons choisi les composés de LuCa parce que le Lu, à l'instar de La, est saturé au niveau de ses orbitales 4f et qu'il présente de surcroit le plus petit rayon ionique dans la série de lanthanides.

Le coût et le temps de test élevés des testeurs RadioFréquences (RF) poussent à l'optimisation de test, voir même à des méthodes alternatives de test pour les circuits analogiques-mixtes RF. Jusqu'à présent, le test des circuits RF était effectué par la validation des spécifications fonctionnelles du circuit. Cependant, à cause des contraintes imposées par les fréquences en jeu de plus en plus élevées et par des temps de test les plus réduits possible, la mesure de certaines spécifications fonctionnelles, même sur testeurs dédiés, n'est plus faisable. Il est ainsi nécessaire de développer de nouvelles méthodes de test permettant de répondre à ces besoins. Cette thèse a pour objectif de commencer le développement d'un bouquet des circuits de test sur puce de type BIST (Built-In Self Test) le plus général possible pour les circuits RF afin de supporter l'étape de conception et d'optimiser le test de production. La validation de ces circuits de BIST est orientée défaut. Le développement de la stratégie de validation d'un circuit de BIST se base sur les points suivants : choix des mesures de test avec simulation du circuit sous test ; modélisation des mesures de test et de spécifications du circuit sous test a travers simulations Monte-Carlo ; génération d'une population statistiquement plus représentative a travers la théorie des Copules ; génération d'une liste de fautes qui peuvent se produire dans le circuits sous test ; simulations d'injection de fautes ; analyse des métriques de test telles que le taux de couverture, le taux de circuits défaillants qui passent le test (defect level) et le rejet de circuits fonctionnels par le test (yield loss). Ces travaux ont été menés sur un cas d'étude industriel de type synthétiseur de fréquence, PLL (Phase-Locked Loop), conçu à STMicroelectronics.

The results of kinetic isotope determination and computational studies on Noyori-type catalytic systems for the hydrogenation of ketones are presented. The catalysts examined include RuH2(NHCMe2CMe2NH2)(R-binap) and RuH(NHCMe2CMe2NH2)(PPh3)2. These complexes are active catalysts for ketone hydrogenation in benzene without addition of an external base. The kinetic isotope effect (KIE) for catalysis by RuH2(NHCMe2CMe2NH2)(R-binap) was determined to be 2.0 ± (0.1). The calculated KIE for the model system RuH(NHCH2CH2NH2)(PH3)2 was 1.3, which is smaller than the experimentally observed value but does not include tunneling effects. The complex OsH(NHCMe2CMe2NH2)(PPh3)2 is known to display autocatalytic behaviour when it catalyzes the hydrogenation of acetophenone in benzene. Pseudo first-order reaction conditions are obtained via addition of the product alcohol at the beginning of each kinetic experiment. The KIE determined using various combinations of deuterium-labeled gas, alcohol and ketone was found to be 1.1 ± (0.2). DFT calculations were used to explore the effect of the alcohol and the KIE. An induction period is observed at the start of the hydrogenation that is attributed to the formation of an alkoxide complex. A novel, diamine-orchestrated hydrogen-bonding network is proposed based on DFT calculations to explain how the alkoxide is converted back to the active catalyst. The tetradentate complexes trans-RuHCl[PPh2(ortho-C6H4)CH2NHCH2)]2 and RuHCl[PPh2(ortho-C6H4)CH2NHCMe2)]2 are known to be catalysts for the hydrogenation of acetophenone and benzonitrile in toluene when activated by KOtBu/KH. DFT studies were performed and a mechanism is proposed. The calculated rate limiting step for acetone hydrogenation was found to be heterolytic splitting of dihydrogen, which agrees well with experiment. The novel outer-sphere sequential hydrogenation of a CN triple bond and then a C=N double bond is proposed. A mechanism is proposed, which is supported by DFT studies, to explain the selectivity observed in the nucleophilic attack of amines or aziridines on palladium -prenyl phosphines complexes. Calculations on based on a palladium complex with two phosphorus donor ligands indicated that the observed selectivity would not be produced. Using two new model intermediates with either THF or aziridine substituted for a phosphine ligand trans to the unhindered side of the prenyl ligand did predict the experimentally observed selectivity.

Currently, there are two main methodologies for the calculation of the electronic structure and properties of crystalline solids. Known as the Hartree-Fock Method (HF) and the Density Functional Theory (DFT) methods, they are based on two different theories for the numerical solution of the many electron Schrödinger equation. Unfortunately, in highly correlated electron systems like transition metal complexes, both the HF and DFT methods have severe shortcomings. In some cases they fail to provide the correct description of the electronic structure. <p>In general, the HF method overestimates the energy band gap due to the neglect of electron correlation effects and the incorrect description of electron interactions in the unoccupied orbitals. In contrast, even though electron correlation effects are implicitly included in the density functional, DFT often underestimates the band gap due to the improper treatment of the electron self-interaction. <p> To amend these problems, two approaches have been proposed. The deficiency in the HF scheme can be corrected using a hybrid method which adds exchange correlation energy borrowed from DFT to help reduce the band gap energy and bring the predictions in better agreement with experiment. To improve DFT, the LDA+U approach, which uses a model Hubbard-like Hamiltonian including an on-site repulsion parameter U, can be employed. This method is a convenient semi-quantitative way to efficiently calculate the band gap of insulators and semiconductors.<p> In this thesis, the electronic structure of YTiO₃ under pressure is investigated using the aforementioned approaches. The performance and reliability of these methods will be examined, compared and discussed.

This thesis encloses quantum chemical calculations performed in the framework of density functional response theory for evaluating electron paramagnetic resonance (EPR) spin Hamiltonian parameters of various spin-labels in different environments. These parameters are the well known electronic g-tensor and the nitrogen hyperfine coupling constants, which are extensively explored in this work for various systems. A special attention was devoted to the relationships that form between the structural and spectroscopic properties that can be accounted for as an environmental inuence. Such environmental effects were addressed either within a fully quantum mechanical formalism, involving simplified model structures that still capture the physical properties of the extended system, or by employing a quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) approach. The latter implies that the nitroxide spin label is treated quantum mechanically, while the environment is treated in a classical discrete manner, with appropriate force fields employed for its description. The state-of- the art techniques employed in this work allow for an optimum accounting of the environmental effects that play an important role for the behaviour of EPR properties of nitroxides spin labels. One achievement presented in this thesis includes the first theoretical con_rmation of an empirical assumption that is usually made for inter-molecular distance measurement experiments in deoxyribonucleic acid (DNA), involving pulsed electron-electron double resonance (PELDOR) and site-directed spin labeling (SDSL) techniques. This refers to the fact that the EPR parameters of the spin-labels are not affected by their interaction with the nucleobases from which DNA is constituted. Another important result presented deals with the inuence of a supramolecular complex on the EPR properties of an encapsulated nitroxide spin-label. The enclusion complex affects the hydrogen bonding topology that forms around the R2NO moiety of the nitroxide. This, on the other hand has a major impact on its structure which further on governs the magnitude of the spectroscopic properties. The projects and results presented in this thesis offer an example of successful usage of modern quantum chemistry techniques for the investigation of EPR parameters of spin-labels in complex systems. / <p>QC 20130318</p>