Le travail de cette thèse concerne le développement d'un spectromètre de résonance paramagnétique électronique haute fréquence en mode continu (RPE-HF en mode continu) existant au laboratoire pour l'utiliser en mode pulsé. Cette thèse est divisée en deux parties : la première, technique, décrit les essais entrepris pour développer un spectromètre RPE-HF opérant a 285GHz en mode pulsé ; la seconde, expérimentale, a permis d'appliquer cet outil pour l'étude de molécules aimants (SMMs) et de monocouches de graphite (graphène). La partie dédiée au développement donne une description détaillée du spectromètre RPE-HF : le pont « quasi-optique » déjà existant est utilisé pour la propagation des micro-ondes (MW) et le signal RPE est enregistré par le détecteur superhétérodyne optimisé pour une fréquence de 283.2GHz, utilisé en remplacement du bolomètre valable uniquement pour des mesures multifréquences en mode continu. La conception et la construction d'un résonateur Fabry-Pérot (FP), nécessaire pour augmenter la puissance d'excitation MW, sont aussi décrites en détail ainsi que le porte-échantillon tournant nouvellement développé pour l'étude des monocristaux. Ces deux nouveaux systèmes ont ensuite été utilisés avec succès dans la partie expérimentale de cette thèse (deux chapitres). D'abord, une étude complète de molécules-aimants de tétrafer(III) a été réalisée. Après une étude sur poudre, celle sur monocristal réalisée avec le porte-échantillon tournant a permis d'obtenir des paramètres plus précis pour l'anisotropie magnétique des complexes, ce qui est nécessaire pour mieux comprendre les processus de relaxation. Le second chapitre expérimental est dédié au graphène (cristal 2D). Dans ce chapitre, la haute performance de la cavité Fabry-Pérot a permis la mise en évidence de graphène de qualité exceptionnelle caractérisé par une mobilité des porteurs de charge dépassant 10^7 cm^2/(V.s).

Les symbioses bactérie-légumineuse (nodulation) et champignon-plante (mycorhization) présentent un intérêt agrobiologique et écologique majeur ; elles permettent aux plantes de croître naturellement sur un sol aride et peu fertile. Il a été démontré très récemment que les signaux impliqués dans la mise en place de la symbiose endomycorhizienne à arbuscule (facteurs "Myc") sont très proches de ceux de la nodulation. Il s'agit de molécules appartenant à la famille des lipo-chitooligosaccharides. Afin de réaliser la synthèse de ces molécules, deux nouvelles méthodologies ont été développées. L'ouverture oxydante d'acétals de 4,6-O-benzylidène de plusieurs glycopyranosides (en série gluco, galacto et manno) par le diméthyldioxirane (DMDO) a été étudiée. Le contrôle de la régiosélectivité a été effectué grâce au groupement protecteur introduit sur la fonction alcool de la position 3. La formation directe de β-glycosides de la N-acétyl-D-glucosamine par catalyse au triflate de fer (III) a été étudiée. La réaction a été menée sous irradiation micro-ondes ou en flux continu (système minifluidique Vapourtec®). Une nouvelle stratégie pour la synthèse du facteur [Myc-IV (C16:0, S)] a ensuite été établie. Nous avons utilisé un réactif peu toxique et non odorant pour introduire le motif thio nécessaire à la formation de deux liaisons glycosidiques. Le disaccharide précurseur de l'unité réductrice a été obtenu grâce à la première méthodologie développée au cours de cette thèse.

Dans le but d’élucider la chimie de coordination et la structure des complexes formés avec des ligands organiques de la famille des sidérochélates, des études physico-chimiques sur la complexation du fer(III), de certains lanthanides(III) (La3+, Nd3+, Sm3+, Eu3+, Gd3+, Ho3+, Lu3+) et de l’uranium(VI) ont été effectuées. La connaissance des propriétés de complexation sidérophore-actinide est une étape essentielle pour appréhender le comportement à long terme d'un sol contaminé par des radioéléments. Trois acides dihydroxamiques synthétisés au laboratoire ((LCyEt)2–, (LCyPr)2– et (LO)2–) mimant un sidérophore d’origine fongique, l’acide rhodotorulique, ont été évalués pour la chélation du fer(III) par des titrages potentiométriques éventuellement couplés à une détection spectrophotométrique en milieu KNO3 0,1 M. Ces mesures ont permis de confirmer la présence de complexes di- et trileptiques dans les conditions d’excès du ligand. Le modèle chimique comprend au total cinq espèces de formule [Fem(L)lHh](3–2l+h)+ : [Fe(L)]+, [Fe(L)(OH)], [Fe(L)(OH)2]–, [Fe(L)2H] et [Fe2(L)3]. Le traitement numérique des données spectrophotométriques collectées dans le visible nous a conduit à proposer le spectre électronique pour chacune des espèces identifiées. En outre, la spectroscopie de masse par ionisation électrospray (ESI-MS) a confirmé la formation des espèces mono- ([Fe(L)]+) et dileptiques ([Fe(L)2H]). L’étude potentiométrique du ligand dihydroxamique abiotique (LCyPr)2– en présence de sept lanthanides trivalents a permis de proposer un modèle chimique comprenant cinq espèces mono- et dileptiques ([Ln(LCyPr)]+, [Ln(LCyPr)H]2+, [Ln(LCyPr)2]−, [Ln(LCyPr)2H]) et une espèce monohydroxylée [Ln(LCyPr)OH] en milieu KNO3 0,1 M. Par ailleurs, les mesures potentiométriques et spectrophotométriques pour le système UO22+/(LCyPr)2– suggèrent la formation à l’équilibre de cinq complexes d’uranium(VI) entre p[H] 2 et 10. Le modèle comprend les complexes mono- et dileptiques suivants : [UO2(LCyPr)], [UO2(LCyPr)H]+, [UO2(LCyPr)OH]−, [UO2(LCyPr)2]2− et [UO2(LCyPr)2H]−. La combinaison de ces deux techniques nous a permis d’appréhender la spéciation de ce radionucléide en milieu KNO3 0,1 M et de proposer des schémas de coordination pour les différentes espèces mises en évidence / With the aim of elucidating the coordination chemistry and the structure of the complexes formed with organic ligands belonging to the family of siderochelates, physico-chemical studies of the complexation of iron(III), some lanthanides(III) (La3+, Nd3+, Sm3+, Eu3+, Gd3+, Ho3+, Lu3+) and uranium(VI) have been performed. The knowledge of the properties of actinide-siderophore complexes is an essential step to assess long-term behavior of soils contaminated by actinides. Three dihydroxamic acids synthesized in our laboratory ((LCyEt)2–, (LCyPr)2– and (LO)2–) mimicking a fungal siderophore, rhodotorulic acid, have been evaluated with respect to iron(III) chelation by potentiometric and spectrophotometric titrations in 0,1 M KNO3. These measurements revealed the formation of di- and trileptic complexes in the presence of an excess of ligand. The chemical model includes five species of [Fem(L)lHh](3–2l+h)+ general formula : [Fe(L)]+, [Fe(L)(OH)], [Fe(L)(OH)2]–, [Fe(L)2H] and [Fe2(L)3]. The numerical treatment of the spectrophotometric data collected in the visible range, led us to propose the electronic absorption spectrum for each of the identified species. Moreover, electrospray ionization mass spectroscopy (ESI-MS) confirmed the formation of the mono- ([FeL]+) and dileptic ([FeL2H]) complexes. The potentiometric study of the abiotic dihydroxamic ligand (LCyPr)2– in the presence of seven trivalent lanthanides allowed us to propose a chemical model which includs five mono- and dileptic species ([Ln(LCyPr)]+, [Ln(LCyPr)H]2+, [Ln(LCyPr)OH], [Ln(LCyPr)2]–, [Ln(LCyPr)2H]) in 0,1 M KNO3. Finally, potentiometric and spectrophotometric measurements for the UO22+/(LCyPr)2– system suggested the formation at equilibrium to five of uranium(VI) complexes between p[H] = 2 and 10. The model includes the mono- and dileptic [UO2(LCyPr)], [UO2(LCyPr)H]+, [UO2(LCyPr)OH]–, [UO2(LCyPr)2]2–, [UO2(LCyPr)2H]– complexes. The combination of both techniques allowed us to assess the speciation of this radionuclide in KNO3 medium and to propose a coordination scheme for each complex

L’accès par voie chimique à des oligosaccharides nécessite souvent le recours à de nombreuses étapes de protection-déprotection. Au cours de ce projet de thèse, une méthodologie pour la protection régiosélective et orthogonale des fonctions alcool de disaccharides dérivant de la biomasse a tout d’abord été développée. Les glycopyranosides protégés ont été préparés par catalyse tandem au FeCl3∙6H2O en réalisant dans le même pot des réactions d’acétalation, d’éthérification réductrice, d’acétylation et/ou d’ouverture réductrice régiosélective d’acétals. Dans un second temps, une stratégie de synthèse flexible, rapide et performante pour accéder à des sulfoglycolipides diacylés et tétraacylés comportant un cœur tréhalose a été mise au point. Ces molécules sont produites par Mycobacterium tuberculosis, l’agent pathogène responsable de la tuberculose, et les sulfoglycolipides diacylés pourraient permettre l’élaboration d’un nouveau vaccin contre cette maladie. Des sulfoglycolipides diacylés et tétraacylés comportant des chaînes monométhylées chirales ont été obtenus. Les précurseurs des acides gras chiraux utilisés au cours de la synthèse ont été analysés par spectroscopie RMN du deutérium en abondance naturelle dans des cristaux liquides chiraux. / The synthesis of oligosaccharides often requires long sequences of protection-deprotection steps. For a rapid access to suitably protected glycopyranosides, we have developed a one-pot regioselective protection strategy based on FeCl3∙6H2O-tandem catalyzed reactions (acetalation, acetylation, reductive etherification, regioselective ring opening of acetal). This procedure was applied to persilylated disaccharides derived from biomass. This methodology allowed the development of a fast, efficient and flexible access to diacylated and tetraacylated sulfoglycolipids based on a trehalose core. These molecules are found in the cell wall of Mycobacterium tuberculosis and the diacylated sulfoglycolipids appear to be promising candidates for the development of a new tuberculosis vaccine. Synthetics diacylated and tetraacylated sulfoglycolipids bearing chiral monomethylated fatty chains were produced. The chiral fatty-acid precursors, used in the procedure, were synthetized and analyzed by NMR spectroscopy of natural abundance deuterium in chiral liquid crystals.

Ce travail de thèse a pour but la synthèse de solides constitués de nanoparticules d'oxyde de fer de taille contrôlée, dispersées et en interaction forte avec des supports mésoporeux. L'originalité du travail consiste en un choix judicieux de précurseurs de fer : des complexes de type chélate. Via une dégradation thermique contrôlée, ils libèrent la phase active sous forme d'oxyde et la déposent sur les parois internes à forte courbure de la silice SBA-15 avec un degré de dispersion optimal. Ce phénomène de confinement, désigné "effet de panier", conduit après calcination à des particules de Fe2O3, dont la taille est régie par la géométrie des chélates. Dans le cas des composites Fe/Al2O3, le fer est très dispersé (plages d'oxyde mixte (Fe,Al)2O3) et fortement stabilisé grâce à une bonne interaction acide-base avec le support. Ces composites sont d'excellents catalyseurs pour l'oxydation du phénol par H2O2 en milieu aqueux, puisque l'élution de l'espèce active est très limitée (<2%).

Les différents rejets aqueux de types industriel, artisanal et/ou hospitalier, contiennent différents contaminants organiques ou inorganiques qu’il convient d’éliminer. Selon le type de l’industrie et de l’utilisation, ces rejets auront besoin de subir un ou plusieurs traitements. Il existe de nombreuses méthodes de traitement des eaux adaptées à chaque pollution et à chaque usage. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’utilisation d’une méthode peu onéreuse qui met en jeu les ions ferriques, ions ferreux, oxygène moléculaire et la lumière solaire (Fe(III)/Fe(II)/O2/hν) pour induire la transformation de composés organiques appartenant à deux familles de pesticides : les sulfonylurées et les organophosphorés. L’objectif majeur de l’étude consiste à la compréhension du rôle des ions de fer(II) dans le processus photocatalytique largement reporté dans la littérature ainsi que d’identifier les principaux produits formés au cours du processus. L’étude de la dégradation des sulfonylurées par excitation UV du peroxyde a démontré, sans aucune surprise, une réelle efficacité du processus. La réaction met en jeu les radicaux hydroxyles qui ont été clairement mis en évidence et quantifiés sous irradiation continue et par photolyse laser. Le processus dépend de la concentration initiale du substrat, du pH et de la concentration du photoinducteur (H2O2). La présence dans le milieu de la plupart des ions inorganiques conduit à une inhibition partielle de la dégradation. Dans le cas des ions étudiés, l’ordre de la réactivité est SO42- > Cl- > NO3- > CO32- . Cet aspect est très important à considérer lorsqu’il s’agit de traiter des eaux par le procédé UV/H2O2 . Lors de l’étude du comportement photochimique du complexe [Fe(H2O)5(OH)]2+ sous excitation à 365 nm et en simulateur solaire, la principale espèce réactive mise en jeu est le radical hydroxyle. En présence de composés organiques, une dégradation totale a pu être obtenue et ceci même pour de faibles concentrations en complexe de fer(III) (1,0x10-6 mol L-1). Il y a donc une régénération in situ et sous irradiation du fer(III). L’ensemble des expériences entreprises a permis de montrer que la régénération met en jeu non seulement le fer(II) mais également l’oxygène. La présence simultanée du fer(III) à l’état de trace et du fer(II) joue un rôle clé. En effet, l’excitation du fer(III) permet la production d’état excités qui transfèrent l’énergie aux ions de fer(II). Ces derniers états excités de fer(II) réagissent avec l’oxygène moléculaire par un processus de transfert d’électrons pour générer du fer(III) et l’anion superoxyde. La solution se trouve ainsi de plus en plus enrichie en fer(III) au fur et à mesure de l’excitation lumineuse. Sur le plan analytique, nous avons utilisé la technique LC/MS et LC/ESI/MS2 pour appréhender la structure chimique des photoproduits formés par l’étude précise des processus de fragmentation. Parmi toutes les réactions habituelles du radical hydroxyl (hydroxylation du noyau aromatique, scission du pont sulfonylurée et déméthylation), nous avons montré que certaines sulfonylurées conduisent, en milieu légèrement acide, à un processus de scission du squelette triazinique. Une telle réaction a également pu être confirmée par des études théoriques au niveau B3LYP/6-31G (d,p). La présence simultanée d’un groupement methoxy et d’une amine secondaire adjacente au cycle triazine est une condition essentielle pour une telle ouverture. L’ouverture du cycle est une étape importante pour atteindre l’objectif de l’étude qui est d’obtenir la minéralisation des solutions et ainsi le traitement des rejets aqueux de types industriel, artisanal et/ou hospitalier. / Waste waters resulting from industrial and artisanal activities as well as from hospital discharges contain numerous toxic organic and inorganic contaminants that require efficient treatment. In the present work, we employed various combinations of ferric and ferrous ions, oxygen, hydrogen peroxide and sunlight (Fe(III)/Fe(II)/O2/hν) to induce the transformation of two pesticide families: sulfonylureas and organophosphorus. The main objective of the study was devoted to the role of iron(II) species in the whole transformation process and also to the elucidation of the generated byproducts. In a first step, we used the system H2O2/ hν as a preliminary process for the degradation of the pollutant. This allowed a complete and fast removal of sulfonylureas. The reaction mainly involves hydroxyl radicals that were identified and quantified by nanosecond laser photolysis technique. The process highly depends on the initial substrate concentration, pH and the concentration of the photoinductor (H2O2). The presence of inorganic ions that could be present in waste waters was shown to inhibit the degradation, in the following decreasing order: SO42- > Cl- > NO3- > CO32- . In a second step, the study of the photochemical behavior of the iron(III) aquacomplex, [Fe(H2O)5(OH)]2+, upon light excitation at 365 nm as well as by using a solar simulator also showed the generation of hydroxyl radical together with iron(II) species. A complete elimination of studied pesticides was obtained even at low concentrations of iron(III) complex (1,0x10-6 mol L-1), indicating the high efficiency of the process. To gain insight into the degradation mechanism, the evolution of iron species upon irradiation was investigated in the absence and in the presence of molecular oxygen. The results suggested that a regeneration mechanism of iron(III) occurs through two consecutives steps. First, the excitation of iron(III) in trace concentrations, leads to the formation of iron(II) excited states through energy transfer process followed an electron transfer process that involves molecular oxygen and iron(II) excited state. As a conclusion, the solution becomes more and more enriched by iron(III) via the light excitation and in the presence of oxygen revealing the photocatalytic behavior of [Fe(H2O)5(OH)]2+. Within this work, a special attention was also devoted to the identification of products formed during the above photocatalytic process. This was performed by using liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry LC/ESI/MS2. The close investigation of the fragmentation processes of the generated products, permitted the establishment of precise chemical structures. In addition to the classical degradation of sulfonylureas by hydroxyl radicals (hydroxylation of the aromatic ring, the scission of sulfonylurea bridge and demethylation) a ring opening of the triazine skeleton was also obtained. This was observed under acidic conditions and was clearly confirmed by theoretical studies at the B3LYP / 6-31G (d, p) level. This triazine scission was only obtained with sulfonylures that contain a methoxy group and a secondary amine adjacent to the triazine moiety. Such ring opening constitutes an important and fundamental step when decontamination or/and mineralization of waste waters are concerned.

Les sulfilimines et les sulfoximines sont des motifs structuraux dont l’intérêt synthétique est grandissant, notamment du fait de leurs applications en chimie médicinale et en agrochimie. Les travaux rapportés dans cet ouvrage décrivent le développement de nouvelles méthodes de synthèse efficaces pour la production de ces unités atypiques. Ces méthodes sont basées sur la réactivité d’une source d’azote électrophile, vis-à-vis de thioéthers et de sulfoxydes. L’utilisation d’un complexe métallique introduit en quantité catalytique a permis de favoriser le processus réactionnel. En tirant bénéfice de l’expertise de notre groupe de recherche sur le développement de réactions d’amination stéréosélectives de liaisons C-H et d’aziridination de styrènes, nous avons d’abord étudié la réactivité des N-mésyloxycarbamates comme source d’azote électrophile. Après avoir optimisé sa synthèse sur grande échelle, ce réactif chiral a été utilisé dans des réactions d’amination de thioéthers et de sulfoxydes, catalysées par un dimère de rhodium (II) chiral. Un processus diastéréosélectif efficace a été mis au point, permettant de produire des sulfilimines et des sulfoximines chirales avec d’excellents rendements et sélectivités. Au cours de l’optimisation de cette méthode de synthèse, nous avons pu constater l’effet déterminant de certains additifs sur la réactivité et la sélectivité de la réaction. Une étude mécanistique a été entreprise afin de comprendre leur mode d’action. Il a été observé qu’une base de Lewis telle que le 4-diméthylaminopyridine (DMAP) pouvait se coordiner au dimère de rhodium(II) et modifier ses propriétés structurales et redox. Les résultats que nous avons obtenus suggèrent que l’espèce catalytique active est un dimère de rhodium de valence mixte Rh(II)/Rh(III). Nous avons également découvert que l’incorporation de sels de bispyridinium avait une influence cruciale sur la diastéréosélectivité de la réaction. D’autres expériences sur la nature du groupe partant du réactif N-sulfonyloxycarbamate nous ont permis de postuler qu’une espèce nitrénoïde de rhodium était l’intermédiaire clé du processus d’amination. De plus, l’exploitation des techniques de chimie en débit continu nous a permis de développer une méthode d’amination de thioéthers et de sulfoxydes très performante, en utilisant les azotures comme source d’azote électrophile. Basée sur la décompositon photochimique d’azotures en présence d’un complexe de fer (III) simple et commercialement disponible, nous avons été en mesure de produire des sulfilimines et des sulfoximines avec d’excellents rendements. Le temps de résidence du procédé d’amination a pu être sensiblement réduit par la conception d’un nouveau type de réacteur photochimique capillaire. Ces améliorations techniques ont permis de rendre la synthèse plus productive, ce qui constitue un élément important d’un point de vue industriel. / Sulfilimines and sulfoximines are interesting building blocks that have found many applications both in medicinal chemistry and agrochemistry. During our work, we have developed new efficient methods for the synthesis of these moieties. A catalytic amount of metal complex is used to enhance the reactivity of an electrophilic nitrogen source towards thioethers and sulfoxides. Our group has developed an expertise in the development of stereoselective C-H bond amination and aziridination reactions using chiral N-mesyloxycarbamate as electrophilic amination reagents. The large scale synthesis of the chiral reagent was first investigated. It was then tested in a diastereoselective dirhodium(II)-catalyzed amination of thioethers and sulfoxides, to produce respectively chiral sulfilimines and sulfoximines in excellent yields and selectivities. During the optimization process, we have found that some additives proved instrumental to enhance both the reactivity and the selectivity of the reaction. Mechanistic studies has been carried out to elucidate the exact role of the additives. We have observed that Lewis bases, namely 4-dimethylaminopyridine (DMAP), can coordinate to a rhodium(II) dimer catalyst, modifying its structural and redox properties. These studies suggest that a mixed-valent dirhodium Rh(II)/Rh(III) complex is the catalytically active species in the thioether amination process. Moreover, we have discovered that the use of bispyridinium salts is crucial to enhance the selectivity of the amination reaction. Diastereoselectivities were also influenced by the nature of the leaving group of the N-sulfonyloxycarbamate. Based on the results, we hypothetized a rhodium nitrenoïd species as key intermediate in the amination process. Continuous flow techniques were employed in the development of a very efficient amination process of thioethers and sulfoxides, using azides as electrophilic amination reagents. Based on the photochemical decomposition of azide derivatives with a simple and commercially available iron(III) complex, we were able to produce sulfilimines and sulfoximines in excellent yields. We investigated the design of a new type of capillary photoreactor to further reduce the residence time of the amination process. The technical improvements were pivotal to enhance the efficiency and productivity of the reaction process.

Les symbioses bactérie-légumineuse (nodulation) et champignon-plante (mycorhization) présentent un intérêt agrobiologique et écologique majeur ; elles permettent aux plantes de croître naturellement sur un sol aride et peu fertile. Il a été démontré très récemment que les signaux impliqués dans la mise en place de la symbiose endomycorhizienne à arbuscule (facteurs "Myc") sont très proches de ceux de la nodulation. Il s'agit de molécules appartenant à la famille des lipo-chitooligosaccharides. Afin de réaliser la synthèse de ces molécules, deux nouvelles méthodologies ont été développées. L'ouverture oxydante d'acétals de 4,6-O-benzylidène de plusieurs glycopyranosides (en série gluco, galacto et manno) par le diméthyldioxirane (DMDO) a été étudiée. Le contrôle de la régiosélectivité a été effectué grâce au groupement protecteur introduit sur la fonction alcool de la position 3. La formation directe de β-glycosides de la N-acétyl-D-glucosamine par catalyse au triflate de fer (III) a été étudiée. La réaction a été menée sous irradiation micro-ondes ou en flux continu (système minifluidique Vapourtec®). Une nouvelle stratégie pour la synthèse du facteur [Myc-IV (C16:0, S)] a ensuite été établie. Nous avons utilisé un réactif peu toxique et non odorant pour introduire le motif thio nécessaire à la formation de deux liaisons glycosidiques. Le disaccharide précurseur de l'unité réductrice a été obtenu grâce à la première méthodologie développée au cours de cette thèse. / Arbuscular mycorrhiza (AM) is a root endosymbiosis between plants and fungi. It has an agrobiological interest and a crucial ecological importance because it allows plants to grow on aride and infertile soil. Recently, the structure of the symbiotic signal "Myc factor" was identified as a mixture of lipochitooligosaccharides (LCOs). In order to propose a new synthesis of LCOs, we developed two green methodologies in glycochemistry. We performed the oxidative cleavage of 4,6-O-benzylidene acetals of various glycopyranosides (gluco, manno and galacto series) with dimethyldioxirane (DMDO) and its regioselective control with a suitable protecting group at position 3. We investigated the formation of β-glycoside of N-acetyl-D-glucosamine using catalytic iron (III) triflate. The reaction can be performed using microwave irradiation or, for scale-up synthesis, flow chemistry using Vapourtec® minifluidic system. We establish a new strategy for the total synthesis of the most abundant Myc factor [Myc-IV (C16:0, S)]. We used odorless and few toxic MbpSH reagent to introduce the activated thio residue involved in two glycosylation reactions. The disaccharide acceptor precursor of the reducing end was obtained after oxidative cleavage of the 4,6-O-benzylidene moiety by DMDO.