Os métodos computacionais da química quântica foram empregados para estudar as estruturas moleculares e as energias de interação de cátions e ânions que são componentes de alguns líquidos iônicos funcionalizados, derivados do imidazólio. O estudo teve como objetivo comparar e relacionar os efeitos da presença de funcionalização nos substituintes das posições 1 e 3 do cátion imidazólio, nas propriedades desses líquidos iônicos. Essa funcionalização pode ocorrer pela presença de insaturações, grupos aromáticos, éteres, álcoois, tióis, aminas, nitrilas entre outros grupos nas cadeias dos substituintes. Nesta tese são reportados os estudos dos complexos formados por ânions tetrafluorborato e cátions imidazólio substituídos por grupos metila, etila, propila, butila, isobutila, vinila, propargila, alila, crotila e metalila, observando assim o efeito da presença de substituintes contendo cadeias insaturadas em comparação com os de cadeias saturadas nas estruturas, distribuições de carga, energias de interação e propriedades físico-químicas desses sistemas. Nesses sistemas foram observados intensos efeitos de polarização e transferência de carga ânion-cátion. Foram encontradas diversas relações entre volumes iônicos, energias de interação dos íons e as propriedades de transporte dos respectivos líquidos iônicos. / The methods of computational quantum chemistry have been used to study the molecular structures and the interaction energies of cations and anions which are components of some functionalized ionic liquids derived from imidazolium. The objective of this study is comparing and relating the effects of the presence of functionalization of the side chains of the imidazolium with the properties of these ionic liquids. This functionalization can occur by the presence of unsaturated side chains, aromatic groups, ether, alcohols, thiols, amines, nitriles among other groups in the side chains. In this thesis are reported the studies of the complexes formed of tetrafluorborate anions and imidazolium cations with side chains methyl, ethyl, propyl, butyl, isobutyl, vinyl, propargyl, allyl, crotyl and methallyl, thus observing the effects of the presence of unsaturated side chains compared to saturated ones on the structures, charge distributions, interaction energies and physicochemical properties of these systems. It was observed in these systems strong effects of polarization and anion-cation charge transfer. It was found several relations between ionic volumes, interation energies of the ions and the transport properties of the respective ionic liquids.

Aqueous solutions of sodium acetate, NaCH₃CO₂, and acetic acid, CH₃COOH, were studied using Raman and infrared spectroscopy. The spectra were recorded over a large concentration range, in the terahertz region and up to 4000 cmˉ¹. In the isotropic Raman spectrum in R-format, a polarized band at 189 cmˉ¹ was assigned to the υ₁Na–O stretch of the hydrated Na⁺-ion and a shoulder at 245 cmˉ¹ to the restricted translation band, υsO–H⋯O* of the hydrated acetate ion, CH₃CO₂ˉ(aq). The CH₃CO₂ˉ(aq) and the hydrated acetic acid, CH₃COOH(aq), possess pseudo Cs symmetry. Geometrical parameters for the species in the gas phase and for CH₃CO₂ˉ(aq) and CH₃COOH(aq) are reported. Characteristic bands for CH₃CO2ˉ(aq) and CH₃COOH(aq) were assigned under the guidance of the DFT vibrational frequency calculations and discussed in detail. In aqueous NaCH₃CO₂ solutions, at high concentrations, no contact ion pairs could be detected, but instead solvent separated ion pairs were found. In LiCH₃CO₂(aq), however, contact ion pairs are formed which is indicated by the appearance of a shoulder at 939 cmˉ¹ and the shift of the symmetric stretching mode of the –CO₂ˉ group to higher wavenumbers.

Le développement de nouvelles méthodologies énantiosélectives organocatalysées est au centre des projets de cette thèse. Nous avons plus particulièrement considéré le potentiel de "paires d'ions coopératifs" chirales possédant une partie ammonium dérivée des alcaloïdes de quinquina et une partie anionique à caractère nucléophile permettant d'activer un réactif. Dans un premier temps, nous avons employé un amidure d'ammonium chiral (généré in situ par réaction entre un amide N-silylé et un phénolate de quininium) comme base de Brønsted délivrée en quantité catalytiques en deux réactions distinctes. Initialement, cette stratégie nous a permis de mettre au point un procédé de désymétrisation de cétones prochirales par déprotonation éniantosélective. Bien que les excès énantiométriques obtenus restent modestes, notre approche constitue la première version organocatalysée. Puis, nous avons pu développer avec succès une nouvelle réaction d'aldolisation directe vinylogue énantiosélective de (5H)-furan-2-ones avec de bons rendements et diastérosélectivités anti et des excès énantiométriques allant jusqu'à 94 %. Dans un second temps, nous avons décrit deux nouveaux cycles catalytiques de protonation énantiosélective d'énolates masqués. Tout d'abord, l'utilisation d'hydrogénocarbonate de potassium et d'une amine chirale a conduit à l'obtention de cétones énantioenrichies α-substituées avec des excès énantiométriques allant jusqu'à 93 % à partir des trifluoacétates d'énols correspondants. Puis, les propriétés de base de Lewis de nos phénolates d'ammoniums quaternaires chiraux ont été valorisés lors de la protonation énantiosélectives d'éthers d'énols silylés en présence de phénols. / This work deals with the development of new asymetric organocatalyzed methodologies. More particularly we were focused on using "cooperative chiral ion pairs" having an ammonium moiety derived from cinchona alkaloids and an anionic moiety with nucleophilic properties able to activate a reagent.Firstly, we used an in situ generated chiral ammonium amide (from the combination of an aminosilane and a quininium aryloxide) as a Brønsted base in two distinct reactions. Initially, this strategy was applied to an organocatalyzed desymmetrization of prochiral ketones by enantioselective deprotonation. Despite modest enantiometric excesses, this report constitutes the first example of an enantioselective orgonacatalyc approach. Then, an anti-selective direct vinylogous asymmetric aldol reaction of (5H)-furan-2-ones was achieved in good yields and enantioselectivities up to 94%.Secondly, we described two new catalytic cycles for the enantioselective protonation of latent enolates. By means of cinchona alkaloids and hydrogenocarbonates, enantioenriched α-substituted ketones were obtained with good enantiometric excesses up to 93% starting from the corresponding enol trifluoacetates. Finally, the nucleophilic properties of our ammonium phenoxide catalysts prompted us to develop an enantioselective protonation reaction of silyl enol ethers in the presence of phenol as achiral proton source.

La synthèse de molécules possédant une cavité présente un grand intérêt car ces dernières peuvent agir comme récepteurs moléculaires ou comme catalyseurs supramoléculaires et ainsi mimer l'activité des enzymes. Les hémicryptophanes possèdent ainsi des cavités dissymétriques complexes formées à partir d'une unité cyclotrivératrylène et d'une seconde unité de symétrie C3 et présentent des propriétés catalytiques et de reconnaissance particulièrement intéressantes.Les travaux effectués au cours de cette thèse reposent donc sur la synthèse de nouveaux hémicryptophanes et sur leur utilisation pour la reconnaissance moléculaire de composés biologiquement actifs et pour la catalyse supramoléculaire. A ce titre, différentes voies de synthèse ont été abordées et ont permis d'obtenir un panel de nouveaux récepteurs. Ces composés ont alors été appliqués dans un premier temps à la reconnaissance sélective de paires d'ions et de neurotransmetteurs zwitterioniques puis à la reconnaissance stéréosélective de sucres. Les propriétés complexantes de ces composés ont principalement été étudiées par spectroscopie RMN et à l'aide de calculs quantiques. Enfin, la synthèse de complexes supramoléculaires cuivre-hémicryptophane nous a permis de développer l'utilisation de ces composés pour la catalyse biomimétique d'oxydation des alcanes. / Molecular containers are very attractive as they can act as molecular receptors or supramolecular catalysts and so mimic biological entities such as enzymes. Hemicryptophanes are heteroditopic host molecules created from the association of a cyclotriveratrylene unit with another C3-symmetric moiety and which present interesting catalytic and recognition properties. During this thesis, we based our work on the synthesis of new hemicryptophanes and their application, first in molecular recognition of bioactive molecules and then in supramolecular catalysis. Different synthetic paths have been developed to obtain several new receptors. Their binding abilities have then been studied in selective recognition of ion pairs and neurotransmitters and in stereoselective recognition of carbohydrates. These works have been performed mainly thanks to NMR spectroscopy and quantum calculations. Finally, copper-hemicryptophane complexes have been synthesized and used as supramolecular catalysts in C-H oxidation of alkanes.

Die Reaktionspfade und Reaktionsdynamik photoinduzierter bimolekularer Ladungstransferreaktionen werden mit Hilfe der ultraschnellen polarisationsabhängigen UV-Pump/IR-Probe-Spektroskopie charakterisiert. Allgemein akzeptierte Modelle zur Beschreibung von bimolekularen Elektrontranserreaktionen nehmen an, dass Ladungstrennung in polaren Lösungsmitteln zu zwei Arten von Ionenpaaren führt, den lockeren (LIPs) und den engen Ionenpaaren (TIPs). TIPs und LIPs können durch die Beobachtung von Schwingungsmoden spektroskopisch unterschieden werden. Allerdings deuten die multiplen Zeitskalen sowohl für die Bildung von TIPs als auch LIPs darauf hin, dass eine Unterscheidung in zwei Arten von Ionenpaaren mit definierter Geometrie eine erhebliche Vereinfachung ist. TIPs und LIPs sind vielmehr als Grenzfälle zu betrachten, zwischen derer eine kontinuierliche Verteilung verschiedener Ionenpaare existiert. Die Natur der Ionenpaare wird durch die Verteilung der neutralen Reaktionspaare vor Initiation der Reaktion bestimmt. Außerdem wird gezeigt, dass TIPs höchst anisotrop sind. Die Wichtigkeit der beidseitigen Orientierung der Reaktanten wird dabei offengelegt. Weiterhin wird erstmalig ein femtosekundenspektroskopischer Beweis für die Existenz von Kohlensäure in wäßriger Lösung präsentiert. Eine Photosäure wurde verwendet, um die ultraschnelle Protonierung von Bikarbonat optisch auszulösen. Kohlensäure wurde bisher als Feststoff in Eismatrizen und in der Gasphase detektiert. Da Kohlensäure als Intermediat zwischen Kohlenstoffdioxid und Bikarbonat postuliert wird, ist ihre Charakterisierung von immenser Bedeutung für das Verständnis grundlegender Säure-Base Chemie von Karbonaten in wäßriger Lösung. Die Analyse der zeitabhängigen Signale unter Verwendung eines theoretischen Modells erlaubt die Bestimmung der bimolekularen Reaktionsdynamik. Dies ermöglicht einen Einblick in die Säure-Base Chemie von Kohlensäure. / The reaction pathways and dynamics of photoinduced bimolecular charge transfer reactions are characterised with ultrafast polarisation-sensitive UV-pump/IR-probe-spectroscopy. Generally accepted models for bimolecular electron transfer reactions suppose that charge separation in polar solvents leads to two geminate ion pairs, namely loose (LIPs) and tight ion pairs (TIPs). By monitoring vibrational marker modes TIPs and LIPs can be distinguished spectroscopically. However, multiple time scales for the formation of TIPs and LIPs indicate that a distinction between two kinds of ion pairs with well-defined geometries is a considerable simplification. TIPs and LIPs should rather be regarded as limiting cases, as there is a continuous distribution of different ion pairs between these two limits. The crucial parameter governing the nature of the ion pairs is the distribution of neutral reaction pairs subsequent to initiation of the reaction. Furthermore, TIPs are found to be highly anisotropic, revealing the importance of mutual orientation of the reactants. This thesis also presents for the first time femtosecond infrared spectroscopic results proving the existence of carbonic acid in aqueous solution. A photoacid is used to optically trigger the ultrafast protonation of bicarbonate. Carbonic acid has only been detected as solid existing in ice matrices and in the gas phase, so far. Because carbonic acid is often postulated as intermediate between carbon dioxide and bicarbonate its characterisation is of substantial support in understanding fundamental acid-base chemistry of carbonates in aqueous solution as well as in biophysical situations. Analysing the time-dependent signals using a theoretical model to describe bimolecular reaction dynamics an on-contact proton transfer reaction rate is derived. This gives an insight into the acid-base chemistry of carbonic acid.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la chimie supramoléculaire, domaine s'intéressant à l'étude d'édifices moléculaires liés par des interactions non-covalentes, fréquemment rencontrés dans le monde du vivant. Afin de mieux comprendre les phénomènes de complexation, de nombreux récepteurs moléculaires synthétiques ont été développés depuis ces cinquante dernières années. Dans le cadre de la reconnaissance moléculaire, les calix[6]arènes s'avèrent être des plateformes idéales puisqu'ils sont aisément fonctionnalisables et possèdent une cavité hydrophobe propice à l'inclusion de petites molécules organiques. D'ailleurs de nombreux récepteurs calix[6]aréniques ont déjà été développés et ont été étudiés pour leur aptitude à complexer des molécules neutres, des anions, des paires d'ions ou des ions métalliques. Cependant, ils souffrent de certaines limitations puisqu'ils ne sont pas hydrosolubles et sont difficilement post-fonctionnalisables limitant de ce fait leur applicabilité. Nous nous sommes donc intéressés à la synthèse de récepteurs calix[6]aréniques fonctionnalisés ainsi qu'à l'étude de leurs propriétés réceptrices vis-à-vis d'entités chargées ou de molécules neutres. Les études de ces systèmes ont été réalisées essentiellement par spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).<p>Dans le cadre de ce travail, des récepteurs ditopiques mono- et trisfonctionnalisés de type calix[6]cryptamide ont tout d'abord été développés. Ces récepteurs présentent un motif trenamide qui constitue un second site de reconnaissance, distinct mais proche du premier formé par la cavité calix[6]arénique. Ces récepteurs se sont révélés capables de complexer les molécules neutres polaires ainsi que des entités chargées avec une grande sélectivité en milieu aprotique mais également en présence d'un solvant protique. Le chapeau trenamide étant relativement contraint et bien préorganisé, il assure un fort effet chélate et permet une sélectivité de taille pour l'anion fluorure. La proximité des deux sites de reconnaissance ainsi que la sélectivité pour l'anion fluorure permettent à ces récepteurs de reconnaître des ammoniums sous forme de paires d'ions de contact uniquement avec le fluorure comme partenaire anionique. Les résultats obtenus ont démontré que l'introduction de fonctionnalisations soit au niveau du chapeau trenamide, à proximité du site de reconnaissance, soit au niveau du petit col du calix[6]arène n'inhibait pas les propriétés de complexation de ces récepteurs. Les premiers essais d'introduction de groupes hydrosolubilisants ont alors été réalisés et se sont révélés très prometteurs. En effet, l'introduction de groupements PEG sur un calix[6]cryptamide trisfonctionnalisé a permis de démontrer l'aptitude de ce récepteur à complexer des molécules neutres en milieu aqueux (CD3OD/D2O).<p>Dans un second temps, des récepteurs mono- et trisfonctionnalisés de type calix[6]tren ont été développés. Les études préliminaires réalisées ont permis de mettre en évidence que, comme le calix[6]tren non fonctionnalisé, ces récepteurs étaient capable de complexer de petites molécules organiques lorsqu'ils sont polarisés, soit sous leur forme per-protonnée soit sous la forme d'un complexe métallique (Zn2+ ou Cun+). <p><p>L'ensemble de ces travaux a ainsi permis de valider la stratégie de synthèse visant à introduire des bras fonctionnels sur des récepteurs ditopiques calix[6]aréniques et de démontrer que ces nouveaux récepteurs fonctionnalisés conservaient des propriétés de reconnaissance. Ces travaux permettent donc d'envisager de multiples applications pour ce type de récepteurs.<p>This work falls within the field of supramolecular chemistry, a field concerned with the study of molecular structures linked by non-covalent interactions. Such weak interactions are frequently encountered in the living world and in particular in molecular recognition processes. In order to better understand and exploit these recognition processes, many synthetic molecular receptors have been developed over the last fifty years. In this regard, calix[6]arenes have proved to be ideal platforms because they can be easily functionalized and they possess a hydrophobic cavity suitable for the inclusion of small organic molecules. Hence, many calix[6]arene based receptors have been studied for their ability to complex neutral molecules, anions, ion pairs or metal ions. However, most of these receptors suffer from major limitations that limit their applicability: they are not water soluble and hardly post-functionalizable. In the frame of this thesis, we were therefore interested in the synthesis of functionalized calix[6]arene based receptors and in the study of their host-guest properties toward charged species or neutral molecules. Studies of these host-guest systems have been carried out mainly by Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR).<p><p>First, mono- and trisfunctionalized ditopic receptors based on a calix[6]cryptamide skeleton were synthesized. These receptors possess two binding sites in close proximity: a trenamide subunit and the calix[6]arene cavity. They have proved to be capable of complexing neutral polar molecules as well as charged species with high selectivity in aprotic solvents but also in a protic environment. The trenamide cap being relatively constrained and well pre-organized, it provides a strong chelate effect and allows a selectivity of size for the fluoride anion. Remarkably, the proximity of the two recognition sites allow these receptors to recognize ammonium ions in the form of contact ion pairs but only with a fluoride anion as the partner. The results have shown that the introduction of functionalizations at the trenamide cap or at the narrow rim of the calix[6]arene do not inhibit the complexation properties of these receptors. First attempts in order to introduce water-solubilizing groups have been undertaken and promising results have been obtained. Indeed, the introduction of PEG groups on a trisfunctionalized calix[6]cryptamide has led to a receptor able to complex neutral molecules in an aqueous environment (CD3OD/D2O).<p><p>In a second step, mono- and trisfunctionalized receptors derived from calix[6]tren have been synthesized. Preliminary studies have highlighted that, similarly to the parent calix[6]tren, these receptors are able to complex small organic molecules when they are polarized either in their per-protonated form or in the form of a metal complex (Zn2+ or Cun+).<p><p>All this work validates the synthetic strategy that consists of introducing functional arms on ditopic calix[6]arene based receptors and opens new perspectives for the elaboration and study of molecular receptors in an aqueous environment. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished