À la lumière du changement climatique et de l'épuisement des réserves de combustibles fossiles, l'innovation dans les technologies énergétiques vertes et durables devient un défi crucial. La fabrication de produits chimiques consomme de grandes quantités d'énergie et est responsable d'une part importante des émissions mondiales de carbone. Dans ce contexte, l'électrosynthèse, alimentée par de l'électricité renouvelable, peut remplacer de nombreux procédés thermochimiques industriels pour générer des carburants, des produits chimiques et des engrais. Plutôt que de nous concentrer sur des domaines qui ont reçu beaucoup d'attention ces dernières années (par exemple, l'électrolyse de l'eau et la réduction du CO2), nous avons exploré les domaines émergents de l'électrosynthèse hétérogène pour lesquels il existe un besoin substantiel. Dans le chapitre 3, nous soulignons l'importance de concevoir des électrocatalyseurs avec des sites actifs bien définis. Nous rapportons l'utilisation de la chimie réticulaire pour concevoir un système de modèle électrocatalytique à base d'organo-métallique conducteur avec des sites actifs moléculaires M-O4 pour l'oxydation électrochimique du 5-hydroxyméthylfurfural (HMFOR). L'activité des MOF portant des sites actifs Ni-O4 (Ni-CAT) et Co-O4 (Co-CAT) a été analysée avec des techniques spectroscopiques électrochimiques et operando pour élucider le mécanisme de réaction se produisant à la surface. Les expériences électrochimiques révèlent que le Co-CAT a un potentiel d'apparition plus précoce pour activer le HMFOR, par rapport à la plupart des catalyseurs établis, tandis que le Ni-CAT présente une cinétique plus rapide pour la conversion du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) en acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA) . Nous avons déterminé que Ni-CAT atteignait des rendements de FDCA (notre molécule cible) de 98,7 %. L'efficacité faradique peut atteindre 86,8% d'efficacité faradique. La spectroscopie infrarouge indique le HMF avec un groupe aldéhyde lié à la surface comme intermédiaire clé dans le cycle catalytique, qui se forme une fois que l'oxydation M (II \ III) se produit. Ce travail illustre l'avantage d'utiliser des sites actifs moléculairement définis couplés à la spectroscopie operando pour fournir des informations fondamentales sur une variété de réactions électrosynthétiques et ouvrir la voie à la conception future de catalyseurs. Suite à ce projet, nous nous sommes tournés vers l'utilisation d'un réacteur à membrane sélective pour l'hydrogène afin d'explorer de nouveaux concepts de réaction et de catalyseurs. La clé ici était d'utiliser une feuille de Pd comme matériau qui réduisait les protons en *H dans un compartiment aqueux et transférait l'hydrogène dans un compartiment organique où il hydrogénait le réactif de choix. À l'aide d'un réacteur à membrane, nous avons pu séparer physiquement la réduction électrochimique de l'hydrogène et la chimie de l'hydrogénation d'une manière qui contournait l'utilisation du gaz H2 qui serait autrement nécessaire. Nous choisissons comme point de départ un produit chimique produit industriellement en excès, l'acétonitrile. Le réacteur à membrane Pd est appliqué pour hydrogéner complètement la liaison C≡N de l'acétonitrile. Avec succès, nous avons obtenu de l'ammoniac et de l'acétaldéhyde comme produits de réaction à un potentiel de début record de 0,4 V vs Ag/AgCl. Enfin, en concevant soigneusement une cellule spectroélectrochimique unique, nous avons pu effectuer des mesures spectroscopiques infrarouges pour visualiser le processus de réaction dans la membrane Pd et par conséquent proposé un mécanisme unique de réaction d'hydrolyse de l'imine (Chapitre 4). Dans le chapitre 5, nous choisissons d'innover dans un domaine émergent : la formation de liaisons électrochimiques C-N à partir de réactifs de petites molécules (par exemple CO2, NH3). Le mécanisme conventionnel de formation de liaisons électrochimiques C-N est basé sur le CO2RR électrochimique. Dans ce chapitre, nous proposons une stratégie orthogonale pour activer simultanément le CO2 et les N-réactifs en appliquant respectivement des impulsions de potentiel négatives et positives. Les nanoparticules de Cu sont utilisées comme catalyseur modèle, le CO2 agit comme réactif C et le NH3 agit comme réactif N pour le couplage C-N. Dans des conditions optimisées dans lesquelles la couverture *NH2 est maintenue à l'état stable tandis que Cu reste métallique, l'électrolyse pulsée augmente à la fois le taux de formation et la sélectivité des produits C-N urée, formamide et acétamide de 3 à 20 fois. En étendant le champ d'application à des réactifs C et N supplémentaires, ainsi qu'au couplage C-S, cette nouvelle approche démontre davantage sa valeur générale en électrosynthèse. / In light of climate change and depleting fossil fuel reserves, innovating green and sustainable energy technologies becomes a critical challenge. Chemical manufacturing consumes large amounts of energy and is responsible for a substantial portion of global carbon emissions. Against this backdrop, electrosynthesis, powered by renewable electricity, can replace many industrial thermochemical processes to generate fuels, chemicals, and fertilizers. Rather than focusing on areas that have received much attention in recent years (e.g. water electrolysis and CO2 reduction), we explored emerging areas within heterogeneous electrosynthesis for which there is a substantial need. In chapter 3, we highlight the importance of designing electrocatalysts with well defined active sites. We report the use of reticular chemistry to design a conductive metal organic framework-based electrocatalytic model system with molecular M-O4 active sites for electrochemical oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMFOR). The activity of MOFs bearing Ni-O4 (Ni-CAT) and Co-O4 (Co-CAT) active sites were analyzed with electrochemical and operando spectroscopic techniques to elucidate the reaction mechanism occurring on the surface. Electrochemical experiments reveal that Co-CAT has an earlier onset potential for enabling HMFOR, relative to most established catalysts, while the Ni-CAT shows faster kinetics for the conversion of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA). We determined that Ni-CAT achieved FDCA (our target molecule) yields of 98.7% yield. The faradic efficiency can reach out to 86.8% faradic efficiency. Infrared spectroscopy points to HMF with a surface-bound aldehyde group as the key intermediate in the catalytic cycle, which forms once the M(II\III) oxidation occurs. This work illustrates the advantage of utilizing molecularly defined active sites coupled with operando spectroscopy to provide fundamental insights into a variety of electrosynthetic reactions and pave the way for future catalyst design. Following this project, we turned to the use of a hydrogen-selective membrane reactor to explore more new reaction and catalysts concepts. The key here was using a Pd foil as a material that reduced protons to *H at an aqueous compartment and transferred the hydrogen through to an organic compartment where it hydrogenated the reactant of choice. Using a membrane reactor, we could physically separate electrochemical hydrogen reduction and hydrogenation chemistry in a manner that circumvented the use of H2 gas as would otherwise be necessary. We choose a chemical that is industrially produced in excess, acetonitrile, as a starting point. The Pd membrane reactor is applied to fully hydrogenate the C≡N bond of acetonitrile. Successfully, we obtained ammonia and acetaldehyde as reaction products at a record onset potential of 0.4 V vs Ag/AgCl. Finally, by carefully designing a unique spectroelectrochemical cell, we were able to carry out infrared spectroscopic measurements to visualize the reaction process in Pd-membrane and consequently proposed a unique imine-hydrolysis reaction mechanism (Chapter 4). In Chapter 5, we choose to innovate in an emerging area: electrochemical C-N bond formation from small molecule reactants (e.g. CO2, NH3). The conventional electrochemical C-N bond formation mechanism is based on electrochemical CO2RR. In this chapter, we propose an orthogonal strategy to simultaneously activate CO2 and N-reactants by applying negative and positive potential pulses, respectively. Cu nanoparticles are used as a model catalyst, CO2 acts as the C-reactant, and NH3 acts as the N-reactant for C-N coupling. Under optimized conditions in which *NH2 coverage is maintained at steady state while Cu remains metallic, pulsed electrolysis increases both the rate of formation and the selectivity of the C-N products urea, formamide and acetamide by 3-20 times. By extending the scope to additional C- and N-reactants, as well as C-S coupling, this new approach further demonstrates its general value in electrosynthesis.

Les nanoparticules métalliques (MNPs) appliquées en catalyse représentent un domaine attractif en raison de leurs propriétés physiques et chimiques intéressantes. D'autre part, l'ajout d'un autre métal au métal hôte (ici nanoparticules bimétalliques, BMNPs) peut modifier les propriétés électroniques (transfert de charge, hybridation d'orbitales, etc.) et/ou géométriques (alliage, coeurcoquille, hétérodimères, etc.), ce qui peut conduire à améliorer le comportement catalytique, voire envisager une nouvelle réactivité. Le glycérol, quant à lui, possède une structure supramoléculaire complexe qui favorise l'immobilisation des MNPs, et évite leur agglomération, et donc facilite le recyclage de la phase catalytique. Des nanoparticules de Cu(0) (CuNPs) immobilisées dans du glycérol ont été synthétisées en présence de poly(vinylpyrrolidone) (PVP) comme stabilisant sous pression d'hydrogène. Les CuNPs dispersées dans le glycérol se sont avérées être un catalyseur robuste pour diverses réactions : formation de liaison C-N, synthèse d'amines propargyliques di- (via couplage croisé déshydrogénant), tri- (via un couplage aldéhyde-amine-alcyne A3) et tétra-substituées (via un couplage cétone-amine-alcyne KA2) ainsi que pour la synthèse d'hétérocycles: indolizines, benzofuranes et quinolines, par des procédés tandem de cycloisomérisation-couplage A3 en utilisant des benzaldéhydes ortho-fonctionnalisés. La phase catalytique de glycérol peut être recyclée plus de cinq fois (formation de liaisons C-N et pour le couplage A3), sans détecter de traces significatives de cuivre dans les produits organiques extraits. Des nanoparticules bimétalliques de palladium-cuivre (PdCuNPs) immobilisées dans le glycérol ont été synthétisées par des méthodes de co-réduction. Selon les différents rapports métalliques, les PdCuNPs peuvent être considérées comme des petits coeurs de Pd enrobés par du Cu (Pd/Cu = 1/1), des alliages aléatoires (Pd/Cu = 1/2) ou un mélange de nanoparticules monométalliques (Pd/Cu = 2/1). Par une voie de synthèse séquentielle, nous obtenons un mélange de nanoparticules monométalliques. La structure des PdCuNPs a également été confirmée par la réactivité observée pour l'hydrogénation des alcynes, montrant Pd1Cu1 et Pd1Cu2 comme structures bimétalliques. Ainsi, ces catalyseurs ont permis d'ajuster la sélectivité des alcènes. En outre, l'influence de Pd incorporé dans le Cu a également été étudiée dans la cycloaddition d'un azidure avec un alcyne (CuAAC). Plus intéressant, des nanoparticules bimétalliques Pd1Cu1 dans le glycérol, agissant comme système catalytique multitâche, ont été utilisées pour les réactions "onepot", notamment la réaction CuAAC et les réactions de couplage croisé C-C (Sonogashira, Suzuki- Miyaura et Heck) (catalysées au Pd). Grâce à des cinétiques différentes entre les réactions CuAAC et couplages C-C, ces procédés tandem ont permis d'obtenir les produits en rendements élevés. De plus, l'hydroaminométhylation d'oléfines catalysée par des complexes de Rh pour synthétiser les amines peut se dérouler dans le glycérol et a montré de meilleures réactivités que dans les solvants organiques. Ces résultats positifs permettent de concevoir un nouveau système biphasique dans le but de recycler la phase catalytique. / Metal nanoparticles (MNPs) applied in catalysis represent an attractive field due to their interesting physical and chemical properties. Besides, the addition of another metal to the host metal in the same entity (bimetallic nanoparticles, BMNPs) can trigger changes in electronic properties (charge transfer, orbital hybridization, etc.) and/or geometric features (alloy, core-shell, heterodimers, etc.), inducing modifications in their catalytic behavior, in terms of activity, selectivity, robustness, or even leading to new reactivity. Concerning the solvent, glycerol, showing a complex supramolecular structure, favors the dispersion of metal nanoparticles, avoiding their agglomeration and then facilitating the recycling of catalytic phase. Small and spherical zero-valent copper nanoparticles (CuNPs) immobilized in glycerol were synthesized using poly(vinylpyrrolidone) (PVP) as stabilizer under hydrogen pressure. CuNPs dispersed in glycerol proved to be a robust and versatile catalyst for a diversity of C-N bond formation reactions, synthesis of di- (via cross-dehydrogenative coupling), tri- (via aldehydeamine- alkyne A3 coupling) and tetra-substituted propargylic amines (via ketone-amine-alkyne KA2 coupling) as well as different types of heterocycles, in particular indolizines, benzofurans and quinolines, by tandem A3-cycloisomerization processes using ortho-functionalized benzaldehydes as substrates. Interestingly, the catalytic glycerol phase could be recycled more than five times in C-N bond formation and A3 coupling reactions, preserving their reactivity, without detecting a significant copper content in the extracted organic products. Bimetallic palladium-copper nanoparticles (PdCuNPs) dispersed in glycerol were prepared by co-reduction methodology. Depending on the different metal ratios used, Pd nanoparticles coated by Cu (Pd/Cu = 1/1), random alloy (Pd/Cu = 1/2) or mainly mixture of monometallic nanoparticles (Pd/Cu = 2/1) were obtained. By a sequential way of synthesis, a mixture of monometallic nanoparticles was mainly observed. In terms of reactivity, the effect of one metal to other one, on catalytic activity and selectivity was evaluated. The structure of the different PdCuNPs was also confirmed by the observed reactivity in the selective formation of alkenes by hydrogenation of alkynes, proving that Pd1Cu1 and Pd1Cu2 correspond to bimetallic structures. Besides, the influence of Pd incorporated into Cu on azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) was also studied. Interestingly, Pd1Cu1 in glycerol were applied in one-pot processes acting as multitask catalytic system, involving CuAAC and Pd-catalyzed C-C cross couplings (Sonogashira, Suzuki-Miyaura and Heck). Thanks to the different rates between CuAAC and C-C couplings, these tandem processes permitted to obtain the desired products in high yields. Furthermore, Rh-catalyzed hydroaminomethylation of olefins, in order to synthesize amines, could be carried out in glycerol, generally showing a better reactivity compared to common organic solvents. These preliminary encouraging results permit to plan the design of a new biphasic system, including the recycling of the catalytic phase.

Au cours de ce travail de nouvelles méthodes pour la formation de liaison C-N ont été développées. Dans la première partie de cette thèse une application de catalyse métal-ligand bifonctionnelle pour la réaction énantiosélective aza-Michael est démontrée. Dans la deuxième partie nous présentons le travail sur les cyclisations, en utilisant des alcaloïdes du quinquina facilement disponibles, comme catalyseurs des plus prometteurs, fournissant des β-amino-acides d’indoline avec jusqu'à 98% ee. Parmi eux, l’hydroquinidine ressort du lot comme étant le catalyseur donnant le meilleur excès énatiomérique. La troisième partie est liée à l'élaboration d'un nouveau processus intermoléculaires de diamination de styrènes, diènes et triènes, utilisant des bis-sulfonylimides comme source d'azote, en combinaison avec le diacétate de iodosobenzène, qui fournit une approche intéressante et efficace de diamines vicinales biologiquement et chimiquement important. La réaction peut être effectuée à température ambiante sans avoir besoin de protection par atmosphère inerte. / The concept of metal-ligand bifunctionality was successfully applied for an enantioselective aza-Michael reaction by employing well-defined ruthenium amido complexes. The catalyst was optimised and the corresponding chiral indoline β-amino acid derivatives were obtained with high enantioselectivities. Next, a straightforward enantioselective bifunctional organocatalytic approach was also developed. Employing hydroquinidine as catalyst the corresponding cyclic products were obtained in excellent enantioselectivities and quantitative yields. These compounds can be selectively deprotected and applied to peptide synthesis. Finally, we have developed unprecedented diamination reactions of styrenes, butadienes and hexatrienes employing easily accessible hypervalent iodine(III) reagents under robust reaction conditions. The first examples of the metal-free 1,2-diamination of butadienes were demonstrated and this oxidation methodology was further extended to the highly attractive 1,4 installation of two nitrogen atoms within a single step.