La liaison hydrogène est une interaction stabilisante très importante, qui est présente dans de nombreux systèmes moléculaires, des petits clusters d'eau à la molécule d'ADN. L'étude du cas de la liaison hydrogène intramoléculaire (LHI) est d'un intérêt particulier en raison du rôle important de ce type d'interaction dans les processus de transfert d'hydrogène interne, dans la photodynamique et la conformation structurelle. La famille des molécules β-dicarbonyles est un système modèle de LHI unique car il possède relativement peu de degrés de liberté et tous les processus mentionnés précédemment sont clairement présents. L'objectif principal de ce travail est d'étudier le lien entre structure isotopique et électronique des molécules β-dicarbonyles, force de la liaison hydrogène intramoléculaire, sélectivité sur le processus de photoisomérisation et couplage du transfert d'hydrogène avec d'autres mouvements de grande amplitude. Les expériences sont complétées par des calculs de chimie quantique. Quatre molécules de la famille des β-dicétones (acétylacétone doublement deutérée, 3-chloroacétylacétone, hexafluoroacétylacétone et trifluoroacétylacétone) et une β-dialdéhyde (2-chloromalonaldéhyde) sont étudiées dans des environnements inertes à basse température par spectroscopie électronique et vibrationnelle (FT- IR et Raman). Le néon et le para hydrogène ont été utilisés principalement comme matrices hôtes permettant une analyse spectroscopique claire. Les β-dicarbonyles se présentent sous deux formes tautomères: le céto et l'énol, mais ce dernier prédomine en grande partie en phase gazeuse, et par conséquent, dans les échantillons déposés étudiés. Huit différents conformères énoliques peuvent exister, mais celui avec LHI (énol chélaté) est le plus stable. Ces conformères peuvent être divisés en quatre paires dans lesquelles chaque couple partage la même structure squelettique et ne diffère que dans la conformation hydroxyle. Le conformère énolique fermé a toujours été trouvé comme l´espèce la plus stable dans nos expériences. L'influence de l'environnement et de la force de la liaison hydrogène sur des variables spectroscopiques comme la largeur de bande, l'intensité et le déplacement spectral sont discutées. On a également trouvé des preuves expérimentales du processus de conversion de spin nucléaire dans la forme énolique fermée de l'acétylacétone doublement deutérée en matrice de para-hydrogène. Différents conformères énoliques ouverts ont été produits dans chaque système après excitation par laser UV. Les conformères énoliques ouverts présentent des ordres d'énergie différents pour chaque analogue halogéné en raison de l'existence d'interactions non covalentes spécifiques, comme le révèlent les calculs théoriques. Néanmoins, dans tous les cas, les conformères produits sont les conformères les plus stables de leurs paires énoliques. Ceci est expliqué par un processus régit par passage tunnel de l'hydrogène hydroxylique, comme observé expérimentalement dans les isotopologues deutérés. A partir des résultats expérimentaux, nous avons proposé un mécanisme général pour expliquer la photo-isomérisation dans ces systèmes. Par ailleurs, la technique des gouttelettes d'hélium a également été utilisée pour avoir accès à des informations spectroscopiques précieuses (spectres ro-vibrationnels) sur des complexes fortement ou faiblement liés en milieu inerte. Le rôle de l'eau comme espèce donneur ou accepteur de protons dans un complexe peut facilement être modifié par un déséquilibre des forces d'interaction en jeu. Les résultats préliminaires sur le système à liaison hydrogène intermoléculaire propyne-eau dans des gouttelettes d'hélium sont présentés. / The hydrogen bond interaction is an important stabilizing interaction present in many kinds of molecular systems, from small water clusters to the big DNA molecule. The study of the specific case of the intramolecular hydrogen bond (IHB) is of special interest because of the important role of this kind of interaction in internal hydrogen transfer processes, photodynamic behavior and structural conformation. The β-dicarbonyl family of molecules is a unique model system with relatively small amount of degrees of freedom and where all the processes just mentioned are clearly present. The main aim of this work is to study the link between the isotopic and electronic structure of β-dicarbonyl molecules (model IHB system) with the strength of intramolecular hydrogen bond, selectivity on the photoisomerization process and coupling of hydrogen transfer with other large amplitude motions. Experiments are supported with quantum chemical calculations. Four molecules from the β-diketone family (double deuterated acetylacetone, 3-chloroacetylacetone, hexafluoroacetylacetone and trifluoroacetylacetone) and one from the β-dialdehyde (2-chloromalonaldehyde) are studied in low temperature inert environments by means of electronic and vibrational spectroscopy (FT-IR and Raman). Neon and para-hydrogen were mainly used as host matrices allowing clear spectroscopic analysis. The β-dicarbonyl molecules can be present in two tautomeric forms: keto and enol, but the latter largely predominates in the gas phase, and as a consequence, in the deposited isolated samples. Eight different enol conformers can exist, but the one with intramolecular hydrogen bond (chelated enol) is the most stable. The enol conformers can be divided in four pairs in which each couple shares the same skeletal structure and differs only in the hydroxyl conformation.In the deposited sample of all the molecules under study, the closed enolic conformer was found as the most stable species. The influence of the environment and the hydrogen bond strength on spectroscopic variables like bandwidth, intensity and frequency position are discussed. Experimental evidence of Nuclear Spin Conversion process in para-hydrogen matrix of the closed enol form of double deuterated acetylacetone was also found. Different open enol conformers were produced in each system after UV laser excitation. The open enol conformers show different energy ordering for each halogenated analog because of the existence of specific non covalent interactions, as revealed by theoretical calculations. Nevertheless, in all cases, the produced conformers are the most stable conformers of their enolic pairs. This is explained by a tunneling driven process in the hydroxyl hydrogen, as observed experimentally in deuterated isotopologues. From the experimental results we proposed a general mechanism to explain the photoisomerization in these systems. On the other hand, helium droplets technique was also used to allow recording valuable spectroscopic information (ro-vibrational spectrum) about strong and weak complexes in inert media. The role of water as donor or acceptor proton species in a complex can easily change by an imbalance of the interaction forces at play. Preliminary results about the intermolecular hydrogen bonded system propyne-water in helium droplets are presented.

Au cours de la dernière décennie, quelques (rares) exemples de copolymères à blocs présentant des liens supramoléculaires entre les blocs constitutifs ont été décrits. En raison du caractère réversible de l’association des blocs macromoléculaires, de tels polymères sont d’un grand intérêt pour le développement de matériaux nanostructurés, ayant des propriétés auto-cicatrisantes ou à processabilité améliorée. L’objectif principal de cette thèse est d’élaborer de nouvelles architectures supramoléculaires, en combinant la polymérisation RAFT et l’association spécifique par liaisons H des groupements thymine et diaminopyridine. La stratégie employée a consisté dans un premier temps en la synthèse d’agents de transfert et d’un amorceur radicalaire fonctionnalisés par des unités complémentaires thymine et diaminopyridine. Ces précurseurs ont permis de générer, par polymérisation RAFT, des polymères α- ou α,ω-fonctionnalisés de manière quantitative par ces motifs à liaisons H. L’auto-assemblage des blocs polymères ainsi obtenus a été mis en évidence par RMN 1H, AFM et par des mesures rhéologiques. Cette démarche a été adaptée dans un second temps à l’élaboration de copolymères greffés supramoléculaires hydrophiles, basés sur le complexe d’inclusion β-cyclodextrine/adamantane. / Over the past decade, some (rare) examples of block copolymers with supramolecular links between the building blocks have been described. Because the association between macromolecular blocks is a reversible process, such polymers are of great interest in the field of nanostructured materials, self-healing materials, or processing aid. The main goal of this work is to develop new supramolecular architectures, by a combination of RAFT polymerization and H-bonding. In a first step, several chain transfer agents and a radical initiator possessing complementary thymine or diaminopyridine H-bonding moeties were synthesized. These precursors were used to generate a panel of polymers α- or α,ω-functionalized with these H-bonding stickers in a quantitative manner. The self-assembly of the resulting polymer blocks was highlighted by 1H NMR, AFM and rheological measurements. This approach was subsequently adapted to the development of hydrophilic supramolecular comb-shaped polymers, based on the β-cyclodextrin/adamantane host/guest complexation.

Ce travail décrit la synthèse et l’étude conformationnelle de nouveaux oligomères mixtes. Dans le premier chapitre, en exploitant des travaux antérieurs concernant la synthèse des N-aminodipeptides, nous avons obtenu des oligomères mixtes, alternant des liens amides et N-aminoamides nommés [[allpha]/[alpha]-N-amino]mères. L’oligomérisation des N-aminopeptides en phase liquide est réalisable grâce à un couplage au fluorure d’acide à partir d’une unité de base possédant les protections Boc (extrémité N-terminale), Bn (extrémité C-terminale) et phtaloyle (azote latéral). Le deuxième chapitre présente les résultats obtenus par différentes méthodes spectroscopiques (RMN, IR et DC) et modélisation moléculaire sur les différents oligomères synthétisés dans le chapitre 1. Ces travaux ont permis de mettre en évidence un repliement répétitif original par une liaison hydrogène de type C8 impliquant un groupement carbonyle du phtalimide et un proton amidique / This work describes the synthesis and the conformational study of new mixed oligomers. In the first chapter, using previous work on the synthesis of N-aminodipeptids, we were obtained mixed oligomers alternating amid and N-aminoamid bond named [[alpha]/[alpha]-N-amino]mers. The oligomerization of N-aminopeptids in liquid phase was achieved through an acid fluorid coupling from a building block with the protections Boc (N-terminus), Bn (C-terminus) and phtaloyl (N-side). The second chapter presents the results obtained by different conformational spectroscopic methods (NMR, IR and DC) and molecular modeling on the various oligomers synthesized in Chapter 1. This work has allowed to highlight a original repetitive folding by a C8 hydrogen bond involving the carbonyl group of phthalimid and a amid proton

Dans ce manuscrit est décrite l'utilisation d'interactions supramoléculaires pour diriger l'auto-assemblage de composés donneurs et accepteurs d'électrons au sein de dispositifs photovoltaïques organiques. Dans ce but, des matériaux de type oligo-3-hexylthiophène et fullerène ont été fonctionnalisés avec des groupements de reconnaissance complémentaires mélamine – acide barbiturique. La présence de élements solubilisants confère à ces composés une bonne mise en oeuvre permettant la fabrication de dispositifs photovoltaïques à hétérojonction volumique. L'effet de la composition et du post-traitement de la couche active sur la performance de ces dispositifs ont été explorés. Les études de mobilité de charge et des mécanismes de recombinaison au sein de ces matériaux indiquent que l'équilibre entre auto-association et séparation de phases est crucial pour l'efficacité en conversion photovoltaïque. / This research aims to elucidate the use of supramolecular interaction to guide the formation of well-defined nanoscale self-assembled architecture in photovoltaic solar cells as a means to improve device efficiency. Complementary molecular recognition sites based on melamine and barbituric acid were used to obtain functionalized fullerene and oligothiophene materials with superior processibility thanks to the presence of specific solubilizing groups. The efficiency of solid-state devices fabricated using the bulk heterojunction design was studied with respect to device morphology and composition. Experiments on recombination mechanism and field effect mobilities suggest that the balance between hydrogen-bonding interactions induce self-assembly and p-p interactions to promote phase segregation is crucial to the micro-structure of the active layer. The investigated of the relationship between the oligothiophene chain size and various complementary hydrogen-bonding motifs is envisaged.

L'eau diffère des autres solvants grâce au rôle particulier de la liaison hydrogène. Plus particulièrement, les études présentées dans ce manuscrit illustrent la persistance de la liaison hydrogène dans les solutions aqueuses supercritiques, en particulier entre 647 et 773 K et 22,1 et 40 MPa. Une étude vibrationnelle par spectroscopie Raman optique sur des mélanges d'eau et d'eau deutérée permet d'observer d'une part des vibrateurs majoritaires dont la fréquence est celle de la molécule isolée, et d'autre part la signature de vibrateurs minoritaires toujours reliés par liaison hydrogène aux autres molécules. Notre étude par diffusion X aux petits angles sur de l'eau et de l'eau additionnée d'ions (notamment LiBr et CsBr) montre que ces liaisons hydrogène devraient être présentes dans des zones de densité de type liquide, zones dont la taille et le contraste augmentent avec la présence des ions et le numéro atomique du cation. Ces ions restent solvatés à l'intérieur des zones de haute densité, grâce à des valeurs "locales" plus fortes de la permittivité diélectrique, ce que nous avons démontré grâce à une étude par spectroscopie d'absorption X du complexe ZnBr2 dans des solvants de polarité fixe, mais de permittivité diélectrique variable (eau, méthanol et acétate d'éthyle). Ce manuscrit se termine par une perspective scientifique et technique concernant des mesures de l'eau au seuil K de l'oxygène par diffusion Raman inélastique X à haute température et haute pression.

Le dioxyde de carbone supercritique (SF-CO2) a été choisi afin d'étudier l'extraction en milieu supercritique d'ions métalliques tels que le césium et l'uranium. Un intérêt particulier a été porté au rôle de l'eau lors de ces extractions ainsi qu'à son interaction avec des agents chélateurs (AC). En première partie, les éthers couronne ont été choisis comme AC du césium et leur interaction avec l'eau a été étudiée dans le SF-CO2 en utilisant la spectroscopie InfraRouge à Transformée de Fourier (IR-TF). La configuration sandwich entre deux éthers couronne et une molécule d'eau a été observée dans le SF-CO2. Pour les configurations simple et pontée, l'équilibre a été défini et l'enthalpie de formation de la liaison hydrogène a été calculée. Ces résultats ont ensuite été comparés à ceux obtenus dans des mélanges de CHCl3 et de CCl4 en utilisant la spectroscopie à Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Pour conclure cette première partie, le rôle de l'eau a été étudié lors de l'extraction du picrate de césium par le DCH18C6 et les constantes d'équilibre ont été calculées. Dans une deuxième partie, l'extraction de l'uranium a été étudiée dans le SF-CO2. Des complexes de Phosphate de TriButyle (TBP), d'eau et d'acide nitrique ont été utilisés comme AC et oxydants. L'IR-TF a été utilisée pour étudier l'interaction entre le TBP et l'eau dans le SF-CO2. Ces résultats ont été comparés à ceux trouvés dans le CHCl3 en utilisant la RMN. Cette même spectroscopie a été utilisée pour comprendre les interactions entre l'acide nitrique, le TBP et l'eau, seuls puis dissous dans du CHCl3. La formation de microgouttelettes d'acide et d'eau dues à l'effet anti-solvant a été observée et quantifiée. Pour conclure ce travail de thèse j'ai réussi à optimiser l'extraction et la récupération d'uranium enrichi provenant de cendres d'incinération de déchets de fabrication de combustible nucléaire. Un complexe de TBP, d'eau et d'acide nitrique dissous dans du SF-CO2 a été utilisé à cette fin.

La chiralité joue un rôle très important dans la chimie du vivant. En effet, la plupart des molécules biologiques sont chirales. La discrimination chirale met en jeu des interactions spécifiques à travers la formation de paires de contact diastéréoisomères en phase condensée. Le sujet de ce travail de thèse est d'étudier ces interactions énantiosélectives à l'échelle moléculaire, en étudiant en phase gazeuse des complexes chiraux formés en jet supersonique. Le principe de l'expérience repose sur la complexation d'une forme énantiomère pure d'un chromophore avec les deux énantiomères d'un solvant chiral. Les diastéréoisomères ainsi formés possèdent deux structures différentes. Cette différence de structure se manifeste par deux signatures spectroscopiques différentes. La combinaison de la spectroscopie laser (électronique et vibrationnelle) et des calculs théoriques permet d'étudier les interactions responsables de la discrimination chirale. Ce travail de thèse consiste en l'étude de la discrimination chirale de deux énantiomères du Méthyl-lactate, en utilisant trois chromophores chiraux différents : le (±)-cis-1-amino-indan-2-ol ; le Méthyl-mandélate et le S(-) 1,2,3,4-tetrahydro-3-isoquinoléine méthanol. Ces trois systèmes nous ont permis d'étudier le rôle dans la discrimination chirale de trois facteurs importants qui sont : la formation des multiples liaisons hydrogène, les forces dispersives et l'isomérie conformationnelle.

La conception et la préparation de réseaux moléculaires organiques et hybrides à l'état cristallin ont été envisagées par un processus itératif d'auto-assemblage entre des briques de construction moléculaires préprogrammées et complémentaires appelées tectons. Cette approche est basée sur la reconnaissance moléculaire de modules dicationiques, donneurs de liaisons hydrogène, et d'unités anioniques, accepteurs de liaisons hydrogène. Ainsi, la combinaison des tectons moléculaires de la famille des bis-benzimidazoliums, intrinsèquement luminescents, avec des anions polycyanométallates conduit à la formation de réseaux moléculaires hybrides luminescents à l'état cristallin. Il a été procédé à l'étude des propriétés photophysiques de ces réseaux à l'état solide. De même, l'association de bis-amidiniums,briques dicationiques, à des anions de type azodibenzoates mène à des assemblages cristallins possédant la propriété de photo-commutation, c'est-à-dire conduisant à une isomérisation sous stimulus lumineux.

Dans cette thèse, nous étudions la stabilité et les propriétés des glaces d’eau de haute pression (entre 5 et 300 GPa) et de haute température (entre 300 et 2000 K) comportant ou non des inclusions de NaCl dans leur structure cristalline. Pour attendre ces conditions propres aux intérieurs des exoplanètes océans, nous utilisons une approche théorique basée sur des dynamiques moléculaires ab initio. Nous montrons que l’analyse de la dynamique des liaisons entre hydrogènes et oxygènes permet de distinguer toutes les phases de la glace présentant une structure cubique volume-centrée. En particulier, nous présentons la première description ab initio de la phase plastique, et nous mettons en évidence la présence de multiples transitions dans la phase superionique. Ensuite, nous montrons que jusqu’à 5.9 % en masse de NaCl peuvent être inclus dans la structure de la glace à 1600 K. L’inclusion des ions Na+ et Cl- stimule le désordre orientationel des molécules d’eau par rapport à la glace d’eau pure. À partir de 2.5 % en masse de NaCl, la conduction superionique s’étend à l’ensemble de la gamme de pression étudiée, et la symétrisation des liaisons hydrogènes se produit à plus haute pression. Enfin, nous décrivons les structures de cœur des dislocations vis ayant des vecteurs de Burgers <110> et <111> dans la glace X à 80 GPa, ce qui constitue une étape préliminaire importante à la construction de lois rhéologiques pour les glaces cubiques de haute pression. / In this thesis we study the stability and the properties of pure and NaCl-bearing dense water ices at high pressure (between 5 and 300 GPa) and high temperature (between 300 and 2000 K). To reach these conditions that correspond to the interiors of ocean exoplanets, we employ a theoretical approach based on ab initio molecular dynamics simulations. We show that a detailed analysis of the hydrogen bond dynamics allows to distinguish all the different ice phases presenting a body-centered cubic sub-lattice of oxygen atoms. In particular, we present the first ab initio description of the plastic phase of water ice. We also reveal the multiple transitions that occur in the superionic domain. Next, we show that ice VII' can incorporate up to 5.9 wt% NaCl in its structure at 1600 K. The inclusion of Na+ and Cl- ions enhances the orientation disorder of the water molecules in comparison to the pure ice. From 2.5 wt% NaCl, superionic conduction expands over the entire pressure range studied, and the hydrogen symmetrisation is shifted towards higher pressures. Last, we describe the <110> and <111> screw dislocation core structures of ice X at 80 GPa. This constitutes a first step towards the construction rheological laws for high-pressure cubic ices.

Les alpha oléfines linéaires courtes sont des molécules de base en pétrochimie donc le marché est en constante augmentation notamment pour les oléfines légères (butène-1, hexène-1, octène-1). Ces oléfines, utilisées massivement dans l’industrie des plastiques, sont produites par la réaction catalytique d’oligomerisation de l’éthylène. IFPEN a contribué à développer plusieurs procédés homogènes d’oligomérisation de l’éthylène (AlphaButol, AlphaHexol, AlphaSelect) à base des complexes de titane, chrome ou zirconium. A travers une collaboration avec l’Université d’Amsterdam de nouvelles stratégies de développement de ligands ont été entreprises afin de rendre les catalyseurs à base de nickel sélectifs pour cette transformation. Ainsi, une approche supramoléculaire basée sur des interactions par liaison hydrogène, jusqu’alors décrite pour les métaux nobles, a été développée et appliquée aux complexes de nickel. Des complexes organométalliques originaux ont pu être générés et les interactions supramoléculaires ont été caractérisées par diffraction aux rayons X notamment. Ces complexes se présentent sous forme zwitterionique et sont formés par la combinaison de deux ligands simples donneurs et/ou accepteurs d’hydrogène. Ces complexes se sont avérés très actifs vis-à-vis de l’éthylène et ne nécessite pas l’ajout d’activateur du fait de la présence d’une liaison nickel-carbone réactive. Ils ont permis d’accéder à des sélectivités très importantes en butène-1. Appuyé par des expériences in situ et l’évaluation en catalyse de plusieurs complexes aux propriétés électroniques et stériques variées, cette approche a permis d’identifier l’espèce active et de mesurer l’impact de plusieurs descripteurs permettant de moduler la sélectivité et l’activité de la réaction catalytique en profondeur. / The demand for short linear alpha olefins is constantly increasing and motivates the development of robust and selective catalysts. In this thesis, several libraries of phosphorus ligands with the capacity to form dissymmetric or supramolecular assemblies were synthesized. The variability observed within the aminophosphine libraries, clearly reflected by the various tautomeric equilibrium of the ligand, was also observed in the nickel complexes as a single ligand could generate several complexes with different structures. Sulphonyliminobisphosphine were then introduced as a new class of ligands. These precursors rearrange in the presence of nickel to generate diphosphinamine nickel complexes. Activated by MAO, these complexes are active in the reaction of ethylene oligomerisation and produce short chain olefins. A new approach that forms stable supramolecular nickel complexes was developed by combining two phosphorus ligands with Ni(0). These complexes stabilised by hydrogen bonding are directly active in the reaction of ethylene oligomerisation with some catalysts leading to high selectivity to 1-butene (up to 84%). To understand the origin of that selectivity, the scope of complexes was extended to ligands with different steric and electronic properties. Their evaluation in the reaction of ethylene oligomerisation evidenced a relation between the catalyst structure and the selectivity of the reaction. Mechanistic studies, under an ethylene atmosphere, reveals that cationic complexes rearrange to neutral complexes, which are likely, the active species.