Cette thèse porte sur la synthèse de nouveaux complexes binucléaires à ponts cyanures de type {Fe(μ-CN)Co}, qui reproduisent au sein d'une seule molécule les propriétés originales du réseau de coordination d'analogue de bleu de Prusse AxCo[Fe(CN)6]y•nH2O (A=ions alcalins), i.e. un transfert d'électron intramoléculaire thermo- et photo-induit à l'état solide. Au sein de ce travail, nous nous sommes intéressés à l'étude des propriétés physiques des paires moléculaires Fe/Co, avec l’objectif de comprendre les mécanismes du phénomène de transfert d'électrons. Le chapitre I contient les exemples les plus représentatifs des réseaux de coordination d'analogues de bleu de Prusse et de leurs analogues moléculaires Fe/Co, en se concentrant sur les techniques utilisées pour comprendre leurs propriétés photomagnétiques et les stratégies synthétiques employées pour contrôller leur dimensionnalité et obtenir ces analogues moléculaires. Les bases théoriques du transfert d'électron ainsi que la motivation de ce travail sont décrites à la fin du chapitre. Après une introduction sur l’utilisation des briques moléculaires employées au cours de ce travail à travers l’étude de leurs potentiels redox, le chapitre II est consacré à la synthèse et la caractérisation de nouveaux composés dinucléaires à ponts cyanures Fe/Co. Des études structurales, spectroscopiques, magnétiques, photomagnétiques, diélectriques et d’absorption des rayons-X révèlent qu'un transfert d’électron métal-métal peut être déclenché à l'état solide en faisant varier la température et par application de la lumière. Dans le chapitre III est présenté l'influence de l'environnement des complexes binucléaires Fe/Co, à savoir les contre-ions, sur le transfert d’électron thermo- et / ou photo-induit à l'état solide. Enfin le chapitre IV porte sur la possibilité de transférer le phénomène de transfert d'électron des paires Fe/Co étudiées de l'état solide à la solution / This thesis is dedicated to the synthesis of new dinuclear cyanido-bridged Co/Fe complexes, which mimics on a single molecule the original properties of the coordination network of Prussian Blue Analogues AxCo[Fe(CN)6]y•nH2O (A= alkaline ions), i.e. intramolecular thermal and photo-induced electron transfer in the solid state. We focus on the study of the physical properties of the simplest Fe/Co PBA, a dinuclear complex, with the hope to understand the fundamental concepts of this fascinating phenomenon. Chapter I contains the most representative examples of Fe/Co PBAs, focusing on the synthetic strategies employed in order to obtain Fe/Co PBAs of different dimensionalities and the techniques used to understand their photomagnetic properties. The theoretical background of the electron transfer phenomenon and the motivation of our work are described in the end of the chapter. After introducing the choice of the building blocks used in this work through the study of their redox potential properties, chapter II is devoted to the synthesis and the characterization of a novel dinuclear Fe/Co cyanido-bridged complex, which exhibits metal-to-metal electron transfer properties in solid state triggered by temperature and light. The ET phenomenon has been also studied by X-ray absorption spectroscopy and dielectric measurements. In Chapter III is illustrated the influence of the environment content of the dinuclear Fe/Co complexes, such as the counter ions, on the occurrence of the thermally and/or photo-induced electron transfer in solid state, thus highlighting the versatility of these molecular materials. Finally in chapter IV, the possibility of transferring the electron transfer phenomenon of the studied Fe/Co pairs from solid state to solution is investigated.

L’objectif de cette thèse est la synthèse de composés de manganèse et de matériaux hybrides qui soient intéressants du point de vue bioinorganique et magnétique. Pour accomplir ce but, nous avons découpé la stratégie en trois étapes constituant les différents chapitres de ce manuscrit :(a) Synthèse et caractérisation des composés moléculaires de manganèse et l’étude de leurs propriétés magnétiques.Nous avons réussi à obtenir la structure cristalline des vingt-trois nouveaux composés de Mn de différentes nucléarités, d’état d’oxydation II, III ou IV. Nous avons étudié les propriétés magnétiques de ces composés et nous avons établi des corrélations magnéto-structurales. Les composés de MnII ont été aussi étudiés par spectroscopie RPE.(b) Synthèse et caractérisation des matériaux hybrides basés sur des composés moléculaires de manganèse insérés dans de la silice mésoporeuse. Les composés moléculaires sélectionnés ont été insérés dans de la silice mésoporeuse (du type MCM-41). Les complexes de Mn dans les supports ont été caractérisés par ATG, XPS, ICP-OES, spectroscopie IR et mesures magnétiques. (c) Étude des propriétés catalytiques des composés moléculaires et des matériaux hybrides.Une famille de composés moléculaires obtenus dans cette thèse sont des modèles structuraux et fonctionnels de la catalase à Mn, une enzyme présente dans certaines bactéries, ayant des propriétés antioxydantes (H2O2 « scavenger »). L’activité catalase pour ces composés et les matériaux hybrides dérivés a été étudiée dans l’acétonitrile et dans l’eau. / The main objective of this work is the synthesis of manganese compounds and hybrid materials that may be relevant from a bioinorganic and magnetic point of view. The developed strategy comprises three main steps that form different sections in this thesis:(a) Synthesis and characterization of molecular manganese compounds and study of the magnetic propertiesThe crystal structure of twenty-three new Mn compounds of different nucleartities were obtained in which the Mn oxidation state is II, III, or IV. The magnetic properties of all these compounds were profoundly studied and they have been rationalized with their structural and electronic parameters. The MnII compounds were also studied with EPR spectroscopy. (b) Synthesis and characterization of hybrid materials based on molecular manganese compounds inside mesoporous silica.Selected molecular compounds were inserted inside mesoporous silica (MCM-41 type). The Mn complexes inside the supports were characterized with TGA, XPS, ICP-OES, IR spectroscopy, and magnetic measurements.(c) Study of the catalytic properties of both molecular compounds and hybrid materials.A family of the molecular compounds obtained in this work are structural and functional models of the Mn catalase, an enzyme found in some bacteria with antioxidant properties (H2O2 scavenger). The catalase activity for these compounds and the hybrid materials was studied in acetonitrile and water.

La chimie de coordination de l’ion manganèse(II), à partir de radicaux nitronyl nitroxyde et de macrocycles thiacalix[4]arènes, a mis en évidence des propriétés magnétiques et optiques remarquables au sein de ses complexes. Ces matériaux moléculaires ont la particularité de manifester leurs propriétés sous l’application de stimuli externes. Ainsi, un composé lamellaire à base de polymères de coordination bidimensionnels d’ions Mn(II) et de radicaux nitronyl nitroxyde, a révélé une conversion de tautomérisme de valence induite thermiquement, et des complexes polynucléaires d’ions Mn(II)−sulfonylcalix[4]arènes ont montré une luminescence intense centrée sur l’ion métallique sous éclairement. Nos travaux de thèse s’insèrent dans la continuité de ces résultats développés antérieurement dans notre équipe. Notre objectif a été de comprendre l’origine des perturbations électroniques subies par l’ion Mn(II) dans ces complexes de coordination. Pour cela, l’étude approfondie des relations entre les structures cristallines des composés Mn(II)−radicaux et Mn(II)−thiacalix[4]arènes et leurs propriétés physiques, a été au cœur de notre recherche. Ce manuscrit présente les synthèses, les structures cristallines et la caractérisation des propriétés magnétiques et optiques de composés obtenus par des processus d’ingénierie moléculaire. La modification des ligands nitronyl nitroxyde et thiacalix[4]arènes par synthèse organique, et la substitution des contre-ions au sein de ces complexes ioniques lors de leur synthèse, ont été le fil conducteur de nos travaux. Ces modifications chimiques ont permis d’élaborer de nouveaux complexes qui présentent à leur tour une conversion de tautomérisme de valence thermo-induite ou une forte luminescence centrée sur l’ion Mn(II). La comparaison des structures et des propriétés des nouveaux complexes obtenus et antérieurs, a permis une interprétation et une rationalisation des relations structures-propriétés. Ces résultats permettront par la suite d’améliorer et de moduler, de façon maitrisée et selon la nécessité, les structures moléculaires et à l’état solide des composés suivant les propriétés visées / Manganese(II) coordination chemistry, with nitronyl nitroxide radicals and thiacalix[4]arene macrocycles, revealed remarkable magnetic and optical properties. These molecular compounds show their properties under external stimuli. Recently, a lamellar compound, made of Mn(II) – nitronyl nitroxyde 2D coordination polymers, presented a thermo-induced valence tautomeric conversion, and Mn(II) – thiacalix[4]arene polynuclear complexes shown an intense luminescence centered on the metallic ion. Our PhD work takes part in the continuity of these previous results. Our goal was to understand the origin of the electronic perturbations inside these compounds. The depth study of the relationships between the structures and the physical properties was the central point of our research. This thesis will present the synthesis, the crystalline structures and the magnetic and optical characterizations of new compounds obtained by different molecular engineering processes. Organic modifications of the ligands and substitution of the counter-ion during the synthesis were the central thread of our work. Thanks to these chemical modifications, new compounds has been synthesized which are presenting also a thermo-induced valence tautomeric conversion or an intense luminescence. The comparison of all compounds made possible an interpretation and a rationalization of the structure-property relationships. Next step will be to improve or to modulate, in function of the need, the molecular or solid state structures regarding the expected properties

Dans la première partie de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressé à l’étude de l’anisotropie magnétique au sein de complexes mononucléaires de Ni(II) et de Co(II) pentacoordinés de géométrie allant de la pyramide à base carrée jusqu’à la bipyramide trigonale. Pour les complexes mononucléaires, nous avons montré que pour une géométrie donnée, la nature de l’ion métallique a une influence importante sur l’anisotropie magnétique.Nous avons étudié l’effet de la géométrie pour un même ion métallique. Dans le cas d’une géométrie bipyramidale trigonale (symétrie C3v), nous avons montré que le complexe de Co(II) possède un axe facile de l’aimantation et donc un blocage de l’aimantation qui conduisent à l’ouverture d’un cycle d’hystérèse à basse température. Ce type de complexe peut donc être utilisé pour le stockage de l’information. Dans la deuxième partie du travail, nous avons étudié les propriétés magnétiques de complexes binucléaires. Un complexe binucléaire de Co(II) pontés par deux Cl- présente un faible couplage ferromagnétique et un blocage de l’aimantation.Enfin, l’autre aspect de ce travail est de réaliser une molécule binucléaire où deux ions anisotropes, chacun possédant un axe facile de l’aimantation, soient faiblement couplés de manière antiferromagnétique. Pour ce faire, nous avons étudié des composés avec des ligands de type cryptant où la géométrie autour des Co(II) est bipyramide trigonale. Nous avons trouvé qu’avec un ligand pontant de type Cl- ou Br-, l’interaction d’échange est beaucoup plus importante que l’anisotropie locale des ions Co(II) conduisant à un comportement magnétique où les ions perdent leur caractère local. Ce travail ouvre la perspective de synthétiser le même type de complexes mais avec des ponts de plus grande taille pour diminuer l’intensité du couplage antiferromagnétique. / In the first part of this thesis, we studied the magnetic anisotropy of pentacoordinated mononuclear Ni(II) and Co(II) complexes possessing geometries from square pyramid to trigonal bipyramid. We have shown that, for a given geometry, the metal ion nature has an important influence on the magnetic anisotropy.Then, we studied for a given metal ion the effect of geometry on its magnetic anisotropy. In the case of a trigonal bipyramidal geometry (C3v symmetry), we showed that Co(II) has an Ising type anisotropy (easy axis of magnetization) and thus a blocking of magnetization that leads to an opening of a hysteresis cycle at low temperature. This type of complexes can be used for storing data albeit at low temperature.In the second part of the work, we studied the magnetic properties of binuclear complexes. A binuclear Co(II) complex bridged by two Cl- has a weak ferromagnetic coupling and a blocking of its magnetization.Finally, another aspect of this work was to design binuclear complexes, where two anisotropic ions having each one an easy axis of magnetization, are weakly antiferromagnetically coupled. To do this, we have studied compounds with cryptand ligands where the geometry around the Co (II) is trigonal bipyramid. We found that with a Cl- or Br- bridging ligand, the exchange interaction is much more important than the local anisotropy of Co(II) ions leading to a magnetic behavior where the ions lose their local character. This work opens up prospects for synthesizing the same type of complex but with larger bridges to decrease the intensity of the antiferromagnetic coupling.

L'anisotropie magnétique au sein de complexe de métaux de transition à donnée lieu à l'observation de phénomène d'aimantation à l'échelle moléculaire. Une étude théorique est menée afin de comprendre, de modéliser et surtout, d'amplifier ce phénomène sur différents composés mononucléaires et binucléaires. Pour ce faire, un ensemble de calculs ab initio relativistes et corrélés est utilisé puis à l'aide de la théorie des hamiltoniens effectifs, un hamiltonien modèle est établie. Ensuite, une procédure d'extraction des paramètres magnétiques permet une comparaison et une rationalisation des mesures spectroscopiques et magnétiques. Les voies d'investigations envisagées sont les complexes mononucléaires à coordination exotique, ou avec un état fondamental quasi-dégénéré, donnant lieu à un effet Jahn-Teller. Et enfin, l'étude des effets synergiques des anisotropies locales pour des complexes binucléaires sera abordée.