Les ligands carbéniques N-hétérocycliques sont généralement décrits comme des analogues aux ligands phosphines car ils présentent des propriétés électroniques comparables, bien que leur caractère σ-donneur soit plus prononcé. Ils ont donc été utilisés pour la synthèse de complexes organométalliques en remplacement des ligands phosphines et un nombre très important de complexes métal-NHC ont été développés ces 15 dernières années. Toutefois, ces complexes bien que très actifs dans de nombreuses réactions catalytiques clefs (métathèse des oléfines, couplages C-C, échange H/D…), présentent des problèmes de désactivation rapide et sont difficilement séparables des produits de réaction. L'hétérogénéisation de tels complexes pourrait remédier à ces inconvénients, et c'est la raison pour laquelle ce domaine a attiré beaucoup d'attention ces dix dernières années. La stratégie la plus courante pour l’immobilisation de tels complexes sur supports oxydes consiste à faire réagir des précurseurs de type organosilane avec des solides présentant des groupements hydroxyles de surface. Bien que cette méthode offre un moyen simple et efficace de fonctionnaliser des supports solides avec un éventail très large de fonctionnalités organiques, il ne permet cependant pas un contrôle de leur distribution et de la nature des espèces de surface dans le matériau final. La méthodologie alternative au greffage sur supports oxydes développée dans ce travail de thèse a consisté donc à générer des matériaux hybrides organiques-inorganiques mésostructurés, contenant des unités NHC dans leurs pores ou dans leurs murs. Ces matériaux sont obtenus par sol-gel hydrolytique en milieu structurant via des réactions de co-hydrolyse et de co-polycondensation d’un précurseur de type organotrialcoxysilane et de tétraalcoxysilane (TEOS). Cette voie de synthèse a été utilisée car elle permet de contrôler : la distribution des groupements organiques au sein de la matrice silicique, la nature des espèces siliciques de surface, et la concentration en fonctions organiques. Après synthèse des matériaux hybrides, des réactions in-situ ont permis l’obtention de matériaux contenant des unités uniques de type Au-NHC régulièrement distribuées au sein du support d’oxyde. Les matériaux ainsi obtenus ont été caractérisés à chacune des étapes menant au solide final par de nombreuses techniques : adsorption-désorption d’azote à 77 k, microscopie électronique à transmission, diffraction des rayons X aux petits angles, spectroscopie RMN multinoyaux à l'état solide et analyses élémentaires. Après avoir testé et comparé les performances catalytiques de ces matériaux avec celles de leurs homologues en phase homogène et ce, dans plusieurs réactions catalytiques (oxydation sélective des alcools, couplage croisé de Suzuki et diboration des oléfines), nous nous sommes focalisés sur la réaction d’addition d’alcools sur les alcynes et plus particulièrement sur l’addition du méthanol sur le 3-hexyne. C'est d’ailleurs, à notre connaissance, le premier exemple en littérature de l'usage des complexes carbéniques N-hétérocycliques d’or dans cette réaction. / N-heterocyclic carbene ligands have been described as interesting alternatives to tertiary phosphines in term of bonding and reactivity and have been therefore extensively studied as metallocarbene promotors. As a result, a large variety of homogeneous metal-NHC complexes have been developed and their impressive catalytic properties have been studied. However, such highly active homogeneous catalysts suffer from fast deactivation and separation problems from the reaction products. The immobilization of such complexes could overcome these drawbacks and that is the reason why this area has attracted much attention in the last ten years. The most common strategy for complexes immobilisation involves covalent grafting oforganosilane precursors onto solid support surfaces, via reaction with surface OH groups. Although this method provides a convenient way for introducing all kinds of organic moieties into solids, it does not permit the control of either their distribution in the final material or the nature of the surface species. The alternative methodology, to classical grafting, developed in this PhD project, is based on the design of organic-inorganic hybrid mesostructured materials containing NHC units along their pore channels or into their walls and the subsequent coordination on the NHC units with the Au organometallic precursor. These materials were prepared by sol-gel process using a templating route, via co-hydrolysis and co-polycondensation of an organotrialkoxysilane precursor and tetraethoxysilane. This strategy permits a control of: the ligands distribution into the silica matrix, the nature of the silica surface species and the organic moieties concentration. All the solids, from the starting hybrid material to the Au-NHC containing one, were fully characterized using various techniques: nitrogen adsorption-desorption at 77 K, transmission electron microscopy, small angle X-Ray diffraction, solid state NMR spectroscopy and elementary analysis. After screening the catalytic performances of these Au-NHC containing materials in several catalytic reactions (selective oxidation of alcohols, Suzuki cross-coupling and olefins diboration), their high catalytic activity in alcohols addition to alkynes reactions prompted us to study more deeply their catalytic behaviour (and that of their homogeneous homologues) in the reaction of methanol addition to 3-hexyne. To the best of our knowledge, it is the first use in catalysis of gold Nheterocyclic carbene complexes in this reaction.

La lignine est un des polymères naturels les plus abondants et le seul constituant de la biomasse basé sur des unités aromatiques et, à ce titre, représente une ressource renouvelable prometteuse pour la production durable de molécules organiques plus complexes. Les travaux de cette thèse portent sur le développement de matériaux catalytiques capables de transformer sélectivement la lignine en molécules fonctionnelles de base, hautement oxygénées, et l'étude de leur mise en oeuvre en condition alcaline oxydante en utilisant le peroxyde d'hydrogène comme donneur d'oxygène. Différentes familles de matériaux hybrides de type SBA-15 à base de titane, Au/titane, Ag/titane et Fe(TAML) ont tout d'abord été synthétisées et entièrement caractérisées. Des études catalytiques comparatives ont ensuite été réalisées afin d'évaluer leurs performances en termes de degré de dépolymérisation et distribution de produits. Le catalyseur présentant le plus fort potentiel, le matériau TiO2 supporté sur SBA-15, a ensuite été soumis à des études de réactivité plus poussées afin d'optimiser les différents paramètres réactionnels (température, temps de réaction et quantité d'oxydant) permettant d'atteindre en présence d'un excès d'oxydant jusqu'à 90 %pds de conversion de la lignine et à 80°C un rendement en bio-huile de 50%pds constituée principalement d'acides carboxyliques et molécules aromatiques potentiellement valorisables / Lignin is one of the most abundant natural polymers and the only biomass constituent based on aromatic units and as such represents a promising renewable resource for the sustainable production of complex organic molecules. This dissertation reports on the development of catalytic materials capable of selectively transform lignin into basic functional molecules with high oxygen content and the study of their performance under alkaline oxidative conditions, using hydrogen peroxide as oxygen donner. Different families of hybrid materials based on the SBA-15 scaffold were first synthesized by incorporation of titanium, Au/titanium, Ag/titanium and Fe-TAML and completely characterized. Comparative catalytic studies were then accomplished in order to evaluate their performance in terms of degree of depolymerization and product distribution. The catalyst with the highest potential, the TiO2 based SBA-15 material, was then submitted to further reactivity studies in order to optimize the different reaction parameters (temperature, reaction time and quantity of oxidant). In the presence of an excess of oxidant, conversions up to 90 wt. % were obtained, whereas a temperature of 80 °C allowed to obtain a yield in bio-oil of 50 wt. %, which is mainly composed of carboxylic acids and aromatic molecules with potential to be further valorized

Ce travail présente une étude, par microscopie optique et de fluorescence, de matériaux hybrides, basés sur des monolithes de silice contenant des dérivés du cyano-anthracène : 9,10-dicyano-anthracène (DCA) ou 9,14-dicyano-benzo(b)triphénylène (DBTP), qui sont des photo-sensibilisateurs de l'oxygène singulet. Alors que ces matériaux sont bien caractérisés du point de vue de la photo-oxydation des sulfures sous des conditions hétérogènes par des études macroscopiques, certaines propriétés concernant l'association du photosensibilisateur avec l'absorbant peuvent être masquées, dominées ou encore mal interprétées par uniquement des mesures d'ensemble. Ici, nous combinons la spectroscopie d'ensemble et la microscopie optique et de fluorescence, et développons des protocôles expérimentaux concernant des échantillons solides épais, dans le but d'étudier la distribution spatiale et la mobilité des photosensiblisateurs dans la matrice hôte ainsi que d'analyser les interactions entre ces deux entités. La microscopie optique montre dans tous les cas des inhomogénéités localisées à l'interface du monolithe et attribuées à la formation de bulles pendant la synthèse et une accumulation locale du DBTP. A partir de simulations Monte-Carlo de lancer de rayons, nous développons un protocôle pour corriger les artéfacts de réfraction dans les profils d'intensité de fluorescence en fonction de la profondeur, obtenus par des mesures confocales, pour déterminer la distribution axiale du photosensibilisateur ce qui permet de mettre en évidence une nette augmentation de la concentration en photosensibilisateurs dans les premiers 50—100 m dessous la surface. L'analyse FRAP montre la très lente mobilité de tous les photosensibilisateurs et un retour partiel de l'intensité ce qui signifie que les photosensibilisateurs se trouvent dans des régions compartimentées, probablement dues à des contraintes aléatoires du réseau de pores. De plus, l'analyse FLIM montrent des propriétés photo physiques semblables pour le DBTP inclus et greffé ce qui permet d'envisager l'inefficacité de la fonctionnalisation. Ces observations soulignent que les monolithes à base de silice sont des systèmes hors d'équilibre et correspondent à un instantané des inhomogénéités gelées pendant les derniers instants du processus de condensation-hydrolyse des monomères de silice. Enfin, corréler la spectroscopie classique avec nos observations confocales sur différentes formes de DBTP, nous permet d'établir que la bande d'émission de fluorescence non-structurée et fortement déplacée vers le rouge est probablement due à la formation d'excimères. / This work presents an optical and fluorescence microscopy study of hybrid materials based on porous silica monoliths containing derivatives of cyano-anthracene: 9,10-dicyano-anthracene (DCA) or 9,14-dicyano-benzo(b)triphenylene (DBTP), photo-sensitizers of singlet oxygen. While these materials are well known from bulk studies for the efficient photo-oxidation of sulphides under heterogeneous conditions, some characteristics of the association of the photo-sensitizer and the absorbent may be masked, overlooked or otherwise misinterpreted by bulk investigations alone. Here, we combine classical bulk spectroscopy with optical and fluorescence microscopy, and develop experimental protocols for thick solid state samples, to study the spatial distribution and the mobility of the guest in the host matrix, and analyse guest-host interactions. Optical microscopy shows in all cases localised inhomogeneities at monolith interface, ascribed to bubble formation during synthesis; wide-field fluorescence microscopy shows that these features are associated with local accumulation of the larger, more hydrophobic of the two photo-sensitizers, DBTP. Photo-sensitizer lateral distribution at the monolith interface is otherwise homogeneous. Based on Monte Carlo ray-tracing simulations, we develop a protocol for correcting refraction artefacts in measured confocal fluorescence depth profiles, to obtain the photo-sensitizer axial distribution. While it in general exhibits a sharp increase in concentration in the first 50—100 m below the surface compared to the bulk, this layer contributes negligibly to the total content of the monoliths. FRAP analysis shows mobility of the photo-sensitizers in all cases, but with diffusion constants implying months or years to equilibrate the centimetre-sized monoliths. Classical bulk and confocal spectroscopy with FLIM analysis show similar photo-physical properties of DBTP included and grafted. The main effects of funcionalization in this photo-sensitizer are to slow down diffusion and to counter its aggregation. Incomplete FRAP recovery implies photo-sensitizer mobility is compartmented, probably due to random constrictions in the pore network. These observations underline that silica-based monoliths are non-equilibrium systems encapsulating a snapshot of any homogeneities frozen in during the later stages of hydrolysis-condensation of silicate units. Correlating classical bulk spectroscopy with our confocal observations on the different DBTP forms, conclude that its unusual structureless, red-shifted emission is probably due to excimer emission.

Dans ce manuscrit, la synthèse et la caractérisation complète de différents matériaux hybrides dédiés à des applications dans le domaine optique ou thérapeutique sont décrites. Dans un premier temps, des systèmes macroscopiquement ordonnés sont obtenus par intercalation de colorants tels que le Styryl 722 ou la pyronine-Y dans plusieurs films à base d’argile de type smectite. Les films d’argile sont élaborés par spin-coating et les colorants intercalés par immersion des films dans les solutions de ces colorants. Les effets de l’argile sur les propriétés des colorants sont analysés en détail et leur orientation préférentielle dans l’espace inter-couches est étudié grâce à la réponse anisotropique des films en lumière linéairement polarisée. Dans la deuxième partie, la synthèse par chimie sol-gel de monolithes de silice de grande dimension contenant des colorants laser présentant une forte absorption et une émission de fluorescence dans le visible est abordée. Des colorants laser à l’état solide (SSDL) avec de bonnes stabilités photochimique, thermique et chimique sont ainsi proposés. Dans le troisième chapitre, la synthèse par voie sol-gel de nanoparticules de silice (NP) d’environ 50 nm de diamètre fonctionnalisées sur leur surface externe est ensuite décrite. Grâce à l’encapsulation de molécules de colorants fluorescents dans leur cœur et le greffage de photosensibilisateurs sur leur écorce, des nanoparticules biocompatibles adaptées à la bio-imagerie et la thérapie photodynamique (PDT) ont été préparées. Pour optimiser leurs performances, les propriétés photophysiques et plus particulièrement la production d’oxygène singulet d’une nouvelle série de photosensibilisateurs basés sur les chromophores de type PODIPY ont d’abord été étudiées en détail. A partir de ces résultats, des BODIPY particulièrement efficaces ont été greffés sur les nanoparticules de silice afin de les utiliser pour la PDT. Les propriétés photophysiques de ces matériaux ont été analysées par spectroscopie d’absorption et de fluorescence (stationnaire ou résolue en temps) et les rendements quantiques de production d’oxygène singulet déterminés par des méthodes directe (émission de luminescence de l’oxygène singulet à 1270 nm) ou indirecte (utilisation de sondes chimiques spécifiques à l’oxygène singulet). Par ailleurs les matériaux hybrides ont été complètement caractérisés par plusieurs techniques (SEM, TEM, XRD, XPS, IR, DLS, BET). / Along this manuscript different hybrid materials are synthesized and extensively characterized for several uses: from optical to therapeutic applications. First, by the intercalation of different dyes, styryl 722 and pyronine-Y into several smectite clay films, macroscopically ordered system are obtained. Clay films are elaborated by spin-coating technique and the dyes are intercalated by the immersion of clay thin films into dye solutions. The effect of clay on the dye properties is deeply analyzed and its preferential orientation in the interlayer space of the clay is studied by the anisotropic response of the films to the linear polarized light. Second, large silica monoliths with embedded laser dyes with strong absorption and fluorescence bands in different region of the Visible spectrum are attained by sol-gel chemistry to obtain solid-state dye laser (SSDL) with good photo, thermal and chemical stabilities. Third, silica nanoparticles (NP) with suitable size (50 nm) and functionalized external surface are also synthesised by sol-gel chemistry. Through the encapsulation of fluorescent dye molecules in their core and by the grafting of photosensitizers on their shell, biocompatible nanoparticles for bio-imaging and Photodynamic Therapy (PDT) applications are prepared. In order to optimize their properties, a careful investigation of the photophysical properties and mainly the singlet oxygen generation of a large range of new photosensitizers based on chromophores known as BODIPYs, is previously carried out. Based on these results, some efficient BODIPYs are selected for grafting on silica nanoparticles in order to use them for PDT. The photophysical properties of all these hybrid materials are analyzed by absorption and fluorescence (steady-state and time correlated) spectroscopies, and the singlet oxygen measurements are monitored by direct method (recording the singlet oxygen luminescence at 1270 nm) and by indirect method (using selective chemical probe). Moreover, the hybrid materials are fully characterized by several techniques such as, SEM, TEM, XRD, XPS, IR, DLS, BET.

Les matériaux hybrides de type MOFs sont des solides poreux dans lesquels des centres métalliques sont reliés entre eux par des ligands organiques. Il est possible, non seulement de faire varier la taille et la géométrie de leurs porosités, mais aussi de moduler leurs compositions chimiques en modifiant à la fois la nature de la brique inorganique et des groupements sur le ligand organique. Cette nouvelle famille de matériaux a fait l'objet d'une attention particulière ces dernières années pour des applications potentielles dans différents domaines à fort intérêt socio-économique comme le captage ou la séparation de gaz ou bien encore la catalyse. Au-delà d'une stabilité chimique et thermique, ces matériaux doivent être aussi suffisamment résistants mécaniquement pour s'adapter au mieux aux contraintes de l'application visée (mise en forme de l'échantillon, conditions opératoires….). Il est donc impératif de connaître les propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux, sujet qui n'a fait l'objet à ce jour que de très peu d'études. L'objectif de ce travail est donc de mettre en œuvre des mesures de diffraction des rayons X et neutrons sur grands instruments afin de caractériser dans un premier temps le comportement structural du matériau flexible MIL-53 (MIL pour Matériaux de l'Institut Lavoisier) sous l'application d'une pression mécanique modérée (P~1 GPa) en fonction de la nature du métal (Al,Cr) et de la fonction greffée sur le ligand organique (-H, -Cl, -CH3). Ces données expérimentales sont ensuite discutées à partir de résultats issus de la simulation moléculaire. L'étape suivante consiste à étudier l'effet du confinement de molécules de solvants dans les pores de ce solide sur la transition structurale du réseau hôte. Enfin, deux familles de MOFs rigides, la MIL-125(Ti) et l'UiO-66(Zr) (UiO pour Unversité d'Oslo) sont considérées afin de caractériser non seulement leur domaine de stabilité mécanique en pression (Pmax~ 5 GPa) mais aussi leur compressibilité. Les résultats ainsi obtenus sont comparés aux performances mécaniques des meilleurs MOFs. / Metal Organic Framework (MOF) materials have been the focus of intense research activities over the past 10 years, with the emergence of a wide range of novel architectures, constructed from inorganic clusters linked by organic moieties. In order to maintain their useful functionalities and high performances in the different fields explored so far (gas storage/separation, catalysis, sensors and many others), besides high chemical and thermal stabilities, MOFs must be also stable enough to resist to different mechanical constraints in both processing and applications. Indeed, there is nowadays a growing interest to characterize the mechanical behaviours of this class of materials under moderate and high applied pressure. This work first aimed to probe the pressure dependence of the structural behaviour of the highly flexible MIL-53 system [MIL stands for Materials of Institut Lavoisier] as a function of the nature of (i) the metal center (Al,Cr) and (ii) the functional group grafted on the organic linker (-H,-Cl,-CH3) using a combination of high-pressure x-ray/neutron diffraction and molecular simulations. The same methodology was further applied to probe how the presence of guest molecules affects the structural transition of this class of hybrid porous solids. Finally, the mechanical stability and the compressibility of two families of rigid MOFs, the MIL-125(Ti) and the UiO-66(Zr) [UiO stands for University of Oslo] up to high pressure (P~5 GPa) have been investigated and their properties in terms of bulk modulus were compared with the most resilient MOFs reported so far.

Les propriétés structurales et électroniques de petits agrégats CuO, d'une part, et les propriétés magnétiques de l'hydroxynitrate de cuivre, d'autre part, ont été déterminées dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT), à l'aide de la dynamique moléculaire ab initio. Les calculs concernant les agrégats ont été effectués dans l'approximation de densité locale polarisée en spin (LSDA), avec une correction de gradient généralisé (GGA). Les fonctions d'onde ont été projetées sur une base d'ondes planes associée à des conditions aux limites périodiques. Des pseudopotentiels de Vanderbilt ont été utilisés. Les géométries d'équilibre des agrégats, inaccessibles expérimentalement, ont tout d'abord été déterminées, à la fois pour des agrégats neutres et négativement chargés, dans deux états de spin différents pour chacun. Les effets de la température ont été pris en compte à l'aide de simulations de dynamique moléculaire ab initio à température finie. Une méthode spécifique a été développée pour caractériser les propriétés électroniques de ces agrégats. Une série de calculs de structure électronique a été menée sur l'hydroxynitrate de cuivre, pour différentes tailles de la cellule de simulation. Les calculs ont cette fois fait appel à des pseudopotentiels à norme conservée de Troullier-Martins. La densité de spin au niveau des atomes de cuivre et d'oxygène a été analysée pour chaque système étudié. Les principes gouvernant sa répartition ont été dégagés, une tentative d'évaluation des constantes de couplage a été effectuée et l'influence de la taille de la cellule a été considérée.

Dans la nature de nombreux organismes tirent bénéfice de l'association au niveau moléculaire de composants organique et inorganique pour développer des propriétés exceptionnelles. Dans cette étude, nous avons voulu reproduire ce type d'association pour réaliser des matériaux hybrides à base d'hydrates de ciment. Les silicates de calcium hydratés (C-S-H) sont des matériaux lamellaires nanocristallisés, produits de façon majoritaire lors de l'hydratation des ciments ordinaires. Pour réaliser des C-S-H hybrides, nous avons employé une approche de synthèse bio-minérale qui consiste à greffer de façon covalente des radicaux organique sur la surface des feuillets de C-S-H. Pour y parvenir, nous avons développé une méthode de synthèse par voie sol-gel qui consiste à faire précipiter le matériau à partir d'un mélange homogène de précurseurs en solution. Nous avons choisi en particulier d'étudier l'influence de la taille, de la teneur et de la nature des radicaux organiques sur la formation des C-S-H hybrides. Nous avons pour cela employé des radicaux aliphatiques allant du méthyle jusqu'à l'octadécyle, ainsi que le vinyle, le phényle et l'aminopropyle. La caractérisation des matériaux hybrides obtenus s'est faite principalement par l'utilisation de la diffraction des rayons X, de la spectrométrie infrarouge et de la résonance magnétique nucléaire. Ces méthodes d'investigation ont eu pour principal objectif de déterminer la nature les phases hybrides observées. Elles nous ont permis en particulier d'observer la formation de phases adoptant une structure de type C-S-H pour des teneurs et des tailles de radicaux organiques peu importantes. Puis la résonance magnétique nucléaire a été employée afin de démontrer qu'il existait bien une association structurale entre les atomes de silicium portant les radicaux organiques et les autres atomes de silicium. Nous avons ainsi pu montrer que les phases ayant une structure de type C-S-H étaient bien des C-S-H hybrides.

Cette thèse s'inscrit dans un contexte de recherche d'amélioration des propriétés d'extraction d'ions sur phase solide. Au travers de ces travaux est développée une méthodologie innovante visant à adapter la structuration, la morphologie ainsi que les fonctions d'extraction aux ions et aux milieux cibles. Pour cela, nous avons opté pour une méthode « tout-en-un » passant par l'utilisation d'organosilanes amphiphiles. Composées d'une tête condensable et d'une tête « extractante » aux extrémités d'une chaîne hydrophobe, ces molécules polyvalentes font office à la fois d'agent matriciel silicique, d'agent structurant et d'agent extractant. Par analogie avec un tensioactif, nous avons montré que l'auto-assemblage de telles molécules est gouverné par des paramètres liés notamment à la taille de la partie hydrophile de la molécule. En utilisant différents agents de courbure, il est possible de jouer sur la taille du couple agent de courbure/fonction extractante. La courbure à l'interface entre le milieu et l'agrégat est donc ajustable, ce qui conduit à différents types d'agrégation. Par cette méthode, des bicouches, des vésicules et des micelles directes cylindriques ont été obtenues. A l'inverse, l'ajout de précurseur de silice (TEOS) dans la préparation peut conduire au gonflement des structures et à l'inversion de l'agrégation vers des micelles inverses cylindriques. L'effet du solvant a également été étudié et a permis d'aboutir à des morphologies très diverses. Enfin, l'accessibilité des fonctions et les propriétés d'extraction des matériaux élaborés ont été évaluées au travers de modifications chimiques de la tête extractante et de tests d'extraction d'ions métalliques (Terres rares, platinoïdes …). / The aim of this study is to develop a suitable “all-in-one” approach involving amphiphilic organosilane precursors in order to prepare hybrid materials for solid phase extraction processes. Such molecules combine both condensable and functional parts around a long hydrophobic alkyl chain.Similarly to a surfactant, the amphiphilic behavior of the organosilane molecules is governed by the size of the hydrophilic extractant function. By playing with the curvature agent size, it is possible to adjust the size of the couple extractant part/curvature agent at the interface between the aggregates and the surrounding media. Therefore, the aggregation shape is tunable. This approach constitutes an efficient and original method in order to tune the nanostructure of highly functionalized silica at the early stage of the elaboration. Hybrid organic-inorganic planar objects and vesicles are obtained for smaller curvature agents. Increasing the size of the curvature agent results in a transition of the aggregation geometry from vesicles to cylindrical direct micelles, leading to highly functionalized nanofibers.Comparatively, the addition of a silica precursor as TEOS in the preparation results in the swelling of the condensable part of the amphiphilic organosilane molecules. Thereby, as a curvature agent, the addition of TEOS allows tuning the aggregation towards reverse cylindrical micelles. Solvent effects have also been evaluated, appearing as a critical morphological parameter. Macroporous materials, blackberry-like particles and elongated or spherical nanoparticles can be obtained depending on the solvent.Finally, the accessibility of the functions and the extraction properties of the materials have been studied through chemical modifications and metallic ion extraction experiments (Rare earth elements, platinoids …).

Le travail décrit dans cette thèse a été mené à l'interface entre trois disciplines: l'électrochimie, la science des matériaux et la microbiologie. L'objectif de cette recherche était tout d'abord d'étudier l'activité de bactéries immobilisées dans un film de silice déposé par le procédé sol-gel à la surface d'électrodes. Les applications potentielles de ce travail fondamental sont les biocapteurs, les bioréacteurs ou biopiles. L'encapsulation bactérienne assistée par électrochimie a été développée en utilisant l'électrolyse du sol de départ pour immobiliser la bactérie Escherichia Coli dans une couche mince sol-gel hybride. La combinaison de précurseurs de silice, de chitosan, de poly(ehtylène glycol) et de tréhalose permet de préserver l'intégrité membranaire et l'activité métabolique. L'électrochimie a ensuite été utilisée comme moyen analytique. Shewanella putrefaciens et Pseudomonas fluorescens ont été encapsulées dans un film à base de silice et les réactions de transfert d'électron de la bactérie à différent médiateurs rédox ont été analysées. Des nanotubes de carbone fonctionnalisés par des espèces ferrocène et la protéine rédox cytochrome c ont été utilisés pour faciliter ce transfert électronique au sein de cette matrice de silice isolante, permettant l'obtention d'un biofilm artificiel. Ces deux types de médiateurs, chimique ou biologique, ont conduit à des sensibilités différentes de la bioélectrode à l'ajout du substrat pourvoyeur d'électron en raison des mécanismes différents impliqués pour transférer ces électrons. L'immobilisation de protéines rédox membranaires a également été considérée dans ces couches minces inorganiques pour favoriser la stabilité de la réponse électrocatalytique. Les protéines considérées impliquent des mécanismes de transfert électronique différents, soit direct pour le cytochrome P450 (CYP1A2), soit médié pour la mandélate déshydrogénase. Finalement, l'influence de l'encapsulation dans une matrice sol-gel hybride sur l'infectivité du bactériophage [phi]X174 a été étudiée, montrant l'effet protecteur de la polyéthylènenimine ou du glycérol / The work reported in this thesis has been developed at the interface between three disciplines, i.e., electrochemistry, material science and microbiology. The purpose of this research was first to study the activity of bacteria immobilized in silica-based films prepared by the sol-gel process on electrode surfaces. Potential applications concern biosensors, bioreactors and biofuel cells. Electrochemically assisted bacterial encapsulation has been developed, using sol electrolysis to immobilize Escherichia coli in a hybrid sol-gel layer. The combination of silica precursors, chitosan, poly(ethylene glycol) and trehalose allowed preservation of cell membrane integrity and metabolic activity. Electrochemistry was then considered as an analytical method. Shewanella putrefaciens and Pseudomonas fluorescens have been encapsulated in silica-based films and the electron transfer reactions from bacteria to different redox mediators have been monitored. Single-walled carbon nanotubes functionalized with ferrocene moieties and bovine heart cytochrome c have been considered as redox shuttles to facilitate the electron transfer in the non-conducting silica matrix, leading to the elaboration of artificial biofilms. Interestingly, these two classes of mediator, i.e. chemical and biological, led to different substrate sensitivity because of their different mechanism of interaction with the bacteria. Immobilization of membrane associated redox proteins in sol-gel films have been then considered and applied for electrocatalysis. Direct and mediated electrochemical communication has been investigated between the electrode surface and cytochrome P450 (CYP1A2) or mandelate dehydrogenase, respectively, showing the interest of sol-gel to stabilize the bioelectrocatalytic reaction. Finally, the influence of encapsulation in a hybrid sol-gel matrix on the infectivity of bacteriophage [phi]X174 has been studied and the protective effect of polyethyleneimine or glycerol was shown

Des matériaux hybrides de classe II ont été préparés à partir de précurseurs bis(tripropynylstannylés). Deux familles de précurseurs sol-gel incluant des espaceurs hydrocarbonés et thiophénique ont été obtenues et conduisent à des matériaux hybrides auto-organisés où les plans d’oxyde sont séparés par les espaceurs organiques. Ainsi l’espaceur rigide a donné lieu à une structure pseudo-lamellaire montrant une bande d’émission monomère avec un assez faible décalage vers le rouge par rapport à l'émission des précurseurs en solution. En revanche, alors que les xérogels thiényle plus désordonnés conduisent à une large émission caractéristique de la formation d’excimères ou de dimères. Par ailleurs, des films minces contenant les espaceurs alkylène et arylalkylène ont été préparés et ont montré une morphologie "pseudoparticulaire" poreuse et un ordre à courte distance contenant des réseaux SnOx. De façon inattendue, ces films minces hybrides détectent le dihydrogène dès une température de 50 °C dans la gamme 200-10000 ppm. A partir de ces films hybrides minces, le dioxyde d'étain cristallin (SnO2) a été préparé par un post-traitement thermique. Comme prévu, ces films SnO2 cassitérite détectent le dihydrogène et, dans une moindre mesure le monoxyde de carbone avec une température optimale de fonctionnement comprise entre 300 et 350 °C. / Class II hybrid materials were prepared from ditin hexaalkynides. Two families of precursors, including either hydrocarbon or oligothiophene-based spacers, were obtained and led by the sol-gel process to self-assembled organotin-based hybrid materials made of planes of oxide separated by organic bridges. Thus, the rigid thienyl spacer gave rise to a “pseudo-lamellar” structure that showed a monomer emission band with a rather small red-shift compared with to the emission of the precursor in solution. However more disordered thienyl xerogels led to broad emission features assigned to excimer or dimer formation. Moreover, thin films containing alkylene- and arylalkylene bridged have been prepared and showed a “pseudoparticulate” porous morphology and a short-range hierarchical order in the organic-inorganic SnOx pseudoparticles. Unexpectedly these hybrid thin films detect hydrogen gas at a temperature as low as 50 °C at the 200-10000 ppm level. From these hybrid thin films, crystalline tin dioxide (SnO2) were prepared by a thermal post-treatment. As expected, cassiterite SnO2 films detected H2 and to a less extent CO with a best operating temperature comprised between 300 and 350 °C.