L'utilisation du cobalt en synthèse et catalyse organiques est reconnue depuis les années 1970, notamment dans la réaction de Pauson-Khand. Dès lors, de nombreux systèmes catalytiques au cobalt ont prouvé leur efficacité dans diverses transformations chimiques telles que les cycloadditions [2+2+2] ou l'activation des liaisons C(sp2)-H. Dans ce manuscrit, sont présentés des transformations chimiques basées sur l’utilisation de catalyseurs au cobalt s’effectuant essentiellement avec économie d’atomes, et les essais de développement des versions énantioselectives.Tout d'abord, l'activité de catalyseurs au cobalt(I) a été établie dans la réaction de cycloisomérisation de diènynes pour obtention de bicycles[4.3.0]. Les études concernant différents paramètres du système catalytique ainsi que le champ d'application sont présentés. Les catalyseurs à base d'acétate de cobalt(II) se sont révélés très efficaces pour les réactions d'hydroalcynylation. L'hydroalcynylation de vinylaziridines a été développée après optimisation du système catalytique et, le domaine d’application selon la nature des réactants a été défini. Finalement, les études préliminaires de l'allylation énantiosélective avec les catalyseurs de cobalt(II) ont été réalisées. Ceux-ci se sont révélés plutôt comme activateurs du groupement carbonyle, compromettant la version asymétrique de la réaction / The application of cobalt in organic synthesis and catalysis has been known since the 1970s, especially in Pauson-Khand reaction. Until now, a lot of catalytic systems with cobalt have demonstrated their efficiency in various chemical transformations including [2+2+2] cycloadditions or the activation of C(sp2)-H bonds. In this manuscript are presented the chemical transformations based on the use of cobalt to catalyze atom-economical reactions, and the attempts to develop enantioselective versions. First of all, the activity of cobalt(I) catalysts was established for the cycloisomerisation reaction of dienynes giving bicycles[4.3.0]. The studies of different parameters of the catalytic system, as well as the scope reaction, will be presented. Moreover, the catalysts based on cobalt(II) acetate proved to be very efficient for hydroalkynylation reactions. The hydroalkynylation reaction of vinylaziridines was developed after catalyst optimisation and, the scope reaction according to the nature of reactants was defined. Finally, preliminary studies of enantioselective allylation using cobalt(II) catalysts were performed. These promoters were found to be activators of the carbonyl group, thus compromising the asymmetric version of the reaction

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / La liaison hydrogène est omniprésente dans la nature et joue un rôle capital dans la chimie de la matière vivante. Cette interaction non covalente, sélective, forte et directionnelle peut induire l'auto-assemblage de molécules. Les tectones sont définies comme étant des molécules dont les interactions sont dominées par des forces attractives spécifiques qui induisent la formation d'agrégats de géométrie contrôlée. La tectonique moléculaire est l'art et la science de la construction de supramolécules en utilisant des sous-unités tectoniques. Les liens hydrogène intermoléculaires présentent une force particulièrement efficace pour promouvoir la formation d'agrégats tectoniques et de telles tectones pouvant participer dans un vaste réseau de liens hydrogène peuvent être synthétisée simplement en ajoutant des sous-unités 2-pyridones sur une molécule support appropriée. Cette thèse décrit la conception et la synthèse de tectones comprenant quatre sous-unités 2-pyridones orientées suivant un tétraèdre de telle sorte qu'elles sont prédisposées à générer un réseau diamantoïde ou de géométrie comparable. Nous avons mis en évidence que de telles tectones tétraédriques peuvent s'associer par des liaisons hydrogène pour former un réseau diamantoïde contenant de larges cavités. Ces cavités générées par le réseau sont comblées par un entrelacement de réseaux diamantoïdes indépendants et autres molécules hôtes. Nous avons aussi mis en évidence que des tectones tétraédrique de différentes grandeurs peuvent engendrer des réseaux tridimensionnels autre que diamantoïdes. Ces résultats laissent entrevoir que l'application astucieuse de la tectonique moléculaire peut être employée à l'élaboration de molécules organiques dont l'assemblage tridimensionnel offrirait les propriétés remarquables des zéolites et autre substances inorganiques semblables comme la microporosité, la présence de cavités et la stabilité structurelle.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans les dernières années, l'avancement rapide du domaine de l'électronique organique a mené au développement d'une multitude de nouvelles classes de polymères n-conjugués. Parmi ces polymères, les dérivés du poly(2,7-fluorène) se sont avérés être des matériaux prometteurs pour des utilisations en dispositifs opto-électroniques légers, flexibles et peu coûteux à produire. Plus récemment, de nouvelles classes de polymères à base d'hétérofluorènes comme les dérivés du poly(2,7-carb, azole) et du poly(2,7-dibenzosilole) ont été largement étudiées et ont démontré des résultats prometteurs dans les dispositifs électroniques à base de polymère comme les diodes électroluminescentes (DEL), les transistors à effet de champ (TEC) et les cellules photovoltaïques (CP). Suite aux bons résultats obtenus avec ces poly(hétérofluorène)s, nous voulions étudier une nouvelle classe de polymères à base d'hétérofluorène qui a été que très peu étudiée jusqu'à maintenant, c'est-à-dire le germafluorène. Le germafluorène étant un .analogue du fluorène et du dibenzosilole, nous voulions évaluer si cette nouvelle cl.asse possédait le même potentiel que ces dernières. C'est ainsi que nous avons synthétisé deux monomères de germafluorène. Trois dérivés du poly(germafluorène) soit PGFDTBT, PGFDTDPP (C4) et PGFDTDPP (Cg), ont été synthétisés en utilisant soit le 5,5-(4', 7'-di-2-thienyl-2', l', 3'-benzothiadiazole) ou le 3,6-bis(thiophen-5-yl)-2,5-dioctyl-2,5-dihydropyrrolo[3,4-]pyrro le-l, 4-dione] comme comonomère. De plus, deux homopolymères de germafluorène, PGF (C4) et PGF (C4, Cg) ont aussi été synthétisés. Tous ces polymères ont été caractérisés pour déterminer leurs propriétés thermiques, optiques et électrochimiques. Des cellules photovoltaïques ainsi que des transistors à effet de champ ont été fabriqués avec certains de ces polymères pour obtenir des taux de conversion énergétique allant jusqu'à 2,8 % avec le PGFDTBT et des mobilités de charge allant jusqu'à 0,04 cm2/V-s pour le PGFDTDPP (C4).

Le lactosérum est un coproduit de l'industrie de fabrication du fromage et de la caséine et se caractérise par une forte demande chimique et biologique en oxygène. Les énormes quantités de lactosérum générées dans le monde, sa composition particulière et son utilisation limitée dans l'industrie alimentaire rendent nécessaire la recherche d'autres moyens d'ajouter de la valeur à cet ingrédient en vue d'augmenter la rentabilité de la transformation du lait. Dans ce contexte, la technologie de l'électro-activation (EA) offre la possibilité de valoriser le lactosérum par la conversion in situ d'une partie du lactose en lactulose, un prébiotique bien connu et éprouvé. De plus, l'EA cathodique du lactosérum a montré une formation des bases de Schiff suite à la glycation avec différents sucres des protéines, des peptides et des acides aminés libres dans le processus d'électro-isomérisation du lactose en lactulose. Ces produits sont connus pour leur forte activité antioxydante. Ainsi, l'EA ouvre une possibilité de générer un ingrédient fonctionnel avec une valeur ajoutée significative. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce projet de doctorat était d'étudier et de démontrer la faisabilité technologique de l'utilisation du lactosérum électro-activé comme ingrédient fonctionnel à haut potentiel prébiotique dans la production de différents produits laitiers fermentés. La première étape de ce projet a été l'évaluation du comportement du lactosérum électro-activé dans la matrice de gel de lait fermenté. Une comparaison entre le pourcentage de matière grasse du lait, l'inoculum de lactosérum et le type de lactosérum a été effectuée. À cette fin, des échantillons de lait fermenté ont été préparés avec un ajout de 3, 6 et 9 % de lactosérum des deux types (électro-activé et non électro-activé). Il a été constaté que le lactosérum électro-activé prolongeait le temps d'obtention d'un pH de 4,6 en fonction de la quantité ajoutée. Ceci a été attribué à la capacité tampon plus élevée du lactosérum électroactivé; les résultats de l'acidité titrable ayant démontré des niveaux élevés de groupes acides libres. La microstructure du gel obtenu avec l'ajout du lactosérum électro-activé a montré une structure uniforme et moins poreuse, ce qui était en accord avec les résultats de la réduction de la synérèse. Pour confirmer ces résultats, un autre produit laitier fermenté avec un ajout de lactosérum électro-activé a été également développé. Le kéfir enrichi de lactosérum électro-activé présentait également une phase de fermentation prolongée. Les particules de lactosérum EA ont été incorporées de manière homogène dans la matrice du gel de kéfir. Par conséquent, aucune synérèse n'était visible dans les échantillons de kéfir additionnés de lactosérum EA à 9 %. De plus, les deux produits contenaient des niveaux élevés d'acides organiques (lactique, citrique, acétique, propionique et butyrique) lorsqu'ils étaient supplémentés avec du lactosérum EA. La production d'acide butyrique a été induite par l'ajout de lactosérum des deux types. L'analyse HPLC a révélé qu'environ 75-85% des niveaux initiaux de lactulose ont été conservés dans les produits avec du lactosérum EA après le processus de fermentation, ce qui démontre que la consommation de tels produits pourrait constituer une source de lactulose pour le consommateur. La deuxième étape de cette recherche a été d'optimiser l'utilisation du lactosérum électro-activé en tant qu'ingrédient par son incorporation dans le produit qui convient à sa couleur et aux caractéristiques de la réaction de Maillard et des conjugués entre les matières azotées avec les sucres. Le lait fermenté cuit, Ryazhenka, a été testé comme une matrice alimentaire appropriée pour véhiculer le lactosérum EA enrichi en lactulose. L'extension du temps de fermentation a été moins importante pour ce produit. Ainsi, le Ryazhenka additionné de lactosérum à 9% a atteint un pH de 4,6 après 4 h de fermentation. Le produit additionné de lactosérum EA (9%) a atteint ce niveau après 6,5 h. De plus, le lactosérum EA a amélioré la capacité antioxydante de Ryazhenka. Au cours de cette étape, nous avons démontré par des tests in vitro que l'électro-activation du lactosérum peut diminuer l'allergénicité de la β-lactoglobuline de 19,52 mg/kg à 7,56 mg/kg, qui s'est stabilisée à 12,13 mg/kg après neutralisation. Comme le protocole de production de Ryazhenka comprend une étape de cuisson de 3 à 5 h à 97-100°C, on considère qu'il présente des taux d'allergénicité plus faibles en raison des changements de conformation des protéines induits par la chaleur. Ainsi, l'ajout de lactosérum électro-activé ne contribue pas à l'augmentation de l'allergénicité de ce produit. Le troisième objectif de cette étude était de démontrer un potentiel prébiotique du lactosérum électro-activé en cultivant des bactéries probiotiques Lactobacillus rhamnosus subsp, Lactobacillus rhamnosus GG et Lactobacillus acidophilus ATCC4356. La densité optique(OD₆₀₀), le dénombrement sur plaques de Petri, la stabilité durant l'entreposage à 4 °C et la tolérance aux acides et à la bile des bactéries cultivées pendant 24 heures dans du lactosérum électro-activé ont été étudiés et comparés aux résultats obtenus par la culture sur du lactosérum, du lactosérum additionné de lactulose, du MRS et du MRS avec ajout de lactulose. Les valeurs OD₆₀₀ les plus élevées (>2) ont été obtenues dans les biomasses de lactosérum EA pour toutes ces bactéries. Cependant, les numérations sur plaque de Petri n'ont pas confirmé un nombre plus élevé de cellules bactériennes dans du lactosérum électro-activé. On peut donc conclure que le lactosérum électro-activé a probablement stimulé un métabolisme distinct chez les bactéries testées, ce qui est conforme à la définition des prébiotiques qui ont la particularité d'induire une stimulation de la croissance et/ou de l'activité des bactéries probiotiques afin de conférer des avantages pour la santé. En résumé, cette recherche a validé la faisabilité technologique de l'utilisation du lactosérum électro-activé comme ingrédient dans la production de lait fermenté et source de lactulose qui reste stable durant l'entreposage pendant 14 jours à 4 °C. Également, ce projet a montré que le lactosérum électro-activé est un ingrédient fonctionnel prometteur pour une éventuelle utilisation potentielle comme additif alimentaire fonctionnel et prébiotique dans l'industrie laitière. De plus, il peut être utilisé comme agent protecteur pour améliorer la viabilité et l'activité des probiotiques.

L’intérêt pour l’électronique organique à base de polymères π-conjugués est maintenant un sujet de recherche bien établi. Il est possible d’utiliser ces polymères en tant que matériaux actifs dans des dispositifs électroniques comme les transistors organiques à effet de champs (TOEC) ou les cellules solaires organiques (CSO). De plus, ils permettent la fabrication de dispositifs flexibles qui peuvent être produits à plus faibles coûts en comparaison avec leurs analogues inorganiques traditionnels à base de silicium, et ce pour des performances de plus en plus comparables. En effet, les composés organiques peuvent être solubilisés dans des solvants usuels pour ensuite être imprimés par des techniques d’impression connues comme l’impression en continu ou au jet d’encre. L’une des unités ayant reçu un grand intérêt est le dicétopyrrolopyrrole (DPP). En effet, des matériaux à base de cette unité ont démontré des performances approchant les 10% d’efficacité de conversion de puissance en CSO et au-delà de 1 cm2V-1s-1 en mobilité de trous d’électrons pour les TOEC. Par contre, très peu de transistors organiques de type n présentent actuellement des mobilités d’électrons intéressantes. Par ailleurs, une augmentation de l’efficacité de conversion de puissance est encore possible, de même qu’il est raisonnable d’envisager une augmentation des mobilités pour les polymères à base de DPP via des modifications structurales. Au cours des dernières années, un intérêt vers la substitution d’un atome fluor sur les polymères π-conjugués (souvent pour un proton) s’est manifesté. Cela permet notamment d’abaisser les niveaux énergétiques HOMO et LUMO, un paramètre qui peut mener à de meilleures mobilités d’électrons en TOEC, bénéfiques pour les matériaux de type n, et à une augmentation de la tension en circuit ouvert en CSO. En effet, il a été observé pour différents polymères fluorés de DPP que les niveaux énergétiques sont diminués en comparaison avec l’analogue non fluoré. De plus, les atomes de fluor et d’hydrogène ont des rayons de van der Waals comparables de 135 et 120 pm, respectivement, ce qui permet de ne pas augmenter l’encombrement stérique. Il a même été démontré que l’atome de fluor peut engendrer une diminution de l’angle dièdre entre deux unités thiophène, menant à de meilleures mobilités des charges. Le projet consiste à effectuer la synthèse de copolymères et d’homopolymères π-conjugués contenant l’unité dicétopyrrolopyrrole dithiophène fluorée récemment élaborée au sein du laboratoire. Les polymères synthétisés seront polymérisés par (hétéro)arylation directe, une nouvelle technique qui utilise la réactivité d’un lien C-H aromatique et qui tire d’ailleurs avantage de la présence de l’atome de fluor. Plusieurs copolymères à base de DFT-DPP et des homopolymères sans défauts ont été synthétisés et démontrent des résultats prometteurs pour les cellules solaires et les transistors. / π-conjugated polymers are widely used in electronic devices such as organic field effect transistors (OFET) and organic solar cells (OSC). As opposed to their inorganic counterparts, they can be used for low-cost flexible devices. Organic materials such as polymers can take advantage of their solubility in usual solvents to be formulated as inks. These inks may be printed using known printing techniques. Dithienyldiketopyrrolopyrrole (DT-DPP) as a unit has shown great potential for this type of applications. DT-DPP-based materials have shown efficiencies close to 10% in OSC and holes mobilities higher than 1 cm2V- 1s-1 for OFET. However, very few organic N-type transistors show good electron mobilities. Power conversion efficiency (PCE) enhancement is feasible; it is likely that mobility increase for DPP polymers is doable from structural changes. In recent literature, there is growing interest for substitution by fluorine atoms on π-conjugated polymers (especially for protons). Various benefits such as lowering the HOMO and the LUMO of resulting polymers come from fluorine substitution. This parameter leads to better electron mobility in OFETs, a plus for N-type materials, and leads to an increase in the open circuit voltage in OSC. It has been observed for various fluorinated polymers containing the DT-DPP unit that the energy levels are lowered compared to their non-fluorinated analogues. Fluorine atoms and hydrogen atoms have similar van der Waals radii of 135 and 120 pm respectively, which insures that the substitution does not affect steric hindrance. The fluorine atom can also lower the diedral angle between two thiophene units leading to better π-stacking, thus better charge mobilities. The project consists in the synthesis of the DFT-DPP monomer followed by its polymerization using direct (hetero) arylation polymerization (DHAP), a new polymerization technique that, among other things, benefits from the fluorine atom. DFT-DPP based donor-acceptor copolymers and defect-free homopolymers are prepared using this technique and tested in OSC and OFET.

Le développement récent de deux nouvelles classes de matériaux, les 2,7-carbazoles et les indolo[3,2 b]carbazoles, a ouvert la porte à de multiples applications. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux polymères dérivés de ces structures pour une application dans le domaine des transistors organiques à effet de champ (TOEC) et des cellules photovoltaïques organiques (CPO). Les synthèses des premiers poly(indolo[3,2 b]carbazole)s ont permis de mieux comprendre les propriétés électroniques de cette classe de polymères. Des études électrochimiques ont permis de mieux comprendre le mécanisme de conduction des charges dans ces polymères. Par l'optimisation de la structure des monomères de 2,7 carbazole et d'indolo[3,2 b]carbazole, nous avons augmenté la solubilité et l'organisation structurale des polymères correspondants. L'optimisation des systèmes catalytiques de polymérisation nous a permis d'augmenter les masses molaires des polymères résultants. L'effet combiné de la masse molaire élevée et de l'organisation structurale a été étudié par TOEC. Dans une configuration optimale, une mobilité de 2.2 ¿ 10-3 cm2.V-1.s-1 a été atteinte pour des poly(2,7-carbazole)s et de 2.3 ¿ 10-2 cm2.V-1.s-1 pour des poly(indolo[3,2 b]carbazole)s. Ces résultats prometteurs ont mené au développement de polymères pour les CPOs. Les structures des monomères développées pour les TEOCs ont été reprises. Seul le 2,7 carbazole portant une chaîne latérale spécifique (9-heptadécanyle) même à des polymères intéressants en CPO. L'ajout d'unités pauvres en électrons par copolymérisation a permis de réduire la largeur de bandes interdite de différents polymères. On obtient ainsi d'excellents candidats couvrant une vaste partie du spectre solaire (650 ? 1200 nm) pour une collecte idéale des photons. Par des calculs de chimie quantique (DFT), les meilleurs candidats ont été choisis en fonction de la position du niveau énergétique HOMO et LUMO idéale pour les CPOs. L'ajustement des niveaux énergétique favorise un transfert optimal d'électrons du polymère à l'ester méthylique de l'acide [6,6]-phényl C61 butyrique (PCBM). Cette étude a démontré l'importance de la solubilité, des masses molaires, de la morphologie, des prédictions théoriques et surtout de l'organisation structurale des polymères dérivés du poly(2,7-carbazole) pour obtenir d'excellentes performances (5.8 % AM 1.5G, 1000 W.m-2) en cellules photovoltaïques.

Cette étude s'inscrit dans le cadre d'un programme de recherche destiné à évaluer le potentiel de la biodésinfection anaérobie (BDA) pour lutter contre les champignons phytopathogènes du sol dans les fraisières. Elle avait pour objectifs de (1) caractériser les profils d'acides gras volatils (AGVs) obtenus suite à la BDA réalisée avec différentes matières organiques et (2) déterminer la fongitoxicité et la phytotoxicité des AGVs. La BDA du sol a été réalisée in vitro avec comme amendements organiques une variété de résidus lignocellulosiques et de sous-produits de l'industrie agroalimentaire largement disponibles dans la province de Québec. Les sols amendés en matière organique ont généralement présenté des valeurs négatives de potentiel redox après deux semaines de BDA. Les concentrations du sol en AGVs (acide acétique, butyrique, isobutyrique, propionique, valérique et isovalérique) et la concentration totale en AGVs ont varié selon l'amendement organique utilisé. Les concentrations totales en AGVs les plus élevées furent obtenues dans les sols amendés avec la mélasse, la drêche de brasserie ou le marc de pomme. L'exposition à l'acide acétique et à l'acide butyrique, aux concentrations obtenues dans les sols soumis à la BDA, fut létale pour Verticillium dahliae et Neopestalotiopsis rosae. Des plantules de fraisier (Fragaria × ananassa) transplantées dans le sol après la BDA ont développé des symptômes de phytotoxicité au niveau des feuilles et des racines. Les symptômes les plus intenses ont été observés dans les sols dont les concentrations totales en AGVs étaient les plus élevées. L'acide butyrique et l'acide acétique seraient responsables, à tout le moins en partie, des symptômes foliaires de phytotoxicité. Cette étude démontre que le type de matière organique incorporé dans le sol influence les profils d'AGVs obtenus suivant un traitement de BDA et que l'acide acétique et l'acide butyrique, les AGVs produits en plus grande quantité, sont fongitoxiques et phytotoxiques.

Au cours des dernières années, de nombreux développements ont été réalisés dans le domaine de l'électronique organique par l'utilisation des polymères [pi]-conjugués. De meilleures performances en cellules photovoltaïques, en transistors organiques à effet de champ (OFET) et en diode électroluminescentes (DEL) ont été atteintes et de nouveaux matériaux ont émergé. Les polymères et oligomères à base de 2,7-carbazole, récemment développés, ont donné de bons résultats en OFET ainsi qu'en DEL, et ce, en raison de leur bonne mobilité en ce qui concerne les trous d'électrons. Ils n'ont toutefois pas encore été exploités en cellules photovoltaïques. De plus, de par leur structure, les polymères à base de 2,7-carbazole seraient supposés avoir des propriétés semblables au fluorène et pouvoir présenter un état liquide cristallin. Pour pouvoir être utilisés en cellules photovoltaïques, la largeur de bande interdite des polymères à base de 2,7-carbazole a d'abord dû être diminuée en copolymérisant différents comonomères, à base de thiophène. Cela a mené avec succès à des matériaux possédant une largeur de bande interdite (Eg) située entre 1,7 et 2,3 eV, ce qui a permis d'obtenir un taux de conversion énergétique de 0,8 % avec le PCPTDO. Pour améliorer la valeur de Eg ainsi que la solubilité des matériaux, de nouvelles chaînes latérales et de nouveaux comonomères ont été utilisés. Des chaînes branchées, alkyles et aryles, ont été greffées en position N du carbazole et le 4', 7'-di-2-thienyl-2', r, 3'-benzothiadiazole a été utilisé comme comonomère. Un taux de conversion énergétique de 3,6 % a été obtenu avec le PCDTBT Cgg et des indices d'organisation ont pu être décelés par l'observation de biréfringence en microscopie optique polarisée. Dans le but d'étudier une large gamme de comonomères et leur effet sur les propriétés électroniques et morphologique, une nouvelle série de copolymères a été synthétisée. Bien que les performances n'aient pas été améliorées, il a été possible de déterminer que l'état liquide cristallin existait pour le PCDTBT et le PCDTQx et que l'effet de celui-ci sur les propriétés des dispositifs était important. Il a été conclu que cet état liquide cristallin était dû à la solubilité ainsi qu'à la symétrie des polymères. Finalement, une tentative d'induire une organisation a été réalisée à l'aide de la technique de Langmuir-Blodgett sur des copolymères étalons de 2,7-carbazole et de fluorène. Cette technique s'est avérée peu efficace pour les dispositifs photovoltaïques, mais intéressante pour les transistors organiques à effet de champ.