Depuis sa découverte dans les années 50, la DNP suscite un intérêt croissant en résonance magnétique. La DNP peut être définie comme le transfert d'aimantation entre des électrons célibataires et les noyaux de l'échantillon induit par irradiation micro-onde. Depuis sa renaissance à hauts champs dans les années 90, grâce à l'introduction des gyrotrons comme source micro-onde haute fréquence haute puissance, la plupart des développements et applications de la méthode concernent des échantillons d'intérêt biologique en solution solide. L'intérêt de notre groupe pour la caractérisation d'espèces de surface, tels que les catalyseurs supportés sur silice nous a conduit à appliquer la DNP à des espèces de surface. Le but de cette thèse est le développement de cette méthode nommée DNP SENS. Pour cela de nouveaux agents de polarisations sont tout d'abord introduits, avec une discussion sur l'influence des temps de relaxation électroniques sur l'efficacité DNP. L'optimisation de la préparation des échantillons pour maximiser la sensibilité RMN est discutée, ainsi que l'interaction entre les radicaux et la surface. Ces développements ont permis la caractérisation de nombreux matériaux et quelques exemples sont donnés ici. Enfin, une dernière partie se concentre sur l'application de la DNP à des conducteurs de polarisation, et montre la possibilité d'hyperpolarisés des objets de taille micrométrique. / Since its discovery in the 1950's, DNP has been a topic of significant interest in magnetic resonance. DNP is the transfer of polarization between single electrons and nuclei, driven by micro-wave irradiation. Since its renaissance at high field in the 90's, due to the introduction of gyrotrons as high-power, high-frequency microwave sources most application of this technique have been samples of biological interest in frozen solution. The long standing interest of our group in the characterization of surface species such as supported catalysts on silica lead us to apply this technique to the study of surfaces. The goal of this thesis is the development of this method, dubbed DNP Surface Enhanced NMR Spectroscopy. To that end, we first introduce new polarizing agents, soluble in organic solvents. The influence of the electron relaxation times on the DNP enhancements is demonstrated and efficient tailored polarizing agents are introduced. The optimization of the sample preparation to obtain optimal sensitivity is also discussed, as well as the interaction between the radical and the surface. These developments made it possible to apply the technique to many functionalized materials, with some examples developed in this manuscript. Finally, the issue of DNP on polarization conductors is discussed, and we show how microcrystals can be efficiently polarized using DNP.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est désormais devenue une technique spectroscopique incontournable à de nombreux domaines de la science et de la médecine. Cependant, elle est limitée par une faible sensibilité en raison d'une polarisation nucléaire insuffisante, définie par la différence des populations entre les niveaux d'énergie impliqués, ce qui résulte à des temps expérimentaux assez longs. Cet inconvénient peut être compensé en transférant l’énorme polarisation des électrons non appariés aux spins nucléaires à l'aide d'une irradiation par micro-ondes à basse température - une méthode connue sous le nom de polarisation nucléaire dynamique (DNP). Sami Jannin et ses collègues ont récemment combiné la méthode de polarisation croisée (CP) avec la DNP, à des températures très basses, afin de polariser plus rapidement les noyaux de faible γ en transférant la polarisation des électrons aux protons et ensuite aux noyaux de faible γ, comme le carbone-13. Cette thèse démontre que l'efficacité de cette méthode peut être améliorée en arrêtant l'irradiation par micro-ondes pendant quelques centaines de millisecondes avant la CP. En effectuant ces expériences, la polarisation du carbone-13 de l'acétate de sodium [1-¹³C] peut monter jusqu'à 64% avec une constante de temps d'accumulation de polarisation très courte de 160 s. L'échantillon hyperpolarisé peut ensuite être rapidement dissous pour obtenir un signal RMN amplifié à l'état liquide et à la température ambiante. Cette méthode a été développée par Ardenkjaer-Larsen et ses collègues en 2003 et est connue sous le nom de polarisation nucléaire dynamique par dissolution (D-DNP). Elle peut fournir une amplification du signal d'un facteur jusqu'à quatre ordres de grandeur. La combinaison de la D-DNP avec les techniques de CP peut être utilisée pour créer des états de longue durée de vie (LLS) dans des molécules deutériées comme l'éthanol-d6 et le DMSO-d6. Ces états peuvent avoir des durées de vie beaucoup plus longues que l'aimantation conventionnelle de Zeeman. Ces états peuvent être détectés indirectement via des multiplets asymétriques dans les spectres RMN du carbone-13 en solution, à température ambiante après dissolution, via les couplages scalaires entre le carbone-13 et les noyaux du deutérium. Ces LLS résultent du déséquilibre des populations entre les représentations irréductibles des groupes de symétrie des molécules deutériées étudiées. Dans cette thèse, nous avons étudié les LLS dans les groupes CD₂ et CD₃. Les durées de vie de ces LLS peuvent dépasser les temps de relaxation T₁(²H) des noyaux de deutérium par un facteur jusqu'à 20 (dépendant de la dynamique moléculaire) et peuvent être observées par la décroissance de l'asymétrie du multiplet du carbone-13. Ces observations peuvent élargir les applications de la DNP en ajoutant le noyau de ²H à la liste des observables possibles / Nowadays, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) has become an inevitable spectroscopic technique that can be applied in many fields of science and medicine. However it is limited by low sensitivity due to the low nuclear polarization, defined by the difference of populations between the energy levels involved, thus leading to long experimental times. This drawback can be overcome by using the huge polarization of unpaired electrons compared to nuclear spins and its transfer to nuclear spins at low temperatures (using microwave irradiation) to achieve a large nuclear magnetization - a method know as dynamic nuclear polarization (DNP). Sami Jannin and co-workers have recently combined the cross-polarization (CP) method with DNP at very low temperatures to polarize low γ nuclei faster by transferring the electron polarization to protons and then to low γ nuclei like ¹³C. This thesis demonstrates that the efficiency of the CP method can be improved by switching the microwave irradiation off for a few hundred milliseconds prior to CP. By performing these microwave gating experiments, ¹³C polarizations for sodium [1-¹³C]acetate as high as 64% could be achieved with a polarization build-up time constant as short as 160 s. The hyperpolarized sample can subsequently be rapidly dissolved to achieve NMR signal enhancement in the liquid state at ambient temperature. This method has been developed by Ardenkjaer-Larsen and co-workers in 2003 and became known as dissolution-dynamic nuclear polarization (D-DNP). It can provide signal enhancements by a factor of up to four orders of magnitude in liquid state at room temperature. Combining D-DNP with CP techniques from ¹H to ¹³C can be used to create to create long-lived states (LLS) in deuterated molecules like ethanol-d₆ and DMSO-d₆, which can have much longer life times than conventional Zeeman magnetization. These LLS can be detected indirectly via the asymmetric multiplets in ¹³C NMR spectra in solution state at room temperature after dissolution due to scalar couplings between ¹³C and ²H. These LLS result from population imbalances between spin manifolds of distinct irreducible representations of the relevant symmetry groups of the investigated deuterated moities. In this thesis we have investigated LLS in CD₂ and CD₃ groups. Lifetimes of these LLS can exceed the spin-lattice relaxation times T₁(²H) of deuterium nuclei by a factor up to 20 (depending on the underlying molecular dynamics) and can be obtained by monitoring the decay of the asymmetry of the ¹³C multiplet. These observations can expend the scope of DNP by adding ²H nucleus to the list of possible observables.

La mesure de couplage dipolaire permet d’accéder à la structure tridimensionnelle d’un composé solide. Cependant, en présence d’une forte densité de spins couplés, le phénomène de troncature dipolaire rend difficile l’obtention de ces informations par RMN du solide. Ce problème peut être affranchi par l’étude de spins rares en abondance naturelle. En effet, avec une abondance naturelle de 1.1 %, la probabilité que trois 13C soient couplés, et avec elle la troncature dipolaire, devient négligeable. Une méthodologie basée sur la séquence de recouplage dipolaire POST-C7 permet d’accéder à des informations structurales d’échantillons en abondance naturelle sensibles à la fois à la conformation moléculaire et à l’empilement cristallin par mesure de couplages dipolaires 13C-13C. La sensibilité de détection des signaux RMN 13C est augmentée à l’aide la polarisation dynamique nucléaire ce qui permet de réduire considérablement les temps d’expériences. De plus, la séquence de recouplage R20_9_2 aidée de supercycles s’est montrée être plus robustes que POST-C7 face à de fortes anisotropies de déplacement chimique ou de forts couplages hétéronucléaires 1H-13C. La seconde problématique abordée concerne l’attribution de signaux 13C. En effet, il existe seulement quelques exemples de détermination de connectivités 13C -13C en abondance naturelle. Nous montrons ici que des spectres de corrélations dipolaires 13C-13C peuvent être obtenus en quelques jours à l’aide de la séquence de recouplage R20_9_2. Contrairement aux méthodologies basées sur le couplage J, notre séquence requiert un temps d’excitation DQ plus court ce qui la rend adaptée à l’étude de solides désordonnés. / Measurment of dipolar coupling provides 3D structural information of powder samples. However, in practice, the high density of spins in organic compounds prevents the measurements of long-range dipolar couplings in solid-state NMR by the so-called dipolar truncation effect. The study of rare spins on natural abundance allows to overcome this problem. In fact, with a natural abundance of 1.1 %, the probability for three 13C to be coupled is negligible. We developed a methodology based either on the dipolar recoupling NMR pulse sequence POST-C7 or on the dramatic increase in sensitivity provided by dynamic nuclear polarization. We demonstrated that its methodology provides a measure of 13C-13C dipolar couplings in natural abundance powder samples and that the so-obtained distance information is sensitive to both molecular conformation and crystal packing of powder samples. Moreover, we show that the recoupling pulse sequence R20_9_2 is more robust to strong chemical shift anisotropy and also to strong 1H-13C heteronuclear dipolar couplings than POST-C7. The second challenge involves 13C signal assignment for natural abundance. In fact, there are only a few examples of 13C-13C correlation spectra obtained for natural abundance samples. Here, we show that 13C-13C correlation spectra sequence based on the reintroduction of 13C−13C dipolar couplings can be obtained with standard MAS probe and within few days using R20_9_2 pulse sequence. Contrary to pulse sequences based on 13C-13C J coupling, our pulse sequence requires shorter DQ excitation time and hence, is more suitable for samples having short T2 relaxation times such as amorphous solids.