En comparaison avec d’autres techniques de couplage-croisé adaptées à la synthèse de polymères conjugués, la polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) s’avère avantageuse d’une perspective industrielle et environnementale. En effet, elle permet d’éviter l’utilisation d’agents de transmétallation nécessaires aux méthodes classiques de polymérisation. La réaction de PHAD exploite l’activation de liens aromatiques carbone-hydrogène (C–H) pour une synthèse efficace de polymères conjugués avec une excellente économie d’atomes. La réaction d’(hétéro)arylation directe permet la formation d’un lien entre deux atomes de carbone d’hybridation sp2 à partir d’un lien C–H via l’état de transition de la métallation-déprotonation concertée (CMD). La majorité des polymères conjugués utilisés en électronique organique contient des unités de répétition à base de thiophène. Cet hétérocycle, possédant des propriétés électroniques et stériques désirables, sont fonctionnalisés avec des groupes donneurs ou accepteurs d’électrons, ainsi qu’avec des chaînes aliphatiques à des fins de solubilité. Cependant, l’utilisation du motif thiophène peut mener à des défauts structuraux dans la chaîne polymère puisqu’elle comporte plusieurs liens C–H activables en PHAD. Si un lien C-H non-désiré (en position β du motif thiophène) est activé plutôt que le lien en position α, un défaut en β peut alors être incorporé de manière covalente dans la structure polymérique résultante. La présence de défauts en β mène à une perturbation de la conjugaison du polymère et de l’organisation du matériau à l’état solide, des facteurs qui peuvent réduire les performances en dispositifs d’électronique organique. Étant donné l’omniprésence du motif thiophène au sein des polymères conjugués et sa sélectivité parfois problématique, une étude computationnelle du mécanisme de l’arylation directe sur des unités thiophènes modèles a été entreprise dans le cadre de ce projet. En utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité et le cluster couplé, les barrières d’activation pour l’état de transition de la CMD de plusieurs substrats modèles ont été calculées et analysées par la méthode de la distorsion-interaction. L’effet activant d’un halogène sur les liens C–H adjacents à celui-ci a été étudié. Les résultats permettront de guider la conception de monomères pour la réalisation de matériaux régioréguliers par PHAD. / The direct (hetero)arylation polymerization (DHAP) reaction harnesses the single-step activation and arylation of aromatic carbon-hydrogen bonds for the efficient synthesis of conjugated polymers. By avoiding the need for transmetalating agents used in other polymerization techniques, the number of synthesis steps is reduced, the need for expensive and often unstable reagents is minimized and the production of toxic organometallic by-products is eliminated. These factors contribute to a reaction which is more favourable than traditional methods for the preparation of conjugated polymers from an industrial and an environmental perspective. Most high-performing conjugated polymers for organic electronic applications contain thiophene-based repeating units. These heterocycles possess desirable electronic features and are easily functionalized with electron-accepting or -donating substituents or solubilizing side-chains to tune their electronic and physical properties. However, the issue has arisen over the selectivity of the concerted metalation-deprotonation (CMD) transition state, the key step of the direct arylation mechanism which determines the selectivity of C–H bond activation. There are multiple reactive C–H bonds on thiophene monomers, and if the undesired bond (the “Cβ–H” bond) were to be activated, it would generate a β-defect in the resulting polymer. This may lead to a disruption in both the π-conjugation of the polymer and the supramolecular organization of the material in the solid state, factors which can contribute to reduced performance in organic electronic devices. Given the ubiquity of thiophene-based units in conjugated polymers and the assumed issues regarding selectivity, we used computational techniques to study the direct arylation mechanism on model thiophene substrates possessing various electronic features. Using density functional theory and coupled-cluster methods, activation barriers for the CMD transition states of various C–H bonds were calculated and analyzed using the distortion/interaction model. The activating effect of a halide on thiophene was also studied. The results suggest that there are inherent features of selectivity for electron-rich or electron-poor thiophenes, and that the location of the halogen greatly influences coupling selectivity by activating the undesirable Cβ–H bond. These findings could guide the design of monomers amenable to high-selectivity DHAP protocols.

L’omniprésence de produits de synthèse dans des domaines allant de la pharmaceutique à la pétrochimie dépend d’une industrie chimique forte s’appuyant en partiesur la maîtrise de procédés catalytiques. La catalyse hétérogène est particulièrement prisée puisqu’il est facile de récupérer et de réutiliser le catalyseur. Une approche éprouvée pour améliorer l’efficacité en catalyse hétérogène consiste à mieux comprendre les interactions entre les substrats et les sites catalytiques individuels. De nombreuses questions demeurent quant à l’activité et à la sélectivité des sites actifs en catalyse hétérogène asymétrique. Mes travaux de doctorat concernent spécifiquement la caractérisation des sites catalytiques pour l’hydrogénation énantiosélective de cétones activées sur une surface de Pt(111) chiralement modifiée par des molécules apparentées à la cinchonidine, la réaction d’Orito, et ce, par microscopie à effet tunnel (STM). La résolution du microscope est suffisante pour cataloguer des dizaines de milliers de complexes selon leur géométrie d’assemblage. Les assemblages les plus abondants sont comparés aux structures les plus stables calculées selon les calculs DFT du groupe du Pr Hammer, de l’Université d’Aarhus, au Da-nemark. L’adéquation entre les motifs les plus fréquemment observés par STM et lesimages STM simulées à partir des assemblages les plus stables selon la DFT permet d’assigner une pro-chiralité aux structures cataloguées. La pro-chiralité identifie un complexe selon la chiralité de l’alcool qu’il formerait si le substrat était hydrogéné dans cette géométrie. On peut comparer le ratio pro-chiral (pr) des complexes formés sur la surface au ratio énantiomérique (er) formé lors de la réaction. L’approche combinée STM-DFT permet de comprendre comment les forces intermoléculaires divergent d’un complexe à l’autre, expliquant la stéréosélection. Le chapitre 3 se base sur une série d’expériences comparant les assemblages formés par le substrat cétopantolactone (KPL) avec trois modificateurs chiraux partageant le même groupement ancrant : le (R)-1-(1-naphthyl) éthylamine ((R)-NEA), le (R)-N-Méthyl-1-(1-naphthyl) éthylamine ((R)-MNEA) et le (R)-1-naphthyl-1,2-éthanediol ((R)-NED). Les divergences observées pour les abondances relatives des géométries d’assemblages proviennent de subtiles différences entre les groupements donneurs de liaisons hydrogène des trois modificateurs chiraux. On note qu’autant pour lesystème (R)-NEA/KPL que pour le système (R)-NED/KPL, le pr et le er concordent, tandis qu’ils divergent pour le système (R)-MNEA/KPL. Le chapitre 4 cherche à comprendre l’effet d’une modification simple sur les assemblages formés par le (R)-NEA et le substrat pro-chiral 2,2,2-trifluoroacétophénone (TFAP). Pour ce faire, un nouveau modificateur chiral a été synthétisé : le (R)-1-(8-methyl-1-naphthyl)éthylamine ((R)-8MeNEA). Celui-ci ne se distingue du (R)-NEA que par l’ajout d’un méthyle sur le groupement aromatique non-substitué. La présence d’un groupement méthyle supplémentaire vient affecter la préorganisation des substrats dans certains sites catalytiques du (R)-NEA, ainsi que la diffusion vers et entre ceux-ci. Évidemment, les assemblages où le TFAP se retrouverait à l’endroit de la substitution sont fortement perturbés par encombrement stérique et sont doncpeu observés. De plus, les populations relatives d’assemblages éloignés du site del’altération changent elles aussi par rapport à celles observées pour le (R)-NEA. De tels effets secondaires doivent être considérés lors de la conception rationnelle de modificateurs chiraux. Le chapitre 5 compare les complexes formés par deux substrats pro-chiraux, le pyruvate de méthyle (MP) et le méthyle 3,3,3-trifluoropyruvate (MTFP), avec le (R)-NEA.Le MP, lorsqu’il y a peu d’hydrogène sur la surface et que la température est suffisamment élevée, peut former un énol sur la surface de platine. Cet intermédiaire énol n’est pas formé en milieu catalytique, riche en hydrogène. Un moyen d’éviter la formation de l’énol est d’utiliser le substrat prochiral MTFP, qui ne diffère du MP que par la substitution d’un groupement méthyle par un trifluorométhyle. Les assemblages impliquant MP et MTFP diffèrent, y compris aux températures auxquelles les deux substrats sont sous forme cétonique. Ces divergences s’expliquent par la plus grande électronégativité du CF3, qui modifie l’adsorption du carbonyle cétonique, et donc du substrat. Des mesures des populations relatives des diverses géométries d’adsorption des complexes (R)-NEA/MTFP à des températures croissantes révèlent que l’équilibre thermodynamique n’est bien approximé que pour des températures supérieures à 250 K. La mobilité accrue du MTFP à cette température lui permet desonder plus efficacement les divers sites auxquels il peut se lier sur la surface. / The widespread use of chemical synthesis – in domains as varied as the pharmaceutical and petrochemical industries – requires a strong chemical industry, relying onthe use of many catalytic processes. Heterogeneous catalysis is often favoured as it is easier to recycle and reuse the catalysts. A reliable way to improve efficiency in heterogeneous catalysis is to better understand how substrates interact with individual catalytic sites. Many questions remain relating to the activity and selectivity of active sites in asymmetric heterogeneous catalysis. My thesis deals with the characterization of catalyticsites for the enantioselective hydrogenation of activated ketones on chirally modified Pt(111), the so-called Orito reaction, using scanning tunnelling microscopy (STM). The chiral modifiers are structural analogues of cinchonidine. The resolution of STM is sufficient to catalogue tens of thousands of bimolecular complexes according to their interaction geometry. The most abundant motifs are compared to the most stable structures as computed from DFT calculations performed by Pr Hammer’s groupin Aarhus University, in Denmark. The agreement between the STM motifs and images simulated from the DFT calculations allow us to assign a pro-chirality to each complexation geometry. The pro-chirality labels complexes according to the chirality of the resulting alcohol if the substrate were to be hydrogenated in this configuration. We can compare the pro-chiral ratio (pr) for complexes observed by STM to the enantiomeric ratio (er) measured in a catalytic setting. Combining STM imaging with DFT calculations allow us to better understand why some complexation geometries are favoured, thus explaining stereoselction. Chapter 3 presents a series of experiments comparing the assemblies formed by the substrate ketopantolactone (KPL) with three chiral modifiers sharing a similar anchoring moiety: (R)-1-(1-naphthyl)ethylamine ((R)-NEA), (R)-N-Methyl-1-(1-naphthyl) ethylamine ((R)-MNEA) and (R)-1-naphthyl-1,2-ethanediol ((R)-NED). Differences between the observed populations for competing interaction geometries are ascribed to subtle variations in the hydrogen-bond donors moieties. We note that pr and er are roughly in agreement for (R)-NEA/KPL and (R)-NED/KPL assemblies, but not for (R)- MNEA / KPL. Chapter 4 tries to understand how a small structural alteration can change the complexes formed by (R)-NEA and the pro-chiral substrate 2,2,2-trifluoroacetophenone (TFAP). A new chiral modifier (R)-1-(8-methyl-1-naphthyl) ethylamine ((R)-8MeNEA), has been synthesized and differs from (R)-NEA only by an added methylmoiety on the non-substituted aromatic ring. This methyl changes the preorganisation states of chirality transfer complexes, and diffusion among the competing geometries. The binding configurations at the methyl substituent obviously disappear because of steric hindrance. We also record changes in the relative populations of complexation geometries away from the substitution. Such second-order changes must be taken into account for the rational design of chiral modifiers for heterogeneous catalysis. Chapter 5 compares chirality transfer complexes formed by two pro-chiral substrates, methylpyruvate(MP) and methyl3,3,3-trifluoropyruvate(MTFP), with(R)-NEA.MP can form an enolon Pt(111) in hydrogen poor environment, such asan ultra-high vacuum system, if the temperature is high enough. An alternative to MP which cannot form the enolisits trifluorinated analogue: MTFP. Populations of competing chirality transfer complexes involving MP and MTFP differ, including at temperatures below which the enol is formed. These divergences arise from the higher electronegativity of the CF3 moiety, which modifies the adsorption of the ketonic carbonyl, and hence of the whole pro-chiral substrate. The populations of competing (R)-NEA/MTFP geometries are found to better approximate the thermodynamic equilibrium at temperatures above 250 K. This can be explained by increased MTFP mobility, which allows the pro-chiral substrate to sample more efficiently all competing assemblies on the surface.

Les biofilms microbiens soit des communautés multicellulaires formées de bactéries, adhérant à une surface, entourés d'une couche de polymère extracellulaire (EPS). Parce qu'ils sont naturels, les biofilms bactériens sont de plus en plus étudiés et utilisés pour des applications en biocatalyse, en autoréparation et en tant que systèmes pouvant fonctionner efficacement dans des conditions ambiantes. La structure du biofilm est également importante, car elle peut protéger les bactéries sous les contraintes physiques, chimiques et biologiques rencontrées lors de l'opération du bioréacteur. Parmi les principaux facteurs entrant dans la régulation du développement du biofilm et de ses propriétés à maturité, on trouve les conditions hydrodynamiques et les concentrations d'éléments nutritifs appliquées. La microfluidique connait une popularité croissante parmi la communauté de recherche sur les biofilms en raison de sa capacité à mieux contrôler ces paramètres en fonction de d'autres propriétés physicochimiques importantes et même le taux de croissance. Dans ce travail, nous nous appuyons sur les travaux antérieurs de notre groupe pour résoudre deux principales limites. Tout d'abord, la tendance des biofilms à contaminer les canaux et les tubes en amont peut éroder les spécifications précises des conditions expérimentales dans les positions en aval d'où des mesures analytiques sont réalisées. La premiere partie ce travail, nous présentons un dispositif microfluidique qui varie la vitesse d'écoulement en amont pour arrêter la croissance vers l'arrière et la contamination de l'entrée pour les expériences de longue durée. Le deuxième point d'intérêt est lié à des facteurs qui provoquent une hétérogénéité dans les modèles de croissance du biofilm. On a noté que les bulles formées pendant et après l'inoculation augmentaient la croissance locale du biofilm et réduisaient l'uniformité et l'homogénéité globale. Ce mémoire étudie également les effets des bulles sur le taux de croissance et le développement secondaire du biofilm.

Plusieurs milliards de dollars sont investis chaque année pour la recherche de molécules bioactives contre diverses maladies. De nos jours, la majorité de ces composés sont synthétisés par l’homme et se conforme à la règle de 5 de Lipinski qui analyse les propriétés physicochimiques d’une molécule bioactive et son potentiel à atteindre une cible thérapeutique. Or, plusieurs composés synthétisés sont extrêmement actifs, mais ne respectent pas la règle de Lipinski. L’aspect limitant pour plusieurs de ces molécules est leur faible caractère hydrophile qui diminue la solubilité physiologique. Dans la littérature, plusieurs méthodes ont été publiées pour améliorer cette caractéristique. Un exemple est la conjugaison de la molécule hydrophobe sur des macromolécules telles des polymères, des polysaccharides ou des peptides. En tenant compte de l’expertise de notre laboratoire, nous avons utilisé le dendrimère PEOT, un polymère monodisperse hyperbranché, comme plateforme pour améliorer les propriétés physicochimiques d’un composé bioactif, l’aminostéroïde AH-38, sur diverses lignées cancéreuses. Pour conjuguer l’AH-38 sur le PEOT, il a été nécessaire d’ajouter une méthode d’ancrage par la préparation d’une molécule d’espacement. L’idée initiale était d’utiliser un espaceur qui permettrait de lier de manière réversible l’aminostéroïde bioactif pour être libéré à la cible thérapeutique. La présence intrinsèque d’un groupement fonctionnel hydrophile dans la structure de la molécule d’espacement serait idéale pour une fonctionnalisation complète des terminaisons. De plus, la molécule d’espacement devrait pouvoir se conjuguer en périphérie du dendrimère par cycloaddition 1,3-dipolaire de Huisgen sans avoir recours à un catalyseur de cuivre. Plusieurs tentatives ont été effectuées sans succès pour fonctionnaliser une molécule d’espacement correspondant à ces critères. Finalement, nous avons choisi de ne pas avoir de fonction hydrophile dans l’espaceur et la conjugaison au dendrimère fait intervenir un catalyseur de cuivre. Dans ce mémoire de maîtrise, les avantages de la nanomédecine, le cheminement de pensée et les travaux effectués pour arriver aux molécules cibles sont présentés. / Each year, billions of dollars are invested in research to treat different illnesses using bioactive molecules. Nowadays, most drugs are synthesized by men; they usually comply with the Lipinski rule of 5 which analyses their physicochemical properties and their potential reach the biological target. However, there are still numerous extremely active compounds, but they do not act in accordance to the Lipinski’s rule. Many of those compounds are limited by their low hydrophilicity which reduces their physiological solubility. In the literature, many strategies have been published on ways to enhance this property. For example, a poorly water-soluble drug may be grafted onto a macromolecule such as a polymer, a polysaccharide or a peptide. Considering our laboratory area of expertise, we used the PEOT dendrimer -- a monodisperse hyperbranched polymer -- as carrier to enhance the physicochemical properties of the aminosteroid AH-38, a bioactive compound over multiple cancer cell lines. To graft the AH-38 onto the PEOT, a linker molecule must be used. In our preliminary research, we wanted to choose a structure that could link reversibly the bioactive aminosteroid to be released at the therapeutic target. In the linker’s structure, a hydrophilic functional group should be present, it would be ideal to completely functionalize the dendrimer’s terminis. Also, the linker should be able to graft onto the dendrimère using the Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition without any copper catalyst. Many attempts were made to synthesize a linker with following these criteria, but they all failed. Consequently, we opted for a linker that does not have a hydrophilic functional group and uses a copper catalyst to graft onto the dendrimer. In this master’s report, nanomedecine’s advantages, the entire thinking process and experiments that were performed in order to obtain the target’s molecules are presented.

Les variations ioniques entrent en jeu dans presque tous les processus métaboliques cellulaires et bactériens. Par le fait même, leur dysfonctionnement induit une modification des concentrations attendues et provoque des maladies graves à même la solution physiologique ou le tissu biologique affecté. Parmi ces différents facteurs, le pH est un paramètre-clé régissant plusieurs activités comme la capacité enzymatique, la conformation tridimensionnelle des protéines et l’activation de certains transporteurs membranaires. Lors de ces travaux de doctorat, des nanoparticules fluorescentes sensibles au pH ont été développées et appliquées sous la forme d’un substrat lamellaire implantable directement dans l’environnement de culture de cellules. Ce nouvel outil analytique adapté pour la recherche biomédicale in vitro offre donc la possibilité de visualiser le pH en microscopie de façon quantitative avec une résolution spatiale (~1 μm) et temporelle (<300 ms). Pour ce faire, les nano-capteurs ont été optimisés dans le cadre d’une étude paramétrique structurale. Ces nanoparticules comportent un coeur métallique offrant une activité plasmonique qui permet d’exalter la fluorescence de chromophores incorporés dans une coquille de silice. La taille, la distance d’espacement, et le degré de recouvrement entre la bande plasmonique et le spectre d’excitation/émission de différents fluorophores ont donc été ajustés afin de rentabiliser la portée de l’effet amplificateur de ces architectures concentriques. Comme la chimie d’encapsulation des molécules sensibles est généralisable pour un grand nombre de précurseurs silanes, une démonstration a été faite pour un concept de nanoparticules multicouches permettant simultanément la détection multiélémentaire de la concentration en protons et en ions halogénure (Cl-, Br-, I-), et aussi la correction de ces signaux par rapport à une référence interne. La normalisation ratiométrique permet de compenser pour les fluctuations et erreurs expérimentales issues notamment de la concentration des capteurs, du photoblanchiment et de l’intensité de la source en fonction du temps. Finalement, cette stratégie a été appliquée dans une étude spectroscopique utilisant la fluorescéine dans des nanoparticules coeur-coquille en tant que rapporteur ratiométrique pour la mesure quantitative du pH dans des cultures cellulaires. Pour ce faire, les nano-architectures ont été fonctionnalisées, puis confinées en surface d’un substrat de silice par voie de couplage clic complémentaire. Ces lamelles de microscopie à valeur ajoutée offrent donc une surface adaptée pour la culture de cellules excitables comme les fibroblastes cardiaques et les neurones, mais aussi pour la croissance bactérienne de biofilms et l’analyse multiphase en microfluidique. / Ionic gradient changes are essential in almost every cellular and bacterial metabolic processes. Therefore, any malfunction that perturbs these ion concentrations can induce major illnesses in the affected physiological solution or biological tissue. Amongst all the chemical species influenced by cell metabolism, protons are key to many events; enzyme activity, protein structural changes, and activation of membrane transporters. In this doctoral thesis, pH-sensitive fluorescent nanoparticles were developed and grafted on planar substrates in order to probe the culture medium of different cells in vitro. These innovative analytical tools for biomedical research offer the possibility to image quantitative pH values in microscopy with both spatial (~1 μm) and temporal resolutions (<300 ms). As such, the sensors were optimized in a structural parametric study with regards to the nanoarchitecture design. These particles comprise a metallic core with plasmonic properties to enhance the fluorescence of molecules incorporated into a porous silica shell. The core size, the spacing layer thickness, the spectral overlap between the plasmon and the fluorescence excitation/emission bands, and the sensitive moieties were carefully chosen to take advantage of the plasmonic range of enhancement in concentric architectures. Since the covalent encapsulation of molecules is highly adaptable for many silanized fluorophores, core-multishell architectures were synthesized as a proof of concept which allows simultaneous measurements of pH and halides (Cl-, Br-, I-), and signal normalization with an internal reference onto the same nanoparticle. The ratiometric correction compensates for fluctuations in light intensity and experimental errors with sensor concentration, photobleaching and environmental effects as a function of time. Finally, this analytical strategy was applied in a spectroscopic study of fluorescein-doped nanoparticles as quantitative pH-sensitive markers implemented in biological cell cultures. Particularly, the core-shell nanoarchitectures were functionalized with a silane component and immobilized at the surface of a silica substrate by way of complementary click coupling. These improved microscope coverslips were evaluated as a fluorescent sensing surface for the culture of adhesive excitable cells – e.g. cardiac fibroblasts and neurons, but also for the growth of bacterial biofilms and the study of multiphase interfaces in microfluidic devices.

L’utilisation de la biomasse comme source d’énergie renouvelable intéresse grandement les chercheurs depuis quelques années. Celle-ci est également très prometteuse pour l’industrie chimique qui peut transformer facilement les résidus de matière cellulosiques (riches en xyloses) en furfural. À partir de ce dernier, il est possible de synthétiser des produits utilisables dans divers domaines, tels les biocarburants, l’industrie chimique et les herbicides. Cependant, le coût élevé des catalyseurs de métaux nobles, essentiels pour obtenir ce type de produits, réduit l'intérêt pour l'utilisation de cette biomasse. Les présents travaux portent sur la caractérisation d’une alternative moins coûteuse, soit les carbures de métaux de transition (TMCs), particulièrement les carbures de molybdène de forme α-Mo2C bidimensionnels. Ceux-ci sont très intéressants, particulièrement pour leurs propriétés catalytiques, qui sont similaires à ceux des métaux nobles (Pt, Pd). À l’heure actuelle, très peu d’informations sur ceux-ci sont disponibles, dans la littérature, ce qui limite leur utilisation. Le but principal de ce projet est d’étudier les propriétés de surface des α- Mo2C en 2D sur un substrat de cuivre, en vue de leur utilisation en catalyse hétérogène. Par exemple, un catalyseur de α-Mo2C peut être utilisé pour éliminer sélectivement l'oxygène ou pour faire des réactions d’hydrogénations, pour produire des composés d’intérêt de manière beaucoup plus respectueuse pour l’environnement et à faible coût. Diverses techniques de nettoyage sur les échantillons de α-Mo2C/Cu ont été tentées. De plus, les résultats de l’adsorption de plusieurs réactifs, sur la surface de α-Mo2C/Cu, sont présentésafin d’étudier l’interaction réactifs/surfaces. Des résultats avec, entre autres, le furfural sont présentés. / In recent years, researchers have been very interested in the use of renewable energies, mainly those from biomass. Thisis very promising for the chemical industry, which in two easy steps can transform cellulosic material residues (rich in xylose) into furfural. From furfural, it is possible to synthesize products applicable in various fields, such as biofuels, chemical industry orherbicides. However, the high cost of noble metal catalysts essential, to obtain products of interest, reduces the use of this biomass. In the present case, the work focusses on the characterization of a less expensive alternative, namely transition metal carbides (TMCs), particularly two-dimensional molybdenum carbides (α-Mo2C). These are very promising because of their ability to combine both the properties of transition metals and those of ceramics. They also have catalytic properties similar to those of noble metals, such as platinum and palladium in heterogeneous catalysis. At present, very little information is available in the literature, which limits this alternative. The main goal of this project is studying the surface properties of α-Mo2C2D crystalliteson a copper substrate, with a view to their use in heterogeneous catalysis. For example, an α-Mo2C catalyst can be used to selectively remove oxygen or to perform hydrogenation reactions, which is agreenerand low-costmethod, to produce compounds of interest. Various techniques for cleaning samples of α-Mo2C/Cu were attempted. In addition, the results of several reactants adsorbed on α-Mo2C/Cu are presented in order to probe the reactivity of the 2D samples. One particularly interesting molecule studiedis furfural, a major product of biomass.

En raison de leur petite taille, les nanomatériaux présentent des propriétés différentes par rapport à leur homologue à l’échelle macroscopique. Une oscillation collective des électrons de conduction, le plasmon, est observée lorsqu’une nanoparticule métallique (par exemple: Ag, Au, In, Cu) est irradiée à une fréquence spécifique. Dans le cadre de ces travaux de maîtrise, la conception de deux types de capteurs utilisant la plasmonique a été accomplie. Le premier capteur aura pour but de détecter des complexes immuns alors que le second aura pour but de détecter de subtiles variations chimiques. Il est possible d’utiliser la plasmonique pour étudier les variations d’indice de réfraction. La reconnaissance spécifique d’un antigène par un anticorps greffé sur une nanoparticule métallique induit un changement d’indice de réfraction local, affectant ainsi la fréquence du plasmon qui peut être mesurée en spectrophotométrie. Au cours de ce projet de maîtrise, un substrat lamellaire supportant des nanocubes d’argent immobilisés par un film de polydopamine a été préparé pour la détection rapide des complexes immuns. La répétabilité, la sélectivité et la sensibilité de ce biocapteur ont été étudiées. En raison de sa sensibilité et rapidité de mesure, ce type de substrat pourrait devenir un outil intéressant pour contrer la fraude alimentaire. En plus de pouvoir sonder le milieu environnant, les nanoparticules plasmoniques peuvent augmenter la fluorescence intrinsèque de fluorophores positionnés à proximité, ce qui a pour avantages d’augmenter la sensibilité du signal analytique et d’améliorer la photostabilité du fluorophore. La deuxième partie de cette maîtrise porte sur la conception d’une fibre optique supportant des nanoparticules fluorescentes dans le but de détecter de faibles variations chimiques dans un réseau synaptique. Pour ce faire, une nanoarchitecture plasmonique ionosensible a été développée, puis greffée au bout d’une fibre optique. Finalement, une preuve de concept a pu être réalisée afin de montrer l’efficacité et l’applicabilité de ces capteurs fibrés / Due to their relatively small size, nanomaterials display properties different from bulk material. The collective oscillation of conduction electrons, called plasmon, is observed when a metallic nanoparticle (e.g. Ag, Au, In, Cu) is irradiated at a specific wavelength. In this research project, two sensors based on plasmonic properties have been developed and characterized. The first one aims to detect immunocomplexes, while the other one aims at detecting subtle chemical variations. The first sensor will use plasmonics to detect refractive index variations. Specific recognition of an antigen by its corresponding antibody induces a local refractive index and thus affects the plasmon’s frequency, which is measured using spectrophotometry. Throughout this project, a lamellar substrate supporting silver nanocubes coated with a thin film of polydopamine has been prepared for the rapid detection of immunocomplexes. Properties such as repeatability, selectivity, and sensitivity have also been studied. Due to its sensitivity and speed of measurement, this type of substrate could become an interesting tool to fight meat fraud. In addition to being able to detect the surrounding environment, plasmonic nanoparticles can increase the intrinsic fluorescence of a fluorophore positioned nearby, which increases the intensity of the analytical signal and improves the fluorophore’s photostability. The second part of the project will focus on the conception of a fiber optic probe supporting fluorescent nanoparticles in order to detect small chemical variations in synaptic networks. For this purpose, an ionosensitive plasmonic nanoarchitecture has been developed and grafted to the end of a fiber optic. Finally, a proof of concept was done to show the efficiency and applicability of these fibered sensors.

Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle méthode de synthèse et l’établissement de plusieurs synthèses totales de produits naturels poly-oxygénés d’intérêt biologique et médicinal. En particulier, nous décrirons la première synthèse de l’antibiotique antitumoral basidalin comportant une structure unique (chapitre 2). Originalement isolé d’une éponge terrestre en 1983, basidalin est le seul et unique produit naturel possédant un motif tétronamide. De plus, il a démontré des activités antitumorales in vitro et in vivo significatives. Ces attributs ont attiré l’attention des communautés de chimistes de synthèse et médicinale depuis environ trois décennies. Bien que plusieurs approches aient été rapportées dans la littérature, aucune d’entre-elles n’a permis de fournir la basidalin. Afin de surmonter ce défi, une méthode précédemment développée dans le groupe du professeur Boukouvalas a été judicieusement appliquée prouvant ainsi sa haute efficacité. Ainsi, nous avons complété la première synthèse de la basidalin avec un rendement global de 39% pour 5 étapes incluant seulement 3 purifications par chromatographie. Le chapitre 3 concerne le développement d’un procédé de catalyse au fer pour l’installation de substituants carbonés à la position  d’un buténolide, et son application pour la première synthèse d’un antibiotique marin, I’enhygrolide A. Plus spécifiquement, nous avons démontré que le groupement pivalate, jusqu’ici inexploré, est supérieur au triflate en tant que partenaire électrophile dans la réaction de couplage croisé avec des réactifs de Grignard catalysé au fer. Cette découverte aura permis la préparation efficace de I’enhygrolide A en 5 étapes (54%) à partir de produits commerciaux. Dans le chapitre 4, nous décrirons l’élaboration d’une méthode pour la construction d’un composé antitumoral rare de la famille des acétogénines, caractérisé par un motif –(2-hydroxyalkyl)––hydroxybuténolide. La puissance de cette méthodologie a été démontrée par la première synthèse de la donnaienin A. Notre voie de synthèse est convergente (total de 24 étapes, séquence linéaire la plus longue de 15 étapes, rendement global de 6,5%) offrant une flexibilité synthétique considérable pour de futures applications. Finalement, nous avons développé une séquence réactionnelle nouvelle et efficace pour la synthèse de furo[2,3-b]chromones. Ce procédé implique une réaction de cycloaddition/cyclo-inversion de Diels-Alder régiocontrôlée entre un oxazole et une ynone. Elle est suivie par une réaction in situ d’addition/élimination d’oxa-Michael fournissant les furo[2,3-b]chromones avec, de manière générale, de haut rendements. Son utilité a été démontrée lors de la première synthèse du bothriofuran A, accomplie en 5 étapes (rendement global de 27%). / This thesis describes the development of new synthetic methods and the establishment of streamlined total syntheses of densely functionalized oxacyclic natural products of biological and medicinal interest. In particular, we describe the first synthesis of the structurally unique antitumor antibiotic basidalin (Chapter 2). Originally isolated from a terrestrial fungus in 1983, basidalin is the first and only natural product known thus far to possess a tetronamide motif. In addition, basidalin displays significant antitumor activity in vitro and in vivo. These attributes have captured the interests of the synthetic and medicinal chemistry communities for over three decades. Notwithstanding the several approaches reported in the literature, none of them were successful in delivering even traces of basidalin. To overcome this challenge, advantage of previously conveyed technology by the Boukouvalas group was taken to judiciously design a strategy that proved highly effective. Indeed, we were able to synthesize basidalin in 39% overall yield after 5 steps and only 3 purifications by chromatography. Chapter 3 concerns the development of a new, iron-catalyzed process for installing carbon substituents onto the –position of the butenolide ring and its application to the first synthesis of the marine myxobacterial antibiotic enhygrolide A. Specifically, we have shown that the hitherto unexplored butenolide pivalates are superior to triflates as electrophilic partners in iron-catalyzed sp2-sp3 cross-coupling with Grignard reagents. This discovery, combined with a tactically sound synthesis plan, enabled enhygrolide A to be prepared with high overall efficiency (54%) in 5 steps from commercial chemicals. In Chapter 4 we describe a new methodology for constructing a rare type of antitumor annonaceous acetogenins, characterized by an –(2-hydroxyalkyl)––hydroxybutenolide motify. The power of this methodology was demonstrated by the first synthesis of such an acetogenin, namely donnaienin A. Our route is convergent (24 steps in total, longest linear route: 15 steps, 6.5% yield) offering considerable synthetic flexibility for future applications. Finally, we have developed a new and efficient tandem reaction sequence for the synthesis of furo[2,3-b]chromones. This process involves regiocontrolled oxazole−ynone Diels−Alder cycloaddition/cycloreversion followed by in situ oxa-Michael addition/elimination to deliver furo[2,3-b]chromones in generally high yields. Its utility was demonstrated by the first synthesis of a furo[2,3-b]chromone natural product (bothriofuran A), accomplished in 5 steps (27% overall).

Ce mémoire présente le développement et l’élaboration d’un outil d’analyse de performances d’extraction de ligands pour les éléments de terres rares (ETR) en solution. L’outil est basé sur la technique d’extraction liquide non-dispersive à partir de fibres creuses et poreuses, dont le but était d’utiliser le moins de ligands possible à chaque test. L’objectif de cet outil est de dépister les ligands avec un bon potentiel en vue de les greffer sur un support de silice mésoporeux. Ces supports de silice mésoporeux ont montré une sélectivité et de résultats d’extraction prometteurs. Par contre, la synthèse et l’étape de greffage sont parfois difficiles. Pour ces raisons, un micro-système a été conçu à partir d’un module de fibres commercial, alors qu’un second système a été réalisé expérimentalement qui utilise peu de ligands. Ce dernier système, entièrement développé en laboratoire, est fait de matériaux robustes chimiquement dont le Téflon®, le polyétheréthercétone (PEEK) et le Viton®, permettant de modifier sans restriction le solvant utilisé. Un ligand connu de la littérature, le N, N, N’, N ‐ tétraoctyl diglycolamide (TODGA) a été utilisé pour fournir les paramètres de référence, autant dans le module d’extraction commercial qu’expérimental. À partir du patron d’extraction de ce ligand référentiel, il a été possible de comparer l’efficacité d’extraction de nouveaux ligands en solution tels que le tétrahexyl diglycolamine (THDGA), le tétraoctyl dioaxoctanediamide (TODOODA) et le 2,5- furandiglycolamide (TOFDGA). Ces études ont montré que la structure du ligand a un impact significatif sur l’extraction, plus précisément sur l’angle de contact avec le métal. En effet, plus l’angle de contact du ligand est grand, plus celui-ci formera un complexe stable avec un métal dont le rayon ionique est grand. Ainsi, une sélectivité a été observée pour le TOFDGA envers les ETR légers. À l’inverse, le TODOODA, avec un angle de contact plus / This work presents the development of a performance analysis tool for the extraction of rare earth elements (REE) in solution using extractants. The tool is based on the non-dispersive liquid extraction technique using hollow and porous fibres. The objective of this tool is also to screen the extractants with good potential for grafting them to a mesoporous silica support, which showed selectivity and promising extraction results. On the other hand, the synthesis and the grafting steps are sometimes difficult on the mesoporous support. For these reasons, a micro system was built from a commercial fiber module, while a second system was designed in house, in order to use as less extractant as possible in each test. The latter system is made of chemically robust materials including Teflon®, polyetheretherketone (PEEK) and Viton®, allowing an unrestricted choice of solvent. An extractant known from the literature, N, N, N ', N-tetraoctyl diglycolamine (TODGA) was used to set the reference parameters, both in the commercial and hand made extraction module. From the pattern of extraction of this reference extractant, it was possible to compare the extraction efficiency of new ligands in solution such as tetrahexyl diglycolamine (THDGA), tetraoctyl dioaxoctanediamide (TODOODA) and 2,5- furandiglycolamide (TOFDGA). Studies have shown that the structure of the extractant has a significant impact on the extraction, specifically the bite angle between the metal and the ligand. Indeed, the greater the bite angle of the ligand, the more a stable complex it will form with a metal whose ionic radius is large. Thus, selectivity was observed for the TOFDGA towards the light ETRs. On the other hand, TODOODA center is more mobile than previous extractants resulting of a smaller contact angle and an higher affinity for heavy, low-ionic REEs.

342751\u Comparativement à leur analogue à base de silicium, les cellules solaires organiques qui sont à base de polymères semi-conducteurs ont pour avantages de pouvoir être produites à plus faible coût, d’être plus légères, d’être flexibles et de pouvoir être mises en œuvre sous forme d’encre. De plus, lorsqu’un copolymère ayant de bonnes propriétés est obtenu, celuici peut ensuite être optimisé par modification chimique des monomères afin de combler ses lacunes. Ainsi, une méthode de plus en plus répandue et présentant de nombreux avantages consiste en l’incorporation d’atomes de fluor au sein des monomères composant le polymère. En effet, il a été démontré à maintes reprises que l’incorporation d’atomes de fluor a pour effet d’améliorer l’efficacité de conversion de la lumière en courant électrique via différents mécanismes tel que la stabilisation des orbitales moléculaires et la meilleure organisation à l’état solide des chaînes polymères. En ce sens, nous avons décidé d’entreprendre la synthèse de nouveaux monomères fluorés à base de thiophène afin d’étudier l’influence du nombre et de la position des atomes de fluor sur les propriétés physiques et optoélectroniques de polymères ainsi que sur la polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD). Différents nouveaux dérivés de thiophène monofluorés ont donc été synthétisés permettant alors la préparation de nouveaux monomères conjugués inspirés d’une unité très étudiée dans le domaine de l’électronique organique, soit le 4,7-bis(thiophèn-2-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole (DTBT). Ensuite, les différents monomères de DTBT fluorés ont été copolymérisés par PHAD avec le 1,4dibromo-2,5-bis(alkoxy)phénylène. La présence d’atomes de fluor s’est révélée très bénéfique à la PHAD puisque des temps de polymérisation beaucoup plus courts ainsi que de meilleures masses molaires ont été obtenus pour les monomères comportant un atome de fluor à la position adjacente au site de polymérisation. Finalement, la caractérisation des propriétés physiques, thermiques et optoélectroniques a permis de démontrer que la position et le nombre d’atomes de fluor jouent effectivement un rôle important dans la préparation de polymères conjugués aux propriétés améliorées pour des applications en électronique organique.