Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet soutenu par la Région wallonne et a été réalisé en collaboration entre les unités de Chimie Organique et Médicinale (CHOM), de Chimie Structurale et des Mécanismes Réactionnels (CSTR), et de Chimie et Physique des Hauts Polymères (POLY). Il concerne la modification des propriétés du polypropylène (PP) isotactique par mise en œuvre réactive, et plus particulièrement le contrôle de sa cristallinité par l'action d'un composé bromé (N-bromosuccinimide) en présence d'un initiateur de radicaux libres à haute température (entre 180 et 260°C). L'objectif principal de cette étude est de parvenir à identifier et à contrôler les modifications induites au sein des produits, ce qui implique une compréhension fine des mécanismes chimiques intervenant lors de la mise en œuvre réactive du PP. Ces connaissances permettraient en outre de substituer la N-bromosuccinimide (qui génère des sous-produits toxiques et polluants) par un autre additif en vue d'une meilleure valorisation du procédé et des produits. La stratégie repose sur une double approche, basée d'une part sur une étude des divers paramètres qui influencent la réaction sur polymère, et d'autre part sur la synthèse d'un composé modèle du PP : le 2,4,6,8,10-pentaméthylundécane (PMU). Par extrusion réactive du polymère, nous avons obtenu des PP à cristallinité contrôlée (PPCC ; de semi-cristallin à amorphe), dont certains présentent un caractère élastomère marqué. Des études effectuées principalement par analyse thermique et par résonance magnétique nucléaire ont permis de corréler ces propriétés macroscopiques à une microstructure à stéréoblocs isotactiques/atactiques (épimérisation des carbones tertiaires du PP), combinée à la présence de branchements longs (recombinaison de macroradicaux). Par ailleurs, nous avons mis en évidence les différents paramètres susceptibles d'influencer la réaction d'épimérisation du PP. Bien que les informations découlant de ces études nous aient permis de proposer les principaux mécanismes qui entrent en jeu lors de la réaction, seule une étude sur composé modèle peut néanmoins donner accès aux méthodes d'analyses nécessaires à la confirmation de ces mécanismes. Nous avons par conséquent entrepris la synthèse d'un oligomère de propylène pour permettre cette étude sur composé modèle. La synthèse du PMU telle que rapportée dans la littérature s'est avérée plus difficile que prévu, principalement du fait d'un manque de reproductibilité au niveau de l'étape clé. Nous avons donc établi une voie de synthèse originale permettant l'obtention du PMU (mélange de stéréoisomères) avec un rendement global de 45% sur 7 étapes (à l'échelle de plusieurs grammes de produit). En outre, cette voie nous a donné accès au 6-hydroxyméthyl-2,4,8,10-tétraméthylundécane et au 6-p-toluènesulfonyloxyméthyl-2,4,8,10-tétraméthylundécane, pour lesquels des techniques chromatographiques ont permi une séparation des diastéréoisomères. La transposition de ces expériences à plus grande échelle permettra d'envisager l'obtention du (4R,6s,8S)-PMU, en vue de futures études mécanistiques relatives à l'épimérisation du PP de configuration initialement isotactique. / This work is part of a project supported by the Walloon Region, and it was performed in collaboration between the Chimie Organique et Médicinale (CHOM), Chimie Structurale et des Mécanismes Réactionnels (CSTR), and Chimie et Physique des Hauts Polymères (POLY) laboratories. Its object is the modification of the isotactic polypropylene (PP) properties by reactive processing, and more especially the control of PP crystallinity by means of a brominated additive (N-bromosuccinimide) in presence of a free radical initiator at high temperatures (between 180 and 260°C). The main objective of this study is to identify and to control the modifications induced in the products, which implies a fine understanding of the chemical mechanisms occuring during the PP reactive processing. This knowledge would allow us, subsequently, to substitute another additive for the N-bromosuccinimide (which yields toxic and polluting by-products), in order to achieve a better applicability of both the process and the products. The strategy relies on a double approach : on one side, on a study of the various parameters affecting the reaction on the polymer, and on the other side on the synthesis of a model compound of PP : 2,4,6,8,10-pentamethylundecane (PMU). By means of reactive extrusion of the polymer, we obtained controlled crystallinity PP's (from semi-crystalline to amorphous), including some with an elastomeric behaviour. Studies carried out mainly by thermal analysis and nuclear magnetic resonance allowed us to correlate these macroscopic properties to an isotactic/atactic stereoblock microstructure (epimerization of the PP tertiary carbons), combined with the presence of long chain branchings (recombination of macroradicals). Moreover, we highlighted the various parameters that are able to influence the yield of the epimerization reaction. Even if the informations arising from these studies allowed us to propose the main mechanisms involved in the PP modification, only a mechanistic study carried out on a model compound would give us access to the characterization methods required for the confirmation of these mechanisms. We undertook, subsequently, the synthesis of a propene oligomer. The PMU synthesis, as stated in the litterature, revealed itself more difficult than initially foreseen, mainly due to a lack of reproducibility concerning the key step. Therefore we established a new synthesis pathway for the PMU (as a mixture of stereoisomers) with a global yield of 45% over 7 steps (multigram scale). Moreover, this pathway gave us access to 6-hydroxymethyl-2,4,8,10-tetramethylundecane and 6-p-toluenesulfonyloxymethyl-2,4,8,10-tetramethylundecane, for which chromatographic techniques allowed a separation of the diastereoisomers. The transposition of these experiments on a larger scale would allow us to obtain the (4R,6s,8S)-PMU for future mechanistic studies relative to the epimerization reaction of initially isotactic PP.

Les catalyseurs sont des matériaux largement utilisés en chimie et particulièrement dans le domaine du raffinage pour convertir les produits lourds du pétrole peu valorisables en produits légers entrant dans le pool carburant (essence, kérosène ou gazole). L'amélioration de nouveaux supports peut être conduite par la synthèse de matériaux à morphologie contrôlée, par l'augmentation de la surface d'échange entre le catalyseur et le réactif ou encore par l'augmentation de la surface de contact des particules métalliques avec le réactif. L'amélioration et le développement de nouveaux matériaux nécessitent la mise en place d'outils analytiques performants permettant de suivre leur genèse. Dans le cadre de ce travail, nous avons développé une nouvelle méthodologie RMN basée sur la mesure des temps de relaxation transversale (durée de la disparition de l'aimantation transversale) et longitudinale (durée du retour de l'aimantation longitudinale). Nous avons pu montrer que cette technique permet de décrire finement, au cours de la synthèse, les paramètres caractéristiques des particules formées. Elle est applicable à des supports inorganiques amorphes, hiérarchiquement organisés ou cristallisé sur une large gamme de porosité de 4,5Å à 240nm. Elle permet d'accéder à : La texture des particules : rugosité (surface externe) et surface interne développée (micro, méso et macroporosité), la taille et la proportion de particules formées. Pour une famille de matériaux donnée, cette technique est particulièrement sensible à la composition de surface : proportion d'aluminium et d'hydroxyle

Le but de la thèse est d'améliorer la compréhension des équilibres chimiques mis en jeu lors de l'extraction des actinides(III) et des lanthanides(III) dans le procédé hydrométallurgique DIAMEX-SANEX de retraitement du combustible nucléaire usé. Il s'agit de décrire au mieux les différents équilibres chimiques pour améliorer la modélisation des propriétés extractantes de ce procédé. La phase organique est constituée d'un mélange d'extractants : un malonamide, le DMDOHEMA, et un acide dialkylphosphorique, le HDEHP, dilués dans un alcane. Ce mélange extractant présente un comportement singulier comparé au comportement des deux extractants seuls. On observe un effet synergique vis-à-vis de l'extraction d'Eu(III) et Am(III) en milieu acide (HNO3 ≈ 1 mol/L en phase aqueuse) et un effet antagoniste à faible acidité (pH < 1). Dans le but de comprendre ce comportement, des études de spéciation moléculaires ont été réalisées après extraction de Ln(III) et Am(III) par diverses techniques spectroscopiques complémentaires (spectrométrie de masse à ionisation électrospray, spectroscopie IR, spectrométrie RMN, spectrofluorimétrie laser à résolution temporelle, spectrophotométrie UV-Visible) mais également par des calculs de chimie quantique pour optimiser la géométrie des complexes formés. Les différentes techniques ont montré l'existence de complexes mixtes incluant les deux extractants, thermodynamiquement plus stables que les complexes unitaires, permettant d'expliquer la synergie sur l'extraction des cations métalliques. L'existence d'un adduit entre les deux extractants, venant consommer les extractants libres, expliquerait l'effet antagoniste observé à faible acidité.

La déstabilisation de l'ordre antiferromagnétique de Néel au profit de nouvelles phases quantiques à température nulle à deux dimensions est envisageable grâce au phénomène de frustration magnétique. Le modèle théorique de spins Heisenberg S=1/2 répartis sur le réseau bidimensionnel frustré kagome, constitué de triangles joints uniquement par leurs sommets, est susceptible de stabiliser des phases quantiques originales de liquides de spin, qui ne présentent aucune brisure de symétrie à T = 0. Cette thèse a été consacrée à l'étude expérimentale de deux types de composés de spins S=1/2 (Cu2+) à géométrie kagome à l'aide de techniques spectroscopiques locales, la RMN et la μSR, ainsi que de mesures thermodynamiques (susceptibilité magnétique, chaleur spécifique). Dans Mg-herbertsmithite, la frustration est générée par une interaction d'échange premiers voisins antiferromagnétique J et est responsable d'un comportement liquide de spin jusqu'à des températures de l'ordre de J/10000. Par rapport au composé isostructural antérieur, Zn-herbertsmithite, nous avons montré qu'il possédait des propriétés physiques similaires tout en permettant une caractérisation fine du taux de défauts de substitutions Cu/Mg. Nos expériences réalisées à partir d'échantillons contrôlés permettent d'étudier finement l'origine des plateaux de relaxation observés en μSR à basse température en lien avec l'existence des défauts de spins interplans. La kapellasite et l'haydéite possèdent des interactions ferromagnétiques (J1) et antiferromagnétiques (Jd), offrant la possibilité d'explorer le diagramme de phases générées par la compétition de ces interactions sur le réseau kagome. Pour la kapellasite, nos mesures de μSR démontrent le caractère liquide de spin jusqu'à T ≈ J1/1000. La dépendance en température de la susceptibilité magnétique sondée par RMN du 35Cl ainsi que de la chaleur spécifique permettent d'évaluer le rapport Jd/J1 = 0.85, qui localise classiquement son fondamental au sein d'une phase originale de spins non coplanaires à 12 sous-réseaux appelée cuboc2. Les interactions présentes dans l'haydéite localisent son fondamental au sein de la phase ferromagnétique, en bon accord avec nos mesures qui indiquent une transition partielle à caractère ferromagnétique à T = 4 K. Cette étude confirme la pertinence du réseau kagome frustré pour la stabilisation de phases quantiques originales et démontre l'existence d'une nouvelle phase liquide de spin sur ce réseau, distincte de celle attendue pour des spins couplés antiferromagnétiquement.

La thèse porte sur le développement d'algorithmes d'estimation rapides pour l'analyse modale de signaux multidimensionnels (R-D) présentant des problèmes de résolution et de complexité numérique. Un signal multidimensionnel de dimension R est la superposition de produits de R sinusoïdes. L'application visée est la spectroscopie RMN. Dans un premier temps, après un état de l'art des méthodes d'estimation dites " algébriques ", nous proposons une méthode paramétrique basée sur les tenseurs. Celle-ci utilise le treillis multidimensionnel du tenseur du signal R-D et exploite la structure des vecteurs propres du sous-espace signal obtenus en utilisant la décomposition en valeurs singulières d'ordre supérieur. Contrairement à la plupart des approches tensorielles, la méthode proposée permet d'éviter la phase d'appariement des coordonnées des modes dans chacune des dimensions ou d'une diagonalisation conjointe. Dans un deuxième temps, le problème d'estimation modale multidimensionnelle est présenté comme un problème d'approximation parcimonieuse dans lequel le dictionnaire est obtenu par la discrétisation de fonctions exponentielles complexes. Afin d'atteindre une bonne résolution spectrale, il est nécessaire de choisir une grille très fine, ce qui conduit à la manipulation d'un dictionnaire de grande taille avec tous les problèmes calculatoires sous-jacents. Nous proposons alors une méthode originale qui consiste à combiner une approximation parcimonieuse et une approche multigrille sur plusieurs niveaux de résolution. L'approche est validée au travers de plusieurs exemples 1-D et 2-D. En outre, une étude sur l'influence du choix du dictionnaire initial sur la convergence est également menée. Les méthodes développées sont ensuite appliquées à l'estimation des paramètres de signaux de spectroscopie RMN 1-D et 2-D. Afin de réduire le coût de calcul dans le cas de signaux bidimensionnels de grande taille, nous proposons également une approche exploitant la notion de parcimonie simultanée, pour estimer les coordonnées des modes sur chacune des dimensions. La procédure consiste à effectuer deux approximations parcimonieuses 1-D suivies d'une phase de reformation des paires de modes 2-D.

Le contexte de ce travail est le contrôle optimal géométrique appliqué à la mécanique céleste et au contrôle quantique. On s'est tout d'abord intéressé au problème de transfert orbital de satellite autour de la Terre à consommation minimale, qui amena à la réalisation du code HamPath, permettant tout d'abord la résolution de problèmes de contrôle optimal dont la loi de commande est lisse. Il se base sur le Principe du Maximum de Pontryagin (PMP) et sur la notion de point conjugué. Ce programme combine méthodes de tir, méthodes homotopiques différentielles et calcul des conditions d'optimalité du deuxième ordre. Nous nous intéressons par la suite au contrôle quantique. On étudie tout d'abord le contrôle d'un système composé de deux types de particules de spin 1/2 ayant des temps de relaxation différents et dont la dynamique est gouvernée par les équations de Bloch. Ces deux sous-systèmes, correspondant aux deux types de particules, sont couplés par un même contrôle (un champ electromagnétique), le but étant alors d'amener la magnétisation des particules du premier type à zéro tout en maximisant celle du second (dans un système de coordonnées bien choisi). Ce modèle intervient en imagerie médicale par Résonance Magnétique Nucléaire et consiste à maximiser le contraste entre deux régions d'une même image. L'utilisation des outils géométriques et numériques aura permis de donner une très bonne synthèse sous-optimale pour deux cas particuliers (mélange sang oxygéné/désoxygéné et liquide cérébrospinal/eau). La dernière contribution de cette thèse porte sur l'étude d'un système quantique à deux niveaux d'énergie dont la dynamique est régie par les équations de Lindblad. Le modèle est basé sur la minimisation d'énergie du transfert. On se restreint à un cas particulier pour lequel le Hamiltonien donné par le PMP est Liouville intégrable. On décrit alors les lieux conjugué et de coupure pour ce problème riemannien avec dérive.

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale

Le travail présenté dans cette thèse a consisté à développer de nouvelles techniques pour la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) du liquide et du solide. La majeure partie de ce projet est consacrée à l'étude des composés solides isotopiquement enrichis en carbone-13 dans le but de proposer de nouvelles techniques pour augmenter la résolution spectrale des expériences fréquemment utilisées pour l'étude des protéines. Dans les composés biologiques uniformément enrichis en 13C, la présence du couplage scalaire (J) entre les noyaux de carbone induit un élargissement des raies carbone. Cette étude montre que la résolution des spectres carbone peut être significativement augmentée si la contribution du couplage scalaire à la largeur des raies est éliminée à l'aide de la technique sélective appelée IPAP. <br /><br />Un deuxième volet est consacré à la présentation de deux techniques pour la spectroscopie par RMN du liquide. Ces expériences sont basées sur la détection directe du carbone et permettent d'identifier chaque type d'acide aminé de chaîne peptidique. Elles sont particulièrement intéressantes pour l'étude de systèmes biologiques de grande taille ou comportant un centre paramagnétique. <br /><br />Le dernier chapitre de cette thèse, de nouveau consacré à la RMN du solide, détaille l'étude théorique de la modulation induite par le couplage scalaire entre deux noyaux de carbone dans une expérience d'écho de spin. Les régimes permettant d'obtenir une modulation précisément égale à la valeur du couplage scalaire y sont exposés. Des simulations numériques d'une part, et des résultats expérimentaux obtenus sur trois systèmes représentatifs contenant des paires de 13C scalairement couplées d'autre part, appuient l'analyse théorique et montrent que la modulation d'écho de spin est stabilisée par l'anisotropie de déplacement chimique et l'interaction dipolaire.

Les expériences de résonance magnétique nucléaire (RMN) sont généralement réalisées dans des champs magnétiques très élevés et très homogènes. Cependant, des systèmes portables sont apparus ces dernières années. Ces systèmes permettent de faire des mesures de relaxométrie. Si les champs magnétiques statique et radiofréquence (RF) sont corrélés, il est également possible d'acquérir des spectres RMN.<br /><br />Si le champ magnétique statique est inhomogène, l'excitation de l'échantillon et la réception du signal doivent être large bande. Plusieurs séquences d'excitation ont été étudiées, dans le cadre d'applications RMN portables. L'utilisation d'impulsions modulées en fréquence permet de minimiser la puissance instantanée émise par le système. Une modélisation des signaux d'échos de nutation permet d'évaluer l'effet des défauts de corrélation entre les champs statique et RF. A la réception, si la fréquence de résonance n'est pas stable (la polarisation des aimants varie avec la température), la représentation des signaux d'écho dans le plan temps-fréquence permet d'améliorer le rapport signal sur bruit.<br /><br />Une solution permettant de générer deux champs magnétiques perpendiculaires et corrélés a été proposée. Cette solution, basée sur le théorème de rotation de l'aimantation, est valable pour des systèmes infiniment longs. L'influence des effets de bord et de plusieurs imperfections a été étudiée. Une sonde RMN portable a été construite ; cette sonde mesure 8x3x1.5 cm3. Des premiers signaux ont été obtenus avec cette sonde.<br /><br />Enfin, un spectromètre RMN existant a été adapté à des application RMN portable. Des préamplificateurs ont été construits et un nouveau logiciel de commande, plus souple, a été développé. Ce spectromètre a permis d'obtenir des signaux RMN en champ magnétique inhomogène.

Les sondages par Résonance Magnétique des Protons (RMP) est une méthode géophysique non invasive qui permet d'estimer la quantité d'eau dans le sous-sol et la perméabilité du milieu poreux. L'objectif de la thèse est de mieux comprendre les facteurs qui conditionnent la précision des résultats RMP et d'améliorer cette précision. <br />Des études expérimentales incluant des mesures géophysiques, des mesures sur échantillon et des essais de pompage ont été menées sur quatre sites représentant un panel varié de contextes hydrogéologiques. Parallèlement, des modélisations numériques ont permis de tester la sensibilité de la méthode RMP à différents paramètres.<br />Ainsi, la précision d'estimation du toit de nappe dépend de sa profondeur et des propriétés de la zone non saturée. Pour les milieux hétérogènes, une nouvelle méthodologie d'acquisition et d'interprétation 2D/3D des sondages RMP a été développée et validée sur un conduit karstique.<br />Les mesures sur échantillon montrent que la teneur en eau mesurée par RMP a tendance à être sous-estimée par rapport à celle mesurée par RMN ou par des méthodes classiques. La quantité d'eau manquée dépend de la susceptibilité magnétique de la roche. Souvent, la teneur en eau RMP correspond approximativement à la porosité cinématique, mais une relation quantitative entre ces deux paramètres reste à trouver. La précision sur la teneur en eau RMP peut être améliorée par la prise en compte dans l'interprétation de données géologiques et géophysiques.<br />Les transmissivités estimées par RMP donnent des valeurs et des incertitudes similaires à celles obtenues par essai de pompage, et sont utilisables quantitativement dans une modélisation hydrodynamique.