Les zéolites sont des «tamis moléculaires» connus pour leurs nombreuses applications en adsorption, échange d'ions et catalyse. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur l'étude de quelques questions liées à la synthèse et à la post-synthèse de la zéolithe, qui ne sont pas encore résolues par d'autres techniques.La RMN a été l'outil principal dans ce travail, donnant accès à des informations structurales locales sur les nanocristaux même lorsque les techniques de diffraction trouvent leurs limites. Elle peut également être utilisée pour étudier la porosité en utilisant l'adsorption de molécules sondes, et en particulier, le xénon est connu comme une bonne molécule pour cet objectif. En effet, l'isotope 129Xe peut être hyperpolarisé pour augmenter la sensibilité de détection, et il présente une large plage de déplacement chimique en fonction du confinement et donc de la porosité du matériau étudié.(I) Dans la première étude, les étapes initiales de la cristallisation de nano-faujasite (FAU) ont été étudiées en utilisant la RMN classique (principalement par 29Si et 23Na MAS RMN) et la RMN avancée (129Xe). RMN HP). Il a été montré que la cristallisation commence à des stades de synthèse bien antérieurs à ceux observés par d'autres techniques classiques (XRD, SEM, adsorption de N2 ...). La première SBU semble être les prismes hexagonaux, avant les cages sodalite, qui forment rapidement un environnement confiné puis des supercages. De plus, il a été démontré par RMN 129Xe HP et 2D EXSY que la zéolithe nano-faujasite présente des cages sodalite ouvertes et une structure plus souple que dans la zéolite de type micro-faujasite.(ii) La seconde étude est une recherche sur les phénomènes de recristallisation survenant au cours du processus de hiérarchisation de la zéolithe et qui pourrait expliquer la distribution homogène des tailles de mésopores. Comme résultat remarquable, il a été montré dans ce travail que lors de la hiérarchisation de la zéolithe bêta avec le TPAOH, la recristallisation conduisait à la formation de minuscules particules de MFI, formées à la surface des mésopores (RMN 1H MAS, RMN 129Xe HP et 2D EXSY). / The zeolites are ‘molecular sieves’ known for their numerous applications in adsorption, ion exchange, and catalysis. In this thesis, we focused on the study of some questions related to zeolite synthesis and post-synthesis, which are not yet resolved by other techniques. NMR was the primary tool in this work, as it gives access to local structural information on nanocrystals even when diffraction techniques found their limits. NMR can also be used to study porosity using probe molecules adsorption, and in particular, xenon is known as a good molecule for this purpose. Indeed, the isotope 129Xe can be hyperpolarized to increase the detection sensitivity, and interestingly it presents a wide chemical shift range depending on its confinement and thus the porosity of studied material. Two studies are reported in this manuscript: (i) In the first study, the initial steps during the crystallization of nano-faujasite (FAU) type materials were investigated using classical NMR (mainly by 29Si and 23Na MAS NMR) and advanced NMR (129Xe HP NMR). It was shown that crystallization starts at much earlier synthesis stages than those observed by other classical techniques (XRD, SEM, N2 adsorption…). The first SBU seems to be the hexagonal prisms, prior to the sodalite cages, which rapidly form confined environment and then supercages. Moreover, it has been proved by 129Xe HP NMR and 2D EXSY that nano-faujasite zeolite presents opened sodalite cages and a more flexible structure than in micro-faujasite zeolite. (ii) The second study is an investigation on the recrystallization phenomena occurring during hierarchization process of zeolite and which could explain the homogenous distribution of the mesopore sizes. As a remarkable result, it has been shown in this work that during the hierarchization of beta zeolite with TPAOH, the recrystallization lead to the formation of tiny MFI particles, formed at the surface of the mesopores (1H MAS NMR, 129Xe HP NMR and 2D EXSY).

En dépit de l’importance considérable des matériaux alumino- et borosilicates pour la catalyse, l’origine moléculaire de leur activité demeure mal comprise. Ceci tient à la difficulté de caractériser le désordre structural local généré au sein du réseau silicaté par l’incorporation d’hétéroatomes. Le caractère local de la résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’état solide en fait une technique adaptée pour résoudre cette question majeure. Les silicates en feuillés auto-assemblés en présence de surfactants sont d’excellents systèmes modèles pour l’étude de la structure locale autour d’hétéroatomes de B ou d’Al car la synthèse, la structure moléculaire et la signature RMN 29Si simple de leurs formes siliceuses sont parfaitement maîtrisées. L’incorporation dans leurs réseaux silicatés de différentes quantités d’Al ou de B et leurs conséquences ont été étudiées par des méthodologies avancées de RMN permettant de sonder les interactions à travers l’espace ou les liaisons chimiques entre noyaux de 29Si, 27Al, 11B et/ou 1H, une approche qui peut être étendue à la substitution atomique dans une argile aluminosilicate et un nouveau borosilicate de calcium. Ces résultats ont été combinés à la modélisation moléculaire pour construire et valider des modèles structuraux capables de décrire les distorsions et les réarrangements parfois profonds du réseau résultant de la substitution. Cela a révélé des différences frappantes entre les conséquences de l’incorporation d’Al ou de B dans deux matériaux de morphologie semblables mais de structures moléculaires différentes, et offre une occasion unique de comprendre les propriétés régissant l’incorporation d’hétéroatomes dans les silicates. / While alumino- and borosilicate materials have paramount importance in catalysis, the molecular origin of their activity is not completely understood. This is mainly because the incorporation of heteroatoms into the silicate framework deteriorates the molecular order by generating local disorder that is particularly difficult to establish. Because of its local vision of ordered and disordered environments, solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) can play a key role to solve this long-standing issue. Surfactant-directed layered silicate materials with short-range molecular order are particularly interesting model systems to study the local structures around Al or B heteroatoms because the synthesis, molecular structures, and simple 29Si NMR signatures of their pure-silicate forms are well understood. Various amounts of Al and B atoms were incorporated into their frameworks, and their consequences on the local structure were investigated by state-of-the-art multidimensional NMR measurements probing spatial proximities or bonding interactions between 29Si, 11B, 27Al, and 1H nuclei, an approach that could be extended to atomic substitution in an aluminosilicate clay and a new calcium borosilicate. These results were combined with molecular modeling to build and evaluate structural models that capture the local framework distortions and sometimes profound rearrangements resulting from the atomic substitutions. This reveals remarkable differences between the consequences of the incorporation Al or B in two distinct frameworks of otherwise strongly-related materials, and offers a unique opportunity to understand the properties that drive heteroatom incorporation.

La RMN à l’état solide est une méthode de choix pour l’étude des protéines insolubles et des complexes protéiques de haut poids moléculaire. L’insolubilité intrinsèque des protéines fibrillaires, ainsi que leur architecture complexe, rendent difficile leur caractérisation structurale par la cristallographie et par la RMN en solution. La RMN à l‘état solide n’est pas limitée par le poids moléculaire et constitue donc un outil puissant pour l’étude des protéines fibrillaires. L’attribution des résonances RMN est le prérequis pour obtenir des informations structurales à résolution atomique. La première partie de ce travail de thèse décrit le développement de méthodes en RMN à l’état solide pour l’attribution des résonances. Nous avons appliqué ces méthodes afin d’attribuer le domaine C-terminal du prion Ure2 (33 kDa), qui est à ce jour la plus grande protéine attribuée par RMN à l’état solide. Nos résultats fournissent les bases pour l’étude de protéines à haut poids moléculaire à l’échelle atomique. Ceci est démontré dans la seconde partie de ce travail de thèse avec les premières études RMN à l’état solide des fibrilles des prions Ure2 et Sup35. Nous avons caractérisé la structure de ces prions pour les fibrilles entières ainsi que pour les domaines isolés. La troisième fibrille étudiée est l’α- synuclein, fibrille associée à la maladie de Parkinson, pour laquelle nous présentons l’attribution des résonances RMN ainsi que la structure secondaire d’un nouveau polymorphe. Les études présentées ici fournissent de nouvelles clés pour comprendre la diversité des architectures de fibrilles, en considérant les fibrilles comme entités individuelles d’un point de vue structural / Solid-state NMR is the method of choice for studies on insoluble proteins and other high molecular weight protein complexes. The inherent insolubility of fibrillar proteins, as well as their complex architecture, makes the application of x-ray crystallography and solution state NMR difficult. Solid-state NMR is not limited by the molecular weight or by the absence of long-range structural order, and is thus a powerful tool for the 3D structural investigation of fibrillar proteins. The assignment of the NMR resonances is a prerequisite to obtain structural information at atomic level. The first part of this thesis describes the development of solid-state NMR methods to assign the resonances in large proteins. We apply these methods to assign the 33 kDa C-terminal domain of the Ure2p prion which is up to now the largest protein assigned by solid-state NMR. Our results provide the basis to study high molecular weight proteins at atomic level. This is demonstrated in the second part with the first high-resolution solid-state NMR study of Ure2 and Sup35 prion fibrils. We describe the conformation of the functional domains and prion domains in the full-length fibrils and in isolation. The third fibrillar protein addressed in this work is the Parkinson’s disease related α-synuclein whereof we demonstrate the NMR resonance assignment and the secondary structure determination of a new polymorph. Thus, the studies described here provide new insights in the structural diversity of fibril architectures, and plead to view fibrils as individuals from a structural point of view, rather than a homogenous protein family

La capacité à déterminer les structures moléculaires en trois dimensions à partir de monocristaux par des méthodes de diffraction a transformé la chimie des matériaux. Le problème de la détermination de structure est en grande partie non résolu, en particulier si le système étudié est situé à une surface et n'a pas de périodicité, comme dans la plupart des matériaux fonctionnels actuels. La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à l’état solide serait une méthode de choix pour caractériser les surfaces mais la limite de détection de la RMN est beaucoup trop faible pour permettre à la RMN de caractériser les surfaces. L’introduction récente d’une nouvelle approche utilisant la Polarisation Dynamique Nucléaire (DNP) pour améliorer la sensibilité de la RMN des surfaces (DNP SENS) permet à présent de réaliser des expériences qui étaient totalement impossible il y a quelques années encore. Plus particulièrement, grâce à la méthode DNP SENS, les présents travaux de thèse aboutissent à la première structure tridimensionnelle d’un complexe organométallique supporté sur silice, avec une précision de 0,7 Å. De nombreux aspects de l’expérience DNP SENS ont été exploré. Le transport de de l’hyperpolarisation par diffusion de spin est primordial et un modèle numérique dans les matériaux mésoporeux a été développé. De plus, une nouvelle matrice aqueuse se basant sur des gels polyacrylamides a été mise au point et utilisée pour la caractérisation par RMN de nanoparticules permettant ainsi d’étendre les domaines d’application de DNP SENS. Enfin les premières expériences RMN DNP combinant hauts champs magnétiques et haute fréquence de rotation d’échantillon sont présentées. / The ability to understand the properties of chemical systems relies on their detailed description at the molecular level. Over the last century, several methods based on X-ray diffraction have allowed a structure-based understanding of many materials. However, several key questions often remain unanswered. In particular when the system under investigation is located on a surface. Although an extensive range of surface-sensitive methods are available for surface science and give valuable information, they only lead to a partial understanding of surfaces at the molecular level. Moreover, these methods are not compatible with all kinds of materials and usually require the use of a model and pristine surface. Solid-State NMR would be a method of choice to characterize surfaces. However, the approach suffers from its intrinsically low sensitivity and this is strongly emphasize in the case of surfaces where the atoms of interest are diluted in the matrix. Dynamic Nuclear Polarization (DNP) applied to surfaces (SENS) recently emerged as a very promising method to characterize surface sites. It offers a dramatic enhancement of NMR sensitivity and DNP applied to materials has led to many examples in the last ten years. In the present thesis, I have shown that DNP SENS, in combination with EXAFS, allowed the detailed 3D structure determination of the silica-supported organometallic complex determined with a precision of 0.7 angstroms. In parallel, some experimental aspect of DNP SENS have been explored. A spin diffusion has been developed to understand diffusion of hyperpolarization in porous media. A new aqueous DNP matrix, coined DNP Jelly, has been developed to characterize nanoparticles and thus expanding experimental range of DNP SENS. Finally, the first experiment of DNP NMR at fast magic angle spinning (up to 40 kHz) and high field are reported.