L'interaction de particules énergétiques avec les résultats de l'eau dans l'excitation et l'ionisation des molécules d'eau. Le processus d'ionisation se rapporte à la génération de l'excès d'électrons détachés de leurs molécules parentes et laissant derrière le trou positive (notée H₂O•⁺). Cela se produit sur le calendrier d'une transition électronique ~ 10⁻¹⁵s. Les processus chimiques plus anciens de H₂O•⁺ et l'excès d'électrons vers autre question suivie de l'eau en vrac ionisants restent encore peu par rapport connu et constitue un sujet difficile dans la chimie de rayonnement. Dans ma thèse, les techniques de radiolyse d'impulsions picoseconde ont été utilisés pour observer la cinétique de la SO₄•⁻, H₂PO₄• dans de l'acide sulfurique très concentré et solutions d'acide phosphorique sur une large gamme de concentrations (de 1 mol L⁻¹ à l'acide pur). Les résultats expérimentaux montrent clairement que le radical secondaire de sulfurique (SO₄•⁻) et de l'acide phosphorique (H₂PO₄•) peuvent être formés par l'intermédiaire de deux mécanismes : détachement d'électrons direct par l'impulsion d'électrons (7 ps) et le transfert d'électrons ultra-rapide des solutés au radical cation de l'eau H₂O•⁺. La réactivité des espèces oxydantes fortes, H₂O•⁺ vers les solutés dans des solutions aqueuses très concentrées est quantitativement démontré. / The interaction of energetic particles with water results in the excitation and ionization of water molecules. The ionization process refers to the generation of the excess electrons detached from their parent molecules and leaving behind the positive hole (denoted as H₂O•⁺). This occurs on the timescale of an electronic transition ~10⁻¹⁵ s. The earliest chemical processes of H₂O•⁺ and excess electron towards other matter followed water ionizing in bulk still remain relative little known and constitute a challenging subject in radiation chemistry. In my thesis, picosecond pulse radiolysis techniques were used to observe the kinetics of the SO₄•⁻, H₂PO₄• in highly concentrated sulfuric acid and phosphoric acid solutions over a large range of concentrations (from 1 mol L⁻¹ to neat acid). The experimental results showed clearly that the secondary radical of sulfuric (SO₄•⁻) and phosphoric acid (H₂PO₄•) can be formed via two mechanisms: direct electron detachment by the electron pulse (7 ps) and ultrafast electron transfer from the solutes to the radical cation of water H₂O•⁺. The reactivity of the strongest oxidizing species, H₂O•⁺ towards the solutes in highly concentrated aqueous solutions is quantitatively demonstrated.

Le radical OH est le principal oxydant de l'atmosphère diurne. Celui-ci est donc au cœur d'une chimie complexe mettant en jeu d'autres espèces radicalaires formant ainsi un cycle appelé cycle radicalaire. Il est ainsi responsable de la transformation de la majorité des composés émis ou formés dans l'atmosphère et donc de la formation de polluants secondaires, tels que l'ozone ou les aérosols organiques secondaires, pouvant avoir des effets très néfastes pour la santé humaines ou des effets non négligeables sur le climat. Une des principales sources conduisant à l'initiation de ce cycle est la photolyse de l'acide nitreux. Or, la nature et l'intensité des sources de l'acide nitreux sont encore sujettes à débat. L'objectif de ma thèse était donc d'étudier cette chimie radicalaire ainsi que la chimie de l'acide nitreux dans divers environnements afin d'améliorer la compréhension des processus d'oxydation sévissant dans l'atmosphère. Pour répondre à ces objectifs, ce travail de thèse s'est appuyé sur les résultats collectés lors de campagnes de terrains menées dans des environnements différents et à des saisons variées : les campagnes MEGAPOLI été et hiver qui se sont déroulées dans un environnement suburbain de la banlieue de Paris à l'été 2009 et à l'hiver 2010 et enfin la campagne CalNEX qui s'est déroulée dans un environnement pollué de la banlieue de Los Angeles durant le printemps 2010.En s'appuyant sur les résultats de ces campagnes, une méthodologie consistant en l'utilisation de calcul simple type hypothèse de l'état quasi-stationnaire ou plus complexe type modélisation 0D incluant un schéma chimique détaillé (le MCM) et contraint avec l'ensemble des mesures, a été développée et comparée avec les mesures de concentrations de radicaux afin de tester l'état de nos connaissances. Le modèle 0D a également permis d'étudier le bilan radicalaire dans ces trois environnements. Enfin, une comparaison des concentrations d'HONO mesurées et calculées pour les trois environnements a été menée, conduisant à l'identification d'une source additionnelle probablement de même nature dans les trois environnements étudiés / OH is the main oxidant of the troposphere during daytime hours. It is, thus, a key species for the complex atmospheric chemistry which involves other radical species and therefore leading to a radical cycle. This cycle is responsible for the transformation of the majority of the compounds emitted or formed in the atmosphere and thus of the formation of secondary pollutants, such as ozone and secondary organic aerosols which can have harmful effect on human health or important effects on climate. One of the main radical sources in the troposphere is the photolysis of nitrous acid. However, the intensity and the nature of the whole sources of HONO are still unknown.The aim of my thesis was, therefore, to study radical chemistry and nitrous acid chemistry in different environments in order to improve our understanding of oxidation processes occurring in the atmosphere. To answer to these objectives, this work was based on results obtained during field campaigns which took place in different environments and at different periods of year: the MEGAPOLI summer and winter campaign which took place in a suburban environments of Paris suburbs during the summer 2009 and the winter 2010 and finally the CalNEX campaign which took place in a polluted environment of the suburbs of Los Angeles during the spring 2010.Dealing with the results of these campaigns, a methodology consisting in the use of simple calculation such as the photostationnary state hypothesis or more complex approach such as a 0D box model containing a detailed chemical mechanism (the MCM) and being constrained with all the measurements, has been developed and compared with the measured radical concentrations in order to test our knowledge. The 0D box model, also, allowed studying the radical budget in these three environments. Finally, a comparison between the measured and calculated HONO concentrations for the three environments has been conducted. This comparison leads to the identification of an additional HONO source, which is probably of the same nature in the three environments

La découverte et l’étude de versions stables d'intermédiaires réactionnels, tels que les radicaux ou les carbènes stables, ont eu un impact profond sur la chimie moderne. Non seulement ces composés ont permis, sur le plan académique, l’émergence de nouveaux concepts et une compréhension plus approfondie d’importantes questions fondamentales, mais ils ont également ouvert la voie au développement d’applications pratiques originales et innovantes.Les oxyallyles sont des intermédiaires réactionnels typiques, postulés dans plusieurs transformations chimiques mais longtemps considérés comme non-isolables, voire non-observables. Cependant, des résultats préliminaires à nos travaux démontraient que la conception de versions stables était envisageable grâce à l’introduction de groupements donneurs aminés.Ce travail de thèse a porté sur le développement de méthodologies de synthèse de motif organiques de type 1,3-di(amino)oxyallyles. Le premier chapitre bibliographique résume 40 ans de tentatives d’observation d’oxyallyles transitoires ou de dérivés stabilisés.Le chapitre suivant décrit nos efforts pour synthétiser des dérivés 1,3-di(amino)oxyallyles par oxydation directe de sels de vinamidiniums. Cette approche a conduit à la génération du radical cation du tetrakis(dimethylamino)oxyallyle qui, malgré un faible encombrement stérique, est persistent plusieurs heures en solution aérée.La troisième partie explore une méthodologie alternative, basée sur l’utilisation de groupes protecteurs. Cette voie complémentaire a notamment permis la synthèse et la caractérisation de dérivés d’oxydes de pyrazolium, des colorants proposés et étudiés théoriquement, mais jamais synthétisés et dont la possible existence était mise en doute.Enfin la dernière partie se consacre à la conception de carbènes stables originaux et de leurs dérivés, avec en perspective leur utilisation comme ligands redox actifs. En particulier, nous décrivons la synthèse et l’étude du premier 1,3-pyrimidinium-2-ylidène stable, ainsi que l’oxyde correspondant : formellement un oxyallyle fusionné à un amidinium, mais parfaitement stable à l’air. / The discovery and the study of stable versions of reactive intermediates, such as radicals or carbenes, have had a deep impact on modern chemistry. Those compounds have not only allowed for the rise of new academic concepts and deeper understanding of fundamental questions, but they also paved the way for the development of innovative and original applications.Oxyallyls are typical elusive intermediates, postulated in several chemical reactions, though they had been considered as non-isolable, and even non-observable for a long time. However, preliminary results to our work demonstrated that enhanced stabilization could be achieved by introducing electron-donating amino groups.This work focused on the development of a methodology for the synthesis of organic 1,3-di(amino)oxyallyl patterns. The first chapter summarizes 40 years of attempts for the observation of transient oxyallyls and stabilized derivatives.The following chapter describes our efforts to synthesize 1,3-di(amino)oxyallyl derivatives by direct oxidation of vinamidinium salts. This approach afforded the generation of the tetrakis(dimethylamino)oxyallyl radical cation, which, despite a small steric hindrance is persistent for hours in aerated solutions.The third part explores an alternative methodology, based on the use of protective groups. It enabled the synthesis and the characterization of a pyrazolium oxyde derivative, which has been proposed theoretically, but never synthesized, and whose existence was even questioned.Finally, the last chapter describes the conception of original stable carbenes and their derivatives, with their use as redox non-innocent ligands in perspective. In particular, we report the synthesis and the study of the first stable 1,3-pyrimidinium-2-ylidene, as well as its corresponding oxide: formally an oxyallyl fused with an amidinium, but perfectly stable towards air.

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

Parmi la population nord-américaine, les cas de diabète de type 2 et d’obésité ont atteint des niveaux alarmants. Leurs conséquences sur la santé publique, la vie économique et l’avenir des populations sont majeures. Mon projet de maîtrise avait pour but de caractériser les dérèglements métaboliques et vasculaires suscités chez le rat soumis à une alimentation riche en gras saturés et en sucre raffinés, et à examiner les effets d’un antioxydant (tempol). Nos résultats indiquent qu’un traitement avec tempol améliore la sensibilité à l’insuline mesurée lors de clamp euglycémique hyperinsulinémique, réduit le gain de poids, augmente l’expression endothéliale de eNOS (estimée par microscopie confocale) et diminue la quantité de protéines nitrotyrosinées dans l’aorte. Il améliore aussi le transport du glucose dans le muscle squelettique et la réactivité vasculaire in vitro. Ces résultats suggèrent non seulement une association étroite entre la diète, les maladies cardiovasculaires, le stress oxydatif et eNOS, mais démontrent aussi l’efficacité du tempol à améliorer la sensibilité à l’insuline et la fonction endothéliale dans ce modèle animal. / In the Western hemisphere, the incidence of type 2 diabetes and obesity have been growing at an alarming rate. Their consequences on public health, economic situation and population’s future are major. My research project at the Master degree was designed to characterize metabolic and vascular dysfunctions elicited in a rat model fed a high fat and high sucrose diet, and to examine in this animal model the effect of a chronic treatment with the antioxidant, tempol. Our results indicate that treatment with tempol significantly improves insulin sensitivity measured during a euglycemic hyperinsulinemic clamp, reduces weight gain, increases endothelium eNOS protein expression (confocal microscopy) and reduces nitrotyrosine formation in aortas. An improvement in insulin-mediated glucose transport activity in skeletal muscles and in vascular reactivity were also noted. These results not only suggest the presence of a close link between diet, cardiovascular diseases, oxidative stress and eNOS, but also indicate the ability of treatment with tempol to significantly improve insulin sensitivity and endothelial functions in this rat model.

Dans certains procédés électromembranaires tels que les piles à combustibles des agents agresseurs chimiques comme les radicaux libres se forment suite à une réaction d'oxydation, et peuvent conduire à la destruction des membranes hydrocarbonées. Le test ORAC est une méthode qui utilise les composés ±azo¿ (R-N=N-R) comme initiateurs de réaction. Ces composés sont utiles à l' étude quantitative des cinétiques d'oxydation car ils génèrent des radicaux à une vitesse constante et reproductible. L'ajout d'un antioxydant naturel extrait d'une infusion de thé, l'épigallocatéchine gallate (EGCG), dans une membrane constituée de polyétheréthercétone de faible taux de sulfonation (SPEEK) (3:97) a montré une réponse ORAC de 1254 ± 336 [mu]mol d' équivalents de Trolox / g comparé à la même membrane sans EGCG qui a donné une réponse de 59 ± 14 [mu]mol d'équivalents de Trolox / g. La molécule d'EGCG possède un pouvoir antioxydant élevé, suggérant qu' elle serait responsable de la réponse ORAC élevée de la membrane enrichie.

Le point clé des polymérisations radicalaires et/ou cationiques réside dans la génération des radicaux et/ou des cations qui amorcent la réaction. Ces derniers sont formés par transformation, via absorption de lumière, d’un composé photosensible. Puisque la majorité des réactions de polymérisation se produisent en système ouvert, on conçoit l’importance de trouver des solutions aux inconvénients liés à la présence de l’air lors de la réticulation. Durant ce travail, de nouvelles séries de molécules de type silanes, germanes, complexes boranes ... ont été examinées. On va s’intéresser aussi aux systèmes d’amorçage de type I et II. Nous nous intéresserons aussi à la polymérisation induite par la lumière visible ou solaire. Notre objectif consiste à développer des systèmes dont la sensibilité spectrale s’étend vers de grandes longueurs d’onde. Les molécules étudiées au cours de ce travail semblent être très favorables en tant que photoamorceurs ou co-amorceurs pour la polymérisation radicalaire ainsi que pour la polymérisation cationique. La plupart de ces structures se sont montrées plus efficaces que les références utilisées. Le travail de cette thèse s’articule autour de deux grandes parties : La première partie relative à la polymérisation radicalaire contient également une étude bibliographique et se divise en trois chapitres. La deuxième partie relative à la polymérisation cationique se divise en sept chapitres. Une annexe sera donnée à la fin de ce manuscrit et regroupe les différentes techniques expérimentales. / The key point of radical and/or cationic polymerization is the generation of radicals and/or cations that initiate the reaction. These are formed by transformation via light absorption of a photosensitive compound. Since the majority of polymerization reactions occur in an open system, we can understand the importance of finding solutions to the disadvantages associated with the presence of air during the crosslinking. During this work, new series of molecules of silanes, germanes, boranes ... were examined. Were also interested by the polymerization induced by visible light. Our objective is to develop systems whose spectral sensitivity extends to longer wavelengths. This work consists in two main parts: The first part on the radical polymerization also contains a literature review and is divided into three chapters. The second part on the cationic polymerization is divided into seven chapters. An appendix will be given at the end of this manuscript and includes the various experimental techniques.

L'utilisation du procédé d'oxydation avancée électrochimique est un moyen simple et économique d'obtention des radicaux hydroxyles (OH*) fortement oxydants. Au cours de ce travail les radicaux ont été utilisés pour la dégradation du chlortoluron, du carbofurane et du bentazone en solution aqueuse. La méthodologie de la recherche expérimentale a été utilisée pour étudier l'influence de quelques paramètres (concentration du chlortoluron, l'intensité du courant et la durée du traitement, etc.) sur la vitesse de dégradation et pour déterminer les conditions optimale de minéralisation. L'évolution de la concentration des pesticides en fonction du temps de traitement montre une cinétique de pseudo-premier ordre (kabs = 4,92 × 109, 3.24 × 109 et 2.63 × 109 mol-1.L.s-1 respectivement pour le chlortoluron, le carbofurane et le bentazone). Dans nos conditions expérimentales optimales (I = 300 mA, [pesticide]0 = 0,125 × 10-3 mol.L-1 et t = 8 h), nous obtenons un taux de minéralisation supérieur à 90% pour les trois pesticides. Dans le cas des molécules étudiées, il a été montré que le taux de minéralisation par le procédé photo-Fenton (UV/Fe3+/H2O2) est fonction des doses des réactifs utilisés et de la concentration initiale des pesticides à traiter. Une comparaison des performances de minéralisation par les différents procédés étudiés (électro-Fenton (BDD), électro-Fenton (PT), oxydation anodique et photo-Fenton) a montré que les procédés photo-Fenton et électro-Fenton (BDD) permettent d'atteindre des taux de minéralisation très important (≈ 90% au bout de 2 h). La comparaison du coût du traitement montre que le procédé photo-Fenton coûte beaucoup plus chère que le procédé électro-Fenton (BDD). Le plasma d'air humide a été utilisé pour la dégradation du chlortoluron. Différents catalyseurs (Fe2+, Fe3+ et TiO2) ont été étudiés pour améliorer les performances du glidarc. La combinaison entre TiO2 et Fe2+ permet d'aboutir à 96%de la dégradation du chlortoluron au bout de 3 h.

Les procédés dits d'oxydation avancés (POA) permettent la dégradation totale (minéralisation) en milieu aqueux des polluants organiques persistants et/ou toxiques pour l'homme et pour l'environnement. Cette étude porte sur l'application de deux POA principaux : électro-Fenton et photo-Fenton, au traitement des eaux polluées par des colorants de textile. La particularité de ces procédés tient à la génération dans le milieu d'entités oxydantes très réactives, les radicaux hydroxyles (..OH) qui sont capables d'oxyder n'importe quelle polluant organique ou organométallique jusqu'au stade ultime d'oxydation, c'est-à-dire la minéralisation (transformation en CO2 et H2O). Dans le cas des colorants étudiés (BB41, BR46 et BY28), il a été montré que le taux de minéralisation par le procédé électro-Fenton dépend des paramètres expérimentaux tels que la concentration du catalyseur, l'intensité du courant appliqué, le pH du milieu, etc.. Cette étude a montré que l'électrolyse du colorant suit une cinétique de pseudo premier ordre. Dans les conditions expérimentales optimales (I = 225 mA et [Fe3+]0 = 0,1 mM), les taux de minéralisation obtenus pour des solutions aqueuses des trois colorants étudiés étaient de 93, 82 et 73% pour le BB41, BR46 et BY28 respectivement après 6 h de traitement. Le taux de minéralisation par le procédé photo-Fenton (UV/Fe3+/H2O2) est fonction des doses des réactifs utilisés et des rapports R = [H2O2]/[Fe3+] et R' = [Fe3+]/[substrat]. Ainsi, les taux de minéralisation obtenus sont de l'ordre de 93% pour le BB41, 85% pour le BR46 et de 95% pour le BY28 pour une durée de traitement de 5 heures avec des rapports R = 10 et R' = 40. L'étude de la dégradation du colorant BB41 sur une unité pilote utilisant le rayonnement solaire a montré que le procédé hélio-photo-Fenton est très efficace. Ce procédé s'inscrit dans une perspective de développement durable et son fonctionnement est basé sur une énergie renouvelable. Une comparaison des performances de minéralisation d'un mélange de colorants par les deux procédés étudiés par l'estimation de l'énergie électrique consommée a montré que les procédés photo-Fenton et électro-Fenton permettent d'atteindre des taux de minéralisation très importants et que le procédé électro-Fenton semble être favorisé avec non utilisation de réactifs chimiques et une faible consommation d'énergie électrique.

Une étude détaillée a été effectuée sur l'utilisation de la technique électro-Fenton pour l'oxydation de quelques polluants organiques persistants (POP) dans le but du traitement des eaux usées. Cette technique génère, in situ et de manière électrocatalytique, les radicaux hydroxyles (OH) afin de les utiliser pour oxyder la polluants organiques. Le travail de thèse est constitué en trois parties. Dans la première partie, l'élimination de l'eau des colorants synthétiques et pesticides choisis comme polluants modèles a été effectuée en utilisant une cathode en feutre de carbone. Les cinétiques d'oxydation des colorants synthétiques (Acide Orange 7 et Bleu Basique 3) et des pesticides (picloram, prophame, azinphos-méthyl et clopyralid) ont été déterminées. La cinétique de minéralisation des solutions aqueuses des polluants organiques en question a été suivie par des analyses de carbone organique totale (COT) et demande chimique en oxygène (DCO). Une minéralisation quasi-totale a été obtenue dans tous les cas. L'identification et la quantification des sous-produits d'oxydation des colorants synthétiques et pesticides ont été effectuées par les techniques d'analyse suivantes : Chromatographie liquide à haute performance (CLHP), chromatographie en phasegazeuse-spectrométrie de masse (GC/MS), chromatographie liquide à haute performances-péctrométrie de masse (HPLC/MS) et chromatographie ionique. Ces analyses systématique ont mis en évidence que les polluants organiques initiaux ont sont convertis en trois formes d'intermédiaires réactionnels ; intermédiaires organiques, acides carboxyliques à courte chaîne et ions inorganiques. Basé sur l'identification ces des intermédiaires réactionnels, une schéma de minéralisation plausible a été proposé pour chaque colorant et pesticide étudié. Dans la deuxième partie de l'étude, la capacité de production de peroxyde d'hydrogène (H2O2) de la cathode en éponge de carbone comme matériau original de cathode pour la technique électro-Fenton a été étudiée pour la première fois. Les résultats obtenus ont indiqué que le l'éponge de carbone possède une capacité de la production d'H2O2 trois fois plus élevée par rapport à la cathode classique (feutre de carbone). La troisième et dernière partie de cette thèse a été consacrée à l'étude de l'efficacité et l'utilisation en électro-Fenton d'une anode de nouvelle génération, le diamant dopé au bore (BDD pour "Boron Doped Diamond"). Tout d'abord, l'efficacité d'oxydation et la capacité de minéralisation de l'anode BDD ont été examinées sur l'herbicide propham dans les conditions d'oxydation anodique. Ensuite, la combinaison de cathode en feutre de carbone et l'anode BDD dans la technique électro-Fenton a été examinée. Les résultats obtenus ont montré que cette combinaison conduit aux résultats significativement meilleurs que le système classique feutre de carbone - Pt. L'utilisation de l'anode BDD dans l'électro-Fenton améliore considérablement la cinétique d'oxydation et l'efficacité de minéralisation des polluants organiques et en particulier des acides carboxyliques tels que les acides oxalique et oxamique qui résistent à la minéralisation dans le cas de l'anode Pt / In this thesis, a detailed investigation has been carried out on the use of electro-Fenton technique for the oxidation of the some persistent organic pollutants for the sake of water remediation. This technique produces •OH radicals electrocatalytically and uses them to oxidize the organic pollutants. The overall study can be divided into three parts. In the first part, the removal of selected synthetic dyes and pesticides from water was investigated by using carbon felt (CF) cathode. The oxidation kinetics of the synthetic dyes (Acid Orange 7 and Basic Blue 3) and pesticides (picloram, propham, azinphos-methyl and clopyralid) were determined. Mineralization kinetics of the related organic pollutants in aqueous medium was followed by total organic carbon and chemical oxygen demand analysis. The overall mineralization was obtained in all cases. Identification and quantification of the oxidation by-products of the given synthetic dyes and pesticides were performed by high performance liquid chromatography, gas chromatography-mass spectrometry, liquid chromatography-mass spectrometry and ion chromatography. These systematic analysis showed that the initial organic pollutants were converted into three intermediate forms; organic intermediates, short-chain aliphatic carboxylic acids and inorganic ions. Based on the intermediates identified, a plausible mineralization pathway was proposed for each dye and pesticide.In the second part of the study, the H2O2 production ability of carbon sponge (CS) as a novel cathode material for the electro-Fenton technique was investigated for the first time in the literature. The obtained results indicated that CS has a H2O2 production ability three times higher than the classical cathode CF.In the third and last part, the efficiency of boron doped diamond (BDD) as an anode in the electro-Fenton technique was investigated. Firstly, the oxidation and mineralization ability of BDD was tested for herbicide propham in anodic oxidation conditions. Then, the combination of CS and BDD electrode in the electro-Fenton technique was examined. The obtained results indicated that this combination allowed the most efficient results throughout the thesis. Moreover, the use of BDD anode in the electro-Fenton technique had considerable effect on the oxidation and mineralization of organics and especially carboxylic acids such as oxalic and oxamic acids which were highly resistant to mineralization in the case of Pt anode