La chimie séparative est un pilier du développement technologique en matière d’extraction, de séparation ou de remédiation sélective de molécules ou de métaux. Elle trouve des applications dans les domaines de l’électronique, des énergies renouvelables, de la médecine ou de la chimie, qui nécessitent plus que jamais l’utilisation de « métaux stratégiques ». L’extraction liquide-liquide est une technique de séparation qui intervient dans les procédés hydrométallurgiques pour la récupération de métaux stratégiques issus de gisements primaires, secondaires et de mines urbaines.Ce travail s’inscrit donc dans une vision globale d’optimisation des procédés d’extraction liquide-liquide appliqués en synergie, par une démarche de compréhension des mécanismes à l’origine de la synergie, et de généralisation de ces mécanismes mis à jour à l’ensemble des systèmes d’extraction synergiques. Cette compréhension des mécanismes devant ainsi permettre de prédire et de concevoir de nouveaux mélanges d’extractants synergiques.Pour mieux comprendre les moteurs à l’origine des phénomènes synergiques, une méthodologie adaptée pour la caractérisation des structures supramoléculaires des systèmes extractants en phase organique a été exploitée pour ces travaux de thèse. L’utilisation des techniques de Diffusion de Rayons-X/Neutrons aux Petits Angles (DXPA/DNPA) et de tensiométrie interfaciale ont été déterminantes pour la compréhension des mécanismes sous-jacents à la synergie. L’approche thermodynamique de l’extraction liquide-liquide qui présente l’intérêt d’estimer quantitativement les moteurs essentiels mis en jeu dans les mécanismes d’extraction liquide-liquide, apparait ainsi comme un outil essentiel pour la compréhension des systèmes synergiques. L’application de ces clés de compréhension a permis de concevoir un nouveau système synergique pour l’extraction des terres rares en milieu phosphorique. / Separative chemistry is a pillar of technologic development in extraction, separation and selective remediation of metals and molecules. It finds its applications in the fields of electronic, renewable energy, medicine and chemistry, which require more than ever the use of “Strategic Metals”. The liquid-liquid extraction is a separation technique that is involved in hydrometallurgical processes for the recovery of strategic metals from primary deposits, secondary and urban mines.This work is part of global vision of optimization of liquid-liquid extraction processes used in synergy, consisting in understanding the mechanisms underlying the synergy, and generalizing these mechanisms to all synergistic extraction systems. The understanding of these mechanisms underlying synergism aims at predicting and developing new synergistic extractants mixtures.To better understand the driving forces at the origin of synergistic phenomena, a suitable methodology for the characterization of supramolecular structures of extractant in the organic phase was exploited during this thesis work. The use of techniques like Small Angle Neutron / X-ray Scattering X-ray (SAXS /SANS) and interfacial tensiometry was crucial for the understanding of the synergistic mechanisms. A thermodynamical was also proposed to estimate quantitatively the key driving forces involved in the liquid-liquid extraction mechanisms. The application of these keys of comprehension helped to design a new synergistic system for the extraction of rare earths elements from phosphoric medium.