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Les carbones amorphes hydrogénés (a–C:H ou HAC) constituent une composante importante de la poussière interstellaire. Ces grains hydrocarbonés sont observés au travers de bandes d’absorption IR à 3.4, 6.9 et 7.3 microns, caractéristiques des vibrations des liaisons C-H aliphatiques. Leurs signatures spectrales sont détectées dans le milieu interstellaire diffus de différentes lignes de visée de la Voie Lactée, mais aussi de nombreuses autres galaxies. Cette thèse porte sur l’étude de ces a–C:H interstellaires, à la fois au travers d’observations de ces poussières, et grâce à la synthèse et la caractérisation d’analogues de laboratoire.Une première partie de mon travail de thèse est consacrée à l’observation de la bande à 3.4 microns des a–C:H du milieu interstellaire diffus galactique en direction de la source IRAS 18511+0146. La bande d’absorption des modes d’élongation C-H détectée dans cette direction, vers différentes lignes de visée proches les unes des autres, présente des profondeurs optiques similaires et les plus fortes observées dans la Voie Lactée en dehors du centre galactique. Différentes interprétations de la profonde bande dans cette direction sont discutées.Des analogues de ces poussières carbonées aliphatiques ont été synthétisés en laboratoire, sous forme de films, grâce à un plasma, et reproduisent bien les bandes IR observées dans le milieu interstellaire diffus. Ces échantillons ont été caractérisés par spectroscopie d’absorption dans l’UV-visible et l’IR.Puisque les a–C:H émettent un rayonnement visible après absorption de photons UV ou visibles, une partie de la thèse est consacrée à une étude systématique de cette photoluminescence. Pour la première fois, les rendements absolus et intrinsèques de photoluminescence d’a–C:H sont déterminés pour une large gamme de longueurs d’onde d’excitation. Les propriétés de la photoluminescence des a–C:H sont confrontées aux observations de l’Emission Rouge Etendue, une large bande d’émission interstellaire dont les porteurs ne sont pas identifiés.Afin de déduire l’influence des rayons cosmiques sur ces poussières carbonées, les analogues produits ont été irradiés par différents ions énergétiques dont le dépôt d’énergie est similaire à celui du rayonnement cosmique interstellaire. Les effets induits ont été suivies par IR. L’analyse de la déshydrogénation des a–C:H observée au travers de la disparition progressive des bandes des C-H aliphatiques permet de déduire l’évolution de ces poussières interstellaires et de leurs signatures spectrales sous l’effet des rayons cosmiques. La destruction induite par les rayons cosmiques est comparée aux effets de l’exposition aux photons UV et aux atomes d’hydrogène afin d’interpréter l’évolution de la bande d’absorption à 3.4 microns observée dans le milieu interstellaire diffus, mais pas dans les nuages denses. / The hydrogenated amorphous carbons (a–C:H or HAC) are an important component of interstellar dust. These hydrocarbon grains are observed through IR absorption bands at 3.4, 6.9 and 7.3 microns, due to aliphatic C-H bond vibrations. Their spectral signatures are detected in the diffuse interstellar medium along several sight lines in the Milky Way and in many external galaxies. This thesis deals with the study of such interstellar a–C:H, both through their astrophysical observation and the synthesis and characterisation of laboratory analogues.A first part of this PhD work concerns the 3.4 microns band observation in the galactic diffuse interstellar medium in the direction of IRAS 18511+0146 source. The C-H stretching mode absorption band detected toward several lines of sight of this cluster has the strongest optical depths observed in the Milky Way outside the galactic center. Different interpretations for this deep absorption band in this direction are discussed.Analogues of the amorphous carbonaceous dust component have been produced in the laboratory with a plasma source. Their IR spectra are in excellent agreement with the absorption bands observed in the diffuse interstellar medium. The samples have been characterised by UV-visible and IR absorption spectroscopy.Since a–C:H emit a visible radiation when they absorb UV or visible photons, a systematic study of this photoluminescence is performed. For the first time, the absolute and intrinsic photoluminescence yield of a–C:H is measured for a broad range of excitation wavelengths. The photoluminescence properties of a–C:H is compared to observations of the Extended Red Emission, a large interstellar emission band whose carriers are not identified.To infer the influence of cosmic rays on this carbonaceous dust, the produced analogues have been irradiated by different swift ions, similar to interstellar cosmic rays. The induced modifications have been monitored by their IR spectrum. The a–C:H dehydrogenation is observed through the progressive disappearance of the aliphatic C-H bands. Its analysis allows us to deduce the evolution of the a–C:H dust and its spectral signatures under cosmic ray exposition. The destruction due to cosmic rays is compared to the effects induced by exposure to UV photons and hydrogen atoms, in order to interpret the evolution of the absorption band at 3.4 microns observed in the diffuse interstellar medium, but not in dense clouds.

Dans le cadre du développement durable, les procédés rapides, propres et peu énergivores sont très recherchés particulièrement en chimie pour les réactions d’oxydation. A part les solutions de génie des procédés, la catalyse est l’un des meilleurs atouts pour améliorer le processus. Le vanadium étant l’un des meilleurs métaux catalytiques pour de tels réactions, nous avions à nous attaquer son problème de relargage dans le milieu réactionnel en vue d’applications acceptables pour l’environnement. Nous proposons donc dans cette thèse des catalyseurs au vanadium fixé à l’intérieur des nano pores de silices mésoporeuses hexagonales de type MCM-41. La grande dispersion et la rétention du vanadium sont promues grâce à la présence d’ion d’ancrage : Al(III), Ti(IV), Zr(IV) and Ce(IV). Une grande variété de catalyseurs de type V-(Al/Ti/Zr/Ce)-MCM-41 ont été préparés à partir de trois méthodes de synthèse: l’une, ultra-rapide en une étape assistée par micro-onde, la seconde à étapes séquentielles multiples mettant en œuvre une technique de pochoir moléculaire et la troisième à nombre d’étapes réduites utilisant un traitement thermique partiel d’une surface préalablement organosilylée avant le greffage des métaux. Un large panel de techniques physicochimiques fut appliqué à la caractérisation de ces solides avec une attention particulière portée à l’analyse de la bande de transfert de charge ligand-métal du vanadium au degré d’oxydation +5 dont le décalage vers le bleu est corrélé à la taille des clusters d’oxyde de ces ions. La rétention du vanadium dans le méthanol a été corrélée à la dispersion du vanadium comme la dégradation à l’air du 1,2-diphényle-2-méthoxyéthanol. Ce substrat fut choisi comme modèle pour étudier la dégradation de la lignine par clivage C-C ou C-O. Notons que ce bio-polymère produit du phénoxypropanol methylé bio-sourcé utilisé dans les bio-carburants et comme précurseur en chimie fine. Dans le cas présent, un balayage à haut débit de la dégradation de cette molécule mettant en œuvre 96 mini-réacteurs en parallèle a permis de sélectionner le solvant, le métal d’ancrage et la teneure des deux métaux donnant la plus haute conversion. Contrairement aux catalyseurs homogènes, nos catalyseurs présentent une très haute sélectivité en clivage C-C. / The search for practical large-scale, fast, clean and energy saving chemical processes are highly regarded in the frame of a sustainable development, particularly for the most problematic oxidation reactions. Apart from chemical engineering solutions, improving the process using heterogeneous catalysis is one of the most adapted solution. Vanadium being considered the best metal for such kind of reactions, one had to tackle the problem of its high dispersion on a support to minimize its high propensity for leaching and to optimize its stability for practicable, safe and clean uses. In the present thesis, vanadium is supported inside the nanopores of a mesoporous silica of MCM-41 type where the high dispersion is assisted by the presence of anchoring ions such as Al(III), Ti(IV), Zr(IV) and Ce(IV) ions. A large set of V-(Al/Ti/Zr/Ce)-MCM-41 catalysts was prepared according to three different methods of preparation: i) ultra-fast one-pot synthesis protocol using the assistance of microwave, ii) post-synthesis modification using molecular stencil patterning (MSP) technique and iii) partial thermal treatment (PTT) of the organo-silylated support. The catalysts were characterized thoroughly using a panel of physical techniques and, particularly, the blue shift of the optical gap measured from the vanadium charge transfer band known to correlated with the dispersion of the metal. In complement, the stability was tested from metal leaching using methanol as a corrosive solvent while their catalytic reactivity was estimated in the aerobic oxidation of 1,2-diphenyl-2-methoxyethanol. This is a model reaction that simulates the oxidative C-C bond cleavage in lignin, the most difficult and crucial step in the degradation of this biopolymer, then producing in a clean way valuable methoxylated phenoxy propanol units useful for biomass fuels or bio-sourced precursors for fine chemistry. A high throughput screening approach was applied to test this aerobic oxidation reaction running over 96 reactors in parallel at the same temperature and sorting out the best catalysts with the most suitable anchoring ions and metal loading for the highest catalytic efficiency. / 在可持续发展的背景下，对于清洁高效节能可行的大规模化工过程尤其是存在诸多问题的氧化反应过程的探索倍受瞩目。除化学工程解决方案之外，通过多相催化来改进反应过程也是最可行的途径之一。钒被认为是最适合于催化此类反应的金属之一，其亟待解决的问题是实现钒在载体上的高度分散，并最大限度地降低其浸出倾向，改善其稳定性，从而实现对其安全清洁有效的利用。本文提出将钒负载于MCM-41型六方介孔二氧化硅的纳米孔道中，通过锚定离子如Al(III)、 Ti(IV)、Zr(IV)、Ce(IV)离子的存在促进钒的高度分散和固载。采用三种不同的方法制备了一系列V-(Al/Ti/Zr/Ce)-MCM-41催化剂：1、超快微波一步合成法，2、使用分子复刻版技术改性的后嫁接法，3、对有机硅烷化载体进行部分热处理改性的后嫁接法。通过一系列物理化学技术对合成的催化剂进行了充分表征，特别是对与金属分散度相关的钒的电荷跃迁带的测量和与其对应的光谱带隙蓝移进行了分析。随后，以甲醇作为腐蚀溶剂对合成的钒催化剂进行了金属析出的稳定性测试。通过一种木质素模型化合物1,2-diphenyl-2-methoxyethanol的需氧氧化反应测试了所合成负载型钒催化剂的催化活性。在相同温度及反应条件下，用96通道高通量微反应器技术评价了所制催化剂对该反应的催化性能，筛选出具有最高催化效率的负载型钒催化剂及其最适合的锚定离子。该反应中的碳-碳键裂解反应是木质素降解的最关键也是最困难的步骤之一，可通过这类生物聚合物的降解以清洁的方式生产有用的生物质燃料或生物来源高附加值精细化学品前驱体。

Les processus physico-chimiques se produisant au sein des nanoparticules que sont les boîtes quantiques semiconductrices (QDs) sont à l'origine d'une nouvelle classe de sondes fluorescentes trouvant des applications en catalyse, en reconnaissance moléculaire et en imagerie. Le confinement quantique des électrons aux sein de ces objets luminescents, qui donne lieu à leur structure excitonique si particulière, permet de tirer simultanément profit de leurs propriétés optiques d'absorption et d'émission dans la gamme spectrale visible, et ce, dans le but de faciliter la détection et l’identification des espèces chimiques situées dans leur environnement proche. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à des QDs de 3 à 4 nm de diamètre, composées d’un alliage ternaire de cadmium, de tellure et de soufre, et fonctionnalisées par des ligands mercaptocarboxyliques. De manière à déterminer l’ensemble de leurs propriétés structurales, chimiques et optoélectroniques, nous les avons tout d’abord caractérisées à l’état de solutions colloïdales par diverses techniques expérimentales : microscopie électronique, zêta-métrie, analyse par diffusion dynamique de la lumière, spectroscopies de rayons X, d’absorption UV-visible et d’émission de fluorescence. Ceci nous a permis de déduire la composition chimique des nanocristaux, leur structure cristalline, leur taille, leur dispersion en taille, la composition chimique de leurs ligands, les énergies propres de leurs états électroniques, leur moments dipolaires de transition et leur section efficace d’absorption. Fort de ces connaissances, nous avons pu développer un modèle analytique pour calculer la susceptibilité diélectrique des QDs et extraire de cette manière leur fonction de réponse linéaire, véritable carte d’identité optoélectronique. Nous avons ensuite optimisé la conception par voie chimique d’interfaces composées de QDs et de différentes espèces moléculaires organiques, dépôts réalisés sous forme de monocouches ou de films épais sur des substrats solides plans de silicium, de verre et de fluorure de calcium fonctionnalisés par des organosilanes. Ces interfaces substrat/QDs/molécules ont alors été étudiées par spectroscopie linéaire d’absorption UV-visible et par spectroscopie optique non-linéaire de génération de fréquence-somme (SFG). La première nous a permis de déterminer la densité superficielle des QDs déposés et d’en caractériser la stabilité temporelle, et la seconde, qui combine deux lasers visible et infrarouge, d’identifier la signature vibrationnelle des ligands recouvrant les QDs. Grâce à ces échantillons, nous avons alors montré par spectroscopie SFG deux couleurs l’existence d’un couplage vibroélectronique entre les QDs et leur environnement moléculaire. En particulier, nous avons démontré que l’amplitude de vibration des modes moléculaires associés aux ligands des QDs et aux organosilanes greffés sur les substrats est maximale lorsque les QDs sont eux-mêmes stimulés par la lumière visible dans leur premier état excitonique. Cette démonstration expérimentale s’accompagne par ailleurs d’une démonstration théorique : en utilisant les diagrammes de Feynman dans l’espace des fréquences imaginaires de Matsubara, nous avons déterminé l’expression analytique de la susceptibilité non-linéaire d’ordre 2 du complexe QD/molécule. Nous avons alors vérifié que l’hypothèse d’un couplage dipolaire entre QDs et molécules menait à une modélisation de la réponse vibrationnelle SFG compatible avec les mesures expérimentales. De cette manière, l’existence d’un couplage vibroélectronique de nature dipolaire entre boîtes quantiques et molécules est attesté. / The different physico-chemical processes occurring within semiconductor quantum dots (QDs) give rise to a new class of fluorescent probes and a wide range of applications in catalysis, molecular recognition and imaging. Within these luminescent nanoparticles, the quantum confinement of electrons, which leads to their very special excitonic structure, allows us to benefit from both their absorption and emission optical properties, with the specific aim of fostering the detection and the identification of the chemical species located in their direct environment. Within this framework, we were interested in 3 to 4-nm-sized QDs composed of ternary alloys of cadmium, telluride and sulfur, and functionalized by mercaptocarboxylic ligands. In order to determine their structural, chemical and optoelectronic properties, we first characterized them thanks to several experimental techniques: electron microscopy, zeta potentiel measurements, dynamic light scattering analysis, X-ray, UV-visible and fluorescence spectroscopies. This enabled us to deduce the chemical composition of the nanocrystals, their crystal structure, size, size-dispersion, the chemical composition of their ligands, the eigenenergies of their electronic states, their transition dipole moments and absorption cross-sections. Given all those results, we succeeded in deriving an analytical model of the QD dielectric susceptibility and extracting in this way their linear response function. Then, we optimized the chemical synthesis of nanostructured interfaces made of QDs and various molecular species through the use of flat solid substrates of silicon, glass and calcium fluoride functionalized with organosilanes. These substrate/QDs/molecules interfaces were studied by linear UV-visible absorption spectroscopy and by sum-frequency generation non-linear optical spectroscopy (SFG). The former allowed us to determine the surface density of the deposited QDs and to characterize their stability over time, while the later, which combines two visible and infrared lasers, enabled us to identify the vibrational signature of the QD ligands. Thanks to those samples probed by two-colour SFG spectroscopy, we therefore shew the existence of a vibroelectronic coupling between QDs and their molecular surroundings. Especially, we demonstrated that the vibration amplitudes associated to the molecular modes of the QD ligands and the organosilanes grafted on the substrates are maximum when the QDs are excited by visible light into their first excitonic state. This experimental demonstration is further supported by theoretical considerations: Feynman diagrams in Matsubara imaginary-time representation were used to determine the analytical expression of the second-order nonlinear susceptibility of the QD/molecule bipartite system. We thus verified that the hypothesis of a dipolar coupling between QDs and molecules resulted in a modeling of the vibrational SFG response which proved to be in complete agreement with the experimental measurements. Thus, we evidenced the existence of a dipolar vibroelectronic coupling between quantum dots and molecules.

Magister Scientiae - MSc (Chemistry) / Pollutants such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are known for their toxic effects which may lead to the cause of degenerative diseases in both humans and animals. PAHs are widespread in the environment, and may be found in water, food, automotive industry and petrochemical industries to name but a few sources. Literature reports have highlighted industrial workplace exposure to PAHs as a leading cause for development of cancer in workers. Particularly, workers in the petrochemical industry are adversely affected and the incidence of skin and lung cancer in this population group is high. The United States of America in its guidelines developed by environmental protection agency (EPA) has identified 18 PAHs as priority pollutants. Among these are anthracene, benzo[a]pyrene and pyrene which have been selected as the focal point of this study due to their significance in the petrochemical industry. Due to the carcinogenic and mutagenic properties reported in literature for certain PAHs, there have been monitoring procedures taken in most countries around the world. The commonly used analytical methods for the detection of PAHs from industrial samples are high performance liquid chromatography (HPLC) coupled to fluorescence detection, membrane filtration, ozonation and reverse osmosis. Analysis of PAHs from the petrochemical industry is typically performed by HPLC method as well as sono-degredation in the presence of oxygen and hydrogen peroxide.

This diploma thesis deals with the optimization of processes for extraction of bioactive lipophilic compounds from fruits of sea buckthorn (Hippophae Rhamnoides) into various types of plant oil bases using simple maceration. The theoretical part of this thesis deals with the characterization of this herb, its botanical classification, traditional use, chemical composition and medicinal effects. Increased attention is also paid to the characterization of individual types of plant oils used, namely camellia, camellia organic, passionflower, kukui and kiwi oil. The experimental part of the thesis deals with application of theoretical knowledge. The profile of total and free fatty acids for individual plant oil bases was determined by GC/FID, furthet the basic fat numbers were also determined. When optimizing the extraction, emphasis was placed not only on the effect of the extraction agent used, but also on the extraction time (1, 3, 5, 7, 10, 14, 21 and 66 days). The macerates were continuously subjected to the determination of selected parameters (total amount of carotenoids, total amount of phytosterols, lutein, neoxanthin, astaxanthin, stigmasterol, -sitosterol and vitamin E) using UV-VIS spectroscopy and HPLC/PDA. Likewise, the peroxide number was monitored during maceration to assess the degree of oxidative degradation of macerates. The recovery of selected total parameters in individual oils did not differ significantly in most cases. On the contrary, the yield of individual monitored parameters differed significantly. At the same time, static maceration under our conditions was not very suitable for the extraction of vitamin E, stigmasterol and total phytosterols.

The synthesis and properties of metal phosphonates prepared using piperazine-based bisphosphonic acids have been investigated. The ligands N,N’-piperazinebis(methylenephosphonic acid) (H₄L), and the 2-methyl (H₄L-Me) and 2,5-dimethyl (H₄L 2,5-diMe) derivatives have been prepared using a modified Mannich reaction. Hydrothermal reaction of gels prepared from metal (II) acetates and the bisphosphonic acids results in the synthesis of four structures: STA-12, Ni VSB-5, Co H₂L.H₂O and Mg H₂L. STA-12, synthesised by reaction of Mn, Fe, Co or Ni acetate with H₄L or H₄L-Me, has been investigated further. STA-12 crystallises in the space group R⁻₃, and Ni STA-12 is the most crystalline version. Its structure was solved from synchrotron data (a = b = 27.8342(1) Å, c = 6.2421(3) Å, α = β = 90°, γ = 120°), and it has large 10 Å hexagonal shaped pores. Helical chains of Ni octahedra are coordinated by the ligands, resulting in phosphonate tetrahedra pointing towards the pore space. Water is present, both coordinated to the Ni²⁺ cations and physically adsorbed in the pores. Mixed metal structures based on Ni STA-12, where some Ni is replaced in the gel by another divalent metal (Mg, Mn, Fe or Co) can also be synthesised. Dehydration of STA-12 results in two types of behaviour, depending on the metal present. Rhombohedral symmetry is retained on dehydration of Mn and Fe STA-12, the a cell parameter decreasing compared to the as-prepared structures by 2.42 Å and 1.64 Å respectively. Structure solution of dehydrated Mn STA-12 indicates changes in the torsion angles of the piperazine ring bring the inorganic chains closer together. Fe and Mn STA-12 do not adsorb N₂, which is thought to be due to the formation of an amorphous surface layer. Dehydration of Ni and Co STA-12 causes crystallographic distortion. Three phases were isolated for Ni STA-12: removal of physically adsorbed water results in retention of rhombohedral symmetry, while dehydration at 323 K removes some coordinated water forming a triclinic structure. A fully dehydrated structure (dehydrated at 423 K) was solved from synchrotron data (a = 6.03475(5) Å, b = 14.9156(2) Å, c = 16.1572(7) Å, α = 112.5721(7)°, β = 95.7025(11)°, γ = 96.4950(11)°). The dehydration mechanism, followed by UV-vis and Infra-red spectroscopy, involves removal of water from the Ni²⁺ cations and full coordination of two out of three of the phosphonate tetrahedra forming three crystallographically distinct Ni and P atoms. No structural distortion takes place on dehydration of Ni and Co STA-12 prepared using the methylated bisphosphonate, and the solids give a higher N₂ uptake as a result. Dehydrated Ni and Co STA-12 were tested for adsorption performance for fuel related gases and probe molecules. Investigations were undertaken at low temperature with H₂, CO and CO₂, and ambient temperature with CO₂, CH₄, CH₃CN, CH₃OH and large hydrocarbons. Due to the presence of lower crystallinity, Co STA-12 has an inferior adsorption performance to Ni STA-12, although it has similar adsorption enthalpies for CO₂ at ambient temperature (-30 to -35 kJ mol⁻¹). Ni STA-12 adsorbs similar amounts of CO₂ and N₂ at low temperature, indicating the adsorption mechanisms are similar. Also, it adsorbs 10 × more CO₂ than CH₄ at low pressure, meaning it could be used for separation applications. Ni STA-12 adsorbs 2 mmol g⁻¹ H₂ with an enthalpy of -7.5 kJ mol⁻¹, the uptake being due to adsorption on only one-third of the Ni²⁺ cations. The uptake for CO is 6 mmol g⁻¹, with adsorption enthalpies ranging from -24 to -14 kJ mol⁻¹. This uptake is due to adsorption on all the Ni²⁺, meaning the adsorption enthalpies are high enough to allow the structure to relax. This is also observed for adsorption of CH₃CN and CH₃OH, where there is a return to rhombohedral symmetry after uptake. The adsorption sites in dehydrated Ni and Co STA-12 were investigated via Infra-red spectroscopic analysis of adsorbed probe molecules (H₂, CO, CO₂, CH₃CN and CH₃OH). The results indicate the adsorption sites at both low and ambient temperature are the metal cations and the P=O groups. The metal cation sites are also characterised as Lewis acids with reasonable strength. STA-12 was shown to have acidic activity for the liquid phase selective oxidations of 1-hexene and cyclohexene, although there is evidence active sites are coordinated by products and/or solvents during the reaction. STA-12 also demonstrates basic activity for the Knoevenagel condensation of ethyl cyanoacetate and benzaldehyde. Modification of STA-12 by adsorption of diamine molecules causes a slight increase in the basicity, and the highest conversions are where water and diamine molecules are both present.