Nous avons développé un système de transfert des surfaces monocristallines préparées sous ultra-haut vide (UHV) vers un milieu électrolytique pour effectuer des mesures voltampérométriques. Ce système original très compact comprend une valise sous vide et une cellule électrochimique dédiée. Le système a été testé avec succès sur des surfaces monocristallines de platine, en particulier la surface Pt(111) très sensible à la qualité de la préparation sous UHV. Puis nous avons utilisé ce système pour caractériser les propriétés électrochimiques du système Pt/W(111) avec d'une part l'effet des contraintes élastiques pour les couches ultra-minces planaires de Pt épitaxié ainsi que la stabilité en milieu électrolytique de nano-pyramides obtenues par déstabilisation en température des surfaces Pt/W(111). Ce travail ouvre des perspectives intéressantes pour l'étude électrochimiques des surfaces modèles préparées sous UHV.

Le thème principal de notre travail consistait en la mise en exergue de l'efficience de la mise en œuvre de techniques hybrides associant l’électrochimie à l’élément biologique (biocapteur) ou l’électrochimie aux performances de la spectrométrie de masse (couplage EC-MS). Les informations fournies, jointes aux résultats des mesures en voltampérométrie sur électrodes solides, permettent une bonne compréhension mécanistique quant au devenir oxydatif de substances médicamenteuses. Notre champ d'investigation s'est plus spécifiquement focalisé sur deux familles de molécules psychotropes (les phénothiazines, et une dibenzoazépine). Celles-ci connaissent un usage thérapeutique intensif et un regain d’intérêt pour des applications nouvelles, mais leur utilisation optimale souffre de l’existence d'effets secondaires physiopathologiques importants et dont l’étiologie est encore mal connue. En premier lieu, les résultats de la voltampérométrie cyclique et les différentes modulations en ligne d'une cellule électrochimique couplée à la détection par spectrométrie de masse, nous ont permis de mettre en évidence des différences essentielles dans le devenir des phénothiazines quant aux produits d'oxydations générés. Plus précisément, un comportement clairement distinct entre les phénothiazines garnies de deux (2C) ou trois carbones (3C) entre les deux azotes au niveau de leur chaîne latérale a pu être mis en évidence. Les phénothiazines 3C s'oxydent de manière classique en leur sulfoxyde correspondant. Par contre, les phenothiazines 2C, conjointement à la formation de leur sulfoxyde, souffrent dans des conditions énergiques d’oxydation (persulfate, potentiel élevé) d'une rupture de la chaîne latérale et libèrent la phénothiazine base aisément oxydable et donc subissant elle-même une oxydation. Au vu des structures moléculaires en trois dimensions, nous émettons l’hypothèse que volume trop important de la chaîne latérale des phénothiazines 2C empêcherait le déploiement aisé des structures aromatiques en un radical cation coplanaire lors du phénomène d'oxydation. Les tensions intrastructurelles apparues conduiraient au bris de la chaîne latérale. Différents modes d'oxydation (chimique, électrochimique, enzymatique) ont été utilisés et laissent chacun apparaître la dépendance directe entre la puissance de l'agent oxydant appliqué et les produits d'oxydation obtenus. Chaque technique de détection, de manière individuelle, a bien confirmé la dualité entre les deux groupes de molécules. La mise en commun des divers résultats nous a permis l'identification irrévocable des espèces intermédiaires instables et des composés finaux. Par corollaire, nous avons pu postuler un schéma général d'oxydation pour les dérivés phénothiaziniques. Il nous paraît intéressant de transposer nos résultats aux biotransformations des phénothiazines car les produits identifiés ne possèdent pas l'activité pharmacologique du composé parent mais présentent un profil toxicologique bien répertorié dans la littérature. Nos résultats suggèrent d’approfondir les études de biotransformation afin de déterminer si ‘l’éclatement’ oxydatif des phénothiazines 2C est également observé in vivo. Une relation cause/effet de ces métabolites pourrait ainsi être établie. En deuxième point, au travers de l'association CE/SM ou CE/CL/SM, nous avons étudié l’électroxydation de la clozapine. La génération et l'identification des principaux métabolites de phases I et II, illustre un mimétisme certain avec le CYP450, et nous a permis de confirmer de nombreuses données de la littérature quant à l'oxydation in vivo et in vitro de la clozapine. L'oxydation électrochimique ne génère cependant pas l'ensemble des réactions de métabolisation prises en charge par le système CYP450. Lors de la combinaison CE/SM, par l'absence de séparation chromatographique dans cette configuration, le spectre de masse présente un pic correspondant à un intermédiaire à demi-vie courte, difficilement et rarement mis en évidence: l'ion nitrénium. Cette espèce hautement réactive envers les fonctions thiols des petites molécules et des protéines, se trouve très régulièrement tenue pour responsable majeur de la toxicité avérée de la clozapine. L'apparition plus abondante de dérivés déméthylés démontre l'influence du potentiel appliqué à l'électrode de travail lors de l'oxydation électrochimique. En effet, les processus de déméthylation nécessitent des potentiels élevés pour être observés. En présence de glutathion, aux différents pics antérieurement identifiés, des pics supplémentaires relatifs à la formation d'adduits de GSH sur la CLZ apparaissent. Les courbes voltampérométriques réalisées sur la clozapine suggèrent la distinctement la formation de l'ion nitrénium et d'une nouvelle espèce aisément électroréduite, probablement une structure quinone imine. L'addition de GSH provoque la disparition des pics de réduction de la CLZ. Ces comportements en VC corroborent les interprétations issues des mesures par couplage EC/CL/SM. La dernière partie de notre travail a consisté en la construction d'un biocapteur à pâte de carbone solide avec inclusion au sein de cette matrice de peroxydase de raifort. Basé sur la capacité reconnue de l'HRP à reproduire in vitro des produits d'oxydation similaires à la métabolisation in vivo, nous avons exploité un tel biocapteur pour l'analyse de la clozapine et de composés thiols. Une compréhension fine du mécanisme opérationnel intrinsèque du biocapteur a pu être suggérée. La génération à la surface de l'électrode de l'ion nitrénium par oxydation enzymatique de la clozapine par l'HRP, suivie de sa réduction immédiate fournit un courant ampérométrique substantiel. Sous des conditions de pH optimales, ce courant de réduction autorise la détermination quantitative de la clozapine dans un domaine de linéarité compris entre 1 x 10-5 M et 1 x 10-6 M. L'addition de composés thiols dans le milieu occasionne une chute de courant par action de ceux-ci sur la structure radical cation ou nitrénium par addition nucléophile. La disparition de l'ion nitrénium et la formation d'un adduit GSH-CLZ inhibent tout processus de réduction à l'électrode du biocapteur. Cette diminution de courant proportionnelle aux concentrations en thiols introduits, permet la détermination quantitative de dérivés thiols. Les courbes de calibration exprimées en pourcentage d'inhibition conduisent facilement à l'évaluation de la constante d'inhibition (Ki) et de CI50. L'étude de la réponse ampérométrique de la clozapine à l'EPC/HRP en l'absence ou présence d'un dérivé thiol envisagé permet la détermination de Km et de caractériser le type d'inhibition qui entre en jeu. De tels paramètres cinétiques nous ont habilités à classer les thiols considérés en fonction de leur puissance réactionnelle envers les substances oxydées de la clozapine. Au terme de ce travail, nous espérons avoir illustré, par l’étude de quelques molécules modèles, l’intérêt de la mise en œuvre des techniques électrochimiques couplées à l’élément biologique ou à la spectrométrie de masse. Des améliorations au niveau de la cellule électrochimique sont envisageables par l’emploi d’électrodes modifiées, elles laissent entrevoir la possibilité de mimer totalement le système CYP450. Les résultats fournis par ces techniques hybrides et par voltampérométrie cyclique sont complémentaires, ils procurent un éventail d'informations d'une utilité estimable pour une application dans des études prédictives précoces de candidats médicament.

Ce mémoire décrit la synthèse, la caractérisation spectroscopique et l’étude de la réactivité catalytique d’une nouvelle série de complexes pinceurs de Ni(II) formés à partir du ligand POCOPPh (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H4), très peu étudié dans le cas du nickel. Les études décrites dans ce mémoire examinent l’effet des substituants des phosphines sur les propriétés spectroscopiques et électrochimiques ainsi que les activités catalytiques. La synthèse du ligand a été améliorée par rapport à la procédure connue dans la littérature en diminuant le temps de réaction à 30 min et la température jusqu'à température ambiante. Les composés pinceur (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H3)NiX ont été obtenus avec des rendements variant entre 60% et 88%. Le premier complexe a été synthétisé en faisant réagir le précurseur NiBr2(NCCH3)x avec le ligand POCOPPh pour donner (POCOPPh)NiBr. Ce dernier réagit par la suite avec les sels d’argent et de potassium pour donner 4 nouveaux complexes soient : (POCOPPh)NiCN, (POCOPPh)NiOTf, (POCOPPh)NiOAc et (POCOPPh)NiONO2 (OTf = triflate et OAc = acetate). Vu la réactivité limitée du dérivé bromure, le dérivé (POCOPPh)NiOTf a été utilisé pour la préparation du composé (POCOPPh)NiCCPh. Le dérivé Ni-OTf a été utilisé également pour la synthèse des complexes (POCOPPh)NiR qui ont été détectés par RMN. Ces complexes (POCOPPh)NiR ont montré une stabilité trop faible et donnent des nouveaux complexes de type (POCOPPh)NiX en échangeant l’halogène avec le Mg ou de type (POCOPPh)NiOH en s’hydrolysant. Les espèces cationiques [(POCOPPh)NiNCR][OTf] (R= Me, CHCH2, CHCHMe, C(Me)CH2, NCCH2CH2N(Ph)H) ont été obtenues facilement et avec des bon rendements à partir du (POCOPPh)NiOTf. Tous les composés obtenus ont été caractérisés par la spectroscopie RMN (1H, 13C{1H}, 31P{1H}, 19F{1H}), la spectroscopie IR et la spectroscopie UV-vis. L’analyse élémentaire et l’analyse par la diffraction des rayons X, dont le but est de résoudre la structure à l’état solide, ont été utilisées pour la plupart des complexes. Des études de voltampérométrie cyclique ont été menées pour déterminer la densité électronique des centres métalliques et l’effet des phosphines sur cette propriété électrochimique. Dans le but de déterminer l’effet des substituants des phosphines sur l’activité catalytique des complexes, nous avons évalué les réactivités catalytiques des deux complexes (POCOPPh)NiOTf et (POCOPi-Pr)NiOTf dans la réaction d’hydroamination des oléfines activés et plus spécifiquement l’acrylonitrile. Après optimisation des conditions expérimentales, on a constaté que la réactivité des deux composés sont similaires mais une grande différence apparaît après l’ajout des additifs. En effet, le complexe (POCOPi-Pr)NiOTf donne une bonne activité catalytique en présence de la triéthylamine, tandis que cette activité diminue considérablement en présence d’eau, contrairement au complexe (POCOPPh)NiOTf qui est plus actif en présence d’eau. Dans le cas du complexe (POCOPPh)NiOTf, on a pu montrer que la base se coordonne au nickel dans le produit formé après la réaction d’hydroamination, ce qui diminue l’activité de ce complexe dans certains cas. Également on a exploré la réaction de l’addition du lien O-H sur l’acrylonitrile, et étonnamment le complexe (POCOPPh)NiOTf est beaucoup plus actif que son homologue (POCOPi-Pr)NiOTf dans le cas des alcools aromatiques. Par contre, les alcools aliphatiques restent un défi majeur pour ce genre de complexe. Le mécanisme de cette réaction qui a été proposé montre que l’alcoolyse passe par les deux intermédiaires (POCOPPh)NiOAr et [(POCOPPh)NiOAr][HOAr] mais l’isolation de ces intermédiaires observés par RMN semble être difficile. / This thesis describes the synthesis, spectroscopic characterization and the catalytic activities of a new family of pincer complexes of Ni (II) starting from the ligand POCOPPh (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H4) for which very few nickel complexes have been reported previsouly. We discuss the influence of P-substituents on the spectroscopic, electrochemical and catalytic activities of these complexes. The synthesis of POCOPPh has been improved comparatively to the procedure reported in the literature by reducing the reaction time to 30 minutes and the temperature to room temperature. The complex (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H3)NiBr was obtained with 88% yield by reacting the precursor NiBr2(NCCH3)x with POCOPPh . This complex was then reacted with various silver and potassium salts to give the following complexes (POCOPPh)NiCN, (POCOPPh)NiOTf, (POCOPPh)NiOAc and (POCOPPh)NiONO2 (OTf = triflate et OAc = acetate). The limited reactivity of the bromo derivative led us to use (POCOPPh)NiOTf for the preparation of some of the desired derivatives, such as (POCOPPh)NiCCPh. Attempts to prepare the desired alkyl derivatives (POCOPPh)NiR were not successful, but we were able to detect these derivatives using NMR. The thermal instability of (POCOPPh)NiR led to formation of new (POCOPPh)NiX complexes by halogen exchange with MgX2 or (POCOPPh)NiOH by hydrolysis. The cationic species [(POCOPPh)NiNCR][OTf] (R = Me, CHCH2, CHCHMe, C(Me)CH2, NCCH2CH2N(Ph)H) also were obtained easily from the (POCOPPh)NiOTf with good yields. All these complexes were characterized by elemental analysis, NMR spectroscopy (1H, 13C{1H} 31P{1H}, 19F{1H}), IR spectroscopy and UV-vis spectroscopy. For most complexes analysis by X-ray diffraction allowed us to establish their solid state structures. A few studies by cyclic voltammetry have been done to determine the electronic density of the metal center and the P-substituent influence on this characteristic. In order to investigate the effect of phosphine substituents on the catalytic activities of this type of complexes, catalytic studies were undertaken with the following two complexes (POCOPPh)NiOTf and (POCOPi-Pr)NiOTf in hydroamination of activated olefins specifically acrylonitrile. After optimization of experimental conditions, it was found that both complexes have similar activities but what makes a huge difference is the use of additives. Indeed, (POCOPi-Pr)NiOTf showed good catalytic activity in the presence of triethylamine as base but this activity decreased significantly in the presence of water. The opposite was observed with (POCOPPh)NiOTf complex: it was shown that triethylamine coordinates to the nickel center in this complex and hence reduces its activity in some cases. We Also explored other reactions such as the addition of the O-H bond in aromatic alcohols to acrylonitrile, and it was surprising that (POCOPPh)NiOTf is much more active than its homologous (POCOPi-Pr)-NiOTf. However aliphatic alcohols remain a major challenge for this kind of complex. Mechanistic studies suggest that this reaction passes through the following intermediates (POCOPPh)NiOAr and [(POCOPPh)NiOAr][HOAr]. These species were observed by NMR but not isolated.

L'oxydoréduction des monocouches auto-assemblées («Self-assembled monolayers ou SAMs) de ferrocenyldodecanethiolates sur une surface d'or (Fc(CH2)12SAu) dans des solutions aqueuses de n-alkyle sulfate de sodium (6, 8, 10 et 12 atomes de carbone) est étudiée par spectroscopie de résonance des plasmons de surface («Surface Plasmons Resonance ou SPR) couplée avec de la voltampérométrie cyclique (VC). La technique SPR est utilisée pour suivre en temps réel l'adsorption des tensioactifs en fonction du potentiel appliqué. Elle permet de quantifier l'épaisseur et le recouvrement des molécules adsorbées pour déterminer l'organisation des tensioactifs anioniques sur la SAM. La VC est utilisée afin de caractériser l'oxydation du groupement ferrocène en présence des n-alkyle sulfate de sodium qui s'associent à la SAM grâce à l'appariement entre le ferrocénium et le groupement sulfate. Des mélanges binaires d'alkylesulfates de différentes compositions sont utilisés dans le but de déterminer l'organisation induite par une réaction d'oxydoréduction. L'effet de la longueur de la chaîne d'hydrocarbures sur la quantité de tensioactifs anioniques adsorbés ainsi que les affinités relatives d'appariement des anions alkyle sulfate aux ferrocéniums sont rapportés dans ce mémoire. Ces surfaces électrosensibles permettront la détection de molécules amphiphiles et la compréhension du comportement de mélanges binaires de tensioactifs. Ainsi, ces travaux apporteront une avancée sur la modulation électrochimique de l'organisation de matériaux sur des substrats solides basée sur l'appariement d'ions. / The redox-induced pairing from aqueous solution of a homologous series of sodium n-alkyl sulfate (6, 8, 10 and 12 carbon atoms) to self-assembled monolayers (SAMs) of ferrocenyldodecanethiolates on a gold surface (Fc(CH2)12SAu) is investigated by spectroscopy of surface plasmon resonance (SPR) coupled with the cyclic voltammetry (CV). The SPR technique is used to monitor in real time the adsorption of surfactant in function of the applied potential. It quantifies the adsorbed layer thickness and surface coverage to determine the organization of anionic surfactants on SAM. CV is used to characterize the oxidation of ferrocene group in the presence of sodium n-alkyl sulfates that associate with SAM through matching between the ferrocenium and sulfate group. Binary mixtures of alkylesulfates of different compositions are used to determine the structure induced by a redox reaction. The effect of the length of the hydrocarbon chain on the amount of anionic surfactants adsorbed and the relative affinities of matching the ferroceniums alkyl sulfate anions are reported in this thesis. These electrosensitive surfaces allow the detection of amphiphilic molecules and the understanding the behavior of binary mixtures of surfactants. Thus, this work will result in progress on the electrochemical modulation organizing materials on solid substrates based on the ion-pairing.

Cette thèse a pour objectif de proposer une modélisation performante des supercondensateurs à électrodes à base de carbone activé, composants de puissance présents dans un nombre croissant d'applications de stockage d'énergie. La première étape des travaux a consisté à mettre en évidence les phénomènes physico-chimiques, qu'ils soient électrostatiques ou électrochimiques grâce à des essais de caractérisation spécifiques et de vieillissement. L'analyse des résultats associée à la connaissance des matériaux constitutifs a conduit à attribuer le comportement non linéaire du supercondensateur aux phénomènes d'adsorption-désorption (électrosorption) et de diffusion anomale des espèces adsorbées dans le réseau microporeux de l'électrode. La prise en compte de ces phénomènes et de la capacité de double couche a permis de définir un modèle non linéaire fractionnaire dont les paramètres dépendent des grandeurs physico-chimiques de la cellule. La procédure proposée pour l'identification des paramètres du modèle repose sur la réponse en tension du supercondensateur à des profils de charges-décharges. Malgré la simplicité de l'identification, le modèle traduit fidèlement le comportement du supercondensateur soumis à des profils en courant typiques d'applications véhicules électriques et hybrides.

Ce mémoire décrit la synthèse, la caractérisation spectroscopique et l’étude de la réactivité catalytique d’une nouvelle série de complexes pinceurs de Ni(II) formés à partir du ligand POCOPPh (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H4), très peu étudié dans le cas du nickel. Les études décrites dans ce mémoire examinent l’effet des substituants des phosphines sur les propriétés spectroscopiques et électrochimiques ainsi que les activités catalytiques. La synthèse du ligand a été améliorée par rapport à la procédure connue dans la littérature en diminuant le temps de réaction à 30 min et la température jusqu'à température ambiante. Les composés pinceur (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H3)NiX ont été obtenus avec des rendements variant entre 60% et 88%. Le premier complexe a été synthétisé en faisant réagir le précurseur NiBr2(NCCH3)x avec le ligand POCOPPh pour donner (POCOPPh)NiBr. Ce dernier réagit par la suite avec les sels d’argent et de potassium pour donner 4 nouveaux complexes soient : (POCOPPh)NiCN, (POCOPPh)NiOTf, (POCOPPh)NiOAc et (POCOPPh)NiONO2 (OTf = triflate et OAc = acetate). Vu la réactivité limitée du dérivé bromure, le dérivé (POCOPPh)NiOTf a été utilisé pour la préparation du composé (POCOPPh)NiCCPh. Le dérivé Ni-OTf a été utilisé également pour la synthèse des complexes (POCOPPh)NiR qui ont été détectés par RMN. Ces complexes (POCOPPh)NiR ont montré une stabilité trop faible et donnent des nouveaux complexes de type (POCOPPh)NiX en échangeant l’halogène avec le Mg ou de type (POCOPPh)NiOH en s’hydrolysant. Les espèces cationiques [(POCOPPh)NiNCR][OTf] (R= Me, CHCH2, CHCHMe, C(Me)CH2, NCCH2CH2N(Ph)H) ont été obtenues facilement et avec des bon rendements à partir du (POCOPPh)NiOTf. Tous les composés obtenus ont été caractérisés par la spectroscopie RMN (1H, 13C{1H}, 31P{1H}, 19F{1H}), la spectroscopie IR et la spectroscopie UV-vis. L’analyse élémentaire et l’analyse par la diffraction des rayons X, dont le but est de résoudre la structure à l’état solide, ont été utilisées pour la plupart des complexes. Des études de voltampérométrie cyclique ont été menées pour déterminer la densité électronique des centres métalliques et l’effet des phosphines sur cette propriété électrochimique. Dans le but de déterminer l’effet des substituants des phosphines sur l’activité catalytique des complexes, nous avons évalué les réactivités catalytiques des deux complexes (POCOPPh)NiOTf et (POCOPi-Pr)NiOTf dans la réaction d’hydroamination des oléfines activés et plus spécifiquement l’acrylonitrile. Après optimisation des conditions expérimentales, on a constaté que la réactivité des deux composés sont similaires mais une grande différence apparaît après l’ajout des additifs. En effet, le complexe (POCOPi-Pr)NiOTf donne une bonne activité catalytique en présence de la triéthylamine, tandis que cette activité diminue considérablement en présence d’eau, contrairement au complexe (POCOPPh)NiOTf qui est plus actif en présence d’eau. Dans le cas du complexe (POCOPPh)NiOTf, on a pu montrer que la base se coordonne au nickel dans le produit formé après la réaction d’hydroamination, ce qui diminue l’activité de ce complexe dans certains cas. Également on a exploré la réaction de l’addition du lien O-H sur l’acrylonitrile, et étonnamment le complexe (POCOPPh)NiOTf est beaucoup plus actif que son homologue (POCOPi-Pr)NiOTf dans le cas des alcools aromatiques. Par contre, les alcools aliphatiques restent un défi majeur pour ce genre de complexe. Le mécanisme de cette réaction qui a été proposé montre que l’alcoolyse passe par les deux intermédiaires (POCOPPh)NiOAr et [(POCOPPh)NiOAr][HOAr] mais l’isolation de ces intermédiaires observés par RMN semble être difficile. / This thesis describes the synthesis, spectroscopic characterization and the catalytic activities of a new family of pincer complexes of Ni (II) starting from the ligand POCOPPh (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H4) for which very few nickel complexes have been reported previsouly. We discuss the influence of P-substituents on the spectroscopic, electrochemical and catalytic activities of these complexes. The synthesis of POCOPPh has been improved comparatively to the procedure reported in the literature by reducing the reaction time to 30 minutes and the temperature to room temperature. The complex (P,C,P-2,6-{Ph2PO}2C6H3)NiBr was obtained with 88% yield by reacting the precursor NiBr2(NCCH3)x with POCOPPh . This complex was then reacted with various silver and potassium salts to give the following complexes (POCOPPh)NiCN, (POCOPPh)NiOTf, (POCOPPh)NiOAc and (POCOPPh)NiONO2 (OTf = triflate et OAc = acetate). The limited reactivity of the bromo derivative led us to use (POCOPPh)NiOTf for the preparation of some of the desired derivatives, such as (POCOPPh)NiCCPh. Attempts to prepare the desired alkyl derivatives (POCOPPh)NiR were not successful, but we were able to detect these derivatives using NMR. The thermal instability of (POCOPPh)NiR led to formation of new (POCOPPh)NiX complexes by halogen exchange with MgX2 or (POCOPPh)NiOH by hydrolysis. The cationic species [(POCOPPh)NiNCR][OTf] (R = Me, CHCH2, CHCHMe, C(Me)CH2, NCCH2CH2N(Ph)H) also were obtained easily from the (POCOPPh)NiOTf with good yields. All these complexes were characterized by elemental analysis, NMR spectroscopy (1H, 13C{1H} 31P{1H}, 19F{1H}), IR spectroscopy and UV-vis spectroscopy. For most complexes analysis by X-ray diffraction allowed us to establish their solid state structures. A few studies by cyclic voltammetry have been done to determine the electronic density of the metal center and the P-substituent influence on this characteristic. In order to investigate the effect of phosphine substituents on the catalytic activities of this type of complexes, catalytic studies were undertaken with the following two complexes (POCOPPh)NiOTf and (POCOPi-Pr)NiOTf in hydroamination of activated olefins specifically acrylonitrile. After optimization of experimental conditions, it was found that both complexes have similar activities but what makes a huge difference is the use of additives. Indeed, (POCOPi-Pr)NiOTf showed good catalytic activity in the presence of triethylamine as base but this activity decreased significantly in the presence of water. The opposite was observed with (POCOPPh)NiOTf complex: it was shown that triethylamine coordinates to the nickel center in this complex and hence reduces its activity in some cases. We Also explored other reactions such as the addition of the O-H bond in aromatic alcohols to acrylonitrile, and it was surprising that (POCOPPh)NiOTf is much more active than its homologous (POCOPi-Pr)-NiOTf. However aliphatic alcohols remain a major challenge for this kind of complex. Mechanistic studies suggest that this reaction passes through the following intermediates (POCOPPh)NiOAr and [(POCOPPh)NiOAr][HOAr]. These species were observed by NMR but not isolated.

Cette thèse a pour objectif de proposer une modélisation performante des supercondensateurs à électrodes à base de carbone activé, composants de puissance présents dans un nombre croissant d’applications de stockage d’énergie. La première étape des travaux a consisté à mettre en évidence les phénomènes physico-chimiques, qu’ils soient électrostatiques ou électrochimiques grâce à des essais de caractérisation spécifiques et de vieillissement. L’analyse des résultats associée à la connaissance des matériaux constitutifs a conduit à attribuer le comportement non linéaire du supercondensateur aux phénomènes d’adsorption-désorption (électrosorption) et de diffusion anomale des espèces adsorbées dans le réseau microporeux de l’électrode. La prise en compte de ces phénomènes et de la capacité de double couche a permis de définir un modèle non linéaire fractionnaire dont les paramètres dépendent des grandeurs physico-chimiques de la cellule. La procédure proposée pour l’identification des paramètres du modèle repose sur la réponse en tension du supercondensateur à des profils de charges-décharges. Malgré la simplicité de l’identification, le modèle traduit fidèlement le comportement du supercondensateur soumis à des profils en courant typiques d’applications véhicules électriques et hybrides. / This work aim is an efficient modelling proposal for supercapacitors made of activated carbon electrodes which are power components used in many energy storage applications. In the first part of this study, the purpose is to evidence physico-chemical phenomena, electrostatic or electrochemical as well, thanks to characterization and aging tests. The results analysis combined with materials knowledge leads to suppose that the supercapacitor non linear behavior is due to adsorption-desorption processes and also to anomalous diffusion of adsorbed species into the electrode microporous network. These mechanisms in addition with the double layer capacitor principle allow us to define a non linear fractional model with parameters that depend on physic0-chemical characteristics of the cell. The proposed identification procedure is based on the voltage response to charges-discharge current profiles. In spite of the simplicity of this identification method, the model matches very well the behavior of the supercapacitor under current profiles that are typical of hybrid and electric vehicle applications.

Afin de lutter contre les phénomènes de drainage minier acide DMA, nous avons étudié la possibilité de passivation/inertage de rejets miniers sulfurés. L'inhibition de l'oxydation superficielle de phases pyriteuses a été effectuée par adsorption de molécules: acide humique HA, thymol et silicate de sodium. L'étude fondamentale réalisée sur une pyrite pure (masse 1-5g) a ensuite été conduite à des rejets miniers (masse 2 kg). L’adsorption de molécules passivantes a été réalisée dans des conditions dynamiques (colonne chromatographique) et statiques (batch). L’ordre d’efficacité est: acide humique> thymol>silicate de sodium. Les essais dynamiques ont montré que l’adsorption d'HA sur la pyrite est irréversible. L’étude par voltamétrie cyclique a montré que de faibles concentrations en HA adsorbée (de 0,15 à 0,3mg/g–[thêta]<1) sont suffisantes pour bloquer plus de 90% de l’activité électrochimique initiale. L’analyse de la surface par la spectroscopie IR en mode réflexion diffuse a mis en évidence l’importance des phases oxydées superficielles dans le processus d’adsorption. La description des fronts chromatographiques a été possible à partir du modèle trimodal dynamique basé sur l’existence de trois sites d’adsorption dont la nature chimique, le nombre et l’accessibilité évoluent pendant l’adsorption. D'autres expériences conduites en cellules humides simulant le comportement d’un stérile minier d'Abitibi-Témiscamingue en conditions naturels de stockage, ont montré que le traitement à l’HA est efficace pendant plus de 30 équivalent-années. Aussi, un stérile traité avec HA ne génère plus de DMA alors que celui non traité est générateur d’acide pendant les 6 premières années / To fight against the phenomena of acid mine drainage DMA, we studied the possibility of passivation/inertage of sulphurized mining discharges. The inhibition of the superficial oxidation of pyriteuses phases was made by adsorption of molecules: acid humique HA, thymol and silicate of sodium. The fundamental study realized on a pure pyrite (mass 1-5g) was then driven to mining refusals (masse 2 kg). The adsorption of passivantes molecules was realized in dynamic conditions (chromatographic column) and statics (batch) . The order of efficiency is: acid humique > thymol > silicate of sodium. The dynamic experiments showed that the adsorption of HA on the pyrite is irreversible. The study by cyclic voltammetry showed that weak concentrations in adsorbed HA (of 0,15 in 0,3mg/g–[thêta]<1) are sufficient to block more than 90 % of the initial electrochemical activity. The analysis of the surface by the spectroscopy IR in mode diffuse reflection put in evidence the importance of the superficial oxidized phases in the process of adsorption. The description of chromatographic fronts was possible from the model dynamic trimodal based on the existence of three sites of adsorption among which the chemical nature, the number and the accessibility evolve during the adsorption. Other experiments led in wet cells feigning the behavior of sterile one mining of natural Abitibi-Témiscamingue in conditions of storage, showed that the treatment in the HA is effective counterpart more than 30 equivalents-years. So, sterile one treated with HA generate no more DMA while that untreated is generative of acid during the first 6 years

Cette thèse décrit la synthèse, la caractérisation, les réactivités, et les propriétés physiques de complexes divalents et trivalents de Ni formés à partir de nouveaux ligands «pincer» de type POCN. Les ligands POCN de type amine sont préparés d’une façon simple et efficace via l’amination réductrice de 3-hydroxybenzaldéhyde avec NaBH4 et plusieurs amines, suivie par la phosphination de l’amino alcool résultant pour installer la fonction phosphinite (OPR2); le ligand POCN de type imine 1,3-(i-Pr)2PC6H4C(H)=N(CH2Ph) est préparé de façon similaire en faisant usage de PhCH2NH2 en l’absence de NaBH4. La réaction de ces ligands «pincer» de type POCN avec NiBr2(CH3CN)x en présence d’une base résulte en un bon rendement de la cyclométalation du lien C-H situé en ortho aux fonctions amine et phosphinite. Il fut découvert que la base est essentielle pour la propreté et le haut rendement de la formation des complexes «pincer» désirés. Nous avons préparé des complexes «pincer» plan- carrés de type POCN, (POCNRR΄)NiBr, possédant des fonctions amines secondaires et tertiaires qui démontrent des réactivités différentes selon les substituants R et R΄. Par exemple, les complexes possédant des fonctions amines tertiaires ArCH2NR2 (NR2= NMe2, NEt2, and morpholinyl) démontrent des propriétés rédox intéressantes et pourraient être convertis en leurs analogues trivalents (POCNR2)NiBr2 lorsque réagis avec Br2 ou N-bromosuccinimide (NBS). Les complexes trivalents paramagnétiques à 17 électrons adoptent une géométrie de type plan-carré déformée, les atomes de Br occupant les positions axiale et équatoriale. Les analyses «DSC» et «TGA» des ces composés ont démontré qu’ils sont thermiquement stables jusqu’à ~170 °C; tandis que la spectroscopie d’absorption en solution a démontré qu’ils se décomposent thermiquement à beaucoup plus basse température pour regénérer les complexes divalents ne possédant qu’un seul Br; l’encombrement stérique des substitutants amines accélère cette route de décomposition de façon significative. Les analogues NMe2 et N(morpholinyl) de ces espèces de NiIII sont actifs pour catalyser la réaction d’addition de Kharasch, de CX4 à des oléfines telles que le styrène, tandis qu’il fut découvert que l’analogue le moins thermiquement stable (POCNEt2)Ni est complètement inerte pour catalyser cette réaction. Les complexes (POCNRH)NiBr possédant des fonctions amines secondaires permettent l’accès à des fonctions amines substituées de façon non symétrique via leur réaction avec des halogénures d’alkyle. Un autre avantage important de ces complexes réside dans la possibilité de déprotonation pour préparer des complexes POCN de type amide. De telles tentatives pour déprotoner les fonctions NRH nous ont permis de préparer des espèces dimériques possédant des ligands amides pontants. La nature dimérique des ces complexes [P,C,N,N-(2,6-(i-Pr)2PC6H3CH2NR)Ni]2 (R= PhCH2 et Ph) fut établie par des études de diffraction des rayons-X qui ont démontré différentes géométries pour les cœurs Ni2N2 selon le substituant N : l’analogue (PhCH2)N possède une orientation syn des substitutants benzyles et un arrangement ressemblant à celui du cyclobutane du Ni et des atomes d’azote, tandis que l’analogue PhN adopte un arrangement de type diamant quasi-planaire des atomes du Ni et des atomes d’azote et une orientation anti des substituants phényles. Les espèces dimériques ne se dissocient pas en présence d’alcools, mais elles promouvoient l’alcoolyse catalytique de l’acrylonitrile. De façon intéressante, les rendements de ces réactions sont plus élevés avec les alcools possédant des fonctions O-H plus acides, avec un nombre de «turnover» catalytique pouvant atteindre 2000 dans le cas de m-cresol. Nous croyons que ces réactions d’alcoolyse procèdent par activation hétérolytique de l’alcool par l’espèce dimérique via des liaisons hydrogènes avec une ou deux des fonctions amides du dimère. Les espèces dimériques de Ni (II) s’oxydent facilement électrochimiquement et par reaction avec NBS ou Br2. De façon surprenante, l’oxydation chimique mène à l’isolation de nouveaux produits monomériques dans lesquels le centre métallique et le ligand sont oxydés. Le mécanisme d’oxydation fut aussi investigué par RMN, «UV-vis-NIR», «DFT» et spectroélectrochimie. / This thesis describes the synthesis, characterization, reactivities, and physical properties of divalent and trivalent complexes of Nickel based on new POCN-type pincer ligands. The amino-type POCN ligands were prepared in a simple and efficient manner via reductive amination of 3-hydroxybenzaldehyde with NaBH4 and various amines, followed by phosphination of the resulting amino alcohol to install the phosphinite (OPR2) functionality. The imino-type POCN ligand 1,3-(i-Pr)2PC6H4C(H)=N(CH2Ph) was prepared similarly using PhCH2NH2 in the absence of NaBH4. Reaction of these POCN-type pincer ligands with NiBr2(CH3CN)x in the presence of a base results in the high yield cyclometalation of the C-H bond which is ortho to the amine and phosphinite functionalities. The base was found to be essential for a clean and high yield formation of the desired pincer complexes. We have thus prepared square planar POCN-type pincer complexes (POCNRR΄)NiBr featuring tertiary or secondary amine moieties that exhibit different reactivities as a function of amine substituents R and R΄. For instance, complexes bearing the tertiary amine moieties ArCH2NR2 (NR2= NMe2, NEt2, and morpholinyl) displayed interesting redox properties and could be converted into their trivalent analogues (POCNR2)NiBr2 when reacted with Br2 or N-bromosuccinimide (NBS). These 17-electron, paramagnetic trivalent complexes adopt a distorted square pyramidal geometry with Br atoms at axial and equatorial positions. DSC and TGA analyses of these compounds revealed them to be thermally stable up to ~170 °C; whereas absorption spectroscopy in solution showed that they undergo thermal decomposition at much lower temperatures to regenerate the monobromo divalent complexes; increased steric bulk of the amine substituents accelerate this decomposition pathway significantly. The NMe2 and N(morpholinyl) analogues of these NiIII species are active catalysts for the Kharasch addition of CX4 to olefins such as styrene, whereas the least thermally stable analogue (POCNEt2)Ni was found to be completely inert for this reaction. The complexes (POCNRH)NiBr featuring secondary amine moieties allow access to unsymmetrically substituted amine moieties via reaction with alkyl halides. Another important advantage of these complexes lies in the possibility of deprotonation to prepare amide-type POCN complexes. Such attempts at deprotonating the NRH moieties have allowed us to prepare dimeric species featuring bridging amido ligands. The dimeric nature of these complexes [P,C,N,N-(2,6-(i-Pr)2PC6H3CH2NR)Ni]2 (R= PhCH2 and Ph) was established through X-ray diffraction studies that showed different geometries for the Ni2N2 cores as a function of N-substituent: the (PhCH2)N analogue featured a syn orientation of the benzyl substituents and a cyclobutane-like arrangement of Ni and of the nitrogen atoms, whereas the PhN analogue adopted a nearly planar diamond-like arrangement of the Ni and of the nitrogen atoms and an anti orientation of the phenyl substituents. These dimeric species do not dissociate in the presence of alcohols, but they promote the catalytic alcoholysis of acrylonitrile. Interestingly, yields of these reactions are higher with alcohols possessing more acidic O-H moieties, with a catalytic turnover number reaching up to 2000 in the case of m-cresol. These alcoholysis reactions are believed to proceed through heterolytic activation of the alcohol by dimeric species via hydrogen bonding with one or two amido moieties in the dimer. The dimeric Ni (II) species were found to undergo facile oxidation both electrochemically and in reaction with NBS or Br2. Surprisingly, chemical oxidation led to isolation of new monomeric products in which both the metallic center and the ligand were oxidized. giving a trivalent species featuring an imine-type POCN ligand. Oxidation mechanism was investigated in detail by NMR, UV-vis-NIR, DFT and spectroelectrochemistry.

L’objectif général de cette thèse est de développer une plateforme d’immobilisation d’enzymes efficace pour application en biopile. Grâce à la microencapsulation ainsi qu’au choix judicieux des matériaux polymériques pour la fabrication de la plateforme d’immobilisation, l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode serait amélioré. Du même coup, les biopiles employant cette plateforme d’immobilisation d’enzymes pourrait voir leur puissance délivrée être grandement augmentée et atteindre les niveaux nécessaires à l’alimentation d’implants artificiels pouvant remplacer des organes telque le pancréas, les reins, le sphincter urinaire et le coeur. Dans un premier temps, le p-phénylènediamine a été employé comme substrat pour la caractérisation de la laccase encapsulée dans des microcapsules de poly(éthylèneimine). La diffusion de ce substrat à travers les microcapsules a été étudiée sous diverses conditions par l’entremise de son oxidation électrochimique et enzymatique afin d’en évaluer sa réversibilité et sa stabilité. La voltampérométrie cyclique, l’électrode à disque tournante (rotating disk electrode - RDE) et l’électrode à O2 ont été les techniques employées pour cette étude. Par la suite, la famille des poly(aminocarbazoles) et leurs dérivés a été identifée pour remplacer le poly(éthylèneimine) dans la conception de microcapsules. Ces polymères possèdent sur leurs unités de répétition (mono- ou diamino) des amines primaires qui seraient disponibles lors de la polymérisation interfaciale avec un agent réticulant tel qu’un chlorure de diacide. De plus, le 1,8-diaminocarbazole (unité de répétition) possède, une fois polymérisé, les propriétés électrochimiques recherchées pour un transfert d’électrons efficace entre l’enzyme et l’électrode. Il a toutefois été nécessaire de développer une route de synthèse afin d’obtenir le 1,8-diaminocarbazole puisque le protocole de synthèse disponible dans la littérature a été jugé non viable pour être utilisé à grande échelle. De plus, aucun protocole de synthèse pour obtenir du poly(1,8-diaminocarbazole) directement n’a été trouvé. Ainsi, deux isomères de structure (1,6 et 1,8-diaminocarbazole) ont pu être synthétisés en deux étapes. La première étape consistait en une substitution électrophile du 3,6-dibromocarbazole en positions 1,8 et/ou 1,6 par des groupements nitro. Par la suite, une réaction de déhalogénation réductive à été réalisée en utilisant le Et3N et 10% Pd/C comme catalyseur dans le méthanol sous atmosphère d’hydrogène. De plus, lors de la première étape de synthèse, le composé 3,6-dibromo-1-nitro-carbazole a été obtenu; un monomère clé pour la synthèse du copolymère conducteur employé. Finalement, la fabrication de microcapsules conductrices a été réalisée en incorporant le copolymère poly[(9H-octylcarbazol-3,6-diyl)-alt-co-(2-amino-9H-carbazol-3,6-diyl)] au PEI. Ce copolymère a pu être synthétisé en grande quantité pour en permettre son utilisation lors de la fabrication de microcapsules. Son comportement électrochimique s’apparentait à celui du poly(1,8-diaminocarbazole). Ces microcapsules, avec laccase encapsulée, sont suffisamment perméables au PPD pour permettre une activité enzymatique détectable par électrode à O2. Par la suite, la modification de la surface d’une électrode de platine a pu être réalisée en utilisant ces microcapsules pour l’obtention d’une bioélectrode. Ainsi, la validité de cette plateforme d’immobilisation d’enzymes développée, au cours de cette thèse, a été démontrée par le biais de l’augmentation de l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode. / The main objective of this thesis is the development of a conductive enzyme immobilisation template for laccase through microencapsulation allowing an efficient electron transfer between the enzyme and the electrode for application in biofuel cells. First, p-phenylenediamine was used as substrate for the characterisation of the microencapsulated laccase. The diffusion of this substrate through the microcapsules was studied under various conditions by means of its electrochemical and enzymatic oxidation processes in order to assess its reversibility and stability. Cyclic voltammetry, rotating disk electrode and Clark electrode were the techniques used in this study. Moreover, poly(aminocarbazole) compounds and their derivatives were identified to replace poly(ethyleneimine) in the fabrication of the microcapsules. These polymers exhibit primary amines (mono- or di-amino) that could be available for an interfacial polymerisation using a cross-linker agent. Also, the monomer 1,8-diaminocarbazole presents the desired electrochemical propreties for an efficient electron transfer between the enzyme and the electrode. Therefore, a synthetic pathway was developed in order to synthesise this monomer since the available literature protocol was considered inappropriate for large scale synthesis. As for the direct synthesis of the poly(1,8-diaminocarbazole), to our knowledge, there is no protocol currently available. Two structural isomers (1,6 and 1,8-diaminocarbazole) were thus synthesised in two steps. The first step consists in the electrophilic substitution of 3,6-dibromocarbazole in 1,8 and/or 1,6 positions by nitro groups. This step was followed by a dehydrodehalogenation reaction that comes along with reduction of nitro to amino functions using Et3N and 10% Pd/C as the catalyst in methanol under H2 flux. During the first step, the 3,6-dibromo-1-nitro-carbazole was also obtained and appeared to be an efficient monomer in the synthesis of the desired conductive copolymer. Finally, the fabrication of the conductive microcapsules was realised by adding the copolymer poly[(9H-octylcarbazol-3,6-diyl)-alt-co-(2-amino-9H-carbazol-3,6-diyl)] to the PEI. This copolymer was synthesised in large quantities, which allowed its use in the design of microcapsules. Its electrochemical behaviour was similar in many ways to the one of poly(1,8-diaminocarbazole). These conductive microcapsules were then used to modify the surface of a platinum electrode to fabricate the bioelectrode. The main objective of this project was achieved through this final step.