La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs. / The nature of acids in an aqueous environment is fundamental to many aspects of chemistry and biology. The defining feature of an acid is its ability to transfer a proton to water or to any accepting base, but this seemingly simple process can be complex and highly dependent on the solvation involving different reaction intermediate species. This thesis describes computational studies based on first principles molecular dynamics simulations aimed at obtaining molecular-level descriptions of diverse proton transfer process involving acids and bases in liquid water. For that, we have investigated a variety of systems including aqueous hydrofluoric acid, aqueous trifluoroacetic acid and a model system comprising of a phenol and a carboxyate molecule bridged by a water molecule in aqueous solution. Two different intermediate stages of proton transfer from an acid were identified which are found to be stabilized by distinct local H-bond solvation pattern. Their spectroscopic signatures were characterized using infrared spectroscopy computed from first principles molecular dynamics simulations which incorporate nuclear quantum effects explicitly. This study also identified three elementary reaction pathways that are responsible for proton translocation from acid to the base and their characteristic time scales. Conclusions drawn from this study are discussed in molecular detail, highlighting experimental comparisons.

Die vorliegende Arbeit hat die Synthese und Charakterisierung von chromophoren Arylboronsäureestern mit besonderem Augenmerk auf einer breiten strukturellen Variation zum Inhalt. An dieser Verbindungsklasse wird die Wechselwirkung mit Lewis-Basen tiefgehend untersucht. Die Koordination von Lewis-Basen am Bor-Atom führt zu einer Beeinflussung der elektronischen Eigenschaften des borbasierten Substituenten, wobei der Charakter eines direkt am Bor-Atom gebundenen pi-Elektronensystems von pull zu push-pull geschaltet werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird beschrieben, wie geometrische und elektronische Strukturmerkmale von boronsäureesterfunktionalisierten Chromophoren durch die Lewis-Säure-Base-Wechselwirkung am Bor-Atom beeinflusst werden. Die Veränderung von molekularen Eigenschaften wird mit Hilfe der UV/vis-Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie, 1H- und 11B-NMR-Spektroskopie sowie mit röntgendiffraktometrischen Methoden untersucht. Die experimentellen Daten werden durch quantenchemische Berechnungen auf DFT-Niveau unterstützt.

Polymerní nanokompozity (PNCs) mají slibnou budoucnost jako lehké funkční materiály zpracovatelné aditivními výrobními technologiemi. Jejich rychlému rozšíření však brání silná závislost jejich užitných vlastností na prostorovém uspořádání nanočástic (NP). Schopnost řídit disperzi nanočástic je tak klíčovým předpokladem pro jejich uplatnění ve funkčních kompozitech. Tato práce zkoumá přípravu polymerních nanokompozitů v modelové sklotvorné polymerní matrici roztokovou metodou, technikou schopnou vytvářet prostorové uspořádání nanočástic řízené strukturními a kinetickými parametry přípravného procesu. Prezentované výsledky popisují rozdíly mezi změnami rheologického chování roztoku polystyrenu při oscilačním smyku s vysokou amplitudou (LAOS) vyvolanými nanočásticemi. Výsledky vedou k závěru, že vysoce-afinní OP-POSS nanočástice při nízkých koncentracích dobře interagují s PS a tvoří tuhé agregáty, zatímco nízko-afinní OM-POSS nanočástice za těchto podmínek neovlivňují deformační chování polymerních řetězců. Dále byla pozornost zaměřena na vliv použitého rozpouštědla na uspořádání nanočástic v SiO2/PMMA a SiO2/PS nanokompozitech, který je v literatuře prezentován jako parametr řídící prostorové uspořádání nanočástic v pevném stavu. Důraz byl kladen na kvalitativní rozdíly mezi „špatně dispergovanými“ shluky nanočástic, které byly na základě rheologie a strukturální analýzy (TEM, USAXS) identifikovány jako polymerními řetězci vázané nanočásticové klastry a dva typy agregátů, jeden termodynamického a druhý kinetického původu. Jednotlivé druhy agregátů se vyznačují odlišnými kinetikami vzniku a rozdílnými vlastnostmi jak mezi sebou, tak v porovnání s dispergovanými nanočásticemi. Pozorované typy disperze nanočástic byly kvantitativně posouzeny podle svých rheologických vlastností během roztokové přípravy, podle kterých byla vyhodnocena míra adsorpce polymeru na povrch nanočástic a atrakce ve vypuzeném objemu. Výsledky byly porovnány s teorií PRISM. Důležitost uspořádání nanočástic byla demonstrována na porovnání teplot skelných přechodů různých struktur při stejném chemickém složení.