Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le travail reporté dans ce manuscrit concerne l'élaboration de matériaux conducteurs protoniques et anioniques destinés à une application en tant que membrane ou liants d'électrodes. Tout d'abord, la première approche consiste en la formation de polymères pour la conception de membranes anioniques. Pour cela, 2 types de fonctions amine tertiaire ont été greffés le long de la chaîne des polysulfones, puis transformés en ammonium pour leur donner un caractère conducteur anionique. Les fonctions greffées sont de types diméthylamino et N,N diméthylaminométhyle. Différentes séries de polysulfones ont été élaborées en faisant varier le taux de fonctions amine greffées. Pour les polysulfones comportant les fonctions diméthyalmino, les résultats montrent que la stabilité thermique des fonctions ammonium est trop faible pour les utiliser pour la conception de membranes conductrices anioniques. Pour le deuxième type de fonctions amine, des membranes ayant une conductivité maximum de 40 mS.cm-1 pour un taux d'humidité de 95% et une température de 100°C ont été obtenu. Par ailleurs, pour la conception de liants d'électrodes, la synthèse de polyarylènes éthers fluorés conducteurs anioniques a été effectuée. Là encore, une série de polymères a été réalisée en faisant varier le taux de fonctions amine introduit. Les masses molaires ont été controlées pour permettre aux polymères d'être suffisamment soluble pour la mise en solution. Les valeurs de conductivités sont de l'ordre de 35 mS.cm-1. Enfin, pour la conception de membrane protonique, les polymères synthétisés précédemment avec les fonctions diméthylamino ont été utilisés. Ces polymères ont été par la suite dopés à l'aide d'acide phosphorique et la conductivité des membranes obtenues a été testée en condition anhydre. Les résultats obtenus pour ce genre de matériaux est de 160 mS.cm-1 pour un taux de dopage de 50%. En revanche, pour des forts taux de dopage, la conductivité obtenue était plus forte (260 mS.cm-1) mais les membranes perdaient de leurs propriétés mécaniques alors que pour de faibles taux de dopage (environ 18%), les conductivités obtenues étaient faibles.

Le travail reporté dans ce manuscrit concerne l’élaboration de matériaux conducteurs protoniques et anioniques destinés à une application en tant que membrane ou liants d’électrodes. Tout d’abord, la première approche consiste en la formation de polymères pour la conception de membranes anioniques. Pour cela, 2 types de fonctions amine tertiaire ont été greffés le long de la chaîne des polysulfones, puis transformés en ammonium pour leur donner un caractère conducteur anionique. Les fonctions greffées sont de types diméthylamino et N,N diméthylaminométhyle. Différentes séries de polysulfones ont été élaborées en faisant varier le taux de fonctions amine greffées. Pour les polysulfones comportant les fonctions diméthyalmino, les résultats montrent que la stabilité thermique des fonctions ammonium est trop faible pour les utiliser pour la conception de membranes conductrices anioniques. Pour le deuxième type de fonctions amine, des membranes ayant une conductivité maximum de 40 mS.cm-1 pour un taux d’humidité de 95% et une température de 100°C ont été obtenu. Par ailleurs, pour la conception de liants d’électrodes, la synthèse de polyarylènes éthers fluorés conducteurs anioniques a été effectuée. Là encore, une série de polymères a été réalisée en faisant varier le taux de fonctions amine introduit. Les masses molaires ont été controlées pour permettre aux polymères d’être suffisamment soluble pour la mise en solution. Les valeurs de conductivités sont de l’ordre de 35 mS.cm-1. Enfin, pour la conception de membrane protonique, les polymères synthétisés précédemment avec les fonctions diméthylamino ont été utilisés. Ces polymères ont été par la suite dopés à l’aide d’acide phosphorique et la conductivité des membranes obtenues a été testée en condition anhydre. Les résultats obtenus pour ce genre de matériaux est de 160 mS.cm-1 pour un taux de dopage de 50%. En revanche, pour des forts taux de dopage, la conductivité obtenue était plus forte (260 mS.cm-1) mais les membranes perdaient de leurs propriétés mécaniques alors que pour de faibles taux de dopage (environ 18%), les conductivités obtenues étaient faibles. / The work reported in this thesis is the development of proton and anion conducting materials for applications such as membrane or binders electrodes. The first approach is the formation of polymers for the anionic membranes design. To perform it, two types of tertiary amine functions have been grafted along the polysulfones chain, then converted to ammonium rendering data anionic conductive. The grafted functions types are dimethylamino and N, N dimethylaminomethyl. Different series of polysulfones were prepared by varying the rate of amine functions grafted. For polysulfones with dimethyalmino functions, the results show that the thermal stability of ammonium functions is too low to be used in anion conductive membranes design. In the second type of amine, membranes having a maximum conductivity of 40 mS.cm-1 to a moisture content of 95% and a temperature of 100 °C have been obtained. In addition, for the electrodes binders design, the synthesis of fluorinated ethers polyarylenes anionic conductors has been completed. Then, a series of polymers was carried out by varying the rate of amine introduced. The molar masses were controlled to allow polymers to be sufficiently soluble for the dissolution. Conductivity values are around 35 mS.cm-1. Finally, the design of membrane proton polymers synthesized with previously dimethylamino functions has been chosen. These polymers were subsequently doped with phosphoric acid and the conductivity of the resulting membranes has been tested in anhydrous condition. The results obtained for this kind of material is 160 mS.cm-1 for a doping level of 50%. However, for high doping level, conductivity obtained was higher (260 mS.cm-1) but the membranes lost their mechanical properties, while for low doping levels (about 18%), the conductivities obtained were low.

La pollution des eaux constitue actuellement une préoccupation majeure aussi bien d’un point de vue sanitaire qu’environnemental. Afin d’y remédier, des procédés de dépollution efficaces, économiques et durables sont constamment développés et l’adsorption reste une méthode largement utilisée dans le traitement des eaux usées. De nombreux travaux sont consacrés à l’adsorption des polluants cationiques, mais le développement de supports adaptés pour interagir avec les contaminants anioniques est moins abordé. L’objectif principal de ce travail de thèse est de mettre en forme deux adsorbants anioniques : l’HDL (hydroxyde double lamellaire) Mg/Al et la ferrihydrite deux-lignes, et les associant à un gel d’alginate pour produire des matériaux composites pouvant être mis en oeuvre dans des réacteurs spécialisés pour l’élimination de contaminants anioniques. Les résultats de l’adsorption en réacteur batch sur les HDL et la ferrihydrite ont montré une bonne efficacité pour l’élimination de certains anions. La ferrihydrite possède une capacité plus importante que les HDL pour l’élimination des anions inorganiques. L’augmentation du rapport Mg/Al dans l’HDL a favorisé l’adsorption du méthyl orange (MO) ; un rapport Mg/Al de 3 (L3) a été séléctionné pour la suite du travail. Deux protocoles ont été évalués pour associer les solides à un gel d’alginate : l’encapsulation et la synthèse interne dans le gel. La nature des cations réticulant et la création de la macroporosité ont été étudiées. L’encapsulation du solide a diminué légèrement la capacité d’adsorption des anions, cependant, la création de la macroporosité permet de compenser cet effet du gel d’alginate. Les études sur l’adsorption du MO avec les billes encapsulées ont montré que l’augmentation de la taille des billes et de la quantité du solide L3 encapsulée a été accompagnée par une diminution de la capacité d’adsorption du MO. Le remplacement du réticulant Ca2+ par Ba2+ a permis de renforcer la structure du gel et améliorer la cinétique d’adsorption du MO, mais a entrainé une diminution de la capacité d’adsorption. La caractérisation des supports préparés par synthèse interne a montré une structure des solides différente des matériaux attendus (L3 ou ferrihydrite) avec par conséquence une réactivité différente. Des mécanismes d’élimination des anions organiques et inorganiques ont été proposés selon les différents adsorbants étudiés. Les billes ferrihydrite/alginate préparées par encapsulation ont présentés globalement une bonne capacité de rétention des anions notamment pour les anions inorganiques (phosphate, chromate et arséniate). Tandis que celles préparées par synthèse interne ne fixent que les arséniates et les phosphates par différents mécanismes essentiellement la précipitation des anions à la surface des oxyde et oxy-hydroxydes de fer. L’adsorption du MO en réacteur filtrant ouvert a montré que l’augmentation du débit d’alimentation a un effet négatif sur l’adsorption alors qu’une concentration initiale plus grande favorise l’adsorption ce qui est en concordance avec les résultats obtenus en réacteur batch. Un taux de régénération de 30% des billes ferrihydrite/alginate macroporeuse (BPENFh-Ba) a été observé en réacteur batch en utilisant une solution de chlorure d’ammonium avec la possibilité de réutiliser l’adsorbant plusieurs fois.Ce travail confirme les performances et la possibilité d’utiliser des matériaux composite d’HDL ou ferrihydrite dans un gel d’alginate pour l’élimination de composés anioniques contenus dans des eaux usées. / Water pollution is currently a major concern from both health and environmental point of view. In order to solve this problem, efficient decontamination processes, economic and sustainable are constantly being developed and adsorption process remains a widely used method in the wastewater treatment. Many studies are devoted to the adsorption of cationic pollutants, but the development of suitable supports able to interact with the anionic contaminants is less discussed. The main objective of this work is to form two anionic adsorbents: the LDH (Layered Double Hydroxide) Mg/Al and two-line ferrihydrite. These adsorbents were associated with an alginate gel in order to produce composite materials that can be implemented in continuous reactors for the removal of anionic contaminants. The adsorption studies in batch reactor on LDH and ferrihydrite confirmed good removal efficiency for some anions. Ferrihydrite showed a higher adsorption capacity than LDH for the removal of inorganic anions. Increasing the Mg/Al ratio was favorable for the methyl orange (MO) adsorption, and an Mg/Al ratio of 3 (L3) was selected for the following work. Two protocols were evaluated for the integration of adsorbent into alginate gel: encapsulation and direct synthesis in the gel structure. The effect of crosslinking cation and the making of macroporosity were studied. The encapsulation of solids decreased slightly the adsorption ability of anions; however, the macroporosity counterbalances this negative effect of alginate gel. The MO adsorption studies with encapsulated beads showed that the increase of the bead size and the amount of solid in the beads were accompanied with a decrease in the adsorption capacity. The replacement of Ca2+ by Ba2+ strengthened the gel structure and improved the adsorption kinetics but decreased the adsorption capacity. The characterization of the support material prepared by direct synthesis in alginate gel showed a different structure from the expected materials (L3 or ferrihydrite), and therefore a different reactivity. The sorption mechanisms of various organic and inorganic anions were proposed for the studied adsorbents. The ferrihydrite/alginate beads prepared by encapsulation showed a good adsorption for all the anions used in this work, especially for inorganic anions (phosphate, chromate and arsenate); while those produced by direct synthesis in alginate gel removed only arsenate and phosphate essentially by a precipitation mechanism of the anions at the surface of the iron oxides and oxy-hydroxides. The sorption of MO in a continuous reactor showed that the increasing of the flow rate had a negative effect on sorption while higher initial concentration presented a favorable effect on the sorption, which is in accordance with results obtained in batch reactor. A desorption ratio of 30% for ferrihydrite/alginate macroporous beads (BPENFh-Ba) was observed in batch reactor with the possibility of reusing the adsorbent.This study confirms the performance and the possibility to use the composite materials of LDH or ferrihydrite in an alginate gel for the removal of anionic compounds contained in wastewater.

Cette thèse décrit le développement de nouveaux systèmes catalytiques à base de fer ainsi que l'étude de leur réactivité vis-à-vis de l'éthylène. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au développement de précurseurs de fer(III) associés à des ligands monoanioniques tridentes. Deux voies de synthèse ont été envisagées. La première décrit la complexation d'un ligand anionique sur le précurseur FeCl3 et la seconde passe par l’oxydation d'un complexe de fer(II) associé à un ligand neutre conduisant à une espèce binucléaire. Activés par le MAO, ces catalyseurs de fer(III) constituent les premiers complexes du genre permettant l’oligomérisation de l'éthylène. L’accent a également été porté sur la recherche de nouveaux activateurs. Des complexes d’aluminium répondant à nos attentes ont été obtenus par réaction entre un alcool et le triméthylaluminium. Selon la nature de l'alcool, la structure des activateurs peut être soit binucléaire ou trinucléaire. Enfin, des complexes de fer et de nickel associés à des ligands imino-imidazoles possédant un bras hémilabile ont été synthétisés. Une fois activés, les systèmes à base de nickel ont montré de bonnes activités en catalyse. / This thesis describes the development of new catalytic systems based upon iron complexes and their reactivity toward ethylene. First, we focused our interest on the synthesis of iron(III) precursors chelated by monoanionic ligand. Those complexes were obtained either by reaction of the monoanionic ligand with FeCl3 or through oxidation of the iron(II) complex. The second reaction led to binuclear complexes. Then, another aim of the thesis was to design new well-defined cocatalysts for the activation of iron complexes. The study of the reaction between an alcohol and the trimethylaluminum allowed us to reach this aim. Aluminum complexes adopted either a binuclear framework or a trinuclear one, depending on the nature of alcohol reagent. Besides this work, new iron(II) and nickel(II) complexes chelated by imino-imidazole ligands bearing a pendant donor function L were synthesized. All complexes have been evaluated for the oligomerization of ethylene in the presence of EtAlCl2 or MAO as cocatalyst. Only nickel complexes were active toward ethylene transformation.

Cette thèse présente le greffage de complexes organométalliques sur des anions hydroxyborates. Ces ligands originaux sont susceptibles de conférer des propriétés particulières à la sphère de coordination du métal. Leur caractère anionique pourrait permettre l'immobilisation des catalyseurs dans une phase liquide ionique. La majeure partie des travaux a porté sur la réactivité des anions hydroxyborates avec les métaux du groupe IV de la classification périodique. Les complexes alkyles du zirconium et de l'hafnium réagissent avec la fonction hydroxyle de l'anion par protonolyse de la liaison métal-alkyle. La résolution par diffraction des rayons X de la structure des complexes métallocènes [Cp2MMe(OB(C6F5)3)]- [PPN]+ (M = Zr et Hf) a confirmé la nature covalente des liaisons M-O et B-O et donc l'intérêt des anions hydroxyborates comme ligands de complexes organométalliques. Cette réactivité a ensuite été déclinée sur différents précurseurs du zirconium et de l'hafnium. Le complexe ionique [Ti(OiPr)3(OB(C6F5)3]-[PPN]+ a été synthétisé à partir d'un complexe alkoxy du titane par une réaction d'échange de ligands. Ce complexe activé par le triéthylaluminium dimérise sélectivement l'éthylène en butène-1 en milieu liquide ionique. L'extension du concept à d'autres métaux de la classification périodique : aluminium, fer, molybdène, a été abordée. Deux complexes anioniques du molybdène ont notamment été isolés et sont des catalyseurs de métathèse des oléfines / This thesis presents the use of hydroxyborate anions as anchors for organometallic complexes. These original ligands might confer particular properties to the coordination sphere of the metal. Their anionic nature might also allow the immobilization of catalysts in ionic liquids. The main part of this work dealt with the reactivity of hydroxyborate anions with group IV metals. Zirconium and hafnium complexes reacted with the hydroxyl function of the anion by protonolysis of the metal-alkyl bond. Resolution of the structure of metallocene complexes [Cp2MMe(OB(C6F5)3)]-[PPN]+ (M = Zr and Hf) by X-Ray diffraction confirmed the covalent nature of M-O and B-O bonds and so the relevance of hydroxyborate anions as ligands for organometallic complexes. Then, this reactivity was extended to different zirconium and hafnium precursors. The ionic complex [Ti(OiPr)3(OB(C6F5)3)]- [PPN]+ was synthesized from an alkoxy titanium complex by a ligand exchange reaction. This complex activated by triethylaluminium selectively dimerized ethylene into 1-butene in ionic liquids. Extension of the concept to other metals such as aluminum, iron and molybdenum, was studied. Two anionic molybdenum complexes were isolated and are catalysts for olefin metathesis

Les propriétés de transport et de diffusion e l'ion F ont été étudiées au sein de plusieurs séries de matériaux fluorés. La première partie de ce mémoire est consacrée à l'application du modèle des processus de clutérisation établi par J. M. Reau aux solutions solides de structure dérivée du type fluorine et comportant des cations substitutionels tétravalents. Cette étude a montré que ce modèle est un modèle général qui permet 'évaluer la nature et le nombre de porteurs de charge à longue distance en fonction de la composition. Les porteurs de charge dans les solutions solides M1xM"xF2+2x (M = Ca, Sr, Ba Pb ; M" = Th, U) ont été identifiés ux ions fluorure interstitiels F" et les processus de clutérisation ont été proposés au sein de ces solutions soles.<br />Les propriétés de transport et de diffusion de l'ion F - dans les phases du système BiF"-NH4F sont l'objet de la seconde partie de ce mémoire. Les phases de l'ammonium comparées aux phases homologues du rubidium compotent une plus grande mobilité de l'ion F- qui a été attribuée à des mouvements assistés de rotation/réorientation des ions NH4+. Cette hypothèse est confirmée par des investigations par RMN des phases du système BiF3-NH4F appliquées successivement aux noyaux 1H et 19F.

Les fluorures fondus sont utilisés dans les Réacteurs à Sels Fondus tels que le réacteur non modéré, à neutrons rapides, MSFR où le sel fondu LiF-ThF4 joue le rôle du combustible et du liquide caloporteur. La formation des produits de fissions (PF) tels que les lanthanides, au cours du fonctionnement de ce réacteur, peut modifier les propriétés physicochimiques du bain fondu. Il est ainsi important de caractériser le bain fondu de point de vue structural et dynamique afin de remonter à ses propriétés. En raison des problèmes de radioactivité liés au thorium, et des conditions requises liées aux méthodes spectroscopiques utilisées, le système étudié dans ce manuscrit est le LiF-ZrF4-LaF3 (le zirconium et le lanthane étant des PF potentiels). L'approche développée dans cette thèse combine des mesures par spectroscopies RMN et EXAFS à 850 °C avec des simulations de dynamique moléculaire. Dans le bain fondu, nous avons montré la coexistence de complexes à base de zirconium et de lanthane de différentes coordinences, dont les proportions et les interactions dépendent de la composition. En fonction de la teneur en ZrF4, les espèces [ZrF7]3- majoritaires évoluent peu mais se connectent davantage via des fluors pontants. L'ajout de LaF3 au mélange stabilise la coordinence 7 autour du zirconium et tend à enrichir l'environnement du lanthane en fluors. Un ordre à moyenne portée s'établit entre les différents complexes à base de zirconium et de lanthane par l'intermédiaire des fluors pontants. La dynamique des espèces est ralentie en fonction de l'ajout de ZrF4 et LaF3. Nous avons noté un effet important sur la structure et la dynamique des espèces à partir de 10% mol. LaF3 ajouté au mélange. Les données obtenues par cette approche originale de la chimie du bain fondu dans le RSF en présence des PF, sont fondamentales pour améliorer la séparation de ces derniers et optimiser le procédé.

Les cellules eucaryotes possèdent un territoire membranaire dit « électrostatique » qui est définit par la présence de phospholipides négativement chargés sur la face cytosolique des membranes. Cette propriété permet le recrutement de protéine cytosolique contenant des motifs/domaines positivement chargés au niveau des membranes via des interactions électrostatiques. Nous nous sommes demandés si le territoire électrostatique est présent chez les cellules végétales et quel est son organisation ? Quels sont le(s) lipide(s) anionique(s) impliqués dans son maintien ? Et quel est son (ces) rôle(s) dans la signalisation et le développement des plantes ? Premièrement, nous avons mis en avant que la membrane plasmique est le compartiment intracellulaire le plus électronégativement chargé (Simon, Platre et al., 2016 Nature Plants). Ce champ électrostatique est gouverné par trois lipides anioniques différents, l’acide phosphatidique, la phosphatidylserine et le phosphatidylinositol-4-phosphate. Nous avons montré que cette propriété unique de la membrane plasmique permet de réguler des voies de signalisation hormonale, tel que celle de l’auxine et des brassinostéroïdes. Notamment, la phosphatidylserine régule la dynamique spatiotemporelle des petites GTPases de la famille Rho. En réponse à l’auxine, ce lipide permet de regrouper les protéines Rho dans des domaines membranaires. La formation de ces domaines est requise pour l’activité de ces protéines permettant de contrôler l’endocytose, la dynamique du cytosquelette mais également régule la morphogenèse cellulaire ainsi que la réponse gravitropique de la racine. / The « electrostatic territory» is part of the eukaryotic membrane organization and is defined by the enrichment of negatively charged phospholipids at the membrane cytosolic face. This feature is involved in the membrane recruitment of cytosolic proteins, which contain positively charged motifs and/or domains. In this work, we used Arabidopsis thaliana as a model and explored the existence of an electrostatic territory in plant cells. We found that the plasma membrane is the most anionic intracellular membrane (Simon, Platre et al., 2016 Nature Plants). This electrostatic field is maintained by lipid cooperation between, phosphatidic acid, phosphatidylserine and phosphatidylinositol-4-phosphate. The cell surface unique feature is involved in the regulation of hormonal signalling such as auxin and brassinosteroids pathways. We found that phosphatidylserine tunes the spatiotemporal dynamics of small GTPases from the Rho family. During auxin response, PS is required to cluster Rho into specialized membrane domains. We show that nanocluster formation is required for Rho-mediated auxin signaling including the regulation of endocytosis, cytoskeleton organization, morphogenesis and the root gravitropic response.

Les fluorures fondus sont utilisés dans les Réacteurs à Sels Fondus tels que le réacteur non modéré, à neutrons rapides, MSFR où le sel fondu LiF-ThF4 joue le rôle du combustible et du liquide caloporteur. La formation des produits de fissions (PF) tels que les lanthanides, au cours du fonctionnement de ce réacteur, peut modifier les propriétés physicochimiques du bain fondu. Il est ainsi important de caractériser le bain fondu de point de vue structural et dynamique afin de remonter à ses propriétés. En raison des problèmes de radioactivité liés au thorium, et des conditions requises liées aux méthodes spectroscopiques utilisées, le système étudié dans ce manuscrit est le LiF-ZrF4-LaF3 (le zirconium et le lanthane étant des PF potentiels). L'approche développée dans cette thèse combine des mesures par spectroscopies RMN et EXAFS à 850 °C avec des simulations de dynamique moléculaire. Dans le bain fondu, nous avons montré la coexistence de complexes à base de zirconium et de lanthane de différentes coordinences, dont les proportions et les interactions dépendent de la composition. En fonction de la teneur en ZrF4, les espèces [ZrF7]3- majoritaires évoluent peu mais se connectent davantage via des fluors pontants. L’ajout de LaF3 au mélange stabilise la coordinence 7 autour du zirconium et tend à enrichir l’environnement du lanthane en fluors. Un ordre à moyenne portée s’établit entre les différents complexes à base de zirconium et de lanthane par l’intermédiaire des fluors pontants. La dynamique des espèces est ralentie en fonction de l’ajout de ZrF4 et LaF3. Nous avons noté un effet important sur la structure et la dynamique des espèces à partir de 10% mol. LaF3 ajouté au mélange. Les données obtenues par cette approche originale de la chimie du bain fondu dans le RSF en présence des PF, sont fondamentales pour améliorer la séparation de ces derniers et optimiser le procédé. / Molten fluorides are used in Molten Salt Reactors MSR such as the non moderated fast reactor MSFR, where the molten salt LiF-ThF4 is the fuel and the coolant. The formation of fission products (FP) such as lanthanides, during the reactor operation, possibly modifies the physicochemical properties of the melt. It is therefore important to characterize the melt from the structural and the dynamics point of view in order to determine its properties. Because of problems related to the radioactivity of thorium, as well as requirements related to spectroscopic methods, the system studied in this thesis is the LiF-ZrF4-LaF3 (zirconium and lanthanum are possible FP). The approach followed in this thesis combines measurements by NMR spectroscopy and EXAFS at 850 °C with molecular dynamics simulations. In the molten salt, we have shown the existence of zirconium and lanthanum complexes with different coordination numbers, whose proportions depend on the composition. Depending on the content of ZrF4, [ZrF7]3- species are dominant but change slightly and are further connected between each other’s via bridging fluorine. The addition of LaF3 to the mixture stabilizes the 7 coordination number around the zirconium and tends to enrich the environment of lanthanum with fluorides. A medium-range order is established between the various complexes containing zirconium and lanthanum due to bridging fluorine. Species dynamics is slower when the amount of either ZrF4 or LaF3 is higher. We noted a significant effect on the structure and dynamics of species starting 10 mol%. LaF3 added to the medium. The data obtained by this novel approach concerning the chemistry of the molten salt in MSR containing FP, are fundamental to improve the separation of these products and optimize the process.