Une série de bisthiényléthènes (BTE), chromophores photochromes, à différents ponts éthène centraux a été synthétisée. Jusque là, la conception rationnelle des BTE a reposé sur la nature des substituants des groupes latéraux. Dans notre travail, nous avons étudié l'influence de l'aromaticité du pont sur les propriétés photochromes. De plus, alors que les cycles à cinq atomes sont le plus souvent utilisés, nous avons introduit des cycles à six atomes au niveau de ce pont. Dans le Chapitre 1, les définitions principales liées au photochromisme, ainsi que des exemples, sont donnés. Le Chapitre 2 est dédié au BTTE, un BTE à pont benzobisthiadiazole, doté d'excellentes propriétés photochromes. Sa fluorescence peut être modulée par solvato- et photochromisme. c-BTTE, l'isomère fermé, a une excellente stabilité dans divers solvants et à l'état solide. Il ne présente pas de retour thermique typique des BTE à pont cyclique à six atomes. Le Chapitre 3 est consacré à des composés comportant des ponts de divers degrés d'aromaticité (BTE-NA, BTA et BTTA). Leur fluorescence peut être modulée par solvato- et photochromisme. Une faible aromaticité peut être corrélée à une irréversibilité thermique, comme illustré par le cas du BTTA à pont benzobisthiadiazole. De plus, la faible barrière énergétique entre les conformations parallèle et anti-parallèle et la grande différence d'absorption entre isomères conduisent à une conversion totale de BTTA à c-BTTA. Des molécules à pont benzothiadiazole, conçues pour la complexation et la commutation de propriétés optiques non linéaires, ont été obtenues (Chapitres 4 et 5). Cependant, pour l'instant, les propriétés visées n'ont pas été mises en évidence. / A series of photochromic bisthienylethenes (BTE) chromophores with different central ethene bridges were synthesized. Up to date, the rational design of BTE have been mainly carried out on the side aryl groups. In our work, the influence of the aromaticity of the central ethene bridge on the photochromic properties was studied. Moreover, unlike in the literature where most of BTE have a five-membered ring bridge, six-membered ring bridges were used. In Chapter 1, examples of photochromes are given, along with the main definitions. Chapter 2 deals with BTTE, a BTE with a benzobisthiadiazole bridge and with excellent photochromic properties. c-BTTE, the closed isomer, exhibits excellent thermal stability in various solvents and in the solid state. Its fluorescence can be modulated by solvato- and photochromism. It eliminates the usual bias of thermal back reaction, typical of BTE with a six-membered ring ethene bridge. Chapter 3 is devoted to compounds with bridges having different aromaticities (BTE-NA, BTA and BTTA). Their fluorescence can be modulated by solvato- and photochromism. The relation between aromaticity and thermal stability was established: the low aromaticity of the central ethene bridge with benzobisthiadiazole unit leads to a thermal irreversibility for BTTA, and the small energy barrier between the parallel and anti-parallel conformers and the great difference in absorption between BTTA and c-BTTA allow the full conversion from BTTA to c-BTTA. Molecules with a benzothiadiazole bridge, designed for complexation and for switchable nonlinear optical properties were prepared (Chapters 4 and 5). However, the targeted properties were not evidenced up to now.

A la suite de nombreuses illustrations et validations au niveau fondamental, la chimie de molécules carbo-mères s'est récemment orientée vers des cibles fonctionnelles en termes de perspectives d'applications (" carbo-matériaux " moléculaires). C'est ainsi que de telles molécules expansées en carbone ont récemment montré des propriétés remarquables dans les domaines de la conductivité sur molécule unique (SMC) ou de l'absorption à deux photons (TPA). La considération de cibles de types fondamentalement nouveaux " reste cependant nécessaire en préliminaire à l'étude de propriétés nouvelles aussi. Le travail décrit dans ce manuscrit présente essentiellement les résultats concernant la synthèse de carbo-quinoïdes et de carbo-benzénoïdes, deux types de structures carbo-mères qui n'avaient jamais été envisagées expérimentalement auparavant. Le premier chapitre est un résumé bibliographique décrivant notamment la synthèse et les propriétés de molécules carbo-mères aromatiques, et plus généralement hautement pi-conjuguées (carbo-benzènes, carbo-cyclohexadiènes, carbo-oligoacétylènes...) Le second chapitre porte sur l'étude complète des trois régioisomères, " ortho ", " para ", et " meta " du tétraphényl-carbo-benzène, dont les deux premiers représentants avaient été partiellement décrits. Le troisième chapitre décrit la synthèse et l'étude du premier exemple de carbo-quinoïde, ainsi que sa transformation rédox réversible en carbo-benzènes, illustrant ainsi la " pro-aromaticité redox " des carbo-quinoïdes vis-à-vis de leurs analogues oxydés carbo-benzènes. Le quatrième et dernier chapitre est consacré à la synthèse et l'étude d'un carbo-benzénoïde, le carbo-naphtalène, pouvant être considéré comme le plus petit fragment polycyclique condensé d'alpha-graphyne, un matériau largement étudié au niveau théorique mais encore inconnu expérimentalement à ce jour. Les propriétés physico-chimiques et spectroscopiques de carbo-naphtalène sont comparées à celle du carbo-benzène monocyclique correspondant, dont la synthèse est aussi détaillée. / Following numerous illustrations and validations at the fundamental level, the chemistry of carbo-meric molecules was recently directed towards functional targets in terms of application prospects (molecular "carbo-materials'). Such carbon-expanded molecules have indeed recently been shown to exhibit remarkable properties in the areas of single molecule conductivity (SMC) or two-photon absorption efficiency (TPA). The consideration of target of fundamentally "new types" remains necessary in view of the study of new properties as well. The work described in this manuscript focus mainly on results concerning the synthesis of carbo-quinoids and carbo-benzenoids, two types of carbo-meric structures that had not been considered hitherto. The first chapter is a bibliographic summary describing the synthesis and properties of carbo-meric molecules, either aromatic or, more generally, highly pi-conjugated (carbo-benzenes, carbo-cyclohexadienes, carbo-oligoacetylenes...) The second chapter focuses on the complete study of the three regioisomers, "ortho", "para" and "meta" of tetraphenyl-carbo-benzene, the first two representatives having been partly described previously. The third chapter describes the synthesis and study of the first example of carbo-quinoid and its reversible redox transformation to carbo-benzenes, illustrating the "redox pro-aromaticity" of carbo-quinoid with respect to their oxidized carbo-benzenic analogues. The fourth and final chapter is devoted to the synthesis and study of a carbo-benzenoid, carbo-naphthalene, which can be regarded as the smallest condensed polycyclic fragment of alpha-graphyne, a material widely studied at the theoretical level but remaining unknown experimentally to date. The physicochemical and spectroscopic properties of carbo-naphthalene are compared to that of the corresponding monocyclic carbo-benzene, the synthesis of which is also detailed.

La phosphinine, analogue phosphoré de la pyridine, possède des propriétés pi-acceptrices marquées qui en font un ligand de choix pour la stabilisation de complexes riches en électrons. Cette caracteristique particulière est au cœur du présent travail doctoral. Il a semblé en effet intéressant d'étudier en détail le comportement de la phosphinine vis-à-vis comportement vis-à-vis de la réduction, au sens le plus large du terme, c'est à dire apport d'électrons certes, mais aussi apport d'un groupement fonctionnel lui-même riche, par exemple par attaque nucléophile. Trois axes d'étude ont été retenus: la réduction électronique d'entités phosphinine, l'addition nucléophile sur la phosphinine et l'utilisation de la phosphinine comme ligand pour des nanoparticules d'or. Le premier axe traite de la réduction électronique de la phosphinine et des travaux sur d'autres molécules (phosphoré ou non) qui s'y rapportent. Des espèces comportant des interactions liantes à nombre déficitaire d'électrons sont synthétisées et caractérisées. Puis des complexes riches en électrons de biphosphinines et de diphosphabutadiènes font l'objet d'une étude théorique et synthétique. Dans un second temps, sont présentés les résultats obtenus sur la chimie des anions de phosphinine. Nous avons étudié leur chimie de coordination et isolé des complexes de type eta5 ou eta2. Ces anions ont également ouvert l'accès au premier cation phosphininium connu. Enfin, la phosphinine a été utilisées pour la stabilisation de nanoparticules d'or. Les particules ainsi obtenues possèdent des propriétés originales qui ont été exploitées pour fabriquer des capteurs ou pour synthétiser des nanoparticules de type Janus.

Les Hydrocarbures Polycycliques Aromatiques (abréviés PAHs en anglais) sont des synthons importants du point de vue expérimental et théorique en raison de leurs potentielles applications dans des dispositifs optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes organiques, les cellules solaires ou les transistors à effet de champs. Les propriétés des PAHs peuvent être modifiées par l'insertion d'hétéroatomes dans le squelette carboné sp2. Cependant, les exemples de PAHs modifiés par un atome de P sont très rares. Nous avons démontré expérimentalement et théoriquement que l'insertion d'un atome de P en périphérie du PAH a un impact important sur la structure électronique de l'ensemble du système π-étendu, comme le montre l'étude des orbitales frontières HO (Haute Occupée) et BV (Basse Vacante). Ces deux orbitales moléculaires gardent les caractéristiques spatiales du phosphole parent. Cependant l'écart HO-BV est fortement diminué en raison de l'interaction du phosphole et du système π-conjugué bidimensionnel. En effet, la densité électronique est délocalisée sur l'ensemble de la structure carbonée. L'effet de la modification chimique de l'atome de P (dont la complexation par des métaux de transition) sur les propriétés électroniques a été étudié et il a été démontré qu'elle permet de modifier finement les propriétés optiques. L'aromaticité est également un paramètre fondamental des systèmes π-conjugués (poly)cycliques. L'aromaticité locale de chaque cycle des PAHs a été étudiée grâce au calcul du paramètre NICS(1). La modification de l'aromaticité locale de l'hétérocycle à 5 chainons (par variation de l'hétéroatome) a un fort impact sur l'aromaticité locale des cycles adjacents. Il a également été montré que la cyclo-addition sur les PAHs phosphorés a lieu sur l'hétérocycle de plus faible aromaticité et permet de préparer des PAHs inédits. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are important targets of experimental and theoretical studies, because of their potential use in optical and electronic devices, such as light-emitting diodes, field-effect transistors or photovoltaics. The properties of PAH systems can be modified by embedding heteroatoms into the sp2 backbone, however for P-modified PAHs, only a few examples exist. During my PhD research, I studied the properties of P-containing extended π-systems. It has been revealed by density functional calculations that the incorporation of phosphorus at the edge position of a PAH has a significant effect on the electronic structure of the entire π-system, as can be seen through the HOMO and LUMO. On the one hand, both orbitals keep the spatial characteristics of the parent heterocycle, on the other hand, the reduced HOMO-LUMO gap compared to the parent heterocycle is a consequence of the interaction between the phosphole unit and the extended aromatic system, as the molecular orbitals are delocalized through the sp2 carbon skeleton. We investigated the effect of chemical modification (including complexation) at the phosphorus atom, and found that due to the variation of the hyperconjugative interaction it can be used to fine-tune the optical properties. Aromaticity is one of the key characteristics of π-systems. During its investigation we have established that the local aromaticities in the investigated ring system could be best described by the NICS(1) values. The modification of the local aromaticity of the five-membered ring (by the variation of the heteroatom) has a significant impact on the local aromaticities of some of the other rings as well. It has been shown that the Diels-Alder cycloaddition of the P-embedded PAHs proceeds at those rings which exhibit the lowest aromaticity.

Les organismes vivants sont soumis à diverses pressions de sélection qui n'agissent pas seulement au niveau du phénotype global mais à chaque niveau de l'organisation de la cellule.<br />Nous avons analysé la composition globale en acides aminés de l'ensemble les protéines de chaque protéomes étudiés à l'aide, entres autres, de l'Analyse Factorielle des Correspondances et d'un outil de partitionnement, les nuées dynamiques.<br />Ont été étudiés<br />(i) les modèles microbiens les mieux connus E. coli, B. subtilis et M. jannaschii,<br />(ii) un échantillon représentatif du monde procaryote de 28 organismes aux caractéristiques les plus diverses,<br />(iii) la pathogénicité de P. luminescens,<br />(iv) la qualité psychrophile de la bactérie P. haloplanktis, dont la vie à basse température est caractérisée par des<br />protéines fortement biaisées en asparagine et<br />(v) une perspective d'application aux eucaryotes simples est évoquée au regard des travaux préliminaires sur l'usage<br />des codons de P. marneffei, un chamipgnon dimorphique et pathogène.

Depuis plusieurs décennies, la chimie du palladium a connu un véritable essor. Afin de de continuer dans cette optique, plusieurs axes de recherche ont été investigués dans le cadre de cette thèse. Grâce aux récents développements de la catalyse duale palladium/norbornène, la réaction de couplage entre des triflates aryliques et des partenaires bromobenzylamines nous a permis d’accéder à des motifs benzophénanthridines naturels. En parallèle, une nouvelle famille de complexes triangulaires de palladium a été isolée dans notre groupe. Cette espèce arborant 44 électrons de valence et une charge positive délocalisée sur son cœur tri-métallique, est la première molécule stable qui présente un caractère métallo-aromatique de type δ. Après l’optimisation d’une nouvelle voie de synthèse, nous avons pu accéder à des analogues de platine mais aussi à des composés hétéro-métalliques possédant des unités asymétriques similaires. Le caractère base de Lewis de ces complexes ont permis l’isolation de composés tétraédriques de type [M”(M₃)(Ln)]²⁺ malgré la répulsion des charges positives. Ces espèces triangulaires aromatiques ont aussi prouvé leur habileté en tant que catalyseur pour la réaction de semi-hydrogénation d’alcynes. En effet, ce complexe transforme chimiosélectivement les alcynes en alcènes de configuration Z sans présence de produit doublement réduit. / Recent developments on dual palladium/norbornene catalytic reactions led to one-pot synthesis of complexes polyheterocyclic molecules. By extension of this reaction, the coupling of aryl triflates and bromobenzylamines permitted us to synthesize natural benzophenanthridine. In parallel, a new family of triangular palladium complexes has been isolated in our research group. These 44 valence electrons complexes possessing a positive charge delocalized on the trimetallic core were the first stable compounds which presented δ-type aromaticity. After optimization of a new synthetic route, we could be able to isolate platinum analogues and also heterometallic clusters which interestingly had the same asymmetric unit than their homonuclear peers. Despite the unavoidable charge repulsion, the Lewis basic character revealed to be strong enough to bind other cationic species. Indeed, we reached to synthesize tetrahedral [M”(M₃)(Ln)]²⁺ complexes. In another side, we wondered if the stability and special properties of [Pd₃]⁺ clusters could confer to it some catalytic activities. Our studies were focused on semi-reduction reactions of alkynes. After optimization process, the catalyst [Pd₃(SMe)₃{P(C₇H)₃)₃}]⁺ showed results beyond our greatest expectations. Indeed, this cluster selectively produced thermodynamically less stable Z-alkene without traces of over-reduced compound. Total chemioselectivity towards alkynes was proved by the reaction on several molecules bearing functional groups which are sensitive to hydrogenation conditions.

Cette thèse est consacrée à l'étude approfondie de formes exotiques de matériaux nano-structurés qui pourraient conduire à une avancée significative dans les nano-composants. Deux thèmes distincts ont été ainsi abordés. Le premier concerne les nano-clusters aromatiques de silicium synthétisés par plasma (SiNCs), tandis que le second est dédié aux structures silicium et germanium bi-dimensionnelles. Grâce à des simulations de type dynamique moléculaire et des calculs ab initio, ainsi que sur des recherches expérimentales, nous nous proposons d’explorer les propriétés intrigantes, mais à fort potentiel, de ces matériaux exotiques.Dans la première partie, nous commençons par des études théoriques et montrons qu'il est possible d'obtenir un comportement aromatique pour des SiNCs hydrogénés ayant une taille de ~1nm. Nous démontrons que les plasmas silane/hydrogène à basse température, proches de la formation de particules de poussière, présentent l'environnement idéal pour exploiter la tendance naturelle du silicium à la sur-coordination et donc pour la synthèse de structures à liaisons déficitaires en électrons. Ces nano-clusters qui se forment spontanément par auto-assemblage dans le plasma, ne possèdent pas de structure tétraédrique, sont plus stables que tous les autres SiNCs connus de cette taille et ont de fortes propriétés aromatiques dues à leur forte délocalisation électronique. Nous montrons également que les SiNCs non tétraédriques, présentent des modes de liaison à caractère métallique qui ressemblent fortement à celui d'un gaz d'électrons homogène dans des nano-clusters de métaux. Les SiNCs tétraédriques standards de cette taille ne peuvent absorber que dans l'ultraviolet, alors que nos calculs ont montré que des SiNCs purs, mais sur-coordonnés, absorbent dans la région spectrale ultraviolette, mais aussi dans le visible et l’infrarouge. Nous présentons ensuite une première preuve expérimentale pour nos prédictions théoriques. Nous avons mesuré in situ, dans un réacteur plasma l'absorption de la lumière visible des SiNCs. De plus, nos mesures réalisées en présence d'un champ électrique ont prouvées clairement que les SiNCs aromatiques possèdent un moment dipolaire permanent, que nous avons estimé entre 2 et 2,5 Debye, en excellent accord avec les calculs ab initio. Enfin, nos images de microscopie électronique à transmission des SiNCs, déposés dans des conditions de plasma optimisées, ont révélé la présence d'une autre forme exotique de silicium à structure hexagonale. Une telle structure se forme habituellement à des pressions extrêmement élevées appliquées sur des structures cubiques (diamant) de silicium. Nous souhaitons affirmer que c’est grâce à la «chimie au marteau» que ces conditions ont été atteintes.Dans la seconde partie, nous avons entrepris des études théoriques et expérimentales approfondies sur la croissance d'une nouvelle forme allotropique de silicium et de germanium: le silicène et le germanène, à savoir, une mono-couche d'atomes intégrée dans un réseau hexagonal qui ressemble fortement au graphène. Afin d'exclure tout mélange entre les atomes de silicium ou de germanium avec le substrat et de conserver leurs caractéristiques prometteuses comme de nouveaux matériaux de Dirac, nous avons effectué nos dépôts, sur un substrat de graphite chimiquement inerte. Une de nos découvertes cruciales est que les mono-couches de silicène ou de germanène interagissent avec le substrat de graphite uniquement via des forces de van der Waals. Cette interaction est suffisamment forte pour stabiliser les mono-couches, déposées même au-dessus de la température ambiante, mais suffisamment faible pour empêcher toute hybridation ou alliage entre le silicium ou le germanium et les atomes de carbone du substrat. Par conséquent, les propriétés électroniques exceptionnelles du silicène et du germanène, tels que les cônes de Dirac et les électrons sans masse, sont préservées même après leur dépôt sur les surfaces de graphite. / This thesis is devoted to the study of advanced, exotic forms of nanostructured materials that could lead to the next big advance for nanodevices. Two distinct topics have been considered. The first one is related to plasma-born aromatic silicon nanoclusters (SiNCs), while the second is dedicated to two-dimensional silicon and germanium materials. Based on molecular dynamics simulations and ab initio calculations, as well as, on experimental investigations, we explore a variety of intriguing properties of those exotic materials that are expected to be far superior to those of their conventional counterparts.In the first part of the thesis, we begin with theoretical studies and show that it is possible to obtain aromatic behavior in simple hydrogenated SiNCs with size of ~1nm. We demonstrate that low-temperature silane/hydrogen plasmas close to dust formation present the ideal environment to exploit the natural tendency of silicon to over-coordination for the construction of structures with electron-deficient bonds. Those nanoclusters form spontaneously by self-assembly in plasmas, do not possess tetrahedral structures, are more stable than any other known SiNCs of this size, and have strong aromatic-like properties due to their high electron delocalization. We demonstrate that non-tetrahedral SiNCs exhibit metallic-like bonding schemes that strongly resemble the one of a homogeneous electron gas in small metal clusters. Standard tetrahedral SiNCs of this size can absorb light only in the ultraviolet, while our calculations have shown that pure, but over-coordinated SiNCs absorb light in the ultraviolet, visible, and infrared spectral region. In this thesis, we present first experimental evidence that supports our theoretical predictions. Using incoherent broadband cavity enhanced absorption spectroscopy, we have measured the absorption of SiNCs, in situ, in a plasma reactor and found that they do absorb light in the visible region. In addition, our absorption measurements in the presence of an applied electric field have provided clear evidence that aromatic SiNCs possess a permanent dipole moment, and we have measured it to be between 2 and 2.5 Debye, in excellent agreement to prior ab initio calculations. Finally, our transmission electron microscopy images of such SiNCs, after their deposition under optimized plasma conditions, have revealed the presence of another exotic form of silicon with a primitive hexagonal structure. Such a structure usually forms after exposing diamond-cubic silicon to extremely high pressures. We tentatively claim that those conditions were, actually, achieved in our experiments due to the “chemistry with a hammer”.In the second part of the thesis, we have undertaken in-depth theoretical and experimental studies on the growth of a new allotropic form of silicon and germanium: a single layer of silicon or germanium atoms, only one atom thick and packed in a hexagonal lattice that closely resembles the lattice of graphene, namely silicene and germanene. In order to rule out any intermixing between silicon or germanium atoms and the underneath substrate atoms, as it was the case for metallic substrates, and to maintain their promising features to be new Dirac materials, we have performed our depositions on a chemically inert graphite substrate. One of our crucial findings is that the silicene or germanene monolayers interact with the graphite substrate via van der Waals forces only. The van der Waals interaction is strong enough to stabilize the deposited monolayers even above room temperature, but weak enough to prevent any hybridization or alloying between silicon or germanium and carbon atoms. Consequently, the outstanding electronic properties of free-standing silicene and germanene, such as Dirac cones and massless electrons, are preserved even after their deposition on graphite surfaces.

L’aromaticité et l’antiaromaticité demeurent un sujet d’actualité au niveau fondamental puisque ces concepts permettent d’expliquer la réactivité de diverses classes de molécules. Certains composés polycycliques ayant une conjugaison π étendue, comme par exemple les tétraoxa[8]circulènes, ont des cycles aromatiques et antiaromatiques qui affectent leurs propriétés physicochimiques. Les oxacirculènes sont formés d’un anneau de quatre furanes et de quatre benzènes positionnés en alternance et créant un cœur formellement antiaromatique de cyclooctatétraène (COT). Malgré cela, ces composés démontrent une grande stabilité et peuvent servir en tant que composantes de dispositifs optoélectroniques comme des diodes électroluminescentes. Les propriétés optoélectroniques de ces composés et leur organisation moléculaire à l’état solide sont à l’origine d’un comportement unique. Le présent mémoire décrit la synthèse de tétraoxa[8]circulènes par une réaction très spéciale de cyclocondensation de 1,4-quinones catalysée par des acides, permettant d’accéder à des grandes molécules conjuguées en une étape. Les composés synthétisés ont une géométrie qui empêche leur empilement efficace et crée des vides dans la structure cristalline pouvant servir à l’inclusion de molécules invitées. En particulier, l’inclusion de C60 effectuée par cocristallisation cause l’uniformisation des longueurs des liens du cœur COT des oxacirculènes, suggérant des interactions de transfert de charge. Enfin, les propriétés optiques étudiées par spectroscopie UV-vis et par fluorescence indiquent que les oxacirculènes sont sensibles à leur environnement moléculaire et pourraient donc être utilisés comme des senseurs chimiques. / Aromaticity and antiaromaticity remain important topics of chemical research because these concepts explain the reactivity of various classes of molecules. For instance, certain polycyclic compounds with π-extended conjugation, such as tetraoxa[8]circulenes, contain both aromatic and antiaromatic rings, which affect their physicochemical properties. Oxacirculenes consist of a circular arrangement of four furan and four benzene rings positioned in an alternating fashion, thus creating a formally antiaromatic cyclooctatetraene (COT) core. Despite this, oxacirculenes exhibit great stability. They can serve as components in optoelectronic devices such as electroluminescent diodes, and their molecular organisation in the solid state can be controlled in ways that influence their properties. The present memoir describes the synthesis of tetraoxa[8]circulenes by a very special acid-catalysed cyclocondensation reaction starting from suitable 1,4-quinones, thereby allowing the preparation of large conjugated molecules in a single step. The compounds prepared have an awkward molecular structure that inhibits efficient packing and creates voids in the crystal structure, allowing the inclusion of guests. In particular, the inclusion of C60, achieved by cocrystallization, appears to create charge-transfer interactions as indicated by uniformization of bond lengths in the COT core. Optical properties studied by UV-vis spectroscopy and fluorescence show that oxacirculenes are sensitive to their local chemical environment, suggesting that they can be used as chemical sensors for the rapid detection of guests.