La croissance de polymères bidimensionnels a été étudiée sous ultra-haut vide sur des surfaces métalliques par microscopie à effet tunnel (STM). La première étude concerne la croissance de réseaux nanoporeux covalents bidimensionnels obtenus par réaction de déshydratation des molécules d'acide 1.4 diboronique (BDBA). Les meilleurs réseaux sont obtenus pour les dépôts à flux élevés sur des substrats d'Argent chauffés à 150°C. La deuxième étude concerne la réaction chimique entre les molécules de 1,2,4,5 tétracyanobenzène (TCNB) et les atomes de Fer. La formation de liaison covalente entre les molécules et les atomes de Fer est thermiquement activée par des recuits à 200°C et permet la formation d'octacyanophtalocyanine de Fer. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour la fabrication de matériaux 2D originaux obtenus par des réactions chimiques de surface. / The growth of two dimensional polymers has been studied under ultra-high vacuum on metallic surfaces by scanning tunnelling microscopy (STM). The first study relates on the growth of two dimensional covalent nanoporous networks obtained after dehydratation reaction of the 1,4 diboronic acid benzene molecule (BDBA). The best networks have been obtained with high molecular flux on silver metallic substrates maintained at 150°C during deposition. The second study relates on chemical reaction between the 1, 2, 4, 5 tetracyanobenzene molecule (TCNB) and iron atoms. The reaction takes place after an annealing at 200°C. In that case some iron octacyanophthalocyanine have been successfully synthesised at surfaces. This work opens new perspectives for the fabrication of 2D original materials by chemical reactions on surfaces.

Les systèmes microbioélectrochimiques exploitent le métabolisme de microorganismes particuliers afin de catalyser des réactions d'oxydoréduction. Ces microorganismes organisés en biofilms à l'anode ou à la cathode sont en général des bactéries dites électroactives et peuvent être exploités dans une multitude d'applications. Une revue bibliographique des aspects fondamentaux et applicatifs de ce domaine est présentée. La génération d'électricité couplée à l'épuration d'eaux usées à l'anode de piles à combustible microbiologiques a été étudiée. Des bioanodes développées à partir d'acétate (substrat non fermentescible) sont capables de s'adapter et de dégrader le glucose et le lactose (substrats fermentescibles). Leur adaptation et leurs performances dépendent de la maturité du biofilm, du substrat et du renouvellement régulier de l'anolyte. Les propriétés physico-chimiques de la surface des électrodes ont été modulées afin de promouvoir la connexion de biofilms. A l'anode, nous avons étudié le greffage covalent d'acides phényle boroniques susceptibles de se complexer avec des glucides de la membrane externe des bactéries. Cette fonctionnalisation permet de réduire le temps de formation des biofilms et d'en améliorer les performances électriques sur graphite et sur nanotubes de carbone à parois multiples. A la cathode, les modifications de surface connues sur les bioanodes n'ont pas démontré d'influence sur les performances des biocathodes. Les différentes phases du développement de biocathodes catalysant la réduction du dioxygène à haut potentiel ont été étudiées. Le suivi de biocathodes réduisant le CO2 en acides organiques montre une production séquentielle d'acides organiques à chaîne aliphatique de plus en plus longue. / Microbial electrochemical devices use the metabolism of particular microorganisms to catalyze redox reactions. The microorganisms organized as biofilms onto anodes and cathodes are usually bacteria defined as electroactive and can be harnessed in electrochemical devices for several applications. A review of the fundamental and practical aspects of this field is presented. The simultaneous generation of electricity coupled to pollutant removal was studied at the anode of microbial fuel cells. Bioanodes developed with acetate (non-fermentable substrate) can adapt to the degradation of fermentable substrates (glucose and lactose). Their adaptation and performances depend on biofilm age, nature of the substrate and regular replacement of anolyte. The physico-chemical properties of electrode surfaces were tuned in order to promote microbial connection. At the anode, we investigated the covalent grafting of phenylboronic acids functionalities that are expected to bind with saccharides of the external membrane of bacteria. This functionalization leads to faster biofilm connection and higher performances of bioanodes on graphite and multi-walled carbon nanotubes. At the cathode, the grafting of chemical functionalities that already proved beneficial to bioanodes did not influence the performances of biocathodes. Different development phases of biocathodes catalyzing O2 reduction at high potential were studied. The monitoring of biocathodes catalyzing CO2 reduction showed a successive generation of organic acids with increasing aliphatic chain length.

Le but de cette thèse est de produire des oligomères de cellulose de dispersité faible. Pour ce faire, deux méthodes ont été imaginées : la méthode « fishing » où des oligomères de cellulose sont obtenus par hydrolyse acide puis sont séparés par solubilisation sélective dans une phase organique à l’aide d’un polymère synthétique. Le ratio des tailles du polymère synthétique et des oligomères de cellulose sera responsable de la sélectivité. La méthode « masking » où des portions de cellulose de la taille des futurs oligomères sont protégées par un polymère synthétique lors d’une hydrolyse enzymatique.Dans les deux cas, les polymères synthétiques contiennent des acides boroniques qui permettent une interaction réversible avec les sucres.Malgré de nombreuses tentatives, ces deux méthodes n’ont pas été couronnées de succès. Pour la première, le procédé n’était pas sélectif. Pour la seconde, le polymère permettant une interaction tout au long de la chaine de cellulose n’a pas pu être synthétisé. La dispersité des oligomères obtenus par hydrolyse acide (degrés de polymérisation (DP) de 1 à 12) a cependant pu être réduite de façon satisfaisante en solubilisant les DP les plus faibles dans le méthanol.Enfin, la fraction insoluble dans le méthanol, après fonctionnalisation de l’extrémité réductrice par un groupement azide, a été couplée à un acide stéarique fonctionnalisé alcyne par chimie « click ». L’auto-assemblage de ce nouveau composé amphiphile a été étudié dans l’eau, la CMC a été mesurée à 100 mg.L-1. Les objets observés sont sphériques, de taille homogène avec un diamètre moyen de 140 nm ce qui indique une morphologie en vésicule. / The purpose of this study is to produce uniform cellulose oligomers. In this frame, two methods were considered:for the “fishing” method, the oligomers obtained by acidic hydrolysis of cellulose are separated by selective solubilisation in an organic phase thanks to a synthetic polymer. The size ratio between the synthetic polymer and the cellulose oligomer would be responsible for the selectivity.For the “masking” method, parts of cellulose backbone having the size of the future oligomers are protected with a synthetic polymer during an enzymatic hydrolysis.In both cases, the synthetic polymers contain boronic acid groups that interact reversibly with saccharides.Despite various attempts, these two methods were not crowned with success. The first one was eventually not selective. For the second one, the polymer allowing an interaction all along the cellulose backbone could not be synthesised. The dispersity of the oligomers obtained by acidic hydrolysis (polymerisation degree (DP) from 1 to 12) was satisfactorily decreased by solubilising the smaller DP in methanol.To finish, the methanol-insoluble fraction was functionalised at the reducing end with an azide group. It was then coupled to an alkyne-functionalised stearic acid by click chemistry. The self-assembly of this new amphiphilic compound was studied in water, the CMC was measured at 100 mg.L-1. The particles formed were spherical, homogeneous and had an average diameter of 140 nm, which indicate a vesicle morphology.

Ce manuscrit présente l’utilisation du diisopropylaminoborane comme agent de borylation d’halogénuresd’aryles et de sels d’aryldiazonium. Cet agent de borylation a fait l’objet d’études au sein du laboratoireet de nouvelles méthodologies ont été développées. Une méthodologie générale de borylation de selsde diazonium, catalysée par des métallocènes dérivés du fer, du titane et du zirconium a étédéveloppée, permettant l’accès à des composés d’intérêt comme les halogénures d’aryles borylés. Deplus, une étude cinétique et mécanistique supportée par des calculs théoriques ont permisd’appréhender le mécanisme de cette nouvelle réaction. Une extension de la borylation catalysée aupalladium a été réalisée, permettant l’utilisation de bromures et de chlorures d’aryles ainsi qu’uneméthode de synthèse one-pot de dérivés biaryles non symétriques. Ces méthodes permettent deboryler efficacement des halogénures d’aryles en utilisant une catalyse au palladium homogène ousemi-hétérogène. Enfin, une étude de réactivité entre le diisopropylaminoborane et desorganométalliques dérivés du lithium et du magnésium a été achevée. Une méthodologie généraled’accès aux acides boriniques ainsi qu’une étude mécanistique a été réalisée. / This manuscript describes the use of diisopropylaminoborane as borylating agent of aryl halides anddiazonium salts. This borylating agent has been the subject of studies in the laboratory and newmethodologies has been done. A general methodology of borylation of aryl diazonium salt catalyzed byiron, titanium and zirconium metallocene was developed, allowing access to useful compounds such ashalogenated aryl boron species. Furthermore, kinetic and mechanistic studies supported by theoreticalcalculation allowed a better understanding of the mechanism of the reaction. An extension of thepalladium catalyzed reaction was realized, allowing the use of aryl bromides and chlorides together witha new one-pot unsymetrical biaryl synthesis. Those methods allowed an efficient borylation of arylshalides using homogeneous semi-heterogeneous palladium catalyst. Finally, a study of reactivity of thediisopropylaminoborane and organometallics such as Grignard and organolithium was done. A generalmethodology was developed for the synthesis of diarylborinic acids and a mechanistic study wasachieved.

(2-Acetyl­ferrocen-1-yl)boronic acid, [Fe(C5H5)(C7H8BO3)] or 2-C(O)CH3-1-B(OH)2–Fc [Fc = Fe(η5-C5H3)(η5-C5H5)], crystallizes in the centrosymmetric space group P21/n. The boronic acid functionality inter­acts via intra­molecular hydrogen bonds with the acetyl group and with the –B(OH)2 functionality of an adjacent mol­ecule. The resulting centrosymmetric dimer exhibits an anti-positioning of the ferrocenyl moieties towards the central B2O4 plane. Consequently, an (Rp,Sp)-, i.e. a meso configuration is present for this dimer. In the crystal, weak C—H⋯O hydrogen bonds consolidate the mol­ecular packing.

Exposomics applies metabolomics methods and technologies to the comprehensive analysis of all low molecular weight molecules (< 1.5 kDa) in complex biological samples to characterize the interaction between cellular metabolism and exogenous lifestyle exposures that determine health and quality of life. To fully access the diverse classes of biological molecules related to an individual’s metabolic profile, metabolomics frequently requires the use of complementary analytical platforms, and employs targeted and untargeted molecular profiling strategies to identify biomarkers that are clinically relevant to an individual’s health status. Chapter 2 describes a quinoline-based boronic acid biosensor for N-acetylneuraminic acid that undergoes a striking binding enhancement under strongly acidic conditions. For the first time, this work allows for direct analysis of acidic sugars with high selectivity when using UV absorbance or fluorescence detection based on formation of a highly stable boronate ester complex with metabolites containing an α-hydroxycarboxylate moiety. Chapter 3 describes a targeted analysis of 24 different organic contaminants using GC-MS that can serve as biomarkers of recent smoke exposure following search-and-rescue training exercises by firefighters located at three different sites across the province of Ontario. Importantly, skin and possible respiratory uptake of various polycyclic aromatic hydrocarbons, methoxyphenols, and resin acids was confirmed by peak excretion of several wood smoke biomarkers in urine within 6 h following acute exposure. Chapter 4 applied a cross-platform metabolomics strategy based on CE-MS and GC-MS in order to identify and validate dietary biomarkers in matching plasma and urine samples collected from healthy participants in the pilot Diet and Gene Interaction Study (DIGEST). For the first time, we demonstrate that a panel of metabolites can serve as reliable biomarkers following contrasting Prudent and Western diets over 2 weeks of food provisions, which correlated well with self-reported diet records. This work paves the way for the development of objective biomarkers for accurate assessment of wood smoke exposures, as well as complex dietary patterns as required for new advances in occupational health and nutritional epidemiology. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD) / Exposomics is an emerging multidisciplinary science aimed at deciphering the complex interactions that impact human health and gene expression, such as lifestyle choices (i.e., habitual diet) and lifelong environmental exposures. There is growing interest in identifying biomarkers that can be readily measured for chronic disease prevention given an alarming global prevalence of obesity and cardiometabolic disorders, including heart disease, type 2 diabetes and cancer. The research in this thesis focuses on developing new analytical methods for identifying and quantifying metabolites that may allow for better assessments of human health, and has contributed to the development of novel biosensors for the targeted analysis of N-acetylneuraminic (sialic) acid and related acidic sugars, as well as high resolution methods for broad spectrum analysis of biotransformed organic contaminants from smoke exposure by GC-MS, and plasma and urinary metabolites that differentiate contrasting Prudent and Western diets and correlate well with self-reported diet records.

L’alcool polyvinylique a été fonctionnalisé avec des aldéhydes et des acides boroniques dans le but d’obtenir des polymères pouvant apporter de la brillance tout en étant solubles dans les formulations de rouges à lèvres ou de vernis à ongles. De bons taux de fonctionnalisation ont été obtenus permettant d’avoir une bibliothèque de poly(vinyl acétals) et de poly(vinyl esters boroniques) d’une cinquantaine de polymères. Une multi-fonctionnalisation du PVA a été effectuée pour obtenir des polymères alliant ces deux propriétés. Cinq poly(vinyl acétals) ont ainsi permis d’apporter une forte brillance à des rouges à lèvres. La E-poly-L-lysine a également été fonctionnalisée avec diverses cétones afin d’obtenir de nouvelles poly-4-imidazolidinones. Ces polymères sont prometteurs pour des applications dans des produits cosmétiques tels que des soins. Ils ont également été utilisés en catalyse organique asymétrique. / Poly(vinyl alcohol) has been functionalized with aldehydes and boronic acids to obtain polymers with high shining and being soluble in cosmetic formulations as lipsticks or nail polishes. Good grafting rates have been obtained permitting to have a library of about fifty poly(vinyl acetals) and poly(vinyl boronic esters). Multi-functionalization has been developped to obtain polymers having these both properties. Five polymers gave strong shining to lipsticks. E-poly-L-lysine was also functionalized with several ketones to obtain new poly-4-imidazolidinones. These polymers are promising for cosmetic applications as skincare products. They were also used for organocatalysis.