Contrairement aux effluents aqueux issus du procédé PUREX, les effluents issus des procédés de séparation poussée actuellement en développement pour séparer les actinides mineurs contiennent des réactifs organiques en quantité importante. Afin de minimiser l'impact de ces composés sur les étapes en aval du procédé et pour respecter les normes de rejet, la destruction de ces composés est indispensable. De par des conditions opératoires et de sûreté adaptées au domaine du nucléaire, la voie sonochimique apparaît comme une solution très prometteuse pour l'élimination des espèces organiques. La propagation d'une onde ultrasonore dans un milieu liquide se traduit par l'apparition de bulles de cavitation qui vont croître et imploser, engendrant ainsi des conditions locales de température et pression extrêmes. Chaque bulle de cavitation peut être alors considérée comme un microréacteur à haute température et haute pression capable de détruire, sans ajout de réactifs spécifiques, les molécules organiques. Les premières études portant sur l'influence de la fréquence ultrasonore sur la sonolyse et la sonoluminescence de l'acide formique ont montré que la dégradation de l'acide formique se déroule à l'interface liquide/bulle quelle que soit la fréquence ultrasonore. La différence notable entre les ultrasons basse et haute fréquence réside principalement dans l'initiation de réactions secondaires observées seulement entre 200 et 1057 kHz. Malgré une activité sonochimique bien plus importante à haute fréquence, l'utilisation des ultrasons seuls pour traiter les effluents issus des procédés de séparation avancée ne peut être envisagée de par la concentration élevée en acides carboxyliques. Afin d'augmenter l'efficacité des réactions sonochimiques, l'ajout de catalyseurs à base de platine supporté a donc été étudié. Dans ces conditions, il s'avère que le couplage ultrasons/catalyseurs permet une augmentation considérable des cinétiques de dégradation des acides carboxyliques. / Unlike aqueous effluents from the PUREX process, aqueous effluents from advanced separation processes developed to separate the minor actinides (Am, Cm) contain organic reagents in large amounts. To minimize the impact of these organic compounds on the next steps of the process, and to respect standard discharges, it is necessary to develop new techniques of degradation of organic compounds. Sonochemistry appears as a very promising solution to eliminate organic species in aqueous nuclear effluents. Indeed, the propagation of an ultrasonic wave in a liquid medium induces the appearance of cavitation bubbles which will quickly grow and implode, causing local conditions and extreme temperatures and pressures. Each cavitation bubble can then be considered as a microreactor at high temperature and high pressure able to destroy organic molecules without the addition of specific reagents. The first studies on the effect of ultrasonic frequency on sonoluminescence and sonolysis of formic acid have shown that the degradation of formic acid occurs at the bubble/liquid interface. The most striking difference between low-frequency and high-frequency ultrasound is that the sonolysis of HCOOH at high ultrasonic frequencies initiates secondary reactions not observed at 20 kHz. However, despite a much higher sonochemical activity at high frequency, highly concentrated carboxylic acids in the aqueous effluents from advanced separation processes cannot be destroyed by ultrasound alone. To increase the efficiency of sonochemical reactions, the addition of supported platinum catalysts has been studied. In these conditions, an increase of the kinetics of destruction of carboxylic acids such as oxalic acid is observed.

Le projet présenté au cours de cette thèse porte sur la formation de centres quaternaires entièrement carbonés. Plusieurs axes d’approche ont été établis, et seront présentés par chapitre : le premier fait état de l’utilisation d’une réaction de Vilsmeier-Haack, le second rapporte la fabrication de nouveaux catalyseurs pour la réaction de condensation de Claisen et le dernier utilise la réaction de Vilsmeier-Haack pour la formation d’acides [béta]-aminés non-racémiques. Lors du premier chapitre, le sujet abordé sera l’utilisation de la réaction de Vilsmeier-Haack pour la formation de composés 1,3-dicarbonylés contenant un centre quaternaire entièrement carboné. D’abord nous verrons comment, théoriquement, la chiralité du centre quaternaire peut être contrôlée par l’utilisation d’amines chirales. Puis nous suivrons le développement d’une méthode d’hydrolyse spécifique à l’obtention de composés 1,3-dicarbonylés avec ses forces et ses limites. La deuxième partie de cette thèse portera sur le développement de nouveaux catalyseurs pour la réaction de condensation de Claisen. Plusieurs avenues seront exposées. Dans un premier temps, nous verrons la rationalisation validant chacune des idées d’avenues envisagées, puis nous aborderons les méthodes de synthèses essayées pour les catalyseurs imaginés dans chacune de ces avenues. Le dernier chapitre portera sur la formation de dérivés d’acides [béta]-aminés non-racémiques via l’utilisation d’une réaction de Vilsmeier-Haack. Dans un premier temps, différentes méthodes de réduction applicables à cette réaction seront présentées, et ensuite, le concept d’un nouveau groupe protecteur spécifique aux ions iminiums sera démontré.

Nos travaux antérieurs ont développé la débenzylation DIBAL-H de α-, β- et γ-CDBn, qui génère une fonctionnalisation regiosélective sur le bord primaire. De plus, la déméthylation DIBAL-H de α- et β-CDMe donne accès à une modification régiosélective sur le bord secondaire sans changer la conformation de l'unité suger. La déméthylation DIBAL-H optimisée pourrait également influer sur la modification du bord primaire. En raison de la grande cavité du γ-CD sur la solubilisation et l'encapsulation C60, l'un des objectifs de mon travail est d'obtenir le γ-CDMe sélectivement modifié sur le bord secondaire. Sur la base de la déméthylation DIBAL-H de α-, β- et γ-CDMe, 7 conjugués α-CD-C60 sont soumis à l'évaluation biologique en tant qu'agents antiviraux potentiels et un conjugué β-CD-C60 est en cours d'étude en tant que potentiel anti-allergique agent. En outre, le conjugué 2A-γ-CDMe-C60 avec attachement de jante secondaire présente la plus grande solubilité dans l'eau parmi les conjugués CD-C60 et les complexes γ-CD / C60. Le conjugué 2A-γ-CDMe-C60 et le conjugué 6A-γ-CDMe-C60 avec fixation du jonc primaire ont montré un rendement quantique 1O2 plus élevé que les conjugués CD-C60 rapportés sous irradiation UV. À la lumière de la méthodologie de la débenzylation DIBAL-H, 6 complexes α- et β-CDMe-Ag hydrosolubles (Cu, Au) ont été synthétisés. On a obtenu des structures cristallines à rayons X d'α-CDMe-AgCl à la fois dans CDCl3 et dans de l'eau. Par ailleurs, nous avons obtenu le monomère α-CDMe-CuCCPh qui est stable dans l'eau. De plus, α- et β-CDMe-AuCl ont été comme catalyseurs en cyclosomérisation regiosélective, énantiéselective et lactonisation dans DCM et eau. / Our previous work have developed DIBAL-H debenzylation of α-, β- and γ-CDBn, which generates regioselective functionalization on the primary rim. Moreover, DIBAL-H demethylation of α- and β-CDMe gives an access to regioselective modification on the secondary rim without changing the conformation of suger unit. Meanwhile, the optimized DIBAL-H demethylation could affordes the modification on the primary rim as well. Because of the large cavity of γ-CD on C60 solubilization and encapsulation, one of the goals of my work is to obtain the selectively modified γ-CDMe on the secondary rim. Based on DIBAL-H demethylation of α-, β- and γ-CDMe, 7 α-CD-C60 conjugates are under the biological evaluation as potential antiviral agents and a β-CD-C60 conjugate is being studied as a potential anti-allergic agent. Furthermore, 2A-γ-CDMe-C60 conjugate with secondary rim attachement displays the highest water-solubility among CD-C60 conjugates and γ-CD/C60 complexes. Both 2A-γ-CDMe-C60 conjugate and 6A-γ-CDMe-C60 conjugate with primary rim attachment showed higher 1O2 quantume yield than the reported CD-C60 conjugates under UV irradiation. In light of the methodology of DIBAL-H debenzylation, 6 water-soluble α- and β-CDMe-Ag(Cu, Au) complexes have been synthesized. X-ray crystal structures of α-CDMe-AgCl in both CDCl3 and water have been obtained. Besides, we got monomer α-CDMe-CuCCPh which is stable in water. In addition, α- and β-CDMe-AuCl have been as catalysts in regioselective, enantioselective cycloisomerization and lactonization in DCM and neat water.

Ces travaux de thèse traitent de l’activation/fonctionnalisation de liaisons C-H pour la formation de dérivés d’hétéroaryles. Nous nous sommes ainsi intéressés à la réactivité de dérivés du 4-formylpyrazole pour les couplages pallado-catalysés via l’activation de liaisons C-H. La fonction formyle en C4 permet de contrôler la régiosélectivité de l’arylation. Par la suite, nous avons étudié la réactivité de 2-bromofluorènes dans ces mêmes réactions de couplage. La troisième partie se focalise sur la synthèse d’aminothiophènes et de pyrrolyl-thiophènes. L’originalité de notre approche est l’utilisation de ces composés comme précurseur dans des réactions pallado-catalysés. Enfin, la dernière partie est consacré à la réactivité du 3-bromobenzothiophène dans des réactions pallado-catalysées sans clivage de la liaison C-Br en C3 du benzothiophène. / This thesis work dealing with the activation / functionalization of CH bonds for the formation of derivatives of heteroaryl. We sum so interested in the reactivity of derivatives of 4-formylpyrazole for pallado-catalyzed via CH bond activation couplings. The formyl C4 is used to control the regioselectivity of the arylation. Subsequently, we investigated the reactivity of 2-bromofluorènes in these coupling reactions. The third part focuses on the synthesis of aminothiophenes and pyrrolyl-thiophene. The originality of our approach is the use of these compounds as a precursor in pallado-catalyzed reactions. Finally, the last part is devoted to the reactivity of 3-bromobenzothiophene in pallado-catalysed reactions without cleavage of the C-Br bond C3 benzothiophene.

La nitrate réductase périplasmique de Rhodobacter sphaeroides possède, un cofacteur à Mo (site actif), un centre [4Fe-4S] et deux hèmes de type c formant une chaîne de transfert électronique intramoléculaire. Ce travail est centré sur deux aspects moléculaires de la catalyse de cette enzyme : la réactivité au niveau du site actif de l’enzyme et les processus de transfert d’électrons intramoléculaires. Ces questions sont abordées en s’appuyant parallèlement sur des approches de mutagénèse dirigée, d’activités enzymatiques, de spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE) en onde continue et impulsionnelle et sur des mesures de potentiels redox associés aux cofacteurs de l’enzyme. La première partie de ce travail est consacrée à la caractérisation spectroscopique et physico-chimique d’intermédiaires Mo(V) du site actif afin de déterminer leur structure et leur positionnement possible dans le cycle catalytique. Nous avons ainsi étudiée de manière détaillée deux intermédiaires Mo(V) en présence de nitrate dont nous montrons qu’ils présentent des différences structurales au-delà de la première sphère de coordination du Mo. Dans la seconde partie, nous mettons en évidence le rôle d'un acide aminé très conservé (Lys) dans le transfert d'électrons intramoléculaire. Cet acide aminé chargé positivement est situé dans la seconde sphère de coordination du centre [4Fe-4S] et joue un rôle majeur dans la modulation des propriétés rédox du centre [4Fe-4S], ce qui affecte fortement les propriétés catalytiques de l'enzyme. L’ensemble de nos résultats permettent ainsi d’identifier dans l’environnement du Mo des éléments déterminants dans la réactivité de l’enzyme. / The periplasmic nitrate reductase from Rhodobacter sphaeroides contains, in addition to the Mo-cofactor, a [4Fe-4S] center and two c-type hemes defining an intramolecular electron transfer chain. This work focuses on two molecular aspects of the catalysis: the reactivity of the Mo-cofactor, and the intramolecular electron transfer step. These issues are dealt by combining approaches as site-directed mutagenesis, enzymatic activities, continuous-waves (CW) and pulse electron paramagnetic resonance spectroscopy (EPR), UV-Vis spectroscopy and redox titration of metal cofactors of the enzyme. A first part of this work is devoted to the spectroscopic and physicochemical characterization (thermodynamic and kinetic properties) of Mo (V) intermediates of the active site in order to determine their structure and their catalytic relevance. We have undertaken a detailed characterization of two Mo(V) intermediates generated in presence of nitrate, which display some structural differences beyond the first coordination sphere of the Mo(V) ion. In a second part, we highlight the role of a highly conserved amino acid (Lys) in intramolecular electron transfer. This positively-charged amino acid is located in the second coordination sphere of the [4Fe-4S] center and plays a major role in the redox properties tuning of the [4Fe-4S] center thus strongly affecting the catalytic properties of the enzyme. All together, these data provide some structural insights on the enzyme reactivity beyond the first coordination sphere of the Mo-cofactor.

Cette thèse porte sur les réactions de cyclisation des 1,6-enynes impliquant des catalyseurs de ruthénium. Trois types différents de cyclisation ont été élaborés à partir de précurseurs facilement disponibles, tels que les 1,6-enynes et alcynes. Dans un premier temps, une nouvelle cyclisation hydroalcynylante des 1,6-enynes, à l'aide d'alcynes terminaux comme co-réactifs, catalysée par le ruthenium a été explorée. Cette réaction fournit une méthode de synthèse de cycles à cinq chaînons doté d'un motif 1,5-enyne exocyclique. Un complexe du ruthenium neutre et riche en électrons, Cp*Ru(cod)Cl, s'est avéré être le catalyseur de choix de ces transformations. Dans un deuxième temps, en utilisant le même complexe, la cycloaddition [2+2+2] des 1,6-enynes et alcynes catalysée par le ruthénium a été développée. Les alcynes internes et terminaux sont appropriés pour accéder en une seule étape aux bicyclohexadienes avec de hauts rendements. Une bicycloannulation inhabitelle des 1,6-enynes, intégrant un atome d’azote, catalysée par le ruthénium a également été élaborée. Pour ces cyclisations, seul un complexe du ruthénium électrophile et alkynophile tel que [RuCl2(CO)3]2 a été en mesure d'effectuer la réaction. La formation exclusive des 3-azabicylo[4.1.0]hept-1-enes a été observée avec les 1,6-enynes dotés d'une unité alcyne interne. Ces réactions de cyclisation, respectant le principe des réactions à économie d’atome, sont discutées et sur la base de leur mécanisme de formation. / This dissertation focuses on cyclization reactions of 1,6-enynes involving ruthenium catalysts. Three different types of cyclization were developed from readily available precursors, such as 1,6-enynes and alkynes. In one application, a novel ruthenium-catalyzed hydroalkynylative cyclization of 1,6-enynes using terminal alkynes as co-reactants was explored. This reaction provides and entry to five-membered rings featuring an exocyclic 1,5-enyne motif. A neutral electron-rich ruthenium complex Cp*Ru(cod)Cl proved to be the catalyst of choice for these transformations. In another application, using the same complex, the ruthenium-catalyzed [2+2+2] cycloaddition of 1,6-enynes and alkynes was developed. Both internal and terminal alkynes were suitable substrates to access bicyclohexadienes with high yields in a single step. An intriguing ruthenium-catalyzed bicycloannulation of nitrogen-tethered 1,6-enynes has also been developed. For these cyclizations, only the electrophilic and alkynophilic ruthenium complex [RuCl2(CO)3]2 was able to perform the reaction. The exclusive formation of 3-azabicylo[4.1.0]hept-1-enes was observed with 1,6-enynes featuring an internal alkyne unit. These cyclization reactions fulfil the atom-economical reactions principle and are discussed on the basis of their mechanisms of formation.

Ce travail de thèse est consacré au développement de nouvelles méthodologies en catalyse mettant en jeu des complexes métalliques à base de métaux non nobles, en l’occurrence le cobalt et le niobium. Ces deux métaux ont été utilisés pour catalyser des réactions d’hydrofonctionnalisation de liaisons multiples carbone‒carbone. L’objectif était de proposer des systèmes catalytiques compétitifs à base de métaux non précieux et de promouvoir leur utilisation par rapport à d’autres métaux peu abondants et onéreux. Un complexe de cobalt bien défini, HCo(PMe3)4, a été employé pour catalyser des réactions d’hydroboration régio- et stéréosélectives d’alcynes internes, ainsi que des réactions de diboration d’alcynes. D’autre part, un système catalytique au niobium(V) cationique a été mis au point et utilisé pour diverses réactions d’hydrofonctionnalisation intramoléculaires, permettant la synthèse d’une large famille d’hétérocycles. De manière à mettre encore davantage en lumière ce métal et ces bienfaits, des travaux ont été réalisés en catalyse énantiosélective. Un système catalytique chiral de niobium(V) a été utilisé pour l’hydroalkoxylation d’alcènes énantiosélective. Des résultats encourageants ont été obtenus même si ce système doit encore être optimisé et testé en présence de différents hydroxyalcènes. / This PhD work has focused on the development of new methodologies in catalysis based on non-noble metals: cobalt and niobium. These two metals have been used to catalyze hydrofunctionalization reactions of carbon‒carbon multiple bonds. The aim of those projects was to propose competitive catalytic systems based on non-precious metals and to promote their use compared to other rare and expensive metals. To this end, we successfully demonstrated that a well-defined cobalt complexe HCo(PMe3)4 is an efficient catalyst for regio- and stereoselective hydroboration reactions of internal alkynes, as well as diboration reactions. Also, a new catalytic system based on cationic niobium(V) has been developed and used to catalyze intramolecular hydrofunctionalization reactions leading to the synthesis of a large family of heterocycles. In order to reveal even more the potential of niobium in catalysis, we aimed to propose a chiral system able to catalyze enantioselective hydroalkoxylation of alkenes. Despite the promising results, some more efforts on the optimization of this system still need to be done.

Les agrégats métalliques de taille nanométrique possèdent, par rapport aux matériaux massifs, des propriétés chimiques singulières, et constituent des modèles pour l'étude de la catalyse hétérogène. La réactivité d'agrégats de palladium, élaborés par croissance épitaxique sur MgO(100) et caractérisés par microscopie électronique en transmission, a été étudiée. Des expériences d'adsorption de NO et de réactions CO+NO et CO+O2 ont été réalisées sous ultravide par une technique de jet moléculaire pulsé. Avant de se chimisorber sur les agrégats, les molécules de monoxyde d'azote peuvent diffuser sur le support. Nous avons mesuré la probabilité de physisorption de NO sur MgO, et quantifié ce phénomène de diffusion-capture. Une fois adsorbé sur le palladium, le NO se dissocie, produisant de l'azote, ou se désorbe. L'énergie d'activation de désorption du NO est de 32 kcal/mol. Une influence de la température et de la morphologie des agrégats sur leur capacité à adsorber et dissocier le NO a été mise en évidence. La réaction de réduction de NO par CO produit essentiellement CO2 et N2. A pressions de réactifs égales, l'activité catalytique est maximale à environ 260°C. Les étapes limitantes de la réaction sont, à basse température, la dissociation du NO et, à haute température, l'adsorption du CO. La prise en compte de la diffusion des réactifs sur le support permet de déterminer précisément l'influence de la taille des agrégats sur leur activité catalytique, et révèle une corrélation avec les expériences d'adsorption de NO. Enfin, la cinétique de la réaction d'oxydation du CO a été analysée en régime transitoire, à l'aide de simulations simples. En deçà d'environ 200°C, la vitesse de la réaction est limitée par l'inhibition de l'adsorption de l'oxygène par le CO fortement chimisorbé sur les arêtes des agrégats. Au-delà de 200°C, c'est l'existence d'un état précurseur de la chimisorption de CO à fort recouvrement en oxygène qui réduit la vitesse de production de CO2.

Dans la première partie, est présentée la synthèse d'une nouvelle famille de catalyseurs d'oxydation phosphorés performants et sélectifs. Ainsi nous avons mis au point la synthèse des imines N-phosphonio qui permettent de réaliser l'époxydation catalytique des oléfines. Une étude détaillée montre comment on peut facilement moduler la réactivité de la fonction imine en jouant sur la nature des substituants, et ainsi pouvoir adapter le catalyseur au type de substrat à oxyder. Dans la deuxième partie, est décrite une nouvelle voie de synthèse, simple et courte, pour les précurseurs des carbènes vinylidènephosphoranes. Cette voie de synthèse autorise une grande variation dans le choix des substituants ce qui devrait permettre de moduler facilement les propriétés de cette nouvelle famille de carbènes. Les premiers résultats montrent que ces carbènes présentent un caractère ambiphile prononcé avec une nucléophilie exacerbée, comme prévu par des calculs théoriques. Les premiers résultats en chimie de coordination sont également présentés et le premier complexe de Au(I) a été isolé et caractérisé par diffraction des rayons X.

La synthèse de modèles du site actif de l'hydrogénase à fer, responsable de la catalyse réversible de la réduction des protons en dihydrogène, est un enjeu crucial dans l'optique d'une meilleure compréhension du fonctionnement du système enzymatique et du développement de nouveaux types de catalyseurs à base de clusters fer-soufre. Durant cette thèse ont été abordés les aspects synthétiques (ligands soufrés et complexes fer-carbonyle) aussi bien que les études spectroscopiques et électrochimiques.