Ionic liquids (ILs) are nowadays a large and widely explored class of ionic compounds that melt below 100 °C. Due to their attractive properties, ILs are now of growing interests in a variety of inorganic materials preparation. However, most studies have put much focus on the description of new synthetic strategies. The chemical reactivity of ILs in the reactions is often neglected. In this dissertation, a series of metal chalcogenides were synthesized using the decompositions of ILs. The role or chemical reactivity of ILs in the reactions was demonstrated in detail. The hierarchical desert-rose-like SrTiO3 particles have been successfully prepared based on an ethylene glycol (EG) mediated one-pot IL-assisted solvothermal synthetic route. The used basic ionic liquid tetrabutylammonium hydroxide (TBAH) serves as an alkaline source and can also replace EG as the sole solvent to synthesize polyhedral SrTiO3, showing “all-in-one” solvent and reactant. A series of metal sulfides, such as Sb2S3, Bi2S3, PbS, CuS, Ag2S, ZnS, and CdS have been obtained from a choline chloride/thioacetamide based deep eutectic solvent (DES, an IL analog solvent) by a simple and general synthetic method. The reaction mainly proceeds in two steps: i) the dispersion of metal salts in the DES and the formation of a metal-DES complex, and ii) the decomposition of the metal-DES complex and formation of the final products. In addition, the chemical reactivity of phosphonium based ILs with selenium and tellurium at above 220 °C was systematically investigated by a series of dissolution experiments, tracking the solute selenium and tellurium species by nuclear magnetic resonance (NMR). NMR results clearly indicate some common decomposition mechanisms for quaternary phosphonium ILs at a relatively high temperature in the presence of selenium or tellurium. The decomposition of the quaternary phosphonium cations should proceed by an elimination of one alkyl substituent via an SN2 reaction, forming the respective trialkylphosphane selenides or tellurides in the presence of selenium or tellurium, which is then responsible for the genuine dissolution of selenium or tellurium. However, in the case of tellurium, the dissolution behavior is much more complicated compared to that of selenium. The coupling of P and Te which indicates a P–Te bond formation is only observed in the NMR spectra when a sufficient amount of tellurium (e.g. Te : IL = 1 : 1) is provided. The existence of a parallel-competitive IL decomposition route besides the SN2 reaction is regarded as the side reaction for the dissolution of tellurium. This may at least partially explain the relatively lower solubility of tellurium in phosphonium based ILs compared to that of selenium.

In dieser Dissertation wurden die ungewöhnlichen und einzigartigen Eigenschaften von Edelmetall-Clustern untersucht, die durch Quantum-Confinement im Sub-Nanometer-Bereich entstehen. Dabei zeigt sich, dass die chemischen und physikalischen Eigenschaften und damit die Funktionen nicht vom Festkörper abgeleitet werden können und stark von der Anzahl der Atome abhängen. Die erzielten theoretischen Ergebnisse wurden in enger Zusammenarbeit mit experimentell arbeitenden Partnergruppen erzielt. Dabei hat sich gezeigt, dass durch die enge Kooperation zwischen Theorie und Experiment ein tiefes Verständnis von fundamentalen Prozessen und den zugrunde liegenden Mechanismen erlangt werden kann. Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Reaktivität von geladenen Goldoxid-Clustern in der Gasphase, die ultraschnelle Dynamik von Edelmetall-Clustern und deren Komplexen sowie die optischen Eigenschaften von kleinen, deponierten Silber-Clustern untersucht und damit Beiträge geliefert, die einzigartigen Eigenschaften von Edelmetall-Clustern im Zusammenhang mit der heterogenen Katalyse und Nano-Optik besser zu verstehen. / In this thesis, the unique novel properties of noble metal clusters which arise in the sub-nanometer size regime due to quantum confinement have been theoretically explored. It has been demonstrated that by adding or removing a single atom the chemical and physical properties and functionality of noble-metal clusters can strongly change. The theoretical results have been derived in close cooperation with experimental findings of partner groups demonstrating that by joint theoretical and experimental efforts thorough understanding of fundamental processes and underlying mechanisms can be achieved. This thesis addresses the reactivity of charged gas-phase gold-oxide clusters in the context of the heterogeneous gold nano-catalysis, the ultrafast dynamical properties of noble-metal clusters and their complexes, and the optical properties of silver clusters at surfaces.

Ce travail porte sur la cristallochimie de polymères de coordination poreux, ou Metal-Organic Frameworks (MOFs), pour la séparation et la catalyse énantiosélective. Les molécules chirales sont d'une importance capitale et jouent un rôle important dans la reconnaissance moléculaire. Il est donc nécessaire de pouvoir synthétiser un seul énantiomère ou de pouvoir séparer un mélange. La particularité des polymères de coordination à bénéficier d'une partie organique est la possibilité d'introduire des fragments chiraux dans la structure-même des matériaux. Nous avons décidé d'introduire la chiralité dans les MOFs par utilisation de ligands carboxylates originaux chiraux à cœur fluorène. Le premier chapitre de ce mémoire est consacré à l'étude bibliographique des MOFs avec une description des concepts de cette chimie qui permet de comprendre la stratégie mise en place dans cette étude. Le deuxième chapitre décrit la stratégie de synthèse des ligands ainsi que leurs caractérisations. Les trois chapitres suivants décrivent la synthèse, les structures cristallines et les caractérisations physico-chimiques de séries de MOFs regroupés par métal utilisé pour leur élaboration (Zn, Cd et Cu). Ces trois chapitres exposent les problématiques généralement rencontrées avec les MOFs, comme la perte de porosité par interpénétration des réseaux, et les stratégies mises en place pour les contourner, comme l'augmentation de la taille et de la fonctionnalité des ligands utilisés. Enfin la réactivité thermique et chimique des MOFs a été investiguée par diffraction des rayons X par la poudre afin de comprendre les mécanismes réactionnels et la création éventuelle de sites acides en vue d'applications en catalyse. Les techniques expérimentales sont détaillées dans le dernier chapitre de ce mémoire. Enfin un récapitulatif de cette étude est présenté afin de conclure sur la stratégie exposée dans ce mémoire et les perspectives offertes par cette étude. / This work deals with crystallochemistry of new porous coordination polymers or Metal-Organic Frameworks (MOFs) for enantioselective separation and catalysis. Chiral molecules are of a key role in molecular recognition as a consequence the ability to synthesize only one enantiomer or to separate a mixture is priority for chemistry. The particularity of coordination polymers to possess an organic part gives the possibility to introduce chiral fragments in the material structure. We decided to introduce chirality on MOFs by using originals chiral carboxylates ligands with fluorene core. The first chapter is devoted to the bibliographic study of porous coordination polymers. The second chapter describes the ligands synthesis strategy and characterizations. The next three chapters group the crystal structures and physicochemical characterizations of coordination polymers according to the metal used for their preparation (Zn, Cd et Cu). These three chapters explore also the general issues related to MOFs as the loss of porosity consequent to frameworks interpenetration, and strategies implemented to circumvent, such as increasing the size and functionality of the ligands used. Finally the thermal and chemical reactivity of MOFS has been investigated by powder X rays diffraction in order to understand reactions mechanisms and eventually the creation of acid sites for catalytic applications. The experimental technics are detailed in the last chapter. Finally a summary of this work closes this thesis showing the future perspectives of this work.

La present tesi doctoral s'emmarca dins el camp de la química teòrica icomputacional. El primer objectiu, que va ser el de partida, consistia a veure si els índexosbielectrònics derivats de la teoria AIM podien ser útils per estudiar la reorganitzacióelectrònica al llarg d'una reacció. De forma paral·lela es va plantejar un objectiumetodològic, el càlcul dels índexos mencionats a altres nivells de teoria, com podia serDFT o CI. CI. Aquests dos objectius varen portar a molts d'altres, tot i que els principals són:Objectiu 1. Estudi de la reorganització de parells d'electrons al llarg d'unareacció.Objectiu 2. Efecte de la solvatació sobre l'estructura de parells d'electrons d'unamolècula.Objectiu 3. Càlcul dels índexos de localització i deslocalització als nivells de teoriadel funcional de la densitat i post-Hartree-Fock.Objectiu 4. Caracterització de l'enllaç per pont d'hidrogen per mitjà del'estructura dels parells d'electrons.Objectiu 5. L'índex de deslocalització: nou criteri electrònic d'aromaticitat.

Cette thèse vise à développer une approche basée sur le concept de Graphe Condensé de Réaction (GCR) capable de (i) sélectionner un espace optimal de descripteurs séparant au mieux différentes classes de réactions, et (ii) de préparer de nouveaux descripteurs pour la modélisation « structure–réactivité ». Cette méthodologie a été appliquée à la recherche par similarité dans une base de données contenant 8 classes de réaction différentes; et à la cartographie de son espace chimique en utilisant des cartes de Kohonen et de cartes topographiques génératives. La seconde partie de la thèse porte sur le développement de modèles prédictifs pour le pKa et pour des conditions optimales pour différents types de réaction de Michael impliquant à la fois les descripteurs d’effet électronique et des descripteurs calculés sur les GCR. / This thesis aims to develop an approach based on the Condensed Graph of Reaction (CGR) method able to (i) select an optimal descriptor space the best separating different reaction classes, and (ii) to prepare special descriptors to be used in obtaining predictive structure-reactivity models. This methodology has been applied to similarity search studies in a database containing 8 different reaction classes, and to visualization of its chemical space using Kohonen maps and Generative Topographic Mapping. Another part of the thesis concerns development of predictive models for pKa and for optimal conditions for different types of Michael reaction involving both CGR-based and Electronic Effect Descriptors.

Ce travail de thèse porte sur le développement des nouveaux verres bioactifs de comblement osseux. Ils sont élaborés par fusion dans le système quaternaire : SiO2-CaO-Na2O-P2O5. Deux éléments chimiques (bore et fluor), ont été incorporés au sein du réseau vitreux. L’effet de la quantité des éléments ajoutés dans le verre, sur le comportement physico-chimique, mécanique et physiologique a été mené par plusieurs techniques originales. L’intégration du bore ou du fluor au sein de la matrice vitreuse, influe sur les caractéristiques thermiques des verres synthétisés. Les performances mécaniques en termes de résistance mécanique, module de Young, module de cisaillement, rigidité et dureté ont été développé par l’incorporation du fluor dans la structure vitreuse. L’effet inverse a été manifesté pour les verres à base du bore. Des essais ''in vitro'' ont prouvé que la présence du bore accélère la dissolution de la matrice vitreuse, la cinétique et la cristallisation de la couche d’hydroxyapatite. Tandis que l’ajout du fluor retarde ces phénomènes physiologiques. / This thesis focuses on the development of new bioactive glasses for use as bone filling. They are synthetized by the melting method in the quaternary system CaO-SiO2-Na2O-P2O5. Two chemical elements (boron and fluor), have been incorporated in the glass network. The amount added effect, of elements, in the glass, on the physico-chemical, mechanical and physiological behaviour was led by several original techniques. The boron or fluor integration in the glass matrix, affect the thermal characteristics of the synthesized glasses. The mechanical performance in terms of: mechanical strength, Young's modulus, shear modulus, rigidity and hardness, have been developed by the fluor incorporation into the glass structure. The opposite effect was manifested for boron based glasses. In vitro tests have showed that the boron presence accelerates the vitreous matrix dissolution, the kinetics and the crystallization of the hydroxyapatite layer. While the fluor addition retards these physiological phenomena.

Ce travail de thèse concerne les verres bioactifs purs et dopés pour des applications en tant que biomatériaux en site osseux. Ils sont synthétisés par fusion dans le système SiO₂-CaO-Na₂O-P₂O₅. Quatre éléments métalliques (Zn, Ti, Cu et Ag), présentant des caractéristiques chimiques et physiologiques intéressantes, ont été introduits dans la matrice vitreuse. Leur réactivité chimique et leur cytotoxicité ont été évalués lors de tests in vitro. L'introduction de ces éléments métalliques influe sur les caractéristiques thermiques des verres ainsi que sur la dissolution de la matrice vitreuse, la cinétique et la cristallisation de la couche d'hydroxyapatite. Une bonne prolifération cellulaire a été mise en évidence. En parallèle, une méthode de synthèse d'une vitrocéramique, présentant une microporosité, a été développée par réaction entre TiN et ZnO. Des essais in vitro ont montré un caractère bioactif après 60 jours d'immersion et une absence de cytotoxicité. Ce biomatériau a ensuite été implanté au niveau de la diaphyse fémorale de lapins. Différentes études structurales ont montré la résorption progressive du biomatériau jusqu'à 6 mois d'implantation. Des scaffolds chitosan / verre bioactif ont également été synthétisés et obtenus par lyophilisation. Ils ont été étudiés lors d'essais in vitro. Ils ont servi de support pour la vectorisation de gentamicine. Les résultats obtenus montrent que les teneurs en chitosan et en verre bioactif ont une influence sur la cristallisation de l'hydroxyapatite et le relargage du médicament. Les modèles mathématiques établis montrent que le temps de relaxation des scaffolds dépend de la concentration de départ en gentamicine. / This research work focuses on the pure and doped bioactive glasses for use as bone biomaterial. They are synthesized by the melting method in the system SiO₂-CaO-Na₂O-P₂O₅. Four metallic elements, presenting interesting chemical and physiological properties, have been introduced in the amorphous matrix. Their chemical reactivity and their cytotoxicity have been evaluated during in vitro assays in simulated body fluid and cell culture media. The introduction of these metallic elements influences their thermal characteristics, the glass matrix dissolution, the kinetic and the crystallization of the hydroxyapatite layer. A good cells proliferation have been showed. In parallel, a method of synthesis of a glass-ceramic, having a microporosity, have been developed by reaction between TiN and ZnO. In vitro assays have showed a bioactive character after 60 days of immersion and a non-cytotoxicity. This biomaterial was implanted in the femoral dyaphisis of rabbits. Different structural studies have showed the gradual resorption of the biomaterial up to 6 months of implantation. Finally, scaffolds chitosan/bioactive glass, obtained by freeze-drying, have also been studied during in vitro assays. They were used as support for the vectorization of gentamicin. The obtained results show that the content of chitosan and bioactive glass have an impact on the crystallization of hydroxyapatite et the release of drug. Mathematic models show that the relaxation time depend on the starting concentration of gentamicin.

Le Poly Vinyl Alcohol (PVA) a été associé aux verres élaborés dans un système quaternaire (BG) 46S6 par les procédés cités (fusion, sol-gel et sacffolds). Différents paramètres intervenant dans les synthèses des verres bioactifs ont été étudiés, nous citons à titre d’exemple : la température, le pH, la taille des particules, le rapport Polymère / verres, la microstructure, la porosité et la biodégradation. Les caractéristiques thermiques des verres élaborés ont été également déterminées après chaque synthèse par analyse thermique différentielle (DSC/TG, DTA/TG). Ainsi, la température de fusion, la température de transition vitreuse et la température de cristallisation ont été élucidées. Ces caractéristiques thermiques changent lorsque la composition chimique du verre est modifiée. A ce titre, les compositions chimiques ont été étudiées par Fluorescence (XRF) et Inductively Coupled Plasma-Opticale Emission Spectroscopy (ICP-OES) après chaque synthèse pour s’assurer de la pureté des verres bioactifs élaborés et destinés à des applications médicales. Plusieurs techniques physico chimiques d’analyses (DRX, MEB, MET, FT-IR, XRF, ICPOES) ont été mises en oeuvre pour déterminer les propriétés physico chimiques de nos verres bioactifs avant et après expérimentations « in vitro ». Le nano composite Polymère-Verres scaffolds que nous avons obtenu présente des particules de tailles comprises entre 40 et 61 nm et une porosité d’environ 85%. La biodégradation des verres scaffolds décroît lorsque la teneur en verre scaffolds dans le nano composite croît. Les expérimentations « in vitro » montrent qu’après immersion de ces nano composites dans un liquide physiologique synthétique (SBF), une couche d’apatite (phosphate de calcium) se forme à leur surface. L’épaisseur de la couche formée dépend clairement de la taille des particules et du rapport polymère / verre scaffolds. / The aim of the present work is the preparation of Bioactive Glass (BG) 46S6 by different techniques. Fabrication of composite scaffolds by using of Poly Vinyl Alcohol (PVA) and quaternary BG (two methods melting and sol-gel) with different ratios to the prepared scaffolds was carried out. Different factor affecting the final properties of the prepared composite scaffolds were investigated in this study, such as; temperature of treatment, BG particle size, polymer/glass ratio, microstructure, porosity, biodegradation, bioactivity, and drug release. The thermal behavior of the prepared bioactive glass by sol-gel and melting techniques were identified using Differential Scanning Calorimetric/Thermo Gravimetric (DSC/TG) or Differential Thermal Analysis/Thermo Gravimetric (DTA /TG). The elemental composition of the prepared bioactive glasses was determined by X-rays Fluorescence (XRF) to confirm that the prepared bioactive glasses have the same elemental compositions and high purity for biomedical applications. The particle size of the prepared bioactive glass was determined by Transmission Electron Microscopic (TEM). Nano-bioactive glass could be obtained by modified sol-gel and the obtained particle size ranged between 40 to 61 nm. The prepared bioactive glass by both applied methods has the same amorphous phase and all identified groups as well as. The porous scaffold has 85% porosity with a slight decrease by increasing the glass contents. The degradation rate decreased by increasing of glass content in the prepared scaffolds. The bioactivity of the prepared composite scaffolds was evaluated by XRD, FTIR, SEM coupled with EDX and Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopic (ICP-OES). It has been observed that after soaking in Simulated Body Fluid (SBF), there was an apatite layer formed on the surface of the prepared samples with different thickness depending on the glass particle size and polymer/glass ratio.