Les acides aminés sont des éléments chiraux essentiels de la vie, ils ont des effets biologiques et pharmacologiques très importants. La séparation chirale des énantiomères des acides aminés est indispensable dans de nombreux domaines tels que l'industrie pharmaceutique, l'agroalimentaire, l'archéologie et la médecine légale. La chromatographie liquide haute performance (CLHP) avec l'utilisation d'une phase stationnaire chirale constitue à l'heure actuelle la méthode de choix pour séparer des énantiomères. Ce travail a permis d'étudier les mécanismes d'interactions mis en jeu dans la fixation et la séparation des énantiomères du tryptophane sur des phases stationnaires chirales (PSCs) de type teicoplanine et teicoplanine aglycone (TAG). Une étude thermodynamique comparative entre ces deux PSCs a permis de déterminer le rôle négatif joué par les trois unités saccharidiques de la teicoplanine dans le processus de discrimination chirale du tryptophane. Ainsi, nous avons montré que cet acide aminé interagit considérablement avec la poche aglycone de la teicoplanine. L'utilisation d'une nouvelle PSC de type teicoplanine, immobilisée de manière non-covalente sur des supports chromatographiques de type C8 et C18, a permis de séparer quelques acides aminés aromatiques et d'inverser leur ordre d'élution énantiomérique (L>D) par rapport à celui classiquement obtenu avec une immobilisation covalente sur gel de silice (D>L). Par ailleurs, nous avons développé une nouvelle classe de sélecteurs chiraux à base d'aminoglycosides en chromatographie chirale d'échange de ligands. Plusieurs énantiomères d'acides aminés et de nucléosides ont été séparés avec succès sur ce nouveau type de PSCs.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale par spectroscopie de photoluminescence de nanotubes de carbone nus et fonctionnalisés. Les nanotubes étant formés exclusivement d'atomes de surface, leurs propriétés optiques peuvent être grandement altérées, mais aussi contrôlées, par interaction avec l'environnement physico-chimique. Un dispositif de microscopie confocale à l'échelle de l'objet unique et à température cryogénique est développé pour l'étude de la luminescence de nanotubes déposés sur substrat. La variété des profils spectraux observés est interprétée en terme d'un couplage entre excitons localisés et phonons acoustiques unidimensionnels dont le spectre peut être altéré aux basses énergies. Ce mécanisme explique notamment l'observation originale de raies très fines, de largeur inférieure à 500 µeV. La fonctionnalisation non-covalente des nanotubes par des molécules de colorants (porphyrines) introduit une nouvelle voie d'excitation optique par un transfert d'énergie très efficace. Le suivi physico-chimique de la réaction d'adsorption nous informe sur la couverture et l'affinité des molécules sur les nanotubes. Une étude de photoluminescence sur composés uniques résolue en polarisation montre une forte anisotropie du transfert d'énergie gouvernée par des effets d'antenne à proximité du nanotube. Enfin, le colorant peut être utilisé comme cellule d'absorption de référence pour évaluer la section efficace d'absorption des nanotubes. Une nette évolution avec l'angle chiral de l'espèce est notamment observée pour l'absorption à la résonance optique S22.

Les cages moléculaires covalentes ou de coordination sont des molécules particulièrement intéressantes lorsqu'elles présentent une cavité active en reconnaissance moléculaire ou en réactivité chimique. Le projet consiste en la synthèse et l'étude d'un nouveau type de cage moléculaire, constituée de deux porphyrines reliées par des liaisons covalentes mais flexibles et de huit ligands 3-pyridyles (L) permettant de contrôler la taille de la cavité par un stimulus externe. L'étape-clé de la synthèse de cette cage est la formation d'un dimère de porphyrine par effet template, de sorte à favoriser la fermeture de la cage. Des cations métalliques coordinés par les groupements L ou un ligand ditopique comme le DABCO coordiné entre les métallo-porphyrines ont été utilisés pour pré-assembler le dimère. Ce dernier ayant été obtenu, les chaînes polyéther ont été reliées deux par deux par métathèse des oléfines. Une structure cristallographique de la cage covalente complexant le DABCO a pu être obtenue. La cage synthétisée a, par la suite, été démétallée et le DABCO retiré, la conformation adoptée par cette dernière molécule varie par rapport à son précurseur.

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Hydrophobic supports are the mostly used for lipase immobilization, due to the mechanism of interfacial activation in the presence of hydrophobic interface. However, enzyme physically adsorbed to the support does not allow high operational stability. Therefore, in this work was evaluated the immobilization of commercial lipases from Candida antarctica type B (CALB), Thermomyces lanuginosus (LTL) e Pseudomonas fluorescens (LPF) on hybrid supports, that enable the hydrophobic adsorption, followed by covalent linkage between the adsorbed enzyme and the activated support. Silica was activated with trietoxy(octyl)silane (OCTES), (3-aminopropyl)trietoxysilane (APTES) e 3-glycidyloxypropyl)trimetoxysilane (GPTMS), aiming to produce supports with different functionality, as following: silica containing octyl groups (octyl-silica, OS), octyl and aldehyde groups (octyl-silica-glyoxyl and octyl-silicaaldehyde, OSGlx and OSGlu, respectively), and silica containing octyl and epoxy groups (octyl-silica-epoxy, OSEpx). From adsorption assays using the hydrophobic dye Rose of Bengal it was found that the modification of the silica with OCTES significantly increased the hydrophobicity of all the supports. Silica modified with OCTES groups showed to be 4 times more hydrophobic than non-modified silica. The support OSGlu yielded more active CALB biocatalyst, while OS yielded more active biocatalysts prepared with PFL and TLL. All the biocatalysts showed high stability in tert-butanol, specially CALB immobilized on OSGlu (OSGlu-CALB), maintaining 95% of its initial activity after 168 h at 60 ºC. CALB-OSGlu was successfully used in the synthesis of fructose oleate at 55ºC, yielding up to 70% conversion after 9 cycles of 6 hours, while the commercial biocatalyst Novozyme 435 retained around 53%. TLL and PFL were used in the synthesis of fructose oleate at 35ºC in presence of different amounts of water. All biocatalysts showed excellent performance in the ester synthesis when small amount of water (1%, v/v) was added to the organic phase, except for the lipases immobilized on silica modified with octyl and epoxy groups (OSEpx). Small amount of water increased around 5-times the ester productivity compared to reaction without water. Conversions around 70% were achieved at low temperature (35ºC) and short time of reaction (30 min). These results represent an advance in this field from of industrial point of view, where productivity is a relevant parameter for large-scale processes. Finally, porcine pancreatic lipase (PPL) immobilized on OS was used in the synthesis of xylose oleate and xylose caprilate, because it is the most inexpensive lipase commercially available. The results showed to be promising, because conversions around of 70% were achieved after 2 h of reaction at 60 oC. Generally, this work showed that the chemical modification of the silica surface with different active groups allowed the preparation of biocatalysts with different microenvironment, which exhibits an important role in the activity and stability of the immobilized enzymes. Besides, the biocatalysts prepared in this work showed excellent performance and operational stability in syntheses of sugar esters, showing to have potential for industrial application. / O uso de lipases em larga escala é limitado devido ao seu alto custo. O reuso do biocatalisador contribuiria para tornar o processo custo-efetivo. Suportes hidrofóbicos são os mais utilizados na imobilização de lipases, devido ao mecanismo de ativação interfacial na presença de interfaces hidrofóbicas. Entretanto, o fato da enzima ligar-se fisicamente ao suporte não garante maior estabilidade operacional. Portanto, nesse trabalho foi avaliada a imobilização de lipases comerciais de Candida antarctica tipo B (CALB), Thermomyces lanuginosus (LTL) e Pseudomonas fluorescens (LPF) em suportes híbridos, os quais possibilitam adsorção hidrofóbica, seguida de ligação covalente enzima-suporte. Sílica foi funcionalizada com trietoxi(octil)silano (OCTES), (3-aminopropil)trietoxisilano (APTES) e 3-glicidiloxipropil)trimetoxisilano (GPTMS), para produzir suportes com diferentes funcionalidades: sílica contendo grupos octil (octil-silica, OS), sílica contendo grupos octil e aldeídos (octil-sílica-glioxil e octil-sílica-glutaraldeído, OSGlx e OSGlu, respectivamente) e sílica contendo grupos octil e epóxi (octil-sílica-epóxi, OSEpx). A modificação da sílica com OCTES aumentou significativamente a hidrofobicidade de todos os suportes, observado a partir de ensaios de adsorção do corante hidrofóbico Rosa de Bengala. Sílica modificada com grupos OCTES apresentou hidrofobicidade cerca de quatro vezes superior à apresentada pela sílica não modificada. O suporte OSGlu rendeu biocatalisadores mais ativos para CALB, enquanto OS rendeu biocatalisadores mais ativos para LPF and LTL. Todos os biocatalisadores apresentaram boa estabilidade em terc-butanol, especialmente CALB imobilizada em OSGlu (CALB-OSGlu), retendo em torno de 95 % de sua atividade inicial após 168 h a 60 ºC. CALB-OSGlu foi usada com sucesso na síntese de oleato de frutose a 55ºC, mantendo mais de 70% de conversão após nove ciclos de 6 horas, enquanto para o biocatalisador comercial Novozyme 435 a conversão foi de aproximadamente 53%. LTL e LPF foram aplicados na síntese de oleato de frutose a 35ºC na presença de diferentes percentuais de água. Todos os biocatalisadores mostram excelente desempenho na síntese do éster adicionando-se uma pequena quantidade de água (1%, v/v) na fase orgânica, exceto para as enzimas imobilizadas em OSEpx. A presença de água contribuiu para aumentar em até cinco vezes a produtividade do éster em comparação à reação na ausência de água. Uma conversão de aproximadamente 70% foi alcançada à baixa temperatura (35ºC) e curto período de tempo (30 min). Esses resultados representam um avanço nesta área do ponto de vista industrial, onde a produtividade é um parâmetro relevante para processos em larga escala. Por fim, a lipase do pâncreas de porco (LPP) imobilizada em OS foi empregada na síntese de oleato de xilose e caprilato de xilose, devido ao seu menor custo dentre as lipases disponíveis comercialmente. Os resultados foram expressivos, obtendo-se uma conversão de aproximadamente 70% após 2 h de reação à 60ºC. De modo geral, esse trabalho mostrou que a modificação química da superfície da sílica com diferentes grupos ativos permitiu a preparação de biocatalisadores com diferentes microambientes, exercendo papel importante na atividade e estabilidade das lipases imobilizadas. Além disso, os biocatalisadores preparados neste trabalho apresentaram excelente desempenho e estabilidade operacional em reações de síntese de ésteres de açúcares, mostrando ter potencial para aplicação industrial.

Les systèmes naturels ont montré l'intérêt de la multiplication des interactions pour une cible, permettant d'améliorer l'affinité et de moduler la spécificité de reconnaissance. Il est ainsi important pour des applications biologiques de concevoir des systèmes multivalents et biocompatibles. Le travail entreprit au cours de ce doctorat porte sur le développement de nouvelles méthodologies pour accéder à des systèmes multivalents originaux.Ainsi, nous avons conçu, par synthèse multi-étapes, une nouvelle plate-forme fonctionnalisée, basée sur un châssis α-PNA pour la reconnaissance multivalente d'oligonucléotides. Ce nouveau système peut potentiellement être impliqué dans la reconnaissance sélective multipoint d'ADN.En parallèle, nous avons préparé des clusters multivalents d'iminosucres sur des châssis peptidiques, construits à partir de ligations click sans métaux, pour l'inhibition enzymatique de glycosidases. En effet, des systèmes multivalents ont été récemment développés en tant qu'inhibiteurs de glycosidases. Cependant, leur méthodologie de synthèse repose quasiment exclusivement sur la ligation azoture-alcyne catalysée au cuivre, ce qui limite son application biologique en raison de sa toxicité. Nos travaux ont ainsi conduit à l'identification d'inhibiteurs efficaces d'α-mannosidases par une approche synthétique sans métaux.Dans le contexte de la vectorisation d'oligonucléotides, il existe un besoin de concevoir des systèmes dynamiques qui permettent un relargage contrôlé. Nous avons appliqué une stratégie d'auto-assemblage, par ligation click de type acylhydrazone, pour la génération in situ de clusters biomoléculaires à partir de châssis peptidiques et de ligands d'acides aminés modifiés. Etant donné le caractère dynamique de la ligation qui confère une adaptabilité au système, nous avons démontré que a) la présence d'une cible permet d'assister la formation des clusters par sélection de certains composants et b) l'ADN peut être relargué par échange de ligands. Cette technique efficace et rapide d'auto-assemblage de fragments a ensuite permis de réaliser un criblage pour sonder l'effet de l'architecture et de la valence sur la complexation. Ce projet a finalement conduit à l'identification de vecteurs efficace pour la transfection de siARN sur cellules.Enfin, dans un dernier projet, nous avons exploité diverses techniques orthogonales et chimiosélectives de ligations click dans le but de générer des nanostructures peptidiques. Deux cages ont ainsi été obtenues par la formation de ligations acylhydrazones et thiol-maléimides selon une approche one-pot.En résumé, ces travaux d'ingénierie et d'auto-assemblage de systèmes biomoléculaires multivalent ont permis le développement de méthodes innovantes pour répondre à des besoins d'actualité et permettre la construction de systèmes multivalents destinés à la reconnaissance d'oligonucléotides, la vectorisation et l'inhibition enzymatique. / Natural systems are inspiring in showing that the combination of multiple interactions enables improvement in binding affinity and selectivity for a target. Thus, the design of synthetic and biocompatible multivalent systems is of great importance for biological applications. The work described in this PhD thesis aims at developing novel methodologies for generating functional multivalent systems.In order to engineer multivalent systems for the recognition of oligonucleotides, we elaborated a multi-step synthesis of functionalized α-PNA scaffolds bearing side-groups. This new scaffold can potentially serve for the multi-point sequence-selective recognition of DNA.Multivalent nanoconstructs are emerging tools for enzyme inhibition. In this context, we prepared multivalent clusters of iminosugars – by metal-free click ligations on peptide scaffolds – as candidates for glycosidases inhibition. Although such enzyme inhibitors based on iminosugar clusters were recently reported, their synthesis relies almost exclusively on copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition, which notorious toxicity represents a serious limitation for biological applications. Our approach demonstrates that iminosugar clusters can be prepared in a metal-free fashion and exhibit strong multivalent effects for the inhibition of α-mannosidases. Multivalent biomolecular systems are also candidates for gene delivery application. In this context, the design of dynamic systems is of interest for achieving controlled release. We implemented a self-assembly strategy, using the acylhydrazone click ligation, for the in situ generation of biomolecular clusters starting from peptide scaffolds and modified amino acids building blocks. We showed that, whereas both compounds are ineffective for DNA complexation, the mixed system spontaneously expresses cationic clusters that effectively complex DNA. We further demonstrated that, given the dynamic character of the acylhydrazone ligation, the system is able to a) adapt to the presence of the DNA target by selecting the optimal building blocks for the cluster self-assembly, and b) trigger DNA release by component exchange. This modular and versatile self-assembly approach was further exploited to perform a fragments screening varying molecular structure and valency. Thereby, we identified new and effective vectors for the transfection of siRNA in living cells.The last project described in this manuscript deals with the generation of cage-type peptide nanoconstructs by using a set of orthogonal and chemoselective click ligations. Two cages, based on acylhydrazone ligation on one side and thiol-maleimide on the other, were obtained successfully in one-pot.In summary, this work has led to the development of novel methodologies for the engineering and self-assembly of multivalent biomolecular nanoconstructs for diverse biological applications such as oligonucleotide recognition, delivery and enzyme inhibition.

Graphene-based hybrid materials and transition metal complexes play an important role in the science of materials and catalysis, as well as in other technological fields, as highlighted in the literature. In this doctoral thesis new hybrid nanomaterials based on different transition metal complexes (mono- and multimetallic) anchored on the surface of graphene oxide or graphene oxide modified with organic groups have been developed. This doctoral memory constitutes a "classic" work from the point of view of content structure, which are distributed over seven chapters. In the first chapter, the general considerations and applications of graphene and associated hybrid materials are presented together with a classification of strategies of synthesis and chemical structure of graphene oxides under study. Next, the second chapter addresses the objectives of this research work focused on the study of hybrid nanomaterials based on transition metals and graphene. The third and fourth chapter focuses on the synthesis of delaminated graphene oxide by modifying the conventional Hummers method, which provides the laminar support on which donor oxygen and nitrogen groups are covalently anchored. These groups allow the coordinating or axial immobilization of a chiral Mn (III) -salen complex, to provide hybrid nanocatalysts directed to the enantioselective epoxidation of prochiral alkenes. In the fifth chapter of this specification, the chemical modification of graphene oxide is described by amidation and acylation reactions of the carboxylic groups and by the covalent anchoring of a ruthenium (II) organometallic complex. Hybrid nanomaterials are studied in the catalytic racemization of (S) -1-phenylethanol, and the multifunctional enzyme catalyst (CALB)-Ru-OG in the kinetic resolution of 1- phenylethanol. The sixth chapter focuses on the coordinating immobilization of hexanuclear molybdenum (II) nanoclusters with halogens in graphene oxide to provide nanohybrids that have been investigated in the field of photocatalysis and whose activity has been compared with that obtained under homogeneous conditions. Specifically, photoreduction of H2O to H2 and photooxidation of certain organic substrates has been approached, taking advantage of the photoluminescent properties of the molybdenum (II) clusters and the electronic properties of the graphite materials. The characterization of the molecular complexes and nanomaterials synthesized throughout chapters 3-6 of the present thesis is carried out using chemical and structural analysis techniques and spectroscopic, chromatographic, surface and image techniques. The last chapter, and not the least important, highlights the conclusions obtained in this research. / Los materiales híbridos basados en grafeno y complejos de metales de transición juegan un papel importante en la ciencia de materiales y catálisis, así como en otros campos tecnológicos, según se destaca en la literatura. En esta tesis doctoral se han desarrollado nuevos nanomateriales híbridos basados en complejos metálicos de transición de diferente índole (mono- y multimetálicos) anclados en la superficie del óxido de grafeno u óxido de grafeno modificado con grupos orgánicos. Esta memoria doctoral constituye un trabajo "clásico" desde el punto de vista de estructura de contenidos, los cuales se distribuyen a lo largo de siete capítulos. En el primer capítulo, se exponen las consideraciones generales y aplicaciones de los grafenos y de los materiales híbridos asociados, junto con una clasificación de estrategias de síntesis y estructura química de los óxidos de grafeno objeto de estudio. A continuación, el capítulo segundo aborda los objetivos del presente trabajo de investigación centrados en el estudio de nanomateriales híbridos basados en metales de transición y grafenos. El tercer y cuarto capítulo se centran en la síntesis de óxido de grafeno deslaminado modificando el método de Hummers convencional, que proporciona el soporte laminar sobre el que se anclan covalentemente grupos oxígeno y nitrógeno dadores. Estos grupos permiten la inmovilización coordinativa o axial de un complejo de Mn (III)-salen quiral, para proporcionar nanocatalizadores híbridos dirigidos a la epoxidación enantioselectiva de alquenos proquirales. En el quinto capítulo de esta memoria, se describe la modificación química del óxido de grafeno mediante reacciones de amidación y de acilación de los grupos carboxílicos, y mediante el anclaje covalente de un complejo organometálico de rutenio (II). Los nanomateriales híbridos se estudian en la racemización catalítica del (S)-1-feniletanol, y el catalizador multifuncional enzima (CALB)-Ru-OG en la resolución cinética del 1-feniletanol. El sexto capítulo, se centra en la inmovilización coordinativa de nanoclústeres hexanucleares de haluros de molibdeno (II) en óxido de grafeno, para proporcionar nanohíbridos que se han investigado en el campo de la fotocatálisis y cuya actividad se ha comparado con la obtenida en condiciones homogéneas. Concretamente, se ha abordado la fotorreducción de H2O a H2 y la fotooxidación de determinados sustratos orgánicos, aprovechando las propiedades fotoluminiscentes de los clústeres de molibdeno (II) y las propiedades electrónicas de los materiales grafénicos. La caracterización de los complejos moleculares y de los nanomateriales sintetizados a lo largo de los capítulos 3-6 de la presente tesis se lleva a cabo, mediante técnicas de análisis químico y estructural, espectroscópicas, cromatográficas, de superficie y de imagen El último capítulo y no por ello el menos importante, destaca las conclusiones obtenidas en este trabajo de investigación. / Els materials híbrids basats en grafè i complexos de metalls de transició juguen un paper important en la ciència de materials i catàlisi, així com en altres camps tecnològics, segons es destaca en la literatura. En aquesta tesi doctoral s'han desenvolupat nous nanomaterials híbrids basats en complexos metàl·lics de transició de diferent índole (mono- i multimetálicos) ancorats en la superfície de l'òxid de grafè o òxid de grafè modificat amb grups orgànics. Aquesta memòria doctoral constitueix un treball "clàssic" des del punt de vista d'estructura de continguts, els quals es distribueixen al llarg de set capítols. En el primer capítol, s'exposen les consideracions generals i aplicacions dels grafenos i dels materials híbrids associats, juntament amb una classificació d'estratègies de síntesi i estructura química dels òxids de grafè objecte d'estudi. A continuació, el capítol segon aborda els objectius del present treball d'investigació centrats en l'estudi de nanomaterials híbrids basats en metalls de transició i grafenos. El tercer i quart capítol se centren en la síntesi d'òxid de grafè deslaminat modificant el mètode de Hummers convencional, que proporciona el suport laminar sobre el qual s'ancoren covalentment grups oxigen i nitrogen donadors. Aquests grups permeten la immobilització coordinativa o axial d'un complex de Mn (III) -salen quiral, per proporcionar nanocatalitzadors híbrids dirigits a l'epoxidació enantioselectiva d'alquens proquirals. En el cinquè capítol d'aquesta memòria, es descriu la modificació química de l'òxid de grafè mitjançant reaccions de amidació i de acilació dels grups carboxílics, i mitjançant l'ancoratge covalent d'un complex organometàl·lic de ruteni (II). Els nanomaterials híbrids s'estudien a la racemització catalítica del (S) -1-feniletanol, i el catalitzador multifuncional enzim (CALB)-Ru-OG en la resolució cinètica de l'1-feniletanol. El sisè capítol, es centra en la immobilització coordinativa de nanoclústeres hexanuclears de molibdè (II) amb halògens en òxid de grafè, per proporcionar nanohíbrids que s'han investigat en el camp de la fotocatàlisi i l'activitat s'ha comparat amb l'obtinguda en condicions homogènies. Concretament, s'ha abordat la fotoreducció d'H2O a H2 i la fotooxidació de determinats substrats orgànics, aprofitant les propietats fotoluminiscents dels clústers de molibdè (II) i les propietats electròniques dels materials grafénics. La caracterització dels complexos moleculars i dels nanomaterials sintetitzats al llarg dels capítols 3-6 de la present tesi es du a terme, mitjançant tècniques d'anàlisi química i estructural, espectroscòpiques, cromatogràfiques, de superfície i d'imatge. L'últim capítol i no per això menys important, destaca les conclusions obtingudes en aquest treball de recerca. / Puche Panadero, M. (2017). Nanomateriales híbridos basados en complejos de metales de transición anclados sobre óxido de grafeno. Aplicaciones catalíticas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86211

Suite à la première thèse sur le greffage et l’adsorption physique successives de sélecteurs chiraux dans des tubes ouverts en électrochromatographie capillaire (ECC ou CEC) chirale, menée par le Dr Guillaume Pédéhontaa-Hiaa au sein de l’équipe du laboratoire COBRA (IUT d’Evreux), nous avons développé des phases stationnaires chirales covalentes (CSPs) à base de cyclodextrines (CDs) en tubes ouverts et des CSPs sur supports monolithiques pour l’emploi en CEC. Nous avons ainsi évalué les paramètres électrochromatographiques et la stabilité de ces CSPs en séparant une variété de racémiques neutres et chargés. L’influence de la température d’analyse, le potentiel appliqué ainsi que la nature et le pH des électrolytes sur la qualité des électrochromatogrammes ont été étudié en CEC chirale. Cette étude se divise en deux grandes parties. La première concerne les CSPs élaborées sur colonnes à tubes ouverts pour l’OT-CEC. Il s’agit initialement de graver la surface interne d’un capillaire de silice de 50 μm de diamètre interne à l’aide d’une solution de bifluorure d’ammonium dans le but premier d’augmenter considérablement sa surface spécifique et d’immobiliser en surface une grande quantité de sélecteurs chiraux à base de β-CD. Nous avons alors décrit des greffages covalents de CDs anioniques (Scc-β-CD et CM-β-CD) et d’un polymère anionique de CDs (p-CM-β-CD-) en surface de capillaire de gel de silice gravée et modifiée chimiquement par l’aminopropyltriéthoxysilane (APTEOS). Les greffages des sélecteurs ont été reproduits dans les mêmes conditions que dans la thèse rapportée précédemment en électrophorèse. L’originalité de la construction de ces CSPs réside dans la rapidité et la simplicité du couplage dit péptidique à température ambiante, des sélecteurs carboxylés sur des colonnes préalablement gravées. Ce greffage nécessite des agents de couplage peptidique solubles dans l’eau tels que 1-Ethyl-3-(diméthylaminopropyl)carbodiimide (EDC) et le N-Hydroxysuccinimide (NHS). Il peut aussi être obtenu de manière moins efficace avec d’autres agents solubles en milieu organique tels que le O-(Benzotriazol-1-yl)-N,N,N’,N’-tétraméthyluronium tétrafluoroborate et la triéthylamine (TBTU/TEA). Chaque étape menant aux CSPs a été caractérisée par une étude de flux électroosmotique (FEO) en OT-CEC. Des analyses en AFM et en MEB nous renseignent d’avantage sur le succès du procédé « etching » de nos capillaires. La deuxième grande partie de cette étude traite de la synthèse in-situ de CSPs sur des colonnes de type polymères monolithes organiques et un monolithe hybride à base de sol gel. Des post modifications de surface de ces supports monolithiques nous ont permis d’immobiliser de façon covalente et non covalente des sélecteurs de β-CD en surface des volumes macroporeux. Deux collaborations ont vu le jour pour atteindre ces objectifs. La première eut lieu avec le Dr Thuy Tran et le Pr Myriam Taverna de la Faculté de Pharmacie de Chatenay Malabry (UMR 8612), durant laquelle nous avons reproduit une colonne monolithe organique de type méthacrylate, porteuse de groupements phosphate dans l’optique d’adsorber physiquement en surface le polymère cationique de CDs (p-CD+) que nous a transféré le Pr Benjamin Carbonnier et d’évaluer les capacités de discrimination chirale de cette nouvelle CSP en m-CEC. La seconde collaboration a eu lieu avec le Dr Mohamed Guerrouache et le Pr Benjamin Carbonnier au sein du laboratoire ICMPE de Thiais, où nous avons synthétisé des colonnes monolithiques organiques à base d’acrylates dans le but de greffer en surface de façon covalente et non covalente les CDs et polymères de CDs et d’évaluer ces nouvelles CSPs en m-CEC. La troisième phase stationnaire monolithique employée est celle décrite par le Dr Huihui Yang qui décrit un monolithe hybride porteur de groupements sulfonates nous permettant par la suite d’immobiliser électrostatiquement le p-CD+ sur le réseau poreux et d’évaluer cette nouvelle CSP en m-CEC. / New chiral stationary phases have been prepared for Open Tubular and monolithic columns used in electrochromatography capillary. In order to separate racemic mixtures such as flavonoïd, Hidantoïn derivatives, Binaphtalene-2, 2-hydrogenophosphate and others chiral solutes, we use the β-cyclodextrin forms as chiral selector. Besides, β-cyclodextrin seems to be the most efficient chiral selector in chromatography since it is able to complex and dissolve optical organic isomers in an aqueous media, this chiral selector is able to dissolve even lipophilic molecule with high weight. The complexation is based on interactions with β-cyclodextrin. This study aims to elaborate new chiral stationary phase for CEC using β-cyclodextrin polymers and β-cyclodextrin derivatives. Two approaches were used: Firstly, covalent stationary phases coating with carboxymethyl-β-cyclodextrin polymers and oligomers containing carboxyl’s group had been experimented for open tubular and monolithic column in CEC. Then a non-covalent coating cationic polymer of β-cyclodextrin’s derivatives was immobilized (polytrimethyl ammonium β-CD) on continuous organic monoliths bearing anionic’s group. Prior to the covalent coating of the CD’s chiral selector for OT-CEC and m-CEC, we needed to modify the silicate surface and the monolithic surface with a primary amine silicate1,2 (aminopropyltriethoxysilane) and EDA, an amino-organic moiety (Ethylene diamine). The stability of the bonded organic moiety (APTEOS, EDA) were studied by CEC at different pH with constant ionic strength’s buffer. In this way, graft of carboxymethyl-β-cyclodextrin polymer on silica inner surface modified by APTEOS and on NAS-co-EDMA surface modified by EDA succeeded in activating and covalently coupling reagent as EDC and NHS (1-ethyl-3(-3-dimethtylaminopropyl) carbodiimide and N-hydroxysuccinimide, respectively3) with carboxymethyl’s group of carboxymethyl-β-cyclodextrin . The resultant stationary phase lead to stable chiral stationary phases, easier to prepare starting by coupling the selector to the amine’s group using EDC and NHS. In order to optimize enantio-separations by increasing the specific surface of open tubular columns, we reproduce the etching process to bared capillaries with ammonium bifluoride solution, referred to Pesek’s process4. By this mean, we increase dramatically the specific surface of bared capillaries before anchoring CDs polymers to silicate surfaces modified by APTEOS. Finally due to etching process, we obtain a covalent bonded Chiral Stationary Phase (CSP) which led to more efficient and resolvent enantio-separations by CEC. To describe, in another way, the non-covalent coating of CSP, we immobilised a cationic polymer (polytrimethyl ammonium β-CD+) on two kind of continuous organic and silica hybrid monoliths bearing sulfonate5 and phosphate’s groups. Based on precedent results for OT-CEC enantio-separation with LbL stationary phase7, using successive layers charged polymers to separate racemic mixture in CEC, we decided to adsorb a polycationic polymer hydrosoluble onto the silica hybrid monolith column to form chiral stationary phase (CSP) polytrimethyl ammonium β-cyclodextrin. This way of modification for monolithic surface by chiral selectors is nowadays highly efficient and attractive for CEC. The effect of the matrix and the coating’s nature are discussed by comparing the chromatographic parameters.

Le sujet général de cette thèse est l’étude de la fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone (CNT) et son application en électronique. Premièrement, une introduction au sujet est présentée. Elle discute des propriétés des CNT, des différentes sortes de fonctionnalisation covalente ainsi que des principales techniques de caractérisation utilisées au cours de la thèse. Deuxièmement, les répercussions de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés des nanotubes de carbone monoparoi (SWNT) sont étudiées. Deux types de fonctionnalisation sont regardés, soit le greffage de groupements phényles et le greffage de groupements dichlorométhylènes. Une diminution de l’absorption optique des SWNT dans le domaine du visible-proche infrarouge est observée ainsi qu’une modification de leur spectre Raman. De plus, pour les dérivés phényles, une importante diminution de la conductance des nanotubes est enregistrée. Troisièmement, la réversibilité de ces deux fonctionnalisations est examinée. Il est montré qu’un recuit permet de résorber les modifications structurales et retrouver, en majorité, les propriétés originales des SWNT. La température de défonctionnalisation varie selon le type de greffons, mais ne semble pas affectée par le diamètre des nanotubes (diamètre examinés : dérivés phényles, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dérivés dichlorométhylènes, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Quatrièmement, la polyvalence et la réversibilité de la fonctionnalisation covalente par des unités phényles sont exploitées afin de développer une méthode d’assemblage de réseaux de SWNT. Celle-ci, basée sur l’établissement de forces électrostatiques entre les greffons des SWNT et le substrat, est à la fois efficace et sélective quant à l’emplacement des SWNT sur le substrat. Son application à la fabrication de dispositifs électroniques est réalisée. Finalement, la fonctionnalisation covalente par des groupements phényles est appliquée aux nanotubes de carbone à double paroi (DWNT). Une étude spectroscopique montre que cette dernière s’effectue exclusivement sur la paroi externe. De plus, il est démontré que la signature électrique des DWNT avant et après la fonctionnalisation par des groupements phényles est caractéristique de l’agencement nanotube interne@ nanotube externe. / The general subject of this thesis is the covalent functionalization of carbon nanotubes and its applications in electronics. First, the properties of the carbon nanotubes, their functionalization, and the principal techniques used to characterize them are presented. Second, the repercussions of the grafting of phenyl addends and dichloromethylene addends on the properties of single-wall carbon nanotubes (SWNT) are investigated. A decrease of light absorption and a modification of the Raman spectra of the nanotubes are observed as well as, for the phenyl derivatives, an important loss of their electrical conductivity. Third, the reversibility of the functionalization is examined. The study shows that the addends are detached from the sidewall upon annealing, leading to the reconstruction of the graphene structure. Most of the original properties of the SWNT are then recovered. In addition, it is observed that the temperature of defunctionalization depends on the nature of the addends, but it is not influenced by the diameter of the SWNT (Range studied: phenyl derivatives, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dichlorométhylènes derivatives, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Fourth, a new method to reliably self-assemble networks of dense SWNT onto patterned substrates is presented. The method is based on covalent functionalization and electrostatic interactions. Its suitability for making electronic devices is demonstrated. Last, this thesis investigated the covalent functionalization of double-wall carbon nanotubes (DWNT). A spectroscopic study revealed that the grafting of the phenyl addends occurs exclusively on the outer wall. Furthermore, the identification of the metallic or semiconductor character of each wall of the DWNT is realized using electrical measurements taken before and after the functionalization.

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche. / Carbon nanotubes and graphene are sp2 hybridized carbon nanostructures which electrical and optical properties raise considerable interest for the design of a new generation of electronic devices and optically active materials. However, many challenges remain before their implementation in industrial processes on a large scale. Materials chemistry, especially covalent functionalization, is a privileged avenue to resolve the difficulties related to the processing of these nanostructures. Covalent functionalization, however, disrupts the sp2 carbon nanostructures’ crystalline structure, and pertubs not only said electrical properties, but also the deriving optical properties. It is therefore essential to characterize the effects of defects and disorder in order to understand their consequences, but also to potentially exploit the benefits. This thesis deals with the optical properties in the infrared of carbon nanotubes and graphene, with the aim to understand and explain the fundamental mechanisms at the origin of the optical response in the infrared of sp2 carbon nanostructures. Subject to strict selection rules, infrared spectroscopy measures the high frequency AC conductivity of materials in an energy range corresponding to molecular vibrations, phonon modes and low energy electronic excitations. Our experimental method is therefore to explore a parameter space defined by the three axes that are i. the dimensionality of the material, ii. the chemical potential, and iii. the disorder level, which allows us to identify the various contributions to optical properties in the infrared of sp2 carbon nanostructures. At first, we focus on the infrared spectroscopy of single-walled carbon nanotubes as a function of doping and disorder level. We start by amending the commonly accepted origin of single-walled carbon nanotubes vibrational spectra. Using controlled chemical doping experiments, we show that the anomalies in the carbon nanotube spectra appear through electron-phonon interactions. The Fano resonance model provides a phenomenological explanation for the observations. Then, we establish the existence of localized states induced by covalent functionalization, which appear as a surface plasmon polariton resonance (nanoantenna) contributing to the terahertz conductivity peak. Control of the disorder level in carbon nanotube films allows us to observe the evolution of the nanoantenna resonance. We therefore conclude to an effective segmentation of the nanotubes by the grafts. Finally, we show that disorder activates phonon modes that are usually forbidden by infrared spectroscopy’s selection rules. Disorder-induced infrared activity originates from elastic collisions on defects that give access to phonon modes with non-zero wave vectors. In a second part, we focus on the properties of graphene. First, we demonstrate an electrografting method to rapidly functionalize graphene with high-density, regardless of the substrate. Subsequently, we use electrografting to show that disorder activates chemical potential dependent anomalies in the vibrational spectra of single-layer graphene. These anomalies are absent in the spectra of pristine samples. In order to explain this phenomenon, we present a theory based on the interaction of intraband optical transitions, phonon modes and elastic collisions. We conclude by studying the infrared spectra of graphene with bilayer islands, for which we propose to review the nature of the coupling mechanism in the light of our findings on single-layer graphene.

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation. / Graphene is a sp2 hybridized carbon nanostructure with incredible electronical and optical properties that make it interesting for various applications. Its large scale production is still a challenge and there is still some physical and chemical properties that need further studies to better exploit them. Covalent functionalization is a chemical reaction that can be used as a tool to study those properties because it breaks the sp2 crystalline structure, so it modulates the properties of graphene. There are not many studies of that reaction on graphene deposited on a surface because the chemical reactivity depends greatly on the chemical environment. That is why it is important to study the functionalization of graphene on surfaces to understand chemical reactivity and the modification of electronical and optical properties in order to potentially exploit the benefits. This master thesis is focusing on the chemical reactivity of graphene to covalent functionalization and the study of its optical properties. First, we grow graphene using the chemical vapour deposition method. After the growth of monolayer, we change the parameters and we observe the formation of bilayers if the carbonated gas is present during the cooling step of the growth. From that observation, we propose a kinetic model of bilayer growth. Then we proceed to a detailed study of monolayer and bilayer graphene functionalization. First, we demonstrate that there is a substrate effect that inhibits greatly the grafting of organic molecules on the graphene surface. However it is possible to overcome this substrate effect by different ways: 1) chemical doping of the graphene with reducing molecules can modify the electrochemical potential to enhance the reaction; 2) transferring graphene on a substrate that doesn’t affect the electronical properties of graphene; 3) the use of an electrografting method with an electrochemical cell can also modulate the potential so the efficiency of the reaction is enhanced. Also, we observe that the chemical reactivity of bilayer graphene is lower compared to the monolayer because of structural rigidity caused by interlayer interaction. Finally, we demonstrate that the infrared spectroscopy is a powerful tool to study the effect of functionalization and the effect of bilayers on the optical properties of graphene. We observe some bands in the region of the mid-IR, while the infrared selection rules don’t predict any. Also, the shape of those bands change greatly depending on the doping level when there is bilayers or when the graphene is functionalized.