La capacité à déterminer les structures moléculaires en trois dimensions à partir de monocristaux par des méthodes de diffraction a transformé la chimie des matériaux. Le problème de la détermination de structure est en grande partie non résolu, en particulier si le système étudié est situé à une surface et n'a pas de périodicité, comme dans la plupart des matériaux fonctionnels actuels. La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à l’état solide serait une méthode de choix pour caractériser les surfaces mais la limite de détection de la RMN est beaucoup trop faible pour permettre à la RMN de caractériser les surfaces. L’introduction récente d’une nouvelle approche utilisant la Polarisation Dynamique Nucléaire (DNP) pour améliorer la sensibilité de la RMN des surfaces (DNP SENS) permet à présent de réaliser des expériences qui étaient totalement impossible il y a quelques années encore. Plus particulièrement, grâce à la méthode DNP SENS, les présents travaux de thèse aboutissent à la première structure tridimensionnelle d’un complexe organométallique supporté sur silice, avec une précision de 0,7 Å. De nombreux aspects de l’expérience DNP SENS ont été exploré. Le transport de de l’hyperpolarisation par diffusion de spin est primordial et un modèle numérique dans les matériaux mésoporeux a été développé. De plus, une nouvelle matrice aqueuse se basant sur des gels polyacrylamides a été mise au point et utilisée pour la caractérisation par RMN de nanoparticules permettant ainsi d’étendre les domaines d’application de DNP SENS. Enfin les premières expériences RMN DNP combinant hauts champs magnétiques et haute fréquence de rotation d’échantillon sont présentées. / The ability to understand the properties of chemical systems relies on their detailed description at the molecular level. Over the last century, several methods based on X-ray diffraction have allowed a structure-based understanding of many materials. However, several key questions often remain unanswered. In particular when the system under investigation is located on a surface. Although an extensive range of surface-sensitive methods are available for surface science and give valuable information, they only lead to a partial understanding of surfaces at the molecular level. Moreover, these methods are not compatible with all kinds of materials and usually require the use of a model and pristine surface. Solid-State NMR would be a method of choice to characterize surfaces. However, the approach suffers from its intrinsically low sensitivity and this is strongly emphasize in the case of surfaces where the atoms of interest are diluted in the matrix. Dynamic Nuclear Polarization (DNP) applied to surfaces (SENS) recently emerged as a very promising method to characterize surface sites. It offers a dramatic enhancement of NMR sensitivity and DNP applied to materials has led to many examples in the last ten years. In the present thesis, I have shown that DNP SENS, in combination with EXAFS, allowed the detailed 3D structure determination of the silica-supported organometallic complex determined with a precision of 0.7 angstroms. In parallel, some experimental aspect of DNP SENS have been explored. A spin diffusion has been developed to understand diffusion of hyperpolarization in porous media. A new aqueous DNP matrix, coined DNP Jelly, has been developed to characterize nanoparticles and thus expanding experimental range of DNP SENS. Finally, the first experiment of DNP NMR at fast magic angle spinning (up to 40 kHz) and high field are reported.

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale / The aim of this thesis work was to design, build and optimize a large volume multisamples DNP (Dynamic Nuclear Polarization) polarizer dedicated to Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging applications. The experimental system is made up of a high magnetic field magnet (3,35T) in which takes place a cryogenic system with a pumped bath of liquid helium (4He) allowing temperatures lower than 1,2K. A set of inserts is used for the different steps of DNP : irradiation of the sample by a microwave field (f=94GHz and P=50mW), polarization measurement by Nuclear Magnetic Resonance. . . With this system, up to three samples of 1mL volume can be polarized to a rate of few percents. The system has a long autonomy of four hours, so it can be used for polarizing molecules with a long time constant of polarization. Finally, the possibility to get quasisimultaneously, after dissolution, several samples with a high rate of polarization opens the way of new applications in biomedical imaging

La mesure de couplage dipolaire permet d’accéder à la structure tridimensionnelle d’un composé solide. Cependant, en présence d’une forte densité de spins couplés, le phénomène de troncature dipolaire rend difficile l’obtention de ces informations par RMN du solide. Ce problème peut être affranchi par l’étude de spins rares en abondance naturelle. En effet, avec une abondance naturelle de 1.1 %, la probabilité que trois 13C soient couplés, et avec elle la troncature dipolaire, devient négligeable. Une méthodologie basée sur la séquence de recouplage dipolaire POST-C7 permet d’accéder à des informations structurales d’échantillons en abondance naturelle sensibles à la fois à la conformation moléculaire et à l’empilement cristallin par mesure de couplages dipolaires 13C-13C. La sensibilité de détection des signaux RMN 13C est augmentée à l’aide la polarisation dynamique nucléaire ce qui permet de réduire considérablement les temps d’expériences. De plus, la séquence de recouplage R20_9_2 aidée de supercycles s’est montrée être plus robustes que POST-C7 face à de fortes anisotropies de déplacement chimique ou de forts couplages hétéronucléaires 1H-13C. La seconde problématique abordée concerne l’attribution de signaux 13C. En effet, il existe seulement quelques exemples de détermination de connectivités 13C -13C en abondance naturelle. Nous montrons ici que des spectres de corrélations dipolaires 13C-13C peuvent être obtenus en quelques jours à l’aide de la séquence de recouplage R20_9_2. Contrairement aux méthodologies basées sur le couplage J, notre séquence requiert un temps d’excitation DQ plus court ce qui la rend adaptée à l’étude de solides désordonnés. / Measurment of dipolar coupling provides 3D structural information of powder samples. However, in practice, the high density of spins in organic compounds prevents the measurements of long-range dipolar couplings in solid-state NMR by the so-called dipolar truncation effect. The study of rare spins on natural abundance allows to overcome this problem. In fact, with a natural abundance of 1.1 %, the probability for three 13C to be coupled is negligible. We developed a methodology based either on the dipolar recoupling NMR pulse sequence POST-C7 or on the dramatic increase in sensitivity provided by dynamic nuclear polarization. We demonstrated that its methodology provides a measure of 13C-13C dipolar couplings in natural abundance powder samples and that the so-obtained distance information is sensitive to both molecular conformation and crystal packing of powder samples. Moreover, we show that the recoupling pulse sequence R20_9_2 is more robust to strong chemical shift anisotropy and also to strong 1H-13C heteronuclear dipolar couplings than POST-C7. The second challenge involves 13C signal assignment for natural abundance. In fact, there are only a few examples of 13C-13C correlation spectra obtained for natural abundance samples. Here, we show that 13C-13C correlation spectra sequence based on the reintroduction of 13C−13C dipolar couplings can be obtained with standard MAS probe and within few days using R20_9_2 pulse sequence. Contrary to pulse sequences based on 13C-13C J coupling, our pulse sequence requires shorter DQ excitation time and hence, is more suitable for samples having short T2 relaxation times such as amorphous solids.