La protection de surfaces métalliques contre la corrosion, la lubrification entre pièces métalliques en contact tribologique, la bio-compatibilisation de métaux non nobles à des fins médicales, le collage entre surfaces métalliques, sont, pour ne citer que les plus importants, les débouchés multiples auxquels ont conduit depuis plusieurs années maintenant, les recherches développées dans le domaine de la science des surfaces et plus particulièrement, les études menées sur la compréhension des interactions entre molécules organiques et surfaces métalliques. Les travaux menés au Laboratoire de Chimie des Surfaces et des Interfaces s'inscrivent dans cette thématique. L'électrogreffage de monomères vinyliques en milieu organique contrôlé garantit une interface métal/polymère robuste, et offre une capacité de fonctionnalisation «à façon » du film de polymère greffé, servant en quelque sorte de « velcro moléculaire » multi-usages, ouvrant ainsi la porte à des transferts technologiques variés. Ces résultats sont le fruit de la jonction entre les compétences du chimiste de synthèse et du surfaciste et répondent à une demande technologique croissante : des surfaces aux propriétés pilotables. D'une façon plus générale, comprendre les mécanismes interfaciaux, c'est aussi être capable de caractériser, quasi à l'échelle moléculaire, les antagonistes réactionnels. C'est pourquoi différents travaux couplant réacteurs sous ultra-vide et analyses de surfaces, microscopies en champ proche ont été développés ou sont en cours de développement.

Avec une mortalité après pancréatectomie de l'ordre de 5 % et une morbidité aux alentours de 50 %, la chirurgie pancréatique est l'une des plus délicates des interventions digestives. L'une des complications les plus graves est l'apparition de fistules pancréatiques (FP), c'est-à-dire un défaut d'imperméabilisation au niveau des sutures, impliquant une fuite enzymatique dans le milieu péritonéal qui peut engager le pronostic vital du patient. A ce jour, aucun dispositif médical n'est indiqué dans la prévention de ces FPs. Ainsi, ce projet a pour ambition de concevoir et de valider un biomatériau constitué d'une matrice absorbante qui assurera la double fonction d'éponge et de réservoir d'agent antibactérien, sur laquelle un greffage chimique devrait conférer des propriétés bioadhésives thermorégulées. La première partie de ce travail est consacrée à l'optimisation de la matrice absorbante, à base d'alginate et de chitosane, déjà développée lors d'une précédente thèse. Trois types de procédés de séchages ont été comparés : le séchage par évaporation, la lyophilisation et le séchage en milieu CO2 supercritique. Ces différents procédés conduisent à des matériaux de structures internes et de porosités différentes. L'impact de ces différences de structure a été évalué en termes de capacité de gonflement dans différents milieux, dont un milieu pancréatique simulé, mais aussi en termes de résistance enzymatique et de libération de principe actif. En tenant compte des résultats obtenus, le séchage par évaporation a été identifié comme le plus approprié pour la suite de l'étude. Dans une deuxième partie, du poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) a été synthétisé par polymérisation contrôlée (RAFT) afin d'être greffé sur la matrice absorbante. Le PNIPAM est un polymère thermosensible dont les propriétés bioadhésives sont directement dépendantes de la température. Ce polymère est généralement bioadhésif au-dessus de sa " lower critical solution température " (LCST), située aux alentours de 32 °C. Dans cette étude la masse molaire et la densité de greffage du PNIPAM sont les deux principaux paramètres étudiés pour son greffage sur les matrices. Enfin, les propriétés de surface des matrices greffées ont été caractérisées. Les matériaux ont montré, in vitro, des propriétés bioadhésives thermosensibles, avec une bioadhésion cellulaire observée principalement au-delà de la LCST. Les essais ex vivo ont cependant montré une bioadhésion sur organe plus importante en dessous de celle-ci. Cette étude a permis de mettre au point des biomatériaux absorbants aux propriétés de surface thermorégulées. Une compréhension plus fine des relations propriétés de surface/propriétés d'usage permettrait d'optimiser les propriétés de bioadhésion thermorégulée. / Pancreatic surgery, which leads to 5 % of mortality and around 50 % of morbidity, is one of the most critical digestive operations. The most serious complication is the appearance of pancreatic fistulas (PFs), i.e. enzymatic leaks from the surgical sutures to the peritoneal environment that can lead to the life threatening of the patient. To date, no medical device is indicated for the prevention of these FPs. The aim of this project is to design and validate a biomaterial constituted of a matrix that will ensure the dual function of absorbent and antibacterial agent reservoir, on which a chemical grafting should confer thermoregulated bioadhesive properties. The first part of this work is devoted to the optimisation of the absorbent matrix, based on alginate and chitosan, already developed during a previous thesis. Three types of drying processes were compared: drying by evaporation, lyophilisation and drying in supercritical CO2 medium. These different processes led to materials with different internal structures and porosities. The impact of these structures was evaluated in terms of swelling capacity in various media, including a simulated pancreatic environment, but also in terms of enzymatic resistance and release of an active molecule. Taking into account the obtained results, drying by evaporation was identified as the most appropriate process. In a second part, poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) was synthesised by controlled polymerisation (RAFT) in order to be grafted onto the absorbent matrix surfaces. PNIPAM is a thermosensitive polymer with bioadhesive properties which depend on the temperature. This polymer is usually bioadhesive above its lower critical solution temperature (LCST), around 32 ° C. In this study, the molar mass and the grafting density of PNIPAM are the two main parameters studied for the surface modifications. Finally, the surface properties of the grafted matrices were characterised. In vitro, the materials showed thermosensitive bioadhesive properties, with a cellular bioadhesion mainly observed above the LCST. However, ex vivo tests exhibited higher bioadhesion on porcine organs at lower temperatures. This study led to the development of absorbent biomaterials with thermoregulated surface properties. Further understanding of the relationship between surface properties and in vivo bioadhesion would allow the optimisation of the thermoregulated surface properties.

Macromolecular engineering is one of the most powerful tools to control the molecular parameters, including architecture of polymers, and to improve their performances or to impart them new properties. This contribution aims at reporting on a novel strategy for the macromolecular engineering of poly-ε-caprolactone (PCL) which is based on the use of functional ε-caprolactone, the α-chloro-ε-caprolactone (αClεCL). Indeed, αClεCL is a precursor of polymers and copolymers with εCL that bear pendant activated chlorides well suited to grafting from reaction. These (co)polyesters have been used as macroinitiators for the Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) of methyl methacrylate leading to the corresponding graft copolymer. They have also been involved in an Atom Transfer Radical Addition (ATRA) reaction with a series of olefins bearing different functional groups (hydroxyl, carboxylic acid and epoxy group) in order to functionalize the polyester backbone without deleterious degradation. ATRA of PEO chains with an unsaturation end groups has also been carried out in order to prepare PCL-g-PEO of different compositions to be used as stabilizers of polyester nanoparticles. Combination of ring-opening polymerization of ε-caprolactone and the copper-catalyzed Huisgens [3+2] cycloaddition is a novel strategy for going a step further in the macromolecular engineering of poly-ε-caprolactone (PCL). This click reaction is very well-suited to the chemical modification of aliphatic polyesters because, its implementation under very mild conditions prevents chain degradation from occurring. Indeed, alkynes were cycloadded onto azide containing PCL at low temperature (35°C) in an organic solvent (DMF or THF). Originally, α-chloro-ε-caprolactone and ε-caprolactone were randomly copolymerized in toluene at room temperature followed by reaction of the activated chlorides with sodium azide. In order to make a wide range of functional aliphatic polyesters available, poly(α-azide-ε-caprolactone-co-ε-caprolactone) copolyesters were reacted with a series of alkynes substituted by a functional group, e.g., hydroxyl, acrylate and quaternary ammonium salts, This strategy turned out to be efficient to synthesize for instance hydrophilic, photo-cross-linkable and hydrosoluble PCL. Moreover, a variety of graft copolymers were prepared by both the grafting from and the grafting onto techniques. Indeed, an ATRP initiator was attached onto PCL followed by polymerization of vinyl monomers, whereas alkyne endcapped PEO was cycloadded onto azide-containing PCL with formation of amphiphilic PCL-g-PEO copolymers. Last but not least, the click chemistry was very instrumental in imparting an antimicrobial activity to PCL or for the preparation of new functionalized caprolactones.

La thèse commence le 1er octobre 2012. IL s'agit pour cette première année de thèse de synthétiser différents complexes de coordination a base du Ruthénium, Fer, Manganèse et de Cobalt à ligands polypyridinique. Ces complexes seront ensuite assemblés par lien covalent. Nous proposons d'utiliser entre autre les techniques d'electrochimie pour induire ces couplages. On cherchera aussi a immobiliser les assemblages sur surface. La principale difficulté attendue dans cette etape du travail concerne la fonctionalisation dissymétrique des ligands pour l'obtention de triade. / This thesis deals with the synthesis and characterization of inorganic triads for photoinduced charge separation. A range of photosensitizers will be studied, and the effect of the donor and acceptor will be assesed as well. These systems will be studied in solution and immobalized on surfaces. Cette thèse traite de la synthèse et la caractérisation des triades inorganiques pour la séparation de charge photoinduite. Une gamme de photosensibilisateurs seront étudiées, et l'effet du donneur et accepteur sera ainsi étudié. Ces systèmes seront étudiés en solution et immobalizes sur les surfaces.

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre. / The subject of this master’s thesis is the ab initio study of carbon nanotubes. First, an introduction to the subject is presented. It covers the history, the geometric and electronic structure and potential applications of carbon nanotubes. Second, the energy stability of double-walled carbon nanotubes and their electronic structure are studied. It is found that the change of hybridization causes a lowering in the energy of the highest occupied molecular orbital’s level for small nanotubes. Thirdly, a study of the diameter and metallicity dependence for the bromophenyl bonding energy on the carbon nanotubes is presented. The main conclusion is that it is easier to functionalize the nanotubes of small diameter since they already have some sp3 hybridization in their electronic structure. Finally, the last chapter discusses the burning of carbon nanotubes with carbon dioxide. It is found that combustion can not begin on a pristine surface or by a oxygen bridge due to the large amount of energy required. The favored reaction is then burning the ends of nanotubes. We suggest a path of reaction for which a diameter selectivity is apparent.

La formation de biofilms bactériens pathogènes est un problème important, particulièrement dans les secteurs médicaux et agro-alimentaires. La formation contrôlée de biofilms de la bactérie probiotique Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) est sélectionnée ici comme méthode potentielle pour prévenir la contamination de surfaces par des bactéries pathogènes. Nous avons étudié le développement de biofilms de LGG ainsi que leur possible contrôle en combinant des approches physico-chimiques et de fonctionnalisation de surface. L’impact des conditions environnementales sur la cinétique de croissance des biofilms et sur leur composition biochimique a été analysé par des mesures in situ et en temps réel par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier en réflexion totale atténuée (ATR-FTIR) sous conditions de flux. Ces données ont été complétées par des images de microscopie en épifluorescence permettant d’obtenir des informations sur la distribution et la forme des cellules bactériennes sur la surface à des étapes clé du développement du biofilm. Compatible avec les mesures ATR-FTIR, un cristal de séléniure de zinc a été choisi comme substrat, nu ou fonctionnalisé avec des monocouches auto-assemblées d’alcane-thiols (SAMs). Différents groupes fonctionnels ont été étudiés : méthyl (-CH3), hydroxyle (-OH) ou amine (-NH2) pour obtenir respectivement des substrats hydrophobe, hydrophile ou chargé positivement. La cinétique d’auto-assemblage des SAMs, leur organisation et l’énergie de surface ont été étudiées en combinant ATR-FTIR, spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford à hautes énergies et mesures d’angles de contact. L’analyse des spectres ATR-FTIR des biofilms de LGG enregistrés in situ et en temps réel pendant 24 heures a montré un rôle important du milieu nutritif sur la composition biochimique et le métabolisme bactériens. Les propriétés du substrat ont un impact faible sur la composition biochimique des biofilms, mais ont un rôle crucial sur leur force d’attachement à la surface. Ce travail pluridisciplinaire a fourni des informations sur l’influence de l’environnement, et particulièrement des caractéristiques du support, sur les propriétés des biofilms aux échelles moléculaire et cellulaire. La méthodologie développée dans ce travail peut notamment être utilisée dans la recherche des conditions les plus favorables à la croissance des biofilms de bactéries probiotiques. / Biofilm formation by pathogenic bacteria brings concerns, particularly in food and medical sectors, and is associated with high sanitary risks and economic losses. Biofilms of probiotic bacteria can potentially be used to prevent the surface contamination by pathogenic species. This work was focused on the investigation of the development of biofilms of probiotic Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) and the possible control of their formation by combining surface functionalisation and physico-chemical approaches. The effect of different environmental conditions on the kinetics of the biofilm growth and on its biochemical composition was analysed by in situ and real time measurements with infrared spectroscopy in attenuated total reflection mode (ATR-FTIR) under flow conditions. These data were complemented by epifluorescence images providing information on the surface distribution and the shape of the bacterial cells at specific stages of the biofilm development. Compatible with ATR-FTIR measurements, a zinc selenide (ZnSe) crystal was chosen as a substrate, bare or functionalised with self-assembled monolayers (SAMs). SAMs were formed from alkanethiols terminated by methyl (-CH3), hydroxyl (-OH) or amine (-NH2) groups to obtain hydrophobic, hydrophilic and positively charged substrates, respectively. The kinetics of self-assembly of the alkanethiols onto ZnSe, the organisation of the molecules, their areal density and the surface energy of thus obtained surfaces were studied preliminarily to the biofilm cultivation by means of ATR-FTIR spectroscopy, high energy Rutherford backscattering spectrometry, and contact angle measurements. The analysis of the ATR-FTIR spectra of LGG biofilms recorded in situ and in real time during 24 hours revealed an important role of the nutritive medium in the biosynthesis of nucleic acids, phospholipids, polysaccharides and lactic acid. Substrate properties had low impact on the biochemical composition of LGG biofilms, but had a critical role in the strength of attachment of cultivated biofilms. The findings of this multidisciplinary work provide a fundamental understanding of how the direct environment, including a support surface, influences the properties of bacterial biofilms at the molecular and cellular scales, based on which favourable conditions for the enhancement of probiotic biofilm growth and its mechanical stability can be chosen.

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre. / The subject of this master’s thesis is the ab initio study of carbon nanotubes. First, an introduction to the subject is presented. It covers the history, the geometric and electronic structure and potential applications of carbon nanotubes. Second, the energy stability of double-walled carbon nanotubes and their electronic structure are studied. It is found that the change of hybridization causes a lowering in the energy of the highest occupied molecular orbital’s level for small nanotubes. Thirdly, a study of the diameter and metallicity dependence for the bromophenyl bonding energy on the carbon nanotubes is presented. The main conclusion is that it is easier to functionalize the nanotubes of small diameter since they already have some sp3 hybridization in their electronic structure. Finally, the last chapter discusses the burning of carbon nanotubes with carbon dioxide. It is found that combustion can not begin on a pristine surface or by a oxygen bridge due to the large amount of energy required. The favored reaction is then burning the ends of nanotubes. We suggest a path of reaction for which a diameter selectivity is apparent.

La fonctionnalisation directe de liaisons C-H offre une alternative plus économe en atomes et étapes que les traditionnelles méthodes de synthèse basées sur la transformation de molécules pré fonctionnalisées. Ainsi, les réactions d'amination intermoléculaire de liaisons C(sp3)-H avec des nitrènoïdes sont généralement effectuées avec des rendements et des régiosélectivités modérés et utilisent pour cela des catalyseurs coûteux. Dans ce contexte, nous avons créé de nouveaux systèmes bifonctionnels pour la formation de liaisons C-N aliphatiques catalysée par le cuivre et l'argent. Ces systèmes se sont cependant avérés inefficaces dans les conditions réactionnelles utilisées.Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse se sont également concentrés sur la fonctionnalisation nucléophile d'anilides par oxydation à l'iode hypervalent. Grâce à cette méthodologie les triflation et triflimidation directes d'acétanilides ont été accomplies dans des conditions oxydantes douces, en présence de triflate et de triflimidate d'argent, respectivement. Ces transformations procèdent avec de bons rendements et présentent une régiosélectivité parfaite pour la position para. / The direct functionalization of C-H bonds offers an attractive, atom- and step-economical alternative to traditional methods based on functional group transformations. Intermolecular C(sp3)-H amination reactions involving nitrene intermediates usually proceed with moderate yields and regioselectivities. In this context, new bifunctional compounds were developed and applied to copper and silver-catalyzed C-N bond-forming reactions. These systems, however, have been found to be ineffective under the reaction conditions.Our research has also focused on the iodine(III)-mediated nucleophilic functionalization of anilides. The direct triflation and triflimidation of acetanilides were accomplished with the use of affordable and easy-to-handle silver(I) triflate or triflimidate respectively, under mild oxidative conditions, exhibiting perfect regioselectivity for the para position. A complete optimization of the reaction conditions and an evaluation of the scope allowed us to prepare a variety of diversely substituted aryltriflates (and nonaflates) in synthetically useful yields.

Durant ma thèse, j’ai recherché des conditions pour l'activation / fonctionnalisation de liaisons C-H pour l’arylation d’hétérocycles viables pour l’industrie. Par rapport aux protocoles de couplage classiques tels que les réactions de Suzuki, Stille ou Negishi, la fonctionalisation de liaisons C-H fournit des procédures moins coûteuses et plus écologiques si elle tolère des groupements utiles en synthèse et si elle utilise des solvants peu ou non toxiques. Nous avons observé que le thiophène peut être arylé en C2 avec de nombreux bromures d'aryle en présence de seulement 0.2 mol% de Pd(OAc)2. Ensuite, nous avons démontré que des solvants de type alcool tels que le pentan-1-ol permet le couplage de thiazoles ou d’imidazoles avec des bromures d’aryle. Ce type de solvant est certainement plus viable pour l’industrie que les solvants usuellement utilisés pour ces couplages tels que le DMF ou le DMAc. Nous avons ensuite montré que certains de ces couplages peuvent même être effectués sans aucun solvant. Finalement, nous avons démontré que de nombreuses fonctions sur des bromopyridines sont tolérées lors de ces couplages, permettant l’accès à des pyridines arylées fonctionnelles utiles pour l’industrie pharmaceutique en une étape. / During my PhD, I searched for industrially viable conditions for activation / functionalization of CH bonds for the arylation of heterocycles. Compared to conventional coupling protocols such as Suzuki, Stille or Negishi reactions, the functionalization of CH bonds provides less costly and more environmentally friendly procedures if it tolerates synthetically useful functional groups and if it uses solvents with little or no toxicity. We observed that thiophene can be arylated at C2 with a wide scope of aryl bromides in the presence of only 0.2 mol% of Pd(OAc)2. Then, we demonstrated that alcoholic solvents such as pentan-1-ol allow the coupling of thiazoles or imidazoles with aryl bromides. This type of solvent is certainly more viable for the industry as the solvents commonly used for these couplings such as DMF or DMAc. We then showed that some of these couplings can even be performed without any solvent. Finally, we have shown that many functions on bromopyridines are tolerated in these couplings, enabling access to arylated functionalized pyridines useful for the pharmaceutical industry in one step.

Le travail décrit dans ce mémoire concerne l'étude de la métallation régiosélective de deux bicycles fusionnés complexes : les furo[3,2-b]- et [2,3-c]pyridines. L'influence de la nature du système basique sur le cours de la réaction et sur la régiosélectivité de la lithiation a été étudiée avec différentes bases : n-BuLi, LTMP, LDA et [n-BuLi/LiDMAE]. D'un point de vue fondamental, cette étude nous a permis d'établir quelques règles pour la fonctionnalisation des hétérocycles complexes, ce qui nous a conduit à l'obtention efficace et rapide d'une vaste chimiothèque de furo[3,2-b]- et [2,3-c]pyridines polyfonctionnalisés et refonctionnalisables. Quelques composés préparés ont ainsi été mis en jeu dans des réactions de couplage catalysées par les métaux de transition (Pd, Ni). Les difficultés rencontrées au cours de ce travail nous ont permises de mettre en évidence une séquence de double fonctionnalisation des hétérocycles ?-déficients par une séquence "one-pot" combinant le piégeage d'un intermédiaire lithié par un électrophile et l'addition nucléophile d'une espèce réactive générée in-situ. Le développement de cette séquence nous a conduits à l'obtention directe de pyrazines, pyridines et furo[3,2-b]pyridines disubstituées / The work described in this PhD thesis concerns a regioselective metalation study of two fused heterocycles : the furo[3,2-b]- et [2,3-c]pyridines. The influence of the lithiated agent on the reaction course and on the selectivity of the lithiation has been studied with several bases : n-BuLi, LTMP, LDA and [n-BuLi/LiDMAE]. From a fundamental point of view, this study allowed us to establish some rules concerning the functionalisation of fused heterocycles, and then, a chemical library of polyfunctionalised furo[3,2-b]- and [2,3-c]pyridines has been designed. Some of the compounds obtained in this way were engaged in metallo-catalysed coupling reactions. The difficulties we met during this work allowed us to discover a double functionalisation sequence of ?-deficient heterocycles via a cascade process combining the trapping of lithiated intermediates and the nucleophilic addition of some in-situ released species. The development of this sequence afforded direct access to difunctionalised pyrazines, pyridines and furo[3,2-b]pyridines