Après avoir pu développer une nouvelle méthode de déracémisation de biphényles iodés permettant, pour la première fois, d’influencer la diastéréosélectivité de la réaction de piégeage du réactif d’Andersen par dédoublement cinétique, nous avons obtenu de nombreuses informations et développé des méthodes permettant de lever différents verrous synthétiques pour accéder à des paires de Lewis frustrées basées sur le squelette biphénylique et portant simultanément ou non un groupement acide de Lewis et une base de Lewis. Par la fonctionnalisation de ces biphényles, nous avons pu accéder à de nouvelles biphénylphosphines énantiopures pouvant jouer le rôle de base de Lewis dans le domaine des paires de Lewis frustrées (FLP) mais aussi d'organocatalyseur nucléophile ou de ligand pour la catalyse organométallique. Différentes méthodes ont ensuite été (re)développées, pour accéder à des acides de Lewis : d'une part la synthèse de boranes par fonctionnalisation de sels d'organotrifluoroborate de potassium comme précurseurs polyvalents d’acides de Lewis chiraux et énantiopurs et d'autre part l’utilisation de silanes électrophiles. L’ensemble des informations et méthodes découlant de ce travail pourront être appliquées à la synthèse de molécules ambiphiles, nouvelles paires de Lewis atropo-frustrées. / After having developed a new method of deracemization of iodinated biphenyls allowing us, for the first time, to influence the diastereoselectivity of the trapping by the Andersen reagent, we have turned our attention to the use of this molecular scaffold in the design of new frustrated Lewis pairs bearing either a Lewis acidic group, a Lewis basic group or simultaneously both groups. We first accessed a new series of enantiopure biphenylphosphines that can find applications as Lewis base (including the field of frustrated Lewis pairs), as nucleophilic organocatalyst or as ligand in organometallic catalysis. Then, various methods were (re)developed to access chiral biphenyl-based Lewis acids: firstly, the functionalization of biphenyltrifluoroborate salts as chiral and enantiopure borane precursors and secondly the use of electrophilic silanes. The whole information and methodologies developed herein may be applied to the synthesis of new ambiphilic compounds as new atropo-frustrated Lewis pairs.

Le concept de “paires frustrées de Lewis” (plus communément désignés par l’acronyme anglais FLPs) a suscité un vif intérêt depuis sa formulation en 2006. Initialement décrit à partir d’une phosphine encombrée comme base de Lewis et d’un borane comme acide de Lewis pour l’activation coopérative d’hydrogène sans métal, ce concept a été ensuite très largement développé en utilisant divers éléments du groupe principal (N/B, P/Al, N/Al …). Le concept a ensuite été étendu aux métaux de transitions pour pallier cette faiblesse: sont ainsi apparues les premières paires frustrées de Lewis organométalliques (OmFLPs). Dans le but de développer de telles OmFLPs, nous nous sommes intéressés à la synthèse de complexes cationiques titanocèniques et zirconocèniques en présence d’une amine. La première partie de cette thèse présente les travaux précédemment décrits sur les ligands azotés, en vue de synthétiser des complexes du groupe 4 N-fonctionnalisés. Une description plus détaillée du concept de FLP est ensuite réalisée, et un parallèle est fait avec des concepts connexes (coopérativité métal-ligand, systèmes ambiphiles). La seconde partie de ce manuscrit développe la synthèse de nouveaux ligands (aminomethyl)cyclopentadiènylure de potassium ainsi qu’une étude de leur coordination aux métaux du groupe 4. Cette étude a permis d’accéder à toute une série de nouveaux complexes dichlorotitanocènes et zirconocènes porteurs d’une fonction amine tertiaire encombrée (diisopropylaminyl et 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine) à proximité du centre métallique. Ces travaux ont montré que l’amine ne se coordine pas audit centre métallique. Les métallocènes ainsi formés ont ensuite été transformés en cation afin de renforcer le caractère acidité de Lewis du centre métallique. Ces espèces ont montré une réactivité inattendue donnant lieu à des réarrangements par activation CH au voisinage de l’atome d’azote. Ces réarrangements ainsi que des études mécanistiques font l’objet du troisième chapitre. La quatrième partie de ce mémoire porte sur la synthèse de complexes phosphido- et amidotitanocènes cationiques. Ces complexes montrent une très bonne activité en catalyse d’hydrogénation de petites molécules dans des conditions relativement douces, vraisemblablement pour des raisons d’effets coopératifs entre le métal et le ligand. Dans une dernière partie, la synthèse de complexes titanocéniques cationiques portant une fonction iminophosphorane est développée, suivie d’une étude de réactivité de ces complexes en tant que paires frustrées de Lewis organométalliques. / In 2006, the concept of “frustrated Lewis pairs” (called FLPs) was introduced. The main characteristic of these compounds is their ability to activate cooperatively small molecules without the use of a metal (H2, CO2, alkene alkyne…). Initially based on P/B combination, the concept has been extended to several other main group elements (N/B, P/Al, N/Al …). Recently, FLPs have been extended to the transition metal realm. These organometallic FLPs (OmFLPs) are obviously non-metal free systems but they extend significantly the scope of FLP applications. Seeking to develop such systems, a research toward new omFLP combinations (N/Ti+, N/Zr+) has been initiated in our group, based on the synthesis of N-based titanocene and zirconocene complexes. The first part of this manuscript deals with a survey of the literature of such compounds, and a more detailed presentation of FLPs and related concepts (metal-ligand cooperativity, ambiphilic ligands) are also developed. In a second chapter, the synthesis of new N-based cyclopentadienyl ligands and their coordination to group 4 metals is presented. The formation of a cationic complex is then developed in a third part on selected titanocenes. In these complexes, the amine function undergoes CH activation by the cationic metal centre, leading to unexpected rearrangements. Investigations on their plausible mechanism are also presented. In a fourth part, the synthesis of new cationic phosphido- and amidotitanocenes, discovered in the course of our study on OmFLPs, is developed. The cationic amidotitanocenes are shown to be catalytically active towards hydrogenation of small molecules. Lastly, the potential of cationic titanocenyl iminophosphoranes as OmFLPs, was developed.

Ce manuscrit aborde plusieurs interactions / réactions chimiques importantes se produisant dans la soluton en utilisant la calorimétrie par titrage isothermique (ITC) et la théorie de la densité fonctionnelle statique (DFT). Cette thèse porte son attention notamment sur : l'association de paires de Lewis (frustrées) ((F)LPs), la migration cis du groupe méthyle au sein du pentaméthylmanganèse induit par les phosphines, l'aminolyse de carbènes de Fischer, l'insertion d'alcynes dans des palladacycles, l'affinité de divers donneurs de Lewis à l’hexafluoroisopropanol. L'ITC s'est révélé être une technique expérimentale puissante pour obtenir des données thermochimiques fiables sur les systèmes étudiés. Les calculs statiques DFT-D ont montré une capacité d’estimation correcte des paramètres de réaction thermodynamique lorsque l’influence de la solvatation n’est pas significative. Autrement, lorsque l’influence du solvant est apparente, les calculs ne permettent pas de reproduire les résultats expérimentaux. En plus, les résultats expérimentaux et théoriques révèlent l’existence d’ensembles moléculaires plus grandes dans la solution de FLP, soulignant le rôle des interactions non covalentes. / This manuscript adressed several important chemical interactions/reactions taking place in solutuon by using Isothermal Titration Calorimetry (ITC) and static Density Functional Theory (DFT). Namely, this thesis dealt with: association of (frustrated) Lewis pairs ((F)LPs), cis-migration of methyl group within pentamethylmanganese induced by phosphines, aminolysis of Fischer carbenes, insertion of alkynes into palladacycles, affinity of various Lewis donors to hexafluoroisopropanol. The ITC proved to be powerful experimental technique for obteining reliable thermochemical data of sutudied systems. The static DFT-D calculations showed capability for proper estiamtion of thermodynamic reaction parameters when an influence of solvation is not sighnificant. Otherwise, when the influence of solvent is not innocent, the calculations moslty failed to reproduce the experimantal results. In addition, Both the experimantal and therortical results revield existance of larger molecular clusters in solution of FLPs emphasising a role of non-covalent interactions.

Au début de ces travaux, peu d’études avaient été faites sur la complexation des carbènes N-hétérocycliques avec des métaux oxophiles, électropositifs et à hauts degrés d’oxydation tel que les métaux du groupe 13. L’optimisation de voies de synthèse a permis d’étendre le nombre de complexes de types NHC-MIII (M = aluminium, gallium et indium), ainsi qu’à des complexes cationiques. L’association de ces précurseurs avec des NHCs plus encombrés a permis l’observation de réactivités sans précédent (complexes anormaux, paires de Lewis frustrées, dicarbènes N-hétérocycliques). Dans un second temps, la réactivité inhabituelle des ligands NHCs a permis l’isolation d’analogue au réactif de Tebbe, très actifs en méthylénation de dérivés carbonyles. / At the beginning of this work, few studies had been performed on the complexation of N-heterocyclic carbenes with oxophilic metals, in high oxidation states such as group 13 metals. The synthetic routes optimization has extended the number of complexes-type NHC-MIII (M = aluminum, gallium and indium), and the corresponding cationic complexes. The combination of these precursors with sterically congested NHCs allowed the observation of unprecedented reactivities (abnormal complexes, Frustrated Lewis Pairs, N-heterocyclic dicarbenes). In a second step, the unusual reactivity of NHC ligands has allowed the isolation of analogues of the Tebbe’s reagent, formed to be very active in the methylenation of carbonyl compounds.

Cette thèse exploite les liens profonds entre la physique des systèmes quantiques locaux, les propriétés non locales de leurs états fondamentaux et le contenu en information de ces états. Les deux premiers chapitres sont consacrés à l’application des systèmes quantiques locaux pour les fins d’une tâche informationnelle précise, soit le calcul quantique. Au terme d’un bref survol de la théorie, nous proposons un patron pour le calcul quantique universel et évolutif pouvant être réalisé sur une grande variété de plateformes physiques, et démontrons qu’il est particulièrement résilient face à un bruit anisotrope. Les quatre derniers chapitres sont pour leur part consacrés à l’approche informationnelle des systèmes quantiques à corps multiples. Nous décrivons les principales propriétés des corrélations et de l’intrication dans les états fondamentaux des systèmes de dimensions réduites les plus courants, en distinguant systèmes non critiques et systèmes critiques. Nous montrons que ces propriétés sont fortement modifiées par la présence de frustration géométrique dans les chaînes de spins. Enfin, nous réalisons une analyse exhaustive des corrélations et de l’intrication dans les états fondamentaux de deux théories quantiques de champs non triviales. / This thesis exploits the deep connections between the physics of local quantum systems, the nonlocal features in their ground states, and the information content of these states. The first two chapters are dedicated to the application of local quantum systems for the purpose of a definite information-theoretical task, namely quantum computation. After a brief survey of the theory, we propose a scheme for scalable universal quantum computation that, we argue, could be implemented on a wide variety of physical platforms, and show that it is particularly resilient to anisotropic noise. The last four chapters are dedicated to the information-theoretical approach of many-body quantum systems. We describe the main properties of correlations and entanglement in the ground states of the most common low-dimensional many-body systems, distinguishing between noncritical systems and critical ones. We show how these properties can be dramatically modified by the presence of geometric frustration in spin chains. Finally, we perform an intensive study of correlations and entanglement in the ground states of two nontrivial one-dimensional quantum field theories.