L'intégration de molécules électroactives dans des composants électroniques suscite un intérêt croissant en raison de la miniaturisation constante des dispositifs de microélectronique. Dans ce contexte les propriétés redox des polyoxométallates (POMs) en font des candidats potentiellement attractifs. Ce mémoire présente les différents travaux effectués lors de cette thèse dans le but d'immobiliser des POMs de manière covalente sur des surfaces conductrices. Des composés hybrides organique/inorganique à base de tungstène et de molybdène ont été synthétisés et immobilisés sur des surfaces de carbone, d'or et de silicium, puis la vitesse de transfert électronique entre la surface et le POM a été mesurée par électrochimie. Des études complémentaires ont montré que la densité de greffage a peu d'influence sur la constante de transfert électronique, à l'inverse de paramètres comme la nature du lien covalent ou la présence d'acide en solution. Enfin, la dispersion contrôlée de POMs sur des surfaces d'or a été effectuée. / Introduction of redox active molecules in electronic devices is currently attracting a lot of attention due to the unceasing downscaling of microelectronics components. In this context, the redox properties of polyoxometalates (POMs) make them interesting candidates. This thesis presents the results of this PhD work aiming at covalently grafting POMs on conductive surfaces. Organic/inorganic hybrids based on tungsten and molybdenum cores have been synthesised and grafted onto carbon, gold and silicon surfaces. The electron transfer rate between the electrode surface and the POM has been measured by electrochemistry. Whereas parameters such as the covalent link or the presence of acid have an important effect on the transfer rate, the grafting density does not impact it noticeably. In a last study, POMs were spread on gold surfaces in a controlled manner.

A natural Maghnia clay was pillared by Al13 and impregnated by 3-10 wt.% Me (Me = Rh, Ni, Pd, Ce) to be used as catalysts in the reforming of methane with carbon dioxide to synthesis gas. The structural and textural properties of materials calcined at 450°C were determined by several techniques (XRD, FT-IR, 27Al magic angle spinning (MAS) NMR, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), BET, thermogravimetric analysis (TGA)- DSC, H2-temperature programmed reduction (TPR) and NH3-TPR). Although impurities are present in the Al-pillared layered clay (PILC) support, most properties are close to those of pure Al-pillared Na-montmorillonite. Impregnation and calcination leads to the plugging of most micropores by clusters or microparticles of oxides. The NMR resonances of AlVI and AlIV specie are not modified after impregnation, and AlVI/AlIV ratio only varies on loading when compared to Al-PILC. Catalytic experiments show that the most active catalyst is 3%Rh/Al-PILC on which 88 mol.% of methane is converted at 650°C with a minimum amount of carbon deposit. The conversions decrease along the 3% Rh-10% Ni > 3%Pd > 3% Ni > 3% Ce series. The H2/CO ratio amounts to 1.1 with Rh and to 0.85 with Pd which are metallic at the temperature of reaction, but it has a lower value with Ni and Ce due to the RWGS reaction known to proceed in the presence of oxides.

L’hydroxyapatite phosphocalcique (HA) est largement utilisée en tant que substitut osseux. Sa composition chimique est proche de celle du minéral osseux ce qui en fait une céramique ostéoconductrice. Les hydroxyapatites silicatées (SiHA) sont actuellement étudiées. La présence de silicium au sein de la structure apatite pourrait accroître la bioactivité des implants. Cependant, ces substituts ne sont pas ostéoinducteurs. Ils n'ont pas la capacité d'induire la formation de tissus osseux, ce qui limite leur utilisation en chirurgie réparatrice. L'une des stratégies envisagées afin de les rendre ostéoinducteurs est de fonctionnaliser leur surface par des molécules biologiquement actives via des organosilanes. L’objectif de ce travail est d'étudier l’influence de l’incorporation du silicium dans l’hydroxyapatite et de la fonctionnalité (i.e. nombre de groupements hydrolysables) des amino-éthoxy-silanes sur le mode de greffage et la quantité de molécules à la surface des substrats. Les céramiques HA et SiHA silanisées ont été élaborés et caractérisées par spectroscopie de photoélectrons X et par analyse thermogravimétrique couplée à la spectrométrie de la masse. Les résultats ont confirmé un greffage covalent quelles que soient la nature du substrat et la fonctionnalité de l'organosilane. La quantité greffée augmente avec la fonctionnalité de l’organosilane. La présence de silicium au sein du substrat favorise le nombre de chaines éthoxyles impliquées dans la réaction d’hétérocondensation et diminue la quantité d’organosilanes greffée. Les organosilanes sont répartis d’une façon non homogène sur la surface mais sans formation d’une couche recouvrant celle-ci en totalité. / Calcium phosphate hydroxyapatite (HA) is widely used as bone substitute. Its chemical composition is close to the mineral part of bone which induces osteoconductive ceramics. Silicated hydroxyapatites (SiHA) are being studied. The incorporation of silicon in the hydroxyapatite structure would increase the bioactivity of the implant. However, these substitutes are not osteoinductive. They do not have the ability to induce bone formation which limits their use in reparative surgery. In order to obtain osteoinductive ceramics, it is possible to functionalize their surface by biologically active molecules via organosilanes. The present work studies the influence of silicon incorporation in the hydroxyapatite structure and the functionality (i.e. number of hydrolysable groups) of amino-ethoxy-silanes on the grafting mode and the quantity of molecules at the substrates surface. HA and SiHA silanised ceramics have been produced and characterized by means of X-ray photoelectron spectroscopy and thermogravimetric analysis coupled with mass spectrometry. The results confirmed the covalent grafting whatever the nature of the substrate and the functionality of the organosilane might be. The grafted amount increases with the functionality of organosilane. Moreover, the presence of silicon within the substrate promotes the number of ethoxyl chains involved in the heterocondensation reaction and decreases the grafted amount of organosilanes. The organosilanes are not homogeneously distributed on the surface but without formation of a layer covering the entire surface.

Les polyoxométallates (POMs) de type Keggin [XM12O40]n- (avec X=P… et M= W, Mo …) sont des oxydes moléculaires de métaux de transition à haut degré d’oxydation qui présentent des réductions successives et réversibles dans une gamme étroite de potentiel. Leur incorporation dans des dispositifs de mémoire moléculaire semble alors prometteuse. Nous avons développé leur intégration comme briques élémentaires via une approche “bottom-up” qui surmonte les limites de l’approche “top-down” plus commune. Cela nécessite un contrôle fin de leur greffage et de leur densité surfacique pour l’obtention de dispositifs performants. Nous avons donc développé le greffage covalent de POMs sur des surfaces à base de silicium et d’or. Des hybrides de POMs à terminaison diazonium BA3[PM11O39{SnC6H4C≡CC6H4N2}] (avec M=W or Mo) ont formé des monocouches complètes greffées sur des surfaces de silicium hydrogénées qui mettent en évidence l’influence du métal constitutif du fragment polyoxométallate sur les propriétés de transport de charges de la jonction. Le greffage d’hybrides de POM à terminaison acide carboxylique sur des substrats d’oxyde de silicium a aussi été développée. Un hybride de POM à terminaison aniline TBA4[PW11O39{SnC6H4C≡CC6H4NH2}] a été greffé en deux étapes via un couplage peptidique sur une monocouche à terminaison acide carboxylique sur surface d’or. Des monocouches compactes ont été obtenues mais pas de façon totalement reproductible et les premiers essais de dilution sont encourageants. Une nouvelle famille d’hybrides de POMs mixtes a été synthétisée : TBA4[PMoxW11-xO39{SnR}]. Cela permettra de combiner les propriétés redox du molybdène et la robustesse due au tungstène. / Keggin type polyoxometalates (POMs) [XM12O40]n- (with X=P… and M= W, Mo…) are molecular oxides of early transition metals with a high oxidation state. They present electrochemical successive reversible reduction waves in a narrow range of potential. This makes them good candidates to be incorporated into molecular memory devices. We chose a “bottom-up” approach where the POMs are the building blocks to overcome the limitation of the “top-down” process commonly used. A fine control of the POM grafting and of the surface density is essential to get better erase/writing time of the device. So, we developed POM hybrids for grafting them covalently onto silicon based and gold substrates. Diazonium-terminated POM hybrids (with M=W or Mo) lead to compact homogeneous monolayers onto hydrogenated silicon surfaces. Electrical measurements of the two analogous modified surfaces show different behaviour highlighting the role of the constituting POM metal into the charge transport. Carboxylic-terminated POM hybrids have also been grafted in a one-step process onto silicon oxide surface resulting in a smooth and dense monolayer. Then, an aniline-terminated POM hybrid has been grafted onto a carboxylic-terminated SAM of thiols onto gold thanks to a peptide coupling. Compact monolayers have been obtained without complete reproducibility and the first attempts of dilution are encouraging. A new family of POM hybrids have been synthesized: mixed-metal POM hybrids TBA4[PMoxW11-xO39{SnR}]. This will permit to combine the electrochemical properties of molybdenum and the robustness of tungsten.

L'accès aux soins dentaires est devenu, au cours de ces dernières années, un service de plus en plus demandé par la population. En particulier, la pose d'un implant, destiné à remplacer une dent manquante, en recréant une racine artificielle, devient un acte de plus en plus courant. Une des principales sources de complications entrainant l'échec de la pose d'un implant est une maladie inflammatoire : la péri-implantite. Cette maladie induit la perte des os de soutien dans les tissus entourant l'implant fonctionnel. Actuellement, il n'existe pas d'implant prévenant ces infections bactériennes, seuls des traitements curatifs sont proposés. Le développement d'un traitement antibactérien implantaire apparaît alors comme une solution préventive pertinente pour limiter les complications post-opératoires et représente un défi de santé publique. Pour parvenir à cet objectif, dans ce travail de thèse, plusieurs solutions pour préparer un revêtement implantaire bioactif ont été étudiées et évaluées. Elles sont toutes basées sur le recouvrement d'une surface modèle de titane par un polymère naturel bioactif, le chitosane. Le greffage du biopolymère au substrat a été réalisé via une liaison covalente en utilisant un agent de couplage. Les différentes étapes de la synthèse du revêtement ainsi que ses propriétés biologiques ont été caractérisées à l'aide de techniques d'analyses de chimie de surface, par des études de tenue et de restitution du biopolymère en milieu acide ainsi que par des études in vitro de l'activité antibactérienne et des propriétés biologiques des revêtements. Les résultats de ce travail ont permis de sélectionner le revêtement bioactif possédant les meilleurs propriétés pour l'application visée, notamment en raison de sa tenue en milieu acide et de son activité antibactérienne en présence des bactéries communes / In the past years, population requirement for dental care service increased. More precisely, replacement of missing tooth using dental implant is now a common intervention. As implant provides an artificial root, this procedure is permanent. The failure of the placement procedure is mainly due to an inflammatory disease: peri-implantitis. This disease leads to the death of bone tissues surrounding the dental implant. Today only curative solutions are available, and no implants can prevent bacterial development. It appears that preventing post-surgical complications by designing antibacterial implants is now a public health issue. To achieve this goal, we evaluate in this thesis different solutions to design bioactive implant coatings. We focused our work on coating of a model titanium surface by a bioactive polymer: chitosan. Polymer binding on the substrate is achieved by covalent link using a coupling agent. We described each step of the coating synthesis and characterized its biological properties using both surface chemistry analysis and cell biology techniques. We studied its behavior in an acid environment and analyzed its biological and antibacterial properties in vitro. Results of this work were used to select the bioactive coating with the best properties for the intended application, particularly due to its resistance in acidic condition and its antibacterial activity against common bacteria

Ce travail est consacré au développement d'une approche électrochimique permettant de préparer, à base de formes allotropiques différentes du carbone, divers matériaux poreux ayant comme : i) leurs éléments (feuillets de graphite, graphène, nanotubes et fullerène C60) sont attachés entre eux de façon covalente par les chaînes d'atomes du carbone de longueur différents, ii) les larges espaces internes (interstices ou les pores aléatoires) pouvant accommoder les cations, premièrement de métaux, plus grandes que Li+ (K+, Mg2+, mais aussi Alk4N+ etc.), iii) flexibilité tout en gardant la stabilité chimique des formes du carbone utilisées pour leur assemblage. Ainsi, une structure lamellaire à multicouches a été élaborée, une sorte du "graphite artificiel" avec les distances interstitielles à la demande : de 4.48 Å (avec -CH2- comme l'espaceur entre les couches) a 5.15 Å (avec -CH2C≡C-), contre 3.35 Å dans le graphite naturel. Élaborée dans ce travail, la méthode d'assemblage des matériaux stratifiés à base du graphite/graphène s'appuie sur le nouveau paradigme de greffage électrochimique aux interfaces carbonées (greffage électrophile, permettant de fixer à l'interface le linkeur CH2I ou CH2Br), et la fixation radicalaire d'une couche suivante par la réduction mono-électronique de sa liaison C-Hal. Les agents d'assemblage, Me3SiCH2I ou Me3SiC≡CCH2Br, dans un milieu universel CH3CN/0.1 M Bu4NPF6 ont été montrés être très efficaces pour ce processus. Un autre agent de couplage, 1,5-dibromopentane, a été utilisé pour assemblage cathodique (nucléophile/radicalaire) des nano-formes du carbone entre eux pour donner les matériaux poreux sans une structure spécifique régulière, les "nano-mousses", potentiellement convenable pour les anodes des batteries aux ions de Li et les batteries "post-Li-ions". Par la méthode combinée anodique/cathodique en utilisant Me3SiCH2I comme l'agent de fixation, un silsesquioxane F-@Ph8T8 avec l'ion fluorure encapsulé a été immobilisé sur le carbone vitreux ; l'interface ainsi préparée a montré son potentiel pour la détection d'exposition aux ions de Li+ ou de H+. Les structures préparées ont été étudiées par la voltampérométrie cyclique, chronocoulométrie, la spectroscopie d’impédance électrochimique et la spectroscopie électronique à balayage. / This work is dedicated to the development of an electrochemical approach to prepare, starting from different allotropic forms of carbon, various porous materials having particular features: i) their constituting elements (graphite sheets, graphene, nanotubes and fullerene C60) are covalently attached between them by the chains of carbon atoms of different length, ii) their large internal spaces (interstices or random pores) can accommodate the cations, - primarily metals, - larger than Li+ (e.g. K+, Mg2+, and also Alk4N+ etc.), iii) they are flexible while keeping the chemical stability of the carbon forms used for their assembly. Thus, a multilayered lamellar structure was developed, a kind of “artificial graphite” with interstitial distances on demand: from 4.48 Å (with -CH2- as the linker) to 5.15 Å (with -CH2C≡C-), against 3.35 Å in natural graphite. The method of assembly of graphite/graphene-based laminated materials developed in this work is based on the new electrochemical paradigm of grafting to carbon interfaces (electrophilic grafting, making possible to fix the CH2I or CH2Br functions at the interface) and the radical grafting of the subsequent layer by the mono electronic reduction of their C-Hal bond. New coupling agents, Me3SiCH2I or Me3SiC≡CCH2Br, in a universal CH3CN/0.1M Bu4NPF6 medium, have been shown to be very effective for this process. Another coupling agent, 1,5-dibromopentane, was used for cathodic (nucleophilic/radical) assembling of carbon nano forms between them to give porous materials without a regular specific structure, the “nano-sponges”, potentially suitable for making the anodes of Li-ion batteries and “post-Li-ion” batteries. Using the combined anodic/cathodic grafting method using Me3SiCH2I as the fixing agent, the fluoride encapsulating silsesquioxane F-@Ph8T8 was immobilized on glassy carbon; the thus prepared interface has shown its promise for devices detecting the exposure to Li+ or H+ ions. The prepared structures were studied by cyclic voltammetry, chronocoulometry, electro-chemical impedance spectroscopy and scanning electron spectroscopy.

Les fonctions organiques du corps humain sont liées à des constants biologiques. Variations de ces constantes induisent divers états pathologiques. Parmi ces constantes, le pH constitue le cœur de ces travaux de thèse. Chez les êtres vivants, les fonctions biologiques dépendent de constant acides ou alcalines. En fait, l’action d’une protéine dépend du pH du milieu environnant. Une valeur inadéquate du pH rend les protéines inactives ce qui est délétère pour l’organisme. Il existe donc un besoin pour des capteurs de pH qui puissant être utilisés dans le corps humain pour des applications cliniques (échelle macroscopique), sur des cellules en culture pour des recherches en biologie (échelle mesoscopique) et pour étudier les échanges ioniques au niveau des membranes cellulaires pour des travaux plus fondamentaux (échelle microscopique). Parmi le large éventail de technologies potentiellement candidates pour ces applications, la mesure de pH par fibre optique exploitant la fluorescence permet d’être adaptée aux trois échelles dimensionnelles susnommées. Ce manuscrit de thèse adresse des contraintes par l’étude de capteurs fluorescents à fibre optique utilisant deux types d’indicateur de pH: les SNARF et la fluorescéine. En parallèle de ces développements expérimentaux, des descriptions mathématiques des propriétés de fluorescence de ces deux indicateurs sont proposées. Ces descriptions permettent de progresser vers une mesure du pH sans calibration / Organic functions of the human body are linked to biological constants. Variations of these constants induce pathological troubles. Among these constants, the pH is the central subject of this PhD work. In living beings, biological functions are related to either acid or alkaline constants. Indeed, the action of a protein depends on the surrounding pH. An inadequate value of the pH makes the proteins non active which is deleterious for the organism. There exist a need for pH sensors which can be used in the human body for clinical applications (macroscopic scale), on cells in culture for biology researches (mesoscopic scale) or at a cell membrane level for more fundamental studies (microscopic scale). Among the wide range of technologies potentially useful for these applications, fiber optic fluorescence pH sensing offers the possibility to be adapted to the three above mentioned dimensional scales. This PhD dissertation addresses these constraints by studying fluorescence fiber optics pH sensors using two kind of pH indicators: SNARF and fluorescein. Together with these experimental studies, mathematical descriptions of the fluorescence properties of these indicators are proposed. They allow progressing towards calibration free pH sensing.

Dans une thématique de plus en plus importante qui est celle du développement durable, il est aujourd’hui nécessaire d’adapter les réactions chimiques aux contraintes écologiques. Le développement de catalyseurs existe depuis le début de la chimie. Cependant, la compréhension des mécanismes mis en jeu lors des réactions chimiques est beaucoup plus récente, et ce, grâce à l’apparition de techniques d’analyse qui permettent de sonder les systèmes à différentes étapes des réactions. De nombreux catalyseurs moléculaires ont été développés, avec de très bons résultats au niveau des nombres de cycles catalytiques et de la sélectivité des réactions. Toutefois, ces catalyseurs sont souvent constitués d’un centre métallique de type iridium, ruthénium, palladium, rhodium ou platine, qui sont des métaux chers non biocompatibles. D’autre part, les oxydations sont des transformations chimiques très importantes. Des conditions de réactions dures, avec des oxydants stœchiométriques, souvent toxiques ou nocifs, sont généralement utilisées. Au contraire, des systèmes biologiques sont capables d’effectuer l’oxydation de molécules organiques en utilisant le dioxygène de l’air, en présence uniquement de protons, d’électrons, dans des conditions physiologiques. Quel grand défi pour les chimistes que d’arriver à développer des systèmes capables de mimer les systèmes biologiques, avec des catalyseurs composés de métaux biocompatibles tels que le cuivre, le manganèse et le fer. Le développement de ces catalyseurs biomimétiques demande une très bonne compréhension des systèmes biologiques, où les première et seconde sphères de coordination sont primordiales pour l'efficacité et la sélectivité des réactions. De nombreux complexes de fer(II) ont été développés comme catalyseurs dans notre équipe lors de thèses précédentes. L’interaction d’oxydants chimiques avec ces complexes a été étudiée, et une partie de mon projet a été de modifier les ligands pour augmenter la stabilité des catalyseurs, permettant l’augmentation de la sélectivité et les rendements de l’oxydation du cyclohexane et de l’anisole. Deux autres projets ont nécessité la fonctionnalisation d’un ligand utilisé communément au laboratoire pour son greffage covalent sur une électrode d’or ou dans une protéine. Afin de contrôler l’apport d’électrons au centre métallique pour réaliser l'activation réductrice du dioxygène, le complexe fonctionnalisé a été greffé sur des électrodes d’or. Le greffage sur électrode d’or a permis de mettre en avant la formation d’une monocouche homogène. Les premiers tests de réactivité de la SAM avec le dioxygène ont été également effectués. D’autre part, dans le but d’améliorer les rendements ainsi que la sélectivité des réactions en catalyse d’oxydation, un autre complexe fonctionnalisé a été greffé covalemment dans une protéine. Le greffage du complexe dans la β-lactoglobuline a permis de développer une nouvelle méthode de dosage du complexe de fer au sein de la protéine. Il a été possible de générer un intermédiaire réactionnel Feᴵᴵᴵ-peroxo, et les premiers tests en catalyse d’oxydation du thioanisole ont montré que la métalloenzyme artificielle permet d’observer une énantiosélectivité intéressante par rapport au complexe en solution. / According to sustainable development it is necessary to adapt chemical reactions to ecologic constraints. Oxidation reactions are useful transformations. Nevertheless, reaction conditions used are frequently harsh, with oxidants used in stoichiometric amount (often harmful or toxic), and lead to products formation with low selectivity. Biological systems such as metalloenzymes, are able to perform small organic molecule oxidation following O₂ activation. These reactions are achieved in physiological conditions, and with a high selectivity. Deciphering the reaction mechanism of these biological catalysts has stimulated the development of synthetic analogues such as non heme iron(II) complexes bearing amine/pyridine ligands. Reaction of these Fe(II) precursors with H₂O₂ or a single oxygen atom leads to formation of Fe(III)-OOH, Fe(III)-(O₂) and Fe(IV)=O, identified as potent oxidizing species in biological systems such as cytochromes P450. In this work, ligands were functionalized to graft iron(II) complexes on gold surface or in the β-lactoglobuline protein in order to use O₂ as oxidant or to improve yields and selectivity, respectively. Complexes grafted on gold surface were characterized by cyclic voltammetry, AFM and XPS. It has been demonstrated that it is possible to exchange exogenous ligands of the iron complex grafted on gold electrode. Preliminar reactivity tests using this grafted complex and O₂ were performed. A new artificial metalloenzyme was synthesized by covalent grafting of a functionalized iron(II) complex on β-lactoglobuline. The system was characterized, and a new method of iron(II) titration in the protein was devised. Using hydrogen peroxide, an Fe(III)-(η²-O₂) intermediate was generated and indentified in the biohybrid system, and catalytic thioanisole oxidation was observed. Interestingly, the sulfoxide product formation was shown to be enantioselective under these conditions.