Inspirados em reações catalisadas por enzimas a partir de micro-organismos encontrados em ambientes marinhos severos (psicrofílicos), em que a quantidade de oxigênio é restrita, observou-se que a Arthrobacter sp. CCT 7749 realizou diferentes transformações químicas mudando de condições reacionais anaeróbias para aeróbias. Dependendo da presença ou ausência de oxigênio, ambas desracemização de alcoóis ou redução de cetonas com seletividades enantiocomplementares foram realizadas pelo mesmo microorganismo. Estes conceitos foram aplicados tanto para desracemização quanto para redução enantiosseletiva de compostos contendo heteroátomos (silício, fósforo, estanho e boro). Visando a identificação molecular das enzimas responsáveis pelas reações de oxido-redução, buscou-se desenvolver uma metodologia de purificação enzimática usando diferentes técnicas. Inicialmente a lise celular da Arthrobacter sp. CCT 7749 empregando a liticase na presença de β-mercaptoetanol e usando ondas ultrassônicas produziu 28 mg/mL de proteínas. A purificação da oxidorredutase ocorreu através de colunas cromatográficas de troca iônica DEAE FF, seguida por ANX FF. O extrato protéico contendo a enzima parcialmente pura apresentou atividade específica de 4,23 U/mg na oxidação do (R,S)-1-(4-metilfenil)etanol à cetona correspondente. Através do uso das técnicas native-PAGE e zimografia detectou-se uma massa molecular da enzima de ≈240 kDa e que provavelmente se encontrava na forma hetero-hexamérica apresentando três subunidades em ~35 kDa e três em ~45 kDa. Observou-se que, surpreendentemente, a fração protéica parcialmente pura também foi capaz de reduzir a 4-metilacetofenona obtendo-se 17% do (S)-1-(4-metilfenil)etanol com excelente excesso enantiomérico >99%. / Inspired by enzyme-catalyzed reactions with microorganisms found in harsh marine environments (psychrophilic), in which the amount of oxygen is restrict, we have shown that Arthrobacter sp. CCT 7749 can perform different chemical transformations by switching from anaerobic to aerobic reaction conditions. Depending on the presence or absence of oxygen, either alcohol deracemization or ketone reduction with enantiocomplementary selectivities can be performed by the same microorganism. These concepts were applied for both deracemization and enantioselective reduction of heteroatom-containing molecules (silicon, phosphorus, tin and boron). Aiming Enzyme purification, different techniques were employed. Cell lysate of Arthrobacter sp. CCT 7749. Was prepared using lyticase and β-mercaptoethanol bu ultrasonication. Purification of this enzyme occurred through chromatographic columns of DEAE FF ion exchange, followed by ANX FF. The partially pure oxidoreductase presented specific activity of 4.23/mg in the oxidation (RS)-1-(4- methylphenyl)ethanol to the corresponding ketone. Native-PAGE and zymography have shown that the enzyme had ≈240 kDa molecular mass, probably in the form hetero-hexameric with 3 subunits ~35 kDa and three ~45 kDa. Surprisingly, the partially pure protein fraction was able to reduce the 4- methylacetophenone giving 17% of (S)-1-(4-methylphenyl)ethanol with excellent enantiomeric excess >99%.

Ces travaux de thèse nous ont permis de mettre en évidence un accès à un large nombre de composés polycycliques. Les étendues des méthodes employant des cascades réactionnelles palladocatalysées et leurs limites ont été étudiées. L’initialisation de ces cascades se fait par une cyclocarbopalladation de type de 4-exo-dig, suivie par un couplage de Sonogashira. Avec des substrats et des conditions adéquats, la cascade réactionnelle continue avec une alcynilation, une électrocyclisation à huit électrons p et une électrocyclisation à six électrons p. En un nombre limité d’étapes sont ainsi obtenus des châssis moléculaires complexes : les fenestradiènes et les cyclooctatriènes. Des dérivés portant des substituants variés dans différentes positions ont été synthétisés, notamment possédant des hétéroatomes. Leurs accès a été assuré par des synthèses linéaires ou encore par une approche plateforme. Ceci a été complété par une étude in silico en vue du potentiel thérapeutique de ces châssis moléculaires. / This PhD thesis was focused on the study of cascade reactions and allowed the access to a large variety of polycyclic compounds. The extension of several methods employing palladocatalyzed cascade reactions and their limits have been studied. Those cascades are initiated by a 4-exo-dig cyclocarbopalladation, followed by a Sonogashira coupling. With an adequate substrate and the appropriate conditions, the cascade reaction can even be extended by an alcynilation, followed by an eight p electron electrocyclization and a six p electron electrocyclization. Complex scaffolds are thus obtained in only a few steps: fenestradienes and cyclooctatrienes. Derivatives with various substituents in different positions have been synthesized, particularly with heteroatoms. Their access has been ensured by either linear synthesis or a platform approach. This project was completed by an in silico study of the scaffolds regarding their drug-like potential.

Inspirados em reações catalisadas por enzimas a partir de micro-organismos encontrados em ambientes marinhos severos (psicrofílicos), em que a quantidade de oxigênio é restrita, observou-se que a Arthrobacter sp. CCT 7749 realizou diferentes transformações químicas mudando de condições reacionais anaeróbias para aeróbias. Dependendo da presença ou ausência de oxigênio, ambas desracemização de alcoóis ou redução de cetonas com seletividades enantiocomplementares foram realizadas pelo mesmo microorganismo. Estes conceitos foram aplicados tanto para desracemização quanto para redução enantiosseletiva de compostos contendo heteroátomos (silício, fósforo, estanho e boro). Visando a identificação molecular das enzimas responsáveis pelas reações de oxido-redução, buscou-se desenvolver uma metodologia de purificação enzimática usando diferentes técnicas. Inicialmente a lise celular da Arthrobacter sp. CCT 7749 empregando a liticase na presença de β-mercaptoetanol e usando ondas ultrassônicas produziu 28 mg/mL de proteínas. A purificação da oxidorredutase ocorreu através de colunas cromatográficas de troca iônica DEAE FF, seguida por ANX FF. O extrato protéico contendo a enzima parcialmente pura apresentou atividade específica de 4,23 U/mg na oxidação do (R,S)-1-(4-metilfenil)etanol à cetona correspondente. Através do uso das técnicas native-PAGE e zimografia detectou-se uma massa molecular da enzima de ≈240 kDa e que provavelmente se encontrava na forma hetero-hexamérica apresentando três subunidades em ~35 kDa e três em ~45 kDa. Observou-se que, surpreendentemente, a fração protéica parcialmente pura também foi capaz de reduzir a 4-metilacetofenona obtendo-se 17% do (S)-1-(4-metilfenil)etanol com excelente excesso enantiomérico >99%. / Inspired by enzyme-catalyzed reactions with microorganisms found in harsh marine environments (psychrophilic), in which the amount of oxygen is restrict, we have shown that Arthrobacter sp. CCT 7749 can perform different chemical transformations by switching from anaerobic to aerobic reaction conditions. Depending on the presence or absence of oxygen, either alcohol deracemization or ketone reduction with enantiocomplementary selectivities can be performed by the same microorganism. These concepts were applied for both deracemization and enantioselective reduction of heteroatom-containing molecules (silicon, phosphorus, tin and boron). Aiming Enzyme purification, different techniques were employed. Cell lysate of Arthrobacter sp. CCT 7749. Was prepared using lyticase and β-mercaptoethanol bu ultrasonication. Purification of this enzyme occurred through chromatographic columns of DEAE FF ion exchange, followed by ANX FF. The partially pure oxidoreductase presented specific activity of 4.23/mg in the oxidation (RS)-1-(4- methylphenyl)ethanol to the corresponding ketone. Native-PAGE and zymography have shown that the enzyme had ≈240 kDa molecular mass, probably in the form hetero-hexameric with 3 subunits ~35 kDa and three ~45 kDa. Surprisingly, the partially pure protein fraction was able to reduce the 4- methylacetophenone giving 17% of (S)-1-(4-methylphenyl)ethanol with excellent enantiomeric excess >99%.

Les météorites carbonées sont les objets les plus primitifs du système solaire. Ils contiennent jusqu'à 4 % de carbone, principalement présent sous forme de matière organique insoluble (MOI). Celle-ci contient des informations essentielles sur les processus d’organo-synthèse qui se déroulent dans le système solaire, qui sont jusqu'ici mal compris. Un modèle statistique a été récemment proposé pour la structure moléculaire de la MOI ainsi qu'une voie de synthèse possible pour le squelette hydrocarboné de cette macromolécule (Derenne et Robert, 2010). Le premier objectif de ce travail était de tester expérimentalement cette voie avec un plasma organique comme source de radicaux CHx. Ce dispositif a permis la formation de matière organique soluble et insoluble. La MOI a été analysée par les mêmes techniques que celles utilisées précédemment pour la MOI chondritique, révélant de nombreuses similitudes entre les deux matériaux et validant le mécanisme proposé. En outre, des analyses NanoSIMS ont révélé, à une résolution spatiale sub-micrométrique, de grandes variations isotopiques qui sont du même ordre de grandeur que celles observées dans la MOI chondritique. Ensuite, la source des hétéroatomes (N et O) dans la MOI a été expérimentalement étudiée en ajoutant des précurseurs contenant des heteroelements aux radicaux hydrocarbonés. En ce qui concerne l'azote, deux types de précurseurs ont été considérés : l’hexylamine comme source d'hydrures et l'azote moléculaire N2. Bien que les deux précurseurs conduisent à l'incorporation d'azote dans la MOI, les hydrures d'azote semblent être plus pertinents, d’après la nature des fonctions azotées formées. Deux types d'expériences ont été effectuées afin d'étudier la source potentielle d'oxygène dans la MOI chondritique. Elles ont été conçues pour tester les deux principaux scénarios proposés pour rendre compte de la présence d’oxygène dans la MOI chondritique : soit l’altération aqueuse sur le corps parent ou l’incorporation d’oxygène pendant l’organo- synthèse dans la nébuleuse solaire primitive. Lors de l’expérience simulant l'altération aqueuse, la composition chimique de la matière organique soluble et insoluble est en accord avec ce qui est observé dans la matière organique des météorites. En revanche, aucun élément en faveur de l'incorporation directe d’oxygène par des radicaux OH n’a pu être apporté. / Carbonaceous meteorites are the most primitive objects of the solar system. They contain up to 4% of carbon, mainly occurring as insoluble organic matter (IOM). This IOM contains key information about the organo-synthesis processes taking place in the Solar System, which are so far poorly understood. A statistical model was recently proposed for the IOM molecular structure along with a possible synthesis pathway for its hydrocarbon backbone (Derenne and Robert, 2010).The first aim of this work was to test experimentally this pathway using an organic plasma as a source of CHx radicals. This device allowed the formation of both soluble and insoluble OM. The IOM was analyzed through the same techniques as those previously used for the chondritic IOM, revealing numerous similarities between both materials and thus supporting the proposed pathway. Moreover, NanoSIMS analyses revealed large isotopic variations at a sub-micrometric spatial resolution that are commensurable with those observed in chondritic IOM.Then, the source of heteroatoms (N and O) into the IOM was experimentally investigated through the addition of heteroelement-containing precursors to the hydrocarbonaceous radicals. As for nitrogen, two types of precursors were considered: hexylamine as a source of nitrogen hydrides and N2. Although both precursors led to nitrogen incorporation in the IOM, nitrogen hydrides seem to be more relevant based on the nitrogen speciation. Two types of experiments were performed to investigate the potential source of oxygen in the chondritic IOM. They were designed to address the two main scenarios proposed in the literature to account for the origin of the oxygen in the chondritic IOM: either aqueous alteration on the asteroidal parent body or O incorporation during the organo-synthesis in the primitive solar nebula. When the aqueous alteration is mimicked, the chemical composition of the SOM and IOM makes this pathway a reasonable source of the chondrite oxygen moieties. In contrast, no evidence for direct incorporation of O from OH radicals could be brought.

Les accumulateurs métal-air possèdent des densités d'énergie théoriques très élevées, et sont considérés comme de candidats idéaux en vue d'une rupture technologique dans les domaines des véhicules électriques et du stockage stationnaire à grande échelle. Un accumulateur métal-air opérant dans un électrolyte aqueux est peu coûteux, plus sûr, recyclable et a une faible empreinte environnementale. Ainsi, l'aboutissement de cette technologie naissante serait une alternative crédible aux accumulateurs Li-ion qui ont atteint un niveau de maturité technologique. Toutefois, le principal verrou scientifique à lever pour amener ces systèmes dans une réalité commerciale, concerne le développement d'électrodes à air bifonctionnelles. Cela nécessite la conception de catalyseurs peu coûteux et performants vis-à-vis des réactions de réduction (décharge) et de dégagement du dioxygène (charge). Les études ont porté sur la préparation de dérivés du graphène, de cobaltites et de matériaux composites carbone/oxyde. Des caractérisations physicochimiqes ont permis d'accéder à une meilleure compréhension des effets induits par leur composition, leurs propriétés électroniques et morphostructurales. Des expériences ont été conduites pour séparer les effets induits par la nature chimique du support carboné de ceux résultant de l'incorporation d'hétéroatomes ou des propriétés de surface des cobaltites. En outre, une partie de ce travail a été consacrée à l'étude de l'effet de la nature chimique de l'électrolyte (LiOH et K2ZnOH4) sur l'activité et la stabilité des nanoparticules de Co3O4 supportées sur oxyde de graphène réduit et bi-dopé à l'azote et au soufre lors l'électrocatalyse du dioxygène. / Rechargeable metal-air batteries exhibit high theoretical energy densities, and could be an ideal candidate for a technological breakthrough in the field of electric vehicles and large-scale stationary energy storage. Aqueous metal-air batteries are low-cost, safe, recyclable, and have environmental footprint. Thus, the outcome of this emerging technology could offer a credible alternative to Li-ion batteries, which are reaching a technology readiness level. However, the main scientific challenge to bring these systems into a commercial reality concerns the development of bifunctional air electrodes. This requires the design of low-cost, stable and efficient catalysts for both oxygen reduction (discharge) and oxygen evolution reactions (charge). The present work focuses on various investigations of electrocatalysts derived from graphene, cobaltites and carbon/oxide composites. The main objective was the better understanding of the effects induced by their composition, their electronic and morphostructural properties on the catalytic activity and stability of materials towards oxygen electrocatalysis. Experiments were thereby conducted in order to be able to separate effects induced by chemical nature of the carbon substrate from those resulted in the incorporation of heteroatoms or from the spinel cobaltites surface properties. In addition, a part of this study dealt with the impact of the chemical nature of the electrolyte (LiOH and K2ZnOH4) encountered in real aqueous alkali Li-air and Zn-air batteries on the activity and stability of Co3O4/N;S-RGO nanocomposites towards oxygen electrocatalysis.

En dépit de l’importance considérable des matériaux alumino- et borosilicates pour la catalyse, l’origine moléculaire de leur activité demeure mal comprise. Ceci tient à la difficulté de caractériser le désordre structural local généré au sein du réseau silicaté par l’incorporation d’hétéroatomes. Le caractère local de la résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’état solide en fait une technique adaptée pour résoudre cette question majeure. Les silicates en feuillés auto-assemblés en présence de surfactants sont d’excellents systèmes modèles pour l’étude de la structure locale autour d’hétéroatomes de B ou d’Al car la synthèse, la structure moléculaire et la signature RMN 29Si simple de leurs formes siliceuses sont parfaitement maîtrisées. L’incorporation dans leurs réseaux silicatés de différentes quantités d’Al ou de B et leurs conséquences ont été étudiées par des méthodologies avancées de RMN permettant de sonder les interactions à travers l’espace ou les liaisons chimiques entre noyaux de 29Si, 27Al, 11B et/ou 1H, une approche qui peut être étendue à la substitution atomique dans une argile aluminosilicate et un nouveau borosilicate de calcium. Ces résultats ont été combinés à la modélisation moléculaire pour construire et valider des modèles structuraux capables de décrire les distorsions et les réarrangements parfois profonds du réseau résultant de la substitution. Cela a révélé des différences frappantes entre les conséquences de l’incorporation d’Al ou de B dans deux matériaux de morphologie semblables mais de structures moléculaires différentes, et offre une occasion unique de comprendre les propriétés régissant l’incorporation d’hétéroatomes dans les silicates. / While alumino- and borosilicate materials have paramount importance in catalysis, the molecular origin of their activity is not completely understood. This is mainly because the incorporation of heteroatoms into the silicate framework deteriorates the molecular order by generating local disorder that is particularly difficult to establish. Because of its local vision of ordered and disordered environments, solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) can play a key role to solve this long-standing issue. Surfactant-directed layered silicate materials with short-range molecular order are particularly interesting model systems to study the local structures around Al or B heteroatoms because the synthesis, molecular structures, and simple 29Si NMR signatures of their pure-silicate forms are well understood. Various amounts of Al and B atoms were incorporated into their frameworks, and their consequences on the local structure were investigated by state-of-the-art multidimensional NMR measurements probing spatial proximities or bonding interactions between 29Si, 11B, 27Al, and 1H nuclei, an approach that could be extended to atomic substitution in an aluminosilicate clay and a new calcium borosilicate. These results were combined with molecular modeling to build and evaluate structural models that capture the local framework distortions and sometimes profound rearrangements resulting from the atomic substitutions. This reveals remarkable differences between the consequences of the incorporation Al or B in two distinct frameworks of otherwise strongly-related materials, and offers a unique opportunity to understand the properties that drive heteroatom incorporation.

La présence d'hétéroatomes et métaux dans des fractions lourdes de pétrole brut peuvent entraîner la désactivation des catalyseurs d’hydrotraitement et d’hydrocraquage. Les composés contenant ces éléments sont connus pour être inclus dans des agrégats macromoléculaires d’asphaltènes, qui sont considérées comme les composants les plus problématiques des produits pétroliers. Ces travaux ont pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de l’environnement chimique de ces espèces et des phénomènes d’agrégation pour optimiser les processus de raffinage. Des techniques de séparation comme la chromatographie de perméation de gel ou Gel Permeation Chromatography (GPC), Advanced Polymer chromatographie (APC) et la chromatographie sur couche mince d’haute performance ou High Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC) ont été combinées avec des techniques d’analyse élémentaire comme la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif ou Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) et la spectrométrie de masse moléculaire d’haute résolution pour la caractérisation des fractions pétrolières lourdes. Les profils de distribution en taille d’espèces qui contiennent du vanadium, du nickel et du soufre, les hétéroatomes et métaux les plus abondants dans les produits pétroliers, ont été déterminés par GPC couplé à une détection élémentaire par ICP MS. Les paramètres ayant le plus d’impact sur la distribution en taille et l’évolution des agrégats dans les solutions de différentes coupes pétrolières ont été optimisés. Cela nous a permis de faire différentes comparaisons, entre de nombreuses charges et effluents de procédés, ainsi que d’autres séries d’échantillons ou de mélanges provenant d’unités-pilotes d’hydrotraitement. Les résultats obtenus ont pu être mis en regard de caractéristiques macroscopiques comme la viscosité. Le couplage du nouveau système APC avec l’ICP MS a été mis au point avec succès. Cette technique a permis de réaliser des cartographies d’échantillons pétroliers plus rapides qu’en GPC tout en consommant moins de solvant. Cependant, les différences des chromatogrammes APC obtenus par rapport aux profils GPC suggèrent des interactions indésirables avec la phase stationnaire, qui ont été l’objet d’une évaluation approfondie.Enfin, un dernier type de séparation a été évaluée. L’HPTLC, qui utilise des plaques à usage unique, peut être appliquée à la séparation de produits lourds par polarité, et ce sans étapes de déasphaltage préalable, contrairement aux colonnes de chromatographie liquide qui peuvent être détériorées à cause de l'adsorption irréversible et de la précipitation des asphaltènes. Différents types de plaques et éluants ont été testés afin de développer une méthode simple pour la séparation des fractions SAR (Saturés, Aromatiques et Résines) des échantillons de distillat sous vide ou Vacuum Gas Oil (VGO). Ce travail avait pour but des migrations en une seule étape et analyse UV qui pourrait être mis en œuvre pour l’analyse de routine dans les laboratoires de contrôle avec une adsorption irréversible réduite. Des résultats très prometteurs ont été obtenus avec l’utilisation de plaques de cellulose pour la séparation des familles de polarité différentes au sein des agrégats d’asphaltènes. Des tests sur l'analyse directe des plaques par Désorption-Ionisation par Électronébulisation (DESI) MS, l'analyse directe en temps réel ou Direct Analysis in Real Time (DART) MS et Ablation Laser (LA) ICP MS ont été effectués. / The presence of heteroatoms and metals in heavy fractions of crude oil can cause the deactivation of hydrotreatment and hydrocracking catalysts. Compounds containing these elements are known to be included in macromolecular asphaltene aggregates, which are considered the most problematic components of heavy oil. This thesis aimed for a better understanding of the chemical environment of these species and on the aggregation phenomenon to optimize refining processes. Separation techniques such as Gel Permeation Chromatography (GPC), Advanced Polymer Chromatography (APC) and High Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC) were combined with elementary analysis techniques such as Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP MS) or high-resolution molecular mass spectrometry for the characterization of heavy fractions of crude oil. Here, the size profiles of species that contain vanadium, nickel and sulfur, the most abundant heteroatoms and metals present in petroleum products, were determined by GPC online with elemental detection by ICP MS. The parameters having the most significant impact on size distribution and the evolution over time of aggregates from solutions of different petroleum cuts were optimized. This allowed the comparison between various feeds and effluents and other series of samples and mixtures from pilot units of refining processes by GPC ICP MS. Results obtained could be related to macroscopic characteristics such as viscosity. Hyphenation of the new APC System to ICP MS has been successfully completed. It allowed the mapping of petroleum samples faster than GPC, therefore with less solvent consumption. However, the differences of the APC chromatograms obtained with respect to the GPC profiles suggested significant unwanted interactions of the highly polar compounds of the petroleum samples with the stationary phase, which have been thoroughly studied. Finally, another type of separation was evaluated. HPTLC, of single-use plates, can be applied to the analysis of heavy petroleum products by polarity without prior deasphalting steps while chromatography columns can be deteriorated because of the irreversible adsorption and asphaltene precipitation. To this end, various types of plates and eluents were tested to develop straightforward SAR (Saturates, Aromatics and Resins) separations of Vacuum Gas Oil (VGO) samples. This method, based on single-step migrations with reduced irreversible adsorption and UV monitoring, could be implemented for routine analysis in control laboratories. Very promising results were obtained by the use of cellulose plates for the separation of different families within asphaltene aggregates. Tests on Desorption ElectroSpray Ionization (DESI) MS, Direct Analysis in Real Time (DART) MS and Laser Ablation (LA) ICP MS analyses of the plates have been performed.