Les conséquences économiques, politiques et environnementales de la consommation énergétique galopante de nos sociétés nécessitent le développement d'énergies renouvelables. Le dihydrogène est un des principaux candidats à ce poste. Sa production par électro- ou photolyse de l'eau est réalisée par des catalyseurs métalliques. Dans le processus de la photosynthèse, cette réaction est réalisée par un agrégat d'ions manganèses liés par des ponts oxo, selon un mécanisme qui reste inconnu. Le développement de nouveaux catalyseurs de coût plus faible nécessite la compréhension des mécanismes fondamentaux de la réaction d'oxydation de l'eau. Notre travail de thèse a consisté à étudier les étapes élémentaires de cette réaction, à savoir, l'activation d'une molécule d'eau par des complexes de manganèse. Nous avons étudié pour cela la formation par voie électrochimique de complexes mononucléaires manganèse(IV) et (V)-oxo. Le premier chapitre traite de la problématique environnementale et énergétique actuelle. Le second chapitre décrit les éléments fondamentaux de la chimie du manganèse, ainsi que la structure et le fonctionnement de l'enzyme responsable de l'oxydation de l'eau. Une approche générale de la catalyse artificielle d'oxydation de l'eau est également présentée, ainsi que les objectifs de nos travaux. Le chapitre trois présente la synthèse et la caractérisation d'une nouvelle famille de ligands tétradente et des complexes de nickel(II) et de manganèse(III) correspondant. La préparation électrochimique de complexes de nickel(III) et manganèse(V) est présentée. Le chapitre quatre décrit la préparation d'un complexe mononucléaire manganèse(IV)- oxo par oxydation électrochimique d'un complexe manganèse(II)-aqua. Le complexe de manganèse(IV), ainsi que certains intermédiaires de manganèse(III) ont été caractérisés par différentes techniques spectroscopiques. Le chapitre cinq présente la synthèse d'une famille de ligands pentadentes et des complexes de manganèse(II) et (III) correspondant. La formation électrochimique de deux complexes de manganèse(IV) mononucléaire et (III/IV) dinucléaire nous renseigne sur les critères régissant la nucléarité au sein d'une même famille de ligands. Le chapitre six présente la synthèse d'un ligand possédant une double cavité, pour l'élaboration de complexes dinucléaires de manganèse en face-à-face.

Ces travaux de thèse se partage en deux parties distinctes : d’une part, les travaux concernant l’insertion du cobalt dans la liaison C(O)–N d’amide non-planaire, et les réactions de catalyse qui en découlent, et d’autre part, le développement d’une nouvelle famille de complexes de cobalt, basé sur ligand 5-(4-pyridyl)dipyrrométhène et ses dérivés. Dans la première partie, qui concerne la catalyse au cobalt avec les dérivés d’amides, la réactivité de différents sels et complexes de cobalt avec les amides non-planaires a été étudiés. L’insertion du cobalt se fait en présence de bipyridine en tant que ligand, dans le DMF, avec du manganèse métallique en tant que système réducteur. L’optimisation des réactions de conversion des amides secondaires en esters et les couplages réducteurs entre amides et iodoaryles est ensuite décrite.Dans la seconde partie, concernant la chimie de coordination du cobalt, le développement de complexes cobalt-dipyrrométhène est présenté. Dans un premier temps, l’optimisation de la synthèse des 5-(4pyridyl)dipyrrométhène décrite, suivi de tests de complexation avec différents précurseurs de cobalt. Le ligand ayant deux sites de coordination, la coordination sélective d’un métal de transition sur un des sites dépends principalement de l’encombrement du site "dipyrrométhène”. Si ce site est suffisamment encombré, le cobalt se chélate préférentiellementsur la partie pyridine. Pour forcer la coordination du cobalt dans la partie dirpyrrin, il est nécessaire de bloquer la partie pyridyl. En coordinant un précurseur de ruthénium photosensible sur la pyridine avant le cobalt, il est possbile d’obtenir un complexe bimétallique cobalt-ruthenium, permettant la photoréduction du cobalt, et donc potentiellement le développement d’une catalyse au cobalt sans réducteur métallique. / This thesis is divided in two distinct part: on one side, the works concerning the cobalt insertion into the C(O)–N bond of non-planar amides, and the resulting reactions, and on the other side, the development of a new family of cobalt complexes, based on the 5-(4-pyridyl)dipyrromethene ligand and its derivatives.In the first part, concerning cobalt catalysis with amide derivatives, the reactivity of different cobalt precursors and complexes toward non-planar amides has been studied. The insertion of the cobalt can be realized in presence of bipyridine as ligand, en DMF, with manganese powder as reductant system. The otpimization of the amide-to-ester conversion and the reductive cross-coupling between amides and iodo-aryl is then described.In the second part, concerning the coordination chemistry of cobalt, the development of cobalt-dipyrromethene complexes is presented. Firstly, the optimization of the 5-(4-pyridyl)dipyrromethene synthesis is described,followed by complexation tests with different cobalt precursors. With two coordination sites on the ligand, the selective coordination of a transition metal on one of the sites depends mainly on the dipyrrin hindrance. If this part is hindered enough, cobalt chelate preferentially on the pyridyl part. To force the cobalt coordination on the dipyrrin part, it is necessary to occupied the pyridyl part. By coordinating a photoensitive ruthenium precursor on the pyridine, it is possible to obtain un bimetallic cobalt-ruthenium complex, allowing the cobalt photoreduction, and potentially the development of a cobalt catalysis without metallic reductant.

Ce travail présente l'élaboration de polymères de coordination du fer(II) à transition de spin, l'étude de leurs propriétés magnétiques et structurales et la recherche des facteurs conditionnant l'observation de transitions de spin fortement coopératives à l'état solide. La stratégie d'autoassemblage mise en oeuvre a permis l'obtention de plusieurs familles de polymères avec des espaceurs bipyridiniques et dicyanamide. L'analyse approfondie des données structurales concernant ces polymères par diffraction des rayons-X sur monocristal permet d'étudier les interactions inter-sites et leur influence sur les propriétés magnétiques de ces systèmes. On observe ainsi que la coopérativité de la transition de spin est davantage renforcée par les interactions intermoléculaires non-covalentes (liaisons hydrogène, pi-stacking) qui se développent entre les chaînes polymériques que par les interactions élastiques transmises d'un site métallique à l'autre par les ligands pontants plus ou moins rigides.

The English translation of the chapters written in French is available in Appendix. / La motivation initiale de ce travail provient de l'importance que les composés de coordination ont dans notre vie quotidienne. Leurs propriétés les rendent attrayants pour un large éventail d'applications, dans des domaines allant de la catalyse et de la conversion et stockage de l'énergie solaire jusqu’au domaine des matériaux et des sciences de la vie. Poussée par l'évolution et le progrès général de notre société, la recherche en chimie de coordination moderne évolue vers la complexité au niveau moléculaire, où la Nature représente une source majeure d'inspiration, comme dans le cas de la photosynthèse artificielle et de la chimie métallo-supramoléculaire. Dans le même temps, l'étude des complexes de coordination nourrit la curiosité scientifique et les approches pluridisciplinaires ouvrent de nouveaux mondes fascinants, tout en repoussant les frontières de la connaissance à des niveaux sans précédent. En continuité avec l'étude et le développement de composés de coordination pour des applications spécifiques, le thème central de cette thèse est l'interaction Métal - Ligand et les moyens de la moduler par le design du ligand, afin de générer les propriétés nécessaires pour les applications ciblées. Le design de complexes de coordination est considéré comme un «ensemble de composants modulables» – le ligand: les groupes fonctionnels des atomes donneurs, les substituants et leurs effets électroniques et stériques, le type et la dimension du cycle chélate; l’ion métallique; l'environnement. Les ligands étudiés ici sont les oxydes d’amidines N,N’-disubstitués (AMOXs) (aussi appelés α-aminonitrones ou hydroxyamidines). L'influence du motif de substitution du ligand sur les propriétés des composés est étudiée pour des complexes bis(AMOX) de cobalt(II) et de zinc(II). Les bis(chélates) de cobalt(II) sont plan carré (bas spin) à l'état solide, mais présentent une isomérisation de la structure plan carré (bas spin) vers une structure tétraédrique (haut spin) en solution dans des solvants non-coordinants. L'équilibre d'isomérisation est fortement influencé par le motif de substitution sur le ligand, du fait d’une combinaison de facteurs stériques et électroniques. Une approche théorique (DFT/ TD-DFT) et expérimentale combinée a montré que, dans la famille des chélates bis(AMOX) de zinc(II), le gap optique peut être finement modulé pour de potentielles applications dans des dispositifs optoélectroniques par la modification spécifique des ligands. Un cas spécial de solvatomorphisme a été identifié: des modifications de la géométrie et de l’état de spin sont induites par la présence ou l’absence de liaisons hydrogènes dans un même composé de cobalt(II). L’influence de l'environnement est ainsi illustrée. Les interactions faibles sont les principaux facteurs responsables pour la stabilisation du système vers une combinaison spécifique géométrie - état de spin à l'état fondamental, de façon similaire au contrôle allostérique et aux interactions hôte-invité dans les systèmes biologiques. Des études préliminaires vers des systèmes supramoléculaires à base des ligands AMOX ont été effectuées (assemblées multimétalliques vers des matériaux fonctionnels et des systèmes photocatalytiques pour conversion d'énergie solaire, en particulier la photocatalyse pour la production de H2). J’espère que les résultats et les perspectives présentées dans cette thèse incitent à la poursuite de la chimie de coordination des AMOXs. / The underlying motivation for this work stems from the importance that coordination compounds play in our daily lives. Their properties make them suitable and attractive for a wide range of applications in fields going from catalysis and solar energy conversion/ storage to materials and life sciences. Driven by the general progress of our society, research in modern coordination chemistry evolves toward complexity at the molecular level, with Nature representing a major source of inspiration as shown by artificial photosynthesis and metallosupramolecular chemistry. At the same time, the study of coordination complexes nurtures scientific curiosity, and multidisciplinary approaches are opening fascinating new worlds, while pushing the frontiers of knowledge to unprecedented depths. In line with the study and the development of coordination compounds for specific applications, the central theme of this thesis is the Metal-Ligand interaction and how it can be modulated through ligand design to generate the properties targeted for particular applications. The design of coordination complexes is seen as a ‘collection of adjustable components’ (e.g. the ligand: the donor atoms and their functional groups, the type and the size of the chelating ring, the ring substituents and their electronic and steric effects; the metal-ion; the environment). The ligands under study are the N,N’-disubstituted amidine oxides (AMOXs) (also known as α-aminonitrones/ hydroxyamidines). The influence of the ligand substitution pattern on the properties of the compounds is investigated in series of cobalt(II) and zinc(II) bis(AMOX) complexes. The cobalt(II) bis(chelates) are square-planar (low spin) in the solid state, but show square-planar (low spin) to tetrahedral (high spin) isomerization in solution of non-coordinating solvents. The isomerization equilibrium is highly sensitive to the substitution pattern on the ligand due to a combination of steric and electronic influences. A combined experimental and theoretical approach [DFT and time dependent (TD-DFT)] has shown that in the family of zinc(II) bis(AMOX) chelates, by specific modification of the ligands, the optical band gap can be fine-tuned for potential applications in optoelectronic devices. A special case of hydrogen-bonding-induced geometry and spin change at a cobalt(II) centre within a same cobalt(II) bis(chelate) has been identified. It highlights the influence of the environment on the properties of the complex. Weak interactions are the main factors responsible for biasing the system toward a specific geometry – spin state combination in the ground state, in a similar fashion to allosteric control and host-guest interactions in biological systems. Preliminary studies were conducted toward AMOX-based supramolecular systems: multimetallic assemblies toward functional materials and photocatalytic systems for solar energy-conversion (in particular photocatalysis for H2 production). It is my hope that the above results and the perspectives presented in this work motivate further developments in AMOX coordination chemistry.