Cette thèse présente une contribution originale à la compréhension et la maîtrise des mécanismes physico-chimiques qui contrôlent l'élaboration d'un nouveau matériau polymère biphasique de type Super-TPV (thermoplastique vulcanisé) contenant une phase réticulée par le procédé d'extrusion réactive. La phase caoutchoutique est constituée d'un Vinyl-PDMS de haute masse molaire qui est réticulé dynamiquement avec une matrice thermoplastique PA12 lors du procédé de mise en œuvre à l'état fondu (T≈200°C). Le premier des quatre chapitres de ce mémoire est consacré à une étude bibliographique des différents aspects fondamentaux de la réticulation radicalaire des silicones. Dans le chapitre 2, nous avons étudié le processus de réticulation radicalaire du PDMS en fonction de la température (T>160°C). Le peroxyde de dicumyle (DCP) a été utilisé comme amorceur de la réaction. Pour tenter de contrôler la réaction de réticulation à ces températures élevées, le tétraméthylpipéridyloxyde (TEMPO) a été utilisé. Nous avons ainsi montré que le temps à la transition sol-gel viscoélastique augmente en fonction de la concentration de l'inhibiteur. Des études en RMN, DSC et TGA-MS ont montré que le mécanisme à l'origine de ce temps d'inhibition est le greffage des radicaux nitroxyles sur la chaine polymère silicone. Dans le chapitre 3, un modèle original a été développé avec succès pour décrire la rhéocinétique de la réticulation radicalaire contrôlée du PDMS. Cette modélisation est basée sur le couplage de la cinétique des macro-radicaux PDMS recombinés [Rcc(t)] et la variation des modules complexes de cisaillement (G'(t) et de G"(t)). Finalement, dans le chapitre 4 ces études fondamentales ont été développées à l'élaboration d'un TPV basé sur la réticulation radicalaire de la gomme silicone dans une matrice PA12. Nous avons alors montré que l'addition du TEMPO permet d'élaborer par un procédé dynamique un nouveau Super-TPV ayant une structure et une morphologie contrôlée.

L’ACC Oxydase est une enzyme à Fe(II) non-hémique impliquée dans la biosynthèse de l’éthylène chez les plantes. Notre compréhension du mécanisme ainsi le rôle des différents cofacteurs nécessite l’obtention des données structurales. Une structure cristallographique a été publiée montrant la partie C-terminale (C-term) éloignée du site actif. Ce n’est pas la conformation active car la partie C-term est essentielle à l’activité. Un modèle structural a été construit dans lequel la partie C-term est tournée vers le site actif. Différentes conformations semblent donc possibles. Le marquage de spin couplé à la spectroscopie RPE est une technique puissante pour sonder la dynamique structurale des protéines. Elle implique la liaison de nitroxydes sur des cystéines. Il est possible d’analyser la mobilité des sondes pour obtenir des informations sur leur environnement local. Par l’utilisation de techniques de RPE avancées, des mesures de distances entre deux sondes sont possibles. Des mutants portant une ou deux cystéines ont été conçus. La dynamique des mutants marqués a été étudiée in vitro par RPE. Par RPE impulsionnelle, des distances ont été mesurées pour l’ACCO en présence de différentes combinaisons de cofacteurs. Les distances expérimentales ont été comparées à celles prédites à partir des structures cristallographiques et du modèle structural et aussi à celles obtenues par des calculs de dynamique moléculaire. Pour cibler d’autres positions sur l’ACCO, l’introduction d’un acide aminé non naturel a été réalisée avec succès permettant d’obtenir de premières données structurales. Des données structurales préliminaires par RPE in cell sont également présentées / ACC Oxidase is a nonheme iron(II) containing enzyme involved in the biosynthesis of ethylene in plants. ACCO reaction mechanism and the role of the various cofactors are not well understood and structural and dynamic data are still required. A crystallographic structure has been reported showing the C-terminal part (C-term) away from the active site. This is not the active conformation as it has been shown that the C-term is essential. Later, a structural model has been proposed in which the C-term is folded towards the active site. Different conformations can be hypothesized. A technique well suited to monitor protein dynamics is site-directed spin labeling followed by EPR spectroscopy. It relies on the insertion of a nitroxide derivative on cysteines. Using this approach, it is possible to analyze the mobility of the label in order to obtain information on its local environment. Moreover using advanced EPR techniques, it is possible to acquire interspin distances between two incorporated probes. Mutants bearing one or two cysteines at desirable positions were designed. The dynamics of labeled mutants were studied in vitro using continuous wave EPR. By pulsed EPR, distances were recorded for ACCO in presence of different combinations of cofactors. The experimental distances were compared to the predicted ones obtained from the crystallographic and model structures, and also to the calculated ones obtained by molecular dynamic simulations. A successful introduction of an unnatural amino acid onto the sequence of ACCO was performed, allowing to obtain earliest results. The achievement of preliminary structural data by in cell EPR are also presented

Une macroalcoxyamine hydrosoluble (poly(acide acrylique) fonctionnalisé par le nitroxyde SG1) a été utilisée avec succès en polymérisation radicalaire contrôlée en milieux aqueux dispersés. En émulsion, des latex de poly(acrylate de n-butyle), de polystyrène et de copolymères correspondants ont pu être obtenus pour la première fois selon un procédé émulsion batch ab initio, procédé le plus viable industriellement. Le mode opératoire ne requiert pas l'utilisation de tensioactifs classiques. Des particules de copolymères dibloc à cœur hydrophobe et écorce polyélectrolyte avec un diamètre moyen compris entre 30 et 100 nm sont synthétisées au sein de suspensions pouvant atteindre des taux de solide de 40 wt.%. Les masses molaires et les indices de polymolécularité révèlent le caractère contrôlé de la polymérisation en dépit d'une efficacité d'amorçage déficiente. Différents paramètres permettant de modifier les masses molaires des polymères et la taille des particules ont été mis en évidence. Le mécanisme de formation des particules est discuté ainsi que la cinétique de polymérisation dans les particules. En dispersion, des particules de poly(N,N-diéthylacrylamide) dissociables thermiquement et réversiblement ont été synthétisées avec des caractéristiques macromoléculaires et colloïdales proches de celles obtenues en émulsion et ce, jusqu'à 40 wt.% de taux de solide. Par l'introduction d'un monomère réticulant selon un procédé batch ou semi-batch, des nanogels thermosensibles sont produits. Ce résultat constitue une avancée majeure dans ce domaine puisque, pour la première fois, une suspension concentrée de nanogels de faibles diamètres a pu être obtenue sans tensioactif.

De nouvelles membranes synthétiques poreuses à morphologies et performances contrôlées ont été développées grâce à l'utilisation de copolymères à blocs. De telles macromolécules peuvent s'auto-organiser en structures de géométries bien définies et sont par ailleurs capables d'agir sur la courbure des interfaces. De nouveaux copolymères triblocs ABA, possédant un bloc central en poly(oxyéthylène) et deux blocs terminaux en poly(styrène), ont été préparés en utilisant une stratégie de synthèse originale fondée sur la combinaison de réactions de modification chimique des bouts de chaîne et d'une méthode de polymérisation radicalaire contrôlée par les nitroxydes. Les diverses morphologies formées par auto-assemblage de ces copolymères à blocs dans des films fins ont par la suite été étudiées en fonction de leur structure et de plusieurs paramètres opératoires (vitesse d'évaporation, concentration, ...etc). A partir de ces résultats, de nouvelles membranes modèles possédant des pores cylindriques organisés de dimension nanométrique calibrée et contrôlée ont été élaborées. De plus, la synthèse d'autres copolymères triblocs amphiphiles a été développée en adoptant une démarche multi-étapes intégrant une polycondensation. Ces copolymères sont constitués en leur centre d'un bloc hydrophobe en poly(éther imide) aromatique et pour leurs extrémités de blocs hydrophiles en poly(oxyéthylène). Des membranes à propriétés d'usage définies ont ensuite été conçues en maîtrisant leurs mécanismes de structuration, soit au moyen des paramètres du procédé, soit en introduisant des copolymères triblocs dans la formulation. Ces derniers ont été utilisés comme additifs afin de mettre à profit leurs propriétés d'auto-organisation interfaciale dans une solution de poly(éther imide) où se produit une séparation de phase induite par un non-solvant. Finalement, les performances de l'ensemble des membranes obtenues dans ce travail ont permis de valider les deux approches envisagées.

Cette thèse présente une contribution originale à la compréhension et la maîtrise des mécanismes physico-chimiques qui contrôlent l’élaboration d’un nouveau matériau polymère biphasique de type Super-TPV (thermoplastique vulcanisé) contenant une phase réticulée par le procédé d’extrusion réactive. La phase caoutchoutique est constituée d’un Vinyl-PDMS de haute masse molaire qui est réticulé dynamiquement avec une matrice thermoplastique PA12 lors du procédé de mise en œuvre à l’état fondu (T≈200°C). Le premier des quatre chapitres de ce mémoire est consacré à une étude bibliographique des différents aspects fondamentaux de la réticulation radicalaire des silicones. Dans le chapitre 2, nous avons étudié le processus de réticulation radicalaire du PDMS en fonction de la température (T>160°C). Le peroxyde de dicumyle (DCP) a été utilisé comme amorceur de la réaction. Pour tenter de contrôler la réaction de réticulation à ces températures élevées, le tétraméthylpipéridyloxyde (TEMPO) a été utilisé. Nous avons ainsi montré que le temps à la transition sol-gel viscoélastique augmente en fonction de la concentration de l’inhibiteur. Des études en RMN, DSC et TGA-MS ont montré que le mécanisme à l’origine de ce temps d’inhibition est le greffage des radicaux nitroxyles sur la chaine polymère silicone. Dans le chapitre 3, un modèle original a été développé avec succès pour décrire la rhéocinétique de la réticulation radicalaire contrôlée du PDMS. Cette modélisation est basée sur le couplage de la cinétique des macro-radicaux PDMS recombinés [Rcc(t)] et la variation des modules complexes de cisaillement (G'(t) et de G"(t)). Finalement, dans le chapitre 4 ces études fondamentales ont été développées à l’élaboration d’un TPV basé sur la réticulation radicalaire de la gomme silicone dans une matrice PA12. Nous avons alors montré que l'addition du TEMPO permet d’élaborer par un procédé dynamique un nouveau Super-TPV ayant une structure et une morphologie contrôlée. / The control of macromolecular structure has recently become an important topic of polymer science from both an academic and an industrial point of view. Indeed, free-radical crosslinking of Polydimethyl-vinylmethyl-siloxane (vinyl-PDMS) rubber by organic peroxide suffers from premature crosslinking at high temperatures, which is called scorching. Consequently, the basic aim of the investigations described in this thesis is to widen and explore the network topology–crosslinking kinetics relationships and find a novel way to control free-radical crosslinking chemistry and topological parameters of final PDMS networks. The work is primarily focused on the extensive study of the crosslinking control of PDMS rubber at high temperatures. A novel composition using 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxyl (TEMPO) and dicumyl peroxide (DCP) for scorch delay and control of the final network topology of the PDMS has been proposed. The work specified in this thesis is therefore directed to find a proper [TEMPO]/[DCP] ratio provided the development of a new biphasic material such as PA12/PDMS blend type TPV (Thermoplastic Vulcanizated). For this purpose a new method based on the relationship between the kinetics of the macro-radicals coupling [Rcc(t)] was derived from a fundamental kinetic model and the viscoelastic changes of the complex shear modulus (G’(t) and G”(t)). As a main result, the rheological modelling shows that this new method accurately predicts the time variation of complex shear modulus at any temperature and [TEMPO]/[DCP] ratio. Interestingly, addition of TEMPO to the TPV novel composition provided the PA12/PDMS blend compatibilization in the dynamic process and gives a new material having a controlled structure and morphology. A better insight in understanding the blend composition and the morphology development relationships is aimed at.

La polymérisation radicalaire contrôlée par le nitroxyde SG1 (NMP) du styrène et de l'acrylate de n-butyle a été menée à partir de particules de silice mésoporeuse fonctionnalisées par un amorceur de NMP, selon la technique du grafting from. Des silices de morphologies variées ont été utilisées, et des matériaux hybrides à fort taux de polymère ont été obtenus. La cinétique de la polymérisation et les caractéristiques du polymère greffé ont été étudiées, en présence éventuellement d'amorceur libre en solution. Des particules hybrides sphériques et creuses ont aussi été synthétisées selon la technique du grafting onto. Une couche de poly(N,N-diéthylacrylamide) est greffée à l'extérieur de la particule, constituée d'une sphère creuse de silice mésoporeuse, dont les pores sont orientés radialement depuis la surface. La charge et la libération du zoledronate, dans une solution saline, ont montré que la structure creuse de la particule permet de charger plus de principe actif qu'une silice mésoporeuse conventionnelle.

Ce travail de thèse s’inscrit dans un contexte industriel. Il consiste en la caractérisation de lots bruts de SG1 : le N-tert-butyl-N- (1-diethylphosphono-2,2-dimethylpropyl)-N-oxyle. La spécificité de cette espèce est son caractère radicalaire stable. La première partie de ce travail consistait à développer une méthode d’analyse, facilement applicable en laboratoire d’analyse de contrôle sur site industriel pour la caractérisation de la pureté en SG1 dans des lots synthétisés. La méthode choisie a été développée par chromatographie liquide haute performance (HPLC). Pour ce faire, un étalon de SG1 a été préparé par purification de SG1 brut industriel en utilisant la technique séparative chromatographique de partage centrifuge (CPC). L’identification des impuretés suspectées majoritaires dans les lots de SG1 bruts a ensuite été réalisée par spectroscopie RMN ou par l’étude des fragments obtenus par spectrométrie de masse en tandem par ionisation electrospray. A l’aide de ces techniques, quinze impuretés majori- taires ont été identifiées. Des méthodes de quantification ont ensuite été développées pour douze de ces impuretés par diverses techniques analytiques chromatographiques : par HPLC-UV, HPLC-MS ou GC-MS ou par des techniques spectroscopiques Infra-Rouge ou encore par conductimétrie. / This PhD study has been carried out within an industrial context. It deals with the characterization of industrial batches of N-tert-butyl-N- (1-diethylphosphono-2,2-dimethylpropyl)-N-oxyle also called SG1. The distinctive feature of this molecule lies in its specific stability which is uncommon for radical species. The first part of this study consists in developping an analytical method, easy to implement in a QC laboratory for the determination of SG1 purity. The chosen analytical method has been developped by High Performances Liquid Chromatography (HPLC). This method requires the use of a standard sample of SG1, which has been obtained after purification of industrial batches of SG1 by the use of an innovative separative technology, the Centrifugal Partition Chromatography (CPC). The identification of the impurities, suspected as the major impurities in the industrial batches of SG1, has been carried out by NMR spectroscopy or by the study of their fragmentation observed by Tandem Mass Spectrometry – Electrospray Ionization. The use of these techniques enabled the identification of fifteen major impurities. Quantification methods by various techniques (HPLC-UV, HPLC-MS, GC-MS, other direct spectroscopic techniques like Infra-Red or other types of techniques like conductimetry) have been developped for twelve impurities.

La photopolymérisation radicalaire contrôlée (P2RC) est un domaine en plein essor en science des matériaux. En effet, ce procédé permet d’envisager la synthèse de polymères à architecture complexe dans des conditions douces et constitue une approche de choix pour élaborer des couches de polymères microstructurées. Dans ce contexte, l’extension des techniques RAFT, ATRP et NMP à un mode photochimique est principalement étudiée. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés en particulier à la technique de NMP2 (Nitroxide Mediated Phototopolymerization). Typiquement nous avons préparé des alcoxyamines photosensibles pour un contrôle de la polymérisation sous irradiation. Une attention spéciale a été portée sur la compréhension du mécanisme régissant le procédé et sur des relations structure/réactivité. De plus les meilleurs candidats ont été testés en NMP2 et plus particulièrement pour la conception de motifs structurés de polymères sur surface. Enfin, de nouvelles approches ont été explorées pour effectuer une NMP2 avec notamment l’ESCP (Enhanced Spin Capturing Polymerization). / Controlled radical photopolymerization represents a rapidly emerging field in material science. This process is characterized by important advantages and provides the possibility to prepare complex polymer architectures in mild conditions such as patterns. In recent years, the development of controlled radical photopolymerizations, such as RAFT, ATRP and NMP, is recognized as particularly interesting and powerful. In this context, we focused our research to the development of the NMP2 polymerization. In line with this research context, the topic of this thesis was to prepare alkoxyamines for a photochemical control. Particular attention has been focused on understanding the mechanism governing the process and structure/reactivity relationships. In addition, the best candidates were tested in NMP2 process and more particularly to the preparation of polymer patterns on surface. Finally, new approaches have been explored to perform NMP2 such as ESCP (Enhanced Spin Capturing Polymerization).

Ce travail expose deux stratégies pour le développement de nouveaux agents de contraste pour le diagnostic par IRM rehaussée par l’effet Overhauser.Le premier thème de ce travail est consacré au développement d’une sonde radicalaire, de type nitroxyde, capable de modifier sa signature RPE (Résonance Paramagnétique Electronique) en fonction d’une activité enzymatique. Cette modification, due à un changement conformationnel, a permis une irradiation microonde sélective de la sonde libérée par protéolyse. Cette particularité a pu être appliquée à l’IRM rehaussée par l’effet Overhauser et une amélioration du contraste de l’image de 1200% in vitro a été observée après hydrolyse enzymatique. Du fait de contraintes techniques, une amélioration du contraste de 600% a été obtenue in vivo alors que de nos jours,les agents de contraste les plus courants en clinique, basés sur des complexes de GdIII, améliorent le contraste de l’image d’environ 50 %. Le second thème aborde la synthèse et l’étude physico-chimique d’alcoxyamines, précurseurs de nitroxydes, pour le diagnostic par IRM rehaussée par l’effet Overhauser. Le point clé de cette approche repose sur l’activation de ces molécules afin de libérer rapidement le nitroxyde in situ. Les résultats de monoactivation chimique étant encourageants, la double activation chimique de ces nouvelles alcoxyamines a permis d’abaisser drastiquement le temps de demi-vie de l’une d’entre elles pour obtenir des valeurs compatibles avec des applications en diagnostic. Un pseudo-peptide sélectif de la chymotrypsine a également été greffé,ce qui a permis d’aboutir à une alcoxyamine modèle qui permettra de valider le concept de diagnostic recherché. / This work promotes two strategies for the development of new contrast agents for the diagnosis by Overhauser enhanced MRI. Two approaches have therefore been addressed.The first approach is devoted to the development of a nitroxide-type spin label, which is capable to change its EPR (Electron Paramagnetic Resonance) signature upon a non-radical enzymatic activity. This modification, due to a conformational change, allowed us to perform a selective microwave irradiation of the probe released by proteolysis. This feature was applied to Overhauser enhanced MRI and of the image after enzymatic hydrolysis of 1200% in vitro has been obtained. Due to technical hindrances, a contrast enhancement of 600% has been obtained in vivo, while nowadays, the most common clinical contrast agent, based on GdIII complex, improve image contrast around a value of 50%.The second topic deals with the synthesies and the physico-chemical study of alkoxyamines, as nitroxide precursors, for the diagnosis by MRI enhanced by the Overhauser effect. The key point of this approach is based on the activation of these molecules to quickly release the nitroxide in situ. Encouraged by the results of chemical monoactivation, we performed the double chemical activation of these new alkoxyamines to drastically reduce the half-life time of one of them to obtain values compatible with diagnostic applications. A selective pseudo-peptide of chymotrypsin has also been grafted, which allowed us to achieve an alkoxyamine model that will validate our concept of diagnosis.

Au cours des dernières décennies, l'électronique s'est développée de manière à répondre au besoin grandissant de stocker et traiter toujours plus d'information, et elle a évolué de manière incessante vers une miniaturisation extrême. Dans ce contexte, les molécules-aimants, qui sont des entités moléculaires magnétiques, présentent une bistabilité magnétique permettant de stocker l'information dans des unités de la taille d'une molécule. Le principal frein aux applications tient aux basses températures auxquelles ces molécules présentent de telles propriétés (< 15K). Il est donc important de comprendre les mécanismes mis en jeu au sein de ces entités afin d'augmenter les températures de fonctionnement. Un moyen prometteur est de ponter deux ions de lanthanides par un ligand radicalaire. Cette approche a conduit à la conception de la molécule-aimant ayant à ce jour la plus haute température de blocage (14 K). Ce travail de thèse est dédié à la conception et à la caractérisation des structures, ainsi qu'à l'étude des propriétés magnétiques et des relations magnéto-structurales par spectroscopie électronique de molécules aimants et d'aimants à base moléculaires. Ces systèmes sont élaborés à partir d'ions de lanthanides(III) ou de manganèse(II) et de radicaux libres organiques de types nitronyl-nitroxyde. Une attention particulière sera dirigée vers la réalisation de complexes dinucléaires de lanthanides pontés par un ligand radicalaire, et sur l'étude de la brique monomérique. Nous avons exploré la possibilité d'utiliser le radical NITBzImH comme ligand radicalaire pontant des briques moléculaires de type [Ln(β- dicétone)3] et [Ln(NO3)3]. Nous nous sommes intéressés au comportement magnétique inhabituel d'un polymère de coordination de manganèse(II) pontés par les radicaux NITIm, parent de NITBzImH, puis nous avons commencé à nous intéresser à l'effet produit en remplaçant les manganèses(II) par des lanthanides(III) / For the past decades, electronics have been developed in order to meet the increasing need of information storage, always evolving to the constant upgrade of their components: better, faster, smaller. Twenty-five years ago, the recently created field of molecular magnetism allowed designing entities responding to the aforementioned requirements: Single- Molecule-Magnets (SMMs). On the one hand, those are compounds showing magnetic bistability affording to stock information and on the other hand, they are the smallest entities available to design any information support. In spite of those remarkable qualities, they require very low temperature (< 15 K) to display their properties. Thus, it is of primary importance to understand underlying mechanisms in order to increase this temperature range. One promising route is to connect lanthanide dimer by a radical bridge. This method has led to the discovery of a SMM, whose blocking temperature is the highest known to date (14 K). This thesis work has been dedicated to the conception of SMMs and molecular-based magnets, as well as the characterization of their structures and magnetic properties, and their magneto-structural relationships by electronic spectroscopy. Those systems were mostly based on lanthanide(III) or manganese(II) ion and nitronyl-nitroxide organic free radicals. A special focus was made to the synthesis of dinuclear lanthanide complexes bridged by an organic free radical, and to the study of their mononuclear complex. We have studied the potential of NITBzImH radical as a bridge for [Ln(β-diketonate)3] and [Ln(NO3)3] molecular bricks. We also took interest to the unusual magnetic behavior of a manganese(II) coordination polymer, where each metal center is bridged by a NITIm radical, closely related to NITBzImH radical. Finally, we started to explore the changes induced by switching manganese(II) to lanthanide(III)