Les micropolluants organiques (MPO) tels que les HAPs, PCBs et NP sont sous la surveillance étroite des différentes agences de santé et de l'environnement à cause de leurs effets toxiques, cancérigènes et perturbateurs endocriniens sur les organismes vivants. Dans l'environnement, ils se retrouvent dans le sol, les aquifères, les eaux usées, et en raison de leurs propriétés hydrophobes, ces MPO sont principalement associés aux compartiments matière organique dans les boues d'épuration et les sédiments de rivières. La digestion anaérobie, procédé de stabilisation des boues, présente un potentiel pour l'abattement de ces composés. Les deux principaux mécanismes qui régissent l'abattement dans ces conditions des MPO sont le cométabolisme et la biodisponibilité. Leur double influence est évaluée dans ce travail, avec un focus fort sur l'étude des interactions MPO-matrice, la détermination de la distribution des MPO dans les compartiments physiques de la matrice (libre, sorbé à la matière dissoute et colloïdale (DCM) et sorbé aux particules) et avec une caractérisation fonctionnelle, physique et chimique détaillée de la matrice. Pour cela, des réacteurs anaérobies continus et batch ont été mis en œuvre avec des boues de caractéristiques différentes. L'abattement des MPO varie considérablement en fonction des caractéristiques des boues s'expliquant soit par des variations du niveau de cométabolisme, soit par les différents niveaux de biodisponibilité ; ceci suggère qu'une caractérisation détaillée de la matrice boue pourrait aider à prévoir les niveaux d'abattement des MPO. Par ailleurs, les cinétiques en batch montrent que l'abattement des MPO est associé aux premières étapes de la digestion anaérobie, conjointement à leur transfert du compartiment des particules vers le compartiment aqueux. L'abattement des MPO s'observe simultanément dans les trois compartiments libre, sorbé à la DCM et sorbé aux particules. Il est aussi noté l'importance du compartiment DCM sur l'abattement des MPO de haut poids moléculaire. Les coefficients de partage KDOC et Kpart ont été calculés pour étudier les interactions MPO-matrice., Ces données couplées à celles de caractérisation fonctionnelle de la matrice par fluorescence 3D ont permis de construire un modèle explicatif et prédictif des interactions MPO-matrice à l'aide de la méthode de régression partielle des moindres carrés (PLS). Il a été constaté que le compartiment type acide humique a un rôle important dans les interactions MPO-matrice, principalement dans la phase aqueuse, et dans la phase particulaire, les protéines complexes régissent les interactions. Enfin, des modèles PLS explicatifs et prédictifs d'abattement total des MPO ont été construits. Il en ressort que l'abattement des MPO est favorisé par tous les paramètres du cométabolisme (abattement des divers compartiments matière) et par la concentration des MPO en phase aqueuse ce qui tenterait à confirmer que ce compartiment correspond au compartiment biodisponible. Le modèle prédictif basé sur les caractéristiques des boues initiales a identifié les concentrations initiales de MPO (libre, sorbé à la DCM et aux particules) comme les variables les plus importantes qui permettent de prédire l'abattement total des MPO. Cette étude contribue ainsi à mieux comprendre la répartition des MPO dans les matrices boue, et son implication dans le devenir des MPO, de prévoir cette répartition par une caractérisation fonctionnelle de la matrice et de proposer des stratégies pour optimiser l'abattement des MPO au cours de la digestion anaérobie. / Organic micropollutants (OPs) such as PAHs, NP and PCBs, are nowadays looked as environmental pollutants by environmental and health agencies because of their toxic, carcinogenic and endocrine disrupting effect on living organisms. Within the environment, they can deposit to soil, water bodies and sewage system and due to their hydrophobic properties, they are mainly associated with hydrophobic compartments such as organic matter in sewage sludge. Anaerobic digestion has been shown as a potential biological process for removing these compounds. The two main mechanisms that govern their anaerobic removals are the cometabolism and the bioavailability. In this work, cometabolism and bioavailability influences were evaluated focusing mainly on the study of the OP-organic matrix interactions, the determination of the OPs distribution among the physical compartments (free, sorbed to dissolved and colloidal matter (DCM) and sorbed to particles) combined with a detailed physical, chemical and functional matrix characterization. For this, continuous and batch anaerobic reactors were fed with different sludge samples. It was found that the OPs removals varied greatly as a function of sludge characteristics and that greater or lesser removal might be explained either by variations in cometabolism or by different levels of bioavailability, suggesting that a detailed characterization of the feed may help to predict the OPs removals. Additionally, batch kinetics demonstrated that OPs removals are coupled to the first step of the anaerobic digestion, jointly to the OPs transfer from the particules to the aqueous compartment. The OPs are simultaneously removed from the three physical compartments (free, DCM and particules). Moreover, it was highlighted the importance of the DCM fraction on the removal of the high molecular weight OPs. KDOC and Kpart partition coefficients were calculated to study the OP-organic matrix interactions coupled to a functional characterization by 3D fluorescence of the matrix in order to construct an explicative and predictive model of the OP-organic matrix interactions using partial least square regression (PLS). It was found that the humic acid-like compartment has a great role in the OP-organic matrix interactions mainly in the aqueous phase, and in the particulate phase, the complex proteins govern the interactions. Finally, explanatory and predictive PLS models of total OPs removals were constructed. It was concluded that OPs removals are favored by all cometabolic parameters (substrates removals) jointly to the aqueous OPs concentration which tends to confirm that this compartment corresponds to the bioavailable one. The predictive model based on the initial sludge characteristics, identified the initial OPs concentrations (free, DCM and particulate) as the most important variables that predict the total OPs removals. This study contributes to better understand the OPs distribution among the sludge compartments and its role in the fate and removal of the compounds, to predict this distribution through matter functional characterization and to propose strategies in order to optimize the OPs removals under anaerobic conditions.

Cette thèse évolue selon trois axes de recherche. La première partie présente des travaux de spectroscopie TéraHertz (THz) de COV réalisés à l'aide du spectromètre THz par technique de photomélange, ce dernier rendant accessible la région spectrale 0,3-3 THz à haute résolution. Ces travaux concernent l'amélioration de paramètres moléculaires du formaldéhyde (H₂CO) obtenue grâce à la mise en oeuvre d'un système de métrologie performant reposant sur l'utilisation d'un peigne de fréquence. La très haute résolution de ce spectromètre a également permis un travail de collaboration efficace avec différents laboratoires concernant la détermination de coefficients d'élargissement du chlorure de méthyle (CH₃Cl). La deuxième partie montre la possibilité de détection de radicaux légers par technique de photomélange au travers d'études concernant les radicuax hybroxyle (OH) et mercaptan (SH). La très haute résolution de notre spectromètre donne accès à leur structure hyperfine avec des précision encore inégalées dans la région 1-3 THz. Cette partie illustre également l'intérêt de notre collaboration avec la ligne AILES du synchrotron SOLEIL et démontre la grande complémentarité entre le spectromètre photo-mélange et l'interféromètre couplée au rayonnement synchrotron. La dernière partie présente l'initiation au sein du groupe THz d'une étude cinétique effectuée grâce à une chaîne par multiplication de fréquence. Cette étude concerne concerne la photolyse de H₂CO. S'ajoute à ceci une étude visant à caractériser le rayonnement THz en présence d'aérosols de chlorure de sodium hydratés. / This thesis covers three research areas. The first is the THz spectroscopy of VOCs using a THz spectrometer based on photomixing, the latter making it possible access the 0.3-3 THz spectral region with high resolution. This work concerns the improvement of molecular parameters of formaldehyde (H₂CO) obtained through the implementation of metrology system using a frequency comb. The high resolution of spectrometer has also demonstrated its utility effectively together with various laboratories for the determination of broadening-coefficicents of the methyl chloride (CH₃Cl). The second topic shows the detection of small radicals by photomixing through studies of hydroxyl (OH) and mercaptan (SH) radicals. The high resolution of our spectrometer provides access to their hyperfine structure with details unmatched in the 1-3 THz region. This section also illustrates the importance of our partnership with the AILES beamline of the SOLEIL synchrotron and demonstrates the complementary between the photomixing-spectrometer and the interferometer coupled to synchrotron radiation. The last section presents the initiation of a kinetic study in the THz group performed with a frequency multiplication chain. This study concerns the photolysis of the H₂CO. Accompanied by a study to characterize the THz radiation in the presence of sodium chloride aerosols hydrated.

Ce manuscrit décrit la synthèse et la caractérisation de nouvelles molécules incluant un cœur organophosphoré, le phosphole. Certaines de ces molécules ont été utilisées pour la fabrication de dispositifs OLEDs ou de cellules photovoltaïques organiques. Le premier chapitre fait un état de l'art de la chimie du phosphole dans le domaine des matériaux organiques entre 2010 et 2013. Le second chapitre décrit la synthèse et l'étude physico-chimique de molécules qui permettent de moduler l'angle de torsion dans les systèmes π conjugués pour faire varier les propriétés optiques et rédox. Une de ces molécules a permis la fabrication d'une diode blanche organique. Le troisième chapitre de ce manuscrit présente une structure tridimensionnelle intéressante, le 1,1-biphosphole. En plus de posséder une structure tridimensionnelle, ces structures présentent un mode de conjugaison original, la conjugaison σ-π, qui permet de réduire l'écart HO-BV de nos systèmes. Une de ces molécules a permis la fabrication de la première cellule photovoltaïque organique avec un dérivé du phosphole inséré dans la couche active. Dans une deuxième partie, ce chapitre traite également de la réactivité originale du 1,1'-biphosphole qui permet de fonctionnaliser l'atome de phosphore par une simple substitution nucléophile, permettant d'insérer une grande variété de substituants pour moduler les propriétés des molécules. Pour finir, ce manuscrit présente un quatrième chapitre qui implique le phosphole comme unité coordinante afin de réaliser des nouveaux complexes qui permettent de réaliser une ortho-métallation par activation C-H. De nouveaux complexes ortho-métallés d'Ir(III) et de Rh(III) ont été synthétisés et caractérisés. / This thesis describes the synthesis and the characterization of new molecules including an organophosphorous unit, the phosphole ring. Some molecules have been used to build devices like organic light emitting diodes or organic photovoltaic cells.The first chapter describes the state of the art of the phosphole chemistry in organic materials between 2010 and 2013. The second chapter describes molecules having a tuneable twist angle allowing a fine control of the properties of the molecules like the HOMO-LUMO gap. One of those molecules has been used to build a white organic light emitting diode. The third chapter of this thesis presents an interesting three dimensional structure, the 1,1'-biphosphole. Beside this three dimensional structure, the molecules possess an original conjugation mode, the σ-π conjugation which allows a decrease of the HOMO-LUMO gap. One molecule from this chapter was used as absorber in organic photovoltaic cell. In the second part of this chapter, the 1,1'-biphosphole structure shows an interesting reactivity toward nucleophilic attack in order to functionalize the phosphorus center. This reactivity has been used to make new molecules and offer the opportunity to attach a wide range of substituents to the phosphorus atom in order to tune the properties of the molecules. The fourth chapter deals with the coordination chemistry of the phosphole in order to realize new ortho-metalated complexes. New Ir(III) and Rh(III) complexes have been synthesized and characterized.

Les composés organiques à base d'hétérocycles pyraniques peuvent être utilisé dans les cellules photovoltaïques ou dans des matériaux du domaine des télécommunications grâce à leurs propriétés en optique non linéaire. Plusieurs de ces composés ont été synthétisés, analysés et testés dans des cellules solaires à colorants. Des rendements photovoltaïques ont pu ainsi être obtenus et des modifications sur ses composés ont été effectuées afin d'obtenir une meilleure conversions de l'énergie solaire en courant électrique. / Organic compounds with pyranic heterocycles could be used in solar cells or in materials for telecommunications due tot their nonlinear optic properties. Several compounds synthesized were tested in dyes solar cells. The efficiencies of these dyes were obtained and the effect of structural modifications were studied with the goal to obtain a better efficiency.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le développement de la technologie des cellules photovoltaïques organiques nécessite des compétences diverses liées à l’ingénierie moléculaire, à l’ingénierie des interfaces, au contrôle et à la caractérisation de la morphologie des films, à l’optimisation de la structure du dispositif et à la compréhension de la photo-physique des matériaux utilisés. Dans ce contexte, le travail présenté dans cette thèse contribue à la compréhension des propriétés photo-physiques des matériaux organiques π-conjugués et propose des outils de caractérisations optiques pour le suivi de la morphologie de ces matériaux. Dans un premier temps, une méthodologie rigoureuse de détermination des indices optiques des films organiques par ellipsométrie a été proposée. Les modèles utilisés en ellipsométrie ont ainsi été choisis en tenant compte des propriétés physiques des matériaux organiques π-conjugués ce qui a permis de remonter à la structure électronique de dérivés de fullèrenes (PC60BM et PC70BM). Dans un second temps, nous avons associé des données ellipsométriques à des mesures complémentaires d’absorbance et de photoluminescence dans le cas de deux copolymères (PTB7 et PTB7-Th) en films et en solutions afin d’isoler les interactions inter et intra-chaînes. Nous avons démontré que la photo-physique de ces copolymères diffère de celle du P3HT. Nous avons montré que même en solution dans le chlorobenzène, le PTB7 et le PTB7-Th s'agrègent fortement. Ces agrégats, de type H, se cassent plus facilement dans les solutions de chlorobenzène à base de PTB7-Th que dans celles à base de PTB7. / The development of organic photovoltaic cell technology requires various skills related to the molecular engineering, interface engineering, controlling and characterizing the morphology of the films, device structure optimization and understanding of photophysics of the materials. In this context, the work presented in this thesis contributes to the understanding of the photophysical properties of π-conjugated organic materials and propose optical characterizations tools for probing the morphology of these materials. First, a rigorous methodology for determining refractive indices of organic films by ellipsometry has been proposed. The models used in ellipsometry have been chosen by taking into account the physical properties of π-conjugated organic materials which allow the determination of the electronic structure of fullerene derivatives (PC60BM and PC70BM). Secondly, we associated ellipsometric data to complementary measurements of absorbance and photoluminescence in the case of two copolymers (PTB7 and PTB7-Th) in films and solutions in order to isolate inter and intra-chain interactions. We have demonstrated that the photophysics of these copolymers differs from the P3HT. We have shown that even in solution in chlorobenzene, the PTB7 PTB7-Th aggregate strongly. These aggregates, H-type, break more easily in the chlorobenzene solutions based of PTB7-Th as in those based on PTB7.

En France, environ 9,8% de la population souffre de lithiase urinaire. Nous proposons, ici, une nouvelle approche afin de caractériser ces matériaux et d'obtenir une meilleure compréhension de leur formation. Les médecins utilisent principalement des techniques FTIR pour déterminer les principales phases présentes dans une calcification pathologique donnée. Les méthodes de RMN semblent appropriées pour déterminer plus précisément la composition de ces calcifications pathologiques. Très peu d'analyses RMN de calculs rénaux et d'analogues synthétiques ont été réalisées à ce jour.Premièrement, les trois phases d'oxalate de calcium ont été synthétisées (CaC2O4?nH2O avec n = 1, 2, 3) en mettant en ¿uvre des protocoles originaux. L'analyse des spectres 1H, 13C CPMAS et 43Ca MAS à ultra-haut champ magnétique en abondance naturelle permet une identification précise des différentes phases et peut être interprétée en tenant compte du nombre d'inéquivalents des sites cristallographiques. L'hydroxyapatite a été étudiée en parallèle car pouvant également apparaître lors de lithiase urinaire.Enfin, nous montrons les résultats obtenus à partir de DNP MAS à 100 K sur les échantillons synthétiques. L'affinité de la combinaison biradical/solvant reste un facteur limitant pour les matériaux hétérogènes tels que ceux qui sont analysés dans cette étude. Nous devons être en mesure de trouver une combinaison appropriée pour les matériaux multi-composants complexes afin d'obtenir un gain équivalent sur tous les signaux. Finalement, il est démontré qu'il est possible de transposer l'approche méthodologique présentée ci-dessus à l'étude des calculs rénaux. / In France, about 9.8% of the population suffer from urolithiasis. The treatment of kidney stones, composed of 72% of hydrated calcium oxalates (CaC2O4∙nH2O) with n = 1, 2, 3, represents almost 900 million euros in annual spending and it is therefore necessary to understand the in vivo formation of these stones. Here we propose a new approach in order to characterize kidney stones and have a greater understanding of their formation. Physicians primarily use FTIR techniques to determine the major phases present in a given pathological calcification. NMR methods appears suitable to determine more accurately the composition of these pathological calcifications. Very few NMR analyzes of kidney stones and synthetic analogues were conducted to date. In a first step, the three phases of calcium oxalate were synthesized by implementing original protocols. Analysis of the 1H, 13C CP MAS and MAS 43Ca ultra-high magnetic field spectra at natural abundance allow precise identification of the different phases and can be interpreted by taking into account the number of inequivalent crystallographic sites. The hydroxyapatite was studied in parallel as it may also appear in urolithiase. Finally, we show results obtained from DNP MAS at 100 K on the synthetic samples. The affinity of the biradical/solvent combination remains a limiting factor for heterogeneous materials such as those analyzed in this study. We have to be able to find a suitable combination for complex multi-component materials and to obtain an equivalent gain on all signals. In a last step, it is demonstrated that it is possible to transpose the methodological approach presented above to the study of kidney stones.

Les cellules photovoltaïques organiques sont une technologie prometteuse pour répondre aux besoins futurs en énergie. Elles présentent de faibles coûts de production, peuvent être réalisées sur substrats flexibles et s'intègrent dans des dispositifs légers. Une voie d'amélioration du rendement de photoconversion est la conception de nouvelles molécules actives présentant des propriétés structurales optimisées. Le présent travail s'inscrit dans cette dynamique: sur la base de calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité, de nouveaux semiconducteurs organiques ont été conçus puis synthétisés. Pour cela, des techniques de synthèses les plus économiques et les moins polluantes possible ont été mises en œuvre. Ainsi, le couplage du benzothiadiazole avec le thiophène carboxhaldéhyde par hétéroarylation directe sans additif ni ligand est utilisé avec succès pour la première fois selon des techniques de chimie verte. Cinq molécules sont ainsi isolées en seulement deux étapes. L'étude de leurs propriétés optiques et électroniques par différentes techniques spectroscopiques (UV/vis, fluorescence) et par électrochimie, de leurs propriétés thermiques, et de leur aptitude à s'auto-organiser ont permis de révéler leur aptitude prometteuse pour une utilisation en photovoltaïque organique. Une série de molécules dérivées du fragment dithiénosilole (DTS) ont été également étudiées par calculs de DFT. Les résultats obtenus montrent que ces dérivés présentent des largeurs de bande interdite très faibles, ce qui constitue un atout pour leur utilisation en cellule photovoltaïque. Ces résultats ont par conséquent motivé leur synthèse. Enfin, un travail purement théorique a été réalisé sur des molécules dérivées des subphthalocyanines de bore. Les calculs effectués révèlent des propriétés électroniques originales pour ces nouveaux matériaux qui devraient mener à des performances intéressantes pour le photovoltaïque organique, ouvrant ainsi la voie vers des matériaux innovants et prometteurs. / Organic solar cells appear as a promising technology to meet future energy requirements, owing to their low production costs, their great flexibility and their ability to be integrated into light devices. Currently, they exhibit modest performances in photoconversion, thus new active molecules with optimized structural properties need to be developed. This work comes in that aim: on the basis of theoretical calculations with density functional theory, new organic semiconductors have been designed and synthesized. For this, the more economical and cleaner syntheses techniques have been employed. Thus, the coupling of the benzothiadiazole with thiophene carboxhaldehyde via direct heteroarylation without additive nor ligand is performed with success for the first time. According to green chemistry techniques, five molecules are thus isolated in only two steps. The study of their optical and electronic properties by means of different spectroscopic techniques (UV/vis, fluorescence) and electrochemistry, of their thermal properties, and of their ability to self-organize have revealed their promising abilities for use in organic photovoltaics. A series of small molecules based on dithienosilole (DTS) core have also been designed via DFT computations. The calculations show their considerable low bandgap. Their syntheses have been conducted. It anticipates their promising potential for organic photovoltaic applications. Finally, a purely theoretical work has been completed on molecules derived from boron subphthalocyanines. The calculations predict interesting electronic properties for these new materials that may lead to promising performances in organic photovoltaics, paving the way for innovative materials.

Les matériaux tels les nickelates et les manganites, montrent des propriétés magnéto-électriques intéressantes liées au phénomène de double échange. L'objectif principale de ce travail est d'étudier le mécanisme de ce phénomène afin d'en comprendre l'origine, à la fois microscopique, par la détermination des interactions dominantes dans des composés moléculaires à deux centres magnétiques et macroscopique, par l'étude des effets collectifs dans des systèmes de plus grande taille. La première partie consiste en une étude par des méthodes ab initio de séries de systèmes organiques conjugués qui présentent un phénomène de double échange. Les énergies et fonctions d'onde du bas du spectre sont utilisées pour extraire les interactions du modèle de double échange. Par cette analyse nous montrons qu'il existe des systèmes organiques conjugués susceptibles de posséder des propriétés magnéto-électriques similaires à celles observées dans les matériaux constitués de métaux de transition. La deuxième partie est consacrée à une étude détaillée des propriétés collectives du modèle de double échange dans des systèmes monodimensionnels de taille variable. Des chaînes 1D de sites à deux orbitales et un ou deux électrons par sites sont étudiées au moyen de diagonalizations exactes. Nous avons développé des outils d'analyse afin d'étudier l'extension spatiale du polaron ferromagnétique et la délocalisation dans l'état fondamental. Enfin nous montrons comment le champ magnétique peut provoquer un changement drastique de la délocalisation électronique et par conséquent de la conductivité en fonction du dopage. / The materials like nickelates and manganites, show extraordinary magneto-electric properties originating from the double exchange (DE) phenomenon. In this work we try to understand the origin of these properties, not only at the microscopic level, by studying systems with two magnetic centers, but also at the macroscopic level, by studying collective effects in systems with varying sizes. The first part consists of an {it ab initio} study of a series of five conjugated organic systems, with two magnetic centers each, which are susceptible to exhibit DE phenomenon. The low lying eigenstates are used to extract the parameters of the DE Hamiltonian and substantiate the model. Thus, we show that there exist conjugated organic systems which could, in principle, possess magneto-electric properties similar to those observed in materials formed of transition metal oxides. The second part consists of a detailed study of the collective properties of the double exchange Hamiltonian in one dimensional systems of variable size. One dimensional chains made up of sites with two orbitals each and one or two electrons per site are studied with exact diagonalization methods. Novel tools have been developed to quantify the size of the ferromagnetic polaron and the amount of electron delocalization in the resulting ground state. Finally, we show how a magnetic field could bring about a drastic change in the electron delocalization in the system for a given doping ratio.

La pollution environnementale constitue un problème majeur pour les écosystèmes naturels et la santé publique. Récemment, la phytoremédiation a émergé comme une stratégie innovante, écologique et à faible coût. Elle consiste à utiliser les capacités des plantes à stocker ou/et à dégrader les polluants. Dans cette étude, des analyses physiologiques, biochimiques et métabolomiques, ont permis de montrer que les halophytes, une catégorie des plantes extrêmophiles, présentent une grande capacité à remédier la pollution engendrée par les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAPs). D'autre part, la salinité modérée améliore leur capacité phytoremédiatrice. Ces résultats apportent de nouvelles données pouvant contribuer à l'amélioration de cette stratégie. / Halopytes, plants naturally adapted to high salt concentrations, have no clear definition, yet. Their cross-tolerance to abiotic stresses was reviewed in this work at the physiological, biochemical, and molecular levels, with a special emphasis on the mechanisms involved in their cross-tolerance to salinity and organic pollutants that could allow them a higher potential of xenobiotic phytoremediation as compared to glycophytes. In our experimental part, we compared in a first step some physiological and antioxidant responses to phenanthrene as well as its accumulation in the two related model plants Arabidopsis thaliana (glycophyte) and Thellungiella salsuginea (halophyte).In a second step, we investigated the effects of moderate salinity on the responses of the two species to phenanthrene considered as model Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) molecule. Obtained results showed an improvement of phenanthrene-induced responses in the two plants, the effect being more marked in the halophyte. This observation was particularly related to higher antioxidant activities and the induction of more adapted metabolism as several accumulated metabolites are known to be involved in signaling and osmotic adjustment processes. In a final step, we studied the potential of the halophyte Cakile maritima to remediate an inert sand (to avoid the degradation of the pollutant by microorganisms or their interaction with the plant) highly contaminated with phenanthrene.