Dans le cadre de l’utilisation potentielle d’oxydes mixtes d’actinides au sein des réacteurs nucléaires de 3ème et 4ème générations, des solutions solides de formules générales U1-xThxO2, U1-xCexO2-y, U0,75Nd0,25O1,875, U0,75Gd0,25O1,875 et Th0,75Nd0,25O1,875 ont été préparées par conversion thermique de précurseurs oxalate. Préalablement à l’évaluation de la durabilité chimique des matériaux, une étape de frittage a été entreprise afin d’obtenir des pastilles denses présentant diverses propriétés physico-chimiques et microstructurales d’intérêt (composition, homogénéité, taux de densification, …) L’étude multiparamétrique de la dissolution, conduite en milieux nitrique, sulfurique et chlorhydrique a souligné l’impact important de la composition chimique au sein du matériau sur la durabilité chimique des échantillons. En effet, plusieurs paramètres (ordres partiels par rapport à l’activité en protons, énergie d’activation apparente, …) ont confirmé une modification significative du mécanisme de dissolution prépondérant pour les échantillons enrichis en uranium. Par ailleurs, le rôle important joué par certaines espèces azotées à l’interface solide/solution a également été démontré. L’évolution de l’interface solide/solution (surface réactive, composition) en cours de dissolution a également été suivie à travers une étude operando par Microscopie Electronique à Balayage en mode Environnemental. Cette étude a souligné l’existence de zones préférentielles de dissolution (jonctions triples, joints de grains, porosités inter- et intragranulaires) pour les échantillons les moins riches en uranium ; laquelle s’accompagne d’une forte augmentation de la surface réactive. En raison d’un phénomène prépondérant d’oxydation de l’uranium(IV) à l’interface, la dissolution des échantillons enrichis en uranium apparaît nettement plus homogène. / In the field of the use of actinides mixed oxides as potential fuels for the Gen(III) and Gen(IV) nuclear reactors, solid solutions with general formula U1-xThxO2, U1-xCexO2-y, U0.75Nd0.25O1.875, U0.75Gd0.25O1.875 and Th0.75Nd0.25O1.875 were prepared by thermal conversion of oxalate precursors. Dense pellets exhibiting various physico-chemical and microstructural properties (in terms of composition, homogeneity, densification rate, …) were prepared through sintering then submitted to dissolution tests.The multiparametric study of the dissolution, performed in nitric, sulfuric and hydrochloric media clearly underlined the important effect of the chemical composition on the chemical durability of the samples. Indeed, several parameters (including partial order related to proton activity, apparent activation energy) confirmed the significant modification of the preponderant dissolution mechanism for uranium-enriched samples. Moreover, the role of various nitrogen-based species was evidenced at the solid/solution interface.The evolving of solid/solution interfaces (reactive surface area, composition) during dissolution was monitored by the means of operando ESEM experiments. Preferential dissolution zones (triple junctions, grain boundaries, inter- and intra-granular porosities) were clearly observed for uranium-depleted samples. They induce a significant increase of the reactive surface area even for short progress of the reaction. On the contrary, the dissolution appeared more homogenous for uranium-enriched samples due to the existence of a preponderant mechanism associated to the oxidation of the uranium(IV) at the interface.

Les dendrimères et polymères contenant des métaux de transition comme le fer, lecobalt et le rhodium peuvent servir à la fabrication des nanomatériaux utiles à lacatalyse, la reconnaissance moléculaire et l’électronique moléculaire. Pour leurconstruction, des liaisons ioniques, de la chimie click : CuAAC et hydroamination, lapolymérisation ROMP et la polymérisation radicalaire ont été utilisés et ont permis laformation de nouveaux types de polyélectrolytes metallocéniques. La synthèse denouvelles nanoparticules d’or, d’argent et de palladium à partir de cesmétallopolymères et métallodendrimères ont été mises au point, conduisant à desréseaux à architecture spécifique bien définie. Ces assemblages supramoléculaireset ingénierie moléculaire ouvrent la voie vers l’application de la chimieorganométallique dans la conception de nouveaux nanomatériaux nanoparticulairesstructurés à l’aide des propriétés rédox des métallomacromolécules. / Dendrimers and polymers containing transition metals such as iron, cobalt andrhodium can serve in the fabrication of useful nanomaterials for catalysis, molecularrecognition and molecular electronics. For their construction, ionic bonds, clickchemistry: CuAAC and hydroamination, ROMP and radical polymerization were usedand allowed the formation of new types of metallocenyl polyélectrolytes. Thesynthesis of new gold, silver and palladium nanoparticles from these metallopolymersand metallodendrimers has been developed, leading to specific and well-definedarchitectures. These supramolecular assemblies and molecular engineering opensthe way towards the application of organometallic chemistry in the design of newstructured nanoparticle-containing nanomaterials using the redox properties ofmetallomacromolecules.

Le métabolisme de l'oxygène conduit à la formation d'espèces chimiques oxydantes, capables de provoquer l'oxydation de nombreux composants cellulaires, dont les résidus cystéines des protéines. L'oxydation du résidu cystéine est contrôlée par un système de réduction composé de deux branches distinctes, appelées la voie des thioredoxines et la voie du glutathion. Ces deux voies utilisent la chimie redox du soufre de la cystéine pour réduire les cystéines oxydées, avec des électrons fournis par le NADPH. Notre travail a consisté à étudier l'état d'oxydation des résidus cystéines de la cellule et la contribution respective des mécanismes opérant le contrôle de l'état redox des thiols. Pour cela, nous avons exploité les approches génétiques chez S.cerevisiae, et les avons couplés à une approche protéomique d'identification des thiols oxydés.<br />Ce travail nous a permis d'identifier de nombreuses protéines cytoplasmiques portant un ou plusieurs résidus cystéine oxydés et d'établir une différence frappante entre les voies des thioredoxines et du glutathion dans le contrôle de l'état redox des thiols intracellulaires. Au cours de notre travail, nous nous sommes également intéressés à la superoxyde dismutase, une protéine cytoplasmique, que nous avons identifié comme oxydée constitutivement. Nous avons étudié le mécanisme d'oxydation de Sod1, et avons observé que celui-ci semble se dérouler dans l'espace intermembranaire mitochondrial et fait intervenir une oxydase spécifique des thiols

Les magmas terrestres présentent un large spectre de conditions redox qui reflète de nombreux processus prenant place depuis la genèse jusque la solidification de ces magmas. Les états d'oxydation du fer dans les magmas sont utilisés comme témoins de ces conditions redox usuellement reliées à la fugacité d'oxygène (fO2). Pour améliorer l'interprétation des signatures redox des magmas, nous avons développé des aspects théoriques et expérimentaux appliqués au comportement du fer dans les liquides silicatés :<br />1- Modélisation des équilibres redox dans les liquides silicatés :<br />Ø Analyse de la base de données bibliographique <br />Ø Etude expérimentale et extension de la base de données vers des systèmes hydratés et oxydés<br />Ø Modélisation des propriétés thermodynamiques du fer ferreux et ferrique <br />En retombés pratiques, le modèle thermodynamique que nous proposons peut être utilisé directement à partir d'assemblages naturels verre-magnétite comme géothermomètre ou géobaromètre à oxygène. Aussi, les équilibres Fe3+/Fe2+ peuvent être calculés pour une large gamme de compositions et de conditions. Des applications mettant en évidence la précision de la méthode sont exposées.<br />2- Cinétiques d'oxydation-reduction du fer dans les liquides silicatés hydratés :<br />Ø Etudes expérimentales<br />Ø Modélisation<br />Différents mécanismes redox sont mis en évidence. Il en ressort que la mobilité d'espèces volatiles telles que H2 ne semble pas un facteur exerçant un contrôle significatif sur l'évolution redox d'un magma transitant dans la croûte. Des équilibres redox internes tels que les équilibres magnétite-liquide semblent être les facteurs prédominants. En revanche, en régime de percolation d'un basalte hydraté dans une péridotite, des échanges redox d'H2 conduisent à une oxydation significative du magma pouvant expliquer le caractère oxydé des laves d'arc.

la possibilité de convertir l'activité catalytique d'une oxydoréductase en un courant électrique a permis le développement d'une grande diversité d'électrodes enzymatiques. Les anodes catalysant l'oxydation du glucose font partie des plus étudiées pour leurs applications dans la mesure de la glycémie ou dans des biopiles glucose/O2. Parmi les nombreuses stratégies disponibles, l'utilisation d'hydrogels à base de complexes d'osmium en guise de médiateurs rédox fournit d'excellents résultats, qui restent cependant limités en terme de densité de courant ou de sélectivité. Durant cette thèse, la glucose oxydase (GOx) a été déglycosylée. Les électrodes préparées avec la nouvelle enzyme délivraient des courants catalytiques plus élevés, ce qui laissait supposer initialement une diminution de la distance de saut d'électron entre la GOx et le médiateur rédox suite au retrait des oligosaccharides. Une étude avec des électrodes de différentes compositions suggère au contraire que la déglycosylation n'améliore pas le transfert électronique intrinsèque mais la structure globale de l'hydrogel. De fait, une enzyme plus petite et plus négativement chargée doit induire un volume d'hydrogel plus faible pour une même composition molaire. En second lieu, une réduction parasite de l'oxygène affectant ces anodes, non envisagée jusqu'à aujourd'hui, a été mise en évidence et étudiée. En effet, l'interférence de l'O2 n'est usuellement attribuée qu'à sa réactivité avec la GOx. La présente étude prouve que l'O2 se réduit aussi sur les complexes d'osmium si leur potentiel standard E°' est inférieur à + 0,07 V vs. Ag/AgCl. La cinétique de cette réaction croît exponentiellement quand le E°' du complexe diminue. En plus d'abaisser le courant d'oxydation et donc les performances de l'anode, la génération de peroxyde d'hydrogène pourrait aussi altérer sa stabilité. Ces résultats suggèrent que le choix d'un médiateur de E°' donné doit aussi dépendre de l'amplitude de cette réduction.

Esta Tesis está dividida en tres partes, cuyo contenido se describe brevemente a continuación. En la primera parte se realiza un estudio detallado de la voltamperometría de polímeros conductores (Cap. II), teniendo en cuenta la existencia de corrientes capacitivas (Cap. III), y el modelado de la componente faradaica para dar cuenta de la respuesta voltamperométrica total (Cap. IV) antes de arribar al tratamiento de los datos experimentales provenientes de los experimentos de envejecimiento (Cap. II) a la luz del modelo desarrollado (Cap. V). En la segunda parte de esta Tesis se estudia el proceso de envejecimiento por otras técnicas electroquímicas y espectroelectroquímicas. Estos estudios incluyen el análisis del estado reducido de la polianilina por Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (Cap. VI) y los cambios sufridos en los espectros de impedancia durante el envejecimiento. También se estudian las modificaciones espectrales UV-vis a través de medidas de espectrofotometría de absorción con potencial aplicado de películas de distintos polímeros conductores sobre electrodos ópticamente transparentes (Cap. VII). Y, finalmente, se estudian los espectros de emisión de fluorescencia de películas de poli-otoluidina sobre electrodos de Au y sus modificaciones con el potencial aplicado y durante el envejecimiento (Cap. VIII). La tercera y última parte de esta Tesis se dedica al estudio teórico y experimental del acoplamiento entre los fenómenos de enlace de electrones (rédox) y de enlace de protones (ácido-base) en polímeros electroactivos. Se desarrolla un modelo termodinámico estadístico para tener en cuenta los acoplamientos y se extiende el concepto de enlace a las reacciones rédox (Cap. IX). Finalmente, se presentan resultados experimentales que dan cuenta de la variación de las distribuciones de potenciales formales de polianilina con el pH y su interpretación en términos del modelo (Cap. X). El acoplamiento de enlaces de electrones y de protones también se estudia a través de la titulación ácido-base de polianilina a diferentes potenciales aplicados cuyos resultados se interpretan sobre la base del modelo termodinámico estadístico. Si bien en cada uno de los capítulos se comentan algunas conclusiones parciales, el Cap. XI está dedicado a las conclusiones más importantes así como también a las posibles perspectivas futuras de este trabajo.

Les ligands β-diiminates sont des plateformes intéressantes utilisées en chimie de coordination en particulier pour la catalyse homogène, leurs paramètres électroniques et géométriques facilement ajustables les rendant particulièrement attractifs. Toutefois, ces modifications sont limitées à l'introduction de bases de Lewis neutres (éthers, amines tertiaires) sur les substituants portés par les atomes d'azote du squelette β-diiminate. L'objectif principal de ce travail de thèse porte sur le dépassement de telles limitations avec la synthèse de nouveaux ligands β-diiminates fonctionnalisés par un ou deux groupements phénolates anioniques et l'étude de leur chimie de coordination avec des ions lanthanides et actinides. Un intérêt particulier a été apporté à l'élucidation du mécanisme de formation de ces ligands, qui a mis en lumière la sensibilité des fonctions imines vis-à-vis des fonctions phénols, à l'origine des limitations décrites ci-dessus. Deux nouveaux ligands N-aryloxy-β-diiminates ont été synthétisés à l'échelle de plusieurs grammes avec de très bons rendements. Ces ligands diffèrent par leur encombrement stérique, qui influe sur leur coordination aux ions lanthanides et actinides. La réactivité de trois des complexes N-aryloxy-β-diiminate a été explorée. Un complexe du Ce(III) possède des propriétés de réduction intéressantes, sa sphère de coordination permettant un abaissement significatif du potentiel d'oxydation du couple Ce(III)/Ce(IV). La présence d'une lacune de coordination dans un complexe du Th(IV) a été mise àprofit pour stabiliser différents adduits de bases de Lewis. Deux types de réarrangement du complexe de thorium ont été mis à jour, qui sont contrôlés par la minimisation de répulsions inter-ligands. La réactivité rédox d'un complexe N-aryloxy-β-diiminate de l'U(IV) a été exploitée pour préparer un exemple rare de complexe monooxo terminal d'uranium. Cette espèce possède une chimie rédox riche et sa réduction a permis la synthèse des analogues de l'U(V) et de l'U(IV), formant ainsi la première série de complexes monooxo terminaux d'uranium stables à trois degrés d'oxydation successifs. Cette série représente une opportunité unique d'étudier l'influence des électrons f sur le phénomène d'influence trans inverse (ITI) observés dans les complexes oxo de l'uranium. Des calculs DFT préliminaires ont été réalisés pour rationaliser les comportements expérimentaux.

Ce travail concerne l'étude de monocouches auto-assemblées (SAMs) sur l'or par simulation moléculaire. Des SAMs électroactives formées de chaines ferrocenylalcanethiols et alcanethiols et des SAMs constituées de β-cyclodextrines immobilisées sur des surfaces pouvant donner lieu à la formation de complexes d'inclusion à l'interface ont été étudiées. L'objectif était d'obtenir des grandeurs macroscopiques qui soient directement comparables aux grandeurs expérimentales. Pour cela, des simulations de dynamique moléculaire ont été couplées à des calculs de perturbation thermodynamique afin d'obtenir des grandeurs rédox et des propriétés thermodynamiques d'association. La reproduction de grandeurs expérimentales a dans un premier temps permis de valider les méthodologies de simulation et les champs de forces utilisés. Ceci a ensuite conduit à envisager la simulation moléculaire comme une technique prédictive pour l'étude de nouveaux systèmes. Les grandeurs macroscopiques obtenues ont pu être interprétées grâce à une caractérisation structurale et énergétique des processus mis en jeu.

Ce mémoire est consacré à l'optimisation de la connexion enzymatique d'enzymes pour l'oxydation du glucose et la réduction de O2 sur matrices de nanotube de carbone (CNT) dans les biopiles à glucose.Premièrement, le transfert électronique indirect de la glucose oxydase (GOx) est optimisé dans une matrice nanostructurée de CNT contenant la 1,4-naphtoquinone comme médiateur rédox. Cette bioanode a ensuite été combinée avec des biocathodes similaires à bases d'enzymes à cuivre (laccase et tyrosinase). La biopile GOx-NQ/Lac a permis d'obtenir des puissances maximales de l'ordre de 1,5 mW.cm-2. Les utilisations de cette pile en décharge courte, longue et sa stabilité dans le temps ont également été étudiées. La seconde partie présente la préparation d'une autre anode basée sur la connexion indirecte d'une glucose déshydrogènase NAD+-dépendante (GDH-NAD+) comme alternative pour l'oxydation du glucose. La GDH-NAD+ a été combinée avec un catalyseur d'oxydation de NADH par différentes méthodes. Tout d'abord, elle a été encapsulée au sein du métallopolymère rédox, puis, la modification supramoléculaire a dans un second temps permis d'immobiliser le catalyseur moléculaire et l'enzyme à la surface des CNTs. Ces deux bioanodes ont permis respectivement l'obtention de courants catalytiques d'oxydation du glucose de 1,04 et 6 mA.cm-2. La seconde bioanode a été combinée avec une biocathode à base de BOD et a permis l'obtention de densités de courants maximales de l'ordre de 140 µW.cm-2 La dernière partie concerne l'élaboration d'une biocathode bienzymatique pour la réduction de O2. Le DET de la HRP sur CNTs a dans un premier temps été optimisé par modification de la surface par différents dérivés pyrène. Ensuite, la combinaison de la GOx et de la HRP sur la même électrode a permis de réduire efficacement O2 en 2 étapes. La biocathode est capable de délivrer une densité de courant maximale de l'ordre de 200 µA.cm-2. Cette dernière, combinée avec la bioanode GDH présentée précédemment a permis d'obtenir une biopile opérationnelle en conditions physiologiques et 10 mM de NAD+, en étant capable de débiter une densité de puissance maximale de l'ordre de 57 µW.cm-2. / This work focuses on the optimization of the electrical wiring of glucose oxidizing and dioxygen reducing enzymes on carbon nanotube (CNT) matrixes for glucose biofuel cells.In the first part, glucose oxidase (GOx) mediated electron transfer (MET) is optimized in nanostructured CNTs matrixes by mechanical compression of a CNTs/GOx composite containing 1,4-naphtoquinone as redox mediator. This bioanode was then combined with MCOs (laccase and tyrosinase) based biocathodes. The GOx-NQ/Lac biofuel cell was able to deliver a maximum power density of 1.5 mW.cm-2. The use of this biofuel cell in short/long time discharge and in storage has also been studied. The second part presents the preparation of another bioanode based on the indirect wiring of a NAD+-dependant glucose dehydrogenase (GDH-NAD+) as an alternative for glucose oxidation. The GDH-NAD+ has been combined with an NADH oxidation catalyst by two different techniques. The first one involves the encapsulation of the protein in the metallopolymer redox film, whereas the second one relies on the supramolecular modification of the CNTs by the molecular catalyst and the enzyme. Both bioanodes showed good catalytic properties toward glucose oxidation in presence of NAD+ with respectively 1.04 mA cm-2 and 6 mA cm-2. The latter has been combined with a BOD based biocathode to form a biofuel cell exhibiting maximum power densities of 140 µW cm-2. The last part of this work focuses on the design of a bienzymatic biocathode for O2 reduction. The DET of horseradish peroxidase (HRP) was first investigated and optimized by modification of the CNTs with pyrenes derivatives. The combination of the HRP with the GOx on the same electrode enables an efficient reduction of O2 in a 2-step process. The biocathode could exhibit maximum currents densities of 200 µA cm-2. This cathode along with the previous GDH bioanode formed a biofuel cell functional in physiological conditions and 10 mM NAD+ showing maximum power densities of 57 µW cm-2.

La possibilité de convertir l’activité catalytique d’une oxydoréductase en un courant électrique a permis le développement d’une grande diversité d’électrodes enzymatiques. Les anodes catalysant l’oxydation du glucose font partie des plus étudiées pour leurs applications dans la mesure de la glycémie ou dans des biopiles glucose/O2. Parmi les nombreuses stratégies disponibles, l’utilisation d’hydrogels à base de complexes d’osmium en guise de médiateurs rédox fournit d’excellents résultats, qui restent cependant limités en terme de densité de courant ou de sélectivité. Durant cette thèse, la glucose oxydase (GOx) a été déglycosylée. Les électrodes préparées avec la nouvelle enzyme délivraient des courants catalytiques plus élevés, ce qui laissait supposer initialement une diminution de la distance de saut d’électron entre la GOx et le médiateur rédox suite au retrait des oligosaccharides. Une étude avec des électrodes de différentes compositions suggère au contraire que la déglycosylation n’améliore pas le transfert électronique intrinsèque mais la structure globale de l’hydrogel. De fait, une enzyme plus petite et plus négativement chargée doit induire un volume d’hydrogel plus faible pour une même composition molaire. En second lieu, une réduction parasite de l’oxygène affectant ces anodes, non envisagée jusqu’à aujourd’hui, a été mise en évidence et étudiée. En effet, l’interférence de l’O2 n’est usuellement attribuée qu’à sa réactivité avec la GOx. La présente étude prouve que l’O2 se réduit aussi sur les complexes d’osmium si leur potentiel standard E°’ est inférieur à + 0,07 V vs. Ag/AgCl. La cinétique de cette réaction croît exponentiellement quand le E°’ du complexe diminue. En plus d’abaisser le courant d’oxydation et donc les performances de l’anode, la génération de peroxyde d’hydrogène pourrait aussi altérer sa stabilité. Ces résultats suggèrent que le choix d’un médiateur de E°’ donné doit aussi dépendre de l’amplitude de cette réduction. / The possibility of converting the catalytic activity of oxidoreductase enzymes into electric current has led to the development of a high diversity of enzyme electrodes. Anodes catalysing glucose oxidation have been amongst the most studied, especially for their application in monitoring blood glucose or glucose/O2 biofuel cells. Although one of the numerous strategies available, the use of osmium-based hydrogels as redox mediators, has given excellent results, some limitations still remain such as rather low current densities, stability or selectivity Initially, the study focused on the deglycosylation of glucose oxidase (GOx). When most of the oligosaccharides around this glycoenzyme were removed, the ensuing increase in the electrode catalytic current seemed a priori to support the hypothesis of a decrease in the electron hopping distance between the enzyme redox centres and the redox mediator. However, a systematic study of electrode response for different compositions leads us to conclude that deglycosylation does not improve the intrinsic electron transfer but the whole hydrogel structure. This seems due to the smaller size and higher surface charge of the deglycosylated GOx inducing smaller hydrogel volumes than in the native-based GOx. The study then proceeded to examine the oxygen side reduction of commonly used osmium-based redox polymers. The interference of O2 on glucose oxidation current has generally been attributed to O2 reactivity with GOx. The present study shows that O2 reduction also occurs on osmium-based polymers if their formal potential E°’ is below + 0.07 V vs. Ag/AgCl. The kinetics of this reaction appears to increase exponentially when E°’ decreases. As well as reducing the oxidation current and, consequently, lowering anode performances, the generation of hydrogen peroxide could also modify electrode stability. These results suggest that the choice of redox mediator for a given E°'must also take into account the extent of O2 reduction.