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

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La polymérisation du chlorure de vinyle est une réaction très fréquente dans l’industrie des polymères, conduisant à l’obtention d’un matériau plastique très commun, connu sous le nom de PVC (polychlorure de vinyle). Ses applications concernent principalement l’industrie des constructions néanmoins d’autres domaines sont également touchés. La complexité de ce procédé de polymérisation est due à la nature toxique du monomère, à la maitrise du transfert de chaleur ou au maintien de l’agitation. Le control de ces variables de procédé influence de manière directe les caractéristiques finales du produit. Même si la polymérisation en suspension du chlorure de vinyle a été largement étudiée dans des réacteurs de type batch, il y a un manque de données au niveau de la cinétique et de la physicochimie d’une goutte de monomère pendant la réaction. L’objectif de ces travaux est de proposer un dispositif microstructuré permettant d’obtenir des gouttes monodisperses ayant un diamètre de 200 µm environ, chacune étant considérée comme un réacteur de polymérisation. Une fois identifiés les verrous liés au système eau/chlorure de vinyle en microréacteur, la réaction de polymérisation a été décrite de manière qualitative par visualisation des gouttes/grains de polymère. Des mesures Raman non-invasives en temps réel ont été réalisées sur une goutte immobile de chlorure de vinyle, cela permettant d’accéder aux valeurs des constantes cinétiques. Un modèle théorique en bon accord avec les résultats expérimentaux a été proposé afin de simuler le degré de conversion de la réaction. Les caractéristiques morphologiques des grains de PVC obtenus en microréacteur présentent des particularités intéressantes en termes d’agglomération des particules primaires ou porosité. / Vinyl chloride suspension polymerization is a common reaction in polymer industry allowing to obtain one of the world wide most used plastics, known as PVC (polyvinyl chloride). Its applications involve mostly the construction industry but other domains are also concerned. This polymerization process is highly complex due to the toxic nature of the monomer, the good manage of heat transfer and agitation. The control of these process variables directly impacts the characteristics of the final product. Even though the suspension polymerization of vinyl chloride has been extensively studied in batch reactors, there is a lack of data regarding the kinetics or the physicochemistry of a single monomer droplet during the reactions. The aim of this present work is to propose a microstructured device which enables obtaining monodisperse droplets within 200 µm in diameter, each one being considered as a polymerization reactor. After a good acknowledgement of the vinyl chloride/water system in microchannel the polymerization reaction was qualitatively described by means of droplet/polymer grain visualization. Real-time non-invasive Raman measurement has been performed on stationary vinyl chloride monomer droplets and has provided values of kinetic constants. A theoretical model was proposed, simulating the reaction conversion in good agreement with the experimental values. The morphologic characteristics of the PVC grains obtained in microreactor presented interesting features in terms of primary particle agglomeration or porosity.

Des calculs ab initio basés sur des méthodes hautement corrélées ont été utilisés pour étudier la structure rovibronique et la spectroscopie des radicaux de 2 à 4 atomes. Pour les molécules CaO, OH, CaH, CaO+ et CaO-, les constantes spectroscopiques calculées sont en accord avec les données expérimentales. L'étude de ces fragments diatomiques est essentielle pour comprendre la structure électronique des isomères du monohydroxyde de calcium (CaOH-HCaO). Le système le plus complexe, parmi ces radicaux diatomiques, est le monoxyde de calcium CaO en raison de la densité élevée des premiers états électroniques. Les énergies rovibrationnelles de ces états ont été calculées sur la base des énergies potentielles obtenues avec un niveau élevé de précision, en tenant compte des couplages entre les moments angulaires et du couplage spin-orbite. Nos résultats sont très proches des résultats expérimentaux. La complexité de l'étude d'un tel système est aussi présente dans le radical ketenyl HCCO à cause de l'effet Renner-Teller qui couple l'état fondamental et le premier état excité. L'effet Renner-Teller dans HCCO a été étudié à l'aide d'une approche variationnelle traitant tous les degrés de liberté. Les coordonnées de valence ont été utilisées pour construire les deux surfaces d'énergie potentielle à six dimensions. Les niveaux rovibroniques les plus bas ont été obtenus pour différentes valeurs du moment angulaire total / Highly correlated ab initio methodologies were used to investigate the rovibronic structure and the spectroscopy of 2 to 4 atoms radicals. For the CaO, OH, CaH, CaO+ and CaO− molecules, our computed spectroscopic constants are in good agreement with the experimental ones. The study of these diatomic fragments is essential to investigate the calcium monohydroxide isomers (CaOH-HCaO). The most complex system among these diatomic radicals is the calcium monoxide radical CaO due to high density low lying electronic states. The rovibrational energies of these states have been calculated, based on the potential energies obtained at high level of accuracy, taking into account the angular momentum and spin orbit couplings and found to be in a very good agreement with the experimental results. The complexity in studying such a system is again present in the ketenyl radical HCCO with highly coupled ground and first excited states. The Renner-Teller effect of HCCO is studied using a variational approach including all degrees of freedom. Valence coordinates have been used to fit both potential energy surfaces varying the six degrees of freedom. The low-lying rovibronic levels have been determined for different values of the total angular momentum

L’étude de réactions chimiques, tout comme le calcul de propriétés thermodynamiques, sont des enjeux capitaux de la chimie moderne. L’évolution des instruments et techniques expérimentales permet des mesures de plus en plus précises de ces grandeurs, pour des systèmes de plus en plus complexes. L’intérêt croissant pour l’étude du milieu interstellaire et des atmosphères planétaires se révèle également être un défi très important dans les décennies à venir. Les difficultés rencontrées lors de l’analyse de ces expériences (ou mesures), nécessitent souvent l’intervention de simulations numériques de manière à éclairer ces observations. Une autre utilisation du calcul est de prédire des paramètres moléculaires et spectroscopiques d’espèces instables difficiles à produire au laboratoire. Les outils actuels de la chimie théorique ab initio sont des moyens précieux pour la prédiction et l’interprétation de résultats expérimentaux ou de mesures astrophysiques et atmosphériques. Ces techniques de simulation ont connu des développements importants au cours des dernières décennies. Les progrès récents en matière de calculs d’interaction de configurations de grande taille permettent d’inclure une grande partie de l’énergie de corrélation. Le temps de calcul et la taille mémoire des ordinateurs restent cependant des limites importantes qui ne permettent pas d’effectuer des interactions de configurations totales dans une base suffisamment grande pour contenir la physique des systèmes étudiés au delà de petites molécules. Cet état de fait conduit à s’intéresser à des méthodes moins coûteuses comme celles des perturbations, les interactions de configurations tronquées et le Coupled Cluster, permettant d’inclure une partie de la corrélation électronique à un coût moins élevé en temps de calcul. Ce sont ces méthodes qui ont été utilisées dans ce travail pour déterminer théoriquement les paramètres moléculaires et spectroscopiques des systèmes MgO, MgO+, FeC2, FeC2+ et FeC2- avec le maximum de précision possible.Dans un premier temps, nous avons étudié la molécule MgO. C’est un système de choix car, il permet de s’initier aux méthodes de calcul ab initio sur les systèmes moléculaires les plus simples (diatomiques), de tester et de comprendre ces méthodes (différentes approximations, validité, précision, …) et de bien interpréter les résultats obtenus (formation de la liaison chimique et des états moléculaires, leur symétrie, leurs couplages, leur stabilité, leur spectroscopie, …) surtout qu’il a fait l’objet de plusieurs études théoriques et expérimentales. Pour profiter de notre savoir-faire pour les molécules diatomiques nous avons étudié le système MgO+ qui a fait l’objet de notre deuxième article que sera présenté en annexe.Dans un second temps, nous avons visé les systèmes moléculaires de type FenCm afin de comprendre la croissance et la dynamique des nanotubes de carbone catalysée par le Fer. Le système diatomique FeC fait l’objet de plusieurs études théoriques et expérimentales. La plus récente est celle fourni par Demeter Tzeli et Aristides Mavridi. Cette étude théorique a caractérisé son état fondamental ainsi que les 40 états électroniques les plus bas, à toutes les distances internucléaires jusqu’à la dissociation, et d’autre part de fournir des données spectroscopiques d’une précision comparable à celle donnée par l’expérience. Pour les systèmes d’ordre supérieur, confronté par le problème que ces petits systèmes moléculaires constitués de Fer et de Carbone ont des structures électroniques très compliquées, notre étude s’est limitée à l’étude des systèmes FeC2, FeC2+ et FeC2- / The study of chemical reactions, as well as the calculation of thermodynamic properties are critical issues of modern chemistry. The development of experimental techniques and instruments allows measurements more accurate these quantities for systems more complex. The growing interest in the study of the interstellar medium and planetary atmospheres is also proving to be a major challenge in the coming decades. The difficulties encountered in the analysis of these experiences (or measures) often require the intervention of numerical simulations to clarify these observations. Another use of the calculation is to predict molecular and spectroscopic parameters of unstable species are difficult to produce in the laboratory.Current tools of theoretical chemistry ab initio are valuable tools for the prediction and interpretation of experimental results or astrophysical measurements and atmospheric. These simulation techniques have experienced significant developments in recent decades. The recent progress in calculations of interaction of large configurations can include a large part of the correlation energy. The computation time and memory size of computers, however, remain significant limitations that do not allow to perform configuration interaction in a total base large enough to hold the physical systems studied beyond small molecules. This fact led to interest in cheaper methods such as disruption, the truncated configuration interaction and coupled cluster, allowing to include a portion of electron correlation at a lower cost in computation time. These are methods that have been used in this work to determine theoretically the molecular parameters and spectroscopic systems MgO, MgO +, FEC2, FEC2 + and FEC2-with maximum accuracy.As a first step, we studied the MgO molecule. It is a system of choice because it allows you to learn the methods of ab initio calculations on molecular systems the simplest (diatomic), test and understand these methods (different approximations, validity, accuracy, ...) and to properly interpret the results (formation of chemical bonding and molecular states, their symmetry, their interactions, their stability, spectroscopy, ...) especially since it has been the subject of several theoretical and experimental studies. To take advantage of our expertise for diatomic molecules we have studied the system MgO + has been our second article will be presented in the appendix.In a second step, we targeted molecular systems FenCm like to understand the growth and dynamics of carbon nanotubes catalyzed by iron. Diatomic system FeC been several theoretical and experimental studies. The most recent is provided by Demeter Tzeli and Aristides Mavridi. This theoretical study has characterized its ground state and the 40 lowest electronic states at all internuclear distances up to dissociation, and secondly to provide spectroscopic data with an accuracy comparable to that given by the experiment. For higher-order systems, the problem faced by these small molecular systems composed of iron and carbon have very complicated electronic structures, our study is limited to the study of systems FEC2, FEC2 + and FEC2-

Depuis les travaux de chimie théorique de Moskaleva et Lin (2000), il est connu que le radical NCN est le produit de la réaction d’initiation CH + N2 du NO précoce dans les flammes. Dans le cadre de l’ANR NO-mecha, cette thèse avait pour but d’étendre la base de données expérimentales initiale (comprenant les profils de CH et NCN) dans différentes flammes stabilisées à basse pression (5.3 kPa), aux espèces NO, HCN et CN impliquées dans le processus de formation du NO-précoce afin de valider à terme un sous mécanisme cinétique. Lors de ce travail, les mesures de fractions molaires ont été mesurées in situ (pour les espèces labiles) et ex situ (HCN) en combinant deux méthodes de spectroscopie laser. La fluorescence induite par laser (LIF) permet de mesurer les profils relatifs d’espèce directement dans la flamme. Cette technique permet de mesurer la température à partir de la distribution de population rotationnelle de NO. Les mesures par LIF sont calibrées par une méthode des ajouts dosés (NO) ou par une méthode d’absorption (CN). La technique d’absorption retenue est le Cavity Ringdown Spectroscopy (CRDS) qui repose sur la mesure du temps de vie d’une impulsion laser au sein d’une cavité optique. La mesure du profil de HCN a été réalisée de façon tout à fait originale après extraction des gaz vers une cellule CRDS externe à 1036 nm. Les études portent sur cinq flammes (de richesse comprise entre 0.8 et 1.25) de prémélange CH4/O2/N2 dont une dopée par N2O. Les résultats expérimentaux sont comparés à la simulation cinétique réalisée avec le code Chemkin/Premix et le mécanisme GDFkin®3.0_NCN, montrant dans l’ensemble un accord satisfaisant. / Since the work of theoretical chemistry by Moskaleva and Lin (2000), it is known that the NCN radical is the product of the initiation reaction CH + N2 of prompt NO in flames. Under the ANR NO-mecha program, the objective of this thesis was to extend in different flames stabilized at low pressure (5.3 kPa), the initial experimental database (including CH and NCN profiles) to the species NO, HCN and CN involved in the prompt NO formation in order to validate a kinetic mechanism. In this work, measurements of mole fractions were measured in situ (for labile species) and ex situ (HCN) by combining two methods of laser spectroscopy. The laser induced fluorescence (LIF) is used to measure profiles of species directly in the flame. This technique is used to measure the temperature from the rotational population distribution of NO. The LIF measurements are calibrated by a method of standard additions (NO) or by absorption (CN). The adopted absorption technique is the Cavity Ringdown Spectroscopy (CRDS) based on the measurement of the lifetime of a laser pulse in an optical cavity. Measurement of HCN profile was carried out using an original method after gas extraction to an external CRDS cell at 1036 nm. The studies focused on five premixed flames of CH4/O2/N2 (richness comprised between 0.8 and 1.25) with a doped flame by N2O. The experimental results are compared with the kinetic simulation using the Chemkin/Premix code and the GDFkin®3.0_NCN mechanism, showing an overall satisfactory agreement.

La microscopie électronique à balayage est une technique essentielle pour la caractérisation des matériaux. La nouvelle génération de MEB connue sous le nom de MEB à pression variable (aussi appelée MEB environnemental) permet de travailler dans des conditions moins drastiques de pression et de tension. Cependant, l’imagerie et la micro-analyse chimique rencontrent un défi majeur en ce qui concerne la diffusion du faisceau d'électrons primaires par les atomes/molécules du milieu gazeux. Ce phénomène de diffusion (skirt) conduit à l'apparition de plusieurs artéfacts au-delà de ceux qui sont familiers dans un MEB conventionnel. Le principal artéfact reconnu est la dégradation de la résolution spatiale qui est délimitée par le volume d'interaction en mode high-vacuum. Les objectifs de la recherche rapportés ici sont les suivants: (i) étudier l'ampleur et l'étendue de la fraction du faisceau d'électrons diffusée. (ii) le développement d'une méthodologie originale et nouvelle, afin de faire face à l'effet du skirt sur la résolution spatiale. L'efficacité de cette étude est démontrée par sa capacité à quantifier les effets de certains paramètres expérimentaux sur la dégradation de la résolution spatiale. En outre, la nouvelle méthodologie proposée est un atout précieux pour garder la résolution spatiale ultime obtenue en mode high-vacuum. Cela dépend fortement du nouveau volume d'interaction (appelé le volume d'interaction en mode low-vacuum) créé à la fois par la fraction du faisceau d'électrons diffusée et la fraction non-diffusée. / Scanning electron microscope (SEM) is an essential technique to characterize materials. The new generation of SEMs known as a variable pressure SEM (also named environmental SEM) allows to work under less drastic conditions of pressure and voltage. However, the imaging and chemical microanalysis face a major challenge with regard to the scattering of the primary electron beam by the atoms/molecules of the gas medium. This phenomenon of beam skirting leads to the appearance of several artifacts beyond those familiar in conventional SEM. The main recognized artifact is the degradation of the spatial resolution which is delineated by the high-vacuum interaction volume. The objectives of the research reported herein were: (i) to study the magnitude and the extent of the electron beam skirt. (ii) and the development of an original and new methodology in order to deal with the effect of the electron beam skirt on the spatial resolution. The effectiveness of this study is demonstrated by its ability to quantify the effects of some experimental parameters on the degradation of the spatial resolution. Further, the new methodology proposed is a valuable asset to keep the ultimate spatial resolution obtained at high vacuum mode. This depend strongly on the new interaction volume (called the low-vacuum interaction volume) created by both scattered and unscattered fraction of the electron beam.

Les travaux de cette thèse portent sur le design et l’étude de nouveaux dérivés de s-tétrazine, présentant un haut potentiel de réduction, pour la détection de polluants par inhibition de fluorescence. Le premier chapitre de ce manuscrit détaille les différents phénomènes physico-chimiques et électrochimiques qui ont été observés sur les nouveaux composés, dérivés du noyau s-tétrazine, dont les propriétés sont présentées dans le chapitre 2 de la première partie. La deuxième partie présente l’influence des substituants portés par le noyau tétrazine sur ses propriétés intrinsèques au travers d’une part de la synthèse de nouveaux dérivés de tétrazine, dont les substituants présentent un lien C-S, C-O et C-N avec le noyau, et d’autre part des études spectroscopiques et électrochimiques. La troisième partie du manuscrit s’intéresse aux applications des dérivés de tétrazine notamment la détection de polluants riches en électron, comme les dérivés du benzène et le bisphénol A, par inhibition de fluorescence. De plus, des dérivés de tétrazine ont été greffés à la surface de nanoparticules de silice de taille monodisperse, préalablement synthétisées par la méthode de Stöber. Des études physico-chimiques ont permis d’optimiser la capacité que possède le noyau tétrazine de conserver ses propriétés une fois immobilisé à la surface de la nanoparticule. Cela pourrait permettre de concevoir un dispositif solide capable de détecter des polluants riches en électron. / This Ph-D work focuses on the design and study of novel s- tetrazine derivatives, with a high reduction potential for pollutant detection by fluorescence quenching. The first part of this thesis describes the different physico -chemical and electrochemical phenomena that have been studied during these three years, reported on new compounds derived from s- tetrazine core, whose properties are presented in Chapter 2 of the first part. The second part presents the influence of substituents on the intrinsic properties of s-tetrazine through the synthesis of new tetrazine derivatives functionalized by sulfur, oxygen and nitrogen substituants and electrochemical and spectroscopic studies. Applications of tetrazine derivatives are developed in the last part especially the detection of electron rich pollutants, such as benzene derivatives and bisphenol A, by fluorescence quenching. Furthermore, s-tetrazine derivatives have been grafted on the surface of silica nanoparticles of monodisperse size, previously synthesized by the Stöber method. The ability of the tetrazine ring to keep its properties once immobilized on the surface of the nanoparticle have been studied and optimized. This may allow the design of a solid sensing device capable of detecting electron rich pollutants.