Ce travail de thèse a eu pour thème central la birnessite, un oxyde de manganèse ubiquiste dans le milieu naturel et jouant un rôle fondamental dans la géochimie des sols. La première partie de cette thèse a été consacrée à l’électrodépôt et à la caractérisation de la birnessite par des méthodes électrochimiques couplées à la diffraction des rayons X. La caractérisation DRX in-situ au cours de l’électrodépôt a permis de mettre en évidence, lorsqu’on est en présence du cation électrolytique Na+, la formation d’un précurseur, la busérite, alors qu’en présence du cation électrolytique K+, la synthèse aboutit directement à la birnessite sans formation d’intermédiaire. La réduction électrochimique de la birnessite a également été étudiée en fonction du milieu ([Mn(II)], pH, potentiel). Cette dernière se réduit en hausmannite(Mn3O4), feitknechtite (-MnOOH), ou en composé amorphe de Mn(II), selon les conditions expérimentales. Dans la deuxième partie de cette thèse, les films minces ont été utilisés pour étudier la réactivité de la birnessite vis-à-vis du glyphosate, ainsi que celle de son principal métabolite l’AMPA (acide amino-méthyl-phosphonique). Le glyphosate est dégradé avec formation simultanée d’AMPA, de formaldéhyde, d’ions phosphate, nitrate et ammonium sans modification macroscopique de la birnessite. Les quatre derniers sous-produits sont également obtenus lors de la dégradation de l’AMPA par la birnessite. Les bons rendements de dégradation obtenus au cours des interactions glyphosate/birnessite et AMPA/birnessite laissent envisager une possible application de ces échantillons pour le traitement des eaux usées. / This thesis has been focused on birnessite, a ubiquitous manganese oxide in the environment, which plays a fundamental role in soil geochemistry. The first part of this thesis has been devoted to the electrodeposition and the characterizations of birnessite by electrochemical methods coupled with X-ray diffraction. The in-situ XRD characterization during electrodeposition has shown, in presence of the electrolytic cation Na+, the formation of a precursor, buserite, whereas no precursor is formed in presence of electrolytic cation K+, the synthesis leading directly to birnessite. The electrochemical reduction of birnessite has also been studied in function of the medium ([Mn (II)], pH, potential). Birnessite is reduced into hausmannite (Mn3O4), feitknechtite (-MnOOH), or an amorphous compound of Mn (II), as function of experimental conditions. In the second part of this thesis, the thin films have been used to study the reactivity of birnessite for degrading glyphosate and its metabolite AMPA (amino-methyl phosphonic). Glyphosate is degraded with simultaneous formation of AMPA, formaldehyde, phosphate ion, nitrate ion and ammonium ion, without macroscopic modification of birnessite. The last four by-products are also obtained during the degradation of AMPA by birnessite. The good yields obtained during glyphosate / birnessite and AMPA / birnessite interactions permit to envisage a possible application of these thin films for the treatment of wastewater.

Ce mémoire présente une nouvelle méthode d'analyse des courbes de voltampérométrie cyclique. Cette méthode utilise deux algorithmes distincts afin de permettre la caractérisation automatique et précise des pics gaussiens d'oxydoréduction qui sont liés à la concentration des molécules en solution. En premier lieu, des améliorations significatives sont apportées à un algorithme de suppression de la courbe de fond qui fonctionne par approximation polynomiale itérative. Avec les améliorations proposées, l'algorithme isole les pics d'oxydoréduction à partir des mesures de voltampérométrie cyclique automatiquement. La variation de l'amplitude des pics en fonction de la concentration est alors mieux conservée et les erreurs d'estimation sont diminuées par rapport à l'algorithme initial. Ensuite, le développement d'un algorithme qui permet de caractériser des pics gaussiens basé sur l'algorithme de deuxième ordre MUSIC est présenté. Cet algorithme est adapté de manière à caractériser avec une haute précision le nombre, la position, la largeur et l'amplitude des pics d'oxydoréduction. Finalement, les performances de cet algorithme sont comparées à celles d'autres algorithmes similaires à l'aide de courbes simulées et expérimentales. L'algorithme proposé permet une meilleure caractérisation des pics sans chevauchement ainsi que des pics déformés. Il permet aussi de diminuer la fréquence des fausses détections et d'obtenir une haute précision de la mesure de position, et ce même lorsque les signaux sont bruités. / This master's thesis describes a new method for analyzing cyclic voltammetry curves for an efficient peak detection and automatic baseline substraction. This method uses two distinct algorithms for a precise characterization of Gaussian redox peaks which are correlated with molecules' concentration in a solution. First, significant improvements are made to an existing algorithm that uses iterative polynomial approximations to suppress the baseline automatically from the voltammetric curves. With these enhancements, the algorithm extracts redox peaks from cyclic voltammetry measurements automatically and allows a better representation of the variation of peak's amplitude according to concentration. In addition, the approximation errors are reduced compared to the initial algorithm. Then, the development of an algorithm for characterizing Gaussian peaks based on the MUSIC second-order algorithm is presented. This algorithm is adapted to characterize the number, position, width and amplitude of redox peaks with high accuracy. Finally, the performances of this algorithm are compared with those of other similar algorithms using simulated and experimental curves. The suggested algorithm leads to a better characterization of non-overlapping peaks as well as distorted peaks. It also reduces the frequency of false detections and allows the precise measurement of peaks' positions in noisy signals.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le CO2 est un gaz à effet de serre qui peut être valorisé par réduction électrochimique en CO dans les carbonates alcalins fondus. Les objectifs principaux de ma thèse sont la détermination théorique des conditions favorables à cette réduction électrochimique dans les carbonates alcalins fondus et l'étude de la faisabilité de cette réduction électrochimique dans des eutectiques binaires et ternaire en conditions expérimentales. La solubilité du CO2 dans Li2CO3-K2CO3 a été déterminée par mesure manométrique et augmente avec la température. La faisabilité expérimentale de la réduction électrochimique du CO2 en CO dans les eutectiques sur électrode d'or et de carbone graphite a été prouvée expérimentalement à des températures supérieures à 550 °C par voltampérométrie cyclique (système quasi-rapide à lent), à la fois sans prétraitement de l'électrode d'or et à l'aide d'un traitement de l'électrode d'or par pré-électrolyse à un potentiel légèrement plus négatif que celui dû à la réduction de CO2. Une approche globale des mécanismes réactionnels impliqués dans la réduction de CO2 a été proposée. / Carbon Dioxide is a greenhouse which can be valorised by means of electrochemical valorisation into carbon monoxide. The main goals of the thesis consist in the theoretical determination of the conductive conditions leading to this electrochemical valorisation in alkali molten carbonates along with the study of the feasability of this electrochemical reduction in binary and ternary eutectics under experimental condition. CO2 solubility has been determined by manometric measure and increase along with the temperature. CO2 electrochemical experimental feasibility into CO in eutectics on gold plate electrode and graphite carbon has been prooved by cyclic voltamperometry for temperatures exceeding 550°C , without gold plate electrode preatreatement and with gold plate preatreatement by an pre-electrolysis at potential sligthly negative as the CO2 reduction potential. A global approach of reactional mecanisms implied in CO2 reduction is proposed.

Les cytochromes P450 sont des enzymes mononucléaires de fer qui catalysent l’oxydation de liaisons C-H en utilisant le dioxygène de l’air. L’activation de O2 nécessite sa réduction partielle par l'apport de deux protons et deux électrons. Ces derniers sont fournis par le réducteur naturel NADPH par l'intermédiaire d'une flavoprotéine qui permet de convertir l’adduit fer(II)-O2 en un intermédiaire de type fer(III)-peroxo dont les protonations successives permettent la rupture hétérolytique de la liaison O—O et l’obtention d’un intermédiaire de type fer-oxo responsable de l’oxydation du substrat.1 Ce projet s’inscrit dans le cadre de la chimie bio-inspirée, il a pour objectif de développer des catalyseurs de fer non-hémiques afin de réaliser l’oxydation de petites molécules organiques en utilisant le dioxygène de l’air. L’activation du dioxygène est assurée par le biais d’une électrode qui sert de source d’électrons mais également de sonde mécanistique. Pour comprendre le mécanisme de l’activation du dioxygène il est nécessaire (i) de générer les intermédiaires réactionnels oxydants (fer-oxo, fer-(hydro)peroxo) par le biais d’oxydants chimiques comme le PhIO et H2O2 puis (ii) de les caractériser par spectroscopie et électrochimie à basse température. Enfin (iii) l’étude expérimentale par voltampérométrie cyclique de la réaction du complexe de Fe(II) en présence de dioxygène couplée à des simulations de voltampérogrammes de cette même réaction (à l’aide de données thermodynamiques et cinétiques obtenues en (ii)) permettent ainsi de valider le mécanisme de l’activation réductrice du dioxygène de ce système. Ce travail a démontré que les complexes de FeII avec des ligands amines/pyridine peuvent activer le dioxygène à la surface d’une électrode en suivant un mécanisme proche de celui du cytochrome P450. A présent, la difficulté principale est de s’affranchir de la réduction prématurée des intermédiaires lorsqu’ils sont générés à l’électrode. En se basant sur ces résultats, l’essentiel du travail est à présent ciblé sur la compréhension des différents paramètres (première sphère de coordination, conditions expérimentales, …) qui peuvent modifier la stabilité des intermédiaires et donc l’efficacité de la catalyse. / Cytochrome P450 is a mononuclear iron enzyme, which catalyzes the oxidation of robust C-H bonds using O2. Activation of O2 is achieved at the Fe(II) center and requires an electron transfer to convert the iron(II)-dioxygen adduct into an iron(III)peroxo intermediate. After protonation, this latter may directly oxidize substrates or evolves to yield a powerful high valent iron-oxo moiety. In such natural systems, the necessary electrons are provided by a co-substrate NAD(P)H and are conveyed through a reductase.1The aim of this project is to develop non-heme iron(II) complexes as catalysts for the oxidation of small organic molecules by O2. Our objective is to use an electrode to deliver the electrons while providing mechanistic information at the same time thanks to a combined experimental/simulation approach using cyclic voltammetry. This work has shown that simple Fe(II) complexes bearing amine/pyridine ligands can activate O2 at an electrode surface following a mechanism that is reminiscent of the one of P450. However, the main scientific lock is to avoid the fast reduction of the reaction intermediates when they are generated at the electrode. We are currently studying how alterations of the first coordination sphere of the metal center and experimental conditions modulate the formation and the stability of these intermediates and thus, the efficiency of the catalysts.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail porte sur la réalisation et la caractérisation d'électrodes pour piles à combustible (PAC). L'approche bottom-up adoptée associe par voie liquide des nanoparticules de platine enrobées par des molécules (NP) et des nanotubes de carbone (NT) préformés afin d'obtenir une dispersion liquide de nanocomposite. Ce procédé permet de contrôler dans une large gamme la couverture des nanotubes de carbone par les nanoparticules de platine. Puis, par filtration sur feutre de carbone nous obtenons des électrodes de PAC avec des couches actives de compositions très diverses (1 à 300 g Pt/cm², épaisseurs de 10 à 80 µm). Nous avons ensuite qualifié ex situ ces électrodes à l'aide de paramètres pertinents dont l'un est directement associé à la réduction de l'oxygène. Nous avons utilisé la voltampérométrie cyclique dans les conditions où les électrodes sont imprégnées d'électrolyte et calculé ces paramètres pour chaque électrode. Des différences observées dans ces paramètres entre deux méthodes d'imprégnation des électrodes ont révélé l'importance des modulations de mouillabilité des couches actives avec le rapport massique NP/NT et la nature de l'enrobage des nanoparticules. Cela débouche sur la possibilité de réaliser des électrodes modèles permettant à terme d'optimiser la gestion des points triples et donc l'utilisation du catalyseur dans les électrodes de PAC. Des tests en pile avec nos électrodes illustrent ainsi la possibilité de diminuer à l'avenir de manière très significative les densités de platine dans les PAC.

Ce travail porte sur les complexes des métaux de transitions pour la catalyse de la réduction des protons en hydrogène. La nature de l'espèce catalytiquement active mise en jeu lors du processus de réduction a été étudiée par voltampérométrie cyclique afin de comprendre le rôle et le mode d'action de ces complexes. Le premier chapitre introduit le contexte et les principaux objectifs de ce travail. Le deuxième chapitre propose une étude électochimique de complexes de cobalt et de nickel à ligands bis(glyoxime) et clathrochélates en phase homogène. Leur comportement en présence d'acide et en condition réductrice est décrit et un mécanisme réactionnel associé est proposé. L'influence des ligands de la sphère de coordination sur le comportement électrochimique de ces complexes a été rationalisé par le biais de substitution des groupements présents sur les ligands bis(glyoxime) et clathrochélates. Le troisième chapitre aborde le rôle de pré-catalyseur que peuvent tenir ces complexes en condition d'électrolyse réductrice et en milieu acide. L'électrosynthèse de nanoparticules catalytiques à partir de ces complexes a mis en évidence le rôle majeur des ligands bis(glyoxime) et clathrochélates dans ce phénomène d'électrodéposition. Ces résultats montrent que ces ligands peuvent être utilisés pour contrôler la nature et l'activité de nanoparticules catalytiques pour la réduction des protons en dihydrogène. Le quatrième chapitre vise à immobiliser les complexes de cobalt à ligand clathrochélate au sein de réseaux de coordination afin d'optimiser leur activité catalytique. Malgré la faible solubilité et l'encombrement stérique de ces complexes, des synthèses en conditions très douces ont abouti à la formation de réseaux mono et bi-dimensionels à base d'ions cadmium(II).

Les réactions de couplage croisé ont révolutionné la chimie organique. Par exemple, dans le domaine de la chimie médicinale, les réactions de couplage sont de puissants outils pour générer rapidement et facilement une librairie de composés. Depuis la découverte des premières réactions de couplage croisé catalysé par des complexes de palladium, ce métal reste le plus utilisé. Cependant, d’autres métaux tels que le cuivre, le nickel, le cobalt ou le fer sont apparus comme de bonnes alternatives aux complexes de palladium, chers et toxiques.D’autre part, en chimie médicinale, les hétérocycles sont des motifs essentiels puisqu’ils sont présents dans un grand nombre de médicaments. Le développement de nouvelles méthodes permettant de former des molécules incorporant des motifs hétérocycliques tels que des azétidines, des pyrrolidines ou des oxétanes, est un réel défi pour un chimiste organicien. Les halogénures d’alkyle sont généralement des substrats difficiles à utiliser en couplage croisé car l’addition oxydante du métal y est difficile. Des réactions parasites peuvent également avoir lieu telles que des réactions de -H élimination ou de déshalogénation. Cependant, les sels de cobalt et de fer se sont révélés être des catalyseurs efficaces pour réaliser des réactions de couplage sur des halogénures d’alkyle. Au cours de cette thèse, deux systèmes catalytiques à base de sels de cobalt ou de fer ont été développés pour réaliser des réactions de couplage croisé entre des halogénures d’alkyle hétérocycliques et des réactifs de Grignard. Une étude mécanistique des réactions de couplage croisé catalysé par des sels de cobalt a également été réalisée. / Cross-coupling reactions, as Prof. K. C. Nicolaou said “have changed the way we think about synthesis”. Indeed, cross-coupling reactions are powerful tools to access easily and rapidly to a library of compounds in the context of medicinal chemistry. Palladium-catalysed cross-coupling rules the field and was recognized by the Nobel Prize in 2010 but, since its discovery, others metals have appeared as good alternatives to the expensive and toxic palladium salts such as copper, nickel, cobalt and iron salts. In medicinal chemistry, heterocycles are essential moieties since they are found in a great number of drugs on the market. It is always a challenge for organic chemists to develop new methods to produce motifs with interesting pharmacological properties such as substituted azetidines, pyrrolidines and oxetanes. sp3 Halides are challenging substrates for cross-coupling because the oxidative addition of the metal in the C-X bond is difficult and because side reactions can take place like -hydride elimination or dehydrohalogenation. Nevertheless, cobalt and iron are suitable catalysts to perform cross-coupling reactions on sp3 halides. Herein, we would like to report two catalytic systems allowing the cross-coupling between heterocyclic alkyl halides and Grignard reagents using cobalt and iron salts. A mechanistic study on cobalt-catalysed cross-coupling reaction between halides and Grignard reagents will be also presented.

Ce travail porte sur les complexes des métaux de transitions pour la catalyse de la réduction des protons en hydrogène. La nature de l’espèce catalytiquement active mise en jeu lors du processus de réduction a été étudiée par voltampérométrie cyclique afin de comprendre le rôle et le mode d’action de ces complexes. Le premier chapitre introduit le contexte et les principaux objectifs de ce travail. Le deuxième chapitre propose une étude électochimique de complexes de cobalt et de nickel à ligands bis(glyoxime) et clathrochélates en phase homogène. Leur comportement en présence d’acide et en condition réductrice est décrit et un mécanisme réactionnel associé est proposé. L’influence des ligands de la sphère de coordination sur le comportement électrochimique de ces complexes a été rationalisé par le biais de substitution des groupements présents sur les ligands bis(glyoxime) et clathrochélates. Le troisième chapitre aborde le rôle de pré-catalyseur que peuvent tenir ces complexes en condition d’électrolyse réductrice et en milieu acide. L’électrosynthèse de nanoparticules catalytiques à partir de ces complexes a mis en évidence le rôle majeur des ligands bis(glyoxime) et clathrochélates dans ce phénomène d’électrodéposition. Ces résultats montrent que ces ligands peuvent être utilisés pour contrôler la nature et l’activité de nanoparticules catalytiques pour la réduction des protons en dihydrogène. Le quatrième chapitre vise à immobiliser les complexes de cobalt à ligand clathrochélate au sein de réseaux de coordination afin d’optimiser leur activité catalytique. Malgré la faible solubilité et l’encombrement stérique de ces complexes, des synthèses en conditions très douces ont abouti à la formation de réseaux mono et bi-dimensionels à base d’ions cadmium(II). / My PhD thesis goal was to investigate on the catalytic properties of first row transition metal complexes for the hydrogen evolving reaction (HER). The underlying question in the field concerning the catalytic species of metal complexes for the HER was then, whether it is homogeneous or heterogeneous catalysis. My work concerns the synthesis and characterization of oximato based cobalt and nickel complexes and their electrochemical behavior in presence of acids.In the first chapter, I give a general introduction on the search for catalytic molecular systems for the production of hydrogen. I also give an overview of my approach tackling the problem of homogeneous and heterogeneous catalysis. In the second chapter I discuss on the electrochemical study of cobalt and nickel complexes containing bis(glyoxime) ligands and clathrochelates complexes in homogeneous phase. Their electrochemical behavior under reductive conditions in presence of acids is described. The absence of molecular based catalysis is discussed and a mechanistic pathway for the consumption of protons and electrons is proposed. The influence of the ligands in the coordination sphere has been rationalized through substitutions of the chemical groups on the bis(glyoxime) and clathrochelates ligands. The third chapter concerns the generation of catalytic material from the molecular precursors in acidic reductive conditions. Electrochemically modified glassy carbon electrodes were characterized by TEM and evidenced the formation nanoparticles containing the initial metal ions (either cobalt of nickel). Our results show that the chemical nature of the ligands can be used in order to control the nature and reactivity patterns of these catalytically active nanoparticles for proton reduction into hydrogen.In the forth chapter, I give the preliminary results on the immobilization the cobalt clathrochelates complexes inside coordination networks in order to improve their catalytic activity. Despite the weak solubility and the bulk of these complexes, mild conditions synthesis have led to mono and bi-dimensional networks based on cadmium (II) ions.To conclude I emphasize on the different ways that can be followed to further pursue this quest for catalytic materials for the HER starting with molecular based complexes as precursors.