Propriétés spectroscopiques de systèmes liés à l'environnement : complexes ioniques de la 2',3-dihydroxyflavone et hydrocarbures aromatiques polycycliques : une étude expérimentale et théorique

Spectroscopic properties of environmental relevant systems : 2’,3-dihydroxyflavone-ion complexes and polycyclic aromatic hydrocarbons : a joint experimental and theoretical study

• Auteur / Autrice : Luc Labarrière
• Direction : Jean-Paul Cornard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Avancé de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement (LASIRE)
• Jury : Président / Présidente : Céline Toubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aurélien Moncomble, Erwan André, Xavier Mercier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carine Clavaguéra, Vincent Tognetti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Forces de Van der Waals

Associations moléculaires

Liaisons hydrogène

Dynamique moléculaire

Théorie de la fonctionnelle de densité

Spectroscopie d'absorption

Spectroscopie de fluorescence

Complexes métalliques

Dérivés

Flavonoïdes

Propriétés optiques

Composés aromatiques polycycliques

Mots clés libres

Flavonols

2'.3-Dihydroxyflavone

Dft

Fluorescence

PAH dimers

Metal-Complexes

Electronic spectroscopy

Résumé

Ce manuscrit présente les résultats d'une étude expérimentale et théorique de deux systèmes moléculaires d'intérêt environnemental : la 2',3-dihydroxyflavone (2'3HF) et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Ces systèmes ont été étudiés par une combinaison de techniques de spectroscopies électroniques (absorption et fluorescence) et de calculs de chimie quantique (DFT et TD-DFT). Dans une première partie de cette thèse, il est montré que la 2'3HF présente des propriétés acido-basiques singulières par rapport aux autres flavonols. La diminution de plusieurs unités de la valeur du pKa est attribuée à la présence d'un réseau de liaisons hydrogènes. A l'état-excité, un transfert de proton intramoléculaire est à l'origine d'une fluorescence duale. Une bande d'émission supplémentaire, semblant provenir d'une forme tautomère perturbée par interaction avec le solvant, a été mise en évidence. Enfin, une étude exhaustive des complexes de Ca(II), Mn(II) et Zn(II) a montré la formation de chélates avec la fonction α-hydroxycétone. Dans la deuxième partie, trois hypothèses structurales pour expliquer l'observation expérimentale de fluorescence induite par laser (LIF) dans le visible ont été explorées. Une étude sur les dimères de van der Waals (vdW) des HAPs a permis de mieux comprendre la nature de l'interaction entre monomères et de mettre en évidence la difficulté de modéliser ces systèmes, cependant, les transitions électroniques calculées suggèrent que ces espèces ne peuvent pas être responsables des signaux de LIF. Ensuite, une étude identique de HAP liés par ponts aliphatiques a montré des résultats très similaires aux dimères de vdW, excluant leur implication dans la fluorescence observée. Enfin, l'hypothèse de l'émission provenant de radicaux de HAPs a été explorée. Cette dernière est très prometteuse et ouvre la voie à des études expérimentales et théoriques ultérieures.

This manuscript reports the results of an experimental and theoretical study of two molecular systems of environmental interest: 2',3-dihydroxyflavone (2'3HF) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). These systems were studied by a combination of electronic spectroscopic techniques (absorption and fluorescence) and quantum chemical calculations (DFT and TD-DFT). In the first part of this thesis, it is shown that 2'3HF has singular acid-base properties compared to other flavonols. The decrease of the pKa by several units is attributed to the presence of a hydrogen-bond network. In the excited state, an intramolecular proton transfer causes a dual fluorescence. An additional emission band, seemingly originating from a tautomeric form perturbed by interaction with the solvent, was revealed. Finally, an exhaustive study of the Ca(II), Mn(II) and Zn(II) complexes showed the formation of chelates with the α-hydroxyketone function. In the second part, three structural hypotheses to explain the experimental observation of visible-range laser-induced fluorescence (LIF) were explored. A study of van der Waals (vdW) dimers of PAHs provided insights into the nature of the monomer interaction and highlighted the difficulty of modelling these systems. However, the calculated electronic transitions suggest that these species cannot be responsible for the LIF signals. Secondly, an identical study of aliphatically bridged PAHs showed very similar results to vdW dimers, ruling out their involvement in the observed fluorescence. Finally, the hypothesis of emission from PAH radicals was explored. The latter is very promising and opens the way for further experimental and theoretical studies.