Dissertations / Theses on the topic 'Deutérium – Isotopes'

Lors de l’opération d’ITER, des flux importants d’isotopes d’hydrogène (HI) constituant le fuel interagissent avec les composants face au plasma (CFP) de la machine. Dans le cas du Tungstène (W) composant le divertor qui est la zone la plus exposée aux interactions plasma paroi, le flux incident est implanté et diffuse ensuite dans le corps du matériau entrainant un piégeage du fuel. Pour des raisons de sureté, l’inventaire de Tritium retenu dans les parois d’ITER est limité. De plus, le dégazage du fuel depuis les parois vers le plasma, lors des opérations plasma peut avoir un impact sur le contrôle global du plasma. Le but de cette thèse est d’abord de déterminer les paramètres de piégeages du fuel dans le W (énergies/températures de dépiégeage, concentrations de pièges) grâce à la modélisation de résultats expérimentaux. Ces simulations de résultats expérimentaux montrent que l’implantation d’HIs dans le W peut induire, sous certaines conditions, la formation de lacunes contenant des impuretés. En plus de ce piège induit par l’implantation d’ions, 2 pièges intrinsèques sont présents dans le W. Ces 3 pièges retiennent les HIs jusqu’à 700 K. Enfin, il est montré que le W endommagé par des ions lourds ou des neutrons contient des dislocations, des boucles de dislocations et des cavités retenant les HIs jusqu’à 1000 K.Après avoir déterminé ces paramètres de piégeages des HIs dans le W, la rétention des HIs durant l’opération d’ITER est estimée. Lors de cette opération, la température des CFP W atteint environ 1000 K. Les simulations montrent donc que la rétention dans les CFPs non endommagé est bien plus faible que dans le cas d’un CFP endommagé
During ITER operation, important flux of Hydrogen Isotopes (HIs) constituting the fuel interact with the plasma facing components (PFC) of the machine. In the case of tungsten (W) making the divertor which is the most exposed area to the plasma wall interaction, the incident flux can be implanted and diffuse inside the bulk material inducing a trapping of the fuel. To safety issue, the tritium inventory retained in ITER’s PFC is limited. In addition, the outgassing of the fuel during plasma operation can impact the edge plasma control.The aim of this PhD project is first to determined relevant trapping parameters of the fuel in W (detrapping energies/temperatures and trap concentrations) by modelling experimental results. The simulations of experimental results shows that under specific condition, the HI implantation can induce the formation of mono-vacancies containing impurities. In addition to this induced trap, 2 intrinsic traps are present in W. This 3 traps retain HIs up to 700 K. Finally, it has been shown that the damaged W by heavy ions or neutrons contains dislocations, dislocation loops and cavities that can trap HIs up to 1000 K.After determining the fuel retention properties of W, the HIs retention during ITER operation is estimated. During this operation, the PFC temperature reaches around 1000 K so the simulations show that the damaged W retains much more HIs than the undamaged W

L’adsorption de l’hydrogène et du deutérium purs ou en mélanges a été étudiée sur une série de zéolithes en faisant varier différents paramètres (taille et géométrie des pores, rapport Si/Al, nature du cation compensateur de charge).Les sélectivités d’adsorption ont été déterminées dans un large domaine de pression (0,1 – 1000 hPa) et de température (45 – 100 K) à l’aide une technique originale basée sur le couplage de la manométrie et de la spectrométrie de masse conçue et mise au point au laboratoire. En accord avec les données de la littérature, pour tous les matériaux et toutes les conditions expérimentales étudiées, le processus de coadsorption est toujours en faveur du deutérium. En revanche, la sélectivité varie en fonction du taux de remplissage, des propriétés des matériaux et de la température. La cinétique de coadsorption joue un rôle très important sur la sélectivité d’adsorption et ce tout particulièrement dans le domaine de fort remplissage.Ces travaux ont permis d’identifier les paramètres de l’adsorbant et les conditions opératoires qui permettront le développement d’un procédé de séparation efficace des isotopes de l’hydrogène par adsorption sélective
The adsorption of hydrogen and deuterium (single gases and mixtures) was studied on a series of zeolites with varied parameters (Si/Al ratio, nature of the charge-compensating cation, pore geometry and diameter of pore aperture). Thermodynamic adsorption selectivities towards deuterium with respect to hydrogen were measured in a large pressure range (0.1 – 1000 hPa) and for several temperatures (45 – 100 K). The adsorption selectivity was assessed using direct coadsorption measurements performed by manometry coupled with mass spectrometry. For all studied zeolites and experimental conditions, the coadsorption process is selective towards deuterium, in agreement with the literature. However, the adsorption selectivity depends on the loading, the sorbent’s properties and the temperature. We have found that the coadsorption kinetics strongly influences the adsorption selectivity, especially at high loading. This work gives the guidelines for the choice of the formulation of materials and the optimal operating conditions for having an efficient separation of hydrogen isotopes using zeolite-based adsorbents

Ce mémoire présente la mise en place de plusieurs protocoles de mesure par RMN-2H des abondances isotopiques spécifiques (Ai), au moyen du signal de référence électronique ERETIC. La méthode présente les mêmes caractéristiques en termes de précision et de justesse que la référence interne chimique classique (TMU). Les contraintes et inconvénients rencontrés avec une référence chimique sont ainsi évités : superposition de pics, solubilité, prix, pollution de l'échantillon. . . Un protocole, nommé "à TR court", met à profit les caractéristiques de la méthode ERETIC, où la relation TR ≥ 5. T1 pour une erreur systématique de 0,7 % n'est plus vérifiée. Ainsi, la durée totale d'expérience peut être divisée par 4. Cette étude établit également une méthode d'authentification du salicylate de méthyle et de la caféine. L'observation des Ai distingue le composé naturel du synthétique, et dans le cas du salicylate de méthyle, son origine botanique
In the present dissertation we developed a methods for a thermodynamical analysis and control of a synthesis of new materials in a solid state. We based it on the abilities of the irreversible processes thermodynamics and on the experimental analysis techniques (such as DSC-TG, XRD, SEM, etc. ). We applied that methods to two kinds of problems with a practical application: i) the LiCoPO4 synthesis; and ii) the PdSe2, PdTe2 and PtTe2 phase transitions under high pressure. Thanks to our study we prepared a pure LiCoPO4 with average particle size of 0. 5µm. Moreover, we got the ability to prognosticate its particle size, obtained in a random thermal regime. Concerning the second problem we found the phase transition order under high pressure of the PdSe2, the PdTe2 and the PtTe2: first order one and no phase transition respectively. We also explored the phases stabilities in respect of pressure and temperature

La methode de resonance magnetique nucleaire du fractionnement isotopique naturel specifique qui permet de determiner la repartition des atomes de deuterium sur une molecule de produit organique a ete employee sur du mannitol extrait de pheophycee. En milieu naturel, les algues synthetisent un mannitol globalement appauvri en deuterium par rapport a l'eau du milieu. Cet appauvrissement a lieu selectivement sur les carbones 1, 3, 4 et 6 alors que les carbones 2 et 5 sont associes preferentiellement avec le deuterium. En milieu de culture controle, sur l'algue sargassum muticum, une relation a pu etre mise en evidence entre le rapport isotopique deuterium sur hydrogene associe au carbone 2 et 5 du mannitol et les beta-carboxylations catalysees par la phosphoenolpyruvate carboxykinase. Ce resultat permet de penser que, chez les pheophycees en milieu naturel marin, l'incorporation du carbone inorganique par cet enzyme est importante. Une etude analogue a ete entreprise sur des melanges d'acides gras d'especes marines. Des resultats preliminaires montrent une modification de la teneur isotopique en hydrogene des acides gras satures et insatures des differents maillons de la meme chaine alimentaire marine

Les isotopes stables de l'eau constituent un outil intéressant pour étudier les variations passées et actuelles du cycle de l'eau. Sous les tropiques, la convection est un facteur important agissant sur la composition isotopique (δ18O, δD) de l'eau. Néanmoins, plusieurs questions subsistent sur la compréhension du signal isotopique, notamment en raison d'un manque de données dans la phase vapeur. Le but de cette thèse est d'une part de mesurer en continu pour la première fois au Sahel la composition isotopique de la vapeur d'eau en surface, puis de déterminer quelle est la valeur ajoutée de telles mesures pour l'étude du cycle de l'eau atmosphérique de la mousson africaine. Dans un premier temps, nous présentons notre protocole de mesure, à travers plusieurs tests réalisés en laboratoire avec une technologie laser récemment commercialisée. L'installation d'un instrument laser à Niamey (Niger) nous a permis d'acquérir des mesures pendant plus de deux ans. Nous discutons ces données à différentes échelles de variabilité. A l'échelle saisonnière, nous soulignons le rôle prépondérant de l'activité convective pendant la mousson et de la dynamique de grande échelle. Nous mettons en évidence de forts modes de variabilité intra-saisonniers évoluant au cours de l'année, illustrant le caractère intégrateur de la composition isotopique de la vapeur vis-à-vis de la convection pendant la mousson, et le rôle des interactions entre la circulation atmosphérique et les téléconnexions tropiques/extra-tropiques pendant la saison sèche. Nous discutons aussi de la variabilité diurne et des informations que peuvent nous apporter ces mesures sur les processus convectifs
Water stable isotopes are a useful tool to investigate past and present-day atmospheric water cycle. If the isotopic composition (δ18O, δD) of tropical precipitation is strongly affected by convective processes at different timescales, large uncertainties remain in the understanding of its variabilty, since a variety of factors can control δ, from local to large-scale processes. One way to better understand the atmospheric controls on the isotopic composition of precipitation is to monitor that of the water vapor in parallel. The goal of this thesis is to monitor continuously for the first time the near-surface water vapor isotopic composition in the Sahel region, and second to study what is the added value of such measurements for investigating the atmospheric water cycle of the West African Monsoon. First, we present our measurement protocol, through several experimental results conducted in laboratory. We have set up a commercially available laser instrument in Niamey (Niger) and monitored the isotopic composition of water vapor during more than two years. Then, we present and discuss the data, through several temporal scales of variability. We show that the water vapor isotopic composition is strongly impacted by convection during the monsoon period, and large-scale dynamics during the dry season. It also records strong intraseasonal fluctuations that could be linked to convection modes of variability during the monsoon, and interactions between atmospheric circulation and tropical/extratropical teleconnections during the dry season. We also discuss diurnal variations, and investigate the variability at the scale of the rain events

Le développement de nouvelles méthodes, efficaces, rapides et facile à mettre en œuvre pour le marquage avec du deutérium ou du tritium de composés organiques tels que des médicaments est indispensable dans le secteur industriel comme académique. Ces composés isotopiquement marqués sont essentiels lors des études précliniques. En effet, ces méthodes de marquages permettent d’obtenir plus rapidement les données nécessaires concernant la métabolisation et le profil de sécurité d’un candidat médicament, ce qui permet de réduire le temps investit dans cette recherche. Les méthodes classiques de marquages sont basées sur la synthèse d’un précurseur qui est ensuite marqué isotopiquement puis modifié jusqu’à l’obtention de la structure finale du candidat médicament. Ces anciennes méthodes, coûteuses en temps et en argent et génératrices d’effluents radioactifs, peuvent être évitées par fonctionnalisation sur la structure finale du composé d’intérêt, en particulier par échange d’isotopes d’hydrogène. Au cours de ces travaux de thèse, nous avons développé la première méthode de marquage catalytique à l’iridium dans des conditions douces (température ambiante) sur les motifs dérivés d’acides phenylacetiques tels que esters et amides, motifs très présents dans les structures pharmacologiques. Cette méthode permet d’introduire du deutérium ou du tritium en position ortho du groupement directeur de façon sélective. Lors d’un autre projet, nous avons mis en évidence que la position de marquage au sein d’une molécule avec plusieurs groupements directeurs peut être modulée en fonction du catalyseur d’iridium utilisé ainsi que de la température réactionnelle (de -60°C à +130°C). L’utilisation de calculs de DFT nous a permis de postuler un ordre classifiant différents groupements directeurs par rapport à leur réactivité vis-à-vis de la réaction d’échange d’isotopes d’hydrogène en situation de compétition (deux substrats et un catalyseur d’iridium). Ces données théoriques ont été confirmées par les données expérimentales. Lors d’un autre projet, le marquage sélectif au tritium d’une structure complexe tel qu’un médicament cytotoxique (maytansine DM4) a débouché sur le marquage de différentes chaînes latérales employées dans des méthodes de conjugaison d’anticorps. Ces données ont permis d’étendre cette méthodologie au marquage au deutérium d’acides aminés et de di-tri et tétra-peptide, sélectivement sur le carbone alpha d’un résidu glycine. Finalement, en collaboration avec le CEA-Saclay et le CNRS, nous avons développé les premières nanoparticules d’iridium stable à l’air et actives vis-à-vis de l’échange d’isotopes d’hydrogène sur des anilines. L’ensemble des travaux réalisés pendant cette thèse a permis le marquage au tritium de composés médicamenteux tels que le DM4, le Benalaxyl, ou encore le pharmacophore du Volixibat
The development of new efficient, fast and easy-to-handle methods to label drug compounds with deuterium or tritium in one single step is of great importance in academia and industry. These labelled compounds are for example an essential part in drug discovery and help to speed up the generation of the safety profile of a drug candidate. Classical isotope labeling mainly relies on the transformation of precursors which require multistep synthesis, a drawback which may be overcome by late-stage functionalization. We reported the first efficient catalytic protocol for ortho-selective iridium(I)-catalysed Hydrogen Isotope Exchange (HIE) reactions of pharmacologically important phenylacetic acid esters and amides with D2 or T2 under very mild reaction conditions (room temperature). We have demonstrated that by applying the optimized combination of different iridium catalysts and reaction temperatures (-60 to 130°C), different HIE reaction outcomes in selectivity and reactivity can be achieved. Together with DFT calculations, we have postulated a guideline for directing group strength of several functional groups, to predict the outcome of HIE reactions in the competition situation of complex molecules. Starting from a complex tritium labelling of the maytansine DM4 drug, the HIE reaction on a series of common linker side chains of antibody-drug-conjugates proceeded with high chemical yields, high regioselectivity and with deuterium incorporations up to 99%. The scope of the method was further extended to amino acids, di- and tripeptides, with deuterium incorporation up 95%D in the glycine moiety. Finally, in collaboration with CEA-Saclay and CNRS, air-stable and easy-to-handle iridium NHC-ligated nanoparticles were developed for the first time and used in HIE reactions of complex anilines. The usefulness of the methods developed all along the PhD was demonstrated by tritiation of DM4, Camylofine, Benalaxyl and the Volixibat pharmacophore

BRITO, Adriano Leal de. Oxigênio-18 e deutério traçadores do sistema de aqüíferos na Bacia Sedimentar do Araripe. 2012. 96 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2012.
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The natural tracers deuterium and oxygen-18 were used to identify the dynamic characteristics of the groundwater reserves in the Araripe Sedimentary Basin, through the analysis of water samples collected in 40 wells in January, April, July and October 2011. The sampling points are located in 08 municipalities and electrical conductivity measurements, which expresses water salinity, were also performed. The results show spatial and temporal variation of the parameters analyzed, but the average values of δ18O in samples from 33 wells is -3.22 ± 0.05 (‰) which is the average rainfall in the region today. Samples of the remaining seven wells showed higher fluctuations and four had values below -3.2 ‰. The meteoric lines that express measures of deuterium versus oxygen-18, constructed with values of each sample show a mean slope of 7.87 ± 0.60 ‰ about the value of the World Meteoric Line. The excess of deuterium in the sample period increased from 7.26 to 9.38 ‰ reflecting internal processes in the aquifer. Samples with values of δ18O in meteoric waters below the current mix of show paleowater already identified with modern recharge water, the samples with these values are not distinguishable by their electrical conductivities that are current in the range of samples characterizing the importance of isotopic tracers
Os traçadores naturais oxigênio-18 e deutério foram utilizados para identificar características dinâmicas das reservas hídricas subterrâneas na Bacia Sedimentar do Araripe, através da análise de amostras de água coletadas em 40 poços nos meses de janeiro, abril, julho e outubro de 2011. Os pontos de amostragem localizam-se em 08 municípios e medidas de condutividade elétrica, que expressa salinidade das águas, também foram realizadas. Os resultados mostram variação espacial e temporal dos parâmetros analisados, mas a média dos valores de δ18O em amostras de 33 poços é de -3,22 ± 0,05 (‰) que é o valor médio das chuvas atuais na região. As amostras dos sete poços restantes apresentaram maiores flutuações e quatro deles apresentaram valores abaixo de -3,2‰. As retas meteóricas, que expressam medidas de deutério versus oxigênio-18, construídas com valores de cada coleta mostram coeficiente angular com média de 7,87 ± 0,60 ‰ cerca do valor da Reta Meteórica Mundial. O excesso de deutério cresceu no período de amostragem de 7,26 a 9,38 ‰ refletindo processos internos no aquífero. As amostras com valores de δ18O em abaixo do das águas meteóricas atuais mostram mistura de paleoáguas já identificadas com águas de recargas modernas; as amostras com estes valores não são distinguíveis pelas suas condutividades elétricas que estão na faixa das amostras atuai caracterizando a importância dos traçadores isotópicos.

La composition isotopique de l’eau (dO18 et dD) est couramment utilisée pour étudier le cycle de l’eau actuel et passé ainsi que ses variations. Alors que dans les zones polaires, cet outil géochimique représente les fondements de la reconstitution des climats polaires passés, de multiples questions demeurent quant aux facteurs pilotant la composition isotopique de l’eau dans les tropiques.Afin de répondre à ces questions, le présent travail de thèse a porté sur la réalisation de mesures en continu de la composition isotopique de la vapeur d’eau sur l’île de La Réunion (océan Indien), ainsi que sur l’évaluation du potentiel de ces mesures pour la compréhension des processus atmosphériques humides prévalant sur cette zone géographique. L’implantation d’un spectromètre laser à l’Observatoire Atmosphérique du Maïdo nous a permis d’obtenir une chronique de trois ans de mesures.Dans un premier temps, les différentes variabilités temporelles que présentent nos mesures ont été étudiées. Les enregistrements ne montrent aucune cyclicité saisonnière sur la composition isotopique de la vapeur d’eau. Elles indiquent en revanche une forte cyclicité diurne, ainsi qu’une variabilité synoptique associée à des évènements cycloniques.Dans un second temps, nous montrons que cette cyclicité diurne résulte de phénomènes de mouvement de couche limite atmosphérique, avec une vapeur marine qui atteint l’Observatoire durant la journée, alors que des masses d’air en provenance de la troposphère libre y parviennent durant la nuit. La présence de certaines nuits significativement plus appauvries en dO18 et dD reflète (1) une modification de la circulation atmosphérique régionale avec un renforcement des subsidences au niveau de La Réunion, lié à la position du Jet Subtropical durant l’hiver austral, et (2) tantôt une intensification de la subsidence au niveau de La Réunion, tantôt des processus de condensation locaux ou régionaux durant l’été austral.Enfin, l’étude des phénomènes cycloniques indique qu’au cours de ces périodes, un fort appauvrissement de la composition isotopique de la vapeur est observé. Celui-ci survient 2 à 3 jours avant et perdure jusqu’à 3 jours après le passage du système. Durant cette période, l’évolution de la composition isotopique de la vapeur d’eau présente une sous-structure. On note (1) un appauvrissement isotopique qui est fonction de la distance au centre du système, (2) un enrichissement isotopique au niveau du mur du système, et (3) des évolutions abruptes de la composition isotopique de la vapeur d’eau dans les bandes précipitantes dues à des processus de mélange, de condensation et/ou de recharge
The isotopic composition of water vapor (dO18 and dD) is commonly used to study present and past water cycle and its varations. If this geochemical tool has been widely used to study past polar climates, many questions remain about the factors governing the isotopic composition of water in the tropics.The goal of this thesis is (1) to monitor the isotopic composition of water vapor in Reunion island (Indian Ocean), and (2) to evaluate the potential of theses measurements for understanding humid climate processes. We have set up a laser spectrometer at the Maïdo Atmospheric Observatory, allowing us to obtain a three-year chronicle of measurements.First, we analyze the temporal variability in our measurements. The isotopic composition of water vapor does not record any seasonal cyclicity. On the other hand, a strong diurnal cycle is visible, as well as a synoptic variability associated with cyclonic events.We then focus on the diurnal cycle. We show that it results from atmospheric boundary layer motions, with a marine vapor reaching the Observatory during the day, and air masses originating from the free troposphere reaching the Observatory during the night. During some nights, vapor is significantly more depleted in dO18 and dD. During the austral winter, this phenomenon is due to a modification of the regional atmospheric circulation causing a reinforcement of subsidences at Reunion Island, related to the position of the Subtropical Jet. During the austral summer, this phenomenon is sometimes due to an intensification of the subsidence at Reunion Island, and at other times to local or regional condensation processes.Finally, we focus on cyclonic events. During these periods, a strong isotopic depletion of the vapor is observed. We show that this depletion occurs 2 to 3 days before the system and continues until 3 days after. During this period, the evolution of the isotopic composition of the water vapor has a substructure. We note (1) an isotopic depletion that is a function of the distance to the center of the system, (2) an isotopic enrichment at the system wall, and (3) an abrupt evolutions of the isotopic composition of the water vapor in the rainbands due to mixing, condensation and/or recycling processes

L'auteur decrit les spectres raman de l'ion butanoate, associe au cation potassium et de trois isotopomeres, 4-d#3, 3-d#2 et 2-d#2, en solution aqueuse et a l'etat solide. L'influence de la temperature et de la concentration sur ces spectres raman a ete etudiee. Utilisant un champ de force approximatif, et s'appuyant sur l'evolution des spectres en fonction de la temperature, l'auteur propose une attribution des bandes observees pour les conformeres gauche et trans. Puis par application d'une methode originale de restitution des spectres des constituants a partir de ceux de leurs melanges, l'auteur a pu isoler les spectres des formes gauche et trans pour les quatre varietes isotopiques, en utilisant le fait que l'equilibre gauche-trans se deplace par variation de la concentration. En definitive, entre 100 et 1350 cm##1, 55 frequences sont attribuees avec certitude pour la forme trans de l'ensemble des isotopomeres et 59 pour la forme gauche. Enfin, on montre que dans le conformere trans, le groupement carboxylate s'oriente dans le plan de la chaine, alors que dans le conformere gauche l'angle diedre que fait le groupement carboxylate avec le plan des noyaux de carbone 1, 2 et 3 est superieur a 0, ce qui confirme la formation d'agregats aux concentrations elevees

Etude par spectrometrie rmn, chromatographie en phase gazeuse et diffraction des rayons x, du diagramme de phases du systeme ternaire eau-hexanol-dodecylsulfate de sodium. Les resultats ont permis d'etablir un modele structural de la pseudophase membrane pour les phases lamellaires et hexagonales

Études des propriétés du formamide en tant que substitut de l'eau dans les systèmes micellaires et les phases lyotropes et description quantitative de l'agrégation des tensioactifs en solution non aqueuse

Le milieu interstellaire (MIS) où se forment les étoiles est constitué de gaz très dilué dominé par l'hydrogène moléculaire, et de grains de poussière de taille submicrométrique. Ces poussières jouent un rôle crucial en atténuant la lumière des étoiles lointaines, protégeant ainsi les molécules du gaz des rayonnements ultra-violets, et en servant de catalyseurs à une chimie hétérogène à très basse température. Outre la synthèse de l'hydrogène moléculaire, la surface des grains permet de former des molécules organiques dites complexes comme le méthanol (CH3OH) à partir de l'hydrogénation (et la deutération) du monoxyde de carbone (CO). Les glaces ainsi formées participent à la complexification moléculaire du MIS et seront à terme intégrées au sein de disques de poussières, berceaux des astéroïdes, comètes et exo-planètes. L'objectif de cette thèse est l'étude des mécanismes d'échanges hydrogène-deuterium sur certains groupements fonctionnels de molécules organiques simples, méthanol par exemple, présentes à la surface ou dans les manteaux des grains interstellaires. La thèse est centrée sur une exploration expérimentale de ces processus en phase condensée, à l'aide d'une expérience de cryogénie synthétisant des glaces à très basse température (15K) couplée à un spectromètre infrarouge. Nous montrons que ces échanges se produisent avant la sublimation du manteau de glace sur des groupes fonctionnels capables d'établir des liaisons hydrogènes avec les molécules d'eau voisines. Le processus catalysant est vraisemblablement la cristallisation de la glace d'eau. Des études cinétiques nous permettent d'évaluer les énergies d'activation du transfert H/D (6745K) et de la transition amorphe-cristalline (8100K), et de déterminer la constante de vitesse d'échange dans le domaine de température 120-140~K. Cette constante de vitesse est, de plus, comparée à des calculs semi-classiques basés sur un traitement ab initio. En marge de ces expériences, des observations millimétriques de la molécule de méthanol en direction de proto-étoiles confirment une variabilité des abondances relatives des isotopologues simplement deutérés de cette molécule en fonction de la masse de la protoétoile.

L’imagerie par résonance magnétique du 13C (13C-IRM) hyperpolarisée est une technique émergente pour le suivi métabolique in vivo en vue de la détection précoce de cancers. L’optimisation de la sensibilité de la mesure IRM nécessite l’injection de molécules endogènes marquées au carbone-13 et deutérium. Dans ce contexte, le sodium L-[1-13C,U-D] lactate est un agent prometteur pour le diagnostic et le suivi thérapeutique des patients atteints du cancer de la prostate. Pendant cette thèse, la synthèse de cette molécule a été réalisée à partir de la L-[1-13C] alanine. Pour réaliser cette synthèse, deux méthodes pour la deutération des positions C2 et C3 de l’alanine ont été développées. La deutération en position C2, basée sur la technique de l’échange hydrogène-deutérium metallo-catalysé, a permis de préparer différents acides-aminés marqués en cette position à l’échelle du gramme. La deutération en position C3 est réalisée via fonctionnalisation C-H pallado-catalysée. Cette technique permet d’obtenir un marquage sélectif de certains des 20 acides-aminés naturels en position C3. Un procédé pour le marquage sélectif de la position C1 de l’alanine avec du carbone-13 a été établi à partir de l’acétaldéhyde et du K13CN selon une modification de la procédure de Strecker. L’utilisation de l’acétaldéhyde perdeutéré rend ainsi possible une synthèse à large échelle du sodium L-[1-13C,U-D] lactate
Hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging (13C-MRI) is a promising emerging tool to follow the metabolic routes in vivo in view of early stage detection of cancer. Optimization of the sensitivity of the MRI measurement requires injection of carbon-13 or deuterium labelled endogenous molecules. In this context, sodium L-[1-13C,U-D] lactate was individuated as a promising probe for the detection and prediction of treatment-response in patients with prostate cancer. We realized the first chemical synthesis of such probe starting from L-[1-13C] alanine by developing two distinct strategies for the selective deuteration of the position C2 and C3. The method of C2 deuteration relies on the technique of the metal-catalyzed hydrogen-deuterium exchange and can be applied to the synthesis of several deuterated amino-acids to an industrial-scale. The method of C3 deuteration was realised by Pd(OAc)2 catalyzed C-H activation. It provides a unique route to obtain amino-acids selectively deuterated in position C3. We also developed a robust route for the 13C labelling of the C1 position of L-alanine from acetaldehyde and K13CN by a modification of the Strecker’s synthesis. By using deuterated acetaldehyde, a scalable synthesis of L-[1-13C,U-D] lactate could now be possible

L'évaluation de la composition isotopique naturelle des (bio)-composés dans les produits alimentaires est un challenge important pour l'authentification et la détermination de leur origine. Le protocole RMN-FINS® ²H a été développé autour de la RMN ²H-{¹H} quantitative à abondance naturelle afin de comprendre les voies métaboliques/synthétiques. Cependant, l'analyse par Fractionnement Isotopique Naturel Site-spécifique, (²H/¹H)i, de certaines molécules spécifiques à l'industrie des arômes alimentaires (vanilline, frambinone,...) reste incomplète en raison des chevauchements de pics ou de l'isochronie des sites ²H. L'utilisation de la RMN 2D ²H à abondance naturelle dans les cristaux liquides lyotropes (LLC) contenant un polymère polypeptidique (Poly-Benzyl-L-Glutamate) présente un potentiel analytique intéressant pour extraire les informations isotopiques manquantes (²H/¹H). En milieu anisotrope, la RMN-ADAN donne accès à toutes les interactions RMN sensibles à l'ordre telles que le couplage quadrupolaire résiduel ²H-RQC, ΔνQ(²H), spécifique au spin I > ½. La combinaison d'expériences RMN 2D de type QUOSY (Q-résolue Fz), séparant δaniso(²H) et ΔνQ(²H) sur les deux dimensions spectrales, la saturation sélective du co-solvant ΔνQ(²H) avec la séquence WET et le protocole NUS réduisant le temps expérimental conduit pour la première fois à la détermination expérimentale complète des proportions relatives (²H/¹H) du noyau aromatique vanilline et la discrimination complète des positions énantiototopes de la frambinone. L'analyse d'échantillons naturels et synthétiques conduit à des profils isotopiques différents et fournit un nouvel outil pour distinguer l'origine biologique ou synthétique de la molécule
The evaluation of the natural isotopic composition of (bio)-compounds in food products is an important and continuous challenge for the authentication/determination of their origins. The ²H SNIF-NMR® protocol has been developed around the quantitative ²H-{¹H} NMR at natural abundance to understand the metabolic/synthetic pathways or for authentication purposes. However, the analysis of Site-specific Natural Isotope Fractionation, (²H/¹H)i, of some specific molecules such as those involved in the food aroma industry (Vanillin, Frambinone, …) remains incomplete due to peak overlaps or equivalence of ²H sites. The use of ²H 2D-NMR at natural abundance level in lyotropic liquid crystals (LLC) containing a polypeptide polymer (Poly-Benzyl-L-Glutamate) current a interesting analytical potential to extract missing (²H/¹H) isotopic information. With the anisotropic natural abundance deuterium NMR (ANAD NMR) gives access to all order-sensitive NMR interactions such as the residual quadrupolar coupling ²H-RQC, ΔνQ(²H), specific to spin I > ½. The combination of tilted QUOSY Q-resolved-type 2D-NMR experiments separating δaniso(²H) and ΔνQ(²H) on spectral dimensions, the selective saturation of co-solvent ΔνQ(²H) by WET sequence and the NUS protocol reducing the experimental time leads for the first time to the complete experimental determination of the relative proportions (²H/¹H) of the vanillin aromatic core and the complete discrimination of the the enantiotopic positions of frambinone. The analysis of natural and synthetic sample lead to different isotopic profile and provides a new tool for distinguishing between the biological or synthetic origin of the molecule

Le marquage isotopique par le deutérium et le tritium est largement utilisé en chimie, en biologie ainsi qu’en recherche pharmaceutique.De nombreuses méthodes de marquage par échange isotopique permettent d’atteindre des enrichissements isotopiques élevés, mais elles requièrent généralement l’utilisation de conditions drastiques (température élevée, acidité). Ainsi, une méthode générale de marquage, régiosélective et douce, applicable à une grande variété de substrats, reste encore à développer. Dans le premier volet de cette thèse, nous avons montré que des nanoparticules de ruthénium (RuNP@PVP), synthétisées par l’équipe du Pr. Bruno Chaudret (INSA Toulouse), catalysaient avec une grande efficacité la réaction d’échange H/D sur des amines, des pyridines et des indoles par C‒H activation, sous 2 bars de D2 à 55 °C. L’application à la deutération de huit molécules azotées d'intérêt biologique a montré que la réaction était efficace sans pour autant altérer l’intégrité chimique ou stéréochimique des composés. Cependant, le respect de la stéréochimie originelle d’un centre chiral C‒H activé demeurait un problème majeur. Nous avons donc entrepris l’étude de la réactivité des RuNP@PVP sur différentes classes de substrats azotés chiraux (amines, aminoacides et peptides) dans l’eau ou dans des solvants organiques. Nos résultats ont montré sans ambiguïté que la C-H activation des carbones C(sp3) chiraux s’effectuait efficacement, sélectivement et dans tous les cas avec une rétention totale de configuration. La large gamme d’application de cette procédure a été démontrée par le marquage de 3 amines chirales, 14 aminoacides naturels, 3 aminoesters aromatiques et 4 peptides. D’autre part, notre collaboration avec l’équipe du Pr. Romuald Poteau (INSA Toulouse) a permis d’identifier deux mécanismes réactionnels par simulation ab initio en parfait accord avec nos résultats expérimentaux : le mécanisme par métathèse de liaison σ et le mécanisme d’addition oxydante. Ces deux mécanismes impliquent deux atomes de ruthénium voisins agissant ensemble pour conduire à la formation d’un intermédiaire-clé original dimétallacycle à quatre centres.Le second volet de cette thèse est consacré au développement d’une nouvelle méthode de détermination de la conformation et de l’arrangement relatif de petites molécules auto-assemblées. Elle repose sur la synergie entre chimie de marquage, RMN du tritium à l’état solide et modélisation moléculaire. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés au dipeptide diphénylalanine (Phe-Phe) qui, selon le solvant utilisé, peut former des cristaux (structure résolue) ou s’auto-assembler en nanotubes dont la structure atomique reste inconnue. Trois dipeptides Phe-Phe ditritiés sur des positions aromatiques, définies à l’aide de la modélisation moléculaire par le Dr. Yves Boulard (CEA Saclay), ont été synthétisés. La RMN du tritium à l’état solide a permis au Dr. Thibault Charpentier (CEA Saclay) de mesurer, sur des échantillons cristallisés, trois distances inter-tritiums très proches des distances de référence. Cette technique a également mis en évidence un éventuel désordre d’orientation d’un cycle aromatique de Phe-Phe cristallisé. Une modélisation ab initio nous a également incités à entreprendre un double marquage Caryl et Cα de Phe-Phe, ce dernier utilisant les nanoparticules de ruthénium. Les essais de marquage au deutérium avec RuNP@PVP sont très encourageants et des études complémentaires sont en cours dans notre laboratoire pour parvenir au marquage au tritium. Ainsi, nous espérons mettre au point un nouvel outil d’étude structurale permettant d’accéder à la structure atomique de petites molécules intégrées dans des ensembles supramoléculaires complexes (nanotubes, peptides amyloïdes ou membranaires)
Isotopic labeling with deuterium and tritium is extensively used in chemistry, biology and pharmaceutical research.Numerous methods of labeling by isotopic exchange allow high isotopic enrichments but generally require harsh conditions (high temperatures, acidity). As a consequence, a general, regioselective and smooth labeling method that might be applicable to a wide diversity of substrates remains to develop. In the first part of this thesis, we demonstrated that the use of ruthenium nanoparticles, synthesized by Pr. Bruno Chaudret’s team (INSA Toulouse), allowed the mild (2 bar of deuterium gas at 55°C), effective and selective H/D exchange reaction of a large variety of nitrogen-containing compounds, such as pyridines, indoles and primary, secondary and tertiary alkyl amines. The usefulness and the efficiency of this novel methodology was demonstrated by the deuteration of eight nitrogen-containing molecules of biological interest without altering their chemical and stereochemical properties. However, the conservation of the original stereochemistry of an activated chiral C-H center remains a major issue. We studied the reactivity of RuNP@PVP on different categories of nitrogen-containing substrates (amines, aminoacids and peptides) in water or in organic solvents. Our results showed that C-H activation of chiral carbons C(sp3) took place efficiently, selectively and, in all cases, with total retention of configuration. The wide range of applications of this procedure was demonstrated by the labeling of three chiral amines, fourteen aminoacids, three aromatic aminoesters and four peptides. Moreover, our collaboration with Pr. Romuald Poteau’s team (INSA Toulouse) led to the identification of two mechanisms by ab initio simulation in agreement with our experimental results: the σ-bond metathesis mechanism and the oxidative addition mechanism. These two mechanisms imply two vicinal ruthenium atoms leading to the formation an original dimetallacycle key-intermediate with four centers.The second part of this thesis deals with the development of a new method for the determination of the conformation and the relative arrangement of auto-assembled small molecules. It is based on the synergy between labeling chemistry, tritium solid-state NMR and molecular modeling. We focused on the diphenylalanine dipeptide (Phe-Phe) which forms either crystals or self-assembled nanotubes depending on the solvent. If the crystalline atomic structure of Phe-Phe has been solved, the structure of the self-assembled nanotubes of Phe-Phe is still unknown. Three Phe-Phe dipeptides ditritiated on aromatic positions, determined with the help of molecular modeling by Dr. Yves Boulard (CEA Saclay), were synthesized. Tritium solid-state NMR allowed Dr. Thibault Charpentier (CEA Saclay) to measure, on crystallized samples, three inter-tritiums distances very close to the reference distances. This technique also revealed a possible orientational disorder on an aromatic cycle of crystallized Phe-Phe. Ab initio modeling led us to set a double labeling Caryl and Cα on Phe-Phe with ruthenium nanoparticles. Deuteration with RuNP@PVP are very promising and supplementary studies are in progress to perform tritium labeling. We expect to set a new tool of structural study to determine atomic structures of small molecules integrated in supramolecular complexes (nanotubes, amyloid peptides or membranes)

The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) is a cosmic ray detector operating aboard the International Space Station (ISS) since May 2011. The identification of cosmic ray deuterium and hydrogen particles is the main goal of this work. Using the data collected by the AMS-02 experiment between May 2011 and May 2014 we provide the measurement of the 2H to the 1H ratio between 0.7 and 7 GeV/n. Cosmic rays are mainly composed of hydrogen nuclei. No significant amount of deuterium nuclei is expected to be released from galactic sources since they are destroyed rather than formed in thermonuclear reactions inside stars. As a consequence of their production history, they are part of a class of secondary stable nuclei that provide information on the propagation of cosmic rays in the galaxy. Despite their relevance for propagation studies, very few measurements of deuterium exist above 1 GeV/n, due to the poor isotopic separation capacity of previous experiments. For this reason, the deuterium to hydrogen flux ratio is a very important measurement to be carried out using the data collected by the AMS-02 experiment. The mass and the isotopic composition of cosmic-rays nuclei can be measured by the AMS-02 experiment using measurements of the momentum (provided by the tracker) and velocity of the particles (provided by the Time-of-Flight and the RICH). This analysis is one of the first to be focused on hydrogen isotopic composition with AMS-02 data, and our results are in fair agreement with a similar and independent analysis that has been carried out within the Collaboration.
O Espectômetro Magnético Alpha (AMS-02) é um detetor de raios cósmicos operando na Estação Espacial Internacional (ISS) desde maio de 2011. O principal objetivo deste trabalho é a identificação de deutério e hidrogênio nos raios cósmicos. Usando dados coletados pelo experimento AMS-02 entre maio de 2011 e maio de 2014 foi medida a razão entre os fluxos de 2H e 1H entre 0.7 e 7 GeV/n. Raios cósmicos são compostos, principalmente, por núcleos de hidrogênio. Não é esperado que fontes galácticas de raios cósmicos liberem uma quantidade significativa de núcleos de deutério, já que eles são destruidos, em vez de formados, nas reações termonucleares no interior de estrelas. Assim, eles fazem parte de uma classe de partículas secundárias estáveis que fornecem informações acerca da propagação de raios cósmicos na galáxia. Apesar da relevância para o estudo da propagação de raios cósmicos, poucas medidas da sua quantidade acima de 1 GeV/n existem, devido à baixa capacidade de separação de isótopos de prévios experimentos. Por isso a razão entre os fluxos de deutério e hidrogênio é uma importante medida a ser feita com os dados do AMS-02. A massa, e portanto a composição isotópica dos raios cósmicos, pode ser medida pelo AMS-02 a partir das medições de momento (realizada pelo tracker) e velocidade (realizadas pelo ToF e RICH). Essa análise é uma das primeiras a focar na composição isotópica do hidrogênio com dados do AMS-02, e os resultados estão razoavelmente em acordo com análises independendes semelhantes realizadas na colaboração AMS.