Les sujets de thèses

Le sujet s’inscrit dans un projet plus large impliquant des équipes de chimie, physico-chimie et biophysique, ayant pour objet la création de nouvelles nano-plateformes lipidiques fonctionnelles pour la délivrance de composés bioactifs. Les bithérapies associant deux antibiotiques de classes distinctes s’inscrivent comme application de choix dans ce projet pour l’espoir qu’elles suscitent dans la lutte contre l’antibiorésistance.

Le projet propose un concept innovant à travers la formation de nanostructures, les cubosomes réactifs, dont les dimensions, la densité de surface, permettront de contrôler finement les propriétés multiples.

A partir d’avancées récentes, nous envisageons de développer une méthode permettant la préparation de ces phases lipidiques cubiques in-situ. La stratégie s’appuie sur la souplesse de la réaction d’ouverture nucléophile d’un époxyde commercial analogue de la monooléine, le principal « ingrédient » dans la préparation des cubosomes.

La structure des cubosomes sera caractérisée par différentes techniques, comme la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), la cryo-microscopie électronique (Cryo-EM), la RMN, la calorimétrie différentielle. La caractérisation guidera le travail de synthèse.

Le but de cette thèse est de développer des nouvelles méthodes de fonctionnalisation des nanomatériaux carbonés (nanotubes de carbone et graphène) possédant à la fois les avantages des méthodes covalentes (stabilité des assemblages, facilité de purification et de manipulation) et celles des méthodes non-covalentes (conservation intacte du système p-conjugué des nanotubes/du graphène) sans les inconvénients respectifs de ces deux méthodes.

L’intérêt de ce projet va bien au-delà de la simple fonctionnalisation de nano-objets : d’un point de vu fondamental, ces travaux vont permette d’étudier la façon dont les molécules interagissent et se déposent à la surface des nanomatériaux. Le contrôle de ces propriétés peut permettre de maximiser certaines interactions et favoriser, par exemple, le tri des nanotubes de carbone en fonction de leur chiralité. D’un point de vu plus applicatif et en fonction des matériaux qui vont interagir avec les nanotubes/graphène des applications dans le domaine du photovoltaïque, de la catalyse, de l’électronique et la spintronique moléculaire peuvent émerger.

A l’heure actuelle, les carburants proviennent à près de 90% des ressources fossiles. Non seulement ces ressources

restent limitées dans le temps et sont amenées à disparaître mais leur combustion entraîne également un relargage de

CO2 dans l’atmosphère, accélérant ainsi le réchauffement climatique. Une alternative serait d’utiliser comme

carburants des composés biosourcés, comme les acides gras contenant de longues chaînes carbonées (C4-C28) à l’instar

des dérivés du pétrole. Ces composés sont par exemple aujourd’hui transformés en leur esters méthyliques pour

donner le biodiesel (B100). Néanmoins, les fonctions oxygénées présentes dans ces molécules limitent leur utilisation

car elles leur confèrent souvent des propriétés physiques très différentes des alcanes classiquement employés (point

de fusion plus élevé, compatibilité limitée avec les moteurs actuels, stabilité chimique plus faible…). Désoxygéner ces

acides gras permettrait donc de pallier ces problèmes. Cette décarboxylation a pour le moment été étudiée

essentiellement en catalyse hétérogène ou avec des métaux supportés mais la réaction requiert dans ces conditions de

hautes températures, souvent de l’ordre de 300 °C, qui entraînent des réactions secondaires comme le craquage des

alcanes, la formation de charbon ou des isomérisations.[1]



Dans ce projet, nous nous proposons d’étudier cette réaction en catalyse homogène afin de réaliser la même réaction

en conditions plus douces et donc plus sélectives vis-à-vis de la formation d’alcanes à partir d’acides saturés comme

l’acide laurique (C12), l’acide palmitique (C16) ou l’acide stéarique (C18). Le recours à la catalyse homogène permettra

également de développer des conditions sélectives pour la décarbonylation (formation d’alcools) ou la désoxygénation

en alcènes de ces acides, permettant ainsi l’obtention d’alcools et d’alcènes biosourcés, deux transformations

représentant un plus grand défi compte-tenu de la thermodynamique défavorable.



Fort de son expertise en catalyse et en études mécanistiques, mais aussi grâce aux connaissances développées dans les

réactions de décarboxylation,[2] le LCMCE pourra mener à bien ce projet. Le laboratoire est en effet équipé pour travailler

sous atmosphère inerte avec des rampes de Schlenk sous argon et azote, ainsi qu’avec quatre boîtes à gants sous

atmosphère d’argon. La manipulation des gaz est possible soit à pression atmosphérique sur les rampes de Schlenk en

utilisant des bouteilles de gaz, à plus hautes pressions en système Fisher-Porter (pour des pressions jusqu’à 10 bars) ou

en autoclaves permettant d’atteindre des pressions de 180 bars et des températures de 250 °C. Les équipements

d’analyses incluent un appareil RMN 400 MHz multi-noyaux, un spectromètre IR, une GC équipée pour l’analyse des

gaz courants, une GC/MS (CO2, CO…) et une cellule électrochimique utilisable en atmosphère inerte. Les calculs DFT

seront réalisés grâce à une allocation annuelle de 500 000 heures scalaires sur les centres de calculs nationaux IDRIS et

CINES.



Ce projet pourra être mené en collaboration avec une équipe qui développe la fabrication et l’isolement d’acides gras

à partir de microalgues, nous permettant ainsi d’utiliser un intrant directement issu de la biomasse. La comparaison

avec d’autres méthodes comme la photodécarboxylation par des enzymes, développée au sein du CEA,[3] est également

un axe de développement de ce projet.



[1] Abdullah et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 2015, 42, 1223.

[2] Cantat, Audisio et al., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 780 ; Imberdis, Thèse de doctorat Chimie Paris Saclay, 2019, 2019SACLS306.

[3] Beisson et al., Science 2017, 357, 903.

L’objectif de ce travail de thèse, sera de démontrer une approche viable d’extraction en milieu supercritique ainsi que pour la désextraction. Pour cela, l’approche devra permettre d’extraire d’une solution aqueuse, et de façon spécifiques, certains éléments chimiques, par exemple tels que les terres rares (pour leur intérêt propre mais aussi comme simulant d’actinides). Cette solution pourra être une simulation d’un jus de dissolution (lixiviat) ou d’une solution issue d’un processus de décontamination.



Lors de sa thèse, l'étudiant sera exposé à un environnement pluridisciplinaire et amené à réaliser des expériences dans des domaines variés tels que la chimie organique ou moléculaire, la physico-chimie, et les méthodes de caractérisation. Pour la réalisation de ces dernières, il aura accès à une gamme très large et variée d'équipements allant du microscope optique au synchrotron de dernière génération (ESRF),diffraction des RX, en passant par le SAXS, les spectroscopies RMN, FTIR et UV-Vis. L’étudiant sera aussi amené à publier ses résultats à des congrès internationaux ou dans des journaux scientifiques à comité de lecture ainsi que, le cas échéant, à protéger ses inventions par le biais du dépôt de demandes de brevets et encadrer des stagiaires.



Cette thèse est donc une excellente opportunité de croissance professionnelle tant d'un point de vue de vos connaissances, que de vos savoir-faire et capacités en communication écrite ou orale.

La prolifération microbienne représente une importante préoccupation dans de nombreuses applications commerciales, en particulier l’emballage alimentaire où la détérioration du produit est étroitement liée à des enjeux à la fois économiques et environnementaux (diminution des déchets alimentaires en augmentant la DLC, date limite de consommation). Dans ce domaine particulier, le défi est double: 1-limiter la croissance de la flore totale (pour éviter la prolifération responsable de la détérioration), et 2-préserver une certaine quantité de bactéries endogènes utiles pour une maturation favorable du produit alimentaire frais. L’effet attendu est donc davantage bactériostatique que purement antibactérien. Nous avons besoin de matériaux qui combinent à la fois des propriétés attractives et biocides. Dans ce contexte, les polymères cationiques stables sont particulièrement intéressants (faible CMI en solution, Concentration Minimale d’Inhibition). Le challenge ici sera de développer une méthode de greffage ou de fonctionnalisation robuste et efficace afin d’incorporer des polymères sur divers substrats tels que le verre, l’inox et en particulier, les polyoléfines qui sont largement utilisés dans les emballages alimentaires. Ce projet de thèse implique deux Laboratoires académiques: CEA/NIMBE-LICSEN, expert en chimie de surface et AgroParisTech/INRA-MICALIS spécialisé dans l’étude de la bio-adhésion et des biofilms. Des partenaires industriels sont également impliqués dans ce projet.

Dans le contexte environnemental actuel, la recherche de solutions innovantes en matière d'énergie et de production d'énergies renouvelables, est devenu une priorité, notamment pour la conversion de l'énergie solaire. Une réponse efficace et durable nécessite la mise en œuvre d'une stratégie centrée sur une nouvelle approche des "matériaux" pour l'énergie".



On se focalisera dans le cadre de cette thèse sur la pyrolyse Laser comme méthode de synthèse de ces matériaux, de première importance.

Ce projet repose sur le développement de nouveaux systèmes de relargage de principes actifs basés sur la dégradation de polymères par irradiation. Ce type de stimulus n’a jamais été exploré auparavant, pour de telles applications. Cela permet d’envisager un vrai couplage radiothérapie/ chimiothérapie qui se différencie du simple relargage ciblé. L’objectif est de réaliser la synthèse d’une bibliothèque de copolymères amphiphiles originaux, avec un bloc polymère soluble dans l’eau/biocompatible, et un autre bloc hydrophobe/radiosensible. L’auto-assemblage dans des micelles ou des vésicules mènera à des objets avec un coeur radiosensible où sera localisé le principe actif. Le premier avantage de ces nouveaux systèmes est de contrôler plus finement le ciblage des principes actifs vers les cellules tumorales afin de limiter les effets secondaires liés à la chimiothérapie et la radiothérapie, via la position du faisceau d’irradiation et/ou les doses absorbées.

La majorité des produits azotés produits industriellement résultent de la réduction du diazote atmosphérique N2 par le procédé Haber-Bosch, qui consomme à lui seul plus de 1% de l’énergie fossile mondiale par an. En outre, ce procédé est étroitement lié au dérèglement du cycle du carbone. En effet, l’hydrogène nécessaire à cette réduction provient essentiellement du réformage du méthane. Ainsi, trois molécules de CO2 sont produites pour 8 molécules de NH3. L’ammoniaque NH3 résultant de ce procédé très gourmand en énergie est ensuite oxydé, la plupart du temps par oxydation catalytique, pour produire les autres degrés d’oxydation de l’azote comme les nitrates NO3-, les nitrites NO2- ou les gaz NO, N2O et NO2.[1] Outre des problèmes de sélectivité lors de l’oxydation et une perte énergétique importante, ces procédés industriels sont en cycle ouvert sur le cycle naturel de l’azote, le processus de réduction des hauts degrés d’oxydation n’étant assuré que par la dénitrification naturelle. Les activités humaines conduisent donc à une accumulation des oxydes d’azote comme les nitrates dans la nature et à des problèmes de pollution.[2]



Utiliser la réduction des oxydes d’azote à haut degré d’oxydation comme les nitrates (+V) pour obtenir les autres dérivés azotés et mimer les procédés naturels de dénitrification et de réduction anaérobique permettrait de recycler l’azote. Pour ce faire, une étude de la réduction de la liaison N–O est nécessaire afin d’en contrôler la sélectivité et de permettre la formation des différents oxydes d’azote avec une dépense énergétique plus faible.



Ce projet vise ainsi à utiliser des réducteurs chimiques (silanes, boranes), doux et sélectifs pour réduire la liaison N–O. L’accent sera également mis sur la compréhension des mécanismes mis en jeu grâce à des études mécanistiques expérimentales (cinétiques, études RMN…) associées à la chimie théorique (calculs DFT). L’utilisation de ces oxydes d’azote pour la synthèse de dérivés azotés à haute valeur ajoutée (amines, amides, urées) sera étudiée dans un second temps. Ce projet capitalisera sur les premiers résultats obtenus au laboratoire dans la réduction du protoxyde d’azote N2O en diazote N2,[3] ainsi que sur l’expertise du LCMCE en catalyse et en études mécanistiques, essentiellement appliquée aujourd’hui à la valorisation des molécules carbonées comme le CO2, le CO ou la biomasse via la réduction de la liaison C–O.



[1] J. G. Chen et al. Science 2018, 360, eaar6611.

[2] N. Lehnert et al. Nat. Rev. Chem. 2018, 2, 278.

[3] L. Anthore-Dalion, T. Cantat et al., submitted.

Les bactéries sont omniprésentes dans notre environnement qu’il soit naturel, industriel, médico-hospitalier… Leur présence n’est généralement pas néfaste, elle peut même être bénéfique. Néanmoins, certaines d’entre elles étant pathogènes, elles peuvent représenter un véritable danger pour l’homme et être à l’origine de problèmes sanitaires et de santé publique parfois sévères. Maîtriser cette flore microbienne ainsi que son développement restent aujourd’hui encore de véritables challenges dans différents secteurs d’applications.



De très récentes études ont montré qu’après seulement quelques heures d’adhésion à la surface des supports récepteurs, les bactéries étaient capables de « sentir » le contact avec les surfaces et de modifier leur protéome. Parmi les protéines sur ou sous exprimées, certaines sont impliquées dans la réactivité des bactéries aux antimicrobiens. Ces données originales pourraient expliquer certains des phénomènes de résistance aujourd’hui observés. Quelles sont les caractéristiques de surfaces impliquées dans ces évolutions physiologiques ’ Voilà une question centrale à laquelle il est aujourd’hui essentiel d’apporter des éléments de connaissances et de réponses pour pouvoir, à terme, intervenir sur le choix des surfaces au contact ou sur les modifications de surfaces à réaliser (implants, environnement médico-hospitalier, etc..).



La thèse proposée sera donc centrée sur la conception de surfaces modifiées par des polymères déjà étudiés précédemment (projet ANR BRICAPAC), montrant des interactions fortes avec les bactéries et un effet bactériostatique modulable. Ici, on va chercher à mieux comprendre l’impact de telles interactions en modifiant les paramètres physico-chimiques de la couche polymère. On cherchera également à greffer d’autres types de polymères avec par exemple des charges différentes ou à former des copolymères amphiphiles ou ampholytes. Des surfaces 3D seront également greffées (à partir de nanoparticules) afin d’étudier l’impact des interactions en solution. Enfin, des surfaces nanostructurées à motifs définis pourront être obtenues à partir de polymères ou de nanoparticules greffées, grâce aux techniques d’impression jet d’encre. Ces nouvelles surfaces devraient permettre d’identifier les facteurs à l’origine des adaptations précédemment discutées (composition chimique, forces d’adhésion bactéries/surfaces, contraintes mécaniques…). La thèse proposée concernera donc l’étude de la réactivité aux agents antimicrobiens des bactéries, pathogènes ou non, après adhésion à ces surfaces. Elle sera réalisée en étroite collaboration avec une équipe partenaire spécialisée dans l’étude de la bioadhésion et de la réactivité des bactéries fixées (AgroParisTech INRA, UMR GMPA, Massy).

Depuis sa découverte qui a valu le Prix Nobel de Physique à A. Geim et K. Novoselov en 2010, le graphène a provoqué l’engouement de la communauté scientifique. À cause de ces propriétés électroniques, le graphène est vu comme un matériau de choix pour de très nombreuses applications : électronique/optoélectronique rapide et flexible, électrode ou matériau actif dans le domaine des énergies renouvelables (photovoltaïque, piles à combustible, supercondensateurs).



Pour de nombreuses applications, il convient d’être capable de modifier et de contrôler les propriétés électroniques du graphène. Ceci peut être réalisé grâce à l’apport de la chimie organique. Dans ce sujet, nous proposons de synthétiser des motifs graphéniques en particulier des nanoparticules de graphène et d’étudier leurs propriétés d’absorption et d’émission dans l’IR. Ce projet sera développé en collaboration avec des physiciens, le candidat devra donc avoir un gout prononcé pour le travail pluridisciplinaire.

Dans la thématique générale des nouveaux matériaux pour l’environnement, on cherchera à optimiser la formation d’alcanes ou d’alcènes à partir de la biomasse par photocatalyse à l’aide de catalyseurs fabriqués par pyrolyse Laser. Les alcènes sont un produit essentiel pour la pétrochimie ou encore la chimie des polymères, et sont généralement obtenus par réaction catalytique après chauffage à 350-400°C. La photocatalyse utilisant la lumière solaire representerait ainsi une alternative économique en énergie et non polluante. A la suite de l’absorption de la lumière par le photocatalyseur, la dégradation d’alcools sera étudiée en vue de la production d’alcanes ou d’alcènes. Ce sujet correspond à une collaboration entre deux équipes: le Laboratoire des Edifices Nanométriques (UMR NIMBE) où seront effectuées les synthèses de matériau et l’Institut de Recherche sur la Catalyse de Lyon (IRCELYON) à Lyon où sera étudiée la photocatalyse.

La synthèse industrielle de produits chimiques repose actuellement sur des voies d'oxydation de composés fossiles. Dans le contexte actuelle de transition énergétique et de réduction de la dépendance aux produits pétroliers, de nouvelles voies de sources de carbone doivent être utilisées pour permettre de maintenir la production de ces composés indispensables à nos sociétés. Le CO2 est un bon candidat, mais est peu réactif. Sa conversion en CO, couplé à la production d'H2 par électrolyse, permet la formation de syngas (mélange CO:H2) qui est un gaz réactif permettant la synthèse de nombreux produits chimiques, entre autres grâce au procédé Fisher-Tropsch.



Nous proposons dans ce projet de thèse de concevoir de nouveaux catalyseurs permettant la synthèse d'alkylamines par réaction de Fisher-Tropsch sur des amines, en utilisant des syngas issus de sources renouvelables. Le ou la doctorant(e) cherchera de nouveaux catalyseurs, les optimisera, en les testant dans la réaction de Fisher-Tropsch sur amines. L'objectif sera d'avoir un catalyseur à la fois efficace, sélectif, et peu sensible à des contaminants tels que O2 ou H2O. Une fois ce système optimisé, le catalyseur sera testé dans des dispositifs à concevoir et construire, permettant l'utilisation de syngas réels fournis par d'autres groupes au CEA, formés par gaséification de biomasse par exemple.