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.