meso-Porphyrinylphosphine Oxides: Mono- and Bidentate Ligands for Supramolecular Chemistry and the Crystal Structures of Monomeric [10,20-Diphenylporphyrinatonickel(II)-5,15-diyl]-bis-[P(O)Ph2] and Polymeric Self-Coordinated ([10,20-Diphenylporphyrinatozinc(II)-5,15-diyl]-bis-[P(O)Ph2])

A series of porphyrins substituted in one or two meso-positions by diphenylphosphine oxide groups has been prepared by the palladium catalysed reaction of diphenylphosphine or its oxide with the corresponding bromoporphyrins. Compounds {MDPP-[P(O)Ph2]n} (M = H2, Ni, Zn; H2DPP = 5,15-diphenylporphyrin; n = 1, 2) were isolated in yields of 60-95%. The reaction is believed to proceed via the conventional oxidative addition, phosphination and reductive elimination steps, as the stoichiometric reaction of η1-palladio(II) porphyrin [PdBr(H2DPP)(dppe)] (H2DPP = 5,15-diphenylporphyrin; dppe = 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane) with diphenylphosphine oxide also results in the desired mono-porphyrinylphosphine oxide [H2DPP-P(O)Ph2]. Attempts to isolate the tertiary phosphines failed due to their extreme air-sensitivity. Variable temperature 1H NMR studies of [H2DPP-P(O)Ph2] revealed an intrinsic lack of symmetry, while fluorescence spectroscopy showed that the phosphine oxide group does not behave as a "heavy atom" quencher. The electron withdrawing effect of the phosphine oxide group was confirmed by voltammetry. The ligands were characterised by multinuclear NMR and UV-visible spectroscopy as well as mass spectrometry. Single crystal X-ray crystallography showed that the bis(phosphine oxide) nickel(II) complex {[NiDPP-[P(O)Ph2]2} is monomeric in the solid state, with a ruffled porphyrin core and the two P=O fragments on the same side of the average plane of the molecule. On the other hand, the corresponding zinc(II) complex formed infinite chains through coordination of one Ph2PO substituent to the neighbouring zinc porphyrin through an almost linear P=O---Zn unit, leaving the other Ph2PO group facing into a parallel channel filled with disordered water molecules. These new phosphine oxides are attractive ligands for supramolecular porphyrin chemistry.

Investigation of phase separation in bulk heterojunction solar cells via supramolecular chemistry

In this work, we have prepared two donor-acceptor-donor (D-A-D) pi-conjugated oligomers to investigate the effect of phase separation on the performance of bulk heterojunction (BHJ) solar cells. These charge transfer low band gap pi-conjugated oligomers (TTB and NMeTTB) were synthesized by Knoevenagel condensation of terthiophenecarbaldehyde and barbiturate appended pyran derivative. The thin film morphology of both the oligomers and along with electron acceptor 6,6]-phenyl-C60-butyric acid methyl ester (PC61BM) was investigated by atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM). The blend of NMeTTB and PC61BM thin film yield highly ordered thin film, whereas there was clear phase separation between TTB and PC61BM in thin film. The BHJ solar cell was fabricated using a blend of NMeTTB and TTB with PC61BM acceptor in 1:1 ratio as active layer, and a power conversion efficiency of 1.8% was obtained. This device characteristic was compared with device having TTB:PC61BM as active layer, and large difference is observed in photocurrents. This poor performance of TTB in BHJ devices was attributed to the difference in the nanoscale morphology of the corresponding derivatives. We rationalize our findings based on the low charge carrier mobility in organic field-effect transistors and miscibility/phase separation parameter of binary components (oligomers and PC61BM) in the active layer of bulk heterojunction solar cells.

Understanding and applying fused [n] polynorbornane scaffolds in supramolecular chemistry

The research here provides a better understanding of how the fused [n]polynorbornane framework effects the binding of anions (by exploring a case of regioselective binding) as well as exploring new ways of incorporating the rigid framework into a natural setting (stapled peptide).

Supramolecular selection in molecular alloys

Complexes of the type \[M(phen)3](PF6)2 (M = Ni(II), Fe(II), Ru(II) and phen = 1,10-phenanthroline) were found to co-crystallize to form molecular alloys (solid solutions of molecules) with general formula \[MAxMB1–x(phen)3](PF6)2·0.5H2O in which the relative concentrations of the metal complexes in the crystals closely match those in the crystallizing solution. Consequently, the composition of the co-crystals can be accurately predicted and controlled by modulating the relative concentrations of the metal complexes in the crystallizing solution. Although they are chemically and structurally similar, complexes of the type \[M(bipy)3](PF6)2 (M = Ni(II), Fe(II), Ru(II) and bipy = 2,2′-bipyridine) display markedly different behavior upon co-crystallization. In this case, the resulting co-crystals of general formula \[MAxMB1–x(bipy)3](PF6)2 have relative concentrations of the constituent complexes that are markedly different from the relative concentrations of the complexes initially present in the crystallizing solution. For example, when the nickel and iron complexes are co-crystallized from a solution containing a 50:50 ratio of each, the result is the formation of some crystals with a higher proportion of iron and others with a higher proportion of nickel. The relative concentrations of the metal complexes in the crystals can vary from those in the crystallizing solutions by as much as 15%. This result was observed for a range of combinations of metal complexes (Ni/Fe, Ni/Ru, and Fe/Ru) and a range of starting concentrations in the crystallizing solutions (90:10 through to 10:90 in 10% increments). To explain this remarkable result, we introduce the concept of “supramolecular selection”, which is a process driven by molecular recognition that leads to the partially selective aggregation of like molecules during crystallization.

Supramolecular selection in molecular and framework co-crystals

An ongoing challenge in chemistry and crystal engineering is the synthesis of functional materials with predictable structures and customisable properties. This may be achieved by crystallising mixtures of different compounds. Co-crystals formed through this method have predictable structures and their properties may be tuned by varying the ratio of the compounds in the crystallising solution. This thesis examines single crystals formed by the co-crystallisation of metal complexes that have similar structures but different physical or chemical properties. A variety of new compounds with interesting properties were prepared, characterised and their significance in the context of crystal engineering was explored.

Supramolecular organization in fluorene/indenofluorene-oligothiophene alternating conjugated copolymers

A series of conjugated copolymers containing fluorene or indenofluorene units alternating with oligothiophene segments, with potential interest for use as the active layer in field-effect transistors, is investigated. Atomic force microscopy analysis of the morphology of thin deposits shows either the formation of fibrillar structures, which are the signature of long-range π stacking, or the presence of untextured aggregates, resulting from disordered assembly. These morphologies are interpreted in terms of the supramolecular organization of the conjugated chains. Molecular modeling simulations indicate that the commensurability between the lengths of the monomer units and the presence of alkyl side groups are the two key structural factors governing the chain organization into highly ordered assemblies. The most favorable structures are those combining fluorene (indenofluorene) units with unsubstituted bithiophene (terthiophene) segments.

The effect of graphene oxide and its oxidized debris on the cure chemistry and interphase structure of epoxy nanocomposites

The influence of graphene oxide (GO) and its surface oxidized debris (OD) on the cure chemistry of an amine cured epoxy resin has been investigated by Fourier Transform Infrared Emission Spectroscopy (FT-IES) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Spectral analysis of IR radiation emitted at the cure temperature from thin films of diglycidyl ether of bisphenol A epoxy resin (DGEBA) and 4,4'-diaminodiphenylmethane (DDM) curing agent with and without GO allowed the cure kinetics of the interphase between the bulk resin and GO to be monitored in real time, by measuring both the consumption of primary (1°) amine and epoxy groups, formation of ether groups as well as computing the profiles for formation of secondary (2°) and tertiary (3°) amines. OD was isolated from as-produced GO (aGO) by a simple autoclave method to give OD-free autoclaved GO (acGO). It has been found that the presence of OD on the GO prevents active sites on GO surfaces fully catalysing and participating in the reaction of DGEBA with DDM, which results in slower reaction and a lower crosslink density of the three-dimensional networks in the aGO-resin interphase compared to the acGO-resin interphase. We also determined that OD itself promoted DGEBA homopolymerization. A DSC study further confirmed that the aGO nanocomposite exhibited lower Tg while acGO nanocomposite showed higher Tg compared to neat resin because of the difference in crosslink densities of the matrix around the different GOs.

From Molecular to Supramolecular: An Exploration into the Modes of Self-assembly in Conformationally Locked Polycyclitols

This brief account highlights the notable findings of our investigation into the supramolecular chemistry of conformationally locked polycyclitols in the solid state. The study was aimed at analyzing the crystal packing and unraveling the modalities of non-covalent interactions (particularly, intramolecular vis-a-vis intermolecular OH center dot center dot center dot O hydrogen bonds) in polyols. The know-how obtained thereof, was successfully utilized to engineer self-assemblies of designer polycyclitols, having hydrogen bond donors and acceptors fettered onto a trans-decalin scaffold. The results seek to draw particular attention to the intrinsic attribute of this rigid carbocyclic framework to lock functional groups into spatially invariant positions and bring potential intramolecular hydrogen bonding partners into favorable interaction geometry to engender predictability in the self-assembly patterns.

Electrospinning and characterization of supramolecular poly(4-vinyl pyridine)-small molecule complexes

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces.

Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.