Towards NIR emission: 2-(1H-tetrazol-1-yl)pyridine as versatile ligand for the synthesis of two new families of cationic and neutral Ir(III) complexes.

In the last decades, cyclometalated Ir(III) complexes have drawn a large interest for their unique properties: they are excellent triplet state emitters, thus the emission is phosphorescent in nature; typically high quantum yields and good stability make them good candidates for luminescent materials. Moreover, through an opportune choice of the ligands, it is possible to tune the emission along the whole visible spectra. Thanks to these interesting features, Ir(III) complexes have found different applications in several areas of applied science, from OLEDs to bioimaging. In particular, regarding the second application, a remarkable red-shift in the emission is required, in order to minimize the problem of the tissue penetration and the possible damages for the organisms. With the aim of synthesizing a new family of NIR emitting Ir(III) complexes, we envisaged the possibility to use for the first time 2-(1H-tetrazol-1-yl)pyridine as bidentate ligand able to provide the required red-shift of the emission of the final complexes. Exploiting the versatility of the ligand, I prepared two different families of heteroleptic Ir(III) complexes. In detail, in the first case the 2-(1H-tetrazol-1-yl)pyridine was used as bis-chelating N^N ligand, leading to cationic complexes, while in the second case it was used as cyclometalating C^N ligand, giving neutral complexes. The structures of the prepared molecules have been characterised by NMR spectroscopy and mass spectrometry. Moreover, the neutral complexes’ emissive properties have been measured: emission spectra have been recorded in solution at both room temperature and 77K, as well as in PMMA matrix. DFT calculation has then been performed and the obtained results have been compared to experimental ones.

Inverse and regular phenyl-azole ligands for luminescent Iridium(III) complexes

In the modern society, light is mostly powered by electricity which lead to a significant increase of the global energy consumption. In order to reduce it, different kinds of electric lamps have been developed over the years; it is now accepted that phosphorescence-based OLEDs offer many advantages over existing light technologies. Iridium complexes are considered excellent candidates for bright materials by virtue of the possibility to easily tune the wavelength of the emitted radiation, by appropriate modifications of the nature of the ligands. It is important to note that the synthesis of Ir(III) blue-emitting complexes is a very challenging goal, because of wide HOMO-LUMO gaps needed for produce a deep blue emission. During my thesis I planned the synthesis of two different series of new Ir(III) heteroleptic complexes, the C and the N series, using cyclometalating ligands containing an increasing number of nitrogens in inverse and regular position. I successfully performed in the synthesis of the required four ligands, i.e. 1-methyl-4-phenyl-1H-imidazole (2), 4-phenyl-1-methyl-1,2,3-triazole (3), 1-phenyl-1H-1,2,3-triazole (6) and 1-phenyl-1H-tetrazole (7), that differ in the number of nitrogens present in the heterocyclic ring and in the position of the phenyl ring. Therefore the cyclometalation of the obtained ligands to get the corresponding Ir(III)-complexes was attempted. I succeeded in the synthesis of two Ir(III)-complexes of the C series, and I carried out various attempts to set up the appropriate reaction conditions to get the remaining desired derivatives. The work is still in progress, and once all the desired complexes will be synthesized and characterized, a correlation between their structure and their emitting properties could be formulated analysing and comparing the photophysical data of the real compounds.

Sintesi e caratterizzazione di complessi misti Ir(iii)-Eu(iii) per l'emissione di luce bianca

Diodi organici emettitori di luce bianca (WOLEDs) sono dei dispositivi promettenti per la realizzazione di sorgenti luminose a basso consumo di energia, in quanto essi combinano un’alta efficienza e bassi costi di produzione con l’interessante caratteristica di poter produrre grandi superfici che emettono luce bianca di buona qualità. Tuttavia, la durata, le prestazioni e i costi devono ancora essere ottimizzati affinché i WOLEDs possano diventare commercialmente competitivi con le altre più comuni fonti di illuminazione; in particolare è necessario migliorare la stabilità e l’efficienza degli emettitori. Nella presente tesi viene trattata la sintesi di molecole organometalliche a singolo componente per ottenere un’elettroluminescenza di un bianco più puro possibile. In particolare l’attenzione è stata rivolta all’ottenimento di complessi eterometallici Ir-Eu. Sono stati sintetizzati tre diversi dimeri di Ir (III), con sistemi fenilpiridinici variamente fluorurati come leganti; a secondo del tipo di legante si hanno delle variazioni delle proprietà fotofisiche del complesso di Ir (III) successivamente prodotto. In seguito sono stati sintetizzati leganti bifunzionali contenenti un’unità isocianuro (in grado di coordinare selettivamente l’Iridio) e un gruppo acetilacetonato (in grado di coordinare selettivamente l’Europio). Tali leganti sono stati poi impiegati per formare il complesso di Eu (III). Infine, la reazione tra i dimeri di Ir (III) e il complesso di Eu (III) ha portato alla formazione dei complessi eterometallici Ir-Eu, che sono stati poi caratterizzati sia strutturalmente che fotofisicamente. Grazie ai due diversi centri emissivi presenti nella stessa molecola si è ottenuta una complessiva luce bianca.

Progettazione e sintesi di coppie ioniche ("soft salts") basate su complessi Ir(III) tetrazolici.

In questo lavoro di tesi sperimentale si è sintetizzata e caratterizzata la prima classe di complessi tetrazolici di Ir(III) anionici con formula generale [Ir(C^N)2(L)2]-, in cui oltre ai leganti ciclometallanti ”C^N” quali 2-fenilpiridinato (ppy) o 2-(2,4-difluorofenil)piridinato (F2ppy), sono stati introdotti due anioni tetrazolato (L) come il 5-fenil tetrazolato (Tph) oppure 5-(4-cianofenil) tetrazolato (TphCN). I complessi di Ir(III) anionici ottenuti si sono mostrati intensamente fosforescenti, con emissioni centrate nella regione del blu o del verde (460 < λmax<520 nm). I derivati anionici sono stati poi combinati con complessi Ir(III) tetrazolici cationici in grado di fornire emissione nella regione del rosso (λmax > 650 nm), formando così i primi esempi di coppie ioniche (“soft salts”) a matrice puramente tetrazolica. In tutti i casi si è osservato come il colore emesso da parte dei soft salts sia il risultato di una vera propria sintesi additiva delle emissioni derivanti da componenti ioniche con proprietà fotoemittive differenti. La sostanziale assenza di fenomeni di energy o electron transfer tra la componente anionica e cationica e il giusto bilancio tra le emissioni blu o verdi e rosse si sono tradotte, in taluni casi, nell’ottenimento di luce bianca, con la possibilità di variare ulteriormente i colori emessi in seguito all’allontanamento dell’ossigeno molecolare disciolto nelle soluzioni dei soft salts stessi.

Sintesi di complessi luminescenti anionici di Ir(III)

Negli ultimi anni si è osservato un crescente sviluppo della ricerca nel campo dei materiali luminescenti per le loro diverse applicazioni reali e potenziali, fra cui l’impiego in dispositivi elettroluminescenti, quali OLEDs (Organic Light-Emitting Diodes) e LECs (Light-Emitting Electrochemical Cells). In modo particolare, si rivolge grande attenzione ai complessi ciclometallati di Ir(III) grazie alle peculiari caratteristiche che li contraddistinguono fra i materiali luminescenti, come l'emissione fosforescente, alte rese quantiche di emissione, lunghi tempi di vita e buona stabilità nei dispositivi. Oltre a tali caratteristiche uno dei principali vantaggi presentati dai complessi di Ir(III) è la possibilità di modulare la lunghezza d'onda di emissione modificando la struttura dei leganti ciclometallanti e ancillari. Considerata la versatilità di questi sistemi e la loro conseguente rilevanza, diverse sono state le strategie applicate per l'ottenimento di complessi di Ir(III) generalmente neutri e cationici; al contrario pochi esempi di complessi di Ir(III) anionici sono attualmente riportati in letteratura. Lo scopo del mio lavoro di tesi è stato quindi quello di sintetizzare tre nuovi complessi anionici luminescenti di Ir(III) con tre diversi leganti ciclometallanti. Il piano di lavoro è stato suddiviso in stadi successivi, partendo dalla sintesi dei tre leganti ciclometallanti, impiegati poi nella preparazione dei dimeri di Ir(III) precursori dei miei complessi; infine facendo reagire questi ultimi con un legante ancillare bisanionico, derivato dal di(1H-tetrazol-5-il)metano, si è giunti all'ottenimento di tre complessi anionici luminescenti di Ir(III). Dopo questa prima parte, il lavoro di tesi è proseguito con la caratterizzazione spettroscopica dei tre complessi anionici e la determinazione delle loro proprietà fotofisiche tramite la registrazione di spettri di assorbimento, di emissione e la determinazione delle rese quantiche di emissione e dei tempi di vita. Infine si è preparato un “soft salt” costituito da un complesso anionico e uno cationico di Ir(III) le cui caratteristiche sono tutt'ora oggetto di studio del gruppo di ricerca presso il quale ho svolto il mio lavoro di tesi.

Design e sintesi di nuove sonde luminescenti per il "targeting" dell'avidina

Recent studies on the use of bio-conjugating organometallic probes report on the possibility to use biotinylated-derivatives to selectively coordinate to a specific protein, avidin. In the present thesis, the synthesis of four new bifunctional ligands is described. The ligands contain both a pyridine triazolic unit able to coordinate a transition metal, and a biotin fragment able to bond avidin: the two functionalities are linked together by an appropriate aromatic linker (amide or ester). The obtained ligands were then employed to form luminescent Ir(III) complexes, that have been fully characterized also by a photophysical point of view both in organic and in aqueous solvent. Therefore, titrations of solutions of avidin with aqueous solutions of Ir(III)-complexes have been performed in order to estimate the luminescence variations of the complexes in the presence or in the absence of bio-conjugation.

Nuovi complessi alchinil tetrazolici di iridio(III) e renio(I): Sintesi, reattività e proprietà fotofisiche.

In this experimental thesis, two luminescent Ir(III) and Re(I) complexes which have a terminal alkynyl group on the tetrazole ligand were prepared. The aim was to use them as building blocks, in order to synthesize more complex structures. We explored two simple reactions: the first one was a coupling, for the formation of Ir(III)/Au(III) and Re(I)/Au(III) hetero binuclear complexes, and the second was a 1,3-dipolar Cu(I)-catalyzed “Click” cycloaddition, between the terminal alkyne and azide. The synthesized products were characterized through photophysical analysis, evaluating how the photoemissive properties of these substrates were affected by the formation of more complex structures. In questo lavoro di tesi sperimentale sono stati preparati due complessi luminescenti di Ir(III) e Re(I) che presentano un alchino terminale sul legante tetrazolico. Lo scopo è stato quello di utilizzarli come building blocks per la sintesi di strutture più complesse. Sono state esplorate due semplici reazioni: la prima di coupling, per la formazione di complessi etero binucleari Ir(III)/Au(III) e Re(I)/Au(III), e la seconda di “click”, ossia una cicloaddizione 1,3-dipolare Cu(I) catalizzata tra l’alchino terminale e un’azide. I prodotti sintetizzati sono stati caratterizzati attraverso analisi fotofisiche, valutando come le proprietà fotoemissive di questi substrati siano influenzate in seguito alla formazione di strutture più complesse.

Complessi metallici come “probes” luminescenti per avidina: design e sintesi di leganti bifunzionali piridintriazolo-biotina

Studi recenti sull’utilizzo di sonde organometalliche per bioconiugazione sfruttano la possibilità di interazione di queste con una proteina, l’avidina, per la sua capacità di coordinarsi selettivamente ad una particolare molecola organica, la biotina. In questa tesi viene descritta la sintesi di due leganti bi-funzionali contenenti sia un’unità capace di fungere da legante per un opportuno metallo, che un’unità di biotina in grado di legarsi all’avidina. La differenza fra i due leganti risiede nello spaziatore che collega le due unità funzionali della molecola. Una volta ottenuti i leganti progettati, sono stati sintetizzati i corrispondenti complessi di Ir (III) e Re (I). Le proprietà fotofisiche sono state misurate sia in solvente organico che in soluzione acquosa e quindi sono state effettuate titolazioni dell’avidina con soluzioni acquose a titolo noto dei complessi sintetizzati, con il fine di comprendere come le proprietà luminescenti dei complessi vengano influenzate dalla bio-coniugazione tra biotina ed avidina.

Late Transition Metal-Oxo complexes: Synthesis, and Biorelevant Reactivity

High-valent terminal metal-oxygen adducts are supposed to be potent oxidising intermediates in enzymatic catalyses. In contrast to those from groups 6-8, oxidants that contain late transition metals (Co, Ni, Cu) are poorly understood. Because of their high reactivity, only a few examples of these compounds have been observed. The aim of this project was to investigate the reactivity of high-valent Ni(III) complexes, containing a monodentate oxygen-donor ligands, in hydrogen atom abstraction (HAA) and oxygen atom transfer (OAT) reactions which are typical of biological high-valent metal-oxygen species. Particularly, the Ni(III) complexes were generated in situ, at low temperature, from the oxidation of the Ni(II) species.The nickel complexes studied during this work were supported by tridentate ligands, with a strong σ-donating ability and exceedingly resistant to several common degradation pathways. These complexes vary based on the monodentate group in the fourth coordination position site, which can be neutral or anionic. In particular, we prepared four different Ni(III) complexes [NiIII(pyN2Me2)(OCO2H)] (12), [NiIII(pyN2Me2)(ONO2)] (14), [NiIII(pyN2Me2)(OC(O)CH3)] (18) and [NiIII(pyN2Me2)(OC(O)H)] (25). They feature a bicarbonate (-OCO2H), nitrate (-ONO2), acetate (-OC(O)CH3) and formate (-OC(O)H) group, respectively.HAA and OAT reactions were performed by adding 2,6-di-tert-butylphenol (2,6-DTBP) at -40°C, and triphenylphosphine (PPh3) at -80°C, to the in situ generated Ni(III) complexes, respectively. These reactions were carried out by adding 7 to 500 equivalents of substrate, in order to ensure pseudo-first order conditions. Since, the reactivity of the Ni(III) complex featured by the bicarbonate group has been studied in a previous work, we only investigated that of the species bearing the nitrate, acetate and formate ligand. Finally we compared the value of the reaction rate of all the four species in the HAA and OAT reactions.