Développement de nouveaux matériaux conjugués aux propriétés opto-électroniques modulables : de l’électrochromisme à la fluorescence.

La thèse est divisée en deux parties, soit le texte principal et les annexes afin d'alléger la taille des documents.

L’impact de l’unité centrale sur les propriétés optoélectroniques d’imino-thiophènes électrochromes : s ynthèse et caractérisation

De nouvelles molécules électrochromes à base de thiophène et comportant des liaisons azométhine ont été synthétisées et caractérisées afin d’étudier les relations entre leur structure et leurs propriétés. Le but premier de cette étude a été d’obtenir plus d’information pouvant guider le développement de nouvelles molécules électrochromes performantes à l’aide d’une meilleure compréhension de ce qui influence leurs caractéristiques. La synthèse a été réalisée en évitant l’emploi de conditions réactionnelles difficiles et les quantités d’éléments de transition ont été minimisées. Les nouvelles structures ont permis de vérifier l’effet de la variation de l’unité centrale sur les propriétés finales. Les modifications ont principalement porté sur la longueur effective de conjugaison par l’ajout d’unités de thiophène, ainsi que l’incorporation d’une liaison vinylique. L’effet de la présence de chaînes alkyles sur les positions C3 et C4 des thiophènes du coeur de chaque molécule a également été étudié. Les propriétés telles le potentiel d’oxydation, le nombre d’électrons échangés, la réversibilité des phénomènes d’oxydoréduction, l’absorbance, ainsi que l’électrochromisme chimique et électrochimique ont été étudiées, principalement par voltampérométrie cyclique et spectrométrie UV-visible en solution. De plus, des calculs théoriques ont été effectués afin d’appuyer les résultats obtenus expérimentalement. La modification du coeur de la molécule par ajout de thiophènes voisins n’a pas entraîné de grand déplacement bathochrome du λAbs, et dans le cas des thiophènes dialkylés, un déplacement hypsochrome d’au moins 66 nm a eu lieu causé par la torsion du squelette. L’étude des structures à l’état solide a même révélé l’obtention d’un nouveau composé possédant des propriétés vapochromiques prononcées. Les nouveaux composés électrochromes possèdent des valeurs de λAbs allant de 431 à 513 nm, et des potentiels d’oxydation de 0,8 à 1,2 V.

Visible-light-mediated synthesis of helicenes in batch and continuous flow systems

Le présent mémoire décrit le développement d’une méthode de synthèse des hélicènes catalysée par la lumière visible. Les conditions pour la formation de [5]hélicène ont été établies par une optimisation du photocatalyseur, du solvant, du système d’oxydation et du temps réactionnel. Suite aux études mécanistiques préliminaires, un mécanisme oxydatif est proposé. Les conditions optimisées ont été appliquées à la synthèse de [6]hélicènes pour laquelle la régiosélectivité a été améliorée en ajoutant des substituants sur la colonne hélicale. La synthèse de thiohélicènes a aussi été testée en utilisant les mêmes conditions sous irradiation par la lumière visible. La méthode a été inefficace pour la formation de benzodithiophènes et de naphtothiophènes, par contre elle permet la formation du phenanthro[3,4-b]thiophène avec un rendement acceptable. En prolongeant la surface-π de la colonne hélicale, le pyrène a été fusionné aux motifs de [4]- et [5]hélicène. Trois dérivés de pyrène-hélicène ont été synthétisés en utilisant les conditions optimisées pour la photocyclisation et leurs caractéristiques physiques ont été étudiées. La méthode de cyclisation sous l’action de la lumière visible a aussi été étudiée en flux continu. Une optimisation du montage expérimental ainsi que de la source lumineuse a été effectuée et les meilleures conditions ont été appliquées à la formation de [5]hélicène et des trois dérivés du pyrène-hélicène. Une amélioration ou conservation des rendements a été observée pour la plupart des produits formés en flux continu comparativement à la synthèse en batch. La concentration de la réaction a aussi été conservée et le temps réactionnel a été réduit par un facteur de dix toujours en comparaison avec la synthèse en batch.

Étude de dépendance des dynamiques de Polarons avec microstructures des semi-conducteurs polymériques

Cet ouvrage présente une étude portant sur le polymère P3EHT (poly(3-(20-ethyl)hexyl-thiophene)). Parmi les nombreuses caractéristiques de la dynamique des polarons pouvant être étudiées, seules celles liées aux changement de morphologie le seront dans ce travail. De plus, la vérification du modèle HJ permet d’expliquer la photophysique des polymères conjugués, grâce à l’étude des spectres de photoluminescence. L’étude de la dynamique des polarons à travers l’absorption photo-induite en fonction de la fréquence a permis de trouver les durées de vie pour un même échantillon avec des morphologies différentes. Les résultats ont démontré que la morphologie est non seulement fondamentale pour l’étude des polarons, mais consiste aussi en une caractéristique essentielle pour comprendre le nouveau modèle HJ.

Design de nouvelles fonctionnelles en théorie de la fonctionnelle de la densité et conception de polymères pour application à la photovoltaïque organique

La présente thèse porte sur les calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour simuler des systèmes dans lesquels les effets à longue portée sont importants. Une emphase particulière est mise sur les calculs des énergies d’excitations, tout particulièrement dans le cadre des applications photovoltaïques. Cette thèse aborde ces calculs sous deux angles. Tout d’abord, des outils DFT déjà bien établis seront utilisés pour simuler des systèmes d’intérêt expérimental. Par la suite, la théorie sous-jacente à la DFT sera explorée, ses limites seront identifiées et de nouveaux développements théoriques remédiant à ceux-ci seront proposés. Ainsi, dans la première partie de cette thèse, des calculs numériques utilisant la DFT et la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) telles qu’implémentées dans le logiciel Gaussian [1] sont faits avec des fonctionnelles courantes sur des molécules et des polymères d’intérêt expérimental. En particulier, le projet présenté dans le chapitre 2 explore l’utilisation de chaînes latérales pour optimiser les propriétés électroniques de polymères déjà couramment utilisés en photovoltaïque organique. Les résultats obtenus montrent qu’un choix judicieux de chaînes latérales permet de contrôler les propriétés électroniques de ces polymères et d’augmenter l’efficacité des cellules photovoltaïques les utilisant. Par la suite, le projet présenté dans le chapitre 3 utilise la TDDFT pour explorer les propriétés optiques de deux polymères, le poly-3-hexyl-thiophène (P3HT) et le poly-3-hexyl- sélénophène (P3HS), ainsi que leur mélange, dans le but d’appuyer les observations expérimentales indiquant la formation d’exciplexe dans ces derniers. Les calculs numériques effectués dans la première partie de cette thèse permettent de tirer plusieurs conclusions intéressantes, mais mettent également en évidence certaines limites de la DFT et de la TDDFT pour le traitement des états excités, dues au traitement approximatif de l’interaction coulombienne à longue portée. Ainsi, la deuxième partie de cette thèse revient aux fondements théoriques de la DFT. Plus précisément, dans le chapitre 4, une série de fonctionnelles modélisant plus précisément l’interaction coulombienne à longue portée grâce à une approche non-locale est élaborée. Ces fonctionnelles sont basées sur la WDA (weighted density approximation), qui est modifiée afin d’imposer plusieurs conditions exactes qui devraient être satisfaites par le trou d’échange. Ces fonctionnelles sont ensuite implémentées dans le logiciel Gaussian [1] et leurs performances sont évaluées grâce à des tests effectués sur une série de molécules et d’atomes. Les résultats obtenus indiquent que plusieurs de ces fonctionnelles donnent de meilleurs résultats que la WDA. De plus, ils permettrent de discuter de l’importance relative de satisfaire chacune des conditions exactes.

A PVC plasticized membrane sensor for nickel ions

A new PVC membrane sensor, which is highly selective towards Ni (II) ions, has been developed using a thiophene-derivative Schiff base as the ionophore. The best performance was exhibited by the membrane having the composition percentage ratio of 5:3:61:31 (ionophore:NaTPB:DBP:PVC) (w=w), where NaTPB is the anion excluder, sodium tetraphenylborate and DBP is the plasticizing agent (dibutyl phthalate). The membrane exhibited a good Nernstian response for nickel ions over the concentration range of 1.0 10 1– 5.0 10 6M (limit of detection is 1.8 10 6 M) with a slope of 29.5 1.0mV per decade of activity. It has a fast response time of<20 s and can be used for a period of 4 months with good reproducibility. The sensor is suitable for use in aqueous solutions of a wide pH range of 3.2–7.9. The sensor shows high selectivity to nickel ions over a large number of mono-, bi- and trivalent cations. It has been successfully used as an indicator electrode in the potentiometric titration of nickel ions against EDTA and also for direct determination of nickel content in real samples – wastewater samples from electroplating industries and Indian chocolates.

A PVC Plasticized Membrane Sensor for Nickel Ions

A new PVC membrane sensor, which is highly selective towards Ni (II) ions, has been developed using a thiophene-derivative Schiff base as the ionophore. The best performance was exhibited by the membrane having the composition percentage ratio of 5:3:61:31 (ionophore:NaTPB:DBP:PVC) (w=w), where NaTPB is the anion excluder, sodium tetraphenylborate and DBP is the plasticizing agent (dibutyl phthalate). The membrane exhibited a good Nernstian response for nickel ions over the concentration range of 1.0 10 1– 5.0 10 6M (limit of detection is 1.8 10 6 M) with a slope of 29.5 1.0mV per decade of activity. It has a fast response time of<20 s and can be used for a period of 4 months with good reproducibility. The sensor is suitable for use in aqueous solutions of a wide pH range of 3.2–7.9. The sensor shows high selectivity to nickel ions over a large number of mono-, bi- and trivalent cations. It has been successfully used as an indicator electrode in the potentiometric titration of nickel ions against EDTA and also for direct determination of nickel content in real samples – wastewater samples from electroplating industries and Indian chocolates.

Elektrochemische und spektroelektrochemische Untersuchungen symmetrischer und unsymmetrischer Spiroverbindungen

In dieser Arbeit wurden elektronische Eigenschaften der sogenannten Spiroverbin-dungen untersucht, die aus zwei durch ein gemeinsames Spiro-Kohlenstoffatom miteinander verbundenen π-Systemen bestehen. Solche Untersuchungen sind notwendig, um die gezielte Synthese organischer Materialien mit bestimmten optischen, elektrischen, photoelektrischen oder magnetischen Eigenschaften zu ermöglichen. Im einzelnen wurden mit Hilfe der Cyclovoltammetrie, Square-Wave-Voltammetrie und Spektroelektrochemie eine Reihe homologer Spiro-p-oligophenyle, sowie symmetrisch und unsymmetrisch substituierte Spiroverbindungen und Spirocyclopentadithiophene unter-sucht. Dabei ergaben sich folgende Einflussfaktoren: Kettenlänge, verschiedene Substituenten (Trimethylsilyl, tert-Butyl, Fluor, Pyridyl, perfluoriertes Pyridyl, Dimethylamino-Gruppe), verschiedene Positionen der Substitution, Lage der Spiroverknüpfung und Art des π-Systems im Spirokern. Die elektronischen Eigenschaften der untersuchten Verbindungen variieren systema-tisch mit der Kettenlänge. So vermindert sich der Betrag der Redoxpotentiale der Spiroverbin-dungen mit Zunahme der Kettenlänge, während die Anzahl der übertragenen Elektronen mit zunehmender Kettenlänge wächst. Die Absorption der neutralen und geladenen Spezies ver-schiebt sich mit steigender Kettenlänge bathochrom. Der Substituenteneinfluss auf die Poten-tiallage hängt davon ab, welcher der Effekte +I, -I, +M, -M überwiegt; dabei spielt auch die Position der Substitution eine Rolle. Weiter lässt sich der Einfluss der Lage der Spiroverknüpfung auf die Redoxpotentiale mit der verschiedenen Coulomb-Abstoßung innerhalb oder/und zwischen Phenylketten bei symmetrisch und unsymmetrisch verknüpften Spiroverbindungen begründen. Schließlich wurden die Redoxmechanismen der untersuchten Spiroverbindungen er-mittelt. Die meisten Verbindungen werden zum Bis(radikalion) reduziert bzw. oxidiert (Me-chanismus A). Nur wenige Verbindungen werden nach Mechanismus B reduziert, in dem das Elektron unter Bildung eines Dianions in die schon einfach reduzierte Molekülhälfte über-geht. Die Unterschiede der Redoxpotentiale, der Lage der Absorption, des Reduktionsme-chanismus der Verbindungen mit unterschiedlichen Spirokernen (Spirobifluoren und Spiro-cyclopentadithiophen) konnten mit den unterschiedlichen elektronischen Strukturen von Phe-nyl- und Thiophenring (aromatisches und heteroaromatisches π System) erklärt werden.

3-and 3,4-substituted pyrroles and thiophenes and their corresponding polymers: a review

In the field of conducting polymers, both poly(pyrrole) and poly(thiophene) have been investigated extensively and are used currently in a wide variety of applications including microelectronics, electrode materials, sensors and optoelectronics. Amongst these polymers, 3- and 3,4- substituted poly(pyrroles) and poly(thiophenes) have received significant attention in recent years as demonstrated by the increase in the number of patents and publications that describe their use. This review covers the development in the synthesis of 3- and 3,4- Substituted poly(pyrroles) and poly(thiophenes) over the last 30 years, their polymerisation in addition to describing the material properties and applications of the resulting polymers. In particular, this review focuses upon the variety of methodologies employed for the synthesis of 3- and 3,4-substituted pyrroles and thiophenes as well as upon the broad range of functional groups that can be attached to the heterocyclic ring system in order to tailor the properties of the resulting polymers.

Chemical, electrochemical and structural studies of some cis-dioxomolybdenum(VI) complexes of two tridentate ONS chelating ligands

Several cis-dioxomolybdenum complexes of two tridentate ONS chelating ligands H2L1 and H2L2 ( obtained by condensation of S-benzyl and S-methyl dithiocarbazates with 2-hydroxyacetophenone) have been prepared and characterized. Complexes 1 and 2 are found to be of the form MoO2 (CH3OH)L-1.CH3OH and MoO2L, respectively, (where L2-=dianion of H2L1 and H2L2). The sixth coordination site of the complexes acts as a binding site for various neutral monodentate Lewis bases, B, forming complexes 3 - 10 of the type MoO2LB (where B=gamma-picoline, imidazole, thiophene, THF). The complexes were characterized by elemental analyses, various spectroscopic techniques, ( UV-Vis, IR and H-1 NMR), measurement of magnetic susceptibility at room temperature, molar conductivity in solution and by cyclic voltammetry. Two of the complexes MoO2(CH3OH)L-1.CH3OH (1) and MoO2L1(imz) (5) were structurally characterized by single crystal X-ray diffraction. Oxo abstruction reactions of 1 and 5 led to formation of oxomolybdenum(IV) complex of the MoOL type.

Synthesis and cytotoxicity studies of new dimethylamino-functionalised and hetero aryl-substituted titanocene anti-cancer drugs

From the carbolithiation of N,N-dimethylamino fulvene (3a) and different ortho-lithiated heterocycles (furan, thiophene and N-methylpyrrole), the corresponding lithium cyclopentadienide intermediate (4a-c) was formed. These three lithiated intermediates underwent a transmetallation reaction with TiCl4 resulting in dimethylamino-functionalised titanocenes 5a-c. When these titanocenes were tested against LLC-PK cells, the IC50 values obtained were of 240, and 28 mu M for titanocenes 5a and 5b, respectively. The most cytotoxic titanocene 5c with an IC50 value of 5.5 mu M is found to be almost as cytotoxic as cis-platin, which showed an IC50 value of 3.3 mu M, when tested on the LLC-PK cell line, and titanocene 5c is approximately 400 times better than titanocene dichloride itself. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Photochromic dithienylethene derivatives containing Ru(II) or Os(II) metal units. Sensitized photocyclization from a triplet state

Efficient photocyclization from a low-lying triplet state is reported for a photochromic dithienylperfluorocyclopentene with Ru(bpy)(3) units attached via a phenylene linker to the thiophene rings. The ring-closure reaction in the nanosecond domain is sensitized by the metal complexes. Upon photoexcitation into the lowest Ru-to-bpy (MLCT)-M-1 state followed by intersystem crossing to emitting (MLCT)-M-3 states, photoreactive (IL)-I-3 states are populated by an efficient energy-transfer process. The involvement of these (IL)-I-3 states explains the quantum yield of the photocyclization, which is independent of the excitation wavelength but decreases strongly in the presence of dioxygen. This behavior differs substantially from the photocyclization of the nonemissive dithienylperfluorocyclopentene free ligand, which occurs from the lowest (IL)-I-1 state on a picosecond time scale and is insensitive to oxygen quenching. Cyclic voltammetric studies have also been performed to gain further insight into the energetics of the system. The very high photocyclization quantum yields, far above 0.5 in both cases, are ascribed to the strong steric repulsion between the bulky substituents on the dithienylperfluorocyclopentene bridge bearing the chelating bipyridine sites or the Ru(bpy)(3) moieties, forcing the system to adopt nearly exclusively the reactive antiparallel conformation. In contrast, replacement of both Ru(II) centers by Os(II) completely prevents the photocyclization reaction upon light excitation into the low-lying Os-to-bpy (MLCT)-M-1 state. The photoreaction can only be triggered by optical population of the higher lying (IL)-I-1 excited state of the central photochromic unit, but its yield is low due to efficient energy transfer to the luminescent lowest (MLCT)-M-3 state.

Radical cations of end-capped tetrathienoacenes and their p-dimerization controlled by the nature of a-substituents and counterion concentration

Radical cations of a soluble rigid tetrathienoacene are capable of forming stable p-dimer dications at ambient temperature when the short backbone becomes extended with conjugated thiophene-2-yl substituents in the a-positions. On the other hand, simple attachment of methyl groups on the a-carbon of the external thiophen-2-yl rings proved sufficient to inhibit the dimerization. Stable radical cationswere also exclusively formed for tetrathienoacene derivatives end-capped with bulky TIPS and phenyl substituents.

Hybrid proton and electron transport in peptide fibrils

Protons and electrons are being exploited in different natural charge transfer processes. Both types of charge carriers could be, therefore, responsible for charge transport in biomimetic self-assembled peptide nanostructures. The relative contribution of each type of charge carrier is studied in the present work for fi brils self-assembled from amyloid- β derived peptide molecules, in which two non-natural thiophene-based amino acids are included. It is shown that under low humidity conditions both electrons and protons contribute to the conduction, with current ratio of 1:2 respectively, while at higher relative humidity proton transport dominates the conductance. This hybrid conduction behavior leads to a bimodal exponential dependence of the conductance on the relative humidity. Furthermore, in both cases the conductance is shown to be affected by the peptide folding state under the entire relative humidity range. This unique hybrid conductivity behavior makes self-assembled peptide nanostructures powerful building blocks for the construction of electric devices that could use either or both types of charge carriers for their function.

Nonlinear spectrum effect on the coherent control of molecular systems

This work demonstrates that the detuning of the fs-laser spectrum from the two-photon absorption band of organic materials can be used to reach further control of the two-photon absorption by pulse spectral phase manipulation. We investigate the coherent control of the two-photon absorption in imidazole-thiophene core compounds presenting distinct two-photon absorption spectra. The coherent control, performed using pulse phase shaping and genetic algorithm, exhibited different growth rates for each sample. Such distinct trends were explained by calculating the two-photon absorption probability considering the intrapulse interference mechanism, taking into account the two-photon absorption spectrum of the samples. Our results indicate that tuning the relative position between the nonlinear absorption and the pulse spectrum can be used as a novel strategy to optimize the two-photon absorption in broadband molecular systems. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.