Towards Accurate and Efficient Description of Excited States

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Synthetic, spectroscopic and X-ray crystallographic structural study of the monomeric [Cu(pysme)(sac)(MeOH)] and dimeric [Cu(6mptsc)(sac)](2) complexes [pysme = anion of the pyridine-2-carboxaldehyde Schiff base of S-methyldithiocarbazate, 6mptsc=the anio

New mixed-ligand copper(II) complexes of empirical formulas [Cu(pysme)(sac) (CH3OH)] and [Cu(6mptsc)(sac)](2) have been synthesized and characterized by conductance, magnetic, IR and electronic spectroscopic techniques. X-ray crystallographic structure analyses of these complexes indicate that in both complexes the copper(II) ions adopt a five-coordinate distorted square-pyramidal geometry with an N3SO donor environment. The Schiff bases are coordinated to the copper(II) ions as tridentate NNS chelates via the pyridine nitrogen atom, the azomethine nitrogen atom and the thiolate sulfur atom. In the monomeric [Cu(pysme)(sac)(MeOH)] complex, the saccharinate anion acts as a monodentate ligand coordinating the copper(II) ion via the imino nitrogen atom whereas in the dimeric [Cu(6mptsc)(sac)](2) complex, the sac anion behaves as a bridging bidentate ligand providing the imino nitrogen donor atom to one of the copper(II) ions and the carbonyl oxygen as a weakly coordinated axial ligand atom to the other Cu(II) ion. In both complexes, the copper(II) ions have distorted square-pyramidal environments. The distortion from an ideal square-pyramidal geometry is attributed to the restricted bite angles of the planar tridentate ligand. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Molecular mixed-valence cyanide bridged Co-III-Fe-II complexes

Cyano-bridged mixed-valence compounds have been known for a long time, i.e., Prussian Blue polymeric solids. Nevertheless, the interest in discrete complexes having a well-defined molecular nuclearity has emerged more recently. There are numerous examples of cyano-bridged mixed-valence complexes in the recent literature, as they show promising and useful applications in electrochromism, molecular magnetism and molecular electronics. In this paper, the reactivity, synthetic and structural chemistry, as well as some physical and chemical properties, of a series of discrete dinuclear mixed-valence cyano-bridged complexes of general formulae [LnCoIII(mu NC)Fe-II(CN)(5)](-) (L = pentadentate macrocyclic ligand) are reviewed. Special emphasis is given to the synthetic strategy, redox properties and metal-to-metal-charge-transfer (MMCT) band energy. Tuning the MMCT transition energy has been possible by changing the redox potential of the metal centers, both through structural and outer-sphere changes. The redox processes that involve the appearance and disappearance of these MMCT bands in the visible region have been dealt with in relation to the possible uses of the complexes. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Diphenyltin(IV) complexes of the 2-quinolinecarboxaldehyde Schiff bases of S-methyl- and S-benzyldithiocarbazate (Hqaldsme and Hqaldsbz): X-ray crystal structures of Hqaldsme and two conformers of its diphenyltin(IV) complex

New organometallic tin(IV) complexes of the empirical formula Sn(NNS)Ph2Cl (NNS = anionic forms of the 2-quinolinecarboxaldehyde Schiff bases of S-methyl- and S-benzyldithiocarbazate) have been prepared and characterized by IR, electronic, I H NMR and ES mass spectroscopic techniques. The molecular structures of the 2-quinolinecarboxaldehyde Schiff base of S-methyldithiocarbazate (Hqaldsme) and its diphenyltin(IV) complex, Sn(qaldsme)Ph2Cl, have been determined by X-ray diffraction. In the solid state, the ligand remains as the thione tautomer in which the dithiocarbazate chain adopts an E,E configuration and is almost coplanar with the quinoline ring. The Sn(qaldsme)Ph2Cl complex crystallizes in two distinctly different conformationally isomeric forms, each having the same space group but different lattice parameters. X-ray analysis shows that in each polymorph, the tin atom adopts a distorted octahedral geometry with the Schiff base coordinated to it as a uninegatively charged tridentate chelating agent via the quinoline nitrogen atom, the azomethine nitrogen atom and the thiolate sulfur atom. The two phenyl groups occupy axial positions and the chloride ligand occupies the sixth coordination position of the tin atom. The deprotonated ligand adopts an E,E,Z configuration in the complex. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Synthetic, EPR spectroscopic, magnetic and X-ray crystallographic structural studies on copper(II) complexes of the tridentate N2S donor ligand formed from 6-methyl-2-formylpyridine and S-methyldithiocarbazate (Hmpsme)

New copper(II) complexes of general empirical formula, Cu(mpsme)X center dot xCH(3)COCH(3) (mpsme = anionic form of the 6-methyl-2-formylpyridine Schiff base of S-methyldithiocarbazate; X = Cl, N-3, NCS, NO3; x = 0, 0.5) have been synthesized and characterized by IR, electronic, EPR and susceptibility measurements. Room temperature mu(eff) values for the complexes are in the range 1.75-2.1 mu(beta) typical of uncoupled or weakly coupled Cu(II) centres. The EPR spectra of the [Cu(mpsme)X] (X = Cl, N-3, NO3, NCS) complexes reveal a tetragonally distorted coordination sphere around the mononuclear Cu(II) centre. We have exploited second derivative EPR spectra in conjunction with Fourier filtering (sine bell and Hamming functions) to extract all of the nitrogen hyperfine coupling matrices. While the X-ray crystallography of [Cu(mpsme)NCS] reveals a linear polymer in which the thiocyanate anion bridges the two copper(II) ions, the EPR spectra in solution are typical of a magnetically isolated monomeric Cu(II) centres indicating dissociation of the polymeric chain in solution. The structures of the free ligand, Hmpsme and the {[Cu(mpsme)NO3] center dot 0.5CH(3)COCH(3)}(2) and [Cu(mpsme)NCS](n) complexes have been determined by X-ray diffraction. The {[Cu(mpsme)NO3]0.5CH(3)COCH(3)}(2) complex is a centrosymmetric dimer in which each copper atom adopts a five-coordinate distorted square-pyramidal geometry with an N2OS2 coordination environment, the Schiff base coordinating as a uninegatively charged tridentate ligand chelating through the pyridine and azomethine nitrogen atoms and the thiolate, an oxygen atom of a unidentate nitrato ligand and a bridging sulfur atom from the second ligand completing the coordination sphere. The [Cu(mpsme)(NCS)](n) complex has a novel staircase-like one dimensional polymeric structure in which the NCS- ligands bridge two adjacent copper(II) ions asymmetrically in an end-to-end fashion providing its nitrogen atom to one copper and the sulfur atom to the other. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

The reactions of carbon dioxide with complexes

The studies described in this thesis are concerned with the reaction of carbon dioxide and transition metal complexes of Co, Ir, Rh, Ru. Due to the important role of group VIII transition metals in homogeneous catalytic reactions, the work is mainly concerned with complexes of ruthenium.

N-Heterocyclic carbene coated metal nanoparticles

N-Heterocyclic carbene coated Au and Pd nanoparticles have been prepared by a ligand exchange reaction; although carbenes quantitatively displaced the thioether and phosphine ligands from the nanoparticle surface, the resultant nanoparticles spontaneously leached metal complexes and aggregated in solution. © 2009 The Royal Society of Chemistry and the Centre National de la Recherche Scientifique.

Asymmetric oxidation of sulfides

This review discusses synthesis of enantiopure sulfoxides through the asymmetric oxidation of prochiral sulfides. The use of metal complexes to promote asymmetric sulfoxidation is described in detail, with a particular emphasis on the synthesis of biologically active sulfoxides. The use of non-metal-based systems, such as oxaziridines, chiral hydroperoxides and peracids, as well as enzyme-catalyzed sulfoxidations is also examined.

Hydroxyamidinates et polymères de coordination : suspicions et valences mixtes

Dans un contexte où l’énergie représente un enjeu majeur pour les pays et organisations à économies émergentes et développées, la recherche de nouvelles sources renouvelables et la démocratisation des vecteurs énergétiques permettant l’approvisionnement mondial de façon durable constitue un devoir pour la communauté scientifique internationale. D’ailleurs, il serait essentiel que les nombreuses disciplines de la chimie concertent leurs efforts. Plus particulièrement, la croissance de la recherche en chimie de coordination orientée vers la photosynthèse artificielle ainsi que le développement de matériaux fonctionnels démontre l’importance indéniable de ce champ de recherche. Ce travail présente dans un premier temps l’étude des différentes voies de synthèse d’hydroxyamidines, un ligand chélatant aux propriétés de coordination prometteuses ne recevant que très peu d’attention de la part de la communauté scientifique. Dans un deuxième temps, nous présenterons le développement d’une stratégie d’assemblage de leurs complexes supramoléculaires impliquant des métaux de transition abondants et peu dispendieux de la première rangée. Dans un troisième temps, il sera question de l’investigation de leurs propriétés photophysiques et électrochimiques à des fins d’applications au sein de matériaux fonctionnels. Pour ce faire, les différentes voies de synthèse des hydroxyamidines et de leurs amidines correspondantes qui ont précédemment été étudiées par les membres du groupe seront tout d’abord perfectionnées, puis investiguées afin de déterminer leur versatilité. Ensuite, les propriétés de complexation des amox résultantes comportant des motifs sélectionnés seront déterminées pour enfin étudier les propriétés photophysiques et électrochimiques d’une série de complexes de métaux de transition de la première rangée. En somme, plusieurs designs qu’offrent les amox et bis-amox sont étudiés et les propriétés des architectures résultantes de leur auto-assemblage sont déterminées.

Coordination of phosphido-boratabenzene ligands to transition metals

Environ 90% des composés produits industriellement sont fabriqués à l’aide de catalyseurs. C’est pourquoi la conception de catalyseurs toujours plus performants pour améliorer les procédés industriels actuels est toujours d’intérêt. De la grande variété de complexes avec des métaux de transition rapportés jusqu’à présent, les complexes zwitterioniques attirent notre attention par leurs activités catalytiques souvent supérieures aux complexes cationiques normaux. Un complexe métallique zwitterionique est un fragment métal-ligand neutre où la charge positive est située sur le centre métallique et où la charge négative est délocalisée sur un des ligands liés au métal. Nous proposons la synthèse de ligands anioniques phosphine comportant des groupements borates et boratabenzènes. Cette dernière espèce est un cycle à 6 membres où l’un des atomes de carbone est remplacé par un atome de bore et qui est négativement chargé. La capacité de ces phosphines anioniques à se lier à un centre métallique à l’aide de la paire libre du phosphore est due à la nature du lien P-B qui défavorise l’interaction entre la paire libre du phosphore et l’orbitale p vide du bore. Les propriétés de di-tert-butylphosphido-boratabenzène (DTBB) comme ligand phosphine anionique hautement donneur et encombré ainsi que la découverte de ses modes de coordination inhabituels pour stabiliser les métaux de transition insaturés ont été étudiés au cours de ce travail. De nouvelles perspectives sur les modes de coordination de phosphido-boratabenzène et la force de l’interaction du lien P-B seront discutées ainsi que les applications catalytiques. Nous avons d’abord étudié la coordination η1 avec des complexes de fer, ce qui nous a fourni des données quantitatives précieuses sur la capacité du DTBB d’agir comme ligand très donneur par rapport aux autres ligands donneurs bien connus. La capacité du DTBB à changer de mode de coordination pour soutenir les besoins électroniques du métal a été démontrée par la découverte d’une nouvelle espèce ferrocenyl phosphido-boratabenzène et sa nucléophilie a été étudiée. Au meilleur de notre connaissance, aucun exemple d’un ligand boratabenzène coordonné aux métaux du groupe 11 n’existe dans la littérature. Voilà pourquoi nous avons décidé d’explorer les modes de coordination du ligand DTBB avec Cu(I), Ag(I) et Au(I). A notre grande surprise, le ligand DTBB est capable de stabiliser les métaux du groupe 11 aux états d’oxydation faibles par une liaison MP qui est une coordination du type η1, un mode de coordination guère observé pour les ligands boratabenzène. Pendant nos travaux, notre attention s’est tournée vers la synthèse d’un complexe de rhodium(I) afin de tester son utilité en catalyse. A notre grande satisfaction, le complexe Rh-DTBB agit comme un précatalyseur pour l’hydrogénation des alcènes et alcynes à la température ambiante et à pression atmosphérique et son activité est comparable à celle du catalyseur de Wilkinson. Dans un désir d’élargir les applications de notre recherche, notre attention se tourna vers l’utilisation des composés du bore autres que le boratabenzène. Nous avons décidé de synthétiser une nouvelle espèce phosphido-borate encombrée. Lorsqu’elle réagit avec des métaux, l’espèce phosphido-borate subit un clivage de la liaison P-B. Toutefois, cette observation met en évidence la singularité et les avantages de la stabilité de la liaison P-B lors de l’utilisation du fragment boratabenzène. Ces observations enrichissent notre compréhension des conditions dans lesquelles la liaison P-B du ligand DTBB peut être clivée. Ces travaux ont mené à la découverte d’un nouveau ligand ansa-boratabenzène avec une chimie de coordination prometteuse.

Understanding near Fermi-level electronic structure through x-ray emission spectroscopy

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Hydroxyamidinates et polymères de coordination : suspicions et valences mixtes

Dans un contexte où l’énergie représente un enjeu majeur pour les pays et organisations à économies émergentes et développées, la recherche de nouvelles sources renouvelables et la démocratisation des vecteurs énergétiques permettant l’approvisionnement mondial de façon durable constitue un devoir pour la communauté scientifique internationale. D’ailleurs, il serait essentiel que les nombreuses disciplines de la chimie concertent leurs efforts. Plus particulièrement, la croissance de la recherche en chimie de coordination orientée vers la photosynthèse artificielle ainsi que le développement de matériaux fonctionnels démontre l’importance indéniable de ce champ de recherche. Ce travail présente dans un premier temps l’étude des différentes voies de synthèse d’hydroxyamidines, un ligand chélatant aux propriétés de coordination prometteuses ne recevant que très peu d’attention de la part de la communauté scientifique. Dans un deuxième temps, nous présenterons le développement d’une stratégie d’assemblage de leurs complexes supramoléculaires impliquant des métaux de transition abondants et peu dispendieux de la première rangée. Dans un troisième temps, il sera question de l’investigation de leurs propriétés photophysiques et électrochimiques à des fins d’applications au sein de matériaux fonctionnels. Pour ce faire, les différentes voies de synthèse des hydroxyamidines et de leurs amidines correspondantes qui ont précédemment été étudiées par les membres du groupe seront tout d’abord perfectionnées, puis investiguées afin de déterminer leur versatilité. Ensuite, les propriétés de complexation des amox résultantes comportant des motifs sélectionnés seront déterminées pour enfin étudier les propriétés photophysiques et électrochimiques d’une série de complexes de métaux de transition de la première rangée. En somme, plusieurs designs qu’offrent les amox et bis-amox sont étudiés et les propriétés des architectures résultantes de leur auto-assemblage sont déterminées.

Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters

Abstract Title of Document: Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters Huang Qiu, Doctor of Philosophy, 2016 Directed By: Professor Michael P. Doyle, Department of Chemistry and Biochemistry Propargylic aryldiazoesters, which possess multiple reactive functional groups in a single molecule, were expected to undergo divergent reaction pathways as a function of catalysts. A variety of transition metal complexes including rhodium(II), palladium(II), silver(I), mercury(II), copper(I and II), and cationic gold (I) complexes have been examined to be effective in the catalytic domino reactions of propargylic aryldiazoesters. An unexpected Lewis acid catalyzed pathway was also discovered by using FeCl3 as the catalyst. Under the catalysis of selected gold catalysts, propargylic aryldiazoesters exist in equilibrium with 1-aryl-1,2-dien-1-yl diazoacetate allenes that are rapidly formed at room temperature through 1,3-acyloxy migration. The newly formed allenes further undergo a metal-free rearrangement in which the terminal nitrogen of the diazo functional group adds to the central carbon of the allene initiating a sequence of bond forming reactions resulting in the production of 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones in good yields. These 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones undergo intramolecular 1,3-acyl migration to form an equilibrium mixture or quantitatively transfer the acyl group to an external nucleophile with formation of 4-hydroxypyrazoles. In the presence of a pyridine-N-oxide, both E- and Z-1,3-dienyl aryldiazoacetates are formed in high combined yields by Au(I)-catalyzed rearrangement of propargyl arylyldiazoacetates at short reaction times. Under thermal reactions the E-isomers form the products from intramolecular [4+2]-cycloaddition with H‡298 = 15.6 kcal/mol and S‡298= -27.3 cal/ (mol•degree). The Z-isomer is inert to [4+2]-cycloaddition under these conditions. The Hammett relationships from aryl-substituted diazo esters ( = +0.89) and aryl-substituted dienes ( = -1.65) are consistent with the dipolar nature of this transformation. An unexpected reaction for the synthesis of seven-membered conjugated 1,4-diketones from propargylic diazoesters with unsaturated imines was disclosed. To undergo this process vinyl gold carbene intermediates generated by 1,2-acyloxy migration of propargylic aryldiazoesters undergo a formal [4+3]-cycloaddition, and the resulting aryldiazoesters tethered dihydroazepines undergo an intricate metal-free process to form observed seven-membered conjugated 1,4-diketones with moderate to high yields.

Nanostructured luminescent chemosensors for environmental and biomedical applications

Nanomaterials are nowadays widely recognised as advantageous sensing tools due to their unique properties. Some natural nanomaterials, such as DNA or hyaluronic acid analysed in this PhD thesis, have an intrinsic biocompatibility that overcomes a series of issues in the field of sensing in biological environments. Therefore, the main aim of this project was to derivatize HA chains with luminescent dyes - both organic and metal complexes - in order to obtain natural polymer-based optical sensors. A derivatization of HA with these moieties was obtained and a photophysical characterization was provided. To prove their sensing ability towards nanomaterials, the interaction with. PluS Nanoparticles, featuring an outer PEG shell, was tested. It was mostly demonstrated that the main features of the luminophores used were present in the HA nanogels as well. For example, HA@Dansyl was proven to be a luminescent probe able to sense different environment polarities. Furthermore, in HA@PA the amount of excimers/monomers emission was found to be relatable to the degree of entanglement of HA chains, that changes upon interactions with nanoparticles. Moreover, two ruthenium bipyridyl derivatives were linked to HA and it was found out that HA interacts with long DNA sequences. Also, the presence of BPA, a small molecule of environmental concern, was detected using (i) an already studied hyaluronic acid derivative with rhodamine (HA@RB) , (ii) a dizinc ruthenium complex coordinating BPA to the metal centres, and (iii) a new probe constituted by PluSNPs@DEAC and HA@RB. Despite all the systems were found to be able to detect BPA, the latter probe presented advantages in terms of sensitivity. Furthermore, the chapter 2 of this thesis is focused on the detection of a NF-κB protein in PC3 cancer cells. via confocal microscopy by following a FRET signal variation on a triplex-hairpin derivatized with a FRET couple of dyes.

Reactivity, photolability, and computational studies of the ruthenium nitrosyl complex with a substituted cyclam fac-[Ru(NO)Cl(2)(kappa(3)N(4),N(8),N(11)(1-carboxypropyl)cyclam)]Cl center dot H(2)O

Chemical reactivity, photolability, and computational studies of the ruthenium nitrosyl complex with a substituted cyclam, fac-[Ru(NO)Cl(2)(kappa(3)N(4),N(8),N(11)(1-carboxypropyl)cyclam)]Cl center dot H(2)O ((1-carboxypropyl) cyclam = 3-(1,4,8,11-tetraazacyclotetradecan-1-yl) propionic acid)), (I) are described. Chloride ligands do not undergo aquation reactions (at 25 degrees C, pH 3). The rate of nitric oxide (NO) dissociation (k(obs-NO)) upon reduction of I is 2.8 s(-1) at 25 +/- 1 degrees C (in 0.5 mol L(-1) HCl), which is close to the highest value found for related complexes. The uncoordinated carboxyl of I has a pK(a) of similar to 3.3, which is close to that of the carboxyl of the non coordinated (1-carboxypropyl) cyclam (pK(a) = 3.4). Two additional pK(a) values were found for I at similar to 8.0 and similar to 11.5. Upon electrochemical reduction or under irradiation with light (lambda(irr) = 350 or 520 nm; pH 7.4), I releases NO in aqueous solution. The cyclam ring N bound to the carboxypropyl group is not coordinated, resulting in a fac configuration that affects the properties and chemical reactivities of I, especially as NO donor, compared with analogous trans complexes. Among the computational models tested, the B3LYP/ECP28MDF, cc-pVDZ resulted in smaller errors for the geometry of I. The computational data helped clarify the experimental acid-base equilibria and indicated the most favourable site for the second deprotonation, which follows that of the carboxyl group. Furthermore, it showed that by changing the pH it is possible to modulate the electron density of I with deprotonation. The calculated NO bond length and the Ru/NO charge ratio indicated that the predominant canonical structure is [Ru(III)NO], but the Ru-NO bond angles and bond index (b.i.) values were less clear; the angles suggested that [Ru(II)NO(+)] could contribute to the electronic structure of I and b.i. values indicated a contribution from [Ru(IV)NO(-)]. Considering that some experimental data are consistent with a [Ru(II)NO(+)] description, while others are in agreement with [Ru(III)NO], the best description for I would be a linear combination of the three canonical forms, with a higher weight for [Ru(II)NO(+)] and [Ru(III)NO].