Assemblage moléculaire régi par la formation de bifluorènes : vers la formation de réseaux organiques covalents retenus par des liaisons carbone-carbone

Les réseaux organiques covalents (COFs) sont des réseaux bidimensionnels et tridimensionnels assemblés seulement par des atomes légers, c’est-à-dire de la première et deuxième rangée du tableau périodique. Ceux-ci ont montré des propriétés de porosité pouvant être exploitées dans le stockage, dans la catalyse et dans la séparation moléculaire. La plupart de ces matériaux ont été obtenus par une réaction finale de condensation, ce qui nuit à leurs cristallisations, donc à l’homogénéité et à la caractérisation détaillée de ces matériaux. Les p-xylylènes de Thiele et Tschitschibabin sont des molécules qui ont suscité l’intérêt pour leurs structures et leurs propriétés magnétiques. Subséquemment, Wittig a démontré que le remplacement des fragments diphénylméthylène par des fragments fluorénylidène sur le p-xylylène de Thiele donne des molécules pouvant s’oligomériser pour former un tétramère. Dans notre étude, nous avons examiné l’assemblage de dérivés fluorénylidène dans le but d’obtenir un COF. Tout d’abord, un dérivé linéaire similaire à ce que Wittig a obtenu a été synthétisé afin de vérifier l’assemblage à partir d’un cœur spirobifluorényle. Ces molécules se sont assemblées en tétramère, comme prévu, et en hexamère. Ces deux résultats ont pu être rationalisés par une étude à l’état solide par diffraction des rayons-X. L’empilement tridimensionnel a également été étudié pour ces deux molécules. Subséquemment, des dérivés tétraédriques ont été synthétisés afin d’étudier leurs assemblages. Un premier dérivé est resté sous sa forme quinoïdale et ne s’est pas assemblé, alors qu’un second dérivé a mené à un dimère partiellement assemblé. La structure de ce dernier suggère la formation d’un polymère linéaire pour ce composé dans le cas où il aurait été possible de l’assembler complètement.

Design, synthèse et application en catalyse verte d’un ligand alkyl imidazolium β-cyclodextrine

Le 21e siècle est le berceau d’une conscientisation grandissante sur les impacts environnementaux des processus utilisés pour synthétiser des molécules cibles. Parmi les avancées qui ont marqué ces dernières décennies, il est également question de réduction de déchets, de conservation de l’énergie et de durabilité des innovations. Ces aspects constituent les lignes directrices de la chimie verte. De ce fait, il est impératif de développer des stratégies de synthèse dont les impacts environnementaux sont bénins. Dans ce mémoire nous présentons la synthèse, la caractérisation et l’étude des propriétés catalytiques en milieu aqueux d’un ligand composé d’une unité -cyclodextrine native, d’une unité imidazolium et d’une chaine alkyle à 12 carbones. Ce ligand hybride s’auto-assemble dans l’eau sous forme de micelles, permettant ainsi d’effectuer en sa présence des couplages de Suzuki-Miyaura dans l’eau, avec de bons rendements. La fonctionnalisation de la face primaire de la -cyclodextrine par un noyau alkyl-imidazolium, précurseur de ligand de type carbène N-hétérocyclique, a permis le développement d’un système catalytique vert et hautement recyclable. Dans un deuxième temps, nous présentons l’utilisation du même ligand hybride dans des couplages de Heck dans l’eau, démontrant ainsi la versatilité du ligand.

Geometrical isomers of [TEAH][Co(L-Se)(2)]center dot xH(2)O: synthesis, structural, spectroscopic and computational studies

Trans-1, [HNEt3][Co-III(L-Se)(2)]center dot H2O and cis-1, [HNEt3][Co-III(L-Se)(2)]center dot 3H(2)O have been synthesized and characterized by single-crystal X-ray studies. The counter ion Et3NH+ plays a crucial role in the crystal packing leading to the formation of two distinctly different supramolecular assemblies in the two complexes. In trans-1, Co-bisphenolate units and triethylamine molecules are arranged in a linear fashion leading to a supramolecular columnar assembly along the crystallographic a-axis. In this assembly, triethylammonium ions are sandwiched between successive Co-bisphenolate units and act as gluing agents joining Co-bisphenolate units on either side through C-H center dot center dot center dot pi interactions. In sharp contrast to trans-1, Co-bisphenolate units and triethylammonium ions in cis-1 are arranged in a helical supramolecular assembly through similar C-H center dot center dot center dot pi interactions along the crystallographic b-axis. The Se center dot center dot center dot Se van der Waals interactions may be responsible for the predominant occurrence of the cis-isomer. The cyclic voltammetric studies showed quasi-reversible waves for the cobalt(III) -> cobalt(II) reductions with E-1/2 = 0.635 and 0.628 V vs. Ag/AgCl for cis-1 (at similar to 5 degrees C) and trans-1 (at similar to 25 degrees C), respectively. DFT calculations show that the trans-form is the thermodynamic product with higher stability than the cis-one, which is consistent with the variable temperature H-1 NMR studies

An unusual axial–axial combination of alternating cyclic rings in the chair conformations of hexameric water and chlorine-water clusters

An alternating hexameric water (H2O)(6) cluster and a chlorine-water cluster [Cl-2(H2O)(4)](2-) in the chair forms combine axially to each other to form a 1D chain [{Cl-2(H2O)(6)}(2-)](n) in complex [FeL2]Cl center dot(H2O)(3) (L=2-[(2-methylaminoethylimino)-methyl]-phenol)]. The water molecules display extensive H-bonding interactions with monomeric iron-organic units to form a hydrogen-bonded 2D supramolecular assembly.

Direct probing of photoinduced electron transfer in a self- assembled biomimetic [2Fe2S]-hydrogenase complex using ultrafast vibrational spectroscopy

A pyridyl-functionalized diiron dithiolate complex, [μ-(4-pyCH2−NMI-S2)Fe2(CO)6] (3, py = pyridine(ligand), NMI = naphthalene monoimide) was synthesized and fully characterized. In the presence of zinc tetraphenylporphyrin (ZnTPP), a self-assembled 3·ZnTPP complex was readily formed in CH2Cl2 by the coordination of the pyridyl nitrogen to the porphyrin zinc center. Ultrafast photoinduced electron transfer from excited ZnTPP to complex 3 in the supramolecular assembly was observed in real time by monitoring the ν(CO) and ν(CO)NMI spectral changes with femtosecond time-resolved infrared (TRIR) spectroscopy. We have confirmed that photoinduced charge separation produced the monoreduced species by comparing the time-resolved IR spectra with the conventional IR spectra of 3•− generated by reversible electrochemical reduction. The lifetimes for the charge separation and charge recombination processes were found to be τCS = 40 ± 3 ps and τCR = 205 ± 14 ps, respectively. The charge recombination is much slower than that in an analogous covalent complex, demonstrating the potential of a supramolecular approach to extend the lifetime of the chargeseparated state in photocatalytic complexes. The observed vibrational frequency shifts provide a very sensitive probe of the delocalization of the electron-spin density over the different parts of the Fe2S2 complex. The TR and spectro-electrochemical IR spectra, electron paramagnetic resonance spectra, and density functional theory calculations all show that the spin density in 3•− is delocalized over the diiron core and the NMI bridge. This delocalization explains why the complex exhibits low catalytic dihydrogen production even though it features a very efficient photoinduced electron transfer. The ultrafast porphyrin-to-NMIS2−Fe2(CO)6 photoinduced electron transfer is the first reported example of a supramolecular Fe2S2-hydrogenase model studied by femtosecond TRIR spectroscopy. Our results show that TRIR spectroscopy is a powerful tool to investigate photoinduced electron transfer in potential dihydrogen-producing catalytic complexes, and that way to optimize their performance by rational approaches.

Experimental and theoretical investigation of molecular structure and conformation of the 4-isopropylthioxanthone

In this study, the molecular structure and conformational analyses of the 4-isopropylthioxanthone (4-ITX) are reported according to experimental and theoretical results. The compound crystallizes in the centrosymmetric P (1) over bar space group with only one molecule in the asymmetric unit, presenting the most stable conformation, in which the three fused-rings adopt a planar geometry, and the isopropyl group assumes a torsional angle with less sterical hindrance. The structural and conformational analyses were performed using theoretical calculations such as Hartree-Fock (HF), DFT method in combination with 6-311G(d,p) and 6-31++G(d,p) and the results were compared with infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray diffraction (XRD). The supramolecular assembly of 4-ITX is kept by non-classical C-H center dot center dot center dot O hydrogen bonds and weak interactions such as pi-pi stacking. 4-ITX was also studied by (1)H and (13)C NMR spectroscopy. UV-Vis absorption spectroscopic properties of the 4-ITX showed the long-wavelength maximum shifts towards high energy when the solvent polarity increases. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Synthesis and characterization of new discotic polycyclic aromatic hydrocarbons and related pyrolytic nanostructures

Diskotische Hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) als molekulare, definierte graphitische Substrukturen sind bereits seit langem Gegenstand von Untersuchungen zu der Delokalisierung von π-Elektronen. In dieser Arbeit wurden zusätzlich Platin-Komplexe in das periphere Substitutionsmuster von HBC eingeführt. Dies führte zu einer Verbesserung der Emission von dem angeregten Triplett-Zustand in den Singulett-Grundzustand mit einer zusätzlichen Verlängerung der Lebensdauer des angeregten Zustandes. Zusätzlich erlaubte diese Konfiguration ein schnelles Intersystem-Crossing mittels einer verstärkten Spin-Orbit Kopplung, die sowohl bei tiefen Temperaturen, als auch bei Raumtemperatur exklusiv zu Phosphoreszenz (T1→S0) führte. Das Verständniss über solche Prozesse ist auch essentiell für die Entwicklung verbesserter opto-elektronischer Bauteile. Die Erstellung von exakt definierten molekularen Strukturen, die speziell für spezifische Interaktionen hergestellt wurden, machten eine Inkorporation von hydrophoben-hydrophilen, wasserstoffverbrückten oder elektrostatischen funktionalisierten Einheiten notwendig, um damit den supramolekularen Aufbau zu kontrollieren. Mit Imidazolium-Salzen funktionalisierte HBC Derivate wurden zu diesem Zwecke hergestellt. Eine interessante Eigenschaft dieser Moleküle ist ihre Amphiphilie. Dies gestattete die Untersuchung ihrer Eigenschaften in einem polaren Solvens und sowohl der Prozessierbarkeit als auch der Faserbildung auf Siliziumoxid-Trägern. Abhängig vom Lösungsmittel und der gewählten Konditionen konnten hochkristalline Fasern erhalten werden. Durch eine Substitution der HBCs mit langen, sterisch anspruchsvollen Seitenketten, konnte durch eine geeignete Prozessierung eine homöotrope Ausrichtung auf Substraten erreicht werden, was dieses Material interessant für photovoltaische Applikationen macht. Neuartige Polyphenylen-Metall-Komplexe mit diskotischen, linearen und dendritischen Geometrien wurden mittels einer einfachen Reaktion zwischen Co2(CO)8 und Ethinyl-Funktionalitäten in Dichlormethan hergestellt. Nach der Pyrolyse dieser Komplexe ergaben sich unterschiedliche Kohlenstoff-Nanopartikel, inklusive Nanoröhren, graphitischen Nanostäben und Kohlenstoff/Metall Hybrid Komplexe, die durch Elektronenmikroskopie untersucht wurden. Die resultierenden Strukturen waren dabei abhängig von der Zusammensetzung und Struktur der Ausgangssubstanzen. Anhand dieser Resultate ergeben sich diverse Möglichkeiten, um den Mechanismus, der zur Herstellung graphitischer Nanopartikel führt, besser zu verstehen.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

Design of bio-based supramolecular structures through self-assembly of α-lactalbumin and lysozyme

Bovine α-lactalbumin (α-La) and lysozyme (Lys), two globular proteins with highly homologous tertiary structures and opposite isoelectric points, were used to produce bio-based supramolecular structures under various pH values (3, 7 and 11), temperatures (25, 50 and 75 °C) and times (15, 25 and 35 min) of heating. Isothermal titration calorimetry experiments showed protein interactions and demonstrated that structures were obtained from the mixture of α-La/Lys in molar ratio of 0.546. Structures were characterized in terms of morphology by transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS), conformational structure by circular dichroism and intrinsic fluorescence spectroscopy and stability by DLS. Results have shown that protein conformational structure and intermolecular interactions are controlled by the physicochemical conditions applied. The increase of heating temperature led to a significant decrease in size and polydispersity (PDI) of α-La–Lys supramolecular structures, while the increase of heating time, particularly at temperatures above 50 °C, promoted a significant increase in size and PDI. At pH 7 supramolecular structures were obtained at microscale – confirmed by optical microscopy – displaying also a high PDI (i.e. > 0.4). The minimum size and PDI (61 ± 2.3 nm and 0.14 ± 0.03, respectively) were produced at pH 11 for a heating treatment of 75 °C for 15 min, thus suggesting that these conditions could be considered as critical for supramolecular structure formation. Its size and morphology were confirmed by TEM showing a well-defined spherical form. Structures at these conditions showed to be stable at least for 30 or 90 days, when stored at 25 or 4 °C, respectively. Hence, α-La–Lys supramolecular structures showed properties that indicate that they are a promising delivery system for food and pharmaceutical applications.

Molecular tectonics : supramolecular 2D nanopatterning of surfaces by self-assembly

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Controlled Self-assembly of p-Phenyleneethynylene Derivatives to Diverse Supramolecular Architectures

Regional Research Laboratory

Stepwise self-assembly of a tripeptide from molecular dimers to supramolecular beta-sheets in crystals and amyloid-like fibrils in the solid state

The terminally protected tripeptide Boc-Ala(1)-Leu(2)-Ala(3)-OMe 1 forms antiparallel hydrogen-bonded dimers of two different conformers in the asymmetric unit and the individual dimers then self-associate to form supramolecular beta-sheet structures in crystals and amyloid-like fibrils in the solid state.

Supramolecular helix and beta-sheet through self-assembly of two isomeric tetrapeptides in crystals and formation of filaments and ribbons in the solid state

Single crystal X-ray diffraction studies show that the beta-turn structure of tetrapeptide I, Boc-Gly-Phe-Aib-Leu-OMe (Aib: alpha-amino isobutyric acid) self-assembles to a supramolecular helix through intermolecular hydrogen bonding along the crystallographic a axis. By contrast the beta-turn structure of an isomeric tetrapeptide II, Boc-Gly-Leu-Aib-Phe-OMe self-assembles to a supramolecular beta-sheet-like structure via a two-dimensional (a, b axis) intermolecular hydrogen bonding network and pi-pi interactions. FT-IR studies of the peptides revealed that both of them form intermolecularly hydrogen bonded supramolecular structures in the solid state. Field emission scanning electron micrographs (FE-SEM) of the dried fibrous materials of the peptides show different morphologies, non-twisted filaments in case of peptide I and non-twisted filaments and ribbon-like structures in case of peptide II.

Formation of a one-dimensional helical alignment of water molecules within a water-mediated supramolecular helix using molecular self-assembly of a water-soluble short pseudopeptide

The reported pseudopeptide 1 adopts a double turn molecular conformation consisting of an intramolecular 9-membered turn together with a water-mediated 11-atom turn and this pseudopeptide 1 self-assembles to form a water-mediated supramolecular helical structure with internal water molecules, which are aligned in a ID helical array. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Overlapping double turn conformations adopted by tetrapeptides containing non-coded alpha-Amino Isobutyric Acid (AIB) and formation of tape-like structures through supramolecular helix mediated self-assembly

Single crystal X-ray diffraction studies and solvent dependent H-1 NMR titrations reveal that a set of four tetrapeptides with general formula Boc-Xx(1)-Aib(2)-Yy(3)-Zz(4)-OMe, where Xx, Yy and Zz are coded L- amino acids, adopt equivalent conformations that can be described as overlapping double turn conformations stabilized by two 4 -> 1 intramolecular hydrogen bonds between Yy(3)-NH and Boc C=O and Zz(4)-NH and Xx(1)C=O. In the crystalline state, the double turn structures are packed in head-to-tail fashion through intermolecular hydrogen bonds to create supramolecular helical structures. Field emission scanning electron microscopic (FE-SEM) images of the tetrapeptides in the solid state reveal that they can form flat tape-like structures. The results establish that synthetic Aib containing supramolecular helices can form highly ordered self-aggregated amyloid plaque like human amylin.