Solvent extraction and lanthanide complexation studies with new terdentate ligands containing two 1,3,5-triazine moieties

The extracting agent 2,6-bis(4,6-di-pivaloylamino-1,3,5-triazin-2-yl)-pyridine (L-5) in n-octanol was found, in synergy with 2-bromodecanoic acid, to give D-Am/D-Eu separation factors (SFs) between 2.4 and 3.7 when used to extract the metal ions from 0.02-0.12 M HNO3. Slightly higher SFs (4-6) were obtained in the absence of the synergist when the ligand was used to extract Am(III) and Eu(III) from 0.98 M HNO3. In order to investigate the possible nature of the extracted species crystal structures of L-5 and the complex formed between Yb(III) with 2,6-bis(4,6-di-amino-1,3,5-triazin-2-yl)-pyridine (L-4) were also determined. The structure of L-5 shows 3 methanol solvent molecules all of which form 2 or 3 hydrogen bonds with triazine nitrogen atoms, amide nitrogen or oxygen atoms, or pyridine nitrogen atoms. However, L-5 is relatively unstable in metal complexation reactions and loses amide groups to form the parent tetramine L-4. The crystal structure of Yb(L-4)(NO3)(3) shows ytterbium in a 9-coordinate environment being bonded to three donor atoms of the ligand and three bidentate nitrate ions. The solvent extraction properties of L-4 and L-5 are far inferior to those found for the 2,6-bis-(1,2,4-triazin-3-yl)-pyridines (L-1) which have SF values of ca. 140 and theoretical calculations have been made to compare the electronic properties of the ligands. The electronic charge distribution in L-4 and L-5 is similar to that found in other terdentate ligands such as terpyridine which have equally poor extraction properties and suggests that the unique properties of L-1 evolve from the presence of two adjacent nitrogen atoms in the triazine rings.

Tuning of redox potential and visible absorption band of ruthenium(II) complexes of (benzimidazolyl) derivatives: synthesis, characterization, spectroscopic and redox properties, X-ray structures and DFT calculations

Six ruthenium(II) complexes have been prepared using the tridentate ligands 2,6-bis(benzimidazolyl) pyridine and bis(2-benzimidazolyl methyl) amine and having 2,2'-bipyridine, 2,2':6',2 ''-terpyridine, PPh3, MeCN and chloride as coligands. The crystal structures of three of the complexes trans-[Ru(bbpH(2))(PPh3)(2)(CH3CN)I(ClO4)(2) center dot 2H(2)O (2), [Ru(bbpH(2))(bpy)Cl]ClO4 (3) and [Ru(bbpH(2))(terpy)](ClO4)(2) (4) are also reported. The complexes show visible region absorption at 402-517 nm, indicating that it is possible to tune the visible region absorption by varying the ancillary ligand. Luminescence behavior of the complexes has been studied both at RT and at liquid nitrogen temperature (LNT). Luminescence of the complexes is found to be insensitive to the presence of dioxygen. Two of the complexes [Ru(bbpH(2))(bpy)Cl]ClO4 (3) and [Ru(bbpH(2))(terpy]ClO4)(2) (4) show RT emission in the NIR region, having lifetime, quantum yield and radiative constant values suitable for their application as NIR emitter in the solid state devices. The DFT calculations on these two complexes indicate that the metal t(2g) electrons are appreciably delocalized over the ligand backbone. (C) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Redox chemistry and electronic properties of 2,3,5,6-tetrakis(2-pyridyl)pyrazine-bridged diruthenium complexes controlled by N,C,N '-biscyclometalated ligands

To investigate the consequences of cyclometalation for electronic communication in dinuclear ruthenium complexes, a series of 2,3,5,6-tetrakis(2-pyridyl)pyrazine (tppz) bridged diruthenium complexes was prepared and studied. These complexes have a central tppz ligand bridging via nitrogen-to-ruthenium coordination bonds, while each ruthenium atom also binds either a monoanionic, N,C,N'-terdentate 2,6-bis(2'-pyridyl)phenyl (R-N boolean AND C boolean AND N) ligand or a 2,2':6',2 ''-terpyridine (tpy) ligand. The N,C,N'-, that is, biscyclometalation, instead of the latter N,N', N ''-bonding motif significantly changes the electronic properties of the resulting complexes. Starting from well-known [{Ru(tpy)}(2)(mu-tppz)](4+) (tpy = 2,2':2 '',6-terpyridine) ([3](4+)) as a model compound, the complexes [{Ru(R-N boolean AND C boolean AND N)}(mu-tppz){Ru(tpy)}](3+) (R-N boolean AND C(H)boolean AND N = 4-R-1,3-dipyridylbenzene, R = H ([4a](3+)), CO2Me ([4b](3+))), and [{Ru(R-N boolean AND C boolean AND N)}(2)(mu-tppz)](2+), (R = H ([5a](2+)), CO2Me ([5b](2+))) were prepared with one or two N,C,N'-cyclometalated terminal ligands. The oxidation and reduction potentials of cyclometalated [4](3+) and [5](2+) are shifted negatively compared to non-cyclometalated [3](4+), the oxidation processes being affected more significantly. Compared to [3](4+), the electronic spectra of [5](2+) display large bathochromic shifts of the main MLCT transitions in the visible spectral region with low-energy absorptions tailing down to the NIR region. One-electron oxidation of [3](4+) and [5](2+) gives rise to low-energy absorption bands. The comproportionation constants and NIR band shape correspond to delocalized Robin-Day class III compounds. Complexes [4a](3+) (R = H) and [4b](3+) (R = CO2Me) also exhibit strong electronic communication, and notwithstanding the large redox-asymmetry the visible metal-to-ligand charge-transfer absorption is assigned to originate from both metal centers. The potential of the first, ruthenium-based, reversible oxidation process is strongly negatively shifted. On the contrary, the second oxidation is irreversible and cyclometalated ligand-based. Upon one-electron oxidation, a weak and low-energy absorption arises.

Consequences of N,C,N '- and C,N,N '-coordination modes on electronic and photophysical properties of cyclometalated aryl ruthenium(II) complexes

The effects of isoelectronic replacement of a neutral nitrogen donor atom by an anionic carbon atom in terpyridine ruthenium(II) complexes on the electronic and photophysical properties of the resulting N,C,N'- and C,N,N'-cyclometalated aryl ruthenium(II) complexes were investigated. To this end, a series of complexes was prepared either with ligands containing exclusively nitrogen donor atoms, that is, [Ru(R-1-tpy)(R-2-tpy)](2+) (R-1, R-2 = H, CO2Et), or bearing either one N,C,N'- or C,N,N'-cyclometalated ligand and one tpy ligand, that is, [Ru(R-1-(NCN)-C-Lambda-N-Lambda)(R-2-tpy)](+) and [Ru(R-1-(CNN)-N-Lambda-N-Lambda)(R-2-tpy)](+), respectively. Single-crystal X-ray structure determinations showed that cyclometalation does not significantly alter the overall geometry of the complexes but does change the bond lengths around the ruthenium(II) center, especially the nitrogen-to-ruthenium bond length trans to the carbanion. Substitution of either of the ligands with electron-withdrawing ester functionalities fine-tuned the electronic properties and resulted in the presence of an IR probe. Using trends obtained from redox potentials, emission energies, IR spectroelectrochemical responses, and the character of the lowest unoccupied molecular orbitals from DFT studies, it is shown that the first reduction process and luminescence are associated with the ester-substituted C,N,N'-cyclometalated ligand in [Ru(EtO2C-(CNN)-N-Lambda-N-Lambda)(tpy)](+). Cyclometalation in an N,C,N'-bonding motif changed the energetic order of the ruthenium d(zx), d(yz), and d(xy) orbitals. The red-shifted absorption in the N,C,N'-cyclometalated complexes is assigned to MLCT transitions to the tpy ligand. The red shift observed upon introduction of the ester moiety is associated with an increase in intensity of low-energy transitions, rather than a red shift of the main transition. Cyclometalation in the C,N,N'-binding motif also red-shifts the absorption, but the corresponding transition is associated with both ligand types. Luminescence of the cyclometalated complexes is relatively independent of the mode of cyclometalation, obeying the energy gap law within each individual series.

Diorganoruthenium complexes incorporating noninnocent [C6H2(CH2ER2)2-3,5]22-(E = N, P) Bis-Pincer bridging ligands: synthesis, spectroelectrochemistry, and DFT studies

The dinuclear complex [(tpy)Ru-II(PCP-PCP)Ru-II(tPY)]Cl-2 (bridging PCP-PCP = 3,3',5,5'-tetrakis(diphenylphosphinomethyl)biphenyl, [C6H2(CH2PPh2)(2)-3,5](2)(2-)) was prepared via a transcyclometalation reaction of the bis-pincer ligand [PC(H)P-PC(H)P] and the Ru(II) precursor [Ru(NCN)(tpy)]Cl (NCN = [C6H3(CH2NMe2)(2)-2,6](-)) followed by a reaction with 2,2':6',2 ''-terpyridine (tpy). Electrochemical and spectroscopic properties of [(tpy)Ru-II(PCP-PCP)Ru-II(tPY)]Cl-2 are compared with those of the closely related [(tpy)Ru-II(NCN-NCN)Ru-II(tpy)](PF6)(2) (NCN-NCN = [C6H2(CH2- NMe2)(2)-3,5](2)(2-)) obtained by two-electron reduction of [(tpy)Ru-III(NCN-NCN)Ru-III(tpy)](PF6)(4). The molecular structure of the latter complex has been determined by single-crystal X-ray structure determination. One-electron reduction of [(tpy)Ru-III(NCN-NCN)Ru-III(tpy)](PF6)(4) and one-electron oxidation of [(tpy)Ru-II(PCP-PCP)RUII(tpy)]Cl-2 yielded the mixed-valence species [(tpy)Ru-III(NCN-NCN)RUII(tpy)](3+) and [(tpy)Ru-III(PCP-PCP)RUII(tpy)](3+), respectively. The comproportionation equilibrium constants K-c (900 and 748 for [(tpy)Ru-III(NCN-NCN)Ru-III(tpy)](4+) and [(tpy)Ru-II(PCP-PCP)RUII(tpy)](2+), respectively) determined from cyclic voltammetric data reveal comparable stability of the [Ru-III-Ru-II] state of both complexes. Spectroelectrochemical measurements and near-infrared (NIR) spectroscopy were employed to further characterize the different redox states with special focus on the mixed-valence species and their NIR bands. Analysis of these bands in the framework of Hush theory indicates that the mixed-valence complexes [(tpy)Ru-III(PCP-PCP)RUII(tpy)](3+) and [(tpy)Ru-III(NCN-NCN)RUII(tpy)](3+) belong to strongly coupled borderline Class II/Class III and intrinsically coupled Class III systems, respectively. Preliminary DFT calculations suggest that extensive delocalization of the spin density over the metal centers and the bridging ligand exists. TD-DFT calculations then suggested a substantial MLCT character of the NIR electronic transitions. The results obtained in this study point to a decreased metal-metal electronic interaction accommodated by the double-cyclometalated bis-pincer bridge when strong sigma-donor NMe2 groups are replaced by weak sigma-donor, pi-acceptor PPh2 groups

Electrochemically activated coordenative assembly of a triruthenium cluster metallopolymer

A general strategy for electrochemically induced assembly of coordination metallopolymers is demonstrated using the tritopic bridging [Ru-3(mu(3)-O)(CH3COO)(6)(pytpy)(3)](+) cluster complex, where pytpy is the 4'-(4-pyridyl)-2,2':6',2 ''-terpyridine ligand, and iron(III) ions. The concept of such an electrochemically induced coordinative assembly was proven exploring the large difference in the [Fe(pytpy)2 complex formation constants depending on the iron ion oxidation state. Much more stable bridging complexes are formed in the presence of Fe(II) in contrast to Fe(III) ions. The build-up of electrochemically active films on FTO electrodes was confirmed by the growth of the corresponding voltammetric peaks concomitantly with the rise of typical triruthenium cluster and [Fe(pytpy)(2)](2+) complex absorption bands. The metallopolymer was constituted by agglomerates of more or less fused tape like structures, exhibiting large voids and pinholes, as revealed by SEM and AFM images. The adhesion/deposition on FTO was improved by functionalizing the surface with TES-tpy and HOOC-tpy, which increased the surface coverage up to 80%, as estimated by impedance spectroscopy. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Release of NO from a nitrosyl ruthenium complex through oxidation of mitochondrial NADH and effects on mitochondria

Nitrosyl ruthenium complexes are promising NO donor agents with numerous advantages for the biologic applications of NO. We have characterized the NO release from the nitrosyl ruthenium complex [Ru(NO2)(bpy)(2)(4-pic)](+) (I) and the reactive oxygen/nitrogen species (ROS/RNS)-mediated NO actions on isolated rat liver mitochondria. The results indicated that oxidation of mitochondrial NADH promotes NO release from (I) in a manner mediated by NO2 formation (at neutral pH) as in mammalian cells, followed by an oxygen atom transfer mechanism (OAT). The NO released from (I) uncoupled mitochondria at low concentrations/incubation times and inhibited the respiratory chain at high concentrations/incubation times. In the presence of ROS generated by mitochondria NO gave rise to peroxynitrite, which, in turn, inhibited the respiratory chain and oxidized membrane protein-thiols to elicit a Ca2+-independent mitochondrial permeability transition; this process was only partially inhibited by cyclosporine-A, almost fully inhibited by the thiol reagent N-ethylmaleimide (NEM) and fully inhibited by the NO scavenger 2-(4-carboxyphenyl)-4,45,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide (cPTIO). These actions correlated with the release of cytochrome c from isolated mitochondria as detected by Western blotting analysis. These events, typically involved in cell necrosis and/or apoptosis denote a potential specific action of (I) and analogs against tumor cells via mitochondria-mediated processes. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Ruthenium-based light harvesting complexes

Polypyridylkomplexe von Ruthenium(II) besitzen eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen und als Photokatalysatoren. [Ru(bpy)3]2+ ist einer der prominentesten Ruthenium(II)-Komplexe und besitzt langlebige angeregte 3MLCT-Zustände mit einer Lebensdauer von 1 µs und einer Lumineszenz-Quantenausbeute von 10%. [Ru(bpy)3]2+ ist chiral und kann Stereoisomere bilden, wenn die Liganden unsymmetrisch substituiert sind oder im Falle von oligonuklearen rac/meso-Komplexen. Bis-tridentate Komplexe wie [Ru(tpy)2]2+ sind achiral und umgehen damit unerwünschte Stereoisomere. [Ru(tpy)2]2+ besitzt jedoch enttäuschende photophysikalische Eigenschaften mit einer 3MLCT-Lebensdauer von nur etwa 0.2 ns und einer Quantenausbeute von ≤ 0.0007%. Die Anbringung von Substituenten an [Ru(tpy)2]2+ sowie die Aufweitung der Liganden-Bisswinkel auf 90° bewirken deutlich verbesserte Eigenschaften der emittierenden 3MLCT-Zustände. rnDieser Strategie folgend wurden in der vorliegenden Arbeit neue bis-tridentate Ruthenium(II)-Komplexe entwickelt, synthetisiert und charakterisiert. Durch Anbringen von Ester-Substituenten und Verwenden von Liganden mit erweiterten Bisswinkeln konnten 3MLCT-Lebensdauern von bis zu 841 ns und Quantenausbeuten von bis zu 1.1% erreicht werden. Die neuen bis-tridentaten Komplexe weisen eine deutlich erhöhte Photostabilität im Vergleich zu tris-bidentatem [Ru(bpy)3]2+ auf. rnDie Komplexe wurden als Emitter in Licht-emittierenden elektrochemischen Zellen eingebaut und zeigen Elektrolumineszenz mit einer tiefroten Farbe, die bis ins NIR reicht. Ebenso wurden die Komplexe als Lichtsammler in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen getestet und erreichen Licht-zu-Energie-Effizienzen von bis zu 0.26%. rnDinukleare, stereochemisch einheitliche Ruthenium(II)-Komplexe wurden oxidiert um die Metall-Metall-Wechselwirkung zwischen Ru(II) und Ru(III) in der einfach oxidierten Spezies zu untersuchen. Die unterschiedlichen Redoxeigenschaften der beiden Rutheniumzentren in den verwendeten dinuklearen Verbindungen führt zu einer valenzlokalisierten Situation in der keine Metall-Metall-Wechselwirkung beobachtet wird. Ebenso wurde die Oxidation eines einkernigen Ruthenium(II)-Komplexes sowie dessen spontane Rückreduktion untersucht.rnEnergietransfersysteme wurden mittels Festphasensynthese hergestellt. Dabei ist ein Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplex als Energie-Akzeptor über eine unterschiedliche Anzahl an Glycineinheiten mit einem Cumarin-Chromophor als Energie-Donor verknüpft. Bei einer kleinen Zahl an Glycineinheiten (0, 1) findet effektiver Energietransfer vom Cumarin- zum Ruthenium-Chromophor statt, wogegen bei zwei Glycineinheiten ein effektiver Energietransfer verhindert ist.rnLicht-induzierte Ladungstrennung wurde erreicht, indem Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplexe als Chromophore in einem Donor-Chromophor-Akzeptor-Nanokomposit eingesetzt wurden. Dabei wurde ein Triphenylamin-enthaltendes Blockcopolymer als Elektronendonor und ZnO-Nanostäbchen als Elektronenakzeptor verwendet. Bei Bestrahlung des Chromophors werden Elektronen in die ZnO-Nanostäbchen injiziert und die Elektronenlöcher wandern in das Triphenylamin-enthaltende Blockcopolymer. rnrn

Modellkomplexe oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden und Spin-Crossover-Verbindungen als Chemosensoren

Der erste Teil der hier vorgestellten Arbeit verfolgt die Synthese potentieller Modellverbindungen oligonuklearer Metalloproteine auf Basis von Salen-Liganden. Dazu wurden zwei Ligandensysteme mit unterschiedlich raumerfüllenden Alkyl-Substituenten modifiziert und auf ihre koordinativen Eigenschaften hin untersucht. Für das Ligandensystem auf Basis des Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ols konnten fünf Derivate (H3L1, H3L2A,H3L2B, H3L3, H3L4), für das zweite verwendete Ligandensystem auf Basis des 1H-3,5-Bis-(salicylidenaminomethyl)-pyrazols konnten zwei weitere Derivate (H3L5A, H3L5B) dargestellt und zu Koordinationsverbindungen umgesetzt werden.rnFür den hier verwendeten Bis-(salicylidenamino)-propan-2-ol Liganden H3L1, welcher die geringsten sterischen Anforderungen stellt, konnten mono-, tri- und tetranukleare Koordinationsverbindungen synthetisiert werden. Dabei gelingt es dem Liganden, sich sowohl in planarer als auch in unterschiedlich stark gewinkelter Konformation um ein oder mehrere Metallzentren anzuordnen, wobei der Ligand ein N2O2- seines N2O3-Donorsets zur Koordination nutzt. Die Verbindung {[Ni7(HL1)2(L1)2(OBz)4(OMe)(H2O)]}n zeigt, dass eine Verkettung der so gestalteten dreikernigen Einheiten über das freie Propanol-Sauerstoffatomdes Ligandenrückgrats möglich ist. Mit zunehmendem sterischen Anspruch der angefügten Alkylsubstituenten nimmt die geometrische Flexibilität und somit das Potential des Liganden zur Ausbildung höhernuklearer Strukturen ab. So ist für Liganden mit mittlerem sterischen Anspruch neben mononuklearen Komplexen noch die Gestaltung dinuklearer Systeme möglich. Erhöht man den sterischen Anspruch des Liganden weiter, findet nur noch eine Reaktion zu mononuklearen Verbindungen statt.rnMit den Pyrazol-basierten Ligandensystemen H3L5A und H3L5B konnten dinukleare Kupfer- und Nickelverbindungen synthetisiert werden.rnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Gestaltung von Spin-Crossover Systemen (SCO). Dazu soll ein Spinübergang innerhalb des gestalteten schaltbaren Systems an die Anwesenheit eines Signalstoffs gekoppelt werden, so dass diese SCO-Verbindung als Sensor für den Signalstoff eingesetzt werden kann. Dazu wurden zwei unterschiedliche Ansätze entwickelt und untersucht.rnDie erste Methode beruht auf der Kombination eines zum Spin-Crossover befähigten Metallzentrums, eines Capping-Liganden, eines zur Signalstofferkennung funktionalisierten Co-Liganden sowie eines entsprechenden Signalstoffs. Als Capping-Liganden wurden tetra- und pentadentateLigandensysteme eingesetzt und mit unterschiedlich Picolyl-substituierten Monoaza-[12]-krone-4-Derivaten umgesetzt, wobei die Monoazakrone zur Komplexierung des Signalstoffs,hier in Form eines Alkalimetallions, zur Verfügung steht. Nach dieser ersten Methode konnten im Zeitraum dieser Arbeit noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt werden.rnEine vielversprechende zweite Möglichkeit beruht auf der Verwendung eines mehrzähnigen, etablierten Spin-Crossover Liganden,welcher in seiner Peripherie mit einer Bindungstasche zur Aufnahme des Signalstoffmodifiziert wird.Mit Hilfe des so gestalteten Liganden 4'-(4'''-Benzo-[15]-krone-5)-methyloxy-2,2':6',2''-terpyridin ([b15c5]-tpy) gelang die Umsetzung zu entsprechenden Eisen(II)- und Kobalt(II)komplexen der Zusammensetzung [M([b15c5]-tpy)2]2+. Alle synthetisierten Eisen(II)-Komplexe liegen aufgrund der hohen Ligandenfeldstärke des Terpyridins über einen Temperaturbereich von 300 – 400 K in ihrer diamagnetischen Low Spin Form vor. Die entsprechenden Kobalt(II)-Komplexe zeigen über einen Temperaturbereich von 2 – 350 K ein kontinuierliches, aber unvollständiges Spin-Crossover Verhalten.rnDer Einfluss von Signalstoffen auf das Spin-Crossover Verhalten der Kobalt(II)-Systeme wurde in einem ersten Versuch unter der Verwendung von Natriumionen als Signalstoff untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Natriumionen für dieses System zwar nicht als Auslöser eines SCO verwendet werden können, sie aber dennoch eine starke Auswirkung auf den Verlauf des Spin-Crossovers haben.

Double-level “orthogonal” dynamic combinatorial libraries on transition metal template

Dynamic combinatorial libraries are mixtures of compounds that exist in a dynamic equilibrium and can be driven to compositional self adaptation via selective binding of a specific assembly of certain components to a molecular target. We present here an extension of this initial concept to dynamic libraries that consists of two levels, the first formed by the coordination of terpyridine-based ligands to the transition metal template, and the second, by the imine formation with the aldehyde substituents on the terpyridine moieties. Dialdehyde 7 has been synthesized, converted into a variety of ligands, oxime ethers L11–L33 and acyl hydrazones L44–L77, and subsequently into corresponding cobalt complexes. A typical complex, Co(L22)22+ is shown to engage in rapid exchange with a competing ligand L11 and with another complex, Co(L22)22+ in 30% acetonitrile/water at pH 7.0 and 25°C. The exchange in the corresponding Co(III) complexes is shown to be much slower. Imine exchange in the acyl hydrazone complexes (L44–L77) is strongly controlled by pH and temperature. The two types of exchange, ligand and imine, can thus be used as independent equilibrium processes controlled by different types of external intervention, i.e., via oxidation/reduction of the metal template and/or change in the pH/temperature of the medium. The resulting double-level dynamic libraries are therefore named orthogonal, in similarity with the orthogonal protecting groups in organic synthesis. Sample libraries of this type have been synthesized and showed the complete expected set of components in electrospray ionization MS.

Self-assembly of a heteroduplex helicate from two different ligand strands and Cu(II) cations.

Cu(II) ions have been reacted with a 1/1 mixture of two linear ligands, one containing three 2,2'- bipyridine groups and the other three 2,2':6',2"-terpyridine groups. Absorption spectroscopy and fast atom bombardment mass spectrometry indicate the formation of a trinuclear complex containing one ligand of each kind. Determination of the crystal structure of this compound has confirmed that it is indeed a linear trinuclear complex in which two different ligands are wrapped in a helical fashion around the pentacoordinated metal ions. The central coordination geometry is trigonal bipyramidal; the two lateral Cu(II) ions are in a square pyramidal environment. Thus, a heteroduplex helicate is formed by the self-assembly of two different ligand strands and three specific metal ions induced by the coordination number and geometry of the latter. The self-assembly process may be considered to result from the reading of the steric and binding information present in the two ligands by Cu(II) ions through a pentacoordination algorithm. The same ligands have been shown earlier to yield homoduplex helicates from ions of tetrahedral and octahedral coordination geometry and strands of bidentate bipyridines and tridentate terpyridines, respectively. These two types of artificial double helical species may be related on one hand to the natural homoduplex nucleic acids and on the other hand to the DNA:RNA heteroduplex.

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

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.