Contrôle de l'organisation moléculaire en 2D et 3D par l’utilisation de liaisons hydrogène, de coordination métallique et d'autres interactions

La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie.

Extraction and coordination studies of the unexplored bifunctional ligand carbamoyl methyl sulfoxide (CMSO) with uranium(VI) and cerium(III) nitrates. Synthesis and structures of [UO2(NO3)(2)((PhSOCH2CONBu2)-Bu-i)] and [Ce(NO3)(3)(PhSOCH2CONBu2)(2)]

The bifunctional carbamoyl methyl sulfoxide ligands, PhCH2SOCH2CONHPh (L-1), PhCH2SOCH2CONHCH2Ph (L-2), (PhSOCH2CONPr2)-Pr-i (L-3), PhSOCH2CONBu2 (L-4), (PhSOCH2CONBu2)-Bu-i (L-5) and PhSOCH2CON(C8H17)(2) (L-6) have been synthesized and characterized by spectroscopic methods. The selected coordination chemistry of L-1, L-3, L-4 and L-5 with [UO2(NO3)(2)] and [Ce(NO3)(3)] has been evaluated. The structures of the compounds [UO2(NO3)(2)((PhSOCH2CONBu2)-Bu-i)] (10) and [Ce(NO3)(3)(PhSOCH2CONBu2)(2)] (12) have been determined by single crystal X-ray diffraction methods. Preliminary extraction studies of ligand L-6 with U(VI), Pu(IV) and Am(III) in tracer level showed an appreciable extraction for U(VI) and Pu(IV) in up to 10 M HNO3 but not for Am(III). Thermal studies on compounds 8 and 10 in air revealed that the ligands can be destroyed completely on incineration. The electron spray mass spectra of compounds 8 and 10 in acetone show that extensive ligand distribution reactions occur in solution to give a mixture of products with ligand to metal ratios of 1 : 1 and 2 : 1. However, 10 retains its solid state structure in CH2Cl2.

Coordination and separation studies of the uranyl ion with iso-butyramide based ligands: Synthesis and structures of [UO2(NO3)(2)((C3H7CON)-C-i{(C4H9)-C-i}(2))(2)] and [UO2(C6H5COCHCOC6H5)(2)((C3H7CON)-C-i{(C3H7)-C-i}(2))]

The coordination chemistry of iso-butyramide based ligands such as: (C3H7CON)-C-i((C3H7)-C-i)(2), (C3H7CON)-C-i(C4H9)(2) and (C3H7CON)-C-i((C4H9)-C-i)(2) with [UO2(NO3)(2) center dot 6H(2)O], [UO2(OO)(2) center dot 2H(2)O] {where OO = C4H3SCOCHCCCF3 (TTA), C6H5COCHCOCF3 (BTA) and C6H5COCHCOC6H5 (DBM)), [Th(NO3)(4) center dot 6H(2)O] and [La(NO3)(3) center dot 6H(2)O] has been evaluated. Structures for the compounds [UO2(NO3)(2)CC3H7CON{(C4H9)-C-i}(2))(2)] and [UO2(C6H5COCHCOC6H5)(2)((C3H7CON)-C-i{(C3H7)-C-i)(2))] have been determined by single crystal X-ray diffraction methods. Preliminary separation studies from nitric acid medium using the amide (C3H7CON)-C-i((C4H9)-C-i)(2) with U(VI), Th(IV) and La(Ill) ions showed the selective precipitation of uranyl ion from the mixture. Thermal study of the compound [UO2(NO3)(2)((C3H7CON)-C-i((C4H9)-C-i)(2))(2)] in air revealed that the ligands can be destroyed completely on incineration. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Coordination and extraction studies of an unexplored bi-functional ligand, carbamoyl methyl pyrazole (CMPz) with uranium(VI), lanthanum(III) and cerium(III) nitrates

The bi-functional carbamoyl methyl pyrazole ligands, C5H7N2CH2CONBu2 (L-1), (C5H7N2CH2CONBu2)-Bu-i (L-2), C3H3N2CH2CONBu2 (L-3), (C3H3N2CH2CONBu2)-Bu-i (L-4) and C5H7N2CH2CON(C8H17)(2) (L-5) were synthesized and characterized by spectroscopic and elemental analysis methods. The selected coordination chemistry of L-1 to L-4 with [UO2(NO3)(2)center dot 6H(2)O], [La(NO3)(3)center dot 6H(2)O] and [Ce(NO3)(3)center dot 6H(2)O] has been evaluated. Structures for the compounds [UO2(NO3)(2) C5H7N2CH2CONBu2] (6) [UO2(NO3)(2) (C5H7N2CHCONBu2)-Bu-i] (7) and [Ce(NO3)(3){C(3)H(3)N(2)CH(2)CON(i)Bu2}(2)] (11) have been determined by single crystal X-ray diffraction methods. Preliminary extraction studies of the ligand L-5 with U(VI) and Pu(IV) in tracer level showed an appreciable extraction for U(VI) and Pu(TV) up to 10 M HNO3 but not for Am(III). Thermal studies of the compounds 6 and 7 in air revealed that the ligands can be destroyed completely on incineration. (c) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Coordination behavior of symmetrical hexadentate O2N2S2-donor Schiff bases toward zinc (II): synthesis, characterization, and crystal structure

Two series of zinc(II) complexes of two Schiff bases (H2L1 and H2L2) formulated as [Zn(HL1/HL2)]ClO4 (1a and 1b) and [Zn(L1/L2)] (2a and 2b), where H2L1 = 1,8-bis(salicylideneamino)-3,6-dithiaoctane and H2L2 = 1,9-bis(salicylideneamino)-3,7-dithianonane, have been prepared and isolated in pure form by changing the chemical environment. Elemental, spectral, and other physicochemical results characterize the complexes. A single crystal X-ray diffraction study confirms the structure of [Zn(HL1)]ClO4 (1a). In 1a, zinc(II) has a distorted octahedral environment with a ZnO2N2S2 chromophore.

Terminology of metal–organic frameworks and coordination polymers (IUPAC Recommendations 2013)

A set of terms, definitions, and recommendations is provided for use in the classification of coordination polymers, networks, and metal–organic frameworks (MOFs). A hierarchical terminology is recommended in which the most general term is coordination polymer. Coordination networks are a subset of coordination polymers and MOFs a further subset of coordination networks. One of the criteria an MOF needs to fulfill is that it contains potential voids, but no physical measurements of porosity or other properties are demanded per se. The use of topology and topology descriptors to enhance the description of crystal structures of MOFs and 3D-coordination polymers is furthermore strongly recommended.

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.

Lead: Inorganic Chemistry

The article covers basic inorganic chemistry of lead. As an introduction, the properties and historical uses of metallic lead are discussed, followed by aspects of lead toxicity, including the toxicity origins and effects of lead poisoning. Properties of lead as a heavy p-block element are discussed, with emphasis on the modern view of the so-called “inert pair effect”, including its origin, the influence on stability of lead oxidation states, and on the coordination chemistry of lead(II), viz., “sterically active lone pair”. This is followed by an overview of lead inorganic compounds, including halides, pseudohalides, oxides and chalcogenides, hydroxides and their chalcogenide analogs, alkoxides, oxoacids, O-donors, S- and Se-donors, Group 15 donors, compounds with lead-transition metal bonds, and finally metallic clusters (Zintl phases). This is by no means a comprehensive review, rather compounds representative for each class were presented. In most sections, structural aspects of each class of compounds are discussed, followed by applications, with the focus on modern uses in material science.

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.

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.

Exploring coordination-driven self-assembly with autonomous chemical robots

The work presented herein focused on the automation of coordination-driven self assembly, exploring methods that allow syntheses to be followed more closely while forming new ligands, as part of the fundamental study of the digitization of chemical synthesis and discovery. Whilst the control and understanding of the principle of pre-organization and self-sorting under non-equilibrium conditions remains a key goal, a clear gap has been identified in the absence of approaches that can permit fast screening and real-time observation of the reaction process under different conditions. A firm emphasis was thus placed on the realization of an autonomous chemical robot, which can not only monitor and manipulate coordination chemistry in real-time, but can also allow the exploration of a large chemical parameter space defined by the ligand building blocks and the metal to coordinate. The self-assembly of imine ligands with copper and nickel cations has been studied in a multi-step approach using a self-built flow system capable of automatically controlling the liquid-handling and collecting data in real-time using a benchtop MS and NMR spectrometer. This study led to the identification of a transient Cu(I) species in situ which allows for the formation of dimeric and trimeric carbonato bridged Cu(II) assemblies. Furthermore, new Ni(II) complexes and more remarkably also a new binuclear Cu(I) complex, which usually requires long and laborious inert conditions, could be isolated. The study was then expanded to the autonomous optimization of the ligand synthesis by enabling feedback control on the chemical system via benchtop NMR. The synthesis of new polydentate ligands has emerged as a result of the study aiming to enhance the complexity of the chemical system to accelerate the discovery of new complexes. This type of ligand consists of 1-pyridinyl-4-imino-1,2,3-triazole units, which can coordinate with different metal salts. The studies to test for the CuAAC synthesis via microwave lead to the discovery of four new Cu complexes, one of them being a coordination polymer obtained from a solvent dependent crystallization technique. With the goal of easier integration into an automated system, copper tubing has been exploited as the chemical reactor for the synthesis of this ligand, as it efficiently enhances the rate of the triazole formation and consequently promotes the formation of the full ligand in high yields within two hours. Lastly, the digitization of coordination-driven self-assembly has been realized for the first time using an in-house autonomous chemical robot, herein named the ‘Finder’. The chemical parameter space to explore was defined by the selection of six variables, which consist of the ligand precursors necessary to form complex ligands (aldehydes, alkineamines and azides), of the metal salt solutions and of other reaction parameters – duration, temperature and reagent volumes. The platform was assembled using rounded bottom flasks, flow syringe pumps, copper tubing, as an active reactor, and in-line analytics – a pH meter probe, a UV-vis flow cell and a benchtop MS. The control over the system was then obtained with an algorithm capable of autonomously focusing the experiments on the most reactive region (by avoiding areas of low interest) of the chemical parameter space to explore. This study led to interesting observations, such as metal exchange phenomena, and also to the autonomous discovery of self assembled structures in solution and solid state – such as 1-pyridinyl-4-imino-1,2,3-triazole based Fe complexes and two helicates based on the same ligand coordination motif.

Exploiting the 1,2,3-triazolium motif in anion-templated formation of a bromide-selective rotaxane host assembly

Stimulated by the efficacy of copper (I) catalysed Huisgen-type 1,3-dipolar cycloaddition of terminal alkynes and organic azides to generate 1,4-disubstituted 1,2,3-triazole derivatives, the importance of ‘click’ chemistry in the synthesis of organic and biological molecular systems is ever increasing.[1] The mild reaction conditions have also led to this reaction gaining favour in the construction of interlocked molecular architectures.[2-4] In the majority of cases however, the triazole group simply serves as a covalent linkage with no function in the resulting organic molecular framework. More recently a renewed interest has been shown in the transition metal coordination chemistry of triazole ligands.[3, 5, 6] In addition novel aryl macrocyclic and acyclic triazole based oligomers have been shown to recognise halide anions via cooperative triazole C5-H….anion hydrogen bonds.[7] In light of this it is surprising the potential anion binding affinity of the positively charged triazolium motif has not, with one notable exception,[8] been investigated. With the objective of manipulating the unique topological cavities of mechanically bonded molecules for anion recognition purposes, we have developed general methods of using anions to template the formation of interpenetrated and interlocked structures.[9-13] Herein we report the first examples of exploiting the 1,2,3-triazolium group in the anion templated formation of pseudorotaxane and rotaxane assemblies. In an unprecedented discovery the bromide anion is shown to be a superior templating reagent to chloride in the synthesis of a novel triazolium axle containing [2]rotaxane. Furthermore the resulting rotaxane interlocked host system exhibits the rare selectivity preference for bromide over chloride...