Synthesis of hexa-peri-hexabenzocoronenes - from building blocks to functional materials

Discotic hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) derivatives have attracted intensive scientific interest due to their unique optoelectronic properties, which depends, to a large extend, upon the attached functional groups. The presented work covers the synthesis of novel HBC building blocks and new HBC derivatives as functional materials. The traditional preparation of HBC derivatives requires elaborate synthetic techniques and tremendous effort. Especially, more than 10 synthetic steps are usually necessary to approach HBCs with lower symmetries. In order to simplify the synthetic work and reduce the high costs, a novel synthetic strategy involving only four steps was developed based on 2,3,5,6-tetraphenyl-1,4-diiodobenzene intermediates and palladium catalyzed Suzuki cross coupling reactions. In order to introduce various functionalities and expand the diversity of multi-functionalizations, a novel C2v-symmetric dihalo HBC building block 2-47, which contains one iodine and one bromine in para positions, was prepared following the traditional intermolecular [4+2] Diels-Alder reaction route. The outstanding chemical selectivity between iodo and bromo groups in this compound consequently leads to lots of HBC derivatives bearing different functionalities. Directly attached heteroatoms will improve the material properties. According to the application of intramolecular Scholl reaction to a para-dimethoxy HPB, which leads to a meta-dimethoxy HBC, a phenomenon of phenyl group migration was discovered. Thereby, several interesting mechanistic details involving arenium cation intermediates were discussed. With a series of dipole functionalized HBCs, the molecular dynamics of this kind of materials was studied in different phases by DSC, 2D WAXD, solid state NMR and dielectric spectroscopies. High charge carrier mobility is an important parameter for a semiconductive material and depends on the degree of intramolecular order of the discotic molecules in thin films for HBC derivatives. Dipole – dipole interaction and hydrogen bonds were respectively introduced in order to achieve highly ordered supramolecular structure. The self-assembly behavior of these materials were investigated both in solution and solid state. Depending upon the different functionalities, these novel materials show either gelating or non-linear optical properties, which consequently broaden their applications as functional materials. In the field of conceivable electronic devices at a molecular level, HBCs hold high promise. Differently functionalized HBCs have been used as active component in the studies of single-molecular CFET and metal-SAMs-metal junctions. The outstanding properties shown in these materials promise their exciting potential applications in molecular devices.

Thiophene-containing organic semiconducting heteroacenes for electronic applications

Diese Studie verfolgt das Konzept der "Oligomer-Ansatz", die von Müllen angesprochen wurde et.al. vor etwa 10 Jahren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit war die Synthese, Charakterisierung und Anwendung von halbleitenden konjugierten heteroacenes für organische Elektronik.rnZur weiteren Entwicklung der Familie von schwefelhaltigen Pentacene, zwei Moleküle (Benzo [1,2 - b :4,5-b '] bis [b] benzodithiophene und dithieno-[2,3-d: 2', 3'-d ']-benzo-[1,2-b :4,5-b'] dithiophene)rnfacilely wurden synthetisiert und charakterisiert durch eine Kombination verschiedener Methoden. Die beiden neue Moleküle weisen hervorragende ökologische Stabilität und angewendet OFETs Geräte als p-Kanal-Material. Die Vorversuche gaben Ladungsträgerbeweglichkeiten von 0,1 cm2 V-1 s-1 undrn1,6 cm2 V-1 s-1 bzw. aus den beiden Molekülen.rnAusgelöst durch die Frage "je länger desto besser?", Eine Reihe von neuen heteroheptacenes wurden synthetisiert und intensiv im Hinblick auf ihre feste Struktur, Selbst-assenbly auf der studierte Oberfläche, opto-elektro-Eigenschaften und Eigenschaften des Orbits Grenze. Einer derrnheteroheptacene Moleküle wurden als die aktiven Kanäle in OFET Geräten angewendet. Jedoch in Trotz der mehr verlängert Konjugationslänge die Geräte auf der Basis zeigten heptacenes viel schlimmer Ladungsträgerbeweglichkeiten als die heteropentacenes. Viele Faktoren können Festlegung der endgültigen Leistung der Produkte und der chemischen Struktur ist nur einer von ihnen.rnIn dieser Hinsicht scheint es, dass es auch sinnvoll, den Einfluss der Heteroatome Studie und Alkylsubstitution auf der soliden und elektronischen Strukturen. Daher mehr heteroheptacenes wurden synthetisiert. Abwechslungsreiches in der Anzahl und Art der heteroatomare Brücke,rndiese Oligoazene ausgestellt dramatisch anders feste Struktur und opto-elektronischernEigenschaften. Darüber hinaus wurde eine kombinierte DFT Berechnung der Molekülorbitale dieser heptacenes darauf hingewiesen, dass die Einführung von Stickstoff Brücken wird die π-Orbitale zu destabilisieren, während stabilisieren den Schwefel Brücken sowohl HOMO und LUMO Energien. Dies ist wichtig, wenn man will hoch π verlängert Oligoazene synthetisieren und dabei eine angemessene Stabilität.

Methodenentwicklung zur Charakterisierung von metallischen Nanopartikeln und deren potentieller Einsatz bei der Analyse von Biomolekülen mittels ICP-MS Kopplungstechniken

Die qualitative und quantitative Analyse von Biomolekülen hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Durch das Aufkommen und die kontinuierliche Weiterentwicklung neuer Separations- und Detektionsmethoden und deren Verbindung miteinander zu leistungsfähigen Einheiten, erlangte man Schritt für Schritt neue Erkenntnisse bei ihrer Untersuchung. Die Elementmassenspektrometrie als nachweisstarke Detektionsmethode wird von vielen wissenschaftlichen Arbeitsgruppen bei der Trennung und Quantifizierung von Proteinen und Metalloproteinen mittels Detektion der in den Biomolekülen vorkommenden Metalle und Heteroatome angewendet. Heteroatome (z.B. Schwefel, Phosphor) haben im Plasma des ICP-MS (inductively coupled plasma - mass spectrometer) schlechte Ionisationseigenschaften und dementsprechend deutlich höhere Nachweisgrenzen als Metalle. Ein Ansatz, schlecht oder nicht detektierbare Verbindungen (also solche, die keine Metalle oder Heteroatome enthalten) mit dem ICP-MS sichtbar zu machen, ist die Markierung der selbigen mit Metallionen oder -cluster. rnIn dieser Arbeit ist es gelungen, der Analyse ganz unterschiedlicher Substanzklassen, zum einen metallische Nanopartikel und zum anderen Proteine, neue Impulse zu geben und zukünftiges Potential bei der Anwendung gekoppelter Techniken zur Separation und Detektion aufzuzeigen. Durch die Verwendung einer alten, aber neu konzipierten Trenntechnik, der Gelelektrophorese (GE), und deren Kopplung an einen modernen Detektor, dem ICP-MS, kann die für die Proteinanalytik weit verbreitete Gelelektrophorese ihr enormes Potential bei der Trennung verschiedenster Verbindungsklassen mit der exzellenten Nachweisstärke und Elementspezifität des ICP-MS verbinden und dadurch mit deutlich weniger Arbeitsaufwand als bisher qualitative und auch quantitative Ergebnisse produzieren. Bisher war dies nur mit großem präparativem Aufwand unter Verwendung der laser ablation möglich. Bei der Analyse von Nanopartikeln konnte aufgezeigt werden, dass durch die GE-ICP-MS-Kopplung aufgrund der guten Trenneigenschaften der GE vorhandene Spezies bzw. Fraktionen voneinander separiert werden und mit Hilfe des ICP-MS Informationen auf atomarem Niveau gewonnen werden können. Es war möglich, das atomare Verhältnis der Metallatome im Kern und der Schwefelatome in der Ligandenhülle eines Nanopartikels zu bestimmen und damit die Größe des Partikels abzuschätzen. Auch konnte die Anzahl der Goldatome in einem dem Schmid-Cluster ähnlichen Nanopartikel bestimmt werden, was vorher nur mit Hilfe von MALDI-TOF möglich war. Bei der Analyse von Biomolekülen konnte auf einfache Weise der Phosphorylierungsgrad verschiedener Proteine bestimmt werden. Auch bei kleinen Molekülen erzielt die Gelelektrophorese ausgezeichnete Trennergebnisse, wie z. B. bei der Analyse verschiedener Brom- und Iodspezies.rnDie stöchiometrische Kopplung eines Proteins an einen Nanopartikel, ohne eine der beiden Verbindungen in einem größeren Maße zu verändern, stellte jedoch eine Herausforderung dar, die im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig gelöst werden konnte. Verschiedene Ansätze zur Kopplung der beiden Substanzen wurden erprobt, jedoch führte keine zu dem gewünschten Ergebnis einer stöchiometrisch vollständigen und spezifischen Modifikation eines Proteins mit einem Nanopartikel. Durch das Potential der GE-ICP-MS-Kopplung bei der Analyse beider Substanz-klassen und dem Beweis der Praktikabilität und Zuverlässigkeit der Methode ist jedoch der Grundstein für weitere Forschungen auf diesem Gebiet gelegt worden. Ist eine geeignete chemische Kopplung der beiden Substanzklassen gefunden und beherrscht, steht auf analytischer Seite eine leistungsstarke Kombination aus Trennung und Detektion zur Verfügung, um die Quantifizierung von Proteinen entscheidend zu verbessern.rn

Dotierte Nanographenstreifen mit definierten Randstrukturen

Die in der vorliegenden Dissertation entwickelten organochemischen Protokolle und Konzepte erweitern die Bottom-Up-Synthese von atompräzisen Nanographenstreifen (GNR) um zwei fundamentale Bereiche. Zum einen die Dotierung der halbleitenden GNR mit Schwefel oder Stickstoffatomen und zum anderen ein Protokoll für eine lösungsbasierte Synthese von stickstoffdotierten Zickzack-Streifen.rnDie Dotierung von GNR beinhaltet die Synthese von monomeren Bausteinen bei denen, im Gegensatz zu ihren reinen Kohlenstoffhomologen, definierte Positionen am Rand mit zwei oder vier Stickstoff- beziehungsweise zwei Schwefelatomen ersetzt wurden. Die Synthese atompräziser GNR konnte mit verschiedenen experimentellen Methoden analysiert und anschaulich über STM visualisiert werden. Neben einer n-Dotierung gelang so auch erstmals eine Bottom-Up-Synthese von schwefeldotierten GNR. Eine mögliche Anwendung in der Nanoelektronik aufbauend auf dotierten GNR wurde bestätigt, indem durch Co-Polymerisation von stickstoffhaltigen mit reinen Kohlenstoffmonomeren Heteroschnittstellen zwischen dotierten und undotierten Bereichen hergestellt werden konnten. Solche Heteroschnittstellen sind fundamentale Grundlage von Dioden und damit Basis einer Vielzahl elektronischer Elemente wie Solarzellen oder Leuchtdioden.rnWährend für halbleitende GNR mit einer Armlehnen-Form ein breites Spektrum an organischen Syntheseprotokollen zur Verfügung stand, existierte zu Beginn dieser Arbeit keines für GNR mit Zickzack-Struktur. Innerhalb dieser Arbeit konnte eine Bottom-Up-Synthese zur Erschließung stickstoffdotierter GNR mit Zickzack-Randstruktur erarbeitet werden. Durch die Verwendung eines (2-Hydroxymethyl)phenylboronsäureesters werden Hydroxymethylsubsituenten entlang eines Polyphenylenrückgrats eingebaut, die nach Kondensation mit dem Stickstoffatom eine Zickzack-Kante ergeben. Innerhalb der synthetisierten Zielstrukturen kann das 9a-Azaphenalen als letztes, bislang nicht erschlossenes Isomer der Azaphenalene, als wiederkehrende Struktur, gefunden werden. Die Reaktivität der Zickzackkante konnte zudem zum Aufbau einer Vielzahl bislang unzugänglicher, polycyclischer Heteroaromaten über 1,3-dipolare Addition dieses polycyclischen Azomethin Ylides (PAMY) genutzt werden.rn

Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

On the electronic nature of low-barrier hydrogen bonds in enzymatic reactions

The electronic nature of low-barrier hydrogen bonds (LBHBs) in enzymatic reactions is discussed based on combined low temperature neutron and x-ray diffraction experiments and on high level ab initio calculations by using the model substrate benzoylacetone. This molecule has a LBHB, as the intramolecular hydrogen bond is described by a double-well potential with a small barrier for hydrogen transfer. From an “atoms in molecules” analysis of the electron density, it is found that the hydrogen atom is stabilized by covalent bonds to both oxygens. Large atomic partial charges on the hydrogen-bonded atoms are found experimentally and theoretically. Therefore, the hydrogen bond gains stabilization from both covalency and from the normal electrostatic interactions found for long, weak hydrogen bonds. Based on comparisons with other systems having short-strong hydrogen bonds or LBHBs, it is proposed that all short-strong and LBHB systems possess similar electronic features of the hydrogen-bonded region, namely polar covalent bonds between the hydrogen atom and both heteroatoms in question.

Analysis of three structurally related antiviral compounds in complex with human rhinovirus 16

Rhinoviruses are a frequent cause of the common cold. A series of antirhinoviral compounds have been developed that bind into a hydrophobic pocket in the viral capsid, stabilizing the capsid and interfering with cell attachment. The structures of a variety of such compounds, complexed with rhinovirus serotypes 14, 16, 1A, and 3, previously have been examined. Three chemically similar compounds, closely related to a drug that is undergoing phase III clinical trials, were chosen to determine the structural impact of the heteroatoms in one of the three rings. The compounds were found to have binding modes that depend on their electronic distribution. In the compound with the lowest efficacy, the terminal ring is displaced by 1 Å and rotated by 180° relative to the structure of the other two. The greater polarity of the terminal ring in one of the three compounds leads to a small displacement of its position relative to the other compounds in the hydrophobic end of the antiviral compound binding pocket to a site where it makes fewer interactions. Its lower efficacy is likely to be the result of the reduced number of interactions. A region of conserved residues has been identified near the entrance to the binding pocket where there is a corresponding conservation of the mode of binding of these compounds to different serotypes. Thus, variations in residues lining the more hydrophobic end of the pocket are primarily responsible for the differences in drug efficacies.

Réaction d’amination intramoléculaire de liens C-H à partir de N-mésyloxycarbamates catalysée par des complexes de rhodium et d’autres métaux de transition : s ynthèse verte d’oxazolidinones

La réaction d’amination de liens C-H, impliquant la transformation directe d’un lien C-H en lien C-N constitue une approche synthétique d’avenir pour la préparation de composés azotés. L’application de cette stratégie de manière intramoléculaire apparaît comme une approche puissante pour la synthèse de composés hétérocycliques. En particulier, les oxazolidinones, carbamates cycliques à cinq chaînons, constituant une nouvelle classe d’antibiotiques très prometteuse, pourraient être synthétisées par cette méthode. Il y a moins d’une dizaine d’années, notre groupe de recherche a travaillé sur le développement de méthodologies utilisant des espèces nitrènes métalliques pour l’amination intra et intermoléculaire. Les N-tosyloxycarbamates, en présence d’une base et d’un catalyseur dimère de rhodium (II) tétracarboxylate sont les précurseurs de ces espèces nitrènes métalliques, capables de faire l’insertion de liens C(sp3)-H. Dans ces travaux de thèse, nous avons travaillé sur le développement d’une méthode plus « verte » d’amination intramoléculaire. Les N-mésyloxycarbamates, plus légers que leurs homologues N-tosyloxycarbamates, ont été identifiés comme d’excellents précurseurs de nitrènes. La méthodologie développée ne nécessite que 3 mol % de dimère de rhodium Rh2(tpa)4 et de 1,5 équivalents de solution aqueuse saturée de K2CO3, le tout dans l’acétate d’éthyle et donne de bons rendements de cyclisation. Une étude de l’étendue réactionnelle a été effectuée, montrant la tolérance et les limitations de notre système catalytique : les hétéroatomes ne posent pas de problèmes hormis l’atome d’azote, qui doit être protégé afin de garantir la transformation. En outre, nous avons constaté que les liens C-H aliphatiques secondaires sont moins réactifs que les liens tertiaires. Après avoir tenté de développer des conditions réactionnelles spécifiques aux liens C-H non activés, nous avons montré la possibilité d’aminer des liens C-H propargyliques de manière chimiosélective ; la triple liaison C-C peut ensuite être dérivatisée efficacement, donnant accès à la formule saturée correspondante ainsi qu’à d’autres motifs. Dans un désir de substituer les complexes de rhodium par d’autres complexes de métaux plus abondants et moins dispendieux, nous nous sommes tournés, dans un premier temps, vers les complexes de fer et par la suite, vers les pinceurs de nickel. Les phtalocyanines de fer ont été identifiées comme étant de bons catalyseurs de l’amination intramoléculaire de N-mésyloxycarbamates. Le chlorure de phtalocyanine de fer (III), en présence d’un sel de AgBF4 et de K2CO3, dans le 1,1,2,2-tétrachloroéthane anhydre, permet l’obtention de la 4-phenyloxazolidin-2-one avec 63% de rendement. En outre, il est possible d’atteindre un rendement de 49% à partir du même substrat N-mésyloxycarbamate, par catalyse avec un pinceur de nickel de type POCN, en présence d’un sel de mésylate. Des indices sur le mécanisme des ces deux transformations ont pu être recueillis lors de la courte étude de ces systèmes.

Réaction d’amination intramoléculaire de liens C-H à partir de N-mésyloxycarbamates catalysée par des complexes de rhodium et d’autres métaux de transition : s ynthèse verte d’oxazolidinones

La réaction d’amination de liens C-H, impliquant la transformation directe d’un lien C-H en lien C-N constitue une approche synthétique d’avenir pour la préparation de composés azotés. L’application de cette stratégie de manière intramoléculaire apparaît comme une approche puissante pour la synthèse de composés hétérocycliques. En particulier, les oxazolidinones, carbamates cycliques à cinq chaînons, constituant une nouvelle classe d’antibiotiques très prometteuse, pourraient être synthétisées par cette méthode. Il y a moins d’une dizaine d’années, notre groupe de recherche a travaillé sur le développement de méthodologies utilisant des espèces nitrènes métalliques pour l’amination intra et intermoléculaire. Les N-tosyloxycarbamates, en présence d’une base et d’un catalyseur dimère de rhodium (II) tétracarboxylate sont les précurseurs de ces espèces nitrènes métalliques, capables de faire l’insertion de liens C(sp3)-H. Dans ces travaux de thèse, nous avons travaillé sur le développement d’une méthode plus « verte » d’amination intramoléculaire. Les N-mésyloxycarbamates, plus légers que leurs homologues N-tosyloxycarbamates, ont été identifiés comme d’excellents précurseurs de nitrènes. La méthodologie développée ne nécessite que 3 mol % de dimère de rhodium Rh2(tpa)4 et de 1,5 équivalents de solution aqueuse saturée de K2CO3, le tout dans l’acétate d’éthyle et donne de bons rendements de cyclisation. Une étude de l’étendue réactionnelle a été effectuée, montrant la tolérance et les limitations de notre système catalytique : les hétéroatomes ne posent pas de problèmes hormis l’atome d’azote, qui doit être protégé afin de garantir la transformation. En outre, nous avons constaté que les liens C-H aliphatiques secondaires sont moins réactifs que les liens tertiaires. Après avoir tenté de développer des conditions réactionnelles spécifiques aux liens C-H non activés, nous avons montré la possibilité d’aminer des liens C-H propargyliques de manière chimiosélective ; la triple liaison C-C peut ensuite être dérivatisée efficacement, donnant accès à la formule saturée correspondante ainsi qu’à d’autres motifs. Dans un désir de substituer les complexes de rhodium par d’autres complexes de métaux plus abondants et moins dispendieux, nous nous sommes tournés, dans un premier temps, vers les complexes de fer et par la suite, vers les pinceurs de nickel. Les phtalocyanines de fer ont été identifiées comme étant de bons catalyseurs de l’amination intramoléculaire de N-mésyloxycarbamates. Le chlorure de phtalocyanine de fer (III), en présence d’un sel de AgBF4 et de K2CO3, dans le 1,1,2,2-tétrachloroéthane anhydre, permet l’obtention de la 4-phenyloxazolidin-2-one avec 63% de rendement. En outre, il est possible d’atteindre un rendement de 49% à partir du même substrat N-mésyloxycarbamate, par catalyse avec un pinceur de nickel de type POCN, en présence d’un sel de mésylate. Des indices sur le mécanisme des ces deux transformations ont pu être recueillis lors de la courte étude de ces systèmes.

Trapping phosphorus (III) into polyoxometalates: synthesis, characterisation and electronic behaviour study

The introduction of electronically-active heteroanions into polyoxometalates (POMs) is one of the emerging topics in this field. The novel clusters have shown unprecedented intramolecular electron-transfer features that can be directly mediated by the incorporated heteroanions. In this thesis, we will focus on the study of phosphite (HPO32-) as new non-traditional heteroanions, discover HPO32- templated nanostructures, investigate their electronic behaviours as well as understand the self-assembly process of HPO32--templated species. The thesis starts with incorporating HPO32- into POM cages. The feasibility of this work was illustrated by the successful trapping of HPO32- into a “Trojan Horse” type {W18O56} nanocage. The reactivity of embedded {HPO3} was fully studied, showing the cluster undergoes a structural rearrangement in solution whereby the {HPO3} moieties dimerise to form a weakly interacting (O3PH···HPO3) moiety. In the crystalline state a temperature-dependent intramolecular redox reaction and structural rearrangement occurs. This rearrangement appears to proceed via an intermediate containing two different templates, a pyramidal {HPO3} and a tetrahedral {PO4} moiety. {HPO3} templated POM cages were then vigorously expanded and led to the isolation of five either fully oxidised or mixed-valence clusters trapped with mono-, di-, or tri- {HPO3}. Interestingly, an intriguing 3D honeycomb-like host-guest structure was also synthesised. The porous framework was self-aggregated by a tri-phopshite anion templated {W21} cluster with a {VO4} templated Wells-Dawson type {W18} acting as a guest species within the hexagonal channels. Based on this work, we further extended the templating anions to two different redox-active heteroanions, and discovered a unique mixed-heteroatom templated system built by pairing redox-active {HPIIIO3} with {TeO3}, {SeO3} or {AsO3}. Two molecular systems were developed, ie. “Trojan Horse” type [W18O56(HPO3)0.8(SeO3)1.2(H2O)2]8- and cross-shaped [H4P4X4W64O224]32-/36-, where X=TeIV, SeIV, AsIII. In the case of {W18(HPO3)0.8(SeO3)1.2}, the compound is found to be a mixture of heteroleptic {W18(HPO3)(SeO3)} and homoleptic {W18(SeO3)2} and {W18(HPO3)2}, identified by single crystal x-ray diffraction, NMR as well as high resolution mass spectrometry. The cluster exhibited similar temperature-dependent electronic features to “Trojan Horse” type {W18(HPO3)2O56}. However, due to the intrinsic reactivity difference between {HPO3} and {SeO3}, the thermal treatment leads to the formation of an unusual species [W18O55(PO4)(SeO3)]5-, in which {HPO3} was fully oxidised to {PO4} within the cage, whereas and lone-pair-containing {SeO3} heteroanions were kept intact inside the shell. This finding is extremely interesting, as it demonstrated that multiple and independent intramolecular electronic performance can be achieved by the coexistence of distinct heteroatoms within a single molecule. On the other hand, the cross-shaped [H4P4X4W64O224]32-/36- were constructed by four {W15(HPO3)(XO3)} building units linked by four {WO6} octahedra. Each building unit traps two different heteroatoms. It is interesting to note that the mixed heteroatom species show self-sorting, with a highly selective positional preference. Smaller ionic sized {HPO3} are self-organised into the uncapped side of {W15} cavity, whereas closed side are occupied by larger heteroatoms, which is surprisingly opposed to steric hindrance. Density functional theory (DFT) calculations are currently underway to have a full understanding of the preference of heteroatom substitutions. This series of clusters is of great interest in terms of achieving single molecule-based heteroatom-dependent multiple levels of electron transfer. It has opened a new way to design and synthesise POMs with higher diversity of electrical states, which may lead to a new type of Q-bits for quantum computing. The third chapter is focused on developing polyoxotungstate building blocks templated by {HPO3}. A series of building blocks, {W15O48(HPO3)2}, {W9O30(HPO3)} {W12O40(HPO3)2} and hexagonal {W6O18(HPO3)} have been obtained. The first four building blocks have been reported with {SeO3} and/or {TeO3} heteroanions. This result demonstrates {HPO3} has a similar reactivity as {SeO3} and {TeO3}, therefore studying the self-assembly of {HPO3}-based building blocks would be helpful to have a general understanding of pyramidal heteroatom-based molecular systems. The hexagonal {W6O18(HPO3)} is observed for the first time in polyoxotungstates, showing some of reactivity difference between {HPO3} and {SeO3} and {TeO3}. Furthermore, inorganic salts and pH values have some directing influence on the formation and transformation of various building blocks, resulting in the discovery of a family of {HPO3}-based clusters with nuclearity ranging from {W29} to {W106}. High resolution mass spectrometry was also carried out to investigate the cluster solution behaviour and also gain information of building block speciation. It is found that some clusters experienced decomposition, which gives rise to potential building blocks accountable for the self-assembly.

Exploring redox-driven self-assembly of mixed metal polyoxometalates

How can we control the experimental conditions towards the isolation of specific structures? Why do particular architectures form? These are some challenging questions that synthetic chemists try to answer, specifically within polyoxometalate (POM) chemistry, where there is still much unknown regarding the synthesis of novel molecular structures in a controlled and predictive manner. This work covers a wide range of POM chemistry, exploring the redox self-assembly of polyoxometalate clusters, using both “one-pot”, flow and hydrothermal conditions. For this purpose, different vanadium, molybdenum and tungsten reagents, heteroatoms, inorganic salts and reducing agents have been used. The template effect of lone-pair containing pyramidal heteroatoms has been investigated. Efforts to synthesize new POM clusters displaying pyramidal heteroanions (XO32-, where X= S, Se, Te, P) are reported. The reaction of molybdenum with vanadium in the presence of XO32- heteroatoms is explored, showing how via the cation and experimental control it is possible to direct the self-assembly process and to isolate isostructural compounds. A series of four isostructural (two new, namely {Mo11V7P} and {Mo11V7Te} and two already known, namely {Mo11V7Se} and {Mo11V7S} disordered egg-shaped Polyoxometalates have been reported. The compounds were characterized by X-ray structural analysis, TGA, UV-Vis, FT-IR, Elemental and Flame Atomic Absorption Spectroscopy (FAAS) analysis and Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES). Cyclic Voltammetry measurements have been carried out in all four compounds showing the effect of the ionic density of the heteroatom on the potential. High-Resolution ESI-MS studies have revealed that the structures retain their integrity in solution. Efforts to synthesize new mixed-metal compounds led to isolation, structural, and electronic characterization of the theoretically predicted, but experimentally elusive δ-isomer of the Keggin polyoxometalate cluster anion, {H2W4V9O33(C6H13NO3)}, by the reaction of tungstate(VI) and vanadium(V) with triethanolammonium ions (TEAH), acting as a tripodal ligand grafted to the surface of the cluster. Control experiments (in the absence of the organic compound) have proven that the tripodal ligand plays crucial role on the formation of the isomer. The six vanadium metal centres, which consist the upper part of the cluster, are bonded to the “capping” TEA tripodal ligand. This metal-ligand bonding directs and stabilises the formation of the final product. The δ-Keggin species was characterized by single-crystal X-ray diffraction, FT-IR, UV-vis, NMR and ESI-MS spectrometry. Electronic structure and structure-stability correlations were evaluated by means of DFT calculations. The compounds exhibited photochromic properties by undergoing single-crystal-to-single-crystal (SC-SC) transformations and changing colour under light. Non-conventional synthetic approaches are also used for the synthesis of the POM clusters comparing the classical “one-pot” reaction conditions and exploring the synthetic parameters of the synthesis of POM compounds. Reactions under hydrothermal and flow conditions, where single crystals that depend on the solubility of the minerals under hot water and high pressure can be synthesized, resulted in the isolation of two isostructural compounds, namely, {Mo12V3Te5}. The compound isolated from a continuous processing method, crystallizes in a hexagonal crystal system, forming a 2D porous plane net, while the compound isolated using hard experimental conditions (high temperature and pressure) crystallizes in monoclinic system, resulting in a different packing configuration. Utilizing these alternative synthetic approaches, the most kinetically and thermodynamically compounds would possibly be isolated. These compounds were characterised by single-crystal X-ray diffraction, FT-IR and UV-vis spectroscopy. Finally, the redox-controlled driven oscillatory template exchange between phosphate (P) and vanadate (V) anions enclosed in an {M18O54(XO4)2} cluster is further investigated using UV-vis spectroscopy as a function of reaction time, showed that more than six complete oscillations interconverting the capsule species present in solution from {P2M18} to {V2M18} were possible, provided that a sufficient concentration of the TEA reducing agent was present in solution. In an effort to investigate the periodicity of the exchange of the phosphate and vanadate anions, time dependent Uv-vis measurements were performed for a period at a range of 170-550 hours. Different experimental conditions were also applied in order to investigate the role of the reducing agent, as well as the effect of other experimental variables on the oscillatory system.