Luminescent Ionic Transition-Metal Complexes for Light-Emitting Electrochemical Cells

The European Union set the ambitious target of reducing energy consumption by 20% within 2020. This goal demands a tremendous change in how we generate and consume energy and urgently calls for an aggressive policy on energy efficiency. Since 19% of the European electrical energy is used for lighting, considerable savings can be achieved with the development of novel and more efficient lighting systems. In this thesis, accomplished in the frame of the EU project CELLO, I report some selected goals we achieved attempting to develop highly efficient, flat, low cost and flexible light sources using Light-Emitting Electrochemical Cells (LECs), based on ionic cyclometalated iridium(III) complexes. After an extensive introduction about LECs and solid-state lighting in general, I focus on the research we carried out on cyclometalated iridium(III) complexes displaying deep-blue emission, which has turned out to be a rather challenging task. In order to demonstrate the wide versatility of this class of compounds, I also report a case in which some tailored iridium(III) complexes act as near-infrared (NIR) sources. In fact, standard NIR emitting devices are typically expensive and, also in this case, LECs could serve as low-cost alternatives in fields were NIR luminescence is crucial, such as telecommunications and bioimaging. Since LECs are based on only one active material, in the last chapter I stress the importance of an integrated approach toward the right selection of suitable emitters not only from the photophysical, but also from the point of view of material science. An iridium(III) complex, once in the device, is interacting with ionic liquids, metal cathodes, electric fields, etc. All these interactions should be taken in to account if Europe really wants to implement more efficient lighting paradigms, generating light beyond research labs.

Structural Studies of Transition Metal Complexes with 4,5-Bis(2-pyridylmethylsulfanyl)-4‘,5‘-ethylenedithiotetrathiafulvalene: Probing Their Potential for the Construction of Multifunctional Molecular Assemblies

Three divalent transition metal complexes of 4,5-bis(2-pyridylmethylsulfanyl)-4‘,5‘-ethylenedithiotetrathiafulvalene have been prepared and crystallographically characterized. The isostructural Co(II) and the Ni(II) complexes show octahedral geometries around the metal ions with the coordination sites occupied by the pyridyl nitrogen atoms and the thioether sulfur atoms of the ligand and cis coordination of the halide ions. Cyclic voltammetry reveals that the complexation leads to a small anodic shift in the first oxidation potential of the TTF system.

Transition metal complexes as mediator-titrants in protein redox potentiometry

A selection of nine macrocyclic Fe-III/II and Co-III/II transition metal complexes has been chosen to serve as a universal set of mediator-titrants in redox potentiometry of protein samples. The potential range spanned by these mediators is approximately from +300 to -700 mV vs the normal hydrogen electrode, which covers the range of most protein redox potentials accessible in aqueous solution. The complexes employed exhibit stability in both their oxidized and their reduced forms as well as pH-independent redox potentials within the range 6 < pH < 9. The mediators were also chosen on the basis of their very weak visible absorption maxima in both oxidation states, which will enable (for the first time) optical redox potentiometric titrations of proteins with relatively low extinction coefficients. This has previously been impractical with organic mediators, such as indoles, viologens and quinones, whose optical spectra interfere strongly with those of the protein.

Studies on the thermal decomposition behaviour, kinetics and electrical conductivity of the non-isothermal decomposition of pyridine mono carboxylic acids and some of their transition metal complexes

The thesis is divided into four chapters. They are: introduction, experimental, results and discussion about the free ligands and results and discussion about the complexes. The First Chapter, the introductory chapter, is a general introduction to the study of solid state reactions. The Second Chapter is devoted to the materials and experimental methods that have been used for carrying out tile experiments. TIle Third Chapter is concerned with the characterisations of free ligands (Picolinic acid, nicotinic acid, and isonicotinic acid) by using elemental analysis, IR spectra, X-ray diffraction, and mass spectra. Additionally, the thermal behaviour of free ligands in air has been studied by means of thermogravimetry (TG), derivative thermogravimetry (DTG), and differential scanning calorimetry (DSC) measurements. The behaviour of thermal decomposition of the three free ligands was not identical Finally, a computer program has been used for kinetic evaluation of non-isothermal differential scanning calorimetry data according to a composite and single heating rate methods in comparison with the methods due to Ozawa and Kissinger methods. The most probable reaction mechanism for the free ligands was the Avrami-Erofeev equation (A) that described the solid-state nucleation-growth mechanism. The activation parameters of the decomposition reaction for free ligands were calculated and the results of different methods of data analysis were compared and discussed. The Fourth Chapter, the final chapter, deals with the preparation of cobalt, nickel, and copper with mono-pyridine carboxylic acids in aqueous solution. The prepared complexes have been characterised by analyses, IR spectra, X-ray diffraction, magnetic moments, and electronic spectra. The stoichiometry of these compounds was ML2x(H20), (where M = metal ion, L = organic ligand and x = water molecule). The environments of cobalt, nickel, and copper nicotinates and the environments of cobalt and nickel picolinates were octahedral, whereas the environment of copper picolinate [Cu(PA)2] was tetragonal. However, the environments of cobalt, nickel, and copper isonicotinates were polymeric octahedral structures. The morphological changes that occurred throughout the decomposition were followed by SEM observation. TG, DTG, and DSC measurements have studied the thermal behaviour of the prepared complexes in air. During the degradation processes of the hydrated complexes, the crystallisation water molecules were lost in one or two steps. This was also followed by loss of organic ligands and the metal oxides remained. Comparison between the DTG temperatures of the first and second steps of the dehydration suggested that the water of crystallisation was more strongly bonded with anion in Ni(II) complexes than in the complexes of Co(II) and Cu(II). The intermediate products of decomposition were not identified. The most probable reaction mechanism for the prepared complexes was also Avrami-Erofeev equation (A) characteristic of solid-state nucleation-growth mechanism. The tempemture dependence of conductivity using direct current was determined for cobalt, nickel, Cl.nd copper isonicotinates. An activation energy (ΔΕ), the activation energy (ΔΕ ) were calculated.The ternperature and frequency dependence of conductivity, the frequency dependence of dielectric constant, and the dielectric loss for nickel isonicotinate were determined by using altemating current. The value of s paralneter and the value of'density of state [N(Ef)] were calculated. Keyword Thermal decomposition, kinetic, electrical conduclion, pyridine rnono~ carboxylic acid, cOlnplex, transition metal compJex.

Transition metal complexes of some N4-phenylsemicarbazones: crystal structures and spectral studies

The work embodied in this thesis was carried out by the author in the Department of Applied Chemistry, CUSAT, Kochi, during the period 2009-2012. The thesis is an introduction to our attempts to evaluate the coordination behavior of some compounds of our interest. The biological activities of semicarbazones and their metal complexes have been an active area of research during the past years because of their significant role in naturally occurring biological systems. Tridentate NNO and ONO semicarbazone systems formed from heterocyclic and aromatic carbonyl compounds and their transition metal complexes are wellauthenticated compounds in this field and their synthesis, crystal structures and spectral studies are well desirable. Hence, we decided to develop a research program aimed at the syntheses, crystal structures and spectral studies of new N4- phenylsemicarbazones derived from 2-formylpyridine and 3-ethoxysalicylaldehyde and their transition metal complexes and new transition metal complexes of 2- benzoylpyridine-N4-phenylsemicarbazone. In addition to various physicochemical methods of analysis, single crystal X-ray diffraction studies were also used for the characterization of the complexes.

Études spectroscopiques expérimentales et théoriques de complexes de métaux de transition

Cette thèse présente une série d'études qui visent la compréhension de la structure électronique de complexes de métaux de transition en employant diverses méthodes de spectroscopie. L'information sur la structure électronique aide à comprendre et développer des nouveaux matériaux, des nouvelles voies de synthèses, ainsi que des nouveaux modèles théoriques. Habituellement, afin d'explorer la structure électronique d'un système qui comporte en son centre un métal de transition, l'information fournie par les spectres d'un seul composé n'est pas suffisante. On étudie une série de composés similaires, qui ont le même métal de transition à un degré d'oxydation donné, ainsi que des ligands qui forment des liaisons de différentes forces et caractéristiques avec le métal. Cependant, ces changements, bien qu'on les désire de faible impact, créent une grande perturbation de la structure électronique visée par les études. Afin d'étudier en profondeur une seule structure électronique, nous employons une stratégie d'analyse moins perturbante. Nous appliquons une pression hydrostatique sur les complexes de métaux de transition. Cette pression perturbe le système suffisamment pour nous livrer davantage d'informations sur la structure électronique, sans la « dénaturer ». Afin d'étudier précisément ces systèmes perturbés, la technique d'application de pression est conjuguée, dans la littérature, aux diverses techniques de spectroscopie d'absorption UV-visible, de luminescence, ainsi que de diffusion Raman. Pour extraire un maximum d'informations de ces expériences, on emploie des techniques de calculs de structure électronique ainsi que de dynamique des noyaux. Dans cette thèse, on tente de mettre en lumière la structure électronique de composés de molybdène(IV), de platine(II) et palladium(II) à l'aide de la technique de pression couplée aux spectroscopies de luminescence et de diffusion Raman. Dans le chapitre 3, on observe un déplacement de la bande de luminescence de +12 cm-1/kbar entre la pression ambiante et 25 kbar pour le complexe trans-[MoOCl(CN-t-Bu)4]BPh4, dont le centre métallique molybdène(IV)est de configuration électronique 4d2. Il s'agit de la première variation positive observée pour un complexe de type métal-oxo. À des pressions plus élevées, la tendance s'inverse. Le maximum d'énergie de la bande de luminescence se déplace de -8 cm-1/kbar. Ce changement de variation présage d'une compétition interne entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. À l'aide de calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, on propose un mécanisme pour expliquer ce phénomène. Au cours du chapitre 4, on étudie des complexes de palladium(II) et de platine(II) qui ont les mêmes ligands. Un de ces ligands est le 1,4,7-trithiacyclononane (ttcn). On constate qu'à basse pression le ligand est bidentate. Par contre, lorsque la pression augmente, on constate, par exemple à l'aide du complexe [Pt(ttcn)Cl2], qu'une interaction anti-liante supplémentaire se produit entre le ligand ttcn et le métal, ce qui change la nature de l'orbitale HOMO. On observe un déplacement de la bande de luminescence de -19 cm-1/kbar. Tel que pour le complexe de molybdène(IV), le déplacement de la bande de luminescence dépend de la compétition entre les ligands situés sur les différents axes de l'octaèdre. L'interaction liante entre l'ion platine(II) et l'atome de soufre axial est l'effet le plus plausible qui peut induire un déplacement de la bande de luminescence vers les basses énergies. Ceci nous indique que cette interaction domine. Par contre, pour ce qui est du complexe palladium(II), la compétition est remportée par d'autres effets, car le déplacement de la bande de luminescence est de +6 cm-1/kbar. Encore une fois, des calculs, basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, aident à explorer les causes de ces observations en suggérant des explications corroborées simultanément par les diverses expériences de spectroscopie. Lors du chapitre 5, une étude plus exacte de la structure électronique ainsi que de la dynamique des noyaux de complexes de métaux de transition est présentée. En effet, les complexes de palladium(II) et de platine(II), de type [M(X)4]2-, ont une structure simple, très symétrique. Le premier état excité de ces molécules subit la distorsion Jahn-Teller. On veut établir un protocole de travail pour les expérimentateurs afin d'analyser des spectres de molécules pour lesquelles l'approximation de Born-Oppenheimer n'est pas valide. On utilise la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps ainsi que le modèle de Heidelberg afin de décrire des effets non adiabatique. On tente d'établir l'influence des effets non adiabatiques sur les spectres de ce type de complexe.

Spectroscopie Raman de complexes de fer(II) et fer(III) à transition de spin

Les transitions de spin provoquent des changements de propriétés physiques des complexes de métaux du bloc d les subissant, notamment de leur structure et propriétés spectroscopiques. Ce mémoire porte sur la spectroscopie Raman de composés du fer(II) et du fer(III), pour lesquels on induit une transition de spin par variation de la température ou de la pression. Trois complexes de fer(II) de type FeN4(NCS)2 avec des comportements de transition de spin différents ont été étudiés : Fe(Phen)2(NCS)2 (Phen : 1,10-Phénanthroline), Fe(Btz)2(NCS)2 (Btz : 2,2’-bi-4,5-dihydrothiazine) et Fe(pyridine)4(NCS)2. Un décalage de l’ordre de 50 cm-1 est observable pour la fréquence d’étirement C-N du ligand thiocyanate des complexes FeN4(NCS)2, lors de la transition de spin induite par variation de la température ou de la pression. Il est possible d’utiliser cette variation de fréquence afin de tracer un profil de transition. Quatre complexes isomères de type FeL222(CN)2 (L222 : 2,13- diméthyl-6,9-dioxa-3,12,18-triazabicyclo[12.3.1]-octadéca-1(18),2,12,14,16-pentaène) ont également été étudiés. Un taux de décalage de l’ordre d’environ 0,03 cm-1/K est observé pour plusieurs bandes du complexe FeL222(CN)2. La bande à 1415 cm-1 disparaît à plus haute température au profit d’une bande à 1400 cm-1. Pour le complexe de chiralité R,R’, les bandes à 1008 cm-1 et 1140 cm-1 se déplacent vers des fréquences plus élevées à partir de 223 K. Les transitions de spin sont observées dans certains complexes de fer(III). Dans cette famille de composés, le complexe Fe(EtDTC)3 (EtDTC : N,N-diéthyldithiocarbamate) a été étudié . Aucun changement n’a été observé dans l’intensité des bandes d’étirement fer-soufre sur les spectres à température variable. Cependant, la bande Fe-S associée à la forme bas-spin à 530 cm-1 augmente en intensité au profit de la bande associée à la forme haut-spin à 350 cm-1 lors des mesures à haute pression, passant d’un rapport d’amplitude de 50% à pression ambiante à 80% à 21 kbar. Un dédoublement de la bande d’étirement C-N du ligand dithiocarbamate à 1495 cm-1 est également observé à des pressions supérieures à 5 kbar. Une comparaison des changements des fréquences de vibration de tous les complexes est effectuée.

Synthesis of transition metal N-heterocyclic carbene complexes and applications in catalysis

Les ligands de carbènes N-hétérocycliques (NHC) qui possèdent une symétrie C1 attirent beaucoup l’attention dans la littérature. Le présent projet de recherche propose de synthétiser une nouvelle série de ligands NHC C1-symétriques avec deux groupements N-alkyles qui exploitent un relais chiral. Un protocole modulaire et efficace pour la synthèse des sels d’imidazolium chiraux qui servent comme préligands pour les NHC a été développé. Quelques-uns de ces nouveaux ligands ont été installés sur le cuivre et de l’or, créant de nouveaux complexes chiraux. Les nouveaux complexes à base de cuivre ont été évalués comme catalyseurs pour le couplage oxydatif de 2-naphthols. Les ligands C1-symmétriques ont fourni des meilleurs rendements que les ligands C2-symmétriques. Au cours de l’optimisation, des additifs ont été évalués; les additifs à base de pyridine ont fourni des énantiosélectivités modérées tandis que les additifs à base de malonate ont donné des meilleurs rendements de la réaction de couplage oxydatif. Ultérieurement, les additifs à base de malonate ont été appliqués envers l’hétérocouplage de 2-naphthols. Le partenaire de couplage qui est riche en électrons est normalement en grand excès à cause de sa tendance à dégrader. Avec le bénéfice de l’additif, les deux partenaires de couplage peuvent être utilisés dans des quantités équivalentes. La découverte de l’effet des additifs a permis le développement d’un protocole général pour l’hétérocouplage de 2-naphthols.

Synthesis, Characterization and Biological Activities of a Bidentate Schiff Base Ligand: N,N '-Bis(1-phenylethylidene)ethane-1,2-diamine and its Transition Metals (II) Complexes

Schiff base ligand: N,N'-bis(1-phenylethylidene)ethane-1,2-diamine (L), was derived from acetophenone and ethylenediamine by condensation and its complexes (1-5) were prepared with Pb2+, Ni2+, Co2+, Cu2+ and Cd2+ metal ions. Their structures were characterized by FAB-MS, IR spectra, elemental analyses and molar conductance. The octahedral geometry of the complexes was proposed by electronic spectra and magnetic moment data. The conductivity data showed that the complexes have non-electrolytic nature. The complexes (1-5) have higher in vitro antimicrobial activity than the Schiff base ligand (L). In the nuclease activity, the complexes cleave DNA as compared to control DNA in the presence of H2O2.

N-methylation of diamino-substituted macrocyclic complexes: Intermolecular reactions

Two N-based isomeric copper(II) complexes of the macrocycle trans-6,13-dimethyl-6,13-bis(dimethylamino)1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane (L(3)) have been synthesized and characterised spectroscopically and structurally: alpha-[CuL(3)(OH2)(2)]Cl-2, monoclinic, space group C2/m, a = 12.908(4), b = 12.433(2), c = 7.330(2) Angstrom, beta = 105.87(2)degrees, Z = 2; beta-[CuL(3)(OClO3)(2)]. 2H(2)O, monoclinic, space group P2(1)/c, a = 9.708(3), b = 9.686(3), c = 14.202(4) Angstrom, beta = 106.17(1)degrees, Z = 2. The two isomers exhibit very similar co-ordination spheres but significantly different visible electronic maxima. This difference is attributed to an intramolecular N ... H contact between the pendant dimethylamino group and an adjacent secondary amine H atom.