Novel laser-induced luminescence resulting from benzophenone/O-propylated p-tert-butylcalix[4]arene complexes. A diffuse reflectance study

Laser-induced room temperature luminescence of air-equilibrated benzophenone/O-propylated p-tert-butylcalix[ 4] arene solid powdered samples revealed the existence of a novel emission, in contrast with benzophenone/p-tertbutylcalix[ 4] arene complexes, where only benzophenone emits. This novel emission was identified as phosphorescence of 1-phenyl-1,2-propanedione, which is formed as the result of an hydrogen atom abstraction reaction of the triplet excited benzophenone from the propoxy substituents of the calixarene. Room temperature phosphorescence was obtained in air-equilibrated samples in all propylated hosts. The decay times of the benzophenone emission vary greatly with the degree of propylation, the shortest lifetimes being obtained in the tri- and tetrapropylated calixarenes. Triplet - triplet absorption of benzophenone was detected in all cases, and is the predominant absorption in the p-tert-butylcalix[ 4] arene case, where an endo-calix complex is formed. Benzophenone ketyl radical formation occurs with the O-propylated p-tert-butylcalix[ 4] arenes hosts, suggesting a different type of host/guest molecular arrangement. Diffuse reflectance laser. ash photolysis and gas chromatography - mass spectrometry techniques provided complementary information, the former about transient species and the latter regarding the final products formed after light absorption. Product analysis and identification clearly show that the two main degradation photoproducts following laser excitation in the propylated substrates are 1-phenyl-1,2- propanedione and 2- hydroxybenzophenone, although several other minor photodegradation products were identified. A detailed mechanistic analysis is proposed. While the solution photochemistry of benzophenone is dominated by the hydrogen abstraction reaction from suitable hydrogen donors, in these solid powdered samples, the alpha-cleavage reaction also plays an important role. This finding occurs even with one single laser pulse which lasts only a few nanoseconds, and is apparently related to the fact that scattered radiation exists, due to multiple internal reflections possibly trapping light within non-absorbing microcrystals in the sample, and is detected until at least 20 mus after the laser pulse. This could explain how photoproducts thus formed could also be excited with only one laser pulse.

A diffuse reflectance comparative study of benzil inclusion within p-tert-butylcalix[n]arenes (n=4, 6, and 8) and silicalite

Diffuse reflectance and laser-induced techniques were used to access photochemical and photophysical processes of benzil in solid supports, namely p-tert-butylcalix[n]arenes with n = 4, 6, and 8. A comparative study was performed using these results and those obtained with another electronically inert support, silicalite, which is a hydrophobic zeolite. In the latter substrate, ground-state benzil has the two carbonyl groups in an s-trans planar conformation while in the calixarenes a distribution of conformers exists, largely dominated by skew conformations where the carbonyl groups are twisted one to the other. In all substrates, room-temperature phosphorescence was obtained in air-equilibrated samples. The decay times vary greatly and the largest lifetime was obtained for benzil/p-tert-butylcalix[6]arene, showing that this host cavity well accommodates benzil, enhancing its room-temperature phosphorescence. p-tert-Butylcalix[6] and [8]arene molecules provide larger hydrophobic cavities than silicalite, and inclusion complexes are formed with these hosts and benzil as guest; p-tert-butylcalix[4]arene does not include benzil. This probe is deposited outside the calix[41 cavity, in the form of microcrystals. Triplet-triplet absorption of benzil was detected in all cases and is predominant in the silicalite channel inclusion case. Benzil ketyl radical formation occurs with inclusion in calix[6]arene and calix[8]arene. In the three cases, benzoyl radical was detected at long times (in the millisecond time scale). Product analysis and identification clearly show that the main detected degradation photoproducts in all substrates are benzoyl radical derivatives. Calix[6] and [8]arenes are able to supply hydrogen atoms that allow also another reaction, the reduction to benzoin through benzil ketyl radical formation.

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.