Synthesis, characterization, DFT and Td-dfT study of the [Fe(mnt)(L)(t-BuNC) 2] octahedral complex (L = phen, bipy)

FeBr2 has reacted with an equivalent of mnt2- (mnt = cis-1,2-dicyanoethylene-1,2-dithiolate) and the α-diimine L (L = 1,10'-phenantroline, 2,2'-bipyridine) in THF solution, and followed by adding of t-butyl-isocyanide to give [Fe(mnt)(L)(t-BuNC)2] neutral compound. The products were characterized by infrared, UV-visible and Mössbauer spectroscopy, besides thermogravimetric and conductivity data. The geometry in the equilibrium was calculated by the density functional theory and the electronic spectrum by the time-dependent. The experimental and theoretical results in good agreement have defined an octahedral geometry with two isocyanide neighbours. The π→π* intraligand electronic transition was not observed for cis-isomers in the near-IR spectral region.

A Theoretical investigation of a potential high energy density compound 3,6,7,8-tetranitro-3,6,7,8-tetraaza-tricyclo[3.1.1.1(2,4)]octane

The B3LYP/6-31G (d) density functional theory (DFT) method was used to study molecular geometry, electronic structure, infrared spectrum (IR) and thermodynamic properties. Heat of formation (HOF) and calculated density were estimated to evaluate detonation properties using Kamlet-Jacobs equations. Thermal stability of 3,6,7,8-tetranitro-3,6,7,8-tetraaza-tricyclo [3.1.1.1(2,4)]octane (TTTO) was investigated by calculating bond dissociation energy (BDE) at the unrestricted B3LYP/6-31G(d) level. Results showed the N-NO2 bond is a trigger bond during the thermolysis initiation process. The crystal structure obtained by molecular mechanics (MM) methods belongs to P2(1)/C space group, with cell parameters a = 8.239 Å, b = 8.079 Å, c = 16.860 Å, Z = 4 and r = 1.922 g cm-3. Both detonation velocity of 9.79 km s-1 and detonation pressure of 44.22 GPa performed similarly to CL-20. According to the quantitative standards of energetics and stability, TTTO essentially satisfies this requirement as a high energy density compound (HEDC).

Ba-DOPED ZnO MATERIALS: A DFT SIMULATION TO INVESTIGATE THE DOPING EFFECT ON FERROELECTRICITY

ZnO is a semiconductor material largely employed in the development of several electronic and optical devices due to its unique electronic, optical, piezo-, ferroelectric and structural properties. This study evaluates the properties of Ba-doped wurtzite-ZnO using quantum mechanical simulations based on the Density Functional Theory (DFT) allied to hybrid functional B3LYP. The Ba-doping caused increase in lattice parameters and slight distortions at the unit cell angle in a wurtzite structure. In addition, the doping process presented decrease in the band-gap (Eg) at low percentages suggesting band-gap engineering. For low doping amounts, the wavelength characteristic was observed in the visible range; whereas, for middle and high doping amounts, the wavelength belongs to the Ultraviolet range. The Ba atoms also influence the ferroelectric property, which is improved linearly with the doping amount, except for doping at 100% or wurtzite-BaO. The ferroelectric results indicate the ZnO:Ba is an strong option to replace perovskite materials in ferroelectric and flash-type memory devices.

Evaluation of group electronegativities and hardness (softness) of group 14 elements and containing functional groups through density functional theory and correlation with NMR spectra data

Quantum Chemical calculations for group 14 elements of Periodic Table (C, Si, Ge, Sn, Pb) and their functional groups have been carried out using Density Functional Theory (DFT) based reactivity descriptors such as group electronegativities, hardness and softness. DFT calculations were performed for a large series of tetracoordinated Sn compounds of the CH3SnRR'X type, where X is a halogen and R and R' are alkyl, halogenated alkyl, alkoxy, or alkyl thio groups. The results were interpreted in terms of calculated electronegativity and hardness of the SnRR'X groups, applying a methodology previously developed by Geerlings and coworkers (J. Phys. Chem. 1993, 97, 1826). These calculations allowed to see the regularities concerning the influence of the nature of organic groups RR' and inorganic group X on electronegativities and hardness of the SnRR'X groups; in this case, it was found a very good correlation between the electronegativity of the fragment and experimental 119Sn chemical shifts, a property that sensitively reflects the change in the valence electronic structure of molecules. This work was complemented with the study of some compounds of the EX and ER types, where E= C, Si, Ge, Sn and R= CH3, H, which was performed to study the influence that the central atom has on the electronegativity and hardness of molecules, or whether these properties are mainly affected for the type of ligand bound to the central atom. All these calculations were performed using the B3PW91 functional together with the 6-311++G** basis set level for H, C, Si, Ge, F, Cl and Br atoms and the 3-21G for Sn and I atoms.

First principles modeling of metallic alloys and alloy surfaces

By alloying metals with other materials, one can modify the metal’s characteristics or compose an alloy which has certain desired characteristics that no pure metal has. The field is vast and complex, and phenomena that govern the behaviour of alloys are numerous. Theories cannot penetrate such complexity, and the scope of experiments is also limited. This is why the relatively new field of ab initio computational methods has much to give to this field. With these methods, one can extend the understanding given by theories, predict how some systems might behave, and be able to obtain information that is not there to see in physical experiments. This thesis pursues to contribute to the collective knowledge of this field in the light of two cases. The first part examines the oxidation of Ag/Cu, namely, the adsorption dynamics and oxygen induced segregation of the surface. Our results demonstrate that the presence of Ag on the Cu(100) surface layer strongly inhibits dissociative adsorption. Our results also confirmed that surface reconstruction does happen, as experiments predicted. Our studies indicate that 0.25 ML of oxygen is enough for Ag to diffuse towards the bulk, under the copper oxide layer. The other part elucidates the complex interplay of various energy and entropy contributions to the phase stability of paramagnetic duplex steel alloys. We were able to produce a phase stability map from first principles, and it agrees with experiments rather well. Our results also show that entropy contributions play a very important role on defining the phase stability. This is, to the author’s knowledge, the first ab initio study upon this subject.

Optical spectroscopy of organic material based on C60

The structure and optical properties of thin films based on C60 materials are studied. Reproducible vacuum method of thin fullerene films production with Cd impurity on Si, glass and mica surfaces is developed. Surface morphology of the films are investigated by AFM and SEM methods. The ab initio quantum - chemical calculations of the geometry, total energy and excited energy states of complex fullerene- cadmium telluride supramolecules are performed. Photoluminescence spectra of composite thin films based on C60 before and after X-ray irradiation were measured. The intensity of additional peaks is defined as the charge composition due to the type of substrate. These results are interpreted as an appearance of the dipole-allowed transitions in the fullerene excited singlet states spectrum cause of an interference with cadmium telluride. X-ray irradiated films were investigated, and additional peaks in photoluminescence spectra were detected. These peaks appear as a result of molecular complexes formation from C60CdTe mixture and dimerization of the films. Density functional B3LYP quantum-chemical calculations for C60CdTe, molecular complexes, (C60)2 and C120O dimers were performed to elucidate some experimental results.

First-principles study on electronic and structural properties of Cu(In/Ga)Se alloys for solar cells

Thin-film photovoltaic solar cells based on the Cu(In1−xGax)Se2 (CIGS) alloys have attracted more and more attention due to their large optical absorption coefficient, long term stability, low cost, and high efficiency. Modern theoretical studies of this material with first-principles calculations can provide accurate description of the electronic structure and yield results in close agreement with experimental values, but takes a large amount of calculation time. In this work, we use first-principles calculations based on the computationally affordable meta- generalized gradient approximation of the density-functional theory to investigate electronic and structural properties of the CIGS alloys. We report on the simulation of the lattice parameters and band gaps, as a function of chemical composition. The obtained results were found to be in a good agreement with the available experimental data.

Analysis Of The A11a22 X 11a11 And A 33a22 X 1 electronic transitions in selenocarbonyl difluoride

The absorption spectrum of F2CSe in the 18800-21900 cm-1 region has been recorded at -770 C and 220 C under the conditions of medium resolution. The responsible electronic promotion is TI* + n excitation which leads to 3A2 and lA2 excited states. Progressions in vI', v2', v3" v4' and v4" have been identified in the spectrum and have been analyzed in terms of vibronic transitions between a planar ground state and a nQnplanar excited state. The - 3 - 1 - 1 - 1 origins of the a A2 + X Al and A A2 + X Al systems were assigned to the bands at 19018 cm-l and 19689 cm-l . This has given a singlet-triplet splittl. n g lA2 - 3A2 P f 671 cm -1 The out-of-plane wagging levels were found to be anharmonic. 1 -1 Barrier heights of 2483 cm- and 2923 cm were obtained for the lA2 and 3A2 upper states from a fitting of the energy levels of a Lorentzian-quadratic function to the observed levels in the out-of-plane wagging modes. 1 3 For the A2 and A2 states nonplanar equilibrium angles of 30.10 and 31.40 have been evaluated respectively. i

Novel Magnetic Materials Based on Macrocyclic Ligands: Towards High Relaxivity Contrast Agents and Mononuclear Single-Molecule Magnets

The preparation and characterization of coordination complexes of Schiff-base and crown ether macrocycles is presented, for application as contrast agents for magnetic resonance imaging, Project 1; and single-molecule magnets (SMMs), Projects 2 and 3. In Project 1, a family of eight Mn(II) and Gd(III) complexes of N3X2 (X = NH, O) and N3O3 Schiff-base macrocycles were synthesized, characterized, and evaluated as potential contrast agents for MRI. In vitro and in vivo (rodent) studies indicate that the studied complexes display efficient contrast behaviour, negligible toxicity, and rapid excretion. In Project 2, DyIII complexes of Schiff-base macrocycles were prepared with a view to developing a new family of mononuclear Ln-SMMs with pseudo-D5h geometries. Each complex displayed slow relaxation of magnetization, with magnetically-derived energy barriers in the range Ueff = 4 – 24 K. In Project 3, coordination complexes of selected later lanthanides with various crown ether ligands were synthesized. Two families of complexes were structurally and magnetically analyzed: ‘axial’ or sandwich-type complexes based on 12-crown-4 and 15-crown-5; and ‘equatorial’ complexes based on 18-crown-6. Magnetic data are supported by ab initio calculations and luminescence measurements. Significantly, the first mononuclear Ln-SMM prepared from a crown ether ligand is described.

Etude théorique des propriétés électroniques et optiques des super-réseaux de Si/SiO2

FRANCAIS: L'observation d'une intense luminescence dans les super-réseaux de Si/SiO2 a ouvert de nouvelles avenues en recherche théorique des matériaux à base de silicium, pour des applications éventuelles en optoélectronique. Le silicium dans sa phase cristalline possède un gap indirect, le rendant ainsi moins intéressant vis-à-vis d'autres matériaux luminescents. Concevoir des matériaux luminescents à base de silicium ouvrira donc la voie sur de multiples applications. Ce travail fait état de trois contributions au domaine. Premièrement, différents modèles de super-réseaux de Si/SiO2 ont été conçus et étudiés à l'aide de calculs ab initio afin d'en évaluer les propriétés structurales, électroniques et optiques. Les deux premiers modèles dérivés des structures cristallines du silicium et du dioxyde de silicium ont permis de démontrer l'importance du rôle de l'interface Si/SiO2 sur les propriétés optiques. De nouveaux modèles structurellement relaxés ont alors été construits afin de mieux caractériser les interfaces et ainsi mieux évaluer la portée du confinement sur les propriétés optiques. Deuxièmement, un gap direct dans les modèles structurellement relaxés a été obtenu. Le calcul de l'absorption (par l'application de la règle d'or de Fermi) a permis de confirmer que les propriétés d'absorption (et d'émission) du silicium cristallin sont améliorées lorsque celui-ci est confiné par le SiO2. Un décalage vers le bleu avec accroissement du confinement a aussi été observé. Une étude détaillée du rôle des atomes sous-oxydés aux interfaces a de plus été menée. Ces atomes ont le double effet d'accroître légèrement le gap d'énergie et d'aplanir la structure électronique près du niveau de Fermi. Troisièmement, une application directe de la théorique des transitions de Slater, une approche issue de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour des ensembles, a été déterminée pour le silicium cristallin puis comparée aux mesures d'absorption par rayons X. Une très bonne correspondance entre cette théorie et l'expérience est observée. Ces calculs ont été appliqués aux super-réseaux afin d'estimer et caractériser leurs propriétés électroniques dans la zone de confinement, dans les bandes de conduction.

Spectroscopie de complexes plans carrés de platine(II) et de palladium(II) en fonction de la température et de la pression : structure et énergie

Les interactions entre des complexes de platine (II) ou de palladium (II) ont une grande influence sur une grande gamme de propriétés chimiques et physiques. Ces propriétés peuvent être étudiées par plusieurs méthodes spectroscopiques comme la spectroscopie Raman, d’absorption, d’émission et de réflectivité diffuse. L’empilement de molécules a un effet important sur les propriétés spectroscopiques de plusieurs composés des éléments de transition. La spectroscopie est très utile pour comprendre les effets intermoléculaires majeurs de plusieurs composés inorganiques. Les complexes plan-carré de platine(II) et de palladium(II) sont très intéressants à cause de leur grande quantité d’effets intermoléculaires et intramoléculaires. Des mesures avec des variations de pression (entre 1 bar et 40 kbar) et de température (entre 80 K et 300 K) ont été effectuées sur ces complexes. La structure à l’état fondamental des composés de platine(II) et de palladium(II) a un effet important sur la spectroscopie de luminescence. Des complexes avec des donneurs axiaux mènent à un effet de déplacement du maximum d’émission vers de plus basses énergies avec l’augmentation de pression. Des complexes similaires sans composante axiale ont un maximum d’émission qui se déplace vers des plus hautes énergies. Ces effets sont explorés à l’aide de plusieurs composés incluant une série de complexes pinceur qui ont démontré des déplacements entre -1 cm-1/kbar et -30 cm-1/kbar. Le changement du type d’émission causé par un changement de pression ou de température est aussi observable. Un complexe de platine(II) montre un changement d’une transition centrée sur le ligand à pression ambiante à une transition de type transfert de charge à plus haute pression. La combinaison de l’information cristallographique et spectroscopique donne de l’information quantitative sur les variations de la structure et des niveaux électroniques de plusieurs complexes.

Conception, synthèse et diversification de l'azaGly-Pro : un mime de tour beta, outil d'étude structure-activité : application au développement d'un nouvel agent tocolytique

Les accouchements prématurés constituent un problème médical majeur en constante augmentation et ce, malgré tous les efforts mis en œuvre afin de contrer le déclenchement des contractions avant terme. Cette thèse relate du ''design'' rationnel d'un nouvel agent thérapeutique (i.e., tocolytique) qui serait capable de 1) arrêter les contractions, et 2) prolonger la gestation. Pour ce faire, une nouvelle cible, la prostaglandine F2α et son récepteur ont été sélectionnés et le peptidomimétisme a été choisi afin de résoudre cette problématique. L'introduction contient un historique rapide de la conception à la synthèse (''drug design'') du peptide parent, le PDC113, premier peptide a avoir démontré des aptitudes tocolytiques suffisantes pour faire du peptidomimétisme. La deuxième partie de l'introduction présente les concepts du peptidomimétisme appliqués au PDC113 qui ont permis d'accéder au PDC113.824, inhibiteur allostérique du récepteur de la prostaglandine F2α, et explique comment ce mime nous a permis d'élucider les mécanismes de signalisation intracellulaire impliqués dans la contraction musculaire lisse. Cette thèse présente la conception, la synthèse et l'étude structure-activité de mimes de repliement de tour β au sein du mime peptidique original (PDC113.824) dans lequel nous avons remplacé l'azabicycloalkane central (l'indolizidin-2-one) par une série d'autres azabicycloalcanes connus et des acides aza-aminés dont nous avons élaboré la synthèse. Dans un premier temps, une nouvelle stratégie de synthèse en solution de l'aza-glycyl-proline à partir de la diphényle hydrazone et du chloroformate de p-nitrophényle a été réalisée. Cette stratégie a permis d'éliminer les réactions secondaires de cyclisation intramoléculaires communément obtenues lors de l'introduction d'acides aza-aminés avec les protections traditionnelles de type carbamate en présence de phosgène, mais aussi de faciliter l'accès en une étape à des dérivés peptidiques du type aza-glycyle. L'élongation de l'aza-glycyl-proline en solution nous a permis d'accéder à un nouveau mime tetrapeptidique du Smac, un activateur potentiel de l'apoptose au sein de cellules cancéreuses. Par la suite, nous avons développé une stratégie de diversification sélective de l'azote α du résidu azaglycine en utilisant différents types d'halogénures d'alkyle en présence de tert-butoxyde de potassium. Afin de valider le protocole d'alkylation de l'aza-dipeptide, différents halogénures d'alkyle ont été testés. Nous avons également démontré l'utilité des aza-dipeptides résultants en tant que ''building block'' afin d'accéder à une variété d'azapeptides. En effet, l'aza-dipeptide a été déprotégée sélectivement soit en N-terminal soit en C-terminal, respectivement. D'autre part, la libération de l'amine de l'ester méthylique de l'aza-alkylglycyl-proline a conduit à une catégorie de composés à potentiel thérapeutique, les azadicétopipérazines (aza-DKP) par cyclisation intramoléculaire. Enfin, notre intérêt quant au développement d'un nouvel agent tocolytique nous a amené à développer une nouvelle voie de synthèse en solution du PDC113.824 permettant ainsi d'élucider les voies de signalisation intracellulaires du récepteur de la prostaglandine F2α. Afin de valider l'importance de la stéréochimie et d'étudier la relation structure/ activité du mime, nous avons remplacé l'indolizidin-2-one (I2aa) centrale du PDC113.824 par une série d'autres azabicycloalcanes et azadipeptides. Les azabicycloalcanes D-I2aa, quinolizidinone, et indolizidin-9-one ont été synthétisés et incorporés au sein du dit peptide ne donnant aucune activité ni in vitro ni ex vivo, validant ainsi l'importance du tour β de type II' pour le maintien de l'activité biologique du PDC113.824. Finalement, l'insertion d'une série de dérivés aza(alkyl)glycyl-prolyles a mené à de nouveaux inhibiteurs allostériques du récepteur de la PGF2α, l'un contenant l'azaglycine et l'autre, l'azaphénylalanine. Cette thèse a ainsi contribué, grâce à la conception et l'application de nouvelles méthodes de synthèse d'aza-peptides, au développement de nouveaux composés à potentiel thérapeutique afin d'inhiber le travail prématuré.

Méthode de calcul à N-corps basée sur la G0W0 : étude du couplage électron-phonon dans le C60 et développement d’une approche accélérée pour matériaux organiques

La présente thèse porte sur les limites de la théorie de la fonctionnelle de la densité et les moyens de surmonter celles-ci. Ces limites sont explorées dans le contexte d'une implémentation traditionnelle utilisant une base d'ondes planes. Dans un premier temps, les limites dans la taille des systèmes pouvant être simulés sont observées. Des méthodes de pointe pour surmonter ces dernières sont ensuite utilisées pour simuler des systèmes de taille nanométrique. En particulier, le greffage de molécules de bromophényle sur les nanotubes de carbone est étudié avec ces méthodes, étant donné l'impact substantiel que pourrait avoir une meilleure compréhension de ce procédé sur l'industrie de l'électronique. Dans un deuxième temps, les limites de précision de la théorie de la fonctionnelle de la densité sont explorées. Tout d'abord, une étude quantitative de l'incertitude de cette méthode pour le couplage électron-phonon est effectuée et révèle que celle-ci est substantiellement plus élevée que celle présumée dans la littérature. L'incertitude sur le couplage électron-phonon est ensuite explorée dans le cadre de la méthode G0W0 et cette dernière se révèle être une alternative substantiellement plus précise. Cette méthode présentant toutefois de sévères limitations dans la taille des systèmes traitables, différents moyens théoriques pour surmonter ces dernières sont développés et présentés dans cette thèse. La performance et la précision accrues de l'implémentation résultante laissent présager de nouvelles possibilités dans l'étude et la conception de certaines catégories de matériaux, dont les supraconducteurs, les polymères utiles en photovoltaïque organique, les semi-conducteurs, etc.

Absence of collective effects in Heisenberg systems with localized magnetic moments

Existence of collective effects in magnetic coupling in ionic solids is studied by mapping spin eigenstates of the Heisenberg and exact nonrelativistic Hamiltonians on cluster models representing KNiF3, K2NiF4, NiO, and La2CuO4. Ab initio techniques are used to estimate the Heisenberg constant J. For clusters with two magnetic centers, the values obtained are about the same for models having more magnetic centers. The absence of collective effects in J strongly suggests that magnetic interactions in this kind of ionic solids are genuinely local and entangle only the two magnetic centers involved.