Single-Molecule Magnets and Multifunctional Molecular Magnetic Materials Based on Polynuclear Metal Complexes

Our work on single molecule magnets and multifunctional magnetic materials is presented in four projects. In the first project we show for first time that heteroatomic-type pseudohalides, such as OCN-, can be employed as structure-directing ligands and ferromagnetic couplers in higher oxidation state metal cluster chemistry. The initial use of cyanato groups in Mn cluster chemistry has afforded structurally interesting MnII/III14 (1) and MnII/III/IV16 (2) clusters in which the end-on bridging cyanates show a preference in binding through their O-atom. The Mn14 compound shows entirely visible out-of-phase alternating currect signals below 5 K and large hysteresis loops below 2 K. Furthermore, the amalgamation of azido groups with the triethanolamine tripodal ligand in manganese carboxylate cluster chemistry has led to the isolation of a new ferromagnetic, high-nuclearity and mixed-valence MnII/III15Na2 (3) cluster with a large ground-state spin value of S = 14. In the second project we demonstrate a new synthetic route to purely inorganic-bridged, transition metal-azido clusters [CoII7 (4) and NiII7 (5)] and coordination polymers [{FeII/III2}n (6)] which exhibit strong ferromagnetic, SMM and long-range magnetic ordering behaviors. We also show that access to such a unique ferromagnetic class of inorganic, N-rich and O-free materials is feasible through the use of Me3SiN3 as the azido-ligand precursor without requiring the addition of any organic chelating/bridging ligand. In the last projects we have tried to bring together molecular magnetism and optics via the synthesis of multifunctional magnetic materials based on 3d- or 4f-metal ions. We decided to approach such challenge from two different directions: firstly, in our third project, by the deliberate replacement of non-emissive carboxylato ligands in known 3d-SMMs with their fluorescent analogues, without perturbing the metal-core structure and SMM properties (complexes 7, 8, and 9). The second route (last project) involves the use of naphthalene or pyridine-based polyalcohol bridging ligands for the synthesis of new polynuclear LnIII metal clusters (Ln = lanthanide) with novel topologies, SMM behaviors and luminescent properties arising from the increased efficiency of the “antenna” organic group. This approach has led us to the isolation of two new families of LnIII8 (complexes 10-13) and LnIII4 (complexes 14-20) clusters.

Polyoxométallates hybrides : vers des systèmes covalents photoactifs dans le visible

Réalisé en cotutelle, sous la direction du Pr. Bernold Hasenknopf, à l'Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Université Pierre et Marie Curie (Paris VI, France) et dans le cadre de l'Ecole Doctorale "Physique et Chimie des Matériaux" - Spécialité Chimie Inorganique (ED397).

From coordination complexes to coordination polymers

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Synthesis and properties of d6 metal complexes of bidentate and tridentate ‘super donor’ ligands

La polyvalence de la réaction de couplage-croisé C-N a été explorée pour la synthèse de deux nouvelles classes de ligands: (i) des ligands bidentates neutres de type N^N et (ii) des ligands tridentates neutres de type N^N^N. Ces classes de ligands contiennent des N-hétérocycles aromatiques saturés qui sont couplés avec hexahydropyrimidopyrimidine (hpp). Les ligands forment de cycles à six chaînons sur la coordination du centre Ru(II). Ce fait est avantageux pour améliorer les propriétés photophysiques des complexes de polypyridyl de Ru(II). Les complexes de Ru(II) avec des ligands bidentés ont des émissions qui dépendent de la basicité relative des N-hétérocycles. Bien que ces complexes sont électrochimiquement et photophysiquement attrayant, le problème de la stereopurité ne peut être évité. Une conception soigneuse du type de ligand nous permet de synthétiser un ligand bis-bidentate qui est utile pour surmonter le problème de stereopurité. En raison de la spécialité du ligand bis-bidentate, son complexe diruthénium(II,II) présente une grande diastéréosélectivité sans séparation chirale. Alors que l'unité de hpp agit comme un nucléophile dans le mécanisme de C-N réaction de couplage croisé, il peut également agir en tant que groupe partant, lorsqu'il est activé avec un complexe de monoruthenium. Les complexes achiraux de Ru(II) avec les ligands tridentés présentent des meilleures propriétés photophysiques en comparason avec les prototypes [Ru(tpy)2]2+ (tpy = 2,2′: 6′, 2′′-terpyridine). L’introduction de deux unités de hpp dans les ligands tridentates rend le complexe de Ru(II) en tant que ‘absorbeur noir’ et comme ‘NIR émetteur’ (NIR = de l’anglais, Near Infra-Red). Cet effet est une conséquence d'une meilleure géométrie de coordination octaédrique autour de l'ion Ru(II) et de la forte donation sigma des unités hpp. Les complexes du Re(I) avec des ligands tridentates présentent un comportement redox intéressant et ils émettent dans le bleu. L'oxydation quasi-réversible du métal est contrôlée par la donation sigma des fragments hpp, tandis que la réduction du ligand est régie par la nature électronique du motif N-hétérocycle central du ligand lui-même. Cette thèse presente également l'auto-assemblage des métal-chromophores comme ‘métallo-ligands’ pour former des espèces supramoléculaires discretes utilisant des complexes neutres. Les synthèses et propriétés des métaux-chromophores précités et les supramolécules sont discutées.

Carbon-carbon bond formation : from transition metal catalysis to base-promoted homolytic aromatic substitution

Cette thèse de doctorat porte sur la catalyse à partir de métaux de transition et sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base visant à former de nouvelles liaisons C–C, et à ainsi concevoir de nouvelles structures chimiques. Au cours des vingt dernières années, des nombreux efforts ont été réalisés afin de développer des méthodologies pour la fonctionnalisation de liens C–H, qui soient efficaces et sélectives, et ce à faible coût et en produisant le minimum de déchets. Le chapitre d'introduction donnera un aperçu de la fonctionnalisation directe de liens C–H sur des centres sp2 et sp3. Il sera également discuté dans cette partie de certains aspects de la chimie radicalaire reliés a ce sujet. Les travaux sur la fonctionnalisation d’imidazo[1,5-a]pyridines catalysée par des compleces de ruthénium seront présentés dans le chapitre 2. Malgré l'intérêt des imidazo[1,5-a]azines en chimie médicinale, ces composés n’ont reçu que peu d'attention dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C–H. L'étendue de la réaction et l'influence des effets stériques et électroniques seront détaillés. Les cyclopropanes représentent les 10ème cycles carbonés les plus rencontrés dans les petites molécules d’intérêt pharmacologique. Ce sont aussi des intermédiaires de synthèse de choix pour la création de complexité chimique. Malgré de grands progrès dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C(sp3)–H, l'étude des cyclopropanes comme substrats dans les transformations directes est relativement nouvelle. Le chapitre trois présentera l'arylation intramoléculaire directe de cyclopropanes. Cette réaction est réalisée en présence de palladium, en quantité catalytique, en combinaison avec des sels d’argent. Des études mécanistiques ont réfuté la formation d'un énolate de palladium et suggéreraient plutôt une étape de métallation - déprotonation concertée. En outre, les cycles de type benzoazepinone à sept chaînons ont été synthétisés par l'intermédiaire d'une séquence d'activation de cyclopropane/ouverture/cyclisation. Une arylation directe intermoléculaire des cyclopropanes a été réalisée en présence d'un auxiliaire de type picolinamide (Chapitre 4). Les deux derniers chapitres de ce mémoire de thèse décriront nos études sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base. Le mécanisme de la réaction de cyclisation intramoléculaire d'halogénures d'aryle, réalisée en présence de tert-butylate de potassium, a été élucidé et se produit via une voie radicalaire (Chapitre 5). La transformation, exempte de métaux de transition, ne nécessite que la présence d’une base et de pyridine comme solvant. Cette réaction radicalaire a été étendue à la cyclisation d'iodures d'alkyle non activés en présence d'un catalyseur à base de nickel et de bis(trimethylsilyl)amidure de sodium comme base (Chapitre 6). Des études de RMN DOSY ont démontré une association entre le catalyseur, la base et le matériel de départ.

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.

Structural, Spectral, Biological and Electrochemical Studies Of Some 3d Transition Metal Complexes of O-N-S and N-N-S Donor Ligands

The primary aim of these investigations was to probe the spectroscopic, electrochemical, biological and single crystal X-ray diffraction studies of some selected transition metal complexes of 4N-monosubstituted thiosemicarbazones. Transition metal complexes with thiosemicarbazones exhibit a wide range of stereochemistries and possess potential biological activity. Metal complexes of thiosemicarbazones are proved to have improved pharmacological and therapeutic effects. The studies are conducted to bring about a fair understanding of the structure activity relationship and to develop certain effective and economical metal-based antimicrobial agents. Study showed that the thiosemicarbazones have antibacterial, antiviral and antiproliferative properties and hence used against tuberculosis, leprosy, psoriasis, rheumatism, trypanosomiasis and coccidiosis. Certain thiosemicarbazones showed a selective inhibition of HSV and HIV infections. The insolubility of most thiosemicarbazones in water causes difficulty in the oral administration in clinical practice. Transition metal complexes are found to have more activity than uncombined thiosemicarbazones. They exhibit a variety of denticity and can be varied by proper substitution. The stereochemistry assumed by the thiosemicarbazones during the coordination with transition metal ions depends on the factors such as preparative conditions and availability of additional bonding site in the ligand moiety and charge of the ligand. The resulting complexes exhibited a wide range of stereochemistries and have biomimic activity and potential application as sensors.

Synthesis and Characterization Of Some Transition Metal Complexes Of Multidentate Ligands

Coordination chemistry of schiff bases is of considerable interest due to their various magnetic, catalytic and biological applications. Here it describes the spectral characterization of schiff bases and its Mn (II), Cu (II) and Ni (II) complexes. Then synthesis and spectral characterization of Zn (II), Cd (II) and Co (II) complexes of schiff base derived from 3-Formylsalicilic Acid and 1,3-diaminopropane. Then it discusses the synthesis and spectral studies of Copper (II) complexes of 2-Hydroxyacetophenone N-phenyl semicarbazone. Finally it discusses the synthesis and spectral characterization of Co (III) complexes of salicylaldehyde N-phenyl semicarbazone. The preparation and characterization of Cobalt (III) complexes of salicylaldehyde, N-phenylthiosemicarbazone containing hetrocyclic bases phenalthroline and bipyridine. Thiocyanate, azide and perchlorate ions act as coligands. Elemental analysis suggests +3 state for Cobalt. HNMR, IR and UV-visible spectra characterize the complexes.

Synthesis, Spectral Characterization, Structural Studies and Biological Investigations of Transition Metal Complexes of Some Acid Hydrazones

This study concentrates the chemical properties of hydrazones due to its chelating capability and their pharmacological applications. Studies cover the preparation of different acid hydrazones and their structural studies and studies on their antimicrobial activity, synthesis and spectral characterization of different complexes of copper oxovanadium, manganese, nickel etc. Effect of incorporation of heterocyclic bases to the coordination sphere, change in the biological activity of acid hydrazones upon coordination, development of X-ray quality single crystals and its X-ray diffraction studies, studies on the redox behavior of the coordinated metal ions and correlation between the stereochemistry and biological activities.

Studies on Catalysis by Vanadia Supported On Metal Oxides

Catalysis is an essential technology in manufacturing industries. The investigation based on supported vanadia catalysts and it’s sulfated analogues. Vanadia is a transition metal oxide and is used in oxidation reactions in chemical industry. It is more active and selective catalysts on suitable supports. The work deals with preparation of vanadia incorporated tin oxide and zirconia systems by wet impregnation. Physico-chemical characterization using instrumental techniques like BET etc. The surface acidic properties were determined by the ammonia TPD studies, Perylene absorption studies and Cumene conversion reaction. The catalytic activities of the prepared systems are tested by Friedel-Crafts benzylation of arenes and Bechmann rearrangement of Cyclohexanol oxime. Here the rector reactions are relatively rare. So to test the application of the catalyst systems for the selective oxidation of cyclohexanol to cyclohexanone and finally evaluate the catalytic activity of the systems for the vapour phase oxidative dehydrogenation of Ethylbenzene, which leads to the formation of Industrially important compound ‘styrene’ is another objective of this work

Structural, Spectral, Biological and Electrochemical Studies Of Some 3d Transition Metal Complexes of O-N-S and N-N-S Donor Ligands

The primary aim of these investigations was to probe the spectroscopic, electrochemical, biological and single crystal X-ray diffraction studies of some selected transition metal complexes of 4N-monosubstituted thiosemicarbazones. Transition metal complexes with thiosemicarbazones exhibit a wide range of stereochemistries and possess potential biological activity. Metal complexes of thiosemicarbazones are proved to have improved pharmacological and therapeutic effects. The studies are conducted to bring about a fair understanding of the structure activity relationship and to develop certain effective and economical metal-based antimicrobial agents. Study showed that the thiosemicarbazones have antibacterial, antiviral and antiproliferative properties and hence used against tuberculosis, leprosy, psoriasis, rheumatism, trypanosomiasis and coccidiosis. Certain thiosemicarbazones showed a selective inhibition of HSV and HIV infections. The insolubility of most thiosemicarbazones in water causes difficulty in the oral administration in clinical practice. Transition metal complexes are found to have more activity than uncombined thiosemicarbazones. They exhibit a variety of denticity and can be varied by proper substitution. The stereochemistry assumed by the thiosemicarbazones during the coordination with transition metal ions depends on the factors such as preparative conditions and availability of additional bonding site in the ligand moiety and charge of the ligand. The resulting complexes exhibited a wide range of stereochemistries and have biomimic activity and potential application as sensors

Studies on Some Transition Metal Complexes of Schiff Bases Derived from Quinoxaline-2-carboxaldehyde

Two series of transition metal complexes of Schiff bases derived from quinoxaline-2-carboxaldehyde with semicarbazide (QSC) and furfurylamine (QFA) were synthesised and characterised by elemental analyses, molar conductance and magnetic susceptibility measurements, IR, electronic and EPR spectral studies. The QSC complexes have the general formula [M(QSC)Cl2]. A tetrahedral structure has been assigned for the Mn(II), Co(II) and Ni(II) complexes and a square-planar structure for the Cu(II) complex. The QFA complexes have the formula [M(QFA)2Cl2]. An octahedral structure has been assigned for these complexes. All of the complexes exhibit catalytic activity towards the oxidation of 3,5-di-tert-butylcatechol (DTBC) to 3,5-di-tert-butylquinone (DTBQ) using atmospheric oxygen. The cobalt(II) complex of the ligand QFA was found to be the most active catalyst.

Synthesis and Characterisation of New Transition Metal Complexes of Schiff Bases Derived from 3-hydroxyquinoxaline-2- carboxaldehyde and Application of Some ofthese Complexes as Hydrogenation and Oxidation Catalysts

The thesis deals with studies on the synthesis, characterisation and catalytic applications of some new transition metal complexes of the Schiff bases derived from 3-hydroxyquinoxaline 2-carboxaldehyde.. Schiff bases which are considered as ‘privileged ligands’ have the ability to stabilize different metals in different oxidation states and thus regulate the performance of metals in a large variety of catalytic transformations. The catalytic activity of the Schiff base complexes is highly dependant on the environment about the metal center and their conformational flexibility. Therefore it is to be expected that the introduction of bulky substituents near the coordination sites might lead to low symmetry complexes with enhanced catalytic properties. With this view new transition metal complexes of Schiff bases derived from 3-hydroxyquinoxaline-2-carboxaldehyde have been synthesised. These Schiff bases have more basic donor nitrogen atoms and the presence of the quinoxaline ring may be presumed to build a favourable topography and electronic environment in the immediate coordination sphere of the metal. The aldehyde was condensed with amines 1,8-diaminonaphthalene, 2,3-diaminomaleonitrile, 1,2-diaminocyclohexane, 2-aminophenol and 4-aminoantipyrine to give the respective Schiff bases. The oxovanadium(IV), copper(II) and ruthenium(II)complexes of these Schiff bases were synthesised and characterised. All the oxovanadium(IV) complexes have binuclear structure with a square pyramidal geometry. Ruthenium and copper form mononuclear complexes with the Schiff base derived from 4- aminoantipyrine while binuclear square planar complexes are formed with the other Schiff bases. The catalytic activity of the copper complexes was evaluated in the hydroxylation of phenol with hydrogen peroxide as oxidant. Catechol and hydroquinone are the major products. Catalytic properties of the oxovanadium(IV) complexes were evaluated in the oxidation of cyclohexene with hydrogen peroxide as the oxidant. Here allylic oxidation products rather than epoxides are formed as the major products. The ruthenium(II) complexes are found to be effective catalysts for the hydrogenation of benzene and toluene. The kinetics of hydrogenation was studied and a suitable mechanism has been proposed.

Electron-donating, acid-base, and magnetic properties of samaria catalyst

The electron-donor properties of Sm2O3 activated at 300, 500, and 800°C are reported from studies on the adsorption of electron acceptors of various electron affinities (electron affinity values in eV are given in parentheses): 7,7,8,8-tetracyanoquino-dimethane (2.84), 2,3,5,6-tetrachloro-1,4-benzoquinone (2.40), p-dinitrobenzene (1.77), and m-dinitrobenzene (1.26) in acetonitrile and 1,4-dioxane. The extent of electron transfer during the adsorption was determined from magnetic measurements. The acid-base properties of Sm2O3 at different activation temperatures are reported using a set of Hammett indicators. Electron donor-acceptor interactions at interfaces are important in elucidating the adhesion forces.

Transition metal complexes of quinoxaline based Schiff base ligands: Synthesis,characterization and catalytic activity study

Schiff base complexes of transition metal ions have played a significant role in coordination chemistry.The convenient route of synthesis and thermal stability of Schiff base complexes have contributed significantly for their possible applications in catalysis,biology,medicine and photonics.Significant variations in cataltytic activity with structure and type are observed for these complexes.The thesis deals with synthsis and characterization of transition metal complexes of quinoxaline based Schiff base ligands and their catalytic activity study.The Schiff bases synthesized in the present study are quinoxaline-2-carboxalidine-2-amino-5-methylphenol,3-hydroxyquinoxaline-2-carboxalidine-2-amino-5-methylphenol,quinoxaline-2-aminothiophenol.They provide great structural diversity during complexation.To the best of our knowledge, the transition metal complexes of quinoxaline based Schiff bases are poorly utilised in academic and industrial research.