Développement de composés conjugués en étoile de première génération incluant des liens azométhines et études électrochimiques et photophysiques

Les matériaux conjugués sont de nos jours très utilisés dans de nombreuses applications ainsi qu’en recherche. L’enchainement des liaisons π-σ-π permet la délocalisation des électrons et d’obtenir différentes propriétés comme la conduction, la fluorescence, la chélation, etc. Ainsi, de nombreux dispositifs utilisent ces caractéristiques en vue d’obtenir de nouveaux matériaux révolutionnaires comme les cellules solaires, les transistors à effet de champs, les dispositifs électrochromiques, etc.. Les dispositifs électrochromiques font partie des dispositifs en vogue. Ils sont capables de changer de couleur selon le potentiel électrique appliqué. Ils se distinguent par la simplicité du mode de conception et ils ne nécessitent pas de fonctionner dans des conditions drastiques comme une atmosphère contrôlée. Ces dispositifs sont actuellement utilisés et commercialisés comme fenêtre intelligente, camouflage, papier électronique et carte de visite personnalisée pour n’en nommer que quelques-uns. Deux propriétés sont essentielles pour que des composés puissent être utilisés dans ces familles de dispositifs : la réversibilité à l’oxydation et la stabilité à l’air et à la lumière. Dans le groupe de recherche du professeur W.G. Skene, l’axe principal de recherche est basé sur la conception de nouveaux matériaux conducteurs comportant des liaisons azométhines. Les principaux matériaux étudiés sont des dérivés de thiophènes et de fluorènes. De précédents résultats ont montré que plusieurs produits issus de la réaction de condensation entre les dérivés du 2,5-diaminothiophène et de thiophènes diformylés menaient à des produits possédant d’excellentes propriétés photophysiques et électrochimiques. C’est en partant de ces résultats encourageants qu’il a été choisi de synthétiser une nouvelle famille de produits avec un nouveau substrat fonctionnalisé. Ce dernier possède d’excellentes propriétés électrochimiques et photophysiques : la triphénylamine. Deux familles de produits ont été synthétisées qui possèdent toutes comme cœur une triphénylamine. Cette dernière a été modifiée de façon à créer une, deux ou trois liaisons azométhines avec différents thiophènes. Deux dérivés du thiophène ont été choisis afin d’étudier l’influence des groupements donneurs et accepteurs sur ces nouveaux types de composés encore jamais étudiés. Les résultats des différentes synthèses et analyses ont été effectués par RMN, spectrométrie de masse, spectrométrie d’absorbance UV-Visible, fluorescence et voltampérométrie cyclique sont rapportées dans le présent recueil.Conjugated materials are been used in many applications and fundamental research, owing in part to their high degree of conjugation. They further have opto-electronic properties that are compatible for use as conjugated materials in many devices including solar cells, organic field effect transistors, organic light emitting diodes and electrochromic devices. The latter are of particular interest because their colors that can be changed when a potential is applied. The advantage of these color switching materials compared to other opto-electronic devices is their simple fabrication that can be done under ambient conditions. Electrochromic devices have found many consumer applications including mirrors, tunable windows, camouflage and electronic paper, to name a few examples. The focus of our research group is the preparation of new conjugated materials based on azomethine. Previous efforts from the group demonstrated that azomethines having the required properties for use in electrochromic devices (electrochemical reversibility and air stability) were possible when using a 2,5-diaminothiophene derivative as a building block. It was also demonstrated that color tuning of both the neutral and oxidized states was possible when coupling 2,5-diaminothiophene with various heterocyclic arylaldehydes. Despite the many examples of azomethines studied in our group, fundamental structure-property relationships of these conjugated materials are still not understood. The objective of this thesis was therefore to prepare to new conjugated azomethines from triarylamine aldehydes. The objective was also to examine the opto-electronic properties of these novel azomethines, including the effect of the degree of conjugation and type of triphenylamine aldehyde precursor on the absorbance, electrochemical properties, and fluorescence

Nanoparticules organiques ultra-brillantes pour l'imagerie biologique

During the last decades, luminescent inorganic nanoparticles have attracted a large interest in different fields including biological imaging. However, a number of them have drawbacks such as toxicity and absence of biodegradability. Recently, molecular-based fluorescent organic nanoparticles (FONs) have emerged as a promising alternative to inorganic nanoparticles for bioimaging. The main challenge lies in the elaboration of organic nanoparticles that combine large brightness, good colloidal stability in biological environments) and biocompatibility as well as NIR emission (to allow improved detection in thick tissues). To achieve this objective, we have implemented a molecular engineering strategy based on dedicated polar and polarizable "push pull" chromophore built from a triphenylamine donor moiety and a specific pi-conjugated system. The corresponding nanoparticles were readily prepared by the reprecipitation method. In the present manuscript, the synthesis of the chromophores and the preparation and characterization of the organic fluorescent nanoparticles is described. A comprehensive investigation of their photophysical properties and study of their colloidal stability is presented allowing to derive structure-property relationships. The implemented study led to innovative NIR-emitting nanoparticles combining large brightness (superior to those of QDs and NIR-emitting organic dyes), remarkable colloid stability and suitable photostability. These nanoparticles have been successfully used for single particle tracking and imaging in cells, while no toxic effect was observed.Les nanoparticules inorganiques luminescentes ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières décennies, notamment pour leur application en imagerie biologique. Un certain nombre d’entre elles présentent toutefois des limitations telles que toxicité, absence de biodégradabilité, faible brillance, clignotements…. Dans cette optique, les nanoparticules fluorescentes à base de petites molécules organiques (FONs) offrent une solution alternative prometteuse aux nanoparticules inorganiques pour l'imagerie biologique. Le principal défi réside dans l'élaboration des nanoparticules organiques possédant une brillance élevée, une bonne stabilité dans l'eau (y compris en milieu biologique), une bonne biocompatibilité ainsi qu'une émission accordable dans le visible et au-delà dans le proche infrarouge (pour une détection plus aisée en milieu diffusant). Dans cette optique, nous avons utilisé une stratégie basée sur l’utilisation de chromophores dipolaires de type "push pull" « adaptés ». Au cours du travail, la synthèse de séries de chromophores homologues bâtis sur le même système conjugué et ayant en commun un groupe donneur de type triphénylamine (destiné à préserver les propriétés de luminescence) présentant ou non des motifs encombrants positionnés a été réalisée. Les nanoparticules correspondantes ont été préparées selon un protocole classique, simple et rapide à mettre en oeuvre (précipitation). L’étude des propriétés photophysiques des nanoparticules organiques fluorescentes ainsi obtenues a été réalisée et mise en perspective avec celles des chromophores en solution dans des solvants organiques de polarité variable. Une étude systématique de l’évolution dans le temps des propriétés optiques des nanoparticules organiques a été réalisée permettant de mettre en lumière des relations entre la structure des sous-unités chromophoriques et la stabilité colloïdale et « optique » des nanoparticules. Ces études ont permis d’identifier des nanoparticules émettant dans le proche infrarouge extrêmement brillantes et présentant une stabilité colloïdale remarquable dans l’eau, une photostabilité accrue et une très bonne biocompatibilité. De ce fait, ces nanoparticules ont pu être utilisées avec succès dans l'imagerie biologique des cellules et le suivi (tracking) à l'échelle de la particule unique, démontrant l'intérêt de la démarche d'ingénierie mise en oeuvre

Des copolymères à blocs à base de triphénylamine pour l’élaboration de cellules solaires organiques

National audienc

Systèmes conjugués à base de triphénylamine pour l’électronique et la photonique

National audienc

Réaction de photocyclodéshydrogénation par catalyse photorédox

Cette thèse présente une nouvelle méthode pour accomplir la réaction de Mallory en utilisant la lumière visible. Pour atteindre ce but, la chimie photorédox qui s'est développée ces dernières années permettra une utilisation efficace de la lumière visible. De plus, la chimie en flux continu sera utilisé afin d'augmenter la surface irradiée du mélange réactionnel. Au cours de ces travaux, une nouvelle méthodologie photochimique utilisant un photocatalyseur de cuivre avec la lumière visible a été efficace pour la synthèse du 5hélicène. Un mécanisme de désactivation oxydante est proposé pour cette réaction. Par ailleurs, cette nouvelle méthodologie a été utilisée pour la synthèse d'un dérivé du 5hélicène et d'un 4hélicène-pyrène hybride. Par la suite, la méthodologie photochimique utilisant un photocatalyseur de cuivre avec la lumière visible a servi à la synthèse de divers carbazoles substitués au niveau de l'azote par des groupements aryles et alkyles. Au cours de cette synthèse, la réaction a révélé un problème de régiosélectivité. Ce dernier a été étudié par la synthèse de nouvelles triarylamines. Finalement, il a été découvert que l'utilisation d'un photocatalyseur de fer peut remplacer le photocatalyseur de cuivre en utilisant l'oxygène comme oxydant pour la synthèse de 9-phénylcarbazole.This thesis presents a new method to perform the Mallory reaction by using visible light. To achieve this goal, photoredox chemistry which has emerged recently, was used to effect efficient use of visible light. Moreover, continuous flow chemistry was used to increase the irradiated reaction mixture surface. During this work, a new photochemical method using a copper photocatalyst and visible light proved efficient for the synthesis of 5helicene. An oxidative quenching mechanism was proposed for this transformation. Also, this new method was used for the synthesis of a 5helicene derivative and a 4helicene-pyrene hybrid. The photochemical method featuring a copper photocatalyst with visible light was used next for the synthesis of various carbazoles substituted by alkyl and aryl groups at the nitrogen position. During this synthesis, the reaction exhibited a regioselective issue that was further studied in the synthesis of new triarylamines. Finally, it was discovered that an iron photocatalyst can replace the copper photocatalyst by using oxygen as the oxidant in the synthesis of 9-phenylcarbazole

Incorporation des principes de la chimie verte dans la synthèse de semi-conducteurs organiques

This work stands for an alternative and green synthesis of new linear conjugated systems that will serve for applications in organic electronics.The first part is devoted to the design and synthesis of D-A-type conjugated systems by a combination of green reactions: nucleophilic aromatic substitution and Knoevenagel condensation, which are performed in water and ethanol, respectively. Also, a green methodology will be applied to the Stille cross-coupling by using ionic liquid, or polymer,-supported reagents. By this new approach, efficient donor materials for solar cells have been produced.The second part will focus on the relationships between the structure, the solid state organization and the luminescence of distyrylfurans with the variation of thearomatic substituants. The center of the molecule, a furan, is produced from biomass, and the aromatic substituants are incorporated by Knoevenagel condensation. A similar study will be performed on two benzodifuran derivatives, which will be also tested for solar cell applications.Les travaux réalisés aux cours de cette thèse ont pour but de proposer une alternative verte à la synthèse de nouveaux systèmes conjugués linéaires pour des applications en électronique plastique. La première partie sera consacrée à l’élaboration de systèmes conjugués de type D-A par une combinaison de réactions vertes : substitution nucléophile aromatique et condensation de Knoevenagel réalisées,respectivement, dans l’eau et l’éthanol. De plus, une nouvelle méthodologie sera explorée pour rendre le couplage de Stille plus éco-compatible : l’utilisation de réactifs stannylés supportés sur liquide ionique ou billes de polymère. Par cette nouvelle approche, de nouvelles structures moléculaires ont été synthétisées et ont aussi montré leur efficacité comme matériau donneur pour cellules solaires organiques.La deuxième partie s’intéressera aux relations entre structure, organisation à l’état solide et luminescence des distyrylfuranes, lorsque les substituants aromatiques latéraux varient. Le coeur furane est produit à partir de la biomasse, et les substituants sont insérés par condensation de Knoevenagel. Une étude similaire sera mise en place pour deux dérivés de benzodifurane,qui seront en plus testés en tant que matériau donneur

Ingéniérie, synthèse et étude de chromophores organiques et organométalliques pour cellules solaires à colorant

Le principal objectif de ce travail de thèse était d imaginer, de synthétiser et de caractériser de nouveaux chromophores push-pull pour finalement évaluer leurs propriétés photovoltaïques en cellules solaires à colorant. Deux approches distinctes ont été développées : i) la première consiste en l élaboration de chromophores tout-organiques de type push-pull basés sur un motif électro-donneur carbazole à potentiel d oxydation élevé. Ces nouveaux colorants ont été conçus dans le but d être utilisés avec des électrolytes à potentiel standard supérieur à celui du couple rédox I-/I3- ; ii) la seconde approche est basée sur un nouveau concept de chromophores organométalliques de type ruthénium-acétylure. Ces chromophores ont été développés dans le but de combiner à la fois les propriétés avantageuses d une structure de type push-pull et les transferts de charges (MLCT) impliquant le motif [Ru(dppe)2], également connu pour constituer un excellent relai électronique.The aim of this PhD research work was to design, synthesize and characterize new push-pull chromophores and finally to determine their photovoltaic properties in dye-sensitized solar cells. Two different approaches were developed: i) the first one consists in the preparation of metal-free organic push-pull chromophores based on a carbazole electron-donor part presenting high oxidation potential. These new chromophores were designed in view of being used with electrolytes showing standard potential superior to that of I-/I3-; redox couple ii) the second approach is based on a new concept of ruthenium-diacetylide organometallic complex dyes. These chromophores were developed in order to combine the advantageous properties of a push-pull structure and the charge transfer processes (MLCT) due to the [Ru(dppe)2] metal fragment, also known as an excellent electron relay.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Molécules conjuguées pour le photovoltaïque organique : impact de la rigidification sur les propriétés des matériaux

The development of the so-called organic photovoltaics (OPVs) still requires technological as well as chemical advances through the elaboration of new photoactive materials. Active layer of devices is typically composed of two organic semiconductors, one electron-acceptor and one electron-donor respectively. During this work, rigidification by covalent bridging was applied to three different kinds of molecular donors to assess its impact on the materials electronic properties. First, two series of covalently bridged dicyanovinyl(DCV) end-capped quaterthiophene derivatives have been synthesized. A methylene bridge on the central bithiophene unit leads to a significant bathochromic shift of the absorption spectrum associated with a raising of the HOMO level. Their potential as donor material has been evaluated in solar cells. Power conversion efficiencies ranging from 2% to 3.4% can be achieved in bilayers structures according to the length of the alkyl chains introduced on the bridged bithiophene moiety. Then, the use of a rigid thieno[2,3-b]indoleheterocycle allowed us to design, synthesize and characterize the smallest push-pull molecule able to reach 1% efficiency. It is worth noting that extending the conjugation length of this molecule by adding one thiophene unit leads to an increase of the efficiency up to 3.1%. Finally, a molecular donor built from a bridged dithienyldicyanoethylene core functionalized at both sides by a triphenylamine unit was studied and led to less efficient OPV cells (0.3%) than its unbridged counterpart (1.1%).Le développement du photovoltaïque organique(OPV), passe à la fois par des progrès technologiques et par l’élaboration de nouveaux matériaux photoactifs. Au sein des dispositifs se trouvent en général deux types de semi-conducteurs organiques, l’un accepteur d’électrons,l’autre donneur.Au cours de ce travail, différentes stratégies de rigidification par pontage covalent ont été appliquées à trois familles de donneurs moléculaires afin d’en étudier l’impact sur leurs propriétés électroniques. Dans un premier temps, deux séries de dérivés pontés du quaterthiophène substitué en positions terminales par des groupements dicyanovinyles ont été synthétisées. La présence d’un pont méthylène au niveau du bithiophène central induit un décalage du spectre d’absorption vers les faibles énergies en élevant le niveau HOMO de la molécule. Leur potentiel comme matériaux donneurs a, par la suite, été évalué au sein de dispositifs solaires. Ainsi, selon la longueur des chaînes alkyles introduites sur le pont, des rendements de photoconversion de 2% à 3,4% sont atteints en cellules bicouches. Puis, dans un second temps, l’utilisation de l’hétérocycle rigide thiéno[2,3-b]indole a permis de concevoir la plus petite molécule push-pull à atteindre 1%d’efficacité. Un rendement de 3,1% est obtenu lorsque le système conjugué est étendu d’une unité thiophène. Enfin, un donneur moléculaire construit autour d’un dithién-2-yldicyanoéthylène ponté, fonctionnalisé en périphérie par des unités triphénylamine, conduit à des cellules moins performantes (0,3%) que son homologue non ponté (1,1%)

Modulation des propriétés de surfaces par des liaisons réversibles

Les azométhines contiennent des liaisons covalentes qui peuvent se former de façon réversible entre une amine et un aldéhyde. Cette réversibilité peut être exploitée pour échanger leurs composantes constitutionnelles. Les propriétés intrinsèques des azométhines peuvent être modulées en échangeant les composantes amines ou aldéhydes. L’échange des composantes constitutionnelles est possible en solution. Toutefois, les produits échangés doivent être purifiés pour éliminer les divers réactifs et produits échangés indésirables. Il est donc avantageux de simplifier l’étape de purification pour isoler le produit échangé désiré. Un moyen possible pour atteindre cet objectif est d’immobiliser l’amine ou l’aldéhyde sur une surface. Dans ce cas, les produits échangés souhaités peuvent être facilement isolés en rinçant la surface à la suite de cet échange. À cette fin, un monomère d’aldéhyde électroactif dérivé de la triphénylamine a été préparé. Il a été polymérisé thermiquement sur une électrode transparente. La polymérisation a été confirmée par les spectroscopies FT-IR ATR et Raman. Une série d’amines (aminocoumarines et diaminobenzothiadiazole) présentant chacune une couleur unique, une longueur d’émission et un potentiel d’oxydation électrochimique ont été choisis. Leur formation en azométhine et leur échange dynamique sur film mince d’aldéhyde électroactif ont donc pu être suivis électrochimiquement, par des spectroscopies UV-visibles et Raman, et par la fluorescence. Des composés modèles de ces fluorophores azométhines ont également été préparés pour l’analyse comparative de leurs propriétés électrochimiques et spectroscopiques, ainsi que pour la confirmation de l’échange des composantes. Il a été montré que les propriétés multiples (potentiel redox, couleur, longueur d’onde et rendement d’émission) du film électroactif pouvaient être simultanément modulées par la formation réversible d’azométhine. En immobilisant les azométhines sur une surface, leurs propriétés pourraient être modifiées de façon réversible par échange des composantes, soit en immergeant le substrat dans une solution d’amine, soit en enduisant la surface d’un jet d’amine suivi d’un rinçage. Ce processus direct permet de développer des surfaces dont les propriétés peuvent être constamment modifiées, tout en ouvrant la possibilité de réparer la surface et de restaurer les propriétés souhaitées par un échange dynamique de composantes.Azomethines incorporate covalent bonds that can be reversibly formed between an amine and aldehyde. This reversibility can be exploited to exchange their constitutional components. The intrinsic properties of the azomethines can be modulated by exchanging either the amine or the aldehyde components. Exchanging the constitutional components is possible in solution. However, the exchanged products must be purified to remove the various reagents and undesired exchanged products. It is therefore advantageous to simplify the purification step for isolating the desired exchanged product. A possible means towards this goal is by immobilizing either the amine or the aldehyde on a surface. In such a case, the desired exchanged products can be readily isolated by rinsing the surface following the dynamic component exchange. Towards this end, an electroactive aldehyde monomer derived from triphenylamine was prepared. It was thermally polymerized on a transparent electrode. Polymerization was confirmed by FT-IR ATR and Raman spectroscopies. A series of amines (aminocoumarin and diaminobenzothiadiazole) each with a unique color, emission wavelength and electrochemical oxidation potential were chosen. Their azomethine formation and dynamic exchange with the electroactive aldehyde thin film could therefore be tracked electrochemically, by UV-visible and Raman spectroscopies, and by fluorescence. Model compounds of these azomethine fluorophores were also prepared for benchmarking their electrochemical and spectroscopic properties along with confirming component exchange. It was shown that multiple properties (redox potentials, color, emission wavelength, and emission yield) of the electroactive film could be simultaneously modulated by reversible azomethine formation. By immobilizing the azomethines on a surface, their properties could be reversibly modified by component exchange by either dipping the substrate in an amine solution or coating the surface with a spray of amine followed by rinsing. This straight-forward process provides the means for developing surfaces whose properties can be perpetually modified, while opening the possibility of repairing the surface and restoring desired properties by dynamic component exchange