Transfert de charge et d’énergie dans les dyades et oligomères de porphyrine

Abstract

Résumé : Le travail de recherche présenté dans ce mémoire fut inspiré par le processus de la photosynthèse qui se produit chez les plantes. Au cours de ce processus l’énergie solaire est convertie en énergie chimique via différentes étapes de transferts d’électrons et d’énergie. En maîtrisant bien ces concepts, de nombreuses applications, telles que les cellules photovoltaïques ou les DEL (Diodes électro-luminescentes) peuvent être améliorées. Pour se faire, il est important d’optimiser les propriétés des matériaux existants (oligomères, polymères, etc…) en préparant des systèmes conjugués plus efficaces, mais aussi de pleinement comprendre les processus qui s’y produisent (processus de transferts d’électrons et d’énergie photo-induist). La série d’oligomères et de polymères présentée dans ce mémoire le sont pour leurs applications dans des systèmes photoniques. Dans cette optique, ce mémoire a été divisé en cinq grands chapitres. Le premier présente les principes théoriques de la photophysique. Le second présente le suivi du transfert d’énergie T[indice inférieur 1] dans les états triplets, T[indice inférieur 1], une dyade constituée de la tétraphénylporphyrine de zinc(II), [ZnTPP], et de la bis(phénylpyridinato)(bipyridine) d’iridium(III), [Ir], chromophores liés avec un pont trans-diéthynylbis(phosphine)-platine(II). Malgré que cette dyade soit entièrement conjuguée et qu’elle soit constituée d’un donneur ([ZnTPP]) et d’un accepteur ([Ir]), aucun transfert d’énergie T[indice inférieur 1] [Ir] → S[indice inférieur 1]/T[indice inférieur 1] [ZnTTP] n’a été observé. Ce résultat fut attribué à l’absence de recouvrement des orbitales moléculaires entre la HSOMO(donneur*) et la HSOMO(accepteur), LSOMO(accepteur) and LSOMO (donneur*) (mécanisme de Dexter). Ainsi, l’échange d’électrons est impossible. Ce chapitre suggère que l’équation de Dexter, k[indice inférieur Dexter] = KJexp(-2r[indice inférieur DA]/L) ne reste qu’une approximation. Ce travail a été publié dans ChemComm (2013, 49, 5544-5546). Le troisième chapitre présente le transfert d’énergie singulet beaucoup lent qu’attendu se produisant dans une dyade constituée d’une porphyrine de zinc(II) avec une porphyrine base libre liées par un pont palladium(II) (trans-PdI[indice inférieur 2]). Sachant que cette dyade est entièrement conjuguée et que la distance entre les deux centres de masse des porphyrines est relativement courte, ce système aurait dû présenter un transfert d’énergie très rapide, d’après la théorie de Förster. Dans ce cas, ce comportement a été expliqué par le faible recouvrement des orbitales frontières (OM) du donneur et de l’accepteur. Ce travail a été accepté le 2014-05-26 dans Chemistry – A European Journal (chem.201403146). Le quatrième chapitre rapporte une étude du transfert d’énergie ultra-rapide (650 fs) entre des états singulets dans une dyade composé d’une porphyrine de zinc(II) (le donneur) et une porphyrine base libre (l’accepteur) liées à l’aide d’un pont de palladium ([beta],[beta]--trans-Pd(NH)[indice inférieur 2](CO)[indice inférieur 2]). Ces résultats ont été attribués à la présence d’un couplage fort entre les OM du donneur et de l’accepteur et de la très faible contribution (atomique) du Pd(II) vers ces OM. Cette dyade montre la plus rapide constante de transfert d’énergie k[indice inférieur ET] que nous connaissons pour des dyades similaires contentant un fragment métallique. Les résultats du troisième et quatrième chapitre montrent que la théorie de Förster tel quel ne suffit pas pour prédire les vitesses de transferts d’énergie dans certains systèmes : d’autres facteurs doivent être pris en compte. Ce travail a été soumis dans JACS ( ja-2014-061774, 19-6-2014). Dans le cinquième chapitre de ce mémoire, la synthèse du bis(-[alpha]-(amino(4-éthynylbenzene (triméthylsilane)(R))))bis(4-éthynylbenzene-(triméthylsilane))quinone diimine (R= H, Boc) comme modèle pour des polymères conjugués et non-conjugués contenant le colorant porphyrine a été proposée. Le corps du composé désiré (tétrakis(4-éthynlyphenyl)quinone-1,4-diimine-2,5-diamine) a montré un transfert de charge partant des groupes terminaux riches en électrons une la benzoquinone centrale plus pauvre. La nature de l’émission fut observée uniquement à 77K pour le cas où R = H et fut attribuée à de la fluorescence. À température ambiante, l’intensité était trop faible pour être observée. Dans le cas où R = Boc, aucune emission n’a été détectée. Malheureusement, le composé espéré ne fut pas obtenu, le procédé de synthèse employé engendra uniquement la forme réduite. Cette forme fut malgré tous analysé, et ne présenta pas de transfert de charge ni de communication entre les différents chromophores. Ceci a été expliqué simplement par le fait que la conjugaison est brisée quand ce composé est sous sa forme réduite. Ce travail sera soumis au Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. // Abstract : The research work presented in this master thesis is inspired by the photosynthetic process occurring in plants where solar energy is converted into chemical energy via several energy and electron transfer processes. In the light of these concepts, several applications such as solar cells and light emitting diodes can be improved. To do so, we need to optimize the properties of polyads, oligomers and polymers to device more efficient conjugated materials as well as developing a full understanding of the photo-induced energy and electron transfer processes that occur. Several organometallic oligomers and polymers are presented in this thesis due to their potential photonic applications. In this respect, this master thesis has five chapters. The first one introduces some theoritical principles of photophysics. The second one presents the monitoring of triplet state (T[subscript 1]) energy transfer in a dyad that consists of zinc(II)tetraphenylporphyrin, [ZnTPP], and bis(phenylpyridinato)-(bipyridine)iridium(III), [Ir], chromophores linked by a platinum(II) containing bridge. Despite the conjugation in this dyad and the presence of the [ZnTPP] energy donor and the [Ir] energy acceptor species, no T[subscript 1] [Ir] → S[subscript 1]/T[subscript 1] [ZnTTP] energy transfer occurs. This result was explained by the absence of MO overlap between HSOMO(donor*) and HSOMO(acceptor), LSOMO(donor*) and LSOMO(acceptor) , and hence no efficient double electron transfer exchange (i.e. Dexter mechanism) is likely to occur. This chapter suggested that Dexter formulation, k[subscript Dexter] = KJexp(-2r[subscript DA]/L), appears as an approximation. This work has been published in ChemComm (2013, 49, 5544-5546). The third chapter shows an unexpected slow singlet energy transfer in a dyad built upon a zinc(II)porphyrin and the corresponding free base chromophores linked by a palladium(II)- containing bridge (trans-PdI[subscript 2]), despite the presence of conjugation and the relative short center-to-center distance. This behavior was explained by two factors, the first is the lack of large molecular orbitals (MOs) overlaps between the frontier MOs of the donor and acceptor, and thus preventing a double electron exchange to occur through the trans-PdI[subscript 2] bridge. The second factor affected the energy transfer is the electronic shielding induced by the presence of this same linker, namely the electron rich iodides, preventing the two VI chromophores to fully interact via their transition dipoles. This work has been accepted on 2014-05-26 in Chemistry-A European Journal (chem.201403146). The fourth chapter reports an ultrafast singlet energy transfer (650 fs) in a dyad composed of a zinc(II)porphyrin (donor) and a free base porphyrin (acceptor) [beta],[beta]-linked via trans- Pd(NH)[subscript2](C=O)[subscript 2]. These results were explained by the presence of strong MO couplings of the donor and acceptor and the very weak atomic contribution of the Pd(II) atom to this MO. This dyad shows the fastest energy transfer rate k[subscript ET] among other similar dyad systems incorporating a bridge either in the form of a metal fragment or carbon-based. The results of these third and fourth chapters showed that the Förster mechanism is not enough to account for the energy transfer in some systems and other factors affect that transfer. This work has been submitted in JACS ( ja-2014-061774, 19-6-2014). In chapter 5, the synthesis of bis-[alpha]-(amino(4-ethynylbenzene (trimethylsilane)(R))bis(4- ethynylbenzene-(trimethylsilane))quinone diimine (R = H, Boc) as a model for conjugated and unconjugated porphyrin dye polymers was proposed. The central core of the desired compound, tetrakis(4-ethynlypenyl)quinone-1,4-diimine-2,5-diamine, provided evidence for a charge transfer interaction from the electron richer terminal groups to be more electron poorer benzoquinone ring. The nature of the emission of the core compound was found to be fluorescence at 77K for the case R = H but was too weak to be observed at 298K. No emission was detected for the case R = Boc. Unfortunately, the synthetic route of the desired compound gave the reduced form. The analyses of the reduced compound showed the complete absence of the charge transfer or any communication between the different chromophores due to the broken conjugation between the porphyrin units in the reduced product. This work will be submitted to Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials.