Ce travail est consacré à la synthèse et à la caractérisation de commutateurs et de fils moléculaires. La première partie est une étude bibliographique qui présente les avantages et les applications des unités moléculaires utilisées dans le contexte de l’électronique moléculaire. La deuxième partie de ce manuscrit traite de la préparation, des études électrochimiques et photophysiques de complexes de ruthénium bimétalliques portant un coeur triarylamine. Le but est ici de moduler la luminescence de ce cœur en changeant l’état redox des groupements acetylure de ruthénium. Dans la troisième partie, des combinaisons de précurseurs de complexes de Ln (Ln = Eu ou Yb) et de groupements vinyl-ruthénium redox-actifs ont été formées afin de moduler la luminescence des centres Ln via l’oxydation des groupements vinyl-ruthénium. La quatrième partie décrit l'association d'un précurseur de complexe de Ln (Ln = Eu ou Yb) à un ligand portant une unité dithienylethene (DTE), afin de commuter l'émission de lumière du centre Ln. Ces composés ont été synthétisés avec succès et leur luminescence a été reversiblement modulée par irradiation lumineuse. Dans la dernière partie, nous décrivons la synthèse d'une série de fils moléculaires composée de complexes bis(acetylure) de ruthénium (II) terminés par des groupes fonctionnels amine, et comprenant un complexe bimétallique photochrome avec une unité DTE. Ces molécules ont été conçues de manière à être insérées entre deux électrodes de graphène pour étudier leur conductance dans les différents états redox. En outre, le complexe photochrome doit pouvoir permettre la commutation de la conductance par voie optique et électrochimique dans des jonctions moléculaires de graphène. / This work is devoted to the synthesis and characterization of novel molecular switches and wires that incorporate ruthenium organometallic moieties. First, a bibliographic chapter presents the advantages and applications of the building blocks used in the following chapters and discuss the general context of molecular electronics. The second part of this manuscript deals with preparation, electrochemical and photophysical studies of bimetallic ruthenium complexes bearing a triarylamine core. The goal is to modulate the luminescence of this core by changing the states of the redox-active ruthenium acetylide moieties. In the third part, combinations of Ln (Ln = Eu or Yb) complexes and redox-active ruthenium vinyl bipyridine moieties were formed in order to tune the luminescence of Ln center via oxidation of the redox-active ruthenium vinyl moieties. The fourth part describes an association of a Ln (Ln = Eu or Yb) precursor and a ligand bearing a dithienylethene (DTE) unit, in order to commute the light emission of the Ln center. These DTE-Ln compounds were successfully synthesized and their luminescence was reversiblely modulated by photo irradiation. In the last part, we report the synthesis of a series of redox-active molecular wires, which are ruthenium (II) bis(σ-arylacetylide) complexes terminated with amine functional groups, one of them including a photochromic DTE unit. These molecules are designed to covalently bridge a gap between graphene electrodes for probing the electrochemical gating of conductance via oxidation of the molecules. Furthermore, the photochromic complex should allow combined optical and electrochemical conductance switching in single molecule graphene junctions.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les résultats présentés dans ce mémoire portent sur l'étude des complexes de ruthénium à ligand phosphinidène terminal Ru(η6-arène)(L)(=PR) (arène = benzène, p-cymène, tri-iso-propylbenzène; L = phosphine, phosphite, isonitrile ; R = benzène, tri-tert-butylbenzène, ferrocénylméthyle).<br /> La première partie est une mise au point bibliographique sur la chimie des complexes phosphinidènes stables. Nous avons rappelé le mode de liaison métal-phosphinidène, les différentes voies d'accès à ces composés, leurs caractéristiques spectroscopiques et structurales ainsi que leur réactivité.<br /> La seconde partie est consacrée à la synthèse des complexes phosphinidènes nucléophiles de ruthénium. Deux méthodes de synthèse, la transmétallation et la déhydrohalogénation, ont été utilisées pour accéder à ces composés. L'influence des effets stériques et électroniques des ligands et du substituant porté par le phosphinidène, sur la nature des complexes et de leurs propriétés spectroscopiques et structurales a également été examinée en détail.<br /> Enfin, dans la dernière partie, la réactivité des complexes de ruthénium a été développée. Ce travail a permis de mettre en évidence le comportement ambivalent de ces composés. En effet, si leur caractère nucléophile se traduit par une réactivité avec les électrophiles (acides de Lewis et de Brönsted, halogénures d'alkyle), les complexes phosphinidènes peuvent réagir avec des espèces riches en électrons comme les alcynes. Une étude mécanistique approfondie a montré le rôle déterminant joué par les effets stériques dans ce comportement des complexes phosphinidènes. Enfin, une réactivité tout à fait originale a été décrite avec les oxydants et principalement l'oxygène. Dans ce cas, elle a permis la synthèse et la caractérisation des premiers métaphosphonates monomères. Ils sont stabilisés par complexation sur un fragment organométallique de ruthénium et présentent un mode de coordination η2-PO totalement inédit dans la littérature. Par ailleurs, cette complexation induit un comportement nucléophile inattendu puisque les métaphosphonates libres sont connus pour être des électrophiles puissants.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La thérapie photodynamique (PDT) est utilisée actuellement pour traiter certains cancers accessibles par irradiation laser. Son principe repose sur l'action combinée de la lumière et d'un principe actif nommé photosensibilisant (PS). La molécule photosensible génère des espèces réactives de l'oxygène sous l'action d'un rayonnement spécifique. Ces espèces sont fortement réactives et entrainent la mort des cellules alentour. Plusieurs facteurs limitent cependant l'efficacité de ce traitement. Dans cette optique, l'encapsulation d'un PS de seconde génération, le Foscan®, a conduit à la formation de nanoparticules qui ont été caractérisées et dont l'effet PDT a été étudié sur des cellules gliomales C6. Les nanoparticules présentent l'avantage de contrôler la solubilité du système, d'affiner le ciblage des traitements et de pouvoir adapter les doses de traitement. Le confinement du PS au sein de la nanoparticule peut permettre de réduire des effets secondaires et d'augmenter la concentration en principe actif au sein des tissus tumoraux. Par la suite, des nanoparticules chargées en complexes de ruthénium(II) ont été caractérisées. Ces complexes présentent des propriétés optiques adéquates pour de telles applications. De plus, une excitation biphotonique est réalisable, permettant d'augmenter la sélectivité et la profondeur du traitement. Des études préliminaires de l'effet PDT par excitation biphotonique ont été effectuées. / Photodynamic therapy (PDT) is currently used to treat certain cancers accessible by laser irradiation. Its principle is based on the combined action of light and a drug called photosensitizer (PS). The photosensitive molecule generates reactive oxygen species through the action of a specific radiation. These species are highly reactive, entailing the death of surrounding cells. However, several factors limit the effectiveness of this treatment. In this context, the encapsulation of a second-generation PS, Foscan®, led to the formation of nanoparticles that have been characterized and whose PDT effect was studied on C6 glioma cells. The nanoparticles have the advantage of controlling the solubility of the system, better targeting of treatment and to adjust the dose of treatment. Containment of the PS inside nanoparticles can reduce side effects and increase the concentration of active drug in tumor tissues. Thereafter, the nanoparticles loaded with ruthenium(II) complexes have been characterized. These complexes show optical properties suitable for such applications. In addition, a two-photon excitation is possible, improving the selectivity and increasing the depth of treatment. Preliminary studies of the effect of PDT photon excitation were performed.

Alors que les besoins en énergie de nos sociétés modernes ne cessent de croître, et que la prise en compte des enjeux environnementaux occupe une place de plus en plus importante dans le développement de nouvelles technologies, la mise au point de procédés de production d’hydrogène utilisant des ressources renouvelables, telles que le rayonnement solaire comme source d'énergie ou l’eau comme donneur d’électrons et de protons, est un enjeu de toute première nécessité. Ce travail de thèse s’inscrit dans la continuité des études menées au sein de l’équipe « SolHyCat » du Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux sur le développement de systèmes électro- et photocatalytiques pour la réduction des protons en H2. Dans cette perspective, nous avons ainsi contribué à l’élaboration d’une photocathode moléculaire de production de H2 à travers la compréhension de différents paramètres moléculaires relatifs à sa construction. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la construction d’un lien covalent entre un motif photosensibilisateur et un centre catalytique de réduction des protons via la synthèse de dyades modèles. En parallèle, nous avons développé une méthodologie de synthèse permettant l’introduction de groupements d’ancrage robustes dans la sphère de coordination de photosensibilisateurs métallo-organiques. Enfin, l'étude des propriétés électrochimiques d'une nouvelle série de catalyseurs de réduction des protons à sphère de coordination polypyridinique a été étudiée. / There is an urgent need to provide solutions for the energetic challenge our planet has to face. The production of “environmentally friendly” fuels such as dihydrogen H2 through sunlight-driven water splitting holds great promise. Hydrogen is indeed a carbon-free energy carrier that can be stored and used on request to produce electricity thanks to the mature fuel cell technology. Moreover, water and solar energy form the ideal couple for H2 production because they are both readily available and their use is considered to be safe for the environment. The design and study of molecular photocatalytic systems for H2 evolution from water has therefore been the subject of intensive research interest in the last decade and their implementation into functional dye-sensitized photoelectrocatalytic cells recently appeared in the literature. It is nevertheless necessary to optimize the efficiency of these molecular systems in order to reach the targeted solar-to-hydrogen conversion yield. In that context, this PhD thesis aimed at getting a better understanding of parameters relevant for the optimization of molecular H2-evolving photocathodes: first, different coupling strategies have been studied to covalently assemble a light-harvesting unit with a redox-active moiety; second, a synthetic methodology allowing introduction of robust anchoring groups in the coordination sphere of ruthenium photosensitizers has been widely studied and the first photoelectrodes characterized; finally, a new series of proton reduction catalysts featuring a polypyridinic ligand has been investigated, allowing important kinetic and mechanistic insights to be obtained.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Développée il y a vingt ans par le professeur Grätzel, la technologie des cellules solaires à colorant constitue une alternative intéressante aux panneaux solaires à base de silicium communément commercialisés. Contrairement aux cellules photovoltaïques conventionnelles, le fonctionnement de ces dispositifs repose sur un principe inspiré de la photosynthèse naturelle. En effet, basés sur la sensibilisation de l’oxyde de titane par un colorant absorbant la lumière du soleil à l’instar de la chlorophylle chez les plantes, ces dispositifs permettent d’atteindre des rendements de conversion de l’énergie solaire en électricité de plus de 10% pour des coûts de production relativement bas. Ces travaux de thèse concernent la synthèse de nouveaux complexes de ruthénium porteurs de ligands terpyridines. Les ligands terpyridines ont été préparés par une méthode simple et douce. Une nouvelle voie de synthèse du ligand 4,4’,4’’-tricarboxy-2,2’ :6’,2’’-terpyridine (H3tcterpy) a été développée et comparée à la voie initiale en utilisant les critères de la chimie verte. Les complexes obtenus à partir de ces ligands ont été étudiés par spectroscopie d’absorption UV-visible, d’émission et par électrochimie afin de déterminer leur réponse spectrale ainsi que leurs propriétés énergétiques. Certains colorants ont été testés au sein de cellules photovoltaïques atteignant des performances allant jusqu’à 5,57% de rendement de conversion de l’énergie solaire en électricité. / Developed twenty years ago by Prof Grätzel, Dye sensitized solar cells are an interesting alternative to the commonly commercialized silicon based solar panels. Unlike conventional solar cells, the operation principle of these devices is based from natural photosynthesis. Indeed, based on the sensitization of titanium dioxide by a dye that absorbs solar light such as chlorophyll from plants, these devices can reach solar energy to electricity conversion yield above 10% with low production costs. This PhD project deals with the synthesis of new ruthenium complexes bearing terpyridine ligands. Terpyridine ligands have been prepared by a straightforward and mild method. A new route has been developed for the synthesis of 4,4’,4’’-tricarboxy-2,2’ :6’,2’’-terpyridine (H3tcterpy) and compared to the initial pathway using green chemistry criteria. The complexes obtained from these ligands have been studied by UV-visible and emission spectroscopies and electrochemistry with a view to determine their spectral responses and their energetic properties. Some of these dyes have been tested in dye sensitized solar cells, reaching solar energy conversion to electricity yields up to 5.57%.

Les complexes de ruthénium à ligand nitrosyle sont très connus pour posséder des propriétés photochromes qui résultent des changements de coordination du fragment Ru-NO sous irradiation à basse température. Ce phénomène comporte de nombreuses applications telles que le stockage optique de données. Ces complexes ont aussi la capacité de délivrer l'oxyde nitrique de manière photo-contrôlée. Cela présente un grand intérêt car NO est impliqué dans de très nombreuses réactions physiologiques. Cette thèse est consacrée à l'étude des facteurs qui influencent les propriétés photochromes et la photolibération de NO dans les complexes de nitrosyle de ruthénium avec des ligands pyridine ou bipyridine. Le premier chapitre de cette thèse se concentre sur une étude bibliographique approfondie. Dans le second chapitre, la synthèse et la caractérisation des complexes de nitrosyle de ruthénium avec des ligands pyridine de formule trans(X, NO)-[Ru(R-py)4XNO](PF6)2 (R-py = pyridine, 4-picoline, 3-picoline, 4-vinylpyridine, 3- carboxaldéhydepyridine et 4-chloropyridine, X= Cl, Br, I ou OH) sont étudiés. Dans le troisième chapitre, la synthèse et la caractérisation des complexes de ruthénium nitrosyle avec le ligand bipyridine de formule cis(X, NO)-[Ru(L)2XNO] Y2, (L= 2,2'-bipyridine ou 4,4'-diméthyl-2,2'-bipyridine, X= Cl, NO2 ou Br, Y= PF6 ou Br) sont discutés. Dans le quatrième chapitre, nous présentons les résultats sur l'étude de photoisomérisation des complexes présentés dans les chapitres précédents. La conversion Ru-NO/Ru-ON est estimée par spectroscopie infrarouge après irradiation par une lumière bleue à basse température à l'état solide. Le taux de population Ru-NO/Ru-ON varie entre 1 et 76%. Nous avons étudié les effets de la position cis/trans et de la nature du ligand par rapport au nitrosyle, des substituants (groupe donneur ou attracteur d'électrons) sur le ligand pyridine ou bipyridine sur la réponse photochrome. Des calculs théoriques par DFT ont permis de rendre compte des propriétés photochromes différentes entre le complexe parent avec un ligand pyridine et le ligand 4-chloropyridine. Le cinquième chapitre est consacré à l'étude de la photolibération de NO. Le rendement quantique (NO) se trouve dans la gamme 0.2-0.7. Le test de Griess a confirmé le relargage de NO. / We are interested in the photoactive properties of ruthenium nitrosyl complexes. Ruthenium nitrosyl complexes are well known to possess photochromic properties which arise from the coordination changes of Ru-NO under irradiation at low temperature. This phenomenon has many applications such as high optical data storage and sensors. Ruthenium nitrosyl complexes are also very promising candidates because the photochemical delivery of bioactive small molecules such as nitric oxide (NO•) from ruthenium nitrosyl complexes presents the possibility of controlling the location, timing and dosage of NO• to physiological targets. Nitric oxide photorelease have gained wide attention after the discovery of several nitric oxide physiological functions and its involvement in different cellular processes. This thesis was devoted to studying the factors which affect the photochromic properties and NO photorelease in ruthenium nitrosyl complexes with pyridyl or bipyridyl based ligands. The first chapter of this thesis focuses on a survey of the literature related to both photoisomerization and photorelease phenomena. In chapter 2, the synthesis and characterization of ruthenium nitrosyl complexes with pyridyl based ligands with the formula trans(X,NO)-[Ru(R-py)4XNO](PF6)2, (where R-py is pyridine, 4-picoline, 3-picoline, 4-vinylpyridine, 3-carboxaldhydepyridine and 4-chloropyridine, X=Cl, Br, I or OH) are discussed. In chapter 3, the synthesis and characterization of ruthenium nitrosyl complexes with bipyridyl based ligand with formula cis(X,NO)-[Ru(L)2XNO]Y2, (L= 2,2'-bipyridine or 4,4'-dimethyl-2,2'-bipyridine, X=Cl, NO2 or Br, Y=PF6 or Br) are discussed. In chapter 4, we present the results of our investigations of nitrosyl ligand photoisomerization in Ru-NO with pyridyl and bipyridyl ligands. The conversion of Ru-NO to Ru-ON conformation was estimated by infrared spectroscopy upon irradiation by blue light at low temperature in the solid state. The values are ranged between 1-76%. We studied the effects of cis/trans ligand position to nitrosyl and the nature of substituents on pyridine or bipyridine ligand (electron donating or withdrawing group). We used theoretical calculations (DFT) to explain the different photochromic properties between parent complex with a pyridine ligand and 4-chloropyridine ligand. The fifth chapter is devoted to the study of NO photorelease. The quantum yield (NO) was estimated in the range of 0.2-0.7. Griess test was used to confirm NO delivery.