This thesis covers the synthesis, characterization and physical studies of cross-conjugated macrocycles, expanded radialenes, as well as their related derivatives. The main synthetic protocol that is used throughout this thesis is based on the Pd-mediated Sonogashira cross coupling reaction of a desilylated iso-polydiacetylene with a dibromoolefin. To initiate the synthesis, a series of [3], [4], and [5]expanded radialenes was synthesized, characterized, and studied by UV-vis spectroscopy, electrochemistry, and solid-state analysis. The results confirm the macrocycles are achievable in reasonable yields and suitable for further physical studies without any concerns for their stability in the solid or solution phase. At the same time, the use of tetrabromoethene in analogous Sonogashira cross coupling reactions afforded bisexpanded radialenes and radiaannulenes that exhibited interesting physical properties according to UV-vis spectroscopy and cyclic voltammetric analysis. This thesis also covers some interesting results, in particular, for [3]expanded radialenes that undergo cycloaddition reactions. As well, physical studies of the target radialenes show that as the macrocycles become more strained, they exhibit more unique and unexpected electronic and optical properties. Having the first series of the radialenes in hand, the synthetic plan shifted towards the synthesis of functional expanded radialenes, which were produced in good to very good yields. In particular, the existence of a [4]expanded radialene carrying triisopropylsilylethynyl groups as exocyclic substituents provided an opportunity for derivatization of the expanded radialene framework. The general protocol for radialene synthesis was also applied using tetrabromides of anthracenylidene and pentacenylidene in Sonogashira reactions. These efforts afforded structurally unique bisexpanded radialene and radiaannulene products. Because of their shape and structure, radialenes have potential for use in organometallic chemistry or as ligands in inorganic chemistry. Exploratory studies have been focused on [3] and [4]expanded radialenes. By all accounts, [3]radialenes reacted more easily with selected precursors such Pt(PPh3)4 and Co2(CO)8. Throughout this thesis, all the major radialene frameworks are established in terms of solid-state structures by X-ray crystallography. Finally, electrochemical analyses show that the new series radialenes reported in this work are generally reduced at higher potentials when compared to the previous generation of expanded radialenes based on butadiynyl building blocks.

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Cette thèse présente la conception, la synthèse et l'étude photophysique de divers dérivés d'azophénine comme modèles structurels mono-bloc pour l'éméraledine qui est une forme de polyaniline à valence mixte. L'azophénine est une molécule conjuguée en forme d'étoile contenant à la fois des résidus de quinone diimine et de phénylamine tous deux contenus dans l'émeraldine. Cependant l'azophénine et l'émeraldine sont tout deux reconnus pour ne pas être émissifs. Le défi était alors de donner des propriétés d’émissions à l'azophénine à température ambiante avant toute investigation photophysique. L'objectif à long terme étant de rendre la polyaniline, connu pour être peu dispendieuse, attractive en tant que matériau donneur efficace dans une cellule solaire de type « bulk-heterojunction ». En raison des problèmes de faible solubilité des polymères, l'utilisation de modèles beaucoup plus soluble est une nécessité. Les modifications structurelles considérées comprennent l'ancrage des fonctions pontées d'éthynyle en position para- des quatre groupes phényls d'azophénine. Ces fonctions sont des groupes aromatiques encombrés de type truxène, des composés organométalliques trans-bis(trialkylphosphine) platine(II), des colorants de porphyrines de zinc(II) et de Bodipy. Elles présentent toutes une fluorescence ou une phosphorescence, signal pouvant être utilisé pour mesurer les interactions électroniques entre ces groupements et le noyau central. Leurs propriétés photophysiques sont étudiées en détail en utilisant la spectroscopie d'absorption et d'émission UV-Visible stationnaire et ultra-rapide résolue dans le temps. La DFT et la TDDFT sont également utilisés pour les optimisations des géométries (DFT) et pour déterminer la nature et les positions de l'absorption de la bande de transfert de charge (TDDFT). Le chapitre 2 présente la synthèse et la caractérisation d'un dérivé en étoile d'azophénine autour d’un noyeau truxène appelé TertTruQ. Le couplage de résidus encombrés de truxène avec de l'azophénine a amélioré l'activité photophysique du premier niveau singulet de ce dérivé à 77 K. Les hypothèses étant que le taux de désactivation non radiatif a diminué les rotations autour des axes des liaisons C-N en raison de la taille du truxène. De plus, cette nouvelle azophénine substituée s'est révélée être fluorescente à l'état solide à température ambiante. En raison de ces nouvelles observations, les propriétés d'émission des dérivés de l’éméraldine sont réexaminées. Une fluorescence faible à ~ 780 nm à 77 K, confirmée par le spectre d'excitation, a démontré la présence d'une faible émission de type fluorescence CT dans le proche-IR pour TertTruQ. Nous pouvons en conclure que l'azophénine fournit un modèle utile pour identifier quelle modification structurelle simple peut être effectuée pour rendre l’éméraldine émissive, si possible à température ambiante. De plus, lorsqu'une espèce non luminescente devient émissive, ce changement s'accompagne d'une augmentation de sa durée de vie à l’état excitée, propriétés recherchées pour des applications dans le domaine des cellules solaires. Ce travail a été publié dans Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, 19, 21532-21539. Le chapitre 3 décrit la synthèse et la caractérisation des azophénines contenant du trans-bis(trialkylphosphine)diéthynyl-platine(II) formant les dérivés di- et tétra-substitués DiTruPtQ et TertTruPtQ. Les deux complexes présentent une fluorescence et une phosphorescence des "bras" organométalliques à 298 K en solution. En outre, l'effet d'atome lourd du platine permet d'explorer les propriétés de l’état triplet de l'azophénine. Cependant, la phosphorescence recherchée de l'état triplet CT n'a pas été considérée probablement en raison des processus rapides non radiatifs. Ce travail a été publié dans Organometallics, 2017, 36(3), 572-581. Le chapitre 4 présente l'effet du remplacement des ions H+ labiles sur le fragment HN^N par des fragments BF2+ pour former des cycles, fournissant ainsi un cadre plus rigide pour l'azophénine. En effet, la fluorescence CT proche-IR a été observée à 298 et 77 K. Cependant, malgré la présence de Pt dans les groupes pendants, aucune phosphorescence n'a été détectée. Les calculs de DFT ont suggéré que l'état triplet de plus faible énergie était très faible (0,975 eV (BQ) et 0,84 eV (TertPtBQ)) induisant une plus grande probabilité de processus non radiatifs, depeuplant ainsi efficacement l'état triplet. Ce travail a été accepté à Inorganic Chemistry, 2017. Le chapitre 5 présente les colorants fluorescents de porphyrine de zinc(II) et BODIPY bien connus, qui ont été liés à l'azophénine pour former DiBodipyQ, TertBodipyQ et PorBodipyQ. Le spectre d'absorption des BODIPY se situe dans une gamme où la porphyrine n'absorbe pas beaucoup. Ainsi, la combinaison de ces deux chromophores avec la formation d'une bande de CT faible permet d'améliorer la collecte du rayonnement solaire. Par conséquent, il était important de vérifier que l'énergie collectée pourrait facilement être transférée d'un chromophore à l'autre. En effet, on a observé 1BODIPY * → 1porphyrine zinc(II) et 1BODIPY * → 1CT (azophénine) avec une désactivation efficace de 1porphyrine zinc(II) ~~> 1CT (azophénine). Ce travail a été soumis à Chemistry: A European Journal. / Abstract: This thesis presents the design, synthesis and photophysical investigation of various azophenine derivatives as “one unit” structural models for emeraldine, a mixed-valence form of polyaniline. Azophenine is a star-shaped cross-conjugated molecule containing both quinone diimine and phenyl amine residues included in emeraldine but both, azophenine and emeraldine, are reported notoriously non-emissive. The challenge was to render azophenine emissive at room temperature prior any photophysical investigation. The long-term objective is to render polyaniline, in one form or the other, useful in bulk heterojunction solar cell in the active layer as it is not expensive. Because of solubility issues, the use of models becomes very appealing. The considered structural modifications include the anchoring of ethynyl-bridged functions at the para-position of the four phenyl groups of azophenine. These functions are the bulky truxene aromatic, the organometallic trans-bis(trialkylphosphine)platinum(II) pendent groups, and zinc(II)porphyrin and BODIPY dyes. All these functions exhibit fluorescence or phosphorescence, signal that can be used to monitor any electronic interaction between these pendent groups and the central core. Their photophysical properties were investigated in detail using steady-state and ultrafast time-resolved UV-vis absorption and emission spectroscopy. DFT and TDDFT were also employed for geometry optimizations (DFT) and nature and positions of the CT absorption (TDDFT). Chapter 2 introduces the synthesis and characterization of a truxene-based star-shaped azophenine derivative called TertTruQ. The coupling of bulky truxene residues with azophenine improved the photophysical activity of the lowest energy singlet excited state (i.e. CT state) of this derivative at 77 K. Speculations are that the rate for non-radiative deactivation, namely internal conversion, decreased upon slowing down the rotations around the N-C bonds due to the size of truxene. Moreover, this new substituted azophenine turned out to be fluorescent in the solid state at room temperature. Because of these interesting new observations, the emission properties of emeraldine base form were re-examined. A weak fluorescence at ~780 nm at 77 K, confirmed by the excitation spectrum, demonstrated the presence a CT near-IR fluorescence for TertTruQ. Thus, azophenine provides a useful model to identify what simple structural modification that can be performed to render emeraline emissive, if possible at room temperature. Again, when a non-luminescent species becomes emissive, this change is accompanied by an increase of its excited state lifetime. Longer excited state lifetimes are more prone to solar cell applications. This work has been published in Physical Chemistry Chemical Physics, 2017. Chapter 3 describes the synthesis and characterization of trans-bis(trialkylphosphine)diethynyl-platinum(II)-containing azophenines forming the di- and tetra-substituted derivatives DiTruPtQ and TertTruPtQ. Both complexes exhibit fluorescence and phosphorescence of the organometallic “arms” at 298 K in fluid solution. Moreover, the heavy atom effect of platinum gave the possibility of exploring the triplet state properties of azophenine. However, the sought phosphorescence from the triplet CT state was not seen most presumably due to the fast non-radiative processes. This work has been published in Organometallics, 2017, 36(3), 572-581. Chapter 4 presents the effect of the replacement of the labile H+ ions on the HN^N moiety by BF2+ fragments to form cycles thus providing a more rigid framework for azophenine. Indeed, the CT near-IR fluorescence was observed both at 298 and 77 K. However, despite the presence of Pt in the pendent groups, no phosphorescence was detected. DFT computations suggested that the low-lying triplet state was very low (0.975 (BQ) and 0.84 eV) inducing a higher probability of non-radiative processes thus efficiently depleting the triplet state. This work has been submitted to Inorganice Chemistry. Chapter 5 introduces the well-known BODIPY and zinc(II)porphyrin fluorescent dyes, which were linked to azophenine to form DiBodipyQ, TertBodipyQ and PorBodipyQ. The absorption spectrum of Bodipy lies in a range where porphyrin does not absorb very much. So, the combination of these two chromophores along with the formation of a low-lying CT band improves the light collection of the solar radiation. Consequently, it was important to verify that the collected energy could easily transferred from one chromophore to another. Indeed, the 1Bodipy* → 1zinc(II)porphyrin and 1Bodipy* → 1CT(azophenine) were observed along with an efficient deactivation from 1zinc(II)porphyrin ~~> 1CT(azophenine).

This research serves as a meticulous examination into cross-conjugated materials and how alterations of the frontier molecular orbitals can be utilized for applications in "chemical tongue" organic sensing devices. With conjugated materials being used in the development of new sensory devices for detection of metals, bacteria, and chemical warfare agents, the field of organic sensing is growing faster than ever. The purpose of this dissertation is to provide a precedence for the synthesis of new cross-conjugated compounds and outline potential applications of these materials as chemical sensors and molecular probes.