Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Mononuclear molybdopterin enzymes are a large class of enzymes that are present in all phyla of life. All pterin containing enzymes posses a molybdopterin cofactor made up of a molybdenum metal center coordinated directly by a dithiolene ligand, which is appended to a pyranopterin cofactor. The majority of these enzymes catalyze oxygen atom transfer reactions that are concomitant with a transfer of two-electrons. We are hypothesizing that by altering the oxidation states of the dithiolene, the reactivity of the cofactor can be tuned for different substrates. This investigation focuses on the synthesis and characterization of oxo-MoIV(dithiolene) complexes that possess a fully reduced dithiolene ligand (dithiolene) and a fully oxidized dithiolene ligand (dithione). These complexes are designed to represent the asymmetry of the dithiolene ligand that is observed in the crystal structures of the DMSO reductase family. Asymmetric oxo-MoIV(dithiolene) complexes exhibit a unique structural property, a large fold angle along the S•••S vector of the dithione ligand. These complexes also show a positive solvatochromic effect in a range of polar to nonpolar solvents. The rich electrochemical properties of these redox active complexes and other characterization details such as IR, and NMR studies will be presented. Effects on the reactivity of these complexes using biologically relevant substrates will be discussed. The oxygen atom transfer reactivity has been probed by mass spectrometry and NMR spectroscopy. The presented complexes aide in highlighting the effect redox state of the dithiolene ligand has in modulating reactivity

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23721号 / 理博第4811号 / 新制||理||1689(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 北川 宏, 教授 吉村 一良, 教授 竹腰 清乃理 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Ce travail démontre l'utilité des propriétés photothermiques dans le proche Infrarouge (NIR) des complexes de nickel-bis(dithiolène) neutres pour des applications en science des matériaux et biotechnologies. Des complexes Ni-bis(dithiolène) neutres hydrophiles et hydrophobes ont été élaborés et leur effet photothermique, sous irradiation laser NIR, a été quantifié pour la première fois. Grâce à cette propriété remarquable et à leur grande stabilité sous irradiation, il a été mis en évidence, que ces complexes pouvaient trouver des applications pour la thérapie photothermique, la libération contrôlée de médicament mais également pour le développement de nanomatériaux photosensibles à un stimulus externe. En effet, cet effet photothermique, sous irradiation laser NIR, permet de détruire des cellules cancéreuses, d'augmenter la perméabilité de nanoparticules polymériques ou de liposomes contenant des principes actifs et de désagréger des métallogels à base de complexes Ni-bis(dithiolène). Enfin, nous avons montré que les complexes [Ni(R2-timdt)2]0 ayant une haute efficacité photothermique sont de nouveaux candidats très prometteurs pour ce type d'applications. / The photothermal properties in the near Infrared (NIR) of neutral nickel-bis(dithiolene) complexes were used in materials science and for the first time in biotechnology. Hydrophilic and hydrophobic neutral Ni-bis(dithiolene) complexes were developped and for the first time, their photothermal effect under NIR laser irradiation was quantified. Thanks to this remarkable property and their high stability under irradiaton, it has been demonstrated that these complexes could find applications to photothermal therapy, controlled drug delivery but also in the developpement of stimuli responsive nanomaterials. Indeed, this photothermal effect, under NIR laser irradiation, allow to destroy malignant cells, increase the permeability of polymeric nanoparticles or liposomes containing active ingredients and disintegrate métallogels based on Ni-bis(dithiolene) cores. Finally, we showed that the [Ni(R2-timdt)2]0 complexes having higher phothothermal activity are very promising new candidates for these applications.

Ο όρος μη-γραμμική οπτική αντιπροσωπεύει τον κλάδο της οπτικής ο οποίος μελετά την αλληλεπίδραση της ύλης με ακτινοβολία πολύ ισχυρής έντασης. Όταν ένα υλικό εκτεθεί σε ακτινοβολία υψηλής έντασης όπως αυτή του laser, οι οπτικές του ιδιότητες αλλάζουν εξαιτίας της πόλωσης που επάγεται στα δομικά υλικά του και το αποτέλεσμα είναι η αλλαγή των οπτικών του ιδιοτήτων. Αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε μία πληθώρα φαινομένων τα οποία μας βοηθούν στη κατανόηση της δομής του υλικού άλλα και των φυσικών μηχανισμών που κρύβονται πίσω από αυτά. Υλικά με μεγάλες μη-γραμμικες οπτικές ιδιότητες είναι πολύ χρήσιμα στην έρευνα και την ανάπτυξη πολλών κλάδων της τεχνολογίας. Σαν παράδειγμα μπορεί να αναφερθεί η ανάπτυξη των οπτικών και κβαντικών υπολογιστών, αλλά και τεχνολογιών οι οποίες μπορούν να βρουν εφαρμογή στις τηλεπικοινωνίες. Στη παρούσα εργασία μελετώνται οι μη-γραμμκές οπτικές ιδιότητες υλικών με μορφή διαλυμάτων. Η διάρθρωση της εργασίας είναι ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μία εισαγωγή και παρουσιάζονται κάποιες βασικές έννοιες της μη-γραμμικής οπτικής. Έπειτα παρουσιάζεται ο τρόπος που μπορούν να εξαχθούν οι σχέσεις οι οποίες περιγράφουν τις μη-γραμμικές οπτικές ιδιότητες των υλικών όπως τη μη-γραμμική επιδεκτικότητα τρίτης τάξης με βάση τη κλασσική Φυσική και τη κβαντομηχανική. Το κεφάλαιο κλείνει παρουσιάζοντας μερικά φαινόμενα τα οποία οφείλονται στη μη-γραμμική επιδεκτικότητα τρίτης τάξης. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση των πειραματικών τεχνικών που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, αλλά και η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την εξαγωγή των μη-γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων από τα πειραματικά δεδομένα. Στα κεφάλαια που ακολουθούν παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των συστημάτων που μελετήθηκαν. Πιο συγκεκριμένα στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μελέτη νανοσωματιδίων οξειδίων του σιδήρου καλυμμένων με πολυμερή αλλά και ακάλυπτων όταν διεγείρονταν με παλμούς laser χρονικής διάρκειας 35 ps και 4 ns και μήκη κύματος 532 nm και 1064 nm. Στόχος της μελέτης ήταν ο προσδιορισμός αν το πολυμερές που βρίσκεται αγκυροβολημένο στην επιφάνεια του νανοσωματιδίου ή απουσία αυτού έχει κάποια επίδραση στις μη-γραμμικές οπτικές ιδιότητες αυτών. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της μελέτης των μικκυλιακών συστημάτων Pd για μήκη κύματος διέγερση 532 nm και 1064 nm. Η μελέτη έγινε για χρονικό εύρος παλμού laser 35 ps και 4 ns. Τα συμπολυμερή τα οποία σχημάτιζαν το μικκύλιο απέτρεπαν τη συσσωμάτωση των νανοσωματιδίων Pd και τη δημιουργία σταθερών κολλοειδών διαλυμάτων. Τα συμπολυμερή που χρησιμοποιήθηκαν επίσης δημιουργούσαν νανοδομές οι οποίες είχαν καλά ορισμένες διαστάσεις και σχήματα. Στόχος της μελέτης ήταν να διαπιστωθεί το κατά πόσο η διάσταση, το σχήμα καθώς και η αλλαγή του συμπολυμερούς επηρεάζουν τις μη-γραμμικές οπτικές των νανοδομών. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μελέτη οργανομεταλλικών ενώσεων διθειολενικών συμπλόκων. Η επίδραση των υποκαταστών του σκελετού του μορίου καθώς και του κεντρικού ατόμου της ένωσης εξετάστηκαν για παλμούς laser χρονικής διάρκειας 35 ps και μήκους κύματος 532 nm και 1064 nm. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μελέτη δυαδικών συστημάτων φουλλερενίων δότη-αποδέκτη ηλεκτρονίων για παλμούς laser 35 ps και μήκους κύματος 532 nm. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι αυτά τα συστήματα έχουν πολύ αυξημένες μη-γραμμικές οπτικές σε σχέση με τα απλά φουλλερένια καθιστώντας τα υποψήφια για πιθανές εφαρμογές σε διατάξεις οπτικών αισθητήρων και οπτικών πυλών. / The field of optics that examines the interaction of matter with very high intensity radiation is called nonlinear optics. When a material is exposed to radiation with high intensity such as the radiation emitted by a laser, the optical properties of the material change as a result of the induced polarization that occurs in the atoms or the molecules that constitute the material. This in turn can lead to a variety of phenomena that helps us to understand and establish relations between the structure and the physical mechanisms that take place when light interacts with matter. Materials with large nonlinear optical properties are considered possible candidates for applications in a wide range of technology such us optical or quantum computers or even in the field of telecommunications. In this work the nonlinear optical properties of metallic nanoparticles, organometallic molecules and fullerene derivates is examined. The investigated systems were in form of solutions and the nonlinear optical properties were determined with the use of Z-scan and OKE techniques. The laser pulse duration was 35 ps and 4 ns, while the excitation wavelength was 532 nm and 1064 nm respectively. In the first chapter an introduction is presented to some elements of the field of nonlinear optics. Then the derivation of the relations that describe the nonlinear optical parameters like the third order susceptibility (χ(3)) with the use of electromagnetic theory and quantum mechanics is presented. At the end some interesting phenomena that occur as a result of third order susceptibility are described. The second chapter is devoted to the experimental techniques that were used to determine the nonlinear optical properties of the investigated systems that are presented in this work. The Z-scan and OKE techniques are described thoroughly as well and the process of the determination of the nonlinear optical properties from the experimental data. In the next four chapters, experimental results are presented of the nonlinear optical properties for all the systems that were studied during this work. At the third chapter the results for γ-Fe2O3 nanoparticles are presented. Those systems were either covered or uncovered with polymeric brushes, and had different sizes of the nanoparticle core. The results show that the presence or not of the polymeric brushes, as well and the size of the core has an impact on the nonlinear optical properties those systems. In chapter four are presented the results from the investigation of the nonlinear optical properties of Pd nanoparticles encapsulated into amphiphilic block copolymer micelles. The investigation was done under 35 ps and 4 ns laser pulse duration at excitation wavelengths of 532 and 1064 nm. It is concluded that the NLO response of the systems is depending on the size of the micelle, the shape but also from the metallic load of the micelle. In the final two chapters they are presented the results regarding the NLO properties of organometallic and fullerene derivates molecules. In chapter five the investigation of the nonlinear optical properties of various dithiolene complexes is presented, under 35 ps laser pulse duration at 532 and 1064 nm. The results shows that the central atom attached to the molecule is playing crucial role to the NLO response but also and the number and the nature of substituent attached to the molecule. At the final chapter the determined NLO properties of some donor – acceptor fullerene derivatives are presented. The results show that functionalized fullerene derivatives have greater NLO response than the neat fullerene making them promising candidates for applications in optoelectronics and all-optical switching.