Le pétrole est une matrice complexe qui est raffinée afin d’être valorisée. Les fractions obtenues après raffinage sont variées et vont des composés légers (gaz, gazole …) aux composés lourds (distillats sous vide, bitumes...). La coupe naphta subit des traitements tels que le vapocraquage pour obtenir les oléfines qui sont ensuite polymérisés notamment grâce à la catalyse métallocène pour produire les polyoléfines. Ce travail de thèse a porté sur la caractérisation des distillats sous vide, des polyoléfines, et des catalyseurs métallocènes afin de mieux maitriser les différentes étapes du raffinage. Une comparaison des différentes sources à pression atmosphérique a été réalisée pour l’étude de distillats sous vide par spectrométrie de masse à mobilité ionique (IMMS). .L’electrospray (ESI+) permet d’ioniser sélectivement les composés azotés basiques alors que la source ASAP ainsi que la source photoionisation à pression atmosphérique (APPI) permettent une identification des composés soufrés de type benzothiophènes. Les données IMMS obtenues en ESI fournissent des informations sur l’isomérie des composés azotés de ce mélange complexe. Pour mieux comprendre ce contenu isomérique, un indicateur d’isomérie basé sur la largeur à mi-hauteur des pics de mobilité ionique, a été développé. L’analyse de polymère a été réalisée à l’aide de la source ASAP. En particulier, dans le cas du polypropylène (PP) et du polyéthylène (PE) de nombreux résidus pyrolytiques fortement oxydés ont été mis en évidence. Des différences significatives en terme d’abondances relatives et au niveau des temps de dérive en mobilité ionique sont observées entre les polyoléfines et notamment entre des PP tactiques et atactiques. Enfin, une méthode d’analyse par ASAP de composés sensibles à l’air a été développée et a permis l’analyse des composés de type métallocènes,utilisés pour la polymérisation des polyoléfines. / Petroleum is a highly complex mixture that needs to be refined in order to be commercialized. The petroleum fractions have various compositions from gasoline to petroleum coke. Naphtha distillation cut gives olefins by steam cracking which are polymerised using metallocene catalysts to produce polyolefins. This thesis work focused on the characterisation of vacuum gas oils, polyolefins and metallocene catalysts to better understand and optimized refining processes. A comparison of atmospheric pressure ionisation sources was realised for the characterisation of vacuum gas oils by ion mobility–mass spectrometry (IMMS). Electrospray (ESI+) source allows to selectively analyse the basic nitrogen containing species. The ASAP and APPI (atmospheric pressure photoionisation) sources allows to identify sulphur containing compounds like benzothiophenes. Based on the IMMS data, a new indicator based on the full width at half maximum (FWHM) of ion mobility peaks was developed to obtain isomeric information without any identification of the species. Polymers were also analysed using the ASAP source. In particular, polypropylene (PP) and polyethylene (PE) were analysed by ASAP-IMMS and allow us to identify the oxidized species obtained by atmospheric pressure pyrolysis. The relative abundance of these species and their drift time were significantly different between the different samples and notably between isotactic PP and atactic PP. Finally, a new method based on the ASAP source was developed to analyse air sensitive compounds like metallocene used for polyolefin polymerisation.

In der vorliegenden Dissertation geht es um die Synthese und Charakterisierung chiraler, redoxaktiver (Raumtemperatur-)Ionischer Flüssigkeiten basierend auf Ferrocen und der natürlich vorkommenden Aminosäure S-Prolin. Diese Baueinheiten sind entweder über eine Ether- oder über eine Esterverbrückung verknüpft. Auch der Anionenaustausch vom I– - zum CF3SO3– - sowie (CF3SO2)2N– -Salz (kurz NTf2–) wird dargelegt und der Einfluss des Anions auf den Schmelzpunkt der Verbindungen untersucht und diskutiert. Die Redoxaktivität wird durch das im Ferrocen enthaltene Fe II eingebracht, das reversibel zu Fe III oxidiert werden kann. Aufgrund des Pyrrolidin-Rings sind die dargestellten Verbindungen stets chiral und bilden nach der Quaternisierung mit Halogenalkanen Diastereomere, soweit die Alkylkette größer als Methyl ist. Das Diastereomerenverhältnis wurde mittels 1H-NMR-Spektroskopie und in einem Fall anhand von Röntgenpulverdiffraktogrammen durch Rietveld-Verfeinerung analysiert. Die Verbindungen wurden thermisch anhand simultaner thermischer Analysenund Tieftemperaturversuchen untersucht, die belegen, dass die Synthese von insgesamt sechs neuen Raumtemperatur-Ionischen Flüssigkeiten gelang. Davon basiert eine Verbindung, (1S2S)- und (1R2S)-2-[(Ferrocenylcarbonyl)oxy]methylen-N-methyl-N-pentylpyrrolidin-1-iumiodid, auf I– und fünf Verbindungen enthalten NTf2– als Gegenion. Das Diastereomerengemisch der Verbindungen (1S2S)- und (1R2S)-N-Butyl-2-[(ferrocenylcarbonyl)oxy]methylen-N-methylpyrrolidin-1-ium NTf2– besitzt den größten Flüssigkeitsbereich von -25 bis +263 °C und auch die höchste Zersetzungstemperatur aller hier dargestellten Verbindungen. Insgesamt werden in dieser Arbeit elf Einkristallstrukturanalysen vorgestellt, wobei es sich um drei Verbindungen des Typs FcCH2N(CH3)2(CnH2n+1)I (Fc = Ferrocenyl, n = 1,2,3), Ferrocenmonocarbonsäurechlorid, zwei ether- sowie fünf esterverbrückte Verbindungen handelt. Mikrokristalline Proben wurden mittels Röntgenpulverdiffraktometrie charakterisiert. Ergänzende Analysen wurden mittels UV-Vis- und IR-Spektroskopie sowie Massenspektrometrie und Elementaranalyse durchgeführt. Ein wichtiger Aspekt bei Ferrocenverbindungen ist das Redoxpotential, welches mittels Cyclovoltammetrie bestimmt wurde. Hierbei liegt das Formalpotential des Fe II /Fe III -Redoxpaars der etherverbrückten Verbindungen bei +0,05 V und bei den esterverbrückten Verbindungen unabhängig vom Anion bei +0,28 V vs. Ferrocen/Ferrocenium in Acetonitril. Bei den iodidhaltigen Verbindungen zeigt das I– -Ion ebenfalls eine Redoxaktivität bei E(0,f,Fc) = -0,18 V und 0,22V. Die Diffusionskoeffizienten der esterverbrückten Triflat- und NTf2– -Verbindungen liegen in der Größenordnung von 7·10−6 cm2/s und die heterogenen Geschwindigkeitskonstanten bei 0,01 cm/s. / The present dissertation deals with the synthesis and characterization of chiral, redoxactive room temperature ionic liquids (RTILs) based on ferrocene and the naturally occurring amino acid S-proline. These building blocks are coupled either via an ether- or an ester-bridge. The anion exchange from I– to CF3SO3– and (CF3SO2)2N– salts (abbreviated as NTf2–) is presented. The influence of the anion on the melting point of the compound is investigated and discussed. The redox activity is introduced into the molecule via the Fe II -containing ferrocenyl groups, which can be oxidized reversibly to Fe III . The synthesized compounds based on the pyrrolidine ring are chiral. After quaternization with alkyl halides, they form diastereomers in case of alkyl chains longer than methyl. The ratio of the different diastereomers was analyzed by 1H NMR spectroscopy and, in one case, by Rietveld refinement of the X-ray powder diffraction pattern. The thermal behavior of the compounds was studied by simultaneous thermal analysis and low temperature experiments. The results show the successful synthesis of six new RTILs. One of them is based on iodide ((1S2S)- and (1R2S)-2-[(ferrocenylcarbonyl)oxy]methylene-N-methyl- N-pentylpyrrolidine-1-ium iodide) and six RTILs contain NTf2– as counter ion. The diastereomeric mixture of compounds (1S2S)- and (1R2S)-N-butyl-2-[(ferrocenylcarbonyl)oxy]methylene-N-methylpyrrolidine-1-ium NTf2– exhibits the widest liquid range from -25 to +263 °C and the highest decomposition temperature of all compounds presented herein. Eleven single crystal structure analyses are presented. Three of them belong to compounds FcCH2N(CH3)2(CnH2n+1)I (with Fc = ferrocenyl and n = 1,2,3), then ferrocene monocarboxylic acid chloride, two of ether- as well as five ester-bridged compounds. Microcrystalline samples were characterized by X-ray powder diffractometry. Supplementary analyses by UV/Vis and IR spectroscopy as well as mass spectrometry and elemental analyses have been carried out. An important feature of ferrocene containing compounds is their redox potential which is determined with cyclic voltammetry. The formal potential of the Fe II /Fe III redox couple in the ether-bridged compounds is at +0.05 V and in the ester-bridged compounds independent from the type of anion at +0.28 V vs. ferro- cene/ferrocenium in acetonitrile. The I– anion shows as well redox activity with formal potentials at E(0,f,Fc) = -0.18 V and 0.22 V. The diffusion coefficients of the ester-bridged triflate and NTf2– compounds are in the order of 7·10−6 cm2/s, the heterogeneous rate constants in the order of 0.01 cm/s.

In der vorliegenden Arbeit werden die Synthese, das Reaktionsverhalten und die elektrochemischen Eigenschaften neuartiger heterometallischer Übergangsmetallkomplexe beschrieben. Zum einen ist in diesen Komplexen ein frühes Übergangsmetallzentrum in hoher Oxidationsstufe, z.B. Ti(IV), mit einem späten Übergangsmetallzentrum in niedriger Oxidationsstufe, z.B. Ru(II), über ein organisches, pi-konjugiertes System verknüpft. Die Darstellung dieser sog. ¨Early-Late¨-Komplexe erfolgt durch sigma,sigma-, sigma,hapto1- oder sigma,hapto2-Koordination der organischen Bausteine an die entsprechenden Übergangsmetallkomplexfragmente. Diese Komplexe können als Modellverbindungen für eine elektronische Kommunikation zwischen unterschiedlichen Metallzentren angesehen werden. Eine durch das pi-konjugierte System vermittelte Wechselwirkung konnte mittels cyclovoltammetrischer Methoden nachgewiesen werden. Zum anderen wurden wegbereitende Arbeiten zur Synthese metallorganischer Polymere unternommen. Diese neuartigen Polymere sollen einen durch die Gestalt der Monomere vorgebildeten Richtungsvektor besitzen. Dafür wurde eine Reihe ein- und mehrkerniger, homo- und heterometallischer Platin(II)-Acetylide synthetisiert um an ihnen Untersuchungen zur Stabilität der Pt-CCC sigma-Bindung durchzuführen. Das elektrochemische Verhalten dieser Komplexe wurde untersucht. Die Eignung des Pt(II)-Systems [Pt{C6H2(CH2NMe2)2-2,6-(CC)-4)] zum Aufbau leitender organometallischer Polymere konnte nachgewiesen werden.

Title: Development of novel photoactive cationic zirconocene complexes Author: Bc. David Dunlop Department: Department of inorganic chemistry Supervisor: RNDr. Martin Lamač Ph.D. Advisor: prof. RNDr. Petr Štěpnička, Ph.D., DSc. Abstract: Environmental concerns have brought about an unprecedented demand for sustainable energy sources among which electromagnetic radiation, light, currently dominates. Development of novel light- harvesting compounds and materials is at the forefront of current science, as it is essential to further our technological progress. This thesis contributes to the field by development of novel photoactive cationic group 4 metallocene complexes stabilized by pendant imine and pyridinyl donor groups, or N,O-donor aromatic ligands, as crystalline [B(C6F5)4]− salts. The complexes are prepared either by protonation of the intramolecularly bound imine moiety by PhNMe2H[B(C6F5)4] or by chloride ligand abstraction, by Li[B(C6F5)4]·2.5Et2O or in situ generated Et3Si[B(C6F5)4]. Prepared compounds were characterized by NMR spectroscopy. Solid state structures of the compounds were determined by X-ray diffraction analysis. The cationic complexes of Zr and Hf exhibited significantly enhanced luminescence which originates from triplet ligand-to-metal (3 LMCT) excited states with lifetimes of up to...

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The crystallization and melting behaviors of an ethylene/1-hexene copolymer and series of narrow molecular weight linear polyethylene and poly(ethylene oxide) fractions were studied using a combination of ultra-fast and conventional differential scanning calorimetry, optical microscopy, small angle X-ray scattering, and wide angle X-ray diffraction. In the case of linear polyethylene and poly(ethylene oxide), the zero-entropy production melting temperatures of initial lamellae of isothermally crystallized fractions were analyzed in the context of the non-linear Hoffman-Weeks method. Using the Huggins equation, limiting equilibrium melting temperatures of 141.4 ± 0.8oC and 81.4 ± 1.0oC were estimated for linear polyethylene and poly(ethylene oxide), respectively. The former and the latter are about 4oC lower and 12.5oC higher than these predicted by Flory/Vrij and Buckley/Kovacs, respectively. Accuracy of the non-linear Hoffman-Weeks method was also examined using initial lamellar thickness literature data for a linear polyethylene fraction at different crystallization temperatures. The equilibrium melting temperature obtained by the Gibbs-Thomson approach and the C2 value extracted from the initial lamellar thickness vs. reciprocal of undercooling plot were similar within the limits of experimental error to those obtained here through the non-linear Hoffman-Weeks method. In the next step, the Lauritzen-Hoffman (LH) secondary nucleation theory was modified to account for the effect of stem length fluctuations, tilt angle of the crystallized stems, and temperature dependence of the lateral surface free energy. Analysis of spherulite growth rate and wide angle X-ray diffraction data for 26 linear polyethylene and 5 poly(ethylene oxide) fractions revealed that the undercooling at the regime I/II transition, the equilibrium fold surface free energy, the strength of the stem length fluctuations and the substrate length at the regime I/II transition are independent of chain length. The value of the equilibrium fold surface free energy derived from crystal growth rate data using the modified Lauritzen-Hoffman theory matches that calculated from lamellar thickness and melting data through the Gibbs-Thomson equation for both linear polyethylene and poly(ethylene oxide). Larger spherulitic growth rates for linear polyethylene than for poly(ethylene oxide) at low undercooling is explained by the higher secondary nucleation constant of poly(ethylene oxide). While the apparent friction coefficient of a crystallizing linear polyethylene chain is 2 to 8 times higher than that of a chain undergoing reptation in the melt state, the apparent friction coefficient of a crystallizing poly(ethylene oxide) chain is about two orders of magnitude lower. This observation suggests that segmental mobility on the crystal phase plays a significant role in the crystal growth process. In case of the statistical ethylene/1-hexene copolymer, the fold surface free energies of the copolymer lamellae at the time of crystallization and melting increase with increasing undercooling, approaching the same magnitude at high undercooling. As a result of this temperature dependence, the experimental melting vs. crystallization temperature plot is parallel to the Tm = Tc line and the corresponding Gibbs-Thomson plot is non-linear. This behavior is attributed to the fact that longer ethylene sequences form a chain-folded structure with lower concentration of branch points on the lamellar surface at lower undercooling, while shorter ethylene sequences form lamellar structures at higher undercooling exhibiting a higher concentration of branch points on the lamellar surface. Branch points limit the ability of lamellar structures to relax their kinetic stem-length fluctuations during heating prior to melting. / Ph. D. / Morphology of semi-crystalline polymers is strongly affected by their crystallization conditions. Thermodynamic and kinetic models allow us to understand the crystallization mechanism of a semi-crystalline polymer and relate its crystallization conditions to the final morphology. In this research, we studied the molar mass dependence of the crystallization and melting behaviors of narrow molecular weight distribution linear polyethylene (LPE) and poly(ethylene oxide) (PEO) fractions using a modified Lauritzen-Hoffman (LH) secondary nucleation theory. We have shown that the equilibrium melting temperature of LPE and PEO fractions found from the non-linear Hoffman-Weeks method are within the experimental uncertainty identical with these measured directly for extended chain crystals or derived from a Gibbs-Thomson analysis. The value of the equilibrium fold surface free energy derived from crystal growth rate data using the modified LH theory matches that calculated from lamellar thickness and melting data through the Gibbs-Thomson equation for both LPE and PEO. We reported that the higher segmental mobility of PEO in the crystalline phase leads to significantly lower apparent chain friction coefficients during crystal growth compared to LPE. We also studied the role of short-chain branching in the crystal growth kinetics of ethylene/1-hexene copolymers. We observed that the fold surface free energies during crystallization and during melting are both function of the undercooling while the ratio of the former to the latter decreases with increasing undercooling. We proposed that this behavior may be related to the concentration of short-chain branches at the surface of the lamellae, where higher concentration leads to lower relaxation.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese, dem Reaktionsverhalten und der Elektrochemie von Bimetallocen- und Metallocen-haltigen Komplexen. Die Eignung von Bis(ethinyl)biferrocen- und Bis(ethinyl)biruthenocen-haltigen Brückenbausteinen, intramolekularen Elektronentransfer zwischen zwei identischen Eisen-, Ruthenium- und Osmium-Halbsandwich-Fragmenten zuzulassen, wurde mittels geeigneter Spektroskopiearten untersucht. Weiterhin wurden zwei verschiedene Übergangsmetallkomplexfragmente über den Bis(ethinyl)biferrocen-Brückenbaustein miteinander verknüpft um neuartige gemischte Übergangsmetallacetylide zu erhalten, an welchen ebenfalls Elektronentransferstudien durchgeführt werden konnten. Zusätzlich waren Biferrocenyl- und Metallocenyl-Phosphane Gegenstand der Untersuchungen. Es erfolgte einerseits die Koordination an PtCl2- und Pt(CCFc)2-Fragmente. Die so erhaltenen neuen heterometallischen Platin(II)-Bisacetylide wurden mittels Cyclovoltammetrie und UV-Vis-NIR-spektroelektrochemischen Methoden untersucht um herauszufinden, in welchem Ausmaß Ladungen delokalisiert vorliegen können. Die Biferrocenyl- und Ruthenocenyl-Phosphane wurden andererseits an PdCl2-Bausteine koordiniert und im Anschluss auf ihre Wirksamkeit als (Prä-)Katalysatoren in Palladium-vermittelten Heck- und Suzuki-C-C-Kupplungsreaktionen getestet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese, dem Reaktionsverhalten und der Elektrochemie von Bimetallocen- und Metallocen-haltigen Komplexen. Die Eignung von Bis(ethinyl)biferrocen- und Bis(ethinyl)biruthenocen-haltigen Brückenbausteinen, intramolekularen Elektronentransfer zwischen zwei identischen Eisen-, Ruthenium- und Osmium-Halbsandwich-Fragmenten zuzulassen, wurde mittels geeigneter Spektroskopiearten untersucht. Weiterhin wurden zwei verschiedene Übergangsmetallkomplexfragmente über den Bis(ethinyl)biferrocen-Brückenbaustein miteinander verknüpft um neuartige gemischte Übergangsmetallacetylide zu erhalten, an welchen ebenfalls Elektronentransferstudien durchgeführt werden konnten. Zusätzlich waren Biferrocenyl- und Metallocenyl-Phosphane Gegenstand der Untersuchungen. Es erfolgte einerseits die Koordination an PtCl2- und Pt(CCFc)2-Fragmente. Die so erhaltenen neuen heterometallischen Platin(II)-Bisacetylide wurden mittels Cyclovoltammetrie und UV-Vis-NIR-spektroelektrochemischen Methoden untersucht um herauszufinden, in welchem Ausmaß Ladungen delokalisiert vorliegen können. Die Biferrocenyl- und Ruthenocenyl-Phosphane wurden andererseits an PdCl2-Bausteine koordiniert und im Anschluss auf ihre Wirksamkeit als (Prä-)Katalysatoren in Palladium-vermittelten Heck- und Suzuki-C-C-Kupplungsreaktionen getestet.