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.

The structural, electronic, and optical properties of a series of organic pi-conjugated polymer, oligomer, or molecular materials of interest for applications in organic electronics are described. For this purpose, quantum-chemical techniques ranging from Density Functional Theory to Hartree-Fock ab initio and semiempirical methods are used to evaluate the charge-transport, charge-transfer, and electroluminescence properties of pi-conjugated organic materials. First, the effect of electronic polarization on the charge-transport parameters of organic semiconductors is discussed. A generalized methodology based on a basis set orthogonalization procedure is developed to determine reliable charge-transport characteristics. The charge-transport parameters of a number of organic semiconductors such as oligoacenes and derivatives are studied with this methodology. Then, triplet emitters, in particular iridium complexes, that achieve high efficiency electroluminescence in organic light-emitting diodes are discussed. The effects of ligand substitution and orientation on the luminescent properties of iridium compounds are investigated in order to develop structure-properties relationships. The emission properties of these complexes are found to be governed by an interplay between metal-to-ligand charge transfer excitations and ligand-centered and/or interligand excitations. The extent of mixing of these various excitations turns out to be highly dependent on the nature of the substituents. Design strategies to shift the emission color towards deep blue are proposed. Finally, several classes of materials acting as hosts for phosphorescent emitters are studied. It is shown that restricting the conjugation length leads to high energy gap host materials suitable for blue phosphorescent emitters.

Le concept de “paires frustrées de Lewis” (plus communément désignés par l’acronyme anglais FLPs) a suscité un vif intérêt depuis sa formulation en 2006. Initialement décrit à partir d’une phosphine encombrée comme base de Lewis et d’un borane comme acide de Lewis pour l’activation coopérative d’hydrogène sans métal, ce concept a été ensuite très largement développé en utilisant divers éléments du groupe principal (N/B, P/Al, N/Al …). Le concept a ensuite été étendu aux métaux de transitions pour pallier cette faiblesse: sont ainsi apparues les premières paires frustrées de Lewis organométalliques (OmFLPs). Dans le but de développer de telles OmFLPs, nous nous sommes intéressés à la synthèse de complexes cationiques titanocèniques et zirconocèniques en présence d’une amine. La première partie de cette thèse présente les travaux précédemment décrits sur les ligands azotés, en vue de synthétiser des complexes du groupe 4 N-fonctionnalisés. Une description plus détaillée du concept de FLP est ensuite réalisée, et un parallèle est fait avec des concepts connexes (coopérativité métal-ligand, systèmes ambiphiles). La seconde partie de ce manuscrit développe la synthèse de nouveaux ligands (aminomethyl)cyclopentadiènylure de potassium ainsi qu’une étude de leur coordination aux métaux du groupe 4. Cette étude a permis d’accéder à toute une série de nouveaux complexes dichlorotitanocènes et zirconocènes porteurs d’une fonction amine tertiaire encombrée (diisopropylaminyl et 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine) à proximité du centre métallique. Ces travaux ont montré que l’amine ne se coordine pas audit centre métallique. Les métallocènes ainsi formés ont ensuite été transformés en cation afin de renforcer le caractère acidité de Lewis du centre métallique. Ces espèces ont montré une réactivité inattendue donnant lieu à des réarrangements par activation CH au voisinage de l’atome d’azote. Ces réarrangements ainsi que des études mécanistiques font l’objet du troisième chapitre. La quatrième partie de ce mémoire porte sur la synthèse de complexes phosphido- et amidotitanocènes cationiques. Ces complexes montrent une très bonne activité en catalyse d’hydrogénation de petites molécules dans des conditions relativement douces, vraisemblablement pour des raisons d’effets coopératifs entre le métal et le ligand. Dans une dernière partie, la synthèse de complexes titanocéniques cationiques portant une fonction iminophosphorane est développée, suivie d’une étude de réactivité de ces complexes en tant que paires frustrées de Lewis organométalliques. / In 2006, the concept of “frustrated Lewis pairs” (called FLPs) was introduced. The main characteristic of these compounds is their ability to activate cooperatively small molecules without the use of a metal (H2, CO2, alkene alkyne…). Initially based on P/B combination, the concept has been extended to several other main group elements (N/B, P/Al, N/Al …). Recently, FLPs have been extended to the transition metal realm. These organometallic FLPs (OmFLPs) are obviously non-metal free systems but they extend significantly the scope of FLP applications. Seeking to develop such systems, a research toward new omFLP combinations (N/Ti+, N/Zr+) has been initiated in our group, based on the synthesis of N-based titanocene and zirconocene complexes. The first part of this manuscript deals with a survey of the literature of such compounds, and a more detailed presentation of FLPs and related concepts (metal-ligand cooperativity, ambiphilic ligands) are also developed. In a second chapter, the synthesis of new N-based cyclopentadienyl ligands and their coordination to group 4 metals is presented. The formation of a cationic complex is then developed in a third part on selected titanocenes. In these complexes, the amine function undergoes CH activation by the cationic metal centre, leading to unexpected rearrangements. Investigations on their plausible mechanism are also presented. In a fourth part, the synthesis of new cationic phosphido- and amidotitanocenes, discovered in the course of our study on OmFLPs, is developed. The cationic amidotitanocenes are shown to be catalytically active towards hydrogenation of small molecules. Lastly, the potential of cationic titanocenyl iminophosphoranes as OmFLPs, was developed.

Stabilization of highly strained organic species and altering normal reactivity norms of organic fragments by transition metals have been a triumphing feat of organometallic chemistry. A variety of saturated and unsaturated metallacycles result from the reactions of the transition metals with the organic entities. Understanding the structure and bonding of the metallacylces has been indispensable over the years in view of its involvement as intermediates or compounds for numerous synthetic and catalytic applications. In this context, Group 4 metallocenes have unlocked a fascinating chemistry by stabilizing strained unsaturated C4 organic fragments in the form of five-membered metallacyclomulenes, metallacyclopentynes and metallacycloallnes. These molecules do not conform to the existing bonding principles of chemistry. We have carried out a comprehensive theoretical study to understand the unsual stability and reactivity of these metallacycles. Our theoretical study reveals that the unique interaction of the internal carbon atoms along with the terminal carbon atoms with the bent metallocene moiety is the reason for unsual stability of the metallacycles. We have also investigated the mechanism of interesting C-C coupling and cleavage reactions involving metallacyocumulenes. It demonstrates unexpected reaction pathway for these metallacycles. Moreover, based on this understanding, we have predicted and unraveled the stabilization factors of a challenging four membered metallcycloallene complex. Indeed, our prediction about a four-membered heterometallacycle has been realized experimentally. This kind of bonding is intriguing from fundamental perspective and has great relevance in synthesizing unsual structures with interesting properties. Finally, the electronic structure and bonding of a metallocene-alkyne complex is analyzed to determine the nature of bonding. Our aim is to build a conceptual framework to understand these metallacycles and to exploit their chemistry.

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.

Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit lässt sich thematisch in drei Bereiche gliedern. Der erste Teil handelt von der Synthese stark elektronenziehender Ligandensysteme und deren Umsetzung zu Metallocendichloriden. Es zeigt sich, dass die Umsetzung von pentafluorbenzolhaltigem Cyclopentadien, Inden oder Fluoren mit Silizium-Verbindungen nicht zu der gewünschten Reaktion zu Si-verbrücken Systemen führen, sondern, dass sich andersartige Si-F-Moleküle bilden. Zugängliche, unverbrückte Komplexe zeigen im besonderen eine geringe Stabilität im Vergleich zu ’nicht-C6F5-haltigen’ Metallocenen. Die Hauptthematik der Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von in 2-Position funktionalisierter sowie verbrückter Indene und deren Umsetzung zu Metallocenkomplexen. Hierbei interessiert vor allem der sterische Einfluss der am Ligandensystem sitzenden Gruppen. Die Darstellung der Inden-2-verbrückten Indene erstreckt sich über eine Bromaddition, thermodynamische Freisetzung von HBr, Grignard-Reaktion und anschließender Brückenbildung mit Cyclopentadien- und tert.Butylamineinheiten. Weiterer Bestandteil dieses Abschnitts ist die Umsetzung der synthetisierten Moleküle zu Metallocenverbindungen. Dabei werden auf diesem Wege Sandwich- bzw. Halbsandwich-Komplexe in guter Ausbeute erhalten. Der dritte Bereich beschäftigt sich mit der Umsetzung von Titan-4-chlorid gegenüber unterschiedlichern Trimethylsilyl-substituierten Indenen. Durch Substitution eines Chloratoms durch eine Phenolatgruppe erhält man die Indenyldichlortitanphenolate.

Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit lässt sich thematisch in drei Bereiche gliedern. Der erste Teil handelt von der Synthese stark elektronenziehender Ligandensysteme und deren Umsetzung zu Metallocendichloriden. Es zeigt sich, dass die Umsetzung von pentafluorbenzolhaltigem Cyclopentadien, Inden oder Fluoren mit Silizium-Verbindungen nicht zu der gewünschten Reaktion zu Si-verbrücken Systemen führen, sondern, dass sich andersartige Si-F-Moleküle bilden. Zugängliche, unverbrückte Komplexe zeigen im besonderen eine geringe Stabilität im Vergleich zu ’nicht-C6F5-haltigen’ Metallocenen. Die Hauptthematik der Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von in 2-Position funktionalisierter sowie verbrückter Indene und deren Umsetzung zu Metallocenkomplexen. Hierbei interessiert vor allem der sterische Einfluss der am Ligandensystem sitzenden Gruppen. Die Darstellung der Inden-2-verbrückten Indene erstreckt sich über eine Bromaddition, thermodynamische Freisetzung von HBr, Grignard-Reaktion und anschließender Brückenbildung mit Cyclopentadien- und tert.Butylamineinheiten. Weiterer Bestandteil dieses Abschnitts ist die Umsetzung der synthetisierten Moleküle zu Metallocenverbindungen. Dabei werden auf diesem Wege Sandwich- bzw. Halbsandwich-Komplexe in guter Ausbeute erhalten. Der dritte Bereich beschäftigt sich mit der Umsetzung von Titan-4-chlorid gegenüber unterschiedlichern Trimethylsilyl-substituierten Indenen. Durch Substitution eines Chloratoms durch eine Phenolatgruppe erhält man die Indenyldichlortitanphenolate.