La tectonique moléculaire est une partie de la chimie supramoléculaire traitant de la formation d’architectures périodiques mono-, bi- et tridimensionnelles générées via l’auto-assemblage de briques moléculaires complémentaires nommées tectons. Ces derniers possèdent des sites de reconnaissance basés sur des interactions non-covalentes et réversibles. Les interactions largement utilisées sont les liaisons hydrogène et les interactions de coordination. Au cours de cette thèse, les sites de liaison H utilisés sont les nucléobases (thymine, adénine, cytosine, guanine) présentes dans l'ADN et l'ARN, qui ont été introduites en périphérie de différents sites de coordination, tels que les porphyrines, les dipyrrines, les pyridines et les terpyridines. Une bibliothèque de 25 nouveaux tectons à base de nucléobases a été synthétisée et caractérisée. De plus, les tectons ont été cristallisés pour étudier leur auto-assemblage à l'état solide. En présence de cations métalliques externes, les tectons conduisent à la formation de réseaux de coordination de topologies variées associant des liaisons H additionnelles entre les nucléobases. / Molecular tectonics is a field of supramolecular chemistry dealing with the formation of 1D, 2D and 3D molecular networks generated through the self-assembly processes between complementary building blocks (tectons). The latter offer complementary sites leading to recognition patterns via non-covalent and reversible interactions. The interactions widely used are hydrogen bonds and coordination interactions. During this thesis, the H-bonding sites used are the Nucleobases (Thymine, Adenine, Cytosine, Guanine) found in the DNA and RNA, which were introduced to different coordination sites, such as porphyrins, dipyrrins, pyridines and terpyridines. A library of 25 new tectons based on nucleobases were synthesized and characterized. Furthermore, the tectons were crystalized to study their self-assembly in the solid state. In the presence of external metal cations, the tectons lead to the formation of coordination and H-bonded networks of various topology via the self-assembly of nucleobases together with the formation of coordination bonds.

En termes de chimie supramoléculaire et de tectonique moléculaire, les métacyclophanes [1111] sont des composés attractifs pour la préparation et l’étude de réseaux moléculaires, car la particularité de ces composés est la stabilité exceptionnelle de la conformation l'encombrement stérique entre les groupes ortométhyliques des cycles aryles. Un tel type rigide d'échafaudage moléculaire aussi bien avec la présence de sites de liaison de terminaux est considéré comme un bloc de construction moléculaire très approprié pour la formation de différents types de réseaux moléculaires en utilisant principalement la coordination et la H-bonding. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié le rôle de la nature de la coordination des sites greffés sur le squelette métacyclophane macrocyclique afin d'améliorer leur capacité à former des réseaux de coordination dans la phase cristalline et les systèmes supramoléculaires en solution, une série de nouvelles [1111] métacyclophanes ont été synthétisés et caractérisés en solution et à l'état solide. Leur propension à lier différents cations métalliques dans la phase cristalline ainsi que des complexes en solution ont été étudiés. / In terms of supramolecular chemistry and molecular tectonics,[1111]metacyclophanes are attractive compounds for the preparation and study of molecular networks since the particular feature of these compounds is determined by exceptional stability of the 1,3-Alternate conformation of their molecular platform due to the steric hindrance between the orto-methyl groups of aryl rings. Such rigid type of molecular scaffold both with presence of terminal binding sites is considered as a very suitable molecular building block for formation of different type molecular networks using primarily coordination and H-bonding. Through this work we investigated the role of the nature of the coordinating sites grafted on the metacyclophane macrocyclic backbone in order to enhance their ability to form coordination networks in the crystalline phase and the supramolecular systems in solution, a series of new [1111]metacyclophanes have been synthesized and characterized in solution and in the solid state. Their propensity to bind different metal cations in the crystalline phase as well as complexes in solution have been studied.

L’objectif de ce travail a été de développer de nouvelles approches pour la fonctionnalisation des dérivés pyrroliques mono- et bis-dipyrrines en positions 1, 5, 9, qui peuvent être utilisés comme tectons pour l’auto-assemblage avec des centres métalliques menant à la construction d’entités discrètes et / ou de réseaux moléculaires périodiques infinis. Dans une première partie, une série de nouveaux dérivés dipyrrines fonctionnalisés par des groupes de coordinants dans les positions 1 et 9 via une réaction de Knoevenagel ainsi que par une autre unité coordinante ou de solubilisation en position 5 a été préparée. La coordination de ces ligands aux cations B(III) et Zn(II) mène à la formation de dérivés luminescents du type BODIPY et de complexes homoleptiques, qui ont été utilisés comme métallatectons pour la construction de polymères de coordination hétérométalliques émissifs à l’état cristallin. Dans une deuxième partie, une stratégie de synthèse de nouvelles espèces via une post-fonctionnalisation de dérivés de 2,2'-bisdipyrrine grâce à un groupement réactif à leur périphérie, telle qu'une fonction aldéhyde, amine ou acide carboxylique, a été mise au point. D'une part, un ligand tétrapyrrolique à chaîne ouverte portant des motifs benzaldéhyde en positions méso a été utilisé pour la formation d'un hélicate fermé par des liaisons imines. D'autre part, l'introduction d'un acide p-benzoïque sur l'un ou les deux côtés du squelette 2,2'-bisdipyrrine a été utilisée pour la formation de nouveaux dérivés symétriques et dissymétriques. L'assemblage de ces nouveaux ligands avec les cations Zn(II) et Ni(II) a été particulièrement exploré. / The aim of this work was to develop new approaches for the functionalization of mono- and bis-dipyrrin derivatives at positions 1, 5, 9, which can be used as tectons for self-assembly with various metal centers for the construction of discrete entities and/or infinite periodic molecular networks. In the first part, a series of new 1,9-divinyldipyrrin derivatives functionalized by coordinating groups in positions 1 and 9 via a Knoevenagel reaction and bearing another coordinating or solubilizing unit in position 5 has been explored. The assembly of these ligands with B(III) or Zn(II) centers provide luminescent complexes, which can be used as metallatectons for the construction of heterometallic coordination polymers emissive in the solid state. In the second part, the synthetic strategy for novel species via a post-functionalization of 2,2’-bisdipyrrin derivatives featuring reactive groups at their periphery such as an aldehyde, amine or carboxylic acid moiety has been explored. On one hand, a tetrapyrrolic open-chain ligand bearing benzaldehyde units at the meso position was exploited for the preparation of a strapped helicate based on imine bond formation. On the other hand, the introduction of a p-benzoic acid on one/both side of the 2,2’-bisdipyrrin backbone has been employed for the formation of novel symmetric and dissymmetric amide-bearing derivatives. The assembly of these novel ligands with Zn(II) and Ni(II) cations has been particularly explored.

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

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

Les réseaux de coordination, ou Metal Organic Frameworks (MOFs), sont des architectures cristallines hybrides organiques-inorganiques qui présentent des propriétés découlant de leurs compostions et de leurs architectures. L'objectif de ce travail fut la synthèse contrôlée de nouveaux réseaux de coordination homo- (MOFs) et hétérométalliques (M'MOFs) à base de ligands dipyrrines (dpms). Dans une première partie, une stratégie de synthèse basée sur l'auto-assemblage a permis l'obtention d'une nouvelle famille de réseaux constituée de MOFs luminescents [CdII(dpm)2] et de MOFs [NiII(dpm)2]. Dans une seconde partie, l'utilisation d'une stratégie séquentielle a permis de préparer des M'MOFs de type grille basés sur différents cations métalliques primaires (CuII, PdII, ZnII) et différents nœuds métalliques secondaires (CdCl2, Cd(NCS)2, Fe(NCS)2). Ces M'MOFs font partie des rares exemples d’architectures modulables conçues par une approche rationnelle et prédictible. De plus, il a été montré que ces composés pouvaient être synthétisés en une seule étape par une méthode avantageuse de synthèse "one pot". Pour finir, une stratégie "zip-Unzip-Rezip" consistant à convertir des MOFs préalablement formés en M'MOFs hétérométalliques par l'emploi de ligands auxiliaires a été mise au point. Cette nouvelle voie permet d'incorporer aisément de la fonctionnalité dans des architectures. / Coordination networks or Metal Organic Frameworks (MOFs) are hybrid organic-Inorganic crystalline architectures displaying properties resulting from their composition and organization. The aim of this work was to synthesize, in a controlled manner, dipyrrin based new homometallic (MOFs) and heterometallic (M'MOF) coordination networks.In the first part, a strategy based on self-Assembly leading to the formation of a new family of luminescent networks [CdII(dpm)2] MOFs and [NiII(dpm)2] MOFs is described.In a second part, generation of grid-Type M'MOFs based on different primary cations (CuII, PdII, ZnII) and secondary metallic nodes (CdCl2, Cd(NCS)2, Fe(NCS)2) by a sequential strategy is presented and discussed. These M'MOFs are among the rare examples of predesigned architectures displaying substantial modularity. Importantly, it has been also demonstrated that these architectures may be efficiently prepared by a "one pot" procedure. Finally, a "zip-Unzip-Rezip" strategy consisting in the conversion of preformed MOFs into M'MOFs using auxillary ligands was developed. This unprecedented approach allows the introduction of functionality within the architectures.

Les réseaux de coordination sont des architectures cristallines hybrides organiques-inorganiques pouvant présenter des propriétés découlant de leurs compositions et de leurs architectures. L’objectif de ce travail fut la synthèse de réseaux de coordination hétérométalliques à base de complexes d’Iridium (III) chiraux et luminescents.Dans un premier temps, la synthèse de nouveaux complexes d’Iridium cationiques bis-cyclométallés sous forme racémique et énantiopure a été réalisée avec succès. L'étude de leurs propriétés photophysiques a montré une émission dans le rouge par excitation dans le visible. La formation de réseaux de coordination à partir de ces métallatectons cationiques a ensuite été étudiée. Un réseau de coordination homochiral monodimensionnel luminescent a notamment été obtenu via l’auto-assemblage d'un complexe énantiopure avec un sel de cadmium(II). D’autre part, la synthèse de complexes d’Iridium neutres tris-cyclométallés possédant un troisième ligand dérivé de l’unité 2-phénylpyridine comportant des sites de coordination périphériques a été optimisée et les propriétés photophysiques de ces complexes discrets ont été étudiées. L'utilisation de ces complexes comme métallatectons neutres a conduit à la formation de différents réseaux de coordination luminescents. / Coordination networks or Metal Organic Frameworks (MOFs) are hybrid organic–inorganic crystalline architectures that, depending on their composition and organization, may display tailored properties. The aim of this PhD work was to synthesize heterometallic coordination networks based on chiral luminescent Iridium(III) complexes. On the one hand, the synthesis of cationic bis-cyclometallated Ir(III) complexes, both as racemate and as enantiopure species, was achieved. These complexes display red emission upon excitation in the visible domain. Formation of coordination networks using the prepared cationic metallatectons was studied. Notably, a luminescent enantiopure 1D coordination network was obtained upon self-assembly of one of the enantiopure cationic metallatectons with Cd(II) salts. On the other hand, synthesis of racemic neutral tris-cyclometallated Ir(III) complexes was also optimized and their photophysical properties studied. Different coordination networks have been also generated and studied.

L’essor de la chimie supramoléculaire et plus particulièrement de la tectonique moléculaire a rendu la formation de matériaux poreux hautement organisés possible. La fonctionnalisation de tels composés favorise leur utilisation pour de nombreuses applications. Les travaux présentés dans cette thèse ont été consacrés aux réseaux moléculaires poreux homochiraux ainsi que leur utilisation pour le stockage de gaz, la reconnaissance et la séparation d’énantiomères.Le premier chapitre décrit la synthèse de divers ligands organiques optiquement purs et leur assemblage avec des sels de cuivre pour l’obtention de monocristaux. Les isothermes d’adsorption de chacun de ces composés cristallins ont été mesurés via des analyses BET et le stockage de N2,CO2 et CH4 ont été évalué.Le second chapitre s’intéresse à l’utilisation de ces mêmes composés chiraux pour la reconnaissance des énantiomères (L)- et (D)-tryptophane. Des tests de séparation énantiosélective de molécules aminées ou dérivées d’amides sont également exposés.Le dernier chapitre décrit la formation de réseaux moléculaire mono- et tridimensionnels par l’association de ligands organiques avec des sels métalliques variés. Leurs structures cristallines ont pu être déterminées par diffraction des rayons X sur monocristal. / The development in supramolecular chemistry and more particularly in molecular tectonics has madepossible the formation of porous and highly organized materials. The functionalization of suchcompounds favored their use for various applications. This PhD work is about the application ofporous homochiral coordination networks for storage, enantioselective recognition or separation.The first chapter deals with the synthesis of chiral ligands and their combinations with copper salts toenable the formation of single crystals. Their adsorption isotherms were evaluated by BETmeasurements. Storage of N2, CO2 and CH4 by these crystalline architectures was also evaluated.The second part describes the use of these chiral compounds for enantioselective recognition of (L)-and (D)-tryptophan. Tests of enantioselective separation of amines or amides were also carried out.The last part of this work deals with the formation of mono- or tridimensional coordination polymersby combinations of organic ligands and a variety of metallic salts. Their structures were determinedby X-ray diffraction on single crystal.

Les travaux décrits dans ce manuscrit utilisent les principes de la tectonique moléculaire pour générer des polymères de coordination hautement fluorés et /ou chiraux pour une application potentielle en séparation chirale. La synthèse de 13 porphyrines de type A2B2 substituées en position méso par deux pyridines et par deux chaines fluorées et/ou alkyles a été mise au point. Des réseaux de coordination ont été obtenus en présence de Zn(II) et de Cd(II) et caractérisés par diffraction des RX sur monocristal (DRX). Une analyse systématique des interactions supramoléculaires et notamment de interactions F---F présentes à l’état solide a été conduite. Des réseaux à base de liaisons halogènes ont également été obtenus en présence de di- et tri-iodoarènes et caractérisés par DRX.Le premier chapitre est une introduction générale sur la tectonique moléculaire, le deuxième chapitre décrit les voies des synthèses utilisées pour générer les ligands chiraux et fluorés et leur caractérisation à l’état solide. Le troisième chapitre présente la structure des réseaux mono, bi, et tridimensionnels formés en présence de Zn(II) ou de Cd(II), l’analyse structurale met en évidence un nombre croissant d’interaction F---F en fonction du nombre de fluors présents à la périphérie du macrocycle porphyrinique. Le dernier chapitre se concentre sur l’utilisation des liaisons halogènes de type N---I impliquant des porphyrines ou des tectons de type bipyridine et une série d’ iodofluoroarenes. / This manuscript focuses on the use of molecular tectonics to generate chiral and / or fluorinated coordination polymers based on porphyrin building blocks for potential application in chiral separation. Synthesis of novel A2B2 fluorinated porphyrin tectons is described and their combinations with metal ions and haloarenes molecules are characterized by X-Ray diffraction.The first chapter gives a general introduction on molecular tectonics; the second chapter focuses on the synthetic routes used for the synthesis of highly fluorinated and/or chiral porphyrins and their solid state characterization by X-Ray diffraction analysis, highlighting the importance of the number of fluorine atoms present at the periphery of the tecton on the crystal packing. The third chapter presents the mono-, bi- and three dimensional networks formed by a combination of the porphyrins with Zn(II) or Cd(II). In the solid state, short F---F contacts were observed depending on the number of fluorine atoms present on the porphyrin backbone. The last chapter focuses on the use of halogen bonds, by merging the neutral porphyrin or bipyridine tectons with a series of iodofluoroarenes. The crystalline materials described in this work can be used as potential candidates for the separation of chiral and fluorinated molecules.

Dans ce travail, l’approche de la tectonique moléculaire, basée à la fois sur la reconnaissance moléculaire et le processus itératif d’auto-assemblage à l’état cristallin, a été utilisée pour la formation de réseaux moléculaires de coordination, ainsi que de réseaux moléculaires à base de liaisons hydrogène. La synthèse de nouveaux tectons à base de dérivés de TCA (p-tert-butylthiacalix[4]arene et p-H-thiacalix[4]arene) offrant des groupements coordinants de type pyridine (avec différentes positions de l’azote sur les noyaux pyridiniques) et de dérivés de TMTCA (tetramercaptothiacalix[4]arene) portant aussi des groupement de type pyridine (avec différentes positions de l’azote sur les noyaux pyridiniques) mais aussi cyano, carboxylates, pyrazole et imidazole a été mise au point. Tous les tectons adoptent la conformation 1,3-alternée, permettant l'obtention de réseaux moléculaire de dimensionalité élevée. Les composés obtenus ont été caractérisés à la fois en solution et à l'état cristallin. Leur aptitude à former des réseaux de coordination en présence de métaux de transition (tels que Ag(I), Hg(II), Cd(II), Cu(II), Co(II), Fe(II)) a été explorée. La possibilité de formation de réseaux à base de liaison hydrogènes a été également testée en utilisant le carboxylate-bisamidinium type de reconnaissance. Beaucoup de nouveaux polymères de coordinations possédant diverses dimensionnalités, en particulier, 3D de type diamant, et certaines réseaux à base de liaisons hydrogènes ont été obtenus. La différence de la connectivité entre TCA et TMTCA vis-à-vis des cations métalliques a été étudiée et discutée. / In this work, the molecular tectonic strategy, based on the molecular recognition together with the iterative self-assembly process in the crystalline phase, has been used for the formation of molecular networks (coordination polymer and H-bonded networks). The synthesis of new tectons based on the TCA derivatives (p-tert-butylthiacalix[4]arene et p-H-thiacalix[4]arene) offering pyridyl binding sites with different position of N atom in the rings, as well as the TMTCA derivatives (tetramercaptothiacalix[4]arene) bearing pyridyl (also with different position of N atom in the rings), cyano, carboxylate, pyrazolyl, imidazolyl coordinating groups has been achieved. All tectons were fixed in 1,3-alternate conformation, allowing the formation of high dimensionality networks. The structures of obtained tectons were characterized in solution, as well as in the solid state. The propensity of these tectons to form coordination polymers upon the combination with different transition metal cations such as Ag(I), Hg(II), Cd(II), Cu(II), Co(II), Fe(II) has been expoled. The possibility to form the H-bonded networks has also been investigated using the carboxylate-bisamidinium type of recognition pair. New coordination polymers possessing different dimensionalities (especially 3D diamond like) and some H-bonded networks have been obtained. The differences in the connectivity of TCA and TMTCA towards the metal cations have been studied and discussed.