Este trabalho está focado no desenvolvimento de complexos de rutênio binucleares baseados no ligante ponte 2,6-bis(2-piridil)benzodiimidazol (dpimH2) com potencial aplicação como catalisadores para oxidação da água. O acoplamento eletrônico entre os centros metálicos bem como as propriedades eletrônicas e catalíticas podem ser controlados via reações ácido-base no ligante bis-bidentado. Dessa forma, neste trabalho descrevemos o preparo e a caracterização do respectivo composto mononuclear, bem como do complexo binuclear simétrico [{RuCl(phtpy)}2(dpimH2)](Otf) 2 (onde phtpy=4-fenil-2,2\':6\',\'\'-terpiridina), e do análogo assimétrico [{Ru(bpy)2}(dpimH2){Ru(phtpy)Cl}](ClO4)3 (onde bpy=2,2\'-bypiridina), que possui um centro catalítico e um grupo cromóforo na mesma molécula como esperado em um fotocatalisador, em que os dois centros catalíticos estão covalentemente conectados através do ligante ponte funcional. As caracterizações estrutural e eletrônica de ambos os complexos por 1H RMN, ESI-MS e espectroscopia de absorção UV-Vis indicaram a presença de isômeros geométricos com perfis eletrônicos similares. Por outro lado, a análise eletroquímica por voltametria cíclica demonstrou menores potenciais Ru(III/II) quando comparados a complexos polipiridínicos análogos. Este potencial redox pode ainda ser catodicamente deslocado através da remoção de prótons dos grupos imidazóis do ligante ponte, possibilitando, dessa forma, a modulação das propriedades eletrônicas e catalíticas destes complexos de rutênio através de reações de protonação/desprotonação dos grupos -NH. Além disso, neste trabalho é investigada a inesperada formação do complexo [Ru(phtpy)2] nas reações do complexo [RuCl3(phtpy)] puro com ligantes bidentados, utilizando-se espectroscopia UV-Vis e de 1H RMN. / This work is focused on the development of dinuclear ruthenium complexes with potential application as catalysts for oxidation of water, that are characterized by a benzobisimidazole 2,6-bis(2-pyridyl)benzodiimidazole (dpimH2) bridging ligand, whose interaction between the metal centers as well as the electronic and catalytic properties can be tuned by acid-base reactions in that moiety. Thus, the preparation and characterization of the respective mononuclear species are described. The dinuclear complex [2(dpimH2)](Otf)2(phtpy=4-phenyl-2,2\':6\',2\'\'-terpiridine), in which two catalytic centers are covalently linked through that bridging ligand, and of the [(dpimH2)](ClO4)3 complex (where bpy=2,2\'-bypiridine) integrating a chromophore and a catalytic center in the same molecule as expected for a photocatalyst. The structural and electronic characterization of both complexes by NMR, ESI-MS and UV-vis spectroscopy indicated the presence of geometric isomers with similar electronic profiles. On the other hand, the electrochemical analysis by cyclic voltammetry displayed redox potential values for the Ru3+/Ru2+ couples lower than the respective polypyridyl complex counterparts. This redox potential can be even more shifted to less positive potentials by removal of protons from the imidazole groups in the bridging ligand, opening the possibility of tuning the electronic and catalytic properties of those ruthenium complexes based on protonation/deprotonation of the -NH groups. Furthermore, in this work is analyzed the unexpected formation of the bisterpyridine [Ru(phpy)2] complex in reactions starting with pure [RuCl3(phtpy)] complex with bidentated ligands, as through UV-Vis spectroscopy and RMN.

Complexos polipiridínicos de rutênio mononuclares vem sendo ativamente estudados como catalisadores da reação de oxidação de água a oxigênio, mas o complexo ativado dos catalisadores mais eficientes envolve a formação de um dímero, indicando a importância da estrutura binuclear para ativação dos mesmos. Assim, nesta tese propomos o estudo dos possíveis efeitos sinérgicos em complexos binucleares de rutênio polipiridinas angulares para ativação das espécies de alta valência do tipo RuV=O e RuIV=O. Assim, foram preparadas séries de complexos polipiridínicos de rutênio empregando os ligantes tridentados derivados de terpiridinas e bidentados tipo bipiridina na forma cloro complexos e aqua complexos mono e binucleares, capazes de atuar como precursores das espécies ativas de alta valência por meio de reações de transferência de elétrons acoplado a transferência de prótons (PCET). Os complexos [RuCl(bpy)(phtpy)](PF6), [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 e [Ru2Cl2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)2 (phtpy= 4\'-fenil-2,2\':6\',2\'\'-terpiridina, bpy= 2,2´-bipiriridina, Clphen= 5-cloro-1,10-fenantrolina e tpy2ph= 1,3-bis(4\'-2,2\':6\',2\'\'-terpiridil)benzeno) e seus aqua complexos foram sintetizados e caracterizados por técnicas espectroscópicas e eletroquímicas. Os complexos [RuCl(bpy)phtpy](PF6), [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 e [Ru2Cl2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)2 apresentam apenas reações de transferência de elétrons onde o estado de oxidação máximo do íon rutênio é 3+. Todavia, os respectivos aqua complexos [Ru(H2O)(bpy)(phtpy)](PF6)2, [Ru2(H2O)2(bpy)(tpy2ph)](PF6)4 e [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)4 podem ser oxidados de modo a gerar complexos de alta valência com íon rutênio nos estados de oxidação 4+ e 5+ via reação de transferência eletrônica acoplada a transferência de prótons (PCET). Os complexos de RuIV=O são gerados em potenciais relativamente baixos e não apresentaram atividade eletrocatalítica significativa, enquanto que as espécies RuV=O ([RuV(O)(bpy)(phtpy)]3+ e [Ru2V(O)2(bpy)2(tpy2ph)]6+) atuam como catalisadores eficientes para a reação de oxidação da água a oxigênio. Os valores de TOF para os complexos binuclear (0,97 s-1) é cerca de três vezes maior que para o complexo mononuclear (0,32 s-1), confirmando a presença de efeitos sinérgicos que aceleram a liberação de oxigênio no complexo binuclear. As propriedades eletrocatalíticas dos complexos polipiridínicos de rutênio de alta valência foram transferidos para a superfície de eletrodos via eletropolimerização redutiva do complexo [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](TfO)4. Neste caso foram observadas a geração eletroquímica de espécies contendo o íon rutênio nos estados de oxidação 2+, 4+ e 5+, enquanto que a espécie no estado 3+ aparentemente não é estável e sofre desproporcionamento. O eletrodo modificado preservou a alta atividade eletrocatalítica do aqua complexo binuclear para a reação de oxidação da água (TOF de 0,80 s-1) e também para a oxidação de álcool benzílico a benzaldeído, com kRuIV= 14,70 L·mol-1 s-1 demonstrando o elevado potencial do material para a oxidação de substratos orgânicos. / Mononuclear ruthenium polypyridyl complexes have been studied as catalysts of oxygen evolution in water oxidation reaction, but the activated complex of most efficient catalysts assume the formation of dimers indicating the importance of the binuclear structure for their activation. Thereby, in this thesis we propose the study of possible synergistic effects in binuclear ruthenium polypyridyl complexes in order to activate species with high valence as RuV=O and RuIV=O for multi-electronic catalytic oxidation reactions. For this purpose, it was prepared a series of ruthenium polyppyridyl complexes using tridentate ligands based in terpyridine and bidentate bipyridine generating binuclear chloride complexes and aqua complexes which are able to act as precursors of the respective high valence active species generated by proton coupled electron transfer (PCET) reactions. The [RuCl(bpy)(phtpy)](PF6) and [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 complexes (phtpy= 4\'-phenyl-2,2\':6\',2\'\'-terpyridine, bpy= 2,2´-bipyridine and tpy2ph= 1,3-bis(4\'-2,2\':6\',2\'\'-terpyridin-4-yl)benzene) and their respective aqua complexes were synthetized and characterized by spectroscopic and electrochemical techniques. The chloro complexes [RuCl(bpy)(phtpy)](PF6), [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 and [Ru2Cl2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)2 (Clphen= 5-Chloro-1,10-phenanthroline) show only electron transfer reactions where the maximum oxidation state of the ruthenium ion is 3+. However, the respective aqua complexes [Ru(H2O)(bpy)(phtpy)](PF6)2, [Ru2(H2O)2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)4 and [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)4 can be oxidized further by proton coupled electron transfer (PCET), generating high valence complexes where the ruthenium oxidation state can be 4+ and 5+. Complexes of RuIV=O are generated in relatively low potentials and do not presented significant electrocatalytic activity for oxidation of water to dioxygen, whereas the RuV=O species ([RuV(O)(bpy)(phtpy)]3+ and [Ru2V(O)2(bpy)2(tpy2ph)]6+) showed to be efficient catalysts for the reaction of water oxidation. The values of TOF for the binuclear complexes (0,97 s-1) were about three times larger than for the mononuclear complex (0,32 s-1), confirming the presence of synergistic effects accelerating the formation and release of oxygen by the binuclear complex. The electrocatalytic properties of high valence ruthenium polypyridyl complexes were transferred to electrodes surface by reductive electropolymerization of the [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](TfO)4 complex. In this case the electrochemical generation of ruthenium 2+, 4+ and 5+ species were observed whereas the 3+ species was not stable and disproportionated. The modified electrodes preserved the high electrocatalytic activity of the binuclear aqua complexes for water oxidation reaction (TOF de 0,80 s-1), and also for oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde with kRuIV= 14,70 L mol-1 s-1 demonstrating the high catalytic efficiency for oxidation of organic substrates.

Este trabalho está focado no desenvolvimento de complexos de rutênio binucleares baseados no ligante ponte 2,6-bis(2-piridil)benzodiimidazol (dpimH2) com potencial aplicação como catalisadores para oxidação da água. O acoplamento eletrônico entre os centros metálicos bem como as propriedades eletrônicas e catalíticas podem ser controlados via reações ácido-base no ligante bis-bidentado. Dessa forma, neste trabalho descrevemos o preparo e a caracterização do respectivo composto mononuclear, bem como do complexo binuclear simétrico [{RuCl(phtpy)}2(dpimH2)](Otf) 2 (onde phtpy=4-fenil-2,2\':6\',\'\'-terpiridina), e do análogo assimétrico [{Ru(bpy)2}(dpimH2){Ru(phtpy)Cl}](ClO4)3 (onde bpy=2,2\'-bypiridina), que possui um centro catalítico e um grupo cromóforo na mesma molécula como esperado em um fotocatalisador, em que os dois centros catalíticos estão covalentemente conectados através do ligante ponte funcional. As caracterizações estrutural e eletrônica de ambos os complexos por 1H RMN, ESI-MS e espectroscopia de absorção UV-Vis indicaram a presença de isômeros geométricos com perfis eletrônicos similares. Por outro lado, a análise eletroquímica por voltametria cíclica demonstrou menores potenciais Ru(III/II) quando comparados a complexos polipiridínicos análogos. Este potencial redox pode ainda ser catodicamente deslocado através da remoção de prótons dos grupos imidazóis do ligante ponte, possibilitando, dessa forma, a modulação das propriedades eletrônicas e catalíticas destes complexos de rutênio através de reações de protonação/desprotonação dos grupos -NH. Além disso, neste trabalho é investigada a inesperada formação do complexo [Ru(phtpy)2] nas reações do complexo [RuCl3(phtpy)] puro com ligantes bidentados, utilizando-se espectroscopia UV-Vis e de 1H RMN. / This work is focused on the development of dinuclear ruthenium complexes with potential application as catalysts for oxidation of water, that are characterized by a benzobisimidazole 2,6-bis(2-pyridyl)benzodiimidazole (dpimH2) bridging ligand, whose interaction between the metal centers as well as the electronic and catalytic properties can be tuned by acid-base reactions in that moiety. Thus, the preparation and characterization of the respective mononuclear species are described. The dinuclear complex [2(dpimH2)](Otf)2(phtpy=4-phenyl-2,2\':6\',2\'\'-terpiridine), in which two catalytic centers are covalently linked through that bridging ligand, and of the [(dpimH2)](ClO4)3 complex (where bpy=2,2\'-bypiridine) integrating a chromophore and a catalytic center in the same molecule as expected for a photocatalyst. The structural and electronic characterization of both complexes by NMR, ESI-MS and UV-vis spectroscopy indicated the presence of geometric isomers with similar electronic profiles. On the other hand, the electrochemical analysis by cyclic voltammetry displayed redox potential values for the Ru3+/Ru2+ couples lower than the respective polypyridyl complex counterparts. This redox potential can be even more shifted to less positive potentials by removal of protons from the imidazole groups in the bridging ligand, opening the possibility of tuning the electronic and catalytic properties of those ruthenium complexes based on protonation/deprotonation of the -NH groups. Furthermore, in this work is analyzed the unexpected formation of the bisterpyridine [Ru(phpy)2] complex in reactions starting with pure [RuCl3(phtpy)] complex with bidentated ligands, as through UV-Vis spectroscopy and RMN.

Complexos polipiridínicos de rutênio mononuclares vem sendo ativamente estudados como catalisadores da reação de oxidação de água a oxigênio, mas o complexo ativado dos catalisadores mais eficientes envolve a formação de um dímero, indicando a importância da estrutura binuclear para ativação dos mesmos. Assim, nesta tese propomos o estudo dos possíveis efeitos sinérgicos em complexos binucleares de rutênio polipiridinas angulares para ativação das espécies de alta valência do tipo RuV=O e RuIV=O. Assim, foram preparadas séries de complexos polipiridínicos de rutênio empregando os ligantes tridentados derivados de terpiridinas e bidentados tipo bipiridina na forma cloro complexos e aqua complexos mono e binucleares, capazes de atuar como precursores das espécies ativas de alta valência por meio de reações de transferência de elétrons acoplado a transferência de prótons (PCET). Os complexos [RuCl(bpy)(phtpy)](PF6), [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 e [Ru2Cl2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)2 (phtpy= 4\'-fenil-2,2\':6\',2\'\'-terpiridina, bpy= 2,2´-bipiriridina, Clphen= 5-cloro-1,10-fenantrolina e tpy2ph= 1,3-bis(4\'-2,2\':6\',2\'\'-terpiridil)benzeno) e seus aqua complexos foram sintetizados e caracterizados por técnicas espectroscópicas e eletroquímicas. Os complexos [RuCl(bpy)phtpy](PF6), [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 e [Ru2Cl2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)2 apresentam apenas reações de transferência de elétrons onde o estado de oxidação máximo do íon rutênio é 3+. Todavia, os respectivos aqua complexos [Ru(H2O)(bpy)(phtpy)](PF6)2, [Ru2(H2O)2(bpy)(tpy2ph)](PF6)4 e [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)4 podem ser oxidados de modo a gerar complexos de alta valência com íon rutênio nos estados de oxidação 4+ e 5+ via reação de transferência eletrônica acoplada a transferência de prótons (PCET). Os complexos de RuIV=O são gerados em potenciais relativamente baixos e não apresentaram atividade eletrocatalítica significativa, enquanto que as espécies RuV=O ([RuV(O)(bpy)(phtpy)]3+ e [Ru2V(O)2(bpy)2(tpy2ph)]6+) atuam como catalisadores eficientes para a reação de oxidação da água a oxigênio. Os valores de TOF para os complexos binuclear (0,97 s-1) é cerca de três vezes maior que para o complexo mononuclear (0,32 s-1), confirmando a presença de efeitos sinérgicos que aceleram a liberação de oxigênio no complexo binuclear. As propriedades eletrocatalíticas dos complexos polipiridínicos de rutênio de alta valência foram transferidos para a superfície de eletrodos via eletropolimerização redutiva do complexo [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](TfO)4. Neste caso foram observadas a geração eletroquímica de espécies contendo o íon rutênio nos estados de oxidação 2+, 4+ e 5+, enquanto que a espécie no estado 3+ aparentemente não é estável e sofre desproporcionamento. O eletrodo modificado preservou a alta atividade eletrocatalítica do aqua complexo binuclear para a reação de oxidação da água (TOF de 0,80 s-1) e também para a oxidação de álcool benzílico a benzaldeído, com kRuIV= 14,70 L·mol-1 s-1 demonstrando o elevado potencial do material para a oxidação de substratos orgânicos. / Mononuclear ruthenium polypyridyl complexes have been studied as catalysts of oxygen evolution in water oxidation reaction, but the activated complex of most efficient catalysts assume the formation of dimers indicating the importance of the binuclear structure for their activation. Thereby, in this thesis we propose the study of possible synergistic effects in binuclear ruthenium polypyridyl complexes in order to activate species with high valence as RuV=O and RuIV=O for multi-electronic catalytic oxidation reactions. For this purpose, it was prepared a series of ruthenium polyppyridyl complexes using tridentate ligands based in terpyridine and bidentate bipyridine generating binuclear chloride complexes and aqua complexes which are able to act as precursors of the respective high valence active species generated by proton coupled electron transfer (PCET) reactions. The [RuCl(bpy)(phtpy)](PF6) and [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 complexes (phtpy= 4\'-phenyl-2,2\':6\',2\'\'-terpyridine, bpy= 2,2´-bipyridine and tpy2ph= 1,3-bis(4\'-2,2\':6\',2\'\'-terpyridin-4-yl)benzene) and their respective aqua complexes were synthetized and characterized by spectroscopic and electrochemical techniques. The chloro complexes [RuCl(bpy)(phtpy)](PF6), [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 and [Ru2Cl2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)2 (Clphen= 5-Chloro-1,10-phenanthroline) show only electron transfer reactions where the maximum oxidation state of the ruthenium ion is 3+. However, the respective aqua complexes [Ru(H2O)(bpy)(phtpy)](PF6)2, [Ru2(H2O)2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)4 and [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)4 can be oxidized further by proton coupled electron transfer (PCET), generating high valence complexes where the ruthenium oxidation state can be 4+ and 5+. Complexes of RuIV=O are generated in relatively low potentials and do not presented significant electrocatalytic activity for oxidation of water to dioxygen, whereas the RuV=O species ([RuV(O)(bpy)(phtpy)]3+ and [Ru2V(O)2(bpy)2(tpy2ph)]6+) showed to be efficient catalysts for the reaction of water oxidation. The values of TOF for the binuclear complexes (0,97 s-1) were about three times larger than for the mononuclear complex (0,32 s-1), confirming the presence of synergistic effects accelerating the formation and release of oxygen by the binuclear complex. The electrocatalytic properties of high valence ruthenium polypyridyl complexes were transferred to electrodes surface by reductive electropolymerization of the [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](TfO)4 complex. In this case the electrochemical generation of ruthenium 2+, 4+ and 5+ species were observed whereas the 3+ species was not stable and disproportionated. The modified electrodes preserved the high electrocatalytic activity of the binuclear aqua complexes for water oxidation reaction (TOF de 0,80 s-1), and also for oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde with kRuIV= 14,70 L mol-1 s-1 demonstrating the high catalytic efficiency for oxidation of organic substrates.