Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Ce travail de thèse décrit l'utilisation de complexes de platine(II) dans les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs). Ces complexes ([Pt(II) (tetra-tert-butylSalophen)] et [Pt(II) Salophen]) ont été caractérisés par les méthodes usuelles (1H RMN, spectroscopie UV-visible, électrochimie, diffraction des rayons X pour le [Pt(II) (tetra-tert-butylSalophen)]). Des calculs DFT ont corroboré les données expérimentales qui ont guidé le choix du Tris(8-hydroxyquinolinato) aluminum (Alq3) en tant que matrice. Des dispositifs bistables, susceptibles d'être utilisés en tant que mémoires, ont été obtenus lors du dopage, à 5%, d'OLEDs monocouches. La modulation de ce phénomène par l'ajout d'une couche de N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine (NPD) d'épaisseur contrôlée, a été mis en évidence. Des OLEDs bicouches (NPD/Alq3:Pt) émettant dans la gamme spectrale 640-750 nm (rouge profond), et présentant des rendements supérieurs à 20 %, ont ainsi été réalisées. En dopant la couche de NPD, des OLED jaunes présentant un comportement électro-chromatique ont été élaborées. Sous l'effet du dopage par ces complexes, l'augmentation de la durée de vie des OLEDs a aussi été démontrée. / This thesis describes the integration of platinum(II) complexes within organic light emitting diodes (OLEDs). These complexes ([Pt(II) (tetra-tert-butylSalophen)] and [Pt(II) Salophen]) were characterized by the usual methods ( 1H NMR, UV-Vis spectroscopy, electrochemistry and X-ray diffraction for [Pt(II) (tetra-tert-butylSalophen)]). DFT calculations support the experimental data which guided the selection of Tris(8-hydroxyquinolinato) aluminum (Alq3)as host. 5% doping in monolayer OLEDs gave bistable devices which may be used as memory. Modulation of this phenomenon was allowed by adding a controlled layer of N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine (NPD). Bilayer OLEDs (NPD/Alq3:Pt) were shown to emit in the deep-red range between 640-750nm with efficiencies higher than 20%. Upon doping with complexes, an enhancement in the lifetime of OLEDs was highlighted.

Les travaux de recherche doctorale présentés dans ce manuscrit traitent de l'utilisation de ligands organométalliques associés à des briques organométalliques luminophores. Ces ligands rganométalliques, appelés organométalloligands sont des complexes sandwichs où un ruthénium(II) ou un iridium(III) est -coordonné à un cycle portant une ou deux fonctions chélatantes. Ces fonctions sont des atomes de soufre ou de sélénium. Les briques luminophores sont constituées d'un atome de platine(II) complexé par des ligands aromatiques. En faisant varier la topologie des organométalloligands employés ainsi que le type de briques de platine, des assemblages polynucléaires variés sont obtenus. Pour chaque famille d'assemblages synthétisés, une étude des propriétés d'absorption et de luminescence est menée. Au travers de ces divers assemblages, différents aspects particulier de la chimie de coordination sont mis en avant. Ainsi, nous pouvons avec un organométalloligand servant d'espaceur créer des chaînes monodimensionnelles, leur formation étant assurée par des interactions de type supramoléculaires Pt···Pt et - . La stratégie de l'organométalloligand permet par ailleurs d'amoindrir le caractère non-innocent d'un ligand dithiolène complexé à une brique de platine luminescente, ce qui peut être confirmé par étude électrochimique. Enfin, la synthèse d'un organométalloligand portant une information chirale mène, en contrôlant cette chiralité, à moduler les agrégations intermoléculaires ce qui permet d'observer une modulation en terme de luminescence. / The PhD research work presented herein deals with the use of organometallic ligands as connectors to luminescent organometallic building blocks to provide novel luminescent coordination assemblies. These organometallic ligands, called "organometalloligands" are sandwich-complexes where a ruthenium(II) or an iridium(III) is pi-bonded to a carbo-cycle bearing one or two chelating ligands. These ligands are either sulfur or selenium atoms. The luminescent building blocks are basically cyclometallated platinum(II) or polypyridyl Pt(II) moieties. Upon variation of the geometrical structures of the organometalloligands as well as the platinum luminophores, various polynuclear assemblies displaying unique appealing architectures are obtained. Moreover for each type of coordination assembly, a full investigation of their absorption and emission properties is presented. For instance, such assemblies with organometalloligand spacer display 1D infinite chains, where the individual units exhibit supramolecular Pt···Pt and pi-pi interactions. On the other hand, the non-innocent character of the pi-bonded dithiolene ligand is controlled as it is shown by electrochemistry experiments. Finally, the synthesis of a novel organometalloligand bearing chiral function allows, the control of the chirality of the assemblies, the modulation of the intermolecular Pt···Pt and pi-pi interactions and overall their luminescent properties.

Les travaux décrits dans cette thèse ont porté sur l'application de méthodes de la chimie quantique à l'étude de différents types et familles de composés chimiques, à savoir, des clusters encapsulant des anions et des complexes inorganiques de métaux de transition. On s'est particulièrement intéressé à la structure géométrique, la structure électronique et aux relations structures-propriétés optiques de systèmes moléculaires stables et bien caractérisés.

Ces travaux de recherche présentés ici traitent de la synthèse d’une nouvelle classe d’assemblages de coordination de platine luminescents. En raison du savoir-faire du groupe, deux stratégies ont été suivies: (i) La première approche consiste en l’auto-assemblage d’une nouvelle famille de métallocages de platine de formule [Pt2L4][OTf]4 contenant divers ligands bidentés rigides. Les structures moléculaires de plusieurs complexes ont été déterminées. Les propriétés d'absorption et d'émission de ces assemblages ont été étudiées. De plus, la cage Pt2L4 (L=5-methoxy-1,3-bis(pyridin-3-ylethynyl)benzène) a montré des propriétés intéressantes en tant que molécule hôte envers une série de complexes métalliques plan-carrés agissant comme invités. Remarquablement on a déterminé la structure moléculaire d’un rare exemple dans lequel l’anion complexe dithiobenzène or(III) [Au(bdt)2]-1 a été encapsulé. Le comportement en solution a également été déterminé. De plus (ii) dans une seconde approche, on a décrit la synthèse d’un unique type d’assemblages de platine luminescents contenant un nouvel organométalloligand comportant une fonction chirale. L’organométalloligand permet un contrôle précis de la chiralité de l’assemblage au niveau supramoléculaire aussi bien que la modulation des interactions intermoléculaires Pt···Pt et π-π. En effet, plusieurs structures moléculaires analysées par diffraction des rayons X, ont été obtenues et confirment ce comportement. Les propriétés de luminescence de ces composés ont été étudiées en solution et à l’état solide. Elles ont montré que ces composés agissent en tant qu’intenses émetteurs rouges avec de bons rendements quantiques. De plus les propriétés chiroptiques de ces complexes de platine énantiopurs ont été étudiées aussi bien que leurs propriétés de luminescence par lumière polarisée. / The PhD research work presented herein deals with the synthesis of novel class of luminescent coordination platinum assemblies. Owing to the now-how of the group two strategies were followed: (i) The first approach consists in the self-assembly of novel family the platinum metallacages of the formula [Pt2L4][OTf]4 containing various rigid bidentate ligands. The molecular structures of several complexes were determined. The absorption and emission properties of these metallacages were investigated. Moreover the Pt2L4 (L = 5-methoxy-1,3-bis(pyridin-3-ylethynyl)benzène) showed interesting properties as host molecule towards a series of square planar metal complexes acting as guests. Remarkably the molecular structure of a rare host-guest system in which the anion dithiobenzene gold(III) complex [Au(bdt)2]-1 was encapsulated is determined. The solution behavior was also investigated. Moreover (ii) in a second approach the synthesis of a unique type of luminescent platinum assemblies containing a novel organometalloligand bearing chiral function is described. The organometalloligand allows a fine control of the chirality of the assemblies at the supramolecular level as well as the modulation of the intermolecular Pt···Pt and π-π interactions. Indeed several X-ray molecular structures were determined and confirmed this behavior. The luminescent properties of these compounds were investigated in solution and in solid state and showed that these compounds act as deep red emitters with good quantum yields. Furthermore the chiroptical properties of the enantiopure platinum complexes were investigated as well as their circular polarized luminescence (CPL) properties.

Cette thèse se focalise sur le design, la synthèse et la caractérisation photophysiques de complexes de platine(II) neutres contenant un ligand chromophore tridenté et un ligand auxiliaire monodenté avec des groupes fonctionnels différents. De tels complexes montrent des changements drastiques de leurs propriétés de photoluminescence à cause de leur auto-assemblage, déclenché par l’établissement de faibles liaisons non covalents tels que l’empilement p-p et des interactions métallophiliques. Il a été démontré que ces complexes de platine(II) peuvent être attaché de manière covalente à des surfaces de silice et d’or mais aussi encapsulé dans des particules de polymère. Les propriétés d’autoassemblage de complexes de platine(II) amphiphiles ont également été étudiées en détails. Comprendre le comportement d’un complexe de platine dans un mélange de solvant nous a permis d’en apprendre plus sur le co-assemblage supramoléculaire de deux complexes de platine(II) différents. Cette approche conduit à la formation de fibres solvatochromiques avec des propriétés photophysiques spécifiques et réversibles. Les composés étudiés et leur auto-assemblage sonti ntéressant pour le développement de nouveaux matériaux fonctionnels aux applications sensoriels et réactives à certains stimuli. / This thesis focuses on the design, synthesis and the photophysical characterisation of luminescent neutral platinum(II) compounds containing a tridentate chromophoric ligand and a monodentate ancillary moiety with different functionalities. Such complexes exhibited drastic changes to their photoluminescence properties upon self-assembly, triggered by the establishment of weak noncovalent p-p stacking and metallophilic interactions. It was demonstrated that these platinum(II) complexes can be covalently attached to silicon and gold substrates but also encapsulated into polymer particles. The self-assembly properties of amphiphilic platinum(II) complexes have also been intensively studied. Understanding the behaviour of one complex in a solvent mixture allowed further investigation into the supramolecular co-assembly of two different platinum(II) complexes. This approach leads to the formation of solvatochromic fibers with specific and reversible phototophysical properties. The investigated compounds and their assemblies were useful for the development of novel functional materials for sensing or stimuli-responsiveness applications.

Le travail de cette thèse intitulée "Nanomatériaux luminescents pour des applications en diagnostic" consiste en la synthèse, la caractérisation et les applications en bioimagerie des nanomatériaux. Des nanoparticules de silicium ont été synthétisées et modifiées avec des groupements fonctionnels (amino, carboxylate, sucre et complexes de platine(II)) sur la surface et appliquées dans l'imagerie cellulaire avec des cellules HeLa. En outre, l'ensemble des nanoparticules de silicium modifiées avec des complexes de platine(II) présentent un effet d’émission d’agrégation induite (AIE) intéressant. Par ailleurs, une série de complexes d'iridium(III) ont été synthétisés permettant d’obtenir une émission allant du jaune au rouge. Ces complexes d'iridium(III) ont en outre été utilisés pour une application en électrochimiluminescence (ECL). L’ECL est un outil d'imagerie qui génère des émissions sans excitation lumineuse et qui attire de plus en plus l’attention dans les analyses biologiques. Des nanosytèmes de « carbon dots » et des nanoparticules de silicium modifiés avec des complexes métalliques ont également été étudiés pour des propriétés en ECL. / The work of this thesis titled “Luminescent Nanomaterials for diagnostic applications” is synthesis, characterization and bioimaging applications of nanomaterials. Silicon nanoparticles were synthesized and modified with different functional groups such as amino, carboxylate, sugar and platinum(II) complex on the surface, and applies for cellular imaging at HeLa. Moreover, the assembly platinum(II) complexes modified silicon nanoparticles exhibit an interesting aggregation induced emission (AIE) effect. In addition, a series of iridium(III) complexes were synthesized with tunable emission color from yellow to red. Those iridium(III) complexes were further used for electrochemiluminescence (ECL) application. ECL is an imaging tool that generate emission without light excitation and has gained more attention in many bioassays. Besides, nanosystem of metal complex modified carbon dots and silicon nanoparticles were also investigated the ECL properties.

Le travail décrit dans cette thèse se concentre sur le développement de matériaux « durs et mous » ainsi que leur interaction avec les cellules biologiques pour une application finale dans le domaine de la théranostique couvrant l'imagerie, la détection, la thérapie génique et la thérapie du cancer. Dans ce contexte, nous avons tout d'abord étudié l'utilisation de complexes (II) de platine phosphorescents auto-assemblés comme sonde cellulaire. Nous avons étendu l'idée de bio-imagerie en introduisant un concept d’imagerie basée sur l’émission stimulée où nous étions en mesure de générer un laser provenant d'une cellule biologique unique sans utiliser de cavité optique conventionnelle. En outre, des nano-transporteurs multifonctionnels à base de matières poreuses dures à savoir des zéolithes L et des nanoparticules de silice mésoporeuse pour de la « drug delivery » (relargage de médicaments et d’oligonucléotides) in vitro ide ont été développés avec succès et testés pour le traitement du glioblastome. Un autre nano-vecteur, qui est construit à partir de silice biodégradable, a également été synthétisé et sa capacité d'encapsuler des protéines et de les libérer dans les cellules vivantes lors de la dégradation de la structure dans un environnement réducteur a été démontrée. Enfin, l'utilisation de nouveaux matériaux plasmonique sur la base de nanoparticules d'argent enrobées de silice cassable pour la détection d'agents réducteurs a été mise en valeur. / The work described in this thesis focuses on the development of soft- and hard-materials as well as their interaction with biological cells for applications in the field of theranostics covering imaging, sensing, and gene, and cancer therapy. In this context, we first investigated the use of phosphorescent self-assembled platinum(II) complexes as cellular probes. We extended the concept stimulated emission-based bioimaging by generating a laser-like emission coming from a single biological cell without using any conventional optical cavity. In addition, we successfully developed multifunctional nanocarriers based on porous hard materials, namely zeolites-L and mesoporous silica nanoparticles for drug and oligonucleotide delivery in vitro and they were tested to treat glioblastoma. Another nanovector, which is constructed from biodegradable silica, was also synthesized and its ability to encapsulate proteins and release them in living cells upon degradation of the structure in reductive environment was demonstrated. Finally, the use of novel plasmonic structures based on breakable silica-coated silver nanoparticles for detection of reducing agents was successfully investigated.

Les travaux décrits dans cette thèse ont porté sur l'application de méthodes de la chimie quantique à l'étude de différents types et familles de composés chimiques, à savoir, des clusters encapsulant des anions et des complexes inorganiques de métaux de transition. On s'est particulièrement intéressé à la structure géométrique, la structure électronique et aux relations structures-propriétés optiques de systèmes moléculaires stables et bien caractérisés. / The work reported in this manuscript deals with the applications of quantum chemistry tools on several types and families of chemical compounds, i. e., clusters entrapping anions and transition metals inorganic complexes. We have mainly focused our attention on the geometrical structure, the electronic structure and on the relationship between structure and optical properties of stable molecules which have been synthesized and characterized.