Because of the need for data on the geometry of nitrogen in arylamines, the determination of the crystal and molecular structures of tri-(p-fluorophenyl)-amine (TFPA) and tri-(p-iodophenyl)-amine (TIPA) was undertaken as the subject of this dissertation.

Ce projet de thèse étudie la synthèse et les propriétés des triarylamines pour le transport d'électrons, d'ions ou de molécules d'eau, en se basant sur les propriétés d'auto-assemblage et de conductivité de certaines triarylamines, récemment découvertes par notre équipe. La thèse débute par une introduction sur la chimie supramoléculaire et les polymères supramoléculaires, et aborde ensuite dans son deuxième chapitre la synthèse et les propriétés d'analogues macrocycliques de triarylamine présentant des propriétés électromagnétiques intéressantes. Dans le chapitre suivant, ce travail de thèse explore l'applicabilité des triarylamines pour le transport biomimétique des ions métalliques et des molécules d'eau à travers des membranes de bicouches lipidiques. Le dernier chapitre de cette thèse s'intéresse ensuite à la fabrication de surfaces conductrices organiques / inorganiques hybrides par dopage de surfaces non conductrices avec des assemblages de triarylamines. / Based on the navel and highly interesting self-assembly properties found for certain triarylamines, together with the resulting conducting properties, this PhD project investigates the synthesis and properties of triarylamines towards the transport of electrons, ions or water molecules. The thesis starts with an introduction on supramolecular chemistry and supramolecular polymers, and then discuss in its second chapter the synthesis and properties of macrocyclic triarylamine analogues with interesting electromagnetic properties. ln the following third chapter this thesis work explores the applicability of triarylamines towards the biomimetic transport of metal ions and water molecules through lipid bilayer membranes. The last chapter of this thesis then deals with the fabrication of hybrid organic/inorganic conducting surfaces through doping of non-conducting surfaces with triarylamine assemblies.

Pour contrôler les systèmes chimiques complexes, les outils de la chimie supramoléculaire s’avèrent puissants et représenteront certainement une des technologies clef du 21e siècle. En effet, la réversibilité intrinsèque des liaisons chimiques impliquées dans la formation d'assemblages supramoléculaires apporte à ces systèmes un caractère "adaptatif", capable de réorganiser leur structure en fonction des conditions environnementales. Ce comportement s’avère totalement inédit malgré le grand nombre d’études effectuées sur cette famille de molécules du fait de ses propriétés photoactives. Au cours des dernières années, notre groupe a synthétisé de nombreux dérivés de triarylamines (TAAs), qui ont été utilisés pour produire des architectures supramoléculaires multifonctionnelles. En fonction des différents groupements qui substituent ce coeur TAA, diverses morphologies ont pu être observées et les propriétés physiques de ces auto-assemblages produits dans des solvants non polaires tels que les solvants chlorés ou le toluène se sont également révélées variées (propriétés cristal-liquide, conductrices, plasmoniques...). A partir de ces travaux, mon projet de thèse consistait en deux objectifs: a) étudier l'auto-assemblage et les propriétés de ces composés TAA dans des solvants polaires comme l'eau ou le méthanol. Pour cela, comme tenu du caractère hydrophobe des TAAs, il s'avérait nécessaire de synthétiser de nouvelles molécules incorporant des groupements latéraux favorisant la solubilité dans de tels solvants; b) stabiliser les auto-assemblages de triarylamine par polymérisation covalente et étudier les propriétés physiques associées à ces nouvelles structures. Pour cela, il convenait de synthétiser de nouvelles molécules incorporant des groupements polymérisables sur les chaines latérales, qui n'influençaient pas les propriétés d'auto-assemblages des TAAs. [...] / Based on the unique directionality and reversibility of non-covalent interactions, supramolecular self-assembly works as an elegant methodology to construct multifunctional hierarchical architectures. Inspired by nature, where water provides a vital environment for biological process such as biomacromolecular folding, water-soluble supramolecular polymers have been prepared and studied so as to mimic related biological systems. On the other hand, owing to the dynamic nature of their non-covalent bonds, supramolecular polymers often lack mechanical robustness. Thus, cross-linking strategies have been developed in order to combine highly ordered molecular arrangement inherent to the sef-assembly and mechanical robustness of the covalent backbone, which might bee promising to reach functional materials for practical applications. In this thesis, we focus on well-designed triarylamine molecules which are known to self-assemble into supramolecular polymers with excellent physical properties, as discovered by our group. In particular, molecules studied in this manuscript are based on tris-amide triarylamine scaffold known to produce self-assemblies with metallic conductivity and self-healing behavior. First, we studied the self-assemblies of three novel tris-amide triarylamine derivatives decorated with either poly(ethylene glycol) (PEG), peptide or cyanine dyes side chains on the three amide positions in polar solvents, i.e. either water or methanol. Characterizations by various physico-chemical techniques (NMR, UV-Vis absorption, fluorescence, infrared spectroscopies, microscopies, scatterings) demonstrated the formation of fibrillar aggregates for all molecules in such polar environments. Overall, this study suggest that the triarylamine core act as the main driving force for the self-assembly into columnar aggregates while side chains ensure solubility in these solvents and/or favor the formation of chiral architectures. In a second study, we investigated the formation of tris-amide triarylamine supramolecular polymers decorated with norbornene and siloxane end side chains, which could be further used to freeze the self-assembled structures by ring opening metathesis polymerization and sol-gel methods, respectively. [...]

Les ligands multidentes montrent généralement de très bonnes activités dans la catalyse organométallique au palladium à faibles charges. Parmi ces ligands, l'utilisation des ligands polyphosphines ferrocéniques mènent à des résultats intéressants. Des systèmes catalytiques palladium/triphosphine ferrocénique robustes ont permis d'obtenir d'une part des diarylamines et d'autre part des éthers d'aryle et d'hétéroaryle avec de faibles charges catalytiques. Des calculs théoriques de DFT sur le cycle catalytique lors de la formation d'éthers d'aryle et d'hétéroaryle ont été réalisés. La présence d’un troisième groupement phosphino permettrait de stabiliser les états de transition et accélèrerait l’élimination réductrice. Les triarylamines ont pu être obtenues à l'aide d'une diphosphine ferrocénique avec une charge de 2 mol% de palladium. Des résultats modérés à excellents ont été obtenus. Enfin, les thioéthers d'aryle et d'hétéroaryle ont été obtenus avec d'excellents résultats à l'aide d'une tétraphosphine ferrocénique en présence de 0,2 mol% de palladium / Multidentate ligands usually show great activities in low loading organometallic catalysis in palladium. Among these ligands, the use of ferrocenyl polyphosphane ligands give interesting results. Robust palladium-ferrocenyl triphosphane catalytic systems have permitted to obtain biarylamines and aryl-heteroaryl ethers in the presence of low catalytic loadings. DFT studies on catalytic cycle during formation of aryl-heteroaryl ethers were carried out. The presence of third phosphino group stabilizes a transition state which enhances the rate of the reductive elimination. Triarylamines were obtained with ferrocenyl diphosphane in the presence of 2 mol% of palladium loading. Moderate to excellent results were obtained. Finally, aryl-heteroaryl sulfides were obtained with excellent results with ferrocenyl tetraphosphane ligand in the presence of 0.2 mol% of palladium.

Les ligands multidentes montrent généralement de très bonnes activités dans la catalyse organométallique au palladium à faibles charges. Parmi ces ligands, l'utilisation des ligands polyphosphines ferrocéniques mènent à des résultats intéressants. Des systèmes catalytiques palladium/triphosphine ferrocénique robustes ont permis d'obtenir d'une part des diarylamines et d'autre part des éthers d'aryle et d'hétéroaryle avec de faibles charges catalytiques. Des calculs théoriques de DFT sur le cycle catalytique lors de la formation d'éthers d'aryle et d'hétéroaryle ont été réalisés. La présence d'un troisième groupement phosphino permettrait de stabiliser les états de transition et accélèrerait l'élimination réductrice. Les triarylamines ont pu être obtenues à l'aide d'une diphosphine ferrocénique avec une charge de 2 mol% de palladium. Des résultats modérés à excellents ont été obtenus. Enfin, les thioéthers d'aryle et d'hétéroaryle ont été obtenus avec d'excellents résultats à l'aide d'une tétraphosphine ferrocénique en présence de 0,2 mol% de palladium

Au cours de ce travail de thèse, des matériaux monomères amorphes bifonctionnels photochromes et fluorescents ont été élaborés et étudiés dans le but de former sous irradiation interférentielle des structures fluorescentes par migration de matière photoinduite . Pour contrer le phénomène d'extinction de fluorescence par l'unité photochrome azoïque, un espaceur saturé de type adduit de Diels-Alder a été introduit entre les deux entités photoactives. De telles molécules ont été obtenues avec succès ainsi que les composés modèles azoïques et fluorescents correspondants.L'introduction de nouveaux fragments comme l'espaceur ne modifiait pas les propriétés de photochromisme que ce fût en solution ou à l'état solide. A l'opposé, des études de spectroscopie de fluorescence stationnaire et résolue en temps ont montré que la présence de cet espaceur limitait efficacement les phénomènes d'extinction de fluorescence au sein des composés bifonctionnels. Dans le but de comprendre les mécanismes photophysiques sous-tendant l'extinction de fluorescence observée, des expériences de spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde ont été réalisées sur les composés modèles et bifonctionnels. Elles ont mis en évidence l'existence d'un transfert d'énergie électronique picoseconde de l'unité fluorescente vers l'unité photochrome.Sous forme de films minces non-dopés, ces nouveaux composés bifonctionnels ont conduit par photostructuration holographique à des reliefs de surface réinscriptibles, stables à température et sous lumière ambiantes et modulés en intensité de fluorescence, les maxima d'émission correspondant aux zones d'accumulation en composés bifonctionnels. Une nouvelle réaction photochimique consistant en la photocoupure de dérivés fluorescents nitrés de la triphénylamine a été mise en évidence. L'irradiation sous UV de solutions et de films minces provoquait une photorupture de l'état à transfert de charge intramoléculaire, conduisant à la modification de la couleur émise de l'orange au bleu. Des structures fluorescentes modulées en énergie ont pu ainsi être obtenues par irradiation au travers d'un masque tout en contrôlant la quantité de lumière apportée.

The rapid development in perovskite solar cells (PSC) has generated a tremendous interest in the photovoltaic community. The power conversion efficiency (PCE) of these devices has increased from 3.8% in 2009 to a recent certified efficiency of over 20% which is mainly the product of the remarkable properties of the perovskite absorber material. One of the most important advances occurred with the replacement of the liquid electrolyte with a solid state hole conductor which enhanced PCE values and improved the device stability. Spiro-OMeTAD (2,2',7,7'-tetrakis(N,N'-di-p-methoxyphenylamine)- 9,9'-spirobifluorene) is the most common hole transport material in perovskite solar cells. Nevertheless, the poor conductivity, low charge transport and expensive synthetic procedure and purification have limited its commercialisation. Triphenylamines (TPA) like Spiro-OMeTAD are commonly employed due to the easy oxidation of the nitrogen centre and good charge transport. Other triarylamines have similar properties to Spiro-OMeTAD but are easier to synthesise. The aim of this doctoral thesis is to investigate different types of hole transport materials in perovskite solar cells. Three different series of triphenylamine-based HTM were designed, synthesised, characterised and studied their function in perovskite solar cells. A series of five diacetylide-triphenylamine (DATPA) derivatives (Chapter 3) with different alkyl chain length in the para position was successfully synthesised through a five step synthesis procedure. A range of characterisation techniques was carried out on the molecules including; optical, electrochemical, thermal and computational methods. The results show that the new HTMs have desirable optical and electrochemical properties, with absorption in the UV, a reversible redox property and a suitable highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level for hole transport. Perovskite solar cell device performances were studied and discussed in detail. This project studied the effect of varying the alkyl chain length on structurally similar triarylamine-based hole transport materials on their thermal, optical, electrochemical and charge transport properties as well as their molecular packing and solar cell parameters, thus providing insightful information on the design of hole transport materials in the future. The methoxy derivative showed the best semiconductive properties with the highest charge mobility, better interfacial charge transfer properties and highest PCE value (5.63%). The use of p-type semiconducting polymers are advantageous over small molecules because of their simple deposition, low cost and reproducibility. Styrenic triarylamines (Chapter 4) were prepared by the Hartwig-Buchwald coupling followed by their radical polymerization. All monomers and polymers were fully characterised through electrochemical, spectroscopic and computational techniques showing suitable HOMO energy levels and desirable optoelectrochemical properties. The properties and performance of these monomers and polymers as HTMs in perovskite solar cells were compared in terms of their structure. Despite the lower efficiencies, the polymers showed superior reproducibility on each of the device parameters in comparison with the monomers and spiro-OMeTAD. Finally, star-shaped structures combine the advantages of both small molecules, like well-defined structures and physical properties, and polymers such as good thermal stability. Two star-shaped triarylamine-based molecules (Chapter 5) were synthesised, fully characterised and their function as hole-transport materials in perovskite solar cells studied. These materials afford a PCE of 13.63% and high reproducibility and device stability. In total this work provided three series of triarylamine-based hole transport materials for perovskite solar cells application and enabled a comparison of the pros and cons of different design structures: small-molecule, polymeric and star-shaped.

Au cours de ce travail de thèse, des matériaux monomères amorphes bifonctionnels photochromes et fluorescents ont été élaborés et étudiés dans le but de former sous irradiation interférentielle des structures fluorescentes par migration de matière photoinduite . Pour contrer le phénomène d'extinction de fluorescence par l'unité photochrome azoïque, un espaceur saturé de type adduit de Diels-Alder a été introduit entre les deux entités photoactives. De telles molécules ont été obtenues avec succès ainsi que les composés modèles azoïques et fluorescents correspondants.L'introduction de nouveaux fragments comme l'espaceur ne modifiait pas les propriétés de photochromisme que ce fût en solution ou à l'état solide. A l'opposé, des études de spectroscopie de fluorescence stationnaire et résolue en temps ont montré que la présence de cet espaceur limitait efficacement les phénomènes d’extinction de fluorescence au sein des composés bifonctionnels. Dans le but de comprendre les mécanismes photophysiques sous-tendant l'extinction de fluorescence observée, des expériences de spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde ont été réalisées sur les composés modèles et bifonctionnels. Elles ont mis en évidence l’existence d’un transfert d’énergie électronique picoseconde de l’unité fluorescente vers l’unité photochrome.Sous forme de films minces non-dopés, ces nouveaux composés bifonctionnels ont conduit par photostructuration holographique à des reliefs de surface réinscriptibles, stables à température et sous lumière ambiantes et modulés en intensité de fluorescence, les maxima d'émission correspondant aux zones d'accumulation en composés bifonctionnels. Une nouvelle réaction photochimique consistant en la photocoupure de dérivés fluorescents nitrés de la triphénylamine a été mise en évidence. L’irradiation sous UV de solutions et de films minces provoquait une photorupture de l’état à transfert de charge intramoléculaire, conduisant à la modification de la couleur émise de l’orange au bleu. Des structures fluorescentes modulées en énergie ont pu ainsi être obtenues par irradiation au travers d’un masque tout en contrôlant la quantité de lumière apportée. / This PhD thesis presents the elaboration and the studies of bifunctional amorphous small molecule-based materials combining photochromic and fluorescent units in order to form fluorescent patterns by photoinduced mass transport under interferential irradiation A saturated spacer made of a Diels-Alder adduct was introduced between both photoactive units to inhibit emission quenching of the fluorophore by the azo photochromic moiety. Such compounds as well as their fluorescent and azo model compounds have successfully been synthesised.New fragments such as the spacer brought no modification to the photochromic properties in solution and in the solid state. Conversely, time-resolved and steady-state fluorescence studies showed that the spacer efficiently limited fluorescence quenching within the bifunctional compounds. In order to gain insight into the mechanism responsible for the fluorescence quenching, femtosecond transient absorption spectroscopy measurements have been performed on model and bifunctional compounds. They evidenced picosecond electronic energy transfer from the fluorescent unit towards the azo moiety.As non doped thin films, rewritable surface relief gratings (SRG) stable under ambient light and at room temperature could be written through holographic illumination and displayed fluorescence patterns. Modulation of the emission intensity resulted from the accumulation of fluorophores attached to the azo units undergoing photoinduced mass migration. A novel photochemical reaction leading to the photocleavage of fluorescent nitro-substituted triarylamine derivatives has been proved. UV irradiation in solution and in the solid state caused photodisruption of the intramolecular charge transfer state, yielding neat modification of the emission colour from orange into blue. Fluorescent patterns modulated in energy could have been obtained by using a mask and controlling the amount of photons.