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 porte sur la conception de nouveaux composés π-conjugués, potentiellement utilisable en électronique organique en tant que matériaux actifs dans des dispositifs tels que les OLEDs, les cellules photovoltaïques et les capteurs optiques. Dans ce but, nous avons exploité le motif silacyclopentadiène appelé également silole, possédant un bon rendement quantique de fluorescence à l'état solide et une excellente conduction des électrons. Dans un premier temps, l'introduction de groupements structurants (triptycène, stilbènes..) sur le silacyclopentadiène a permis de moduler l'arrangement moléculaire dans la couche active et par conséquent, les propriétés d'électroluminescence. Des diodes possédant des performances très encourageantes furent ainsi obtenues. Dans un deuxième temps, des dérivés siloles présentant une structure tridimensionnelle et une architecture spirosilole (accepteur)-bithiophène (donneur) furent synthétisées. Une cellule photovoltaïque basée sur ces édifices présentant des performances encourageantes fut ensuite mis au point. Enfin, l'étude des mécanismes de transfert d'énergie entre un film de polymère fonctionnalisé par un groupement sensible silole et des composés nitroaromatiques nous a permis de réaliser un nouveau type de capteur optique hautement sensible pour la détection d'explosifs. / This work concerns the design of new π-conjugated compounds, potentially useful in organic electronics as active materials in devices such as OLEDs, photovoltaic cells and optical sensors. To this end, silacyclopentadiene, alias silole, groups were used exhibiting high fluorescence quantum yields in the solid state and excellent electron conductivities. Firstly, the introduction of structurizing groups (triptycene, stilbenes etc.) at the silacyclopentadiene allowed tuning of the molecular arrangement in the active layer and, consequently, the electroluminescence properties. Diodes showing very encouraging activities were thus obtained. Secondly, silole derivatives possessing a three-dimensional structure and a spirosilole (acceptor) - bithiophene (donor) architecture were synthesized. A photovoltaic cell based on these molecules was then developed exhibiting encouraging activity. Finally, a study of the mechanisms of energy transfer between a polymer film functionalized by a sensitive silole group and nitroaromatic compounds enabled the development of a new type of highly sensitive optical sensor for the detection of explosives.

Dans le domaine des nanomachines, des progrès considérables ont été réalisés. Il est désormais possible de synthétiser une machine moléculaire et de contrôler son mouvement grâce à une source d'énergie chimique, lumineuse ou électrique, de façon à ce qu'il soit unidirectionnel. Un nouveau défi a surgi : comment rendre ce mouvement utile ? Comment utiliser le travail d'une machine moléculaire au niveau nanoscopique, mésoscopique ou macroscopique ? Cette thèse s'inscrit à la suite de la démonstration du contrôle de la rotation d'un moteur moléculaire. Ce moteur est un complexe de ruthénium(II) dont la rotation de la partie mobile, le rotor, est contrôlée par la pointe d'un microscope à effet tunnel. Afin de déterminer le travail limite fournit par ce moteur, nous avons synthétisé un nanotreuil intégrant le moteur moléculaire déjà étudié dans l'équipe avec une chaîne latérale permettant d'accrocher par chimie clic différents types de fragments moléculaires. Ces fragments ayant des natures chimiques différentes (fullerènes, triptycènes, porphyrines), ils interagiront de manière plus ou moins importante avec la surface. De ce fait, la rotation du moteur pourra ou ne pourra pas entraîner leur déplacement sur la surface, ce qui nous permettra d'estimer le travail du moteur. Cette thèse décrit la synthèse des différentes sous-unités de ce nanotreuil : le moteur dissymétrique, la chaîne et les différentes charges. Après avoir développé différentes stratégies visant à intégrer la chaîne sur le rotor, la synthèse de chacun des fragments moléculaires fera l'objet des chapitres suivants. Enfin, un chapitre mettra en perspective l'intégration possible du moteur dans des systèmes d'engrenages en vue de la récupération du travail dans un réseau supramoléculaire. / In the field of molecular machines, considerable developments have been achieved. Nowadays, it is possible to synthesize a molecular machine with a directional control on its motion thanks to chemical, light or electrical energy source. A new challenge has arised: how make that movement useful ? How use the work of a molecular machine at a nano-, meso- or macro-level ? This thesis is in line with the demonstration and control of the molecular motor rotation. This motor consists in a ruthenium(II) complexe whom rotation of the movable part, i.e. the rotor, is controlled by the scanning tunnelling microscope tip. In order to estimate its motive power, we have synthesized a nanowinch incorporating the molecular motor synthesized in the team. This motor has been desymmetrized to be able to incorporate a chain allowing to connect by click chemistry several kind of molecular fragments. These fragments (fullerenes, triptycenes, porphyrines) will interact more or less with the surface of deposition. Therefore, the motor rotation will or will not make them move on the surface, giving us the possibility to estimate the motor torque. In this thesis, the synthesis of the different parts of the nanowinch is described : the dissymmetric molecular motor, the linker and the loads. After developping the synthetic strategies allowing us to incorporate the linker on the rotor, the synthesis of each fragment will be detailled in the following chapters. A concluding chapter will deal with the possible integration of that type of complexes into molecular gears in order to exploit the torque in a supramolecular network.

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Le fullerène C60 est une molécule sphérique composée exclusivement d'atomes de carbone. Ce composé possède une surface aromatique convexe homogène et peut s'associer, entre autres, avec des molécules possédant des surfaces aromatiques par des interactions non-covalentes. Le triptycène est une molécule en forme de "Y" qui possède des surfaces aromatiques convexes. Cette molécule possède l'habileté de s'associer avec le C60 par des interactions de type π qui sont amplifiées par la complémentarité des surfaces concaves et convexes impliquées dans les arrangements cristallins. Nous avons synthétisé des dérivés triptycényles portant des groupements fonctionnels aux extrémités des bras de ce noyau de façon à étendre les cavités disponibles pour interagir avec le C60. En effet, nous avons découvert que les atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle permettent d'étendre les surfaces disponibles pour interagir avec les fullerènes C60 et C70. Nous avons étudié les associations entre les dérivés triptycényles et les fullerènes par l'analyse des structures cristallographiques résolues par diffraction des rayons-X. De plus, nous avons étudié les associations entre les molécules considérées par l'analyse des surfaces d'Hirshfeld entourant les fullerènes. Découlant de ces études, l'effet d'amplification des atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle a été employé pour identifier de nouveaux solvants aptes à solubiliser efficacement le C60. / The fullerene C60 is a spherical molecule made up exclusively of carbon atoms. The surface of this compound is homogenous, convex and aromatic. As a result, C60 can associate with other aromatic molecules via non-covalent π-stacking interactions to form supramolecular assemblies. The triptycene is a "Y"-shaped molecule with concave aromatic surfaces. This molecule can thereby interact with C60 and form crystals through amplified π-stacking interactions resulting from the concave/convex complementary arrangement. In the course of our work, we made a series of new triptycene derivatives with functional groups added to the periphery of the aromatic core. In particular, we found that methyl groups, as well as atoms of chlorine, bromine and iodine, can be placed on the extremities of the triptycene core to expand the concave cavities available to interact with C60 and C70. We studied the non-covalent interactions between fullerenes and triptycene derivatives using X-ray crystallography. Furthermore, Hirshfeld surfaces have been used to map the interaction patterns around fullerene surfaces. In addition, we have found that aromatic solvents that are properly functionalized with halogen atoms and methyl groups have a special ability to solubilize C60.

Le fullerène C60 est une molécule sphérique composée exclusivement d'atomes de carbone. Ce composé possède une surface aromatique convexe homogène et peut s'associer, entre autres, avec des molécules possédant des surfaces aromatiques par des interactions non-covalentes. Le triptycène est une molécule en forme de "Y" qui possède des surfaces aromatiques convexes. Cette molécule possède l'habileté de s'associer avec le C60 par des interactions de type π qui sont amplifiées par la complémentarité des surfaces concaves et convexes impliquées dans les arrangements cristallins. Nous avons synthétisé des dérivés triptycényles portant des groupements fonctionnels aux extrémités des bras de ce noyau de façon à étendre les cavités disponibles pour interagir avec le C60. En effet, nous avons découvert que les atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle permettent d'étendre les surfaces disponibles pour interagir avec les fullerènes C60 et C70. Nous avons étudié les associations entre les dérivés triptycényles et les fullerènes par l'analyse des structures cristallographiques résolues par diffraction des rayons-X. De plus, nous avons étudié les associations entre les molécules considérées par l'analyse des surfaces d'Hirshfeld entourant les fullerènes. Découlant de ces études, l'effet d'amplification des atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle a été employé pour identifier de nouveaux solvants aptes à solubiliser efficacement le C60. / The fullerene C60 is a spherical molecule made up exclusively of carbon atoms. The surface of this compound is homogenous, convex and aromatic. As a result, C60 can associate with other aromatic molecules via non-covalent π-stacking interactions to form supramolecular assemblies. The triptycene is a "Y"-shaped molecule with concave aromatic surfaces. This molecule can thereby interact with C60 and form crystals through amplified π-stacking interactions resulting from the concave/convex complementary arrangement. In the course of our work, we made a series of new triptycene derivatives with functional groups added to the periphery of the aromatic core. In particular, we found that methyl groups, as well as atoms of chlorine, bromine and iodine, can be placed on the extremities of the triptycene core to expand the concave cavities available to interact with C60 and C70. We studied the non-covalent interactions between fullerenes and triptycene derivatives using X-ray crystallography. Furthermore, Hirshfeld surfaces have been used to map the interaction patterns around fullerene surfaces. In addition, we have found that aromatic solvents that are properly functionalized with halogen atoms and methyl groups have a special ability to solubilize C60.