A conjugated bis-benzimidazole chromophore is predicted to show absorptions in the near-infrared (NIR) region of the electromagnetic spectrum. However, there are no reports to-date of any NIR absorbing and emitting dyes that are based on a bis-benzimidazole structural backbone. This thesis reports recent advancements in the discovery and study of this new class of dyes. Following literature procedures, the syntheses of bis(benzimidazolyl)methane compounds are successful. An unexpected product isolated during the attempted oxidation of a bis(benzimidazolyl)methane compound using p-chloranil showed intense absorption in the NIR (λmax = 712 nm, ε = 14600 L·mol-1·cm-1), solubilities in polar solvents like methanol and water, and electrochemical activities. X-ray crystallography, mass spectrometry, and NMR spectroscopy confirmed the connectivity and structure of the product to contain a combination of quinone and benzimidazole moieties, which later revealed to be the core chromophore by computational studies. This unprecedented combination of moieties gave a chromophore that is predicted to absorb in the far-red even without substitution. Attempts to synthesize boron-based bis-imidazole dyes with N-methylation shed light on the feasibility of the design of such moiety. Considering the additional functionality that could be accessed through the methylation of the labile benzimidazole nitrogen atoms, N-methylated bis(benzimidazolyl)methane precursors were successfully synthesized and fully characterized. Attempts of the boron coordination showed promising signs, as the 1H, 11B, and 19F NMR spectra showed solid evidence of the successful isolation of the boron chelate. Computational studies of methyl, phenyl, and triazole-substituted boron chelate derivatives projected absorptions in the NIR region. Intense transitions are found to be based on frontier molecular orbitals and differ significantly among the derivatives, predicting substantial tunability of this type of dyes. / Graduate / 2022-02-18

Les colorants organiques du proche infrarouge présentent un intérêt majeur dans différent secteurs technologiques. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement de ce type de chromophores à partir d’unités quinones possédant une conjugaison électronique particulière : les 2,5-diamino-1,4-benzoquinone-diimines (DABQDI). De nouvelles DABQDI ont pu être synthétisées et leur utilisation comme ligand a notamment permis d’obtenir des complexes absorbant du domaine visible jusqu’à celui du proche infrarouge. Ces unités DABQDI ont également pu être incorporées au sein de macrocycles, analogues de porphyrines, appelés azacalixphyrines, capables d’absorber la lumière jusqu’à 1000 nm. / Near infrared dyes play a significant role in various technological sectors. The present PhD manuscript concerns the development of such chromophores built on quinone units that have a particular electronic delocalization: the 2,5-diamino-1,4-benzoquinone-diimines (DABQDI). New DABQDI have been synthesized and their use as ligand can provide complexes absorbing from the visible to the near infrared domain. DABQDI units were also incorporated in macrocycles, analogous of porphyrins, called azacalixphyrins, able to absorb light up to 1000 nm.

L’objectif de cette thèse consistait à développer des colorants de la famille des polyméthines absorbant dans le proche infrarouge et présentant des propriétés d’optique non-linéaire (ONL) prononcées. De nouveaux chromophores ont été préparés et leurs propriétés spectroscopiques ont été systématiquement étudiées afin d’établir des relations structures-propriétés. Cette stratégie a permis l’identification des facteurs permettant d’exalter la réponse ONL des polyméthines et de prédire leur comportement face à de subtiles modifications structurales. Trois familles de colorants ont été préparées : des monométhines aza-dipyrrométhènes de bore, des heptaméthines symétriques ainsi que des heptaméthines dissymétriques.Dans un premier temps, des aza-bodipys possédant des groupements donneurs périphériques sont synthétisés. Une étude spectroscopique approfondie permet d’identifier les structures présentant une absorption à deux photons importante en vue d’applications en limitation optique aux longueurs d’onde des télécommunications (1500 nm). Le chapitre suivant a pour but de rationaliser les équilibres de la limite cyanine. L’étude de la substitution centrale de nombreux dérivés heptaméthines a permis de moduler leurs propriétés optiques sur une large gamme spectrale et de mettre en évidence une nouvelle structure électronique limite de type bis-dipôle. Parmi cette famille de colorants, des dérivés keto-heptaméthines ont été utilisées en imagerie biologique (cellules et cerveau) par microscopie non-linéaire. Enfin, l’élaboration de structures heptaméthines dissymétriques originales est détaillée dans le dernier chapitre. Ces chromophores ont révélé des propriétés ONL du second ordre idéales pour des applications en modulation électro-optique. / The aim of this thesis consisted in developing dyes from the polymethine family absorbing in the near-infrared (NIR) region and featuring pronounced nonlinear optical (NLO) properties. Several new chromophores have been prepared and their spectroscopic properties have been systematically investigated in order to establish structure-properties relationships. This strategy has permitted the identification of the factors that enhance the NLO response of polymethines and allowed the prediction of their optical behaviour depending on subtle structural modifications. Three families of dyes have been prepared and investigated: boron aza-dipyrro-monomethines (aza-bodipys), symmetrical heptamethines and unsymmetrical heptamethines.In a first time, aza-bodipys possessing electro-donating peripherical substituants has been synthesized. A detailed spectroscopic study allow the identification of structures that present a high two-photon absorption (TPA), towards optical limiting applications at telecommunication wavelengths (1500 nm). The next chapter rationalizes the equilibrium surrounding the cyanine limit. The study of the central substitution of several heptamethines derivatives permitted the fine tuning of their optical properties upon a large spectral region and evidenced a new bis-dipolar electronic structure. Within this dye family, keto heptamethine derivatives has been tested in bio-imaging experiments (living cells and brain) using non-linear microscopy. Finally, the elaboration of original unsymmetrical heptamethines is detailed in the last chapter. These chromophores revealed ideal second order NLO properties for applications in electro-optic modulation.