This thesis was conducted as cotutelle-de-thèse between the Université de Montréal and the Universität Würzburg (Germany). Cette thèse a été réalisée en cotutelle de thèse entre l'Université de Montréal et l'Universität Würzburg (Allemagne). / Cette thèse étudie la conception de différentes ligands pour les complexes de Ru(II) et leur activité comme photosensibilisateur (PS) dans l'évolution photocatalytique de l'hydrogène. Le système catalytique contient généralement un catalyseur, un donneur d'électron sacrificiel (SED) et un PS, qui doit présenter une forte absorption et luminescence et un comportement redox réversible. Les substituants pyridine attracteurs d'électrons sur le récepteur d'ions métalliques terpyridine entraînent une augmentation de la durée de vie de l'état excité et du rendement quantique (Φ = 74*10-5; τ = 3.8 ns) et permettent au complexe III-C1 de présenter une activité en tant que PS. Bien que la fréquence (TOFmax) et le nombre de cycle catalytique (TON) soient relativement faibles (TOFmax = 57 mmolH2 molPS-1 min 1; TON(44 h) = 134 mmolH2 molPS-1), le système catalytique a une longue durée de vie, ne perdant que 20% de son activité au cours de 12 jours. De manière intéressante, la conception hétérolytique dans III-C1 s'avère être bénéfique pour la performance en tant que PS, malgré des propriétés photophysiques et électrochimiques comparables à celles du complexe homoleptique IV-C2 (TOFmax = 35 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(24 h) = 14 mmolH2 molPS-1). L'extinction réductive de la PS excitée par le SED est identifiée comme l'étape limitant la vitesse dans les deux cas. Par conséquent, les ligands sont modifiés pour être plus accepteurs d'électrons, soit par N-méthylation des substituants pyridine périphériques, soit par introduction d'un cycle pyrimidine dans le récepteur d'ion métallique, ce qui conduit à une augmentation des durées de vie des états excités (τ = 9–40 ns) et des rendements quantiques de luminescence (Φ = 40–400*10-5). Cependant, le caractère plus accepteur d'électrons des ligands entraîne également des potentiels de réduction décalés anodiquement, ce qui conduit à un manque de force motrice pour le transfert d'électrons du PS réduit au catalyseur. Ainsi, cette étape de transfert d'électrons s'avère être un facteur limitant de la performance globale du PS. Alors que des TOFmax plus élevés dans les expériences d'évolution de l'hydrogène sont observés pour les PS contenant le motif pyrimidine (TOFmax = 300–715 mmolH2 molPS-1 min-1), la longévité de ces systèmes est réduite avec des temps de demi-vie de 2–6 h. L'expansion des ligands contenant le motif pyrimidine en complexes dinucléaires conduit à une absorptivité plus forte (ε = 100–135*103 L mol-1 cm-1), une luminescence accrue (τ = 90–125 ns, Φ = 210–350*10-5) et peut également entraîner un TOFmax plus élevé si la force motrice est suffisante pour le transfert d'électrons vers le catalyseur (1500 mmolH2 molPS-1 min-1). En comparant des complexes avec des forces motrices similaires, une luminescence plus forte se traduit par un TOFmax plus élevé. Outre les considérations thermodynamiques, les effets cinétiques et l'efficacité du transfert d'électrons sont supposés avoir un impact sur l'activité observée dans l'évolution de l'hydrogène. En résumé, ce travail montre que la conception ciblée de ligands peut faire du groupe précédemment négligé des complexes de Ru(II) avec des ligands tridentés des candidats attrayants pour une utilisation comme PS dans l'évolution photocatalytique de l'hydrogène. / This thesis investigates different ligand designs for Ru(II) complexes and the activity of the complexes as photosensitizer (PS) in photocatalytic hydrogen evolution. The catalytic system typically contains a catalyst, a sacrificial electron donor (SED) and a PS, which needs to exhibit strong absorption and luminescence, as well as reversible redox behavior. Electron-withdrawing pyridine substituents on the terpyridine metal ion receptor result in an increase of excited-state lifetime and quantum yield (Φ = 74*10-5; τ = 3.8 ns) and lead to complex III-C1 exhibiting activity as PS. While the turn-over frequency (TOFmax) and turn-over number (TON) are relatively low (TOFmax = 57 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(44 h) = 134 mmolH2 molPS-1), the catalytic system is long-lived, losing only 20% of its activity over the course of 12 days. Interestingly, the heteroleptic design in III-C1 proves to be beneficial for the performance as PS, despite III-C1 having comparable photophysical and electrochemical properties as the homoleptic complex IV-C2 (TOFmax = 35 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(24 h) = 14 mmolH2 molPS-1). Reductive quenching of the excited PS by the SED is identified as rate-limiting step in both cases. Hence, the ligands are designed to be more electron-accepting either via N-methylation of the peripheral pyridine substituents or introduction of a pyrimidine ring in the metal ion receptor, leading to increased excited-state lifetimes (τ = 9–40 ns) and luminescence quantum yields (Φ = 40–400*10-5). However, the more electron-accepting character of the ligands also results in anodically shifted reduction potentials, leading to a lack of driving force for the electron transfer from the reduced PS to the catalyst. Hence, this electron transfer step is found to be a limiting factor to the overall performance of the PS. While higher TOFmax in hydrogen evolution experiments are observed for pyrimidine-containing PS (TOFmax = 300–715 mmolH2 molPS-1 min-1), the longevity for these systems is reduced with half-life times of 2–6 h. Expansion of the pyrimidine-containing ligands to dinuclear complexes yields a stronger absorptivity (ε = 100–135*103 L mol-1 cm-1), increased luminescence (τ = 90–125 ns, Φ = 210–350*10-5) and can also result in higher TOFmax given sufficient driving force for electron transfer to the catalyst (TOFmax = 1500 mmolH2 molPS-1 min-1). When comparing complexes with similar driving forces, stronger luminescence is reflected in a higher TOFmax. Besides thermodynamic considerations, kinetic effects and electron transfer efficiency are assumed to impact the observed activity in hydrogen evolution. In summary, this work shows that targeted ligand design can make the previously disregarded group of Ru(II) complexes with tridentate ligands attractive candidates for use as PS in photocatalytic hydrogen evolution. / In dieser Arbeit werden verschiedene Liganden für Ru(II)-Komplexe und die Aktivität der Komplexe als Photosensibilisatoren (PS) in der photokatalytischen Wasserstoffentwicklung untersucht. Das katalytische System besteht typischerweise aus einem Katalysator, einem Opferelektronendonator (SED) und einem PS, welcher eine starke Absorption und Lumineszenz sowie ein reversibles Redoxverhalten aufweisen sollte. Elektronenziehende Pyridin-Substituenten am Terpyridin-Metallionenrezeptor resultieren in einer Erhöhung der Lebensdauer des angeregten Zustands sowie der Quantenausbeute (Φ = 74*10-5; τ = 3.8 ns), was dazu führt, dass Komplex III-C1 als PS aktiv ist. Während die Wechselzahl (TOFmax) und der Umsatz (TON) relativ niedrig sind (TOFmax = 57 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(44 h) = 134 mmolH2 molPS 1), ist das katalytische System langlebig und verliert im Laufe von 12 Tagen nur 20% seiner Aktivität. Das heteroleptische Design in III-C1 erweist sich als vorteilhaft für die Leistung als PS, obwohl III-C1 vergleichbare photophysikalische und elektrochemische Eigenschaften besitzt wie der homoleptische Komplex IV-C2 (TOFmax = 35 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(24 h) = 14 mmolH2 molPS-1). In beiden Fällen erweist sich das reduktive Lumineszenzlöschen des angeregten PS durch den SED als geschwindigkeitsbestimmender Schritt. Daher werden die Liganden entweder durch N-Methylierung der peripheren Pyridin-Substituenten oder durch Einführung eines Pyrimidinrings in den Metallionenrezeptor elektronenziehender gestaltet, was zu erhöhten Lebensdauern des angeregten Zustands (τ = 9–40 ns) und Lumineszenzquantenausbeuten (Φ = 40–400*10-5) führt. Der stärker elektronenziehende Charakter der Liganden führt allerdings auch zu anodisch verschobenen Reduktionspotentialen, wodurch die treibende Kraft für den Elektronentransfer vom reduzierten PS zum Katalysator reduziert wird. Daher erweist sich dieser Elektronentransferschritt als ein limitierender Faktor für die Gesamtleistung des PS. Während höhere TOFmax in Wasserstoffproduktionsexperimenten für Pyrimidin-haltige PS beobachtet werden (TOFmax = 300–715 mmolH2 molPS-1 min-1), ist die Langlebigkeit für diese Systeme mit Halbwertszeiten von 2–6 h deutlich reduziert. Die Erweiterung der Pyrimidin-haltigen Liganden zu zweikernigen Komplexen führt zu einem stärkeren Absorptionsvermögen (ε = 100–135*103 L mol-1 cm-1), erhöhter Lumineszenz (τ = 90–125 ns, Φ = 210–350*10-5) und kann bei ausreichender treibender Kraft für den Elektronentransfer zum Katalysator auch zu einer höheren TOFmax führen (TOFmax = 1500 mmolH2 molPS-1 min-1). Beim Vergleich von Komplexen mit ähnlichen treibenden Kräften spiegelt sich die stärkere Lumineszenz in einem höheren TOFmax wider. Es wird angenommen, dass neben thermodynamischen Faktoren auch kinetische Effekte und die Effizienz des Elektronentransfers die beobachtete Aktivität bei der Wasserstoffentwicklung beeinflussen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass gezieltes Ligandendesign die bisher vernachlässigte Gruppe der Ru(II)-Komplexe mit tridentaten Liganden zu attraktiven Kandidaten für den Einsatz als PS in der photokatalytischen Wasserstoffentwicklung machen kann.

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

Par une approche supramoléculaire, des architectures radiales hétéro-poly-métalliques ont été réalisées pour des applications en photosynthèse artificielle et en magnétisme moléculaire. Dans une première partie, la synthèse et la caractérisation (spectroscopie UV-vis, émission, électrochimique, DRX) de complexes de ruthénium(II), possédant une gamme de ligands polypyridines, ont été réalisées. Les calculs théoriques ont été effectués afin de soutenir l’interprétation des propriétés photophysiques. Ces complexes, présentant un certain nombre de pyridines externes, ont servi de cœur à des architectures à base de rhénium tris-carbonyles (pour les effets d’antenne), et de cobaloximes (pour les propriétés catalytiques). Les nucléarités obtenues varient de 2 à 7 selon le cœur utilisé. Ces systèmes ont été engagés dans des cycles de photo-production de dihydrogène, démontrant une meilleure efficacité que la référence du domaine, le [Ru(bpy)3]2+. La seconde partie concerne l’étude de couples de métaux de transition, construits à partir de briques polycyanométallates, ou de lanthanides pontés par des ligands oxamides. Ces approches « complexes comme ligand » puis « assemblages comme ligand » permettent d’obtenir des systèmes de haute nucléarité, présentant des propriétés de molécule-aimant ou des effets magnéto-caloriques (à base de CrNi, GdCu, DyCu). Des propriétés photomagnétiques ont été observées sur les couples RuCu et MoCu, pouvant servir de commutateurs moléculaires dans des systèmes complexes. Enfin, une structure hétéro-tétra-métallique trifonctionnelle a été obtenue contenant à la fois un commutateur MoCu, une entité molécule-aimant CuTb et un complexe de ruthénium. / By a supramolecular strategy, radial hetero-poly-metallic architectures were obtained for applications in artificial photosynthesis and molecular magnetism. The first part is devoted to the synthesis, as well as the photophysical characterization (UV-vis absorption, emission, electrochemistry, X-ray diffraction) of ruthenium(II) complexes bearing a wide range of polypyridine ligands. Theoretical calculations were performed to support the interpretation of the photophysical properties. Through their pendant pyridine moieties, these complexes were used as core of architectures, bearing rhenium tris-carbonyl (for antenna effects), and cobaloximes (for catalytic properties) complexes. The nuclearities obtained vary from two to seven according to the core involved. These systems were engaged in photo-production of hydrogen, demonstrating more efficient systems than the reference in the field, the archetypal [Ru(bpy)3]2+. The second part concerns the study of transition metal couples, built on polycyanometallate cores, or oxamide-bridged lanthanide-based assemblies. These “complex as ligand” and “assemblies as ligand” approaches allow us to obtain high nuclearity systems on which we seek single molecule magnet (SMM) properties or good magnetocaloric effect (based on CrNi, GdCu, DyCu). Photo-magnetic properties have been studied on the RuCu and MoCu couples, which can serve as molecular switches in complex systems. Finally, a tri-functional hetero-tetra-metallic architecture was obtained containing a MoCu switch, a CuTb SMM entity, and a ruthenium complex.

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

La synthèse de l'hydrogène est une alternative viable à l'utilisation du pétrole. Les méthodes telles que l’électrocatalyse font appel à une source d’énergie primaire, ce qui favorise les déchets générés par ces méthodes, de même que le gaspillage d’énergie. Bien qu’ayant de très faibles rendements, les systèmes photocatalytiques permettent la synthèse d’un hydrogène propre et quasi sans déchets. Une perspective permettant d’améliorer encore leur potentiel serait d’éliminer les solvants organiques tels que le DMF, qui sont nocif pour l’environnement et la santé des êtres vivants. Étant donné que le solvant doit être changé, il faut prendre garde à modifier le donneur d’électron sacrificiel et le photosensibilisateur en conséquence. La production de tels solvants est également source de pollution, ce qui atténue le potentiel environnemental de ces méthodes. L’objectif de ce travail est de développer et de tester de nouveaux catalyseurs hydro-solubles variés permettant une amélioration des performances photo-catalytiques actuelles ainsi qu’une performance acceptable dans l’eau. L’étude des propriétés catalytiques est réalisée par l’étude de systèmes homogènes conjugués principalement avec le [Ru(bpy)3]2+ en tant que photosensibilisateur et avec le triethanolamine (dans le DMF) et l’acide ascorbique (dans l’eau) en tant que donneur d’électron sacrificiel. Les catalyseurs présentés lors de ce travail sont des catalyseurs à base de polypyridyl, de cobaloximes et de N-imidoylamidine. Les catalyseurs à base de poly-pyridyl ont d’abord été étudiés puisqu’ils sont réputés pour leur performance en milieux aqueux. La seconde approche consistait à produire des catalyseurs à base de cobaloxime qui aient une performance relativement constante tout d’abord dans les solvants organiques, puis d’adapter ces performances en milieu aqueux. La troisième approche a été de tester des catalyseurs à base de N-imidoylamidine, ce type de catalyseurs n’ayant jamais été testé pour la production d’hydrogène, puis d’en étudier les performances dans l’objectif de paver la voie pour de futures recherches sur le sujet. / The synthesis of hydrogen is a viable alternative to the use of petroleum. Methods such as electrocatalysis use a primary energy source, which reduces the waste generated by these methods, as well as the waste of energy. Although having very low yields, photocatalytic systems allow the synthesis of clean hydrogen with virtually no waste. One prospect to further improve their potential would be to eliminate organic solvents such as DMF, which are harmful to the environment and the health of living beings. Giving the fact that we change the solvent, we need to change the electron sacrificial donor and the photosensitizer as well. The production of such solvents is also a source of pollution, which reduces the environmental potential of these methods. The objective of this work is to develop and test various new water-soluble catalysts allowing an improvement of the current photo-catalytic performances as well as an acceptable performance in water. The study of the catalytic properties is carried out by the study of homogeneous conjugated systems mainly with [Ru(bpy)3]2+ as photosensitizer and with triethanolamine (in DMF) and ascorbic acid (in water) as a sacrificial electron donor. The catalysts presented during this work are catalysts based on polypyridyl, cobaloximes, and N-imidoylamidine. Poly-pyridyl-based catalysts were first studied because they are known for their performance in aqueous media. The second approach was to produce cobaloxime-based catalysts that had relatively constant performance first in organic solvents and then to match this performance in aqueous media. The third approach was to test catalysts based on N-imidoylamidine, as this type of catalyst have never been tested to produce hydrogen, then to study their performance to pave the way for future research on the subject.

La photosynthèse artificielle est considérée comme étant un atout capable de fournir des carburants alternatifs et renouvelables par conversion et stockage de l'énergie solaire. Une approche prometteuse consiste en un développement de photo-catalyseurs moléculaires inspirés par des enzymes photosynthétiques naturelles. La première partie de cette thèse concerne les modèles artificiels du photosystème II (qui catalyse l'oxydation d'eau), composé d'un chromophore et d’un relais d’électrons comme équivalent synthétique correspondant à l'ensemble P680-TyrZ/His190 du photosystème II. Trois complexes ruthénium polypyridyl - imidazole - phénol avec un groupe méthylique à différentes positions sur l'anneau phénolique (Ru-xMe) ont été synthétisés et caractérisés par des méthodes électrochimiques et photophysiques. L’augmentation, comparée aux complexes précédents, du potentiel redox des groupes phénols (0.20 V->0.9 V par rapport à l’électrode de ferrocène) rend leur fonction de relais d’électron dans un système photocatalytique pour l'oxydation d'eau thermodynamiquement possible. Des études d’absorption transitoire ont révélé que le transfert d’électron intramoléculaire est rapide (5-10 µs dans solvant aprotique et < 100 ns dans l'eau) malgré la faible force motrice, mettant en evidence l'importance de la liaison hydrogène entre le phénol et le groupe imidazole. Les légères différences entre les trois complexes Ru-xMe ainsi que l’étude de l'effet de bases externes nous ont permis d’établir un mécanisme dans laquelle l'imidazole est impliqué dans une réaction de transfert de proton en cascade. L'acceptation du proton phénolique durant l'oxydation du ligand rend son deuxième site azote plus acide et seulement la déprotonation de ce dernier bascule l’équilibre réactionnel complétement vers l'oxydation du ligand. La deuxième partie de cette thèse consiste en la synthèse d’un complexe chromophore-tryptophane en utilisant une approche de chimie dite « click ». On a montré que l'oxydation, induite par la lumière, du Trp au sein du complexe Ru-tryptophane suit un mécanisme ETPT. Selon le pH, les radicaux du tryptophane (Trp• ou TrpH•⁺) ont été détectés et les mesures spectrales à différents temps ont montrés la transition entre les deux formes radicalaires. La déprotonation du radical dépend de la concentration d'eau assurant la fonction d’accepteur de proton. La dernière partie de la thèse concerne nos efforts à lier, par une liaison covalente, une unité catalytique au module de chromophore- relais électronique caractérisé précédemment. L'approche de chimie « click » n’était pas efficace pour l’obtention de l’assemblage photocatalytique final. Donc, l'activation biomoléculaire d'un catalyseur Mn salen a été effectuée et la formation de l’espèce Mn(IV) a été observée. Etant une étape vers l'utilisation de ces types de photocatalyseurs dans une cellule photoélectrochimique, un chromophore [Ru(bpy)₃]²⁺ avec des groupes d’ancrage phosphonate a été synthétisé (Ru-phosphonate) et greffé sur la surface méso-poreuses d'un semi-conducteur de TiO₂ pour effectuer des mesures du photocourant. / Artificial photosynthesis is often considered to have great potential to provide alternative, renewable fuels by harvesting, conversion and storage of solar energy. One promising approach is the development of modular molecular photocatalysts inspired by natural photosynthetic enzymes. The first part of this thesis deals with artificial mimics of the water oxidizing photosystem II composed of a chromophore and an electron relay as synthetic counterpart of the P680-TyrZ/His190 ensemble of photosystem II. Three ruthenium polypyridyl – imidazole - phenol complexes with varying position of a methyl group on the phenol ring (Ru-xMe) were synthesized and characterized by electrochemical and photophysical methods. As an improvement compared to earlier complexes the increased redox potential (~0.9 V vs. Ferrocene) of the phenol groups makes their function as an electron relay in a photocatalytic system for water oxidation thermodynamically possible. Time-resolved absorption studies revealed fast intramolecular electron transfer (<5-10 µs in aprotic solvent and <100 ns in water) despite the low driving force and the importance of the hydrogen bond between the phenol and the imidazole group was put in evidence. Slight differences between the three Ru-xMe complexes and investigation of the effect of external bases allowed to derive a mechanistic picture in which the imidazole is involved in a “proton domino” reaction. Accepting the phenolic proton upon ligand oxidation (within the H-bond) renders its second nitrogen site more acidic and only deprotonation of this site pulls the overall equilibrium completely towards oxidation of the ligand. Another part of this thesis comprises a chromophore-tryptophan construct synthesized using a click chemistry approach. Light-induced oxidation of Trp in this Ru-tryptophan complex was shown to follow ETPT mechanism. Depending on the pH conditions tryptophan radicals, either Trp• or TrpH•⁺ were detected and spectral measurement at different time showed the transition between the two forms. Deprotonation of the radical was dependent on the concentration of water as proton acceptor. Later part of the thesis deals with efforts to covalently bind a catalytic unit to the previously characterized chromophore-electron relay module. The click chemistry approach was not successful to obtain the final photocatalytic assembly. Therefore bimolecular activation of a Mn salen catalyst was performed and formation of Mn(IV) species was observed. As a step towards utilization of these types of photocatalysts in a photoelectrochemical cell a [Ru(bpy)₃]²⁺ chromophore with phosphonate anchoring groups (Ru-Phosphonate) was synthesized and grafted on the surface of a TiO₂ mesoporous semiconductor surface anode to perform photocurrent measurements.