Electrochemical and photochemical studies of some remarkable ruthenium complexes

par Denis Magero

Thèse de doctorat en Chimie physique moléculaire et structurale

Sous la direction de Mark Earl Casida.

Soutenue le 14-12-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec Département de chimie moléculaire (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Frédérique Loiseau.

Le jury était composé de Chantal Daniel, Max Latévi Lawson Daku.

Les rapporteurs étaient Claude Daul, Liliana Mammino.

  • Titre traduit

    Etude théorique des propriétés électro et photochimique des complexes de ruthénium


  • Résumé

    Cette thèse fait partie d’un projet franco-keyan dénommé ELEPHOX (ELEctrochemical and PHOto Properties of Some Remarkable Ruthenium and Iron CompleXes). En particulier, notre focus est la continuation du travail de C. Muhavini Wawire, Damien Jouvenot, Fréd erique Loiseau, Pablo Baudin, Sébastien Liatard, Lydia Njenga, Geoffrey Kamau, et Mark E. Casida, “Density-Functional Study of Lumininescence in Polypyridine Ruthenium Complexes,” J. Photochem. and Photobiol. A 276, 8 (2014). Cet article a proposé une indice orbitalaire de temps de luminescence pour les complexesde ruthénium. Cependant cet article n’était limité qu’à quelques mnolecules. Afin d’avoir une théorie plus fiable et donc potentiellement plus utile, il faudra tester l’indice de luminescence sur beaucoup plus de molécules. Ayant établi le protocol, il était “évident” mais toujours un défi de le tester sur encore une centaine de molécules pour démonter ou infirmer l’indice proposée. Pour ce faire, j’ai examainé les 98 pages de la Table I de A. Juris, V. Balzani, F. Bargelleti, S. Campagna, P. Belser, et A.V. Zelewsky, “Ru(II) polypyridine complexes: Photophysics, photochemistry, electrochemistry, and chemiluminescence,” Chem. Rev. 84, 85 (1988) et j’ai extrait un nombre important de données susceptibles à comparaison avec les résultats des calculs de la théorie de la fonctionelle de la densité (DFT) et la DFT dépendante du temps (TD-DFT). Comme les résultats étaient suffisament encourageant, le modèle DFT était examiné de plus près avec la méthode d’une théorie de champs de ligands (LFT) à la base de la densité des états partielle (PDOS). Ainsi j’ai pu tester l’indice de luminescence proposée précédement par laméthode PDOS-LFT et j’ai trouvé des difficultés avec l’indice initialement proposée. Par contre, nous avons pu proposer une nouvelle indice de luminescence qui, à quelques exceptions près, a une corrélation linéaire avec une barrière énergétique moyenne pour l’état triplet excité dérivée à partir des données experimentales. À l’avenir nous pouvons proposer une investigation plus directe de la barrière sur la surface triplet excité pour remplacer la valeur approximative déduite de l’expérience. Puis nous voulons voir sinotre indice de luminescence s’appliquent aux cas des complexes d’iridium.


  • Résumé

    This thesis is part of the Franco-Kenyan project ELEPHOX (ELEctrochemicaland PHOto Properties of Some Remarkable Ruthenium and Iron CompleXes)project. In particular, it focused on the continuation of the work ofC. Muhavini Wawire, Damien Jouvenot, Fréd erique Loiseau, Pablo Baudin,Sébastien Liatard, Lydia Njenga, Geoffrey Kamau, and Mark E. Casida,“Density-Functional Study of Lumininescence in Polypyridine RutheniumComplexes,” J. Photochem. and Photobiol. A 276, 8 (2014). That paperproposed a luminescence index for estimating whether a ruthenium complexwill luminesce or not. However that paper only tested the theory ona few molecules. In order for the theory to have a significant impact, itmust be tested on many more molecules. Now that the protocol has beenworked out, it was a straightforward but still quite challenging matter todo another 100 or so molecules to prove or disprove the theory. In order todo so, I went through the 98 pages of Table I of A. Juris, V. Balzani, F.Bargelleti, S. Campagna, P. Belser, and A.V. Zelewsky, “Ru(II) polypyridinecomplexes: Photophysics, photochemistry, electrochemistry, and chemiluminescence,”Chem. Rev. 84, 85 (1988) and extracted data suitable for comparingagainst density-functional theory (DFT) and time-dependent (TD-)DFT.Since the results were sufficiently encouraging, the DFT model was examinedin the light of partial density of states ligand field theory (PDOS-LFT) andthe previously proposed luminescence indices were tested. In fact, the originallyproposed indices were not found to be very reliable but we were able topropose a new luminescence index based upon much more data and in analogywith frontier-molecular orbital ideas. Except for a few compounds, this index provides a luminescence index with a good linear correlation with anexperimentally-derived average excited-state activation energy barrier. Futurework should be aimed at both explicit theoretical calculations of thisbarrier for ruthenium complexes and extension of the luminescence indexidea to iridium complexes.


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