Vers la synthèse et la caractérisation des dérivés d'azulène dopés au bore et à l'azote en tant que matériaux potentiels de fission singulet

Toward the synthesis and characterization of BN azulene derivatives as potential boron-nitrogen doped Singlet Fission materials.

• Auteur / Autrice : Danylo Hatych
• Direction : Anna Chrostowska, Panaghiotis Karamanis
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux
• Jury : Président / Présidente : Karinne Miqueu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Chrostowska, Francois Gabbai, Piotr Kaszynski, Shih-Yuan Liu, Emmanuel Koukaras, Georgios Fanourgakis, Panaghiotis Karamanis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francois Gabbai, Piotr Kaszynski

Mots clés

Mots clés libres

BN-Azulène

Singlet Fission

Isostérisme BN/CC

Azulène

BN-Azulene

Singlet Fission

BN/CC isosterism

Azulene

Résumé

L'énergie solaire a le potentiel de répondre à la demande croissante d'un système énergétique mondial, neutre en carbone. Les cellules solaires à jonction unique approchent de la limite d'efficacité dans la conversion de l'énergie solaire. En conséquence, la conception et le développement de matériaux capables de contourner la limite de conversion photoélectrique, dite de Shockley-Queisser, ont reçu une attention particulière. Les matériaux de fission singulet (SF) ont la capacité potentielle de générer deux excitons triplets à partir d'un exciton singulet, doublant ainsi le nombre de porteurs de charge et augmentant l'efficacité d'un dispositif photovoltaïque. Selon les études théoriques préliminaires les composés organiques conjugués dopés au bore-azote (BN) présentent les propriétés favorables requises pour la fission singulet. Dans cette thèse, nous avons d'abord exploré de manière systématique à l'aide de la chimie computationnelle l'effet du dopage BN sur les paramètres clés critiques pour le comportement de fission singulet dans le cas de l'azulène. Nos résultats de calcul ont permis d'identifier une cible appropriée pour l'exploration synthétique. Dans la deuxième partie de la thèse, la conception synthétique et les progrès réalisés en vue d'obtenir un BN-azulène et ses dérivés sont décrits. L'approche synthétique proposée s'appuie sur la richesse des connaissances existantes sur les dérivés de 1,2-azaborine (isostères BN du benzène), développées par le groupe du Pr Liu. Les connaissances fondamentales acquises grâce aux études computationnelles et synthétiques des BN-azulènes jetteront les bases du développement d'une nouvelle famille de BN-hétérocycles.

Solar energy has the potential to meet the growing demand for a carbon-neutral global energy system. Single-junction solar cells are approaching the limit of efficiency in the conversion of solar energy. As a result, the design and development of materials capable of circumventing the so-called Shockley-Queisser photoelectric conversion limit has received significant attention. Singlet fission (SF) materials have the potential capability of generating two triplet excitons from a singlet exciton, and therefore doubling the number of charge carriers and increase the efficiency in a photovoltaic device. Boron-nitrogen (BN) doped conjugated organic compounds have been predicted to exhibit favourable properties required for singlet fission. In this thesis, we first computationally explored in a systematic fashion the effect of BN doping on key parameters critical for singlet fission behaviour in the context of the azulene framework. Our computational results informed about a suitable target for synthetic exploration. In the second part of the thesis the synthetic design and progress toward a BN azulene and its derivatives are described. The proposed synthetic approach builds on the wealth of existing knowledge of 1,2-azaborine derivatives (BN isosteres of benzene) developed by the Liu group. The fundamental insight gained from the computational and synthetic studies of BN azulenes will lay the foundation for the development of a new family of BN-heterocycles.