Association des composés quinonoïdes: conception de nouveaux solides cristallins pour l’électronique organique

En chimie supramoléculaire, le tout est plus grand que la somme de ses parties : les caractéristiques d’un matériau ne sont pas toujours définies par les attributs de molécules isolées et émergent parfois seulement de leur collectivité. Les propriétés dépendent alors de l’organisation moléculaire et l’impossibilité de la prévoir est un obstacle majeur à notre habileté à concevoir des matériaux ayant des caractéristiques prédéfinies. Bien que différentes méthodes permettent de moduler l’organisation, leur portée est généralement limitée et les fragments employés sont souvent étrangers aux propriétés ultimement visées. Ainsi, les organisations favorables sont parfois atteintes aux dépens des propriétés moléculaires. Par conséquent, nous avons choisi d’étudier l’association moléculaire dans des familles de composés pertinentes en électronique organique et de nous pencher sur les façons dont les fragments moléculaires déterminant les propriétés intrinsèques attrayantes peuvent aussi être utilisés pour diriger l’association moléculaire. Nous avons aussi choisi de nous limiter à des composés structurellement apparentés et nous nous sommes concentrés sur des composés de forme quinonoïde qui combinent trois caractéristiques essentielles : (1) La présence d’un système-π étendu; (2) la capacité de s’engager dans diverses interactions intermoléculaires; et (3) un caractère électrodéficitaire favorisant des phénomènes de transfert de charge ou la participation à des réactions rédox.   Une première partie de la thèse se concentre sur l’association des thiadiazoles aromatiques. Ces unités sont communes à plusieurs matériaux optoélectroniques et se sont révélées particulièrement efficaces lorsqu’intégrées aux cellules solaires organiques. Afin d’approfondir la pertinence de notre étude à cette technologie, nous avons aussi étudié la formation de co-cristaux entre des dérivés de thiadiazoles et des fullerènes, une autre classe de matériaux couramment intégrée à ce type de dispositif.  Cette section est suivie d’un chapitre qui détaille une partie des efforts synthétiques déployés dans la préparation des thiadiazoles. La seconde partie de la thèse se tourne vers des dérivés de triptycène portant des unités quinone et hydroquinone et sur les façons dont leur association et leurs propriétés rédox peuvent être utilisées de concert à l’état solide. In supramolecular chemistry, the whole is greater than the sum of its parts: a material’s characteristics are not always defined by the attributes of isolated molecules and may only emerge from their collectivity. Properties then depend on molecular organization. The difficulty of predicting it from molecular identity alone prevents the design of materials with predefined properties. Few methods allow modulation of organization, and the necessary molecular fragments are often not relevant to the targeted properties. Therefore, useful organizations are often reached at the expense of molecular properties. For those reasons, we have chosen to examine molecular association in families of molecules relevant to organic electronic and to study how the molecular fragments defining the attractive properties can also be exploited to direct molecular association. We have chosen to focus on structurally related compounds that combine three essential characteristics: (1) the presence of an extended π system; (2) the ability to engage in various intermolecular interactions, and (3) an electron-poor nature that promotes either charge transfer or redox reactions.    The first part of the thesis details the association of a series of aromatic thiadiazoles. These units are widely used in many optoelectronic materials and are particularly valuable as components of the active layers of organic solar cells. To ensure that our structural analyses are relevant to studies in which the typical components of molecular thin-film devices must be properly organized, we have also examined co-crystallizations of thiadiazole derivatives with the fullerenes C60 and C70, which define a class of compounds widely used as electron acceptors in solar cells. This section is followed by a chapter describing problems in synthesis encountered during the preparation of the thiadiazoles and our efforts to overcome them. The second part of the thesis turns to derivatives of triptycenes containing quinone and hydroquinone units and on how their association and their redox properties can be used in concert in the solid state.

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