Moléculas funcionales y nanotubos funcionalizados

Abstract

En esta tesis doctoral se han llevado a cabo diferentes estudios dentro del ámbito del magnetismo molecular y la funcionalización de nanotubos de carbono de pared sencilla (SWNT). El magnetismo molecular engloba un amplio abanico de sistemas en función de su comportamiento magnético y de la funcionalidad que dicho comportamiento conlleve, lo que será de gran interés desde el punto de vista tecnológico. Entre estos sistemas cabe destacar los imanes unimoleculares (SMM) y los refrigerantes magnéticos moleculares. Por otro lado, los SWNT y su interacción con otras moléculas han atraído la atención de muchos grupos de investigación durante los últimos años debido a su posible aplicación en electrónica molecular como sensores, electrodos, fotodetectores u otros dispositivos, todo ello debido a la peculiar estructura electrónica de los SWNT y a los distintos tipos de funcionalización posibles. El trabajo realizado se divide en cuatro bloques: i) Estudio teórico de interacciones magnéticas intra e intermoleculares en compuestos moleculares. Desde el punto de vista teórico, se ha usado una metodología basada en la teoría del funcional de la densidad (DFT) y en el Hamiltoniano de Heisenberg para determinar el signo y magnitud de las interacciones magnéticas intra e intermoleculares. Los cálculos teóricos nos han permitido racionalizar el comportamiento magnético de diferentes complejos así como obtener correlaciones magnetoestructurales para distintos metales en función de los ligandos puente que los unen. ii) Síntesis y estudio de las propiedades magnéticas de complejos unimoleculares. Se ha desarrollado una metodología que nos permite predecir de manera cualitativa el signo y fuerza de la D en función de la geometría de coordinación en compuestos mononucleares de metales de transición. Además el valor de D disminuirá al distorsionar la geometría de su forma perfecta. Se ha realizado una búsqueda en la base de datos de Cambridge y mediante el programa SHAPE se han seleccionado los compuestos mononucleares de diferentes geometrías con la mínima distorsión y se han sintetizado de nuevo para medir sus propiedades magnéticas. iii) Estudio teórico de refrigerantes magnéticos moleculares. Cálculos teóricos basados en DFT nos han permitido estudiar sistemas polinucleares de metales de transición 3d y cationes de gadolinio (MxGdy). Tras el estudio realizado se propone un mecanismo de polarización de espín entre los orbitales de los ligandos y los orbitales 5d del Gd. Se han calculado las constantes de acoplamiento magnéticos (J) entre los diferentes metales y se han estudiado que parámetros estructurales afectan a dichas J viendo que el parámetro estructural más importante es el ángulo diedro Metal-Oxígeno•••Oxígeno-Gadolinio. También se han simulado las curvas de susceptibilidad y magnetización de cada molécula e integrando estas últimas se ha obtenido la variación entrópica (Delta-S) de cada material, que viene definida por la ley de Maxwell. iv) Estudio teórico y experimental de SWNT funcionalizados. Se han estudiado, mediante métodos basados en DFT, SWNT cortados y funcionalizados en los extremos con grupos carboxilatos a los que se han coordinado un FeIII viéndose que no hay una dependencia clara del valor de la constante de acoplamiento magnético con la quiralidad del nanotubo pero que en los nanotubos quirales dicha interacción puede ser ferromagnética. También se ha estudiado de manera teórica la interacción de un complejo dinuclear de cobre con SWNT. En la parte experimental se ha llevado a cabo la purificación de SWNTs mediante diferentes procedimientos y su funcionalización con un compuesto mononuclear de Tb. En los espectros de fluorescencia se ha observado un desplazamiento de los picos característicos de algunos SWNTs, lo que nos indica la selectividad del complejo a la hora de interaccionar con ciertos SWNTs.

The main themes presented in this thesis has been focused on molecular magnetism, specially in Single Molecule Magnets (SMM) and molecules with magnetocaloric effect (MCE), and functionalized Single-Wall Carbon Nanotubes (SWNT). The work presented herein can be divided in four blocks: i) Theoretical study of intra and intermolecular magnetic exchange couplings. Intra and intermolecular magnetic couplings between transition metal centres in different complexes have been studied employing density functional theory (DFT) because theoretical calculations allow to understand the magnetic couplings between metal cations through the different bridging ligands and to rationalise the magnetic behaviour of the studied systems. ii) Synthesis of mononuclear single molecule magnets. For mononuclear SMM a new model to predict the behaviour of first row transition metal complexes have been presented. Also several mononuclear complexes have been synthesized to confirm theoretical predictions and take profit of them obtaining the biggest magnetic anisotropy reported until now for a mononuclear nickel complex. iii) Theoretical study of complexes with magnetocaloric effect. In complexes containing gadolinium atoms, the magnetocaloric effect of the complexes, its dependence with the magnetic coupling constants between the metal cations and the effect of the bridging ligands that connect them have been studied. From these studies, it was concluded that the best coupling interactions are weak ferromagnetic interactions and depending on the involved metals in the interaction the best bridging ligands to obtain the weak ferromagnetic behaviour were identified. iv) SWNT and their interaction with molecules. In the theoretical part, the magnetic interactions between two transition metal complexes through the SWNTs (including the effect of their quirality) and the interaction of SWNTs with a dinuclear copper complex have been studied. In the experimental research, the purification of SWNT and their functionalization with an Yb3+ complex have been done. In the fluorescence measurements a shift in the characteristic peaks of some SWNT is observed, which indicates the preference of the complex to interact with specific SWNTs.