Self-assembly of functional chromophores into chiral nanomaterials

Abstract

Aquesta tesi es basa en l’estudi de l’auto-assemblatge de porfirines quirals i la utilització d’aquests cromòfors en l’organització de molècules orgàniques de manera quiral. Les porfirines i els seus derivats son colorants – uns d’ells naturals - formats per quatre anells pirròlics units entre si per un enllaç metilè i les quals formen part d’una família de cromòfors cíclics. Les porfirines estan presents a la natura i juguen un paper important in diferents processos en sistemes biològics, especialment aquells de transport d’electrons or com a captadors de llum. És important remarcar que tots aquests macrocicles posseeixen un ambient quiralt provinent de l’auto-assemblatge a traves de d’enllaços no-covalents tal com ponts d’hidrogen, interaccions febles de van der Waals, interaccions π-π i enllaços de coordinació mitjançant un centre metàl·lic. L’estudi de l’auto-assemblatge de porfirines i metal·loporfirines ha rebut un gran interès els darrers anys degut a les propietats òptiques, elèctriques i magnètiques que aquests cromòfors presenten. És per aquest motiu, que aquests pigments naturals puguin ser utilitzats en múltiples aplicacions en camps de la nanoelectrònica, celes fotovoltaiques o com a transistors d’efecte de camp orgànic (OFETs). Les porfirines i metal·loporfirines estudiades en aquest treball contenen en la seva estructura diferents grups capaços de dirigir l’auto-assemblatge. A més a més, la presència de de l’ió zinc (II) enllaçat a l’interior de l’anell porfirínic pot també influir en l’organització de l’agregat, ja que el zinc presenta una gran tendència a coordinar-se amb lligants axials que continguin àtoms d’oxigen, sofre o nitrogen en la seva estructura. És important destacar, l’important rol del grup quiral en els substituents de l’anell de porfirina, ja que el nombre i posició dels centres esterogènics afecten directament en la transferència de quiralitat des de nivell molecular al sistema supramolecular. Tenint totes aquestes consideracions en ment, el disseny d’estructures supramolecular quirals basades en porfirines ha estat dut a terme per tal de determinar la influència de la quiralitat en la morfologia dels agregats i per tant la influencia de l’organització quiral de les estructures supramoleculars en l’eficiència del transport de càrrega per a futures aplicacions. S’ha pogut observar en els estudis d’auto-assemblatge d’una família de metal·loporfirnes amb grups amida quirals i grups piridina en dissolució i en estat sòlit la influència del nombre i posició dels diferents grups en l’activitat òptica dels agregats i en la seva morfologia. S’ha determinat que els agregats s’han format mitjançant la coordinació d’un grup piridina amb el zinc (II) metàl·lic. S’ha estudiat l’auto-assemblatge d’una molècula simètrica C3 basada en porfirines quirals en diferents dissolvents de diferents polaritats i la morfologia dels agregats formats quan aquests son dipositats sobre una superfície de grafit o mica. Finalment, l’organització supramolecular d’un complex format per una metal·loporfirna quiral i un bloc copolímer s’ha estudiat en dissolució, observant-se mitjançant CD una transferència de la quiralitat des de la porfirina lliure al complex.

This thesis focuses on the self-assembly studies of chiral porphyrins and the use of these chromophores to drive the organization optically active molecular materials. Porphyrins and their derivatives are pigments – some found in natural systems - that are made up of four pyrrolic units linked by methine bridges and they form part of an important class of cyclic chromophores. Porphyrins are present in nature developing important processes in biological systems, especially in electron transport or light harvesting systems. It is important to emphasize that these macrocycles have chiral environment arising from self-organization through non-covalent interactions such as hydrogen-bonding, van der Waals interactions, π-π interactions and metal coordination. The study of the self-assembly of porphyrins and metalloporphyrins has received great attention in recent years because of their optical, electronic and magnetic properties that make these chromophores suitable for a broad range of potential applications such as nanoelectronic devices, solar cells or organic field-effect transistors (OFETs). The porphyrins and metalloporphyrins studied in this work contain in their structures different moieties capable to direct the self-assembly. Moreover, the presence of a zinc (II) metal ion in the core of the chromophoric ring can influence in their organization due to its ability to coordinate with oxygen, nitrogen and sulfur containing derivatives. The important role of the chiral group in the periphery of the porphyrin ring is noteworthy. Therefore, the number and position of the stereogenic centers directly affect the chiral transfer from molecular level to supramolecular systems. Bearing these considerations in mind, the design of chiral supramolecular systems based on porphyrins has been carried out in order to determine the influence of chirality in the hierarchy morphology of the aggregates and in consequence the influence of the chiral organization in the efficiency for further applications. The self-assembly studies in solution and in the solid state of a family of metalloporphyrins which contain in their structure chiral amide groups and pyridyl groups show the influence in the constitution in their optical activity and morphology of the aggregates, all of them formed as a main interaction the coordination between the pyridyl unit with the zinc (II) metal ion. The self-assembly of a C3 symmetric molecule based on chiral porphyrins has been studied by CD in different solvents and the morphology of the aggregates by AFM after be deposited on HOPG and mica. Finally, the supramolecular organization of a chiral metalloporphyrin-block copolymer complex has been studied in solution. Moreover, the CD studies suggested chirality transfer from chiral metalloporphyrin to the superstructure of the complex.