Metallacarboranes: Synthesis of Boron-Heteroatom Derivatives and Applications in Energy and Magnetism

Abstract

Aquesta tesi consta de sis capítols. El primer introdueix al lector al món de la química del bor des de la síntesi i caracterització del primer compost en 1912. El capítol 2 revela el poder de combinar la química teòrica amb l’experimental per a entendre la naturalesa dels enllaços B-C amb l’ús de bromur de tritil en lloc dels comunament usats, catalitzadors de pal·ladi o derivats iodats per a obtenir derivats B-C de COSANE en segons. L’objectiu del capítol 3 és la síntesi i caracterització espectroscòpica i electroquímica dels derivats de COSANE i/o FESANE amb bipiridina per a estudiar el nombre d’electrons capaços d’acceptar de manera reversible per aquestes noves estructures. D’una banda, el capítol 4 presenta els derivats clorats de COSANE amb major nombre de clors sintetitzats fins avui. L’estudi aporta la síntesi i caracterització espectroscòpica i electroquímica per a conèixer les seves possibles aplicacions electroquímiques. D’altra banda, el capítol 5 s’enfoca a estudiar el comportament de dits derivats com a catalitzadors redox per a electròlisis d’aigua. La recerca es basa a aconseguir funcionalitzar barres de grafit amb els derivats clorats de COSANE i estudiar tant el seu poder electrocatalitzador com la seva estabilitat davant els processos electroquímics. Finalment, la recerca descrita en el capítol 6 està enfocada a obtenir un cristall de [NMe4]FESAN que pugui ser resolt per difracció de raigs X per a estudiar mitjançant estudi teòrics les seves propietats magnètiques, per poder mesurar experimentalment el seu temps de relaxació i valora les seves aplicacions com qubit per a ordinadors quàntics.

Esta tesis consta de seis capítulos. El primero introduce al lector al mundo de la química del boro desde la síntesis y caracterización del primer compuesto en 1912. El capítulo 2 revela el poder de combinar la química teórica con la experimental para entender la naturaleza de los enlaces B-C con el uso de bromuro de tritilo en lugar de los comúnmente usados, catalizadores de paladio o derivados iodados para obtener derivados B-C de COSANE en segundos. El objetivo del capítulo 3 es la síntesis y caracterización espectroscópica y electroquímica de los derivados de COSANE y/o FESANE con bipiridina para estudiar el número de electrones capaces de aceptar de forma reversible por estas nuevas estructuras. Por un lado, el capítulo 4 presenta los derivados clorados de COSANE con mayor número de cloros sintetizados hasta la fecha. El estudio aporta la síntesis y caracterización espectroscópica y electroquímica para conocer sus posibles aplicaciones electroquímicas. Por otro lado, el capítulo 5 se enfoca en estudiar el comportamiento de dichos derivados como catalizadores redox para electrolisis de agua. La investigación se basa en conseguir funcionalizar barras de grafito con los derivados clorados de COSANE y estudiar tanto su poder electro catalizador como su estabilidad ante los procesos electroquímicos. Finalmente, la investigación descrita en el capítulo 6 está enfocado a obtener un cristal de [NMe4]FESAN que pueda ser resuelto por difracción de rayos X para estudiar mediante estudio teóricos sus propiedades magnéticas, para poder medir experimentalmente su tiempo de relajación y valora sus aplicaciones como qubit para ordenadores cuánticos.

This thesis is divided into six chapters. First one introduces the reader to the chemistry world, since the synthesis and characterization of the first boron compound in 1912. Chapter 2 unveils the power to combine theoretical with experimental chemistry to understand the nature of the B-C bond formation using trytilbromide instead of the usual palladium catalyst or iodinate derivatives to obtain B-C derivatives of COSAN in seconds. The target of the research explained on Chapter 3 is the synthesis, spectroscopic and electrochemical characterization of bipyridine derivatives of COSAN and/or FESAN to study the number of electrons able to accept in a reversible way for every product. On the one hand, Chapter 4 present the highest chlorinated derivatives of COSAN synthesized since the date. The study provides the spectroscopic and electrochemical characterization to unveil their possible electrochemical application. On the other hand, Chapter 5 study the behaviour of these derivatives as electrocatalysts for water electrolysis. The research was focus on functionalizing graphite rods with chloro derivatives of COSAN and study their catalytic power together with their electrochemical stability to demonstrate the high potential of these compounds for water oxidation processes. Finally, the research described in Chapter 6 takes advantage of the unpair electron of FESAN to study its properties as Single-Molecule Magnet (SMM). The study was focus on achieving a monocrystal of [NMe4]FESAN able to be resolved by X-ray diffraction to study the magnetic properties of the molecule by theoretical calculations and the study of the relaxation time of the molecule needed to assess its applications as a qubit for quantum computing.