de l`or(I), du ruthénium(II)

de l`or(I), du ruthénium(II)
i
Université de Montréal
Spectroscopie électronique de complexes du nickel(II), de l’or(I), du ruthénium(II)
et de certains lanthanides :
Caractéristiques inhabituelles de leur structure électronique
par
François Baril-Robert
Département de Chimie
Faculté des arts et des sciences
Thèse présentée à la Faculté des études supérieures en vue de l’obtention du grade de
Philosophiæ Doctor (Ph. D.) en chimie
Mars, 2008
© François Baril-Robert
ii
Université de Montréal
Faculté des études supérieures
Cette thèse intitulée :
Spectroscopie électronique de complexes du nickel(II), de l’or(I), du ruthénium(II)
et de certains lanthanides :
Caractéristiques inhabituelles de leur structure électronique
présentée par :
François Baril-Robert
a été évaluée par un jury composé des personnes suivantes :
Garry Hanan
Président-rapporteur
Christian Reber
Directeur de recherche
Matthias Ernzerhof
Membre du jury
Pierre Kennepohl
Examinateur externe
Pierre Bergeron
Représentant du doyen de la FES
Thèse acceptée le : ………………………
iii
Résumé
Les variations de configuration électronique induites par les transitions électroniques
observées chez les complexes de métaux de transition font varier la structure de ces
derniers. Cette déformation dépend de la configuration électronique de l’état électronique
examiné. Notre démarche consiste à étudier la relation entre la déformation et la structure
électronique pour différents composés à l’aide d’une combinaison de techniques de
spectroscopie électronique et vibrationnelle, de calculs de structure électronique et d’analyse
par diffraction des rayons-X. La forme des bandes d’absorption et de luminescence peut
être analysée à l’aide de la théorie dépendante du temps pour obtenir le type, l’énergie et la
structure de l’état excité. Ces calculs permettent d’étudier l’effet de la configuration
électronique de l’état excité sur les transitions d’absorption d-d de complexes tétraédriques
de nickel(II). L’application de pression externe sur un échantillon permet d’induire une
déformation de l’état fondamental. Cette distorsion influence l’énergie des transitions ce qui
permet d’explorer la nature précise des états excités de complexes de ruthénium(II)
bipyridine et de polymères d’or(I). Les transitions f-f induisent peu de distorsions et sont
très faiblement influencées par la structure du complexe. Cette catégorie de transition a été
étudiée pour certains agrégats de lanthanides.
Mots clés : spectroscopie d’absorption, spectroscopie de luminescence, complexes
du nickel(II), complexes du ruthénium(II), complexes de l’or(I), agrégats de
lanthanide(III)
iv
Abstract
Electronic configuration variations induced by the electronic transitions observed in
transition metal complexes cause changes in the molecular structure. These changes depend
on the electronic configurations of the initial and final states. This thesis shows the relation
between such distortions and the electronic structure for different compounds using a
combination of electronic and vibrational spectroscopic techniques, electronic structure
analyses and X-ray diffraction. The shapes of luminescence and absorption bands can be
analyzed using the time dependent theory of spectroscopy to obtain the type, the energy
and the structure of the excited state. This type of calculation allows us to study the effect
of the electronic configuration of the excited state in d-d absorption transitions for
tetrahedral nickel(II) complexes. Application of external pressure on a sample induces
structural change of the ground state. This distortion influences the energy of the
transitions which allows us to explore the precise nature of the excited states of
ruthenium(II) bipyridine complexes and of gold(I) polymers. The f-f transitions induce little
to no distortion and are only slightly influenced by the structure of the complex. Such
transitions were studied for a series of lanthanide(III) clusters.
Keywords :
absorption
spectroscopy,
luminescence
spectroscopy,
nickel(II)
complexes, ruthenium(II) complexes, gold(I) complexes, lanthanide(III) clusters
v
Table des matières
Résumé .................................................................................................. iii Abstract ................................................................................................... iv Table des matières ................................................................................... v Liste des tableaux ................................................................................... ix Liste des figures .................................................................................... xiv Liste des Annexes ................................................................................ xxv Liste des Abbréviations....................................................................... xxvi Chapitre 1 Introduction............................................................................ 1 1.1 Mise en contexte .............................................................................................................. 1 1.2 Structure de la thèse ......................................................................................................... 2 Chapitre 2 Partie théorique ...................................................................... 5 2.1 Notions de base de spectroscopie ................................................................................. 5 2.1.1 Spectroscopies vibrationnelles.................................................................................... 6 2.1.2 Spectroscopies électroniques (absorption et émission) .................................................. 7 Règle de Laporte (la parité du moment dipolaire)....................................... 10 Les transitions de spin ..................................................................................... 11 Transition 2 électrons 1 photon..................................................................... 11 2.1.3 Phénomènes spectroscopiques étudiés ....................................................................... 12 Origine vibronique et « bandes chaudes » .................................................... 12 Couplage spin-orbite ....................................................................................... 13 Raman de résonance ........................................................................................ 14 2.2 Modèles théoriques ........................................................................................................ 15 2.4.1 Modèle du recouvrement angulaire .......................................................................... 15 2.4.2 Théorie dépendante du temps ................................................................................. 16 2.4.3 Chimie quantique ................................................................................................. 18 Chapitre 3 Partie expérimentale ............................................................ 20 3.1 Spectroscopie Raman .................................................................................................... 20 3.2 Spectroscopie d’absorption .......................................................................................... 20 vi
3.3 Spectroscopie de luminescence .................................................................................... 21 3.4 Mesures à température contôlée .................................................................................. 22 3.5 Mesures à pression variable .......................................................................................... 22 3.6 Caractérisation cristallographique ................................................................................ 23 3.7 Logiciels de calculs ......................................................................................................... 24 Chapitre 4 Déformation d’états excités de complexes de Ni(II)
tétraédrique ............................................................................................ 25 4.1 Introduction .................................................................................................................... 25 4.2 Partie expérimentale....................................................................................................... 28 4.2.1 Synthèse ................................................................................................................ 28 (NEt4)2[NiX4] .................................................................................................... 28 (NEt4)2[NiX3(PPh3)]......................................................................................... 28 4.2.2 Structures cristallographiques ................................................................................. 30 (NEt4)2[NiX4] (X – : Cl –, Br –) ........................................................................ 30 (NEt4)[NiX3(PPh3)] (X – : Cl –, Br –) .............................................................. 36 4.3 Résultats spectroscopiques ........................................................................................... 39 4.3.1 Spectroscopie Raman ............................................................................................. 39 4.3.2 Spectroscopie d’absorption visible proche-infrarouge ................................................. 44 4.4 Modèles théoriques ........................................................................................................ 48 4.4.1 Modèle du recouvrement angulaire .......................................................................... 48 Déformations.................................................................................................... 49 Couplage Spin-Orbite ...................................................................................... 56 4.4.2 Théorie dépendante du temps ................................................................................. 63 Modélisation de plusieurs modes normaux .................................................. 63 Modélisation de plusieurs états couplés ........................................................ 74 4.4.3 Calculs théoriques ................................................................................................. 78 4.5 Conclusion ...................................................................................................................... 80 Chapitre 5 Spectroscopie de luminescence et transitions de phases de
complexes [Ru(II)(bipy)(CN)4]2- ........................................................... 81 5.1 Introduction .................................................................................................................... 81 5.2 Résultats spectroscopiques ........................................................................................... 83 vii
5.2.1 Spectroscopie d’émission ......................................................................................... 83 5.2.2 Spectroscopie Raman ............................................................................................. 85 5.2.3 Variation de la pression ........................................................................................ 87 5.3 Discussion ....................................................................................................................... 95 5.4 Conclusion ...................................................................................................................... 96 Chapitre 6 Sensibilité de l’état excité des polymères d’or(I) ................. 97 6.1 Introduction .................................................................................................................... 97 6.2 Partie expérimentale....................................................................................................... 98 6.3 Résultats spectroscopiques ......................................................................................... 100 6.3.1 Variation de la température ................................................................................ 100 6.3.2 Variation de pression .......................................................................................... 105 6.3.3 Spectroscopie d’absorption .................................................................................... 110 6.4 Calculs théoriques ........................................................................................................ 112 6.4.1 Étude structurale et vibrationnelle ........................................................................ 112 6.4.2 Étude TD-DFT ................................................................................................ 114 6.5 Discussion ..................................................................................................................... 119 6.5.1 Déplacement bathochromique ............................................................................... 119 6.5.2 Les différents états émissifs. ................................................................................. 121 6.5.3 Largeur de la bande ............................................................................................ 123 6.6 Conclusion .................................................................................................................... 125 Chapitre 7 Spectroscopie de luminescence de nouveaux agrégats de
lanthanides ............................................................................................127 7.1 Introduction .................................................................................................................. 127 7.2 Partie expérimentale..................................................................................................... 129 7.2.1 Synthèses............................................................................................................. 129 Ln9 : Ln9(acac)16(μ3-OH)8(μ4-OH)(μ4-O).................................................... 130 Y9-xLnx : Y9-xLnx(acac)16(μ3-OH)8(μ4-OH)(μ4-O) ....................................... 130 Ln8 : Ln8(acac(t-Bu)2)10(μ3-OH)12(μ4-O)...................................................... 130 Ln5: Ln5(acac(Ph)2)10(μ3-OH)4(μ4-OH) ....................................................... 131 7.2.2 Structures cristallographiques des agrégats dopés ................................................... 131 7.3 Résultats spectroscopiques ......................................................................................... 138 viii
7.3.1 Spectroscopie Raman ........................................................................................... 138 Complexe Ln9 ................................................................................................. 138 Complexe Ln8 ................................................................................................. 141 Complexe Ln5 ................................................................................................. 143 7.3.2 Luminescence ...................................................................................................... 145 Europium(III) ................................................................................................. 145 Terbium(III).................................................................................................... 154 Complexes du ligand acac(Ph)2 .................................................................... 156 7.4 Conclusion .................................................................................................................... 158 Chapitre 8 Conclusions .........................................................................160 8.1 Contribution à l’avancement des sciences ................................................................ 160 8.2 Travaux futurs .............................................................................................................. 162 Remerciements .....................................................................................163 Bibliographie ........................................................................................164 ix
Liste des tableaux
Tableau 1.1 Aperçu global de la thèse ...................................................................................... 4 Tableau 4.1 Caractérisation spectroscopique des produits de synthèse. Les valeurs
d’absorptivité molaire (cm-1M-1) sont entre parenthèse. ................................. 29 Tableau 4.2 Paramètres cristallographiques importants pour les structures des composés
(NEt4)2[NiX4]. ....................................................................................................... 30 Tableau 4.3 Paramètres cristallographiques importants pour les structures des composés
(NEt4)[NiX3P]. ...................................................................................................... 36 Tableau 4.4 Distances et angles importants pour l’anion complexe des composés
(NEt4)[NiX3(PPh3)] .............................................................................................. 37 Tableau 4.5 Symétrie des transitions vibrationnelles permises en spectroscopie Raman et
en spectroscopie IR selon la symétrie du complexe. ....................................... 39 Tableau 4.6 Attribution des pics Raman des complexes (NEt4)2[NiCl4] et (NEt4)2[NiBr4]
................................................................................................................................. 42 Tableau 4.7 Attribution des pics Raman des complexes (NEt4)[NiCl3(PPh3)] et
(NEt4)2[NiBr3(PPh3)] ............................................................................................ 42 Tableau 4.8 Constantes de force des modes vibrationnels de symétrie a1 pour les
composés (NEt4)2[NiX4]...................................................................................... 43 Tableau 4.9 Paramètres approximatifs de force des ligands (10Dq) et de répulsion
électronique (B) pour les spectres en solution. La signification de E1 et E2 est
expliquée aux équations 4.2 et 4.3 ...................................................................... 47 Tableau 4.10 Variation des étiquettes de symétrie Td selon la déformation subie par le
composé. ................................................................................................................ 50 x
Tableau 4.11 Paramètres AOM pour les ions [NiX4]2- provenant des spectres de cristaux
de (NEt4)2[NiX4] à basse température (5 K). Le terme ∠X-Ni-X représente
les deux angles dont les médiatrices des segments X-X sont parallèles à l’axe
S4. Ces angles sont représentés à la figure 4.2 .................................................. 50 Tableau 4.12 Configurations électroniques de l’état fondamental et des états provenant
d’excitation de deux électrons dans les composés [NiX4]2-. Le terme ∠X-NiX représente les deux angles dont les médiatrices des segments X-X sont
parallèles à l’axe S4. Ces angles sont représentés à la figure 4.2 ..................... 53 Tableau 4.13 Paramètres AOM optimisés pour les ions [NiX3(PPh3)]1-. ............................. 54 Tableau 4.14 Configurations électroniques de l’état fondamental et des états provenant
d’excitation de deux électrons dans les composés [NiX3(PPh3)]1-. ................ 56 Tableau 4.15 Étiquettes de symétrie des états résultants du couplage spin-orbite ............. 57 Tableau 4.16 Paramètres AOM pour les ions [NiX4]2- provenant des spectres de cristaux
de (NEt4)2[NiX4] à basse température (5 K). Le terme ∠X-Ni-X représente
les deux angles dont les médiatrices des segments X-X sont parallèles à l’axe
S4. Ces angles sont représentés à la figure 4.2 .................................................. 57 Tableau 4.17 Configurations électroniques de l’état fondamental et des états provenant
d’excitation de deux électrons dans les composés [NiX4]2-. Le terme ∠X-NiX représente les deux angles dont les médiatrices des segments X-X sont
parallèles à l’axe S4. Ces angles sont représentés à la figure 4.2 ..................... 59 Tableau 4.18 Paramètres AOM optimisés pour les ions [NiX3(PPh3)]1-. ............................. 61 Tableau 4.19 Configurations électroniques de l’état fondamental et des états provenant
d’excitation de deux électrons dans les composés [NiX3(PPh3)]1-. ................ 62 xi
Tableau 4.20 Symétrie des modes vibrationnels permettant les phénomènes de
progressions et d’origines vibroniques. Les deux rangées (B2 et E)
correspondent à la symétrie de la lumière interagissant avec un composé de
symétrie D2d. .......................................................................................................... 63 Tableau 4.21 Fréquence de vibration et distorsion suivant le mode normal pour la bande
1
E du (NEt4)2[NiCl4]. Les paramètres OV représentent l’intensité relative de
l’origine vibronique comparativement à l’origine électronique. Les
fréquences expérimentales sont tirées des études Raman. ............................. 65 Tableau 4.22 Fréquence de vibration et distorsion suivant le mode normal pour la bande
3
A2du (NEt4)2[NiCl4]. Les paramètres OV représentent l’intensité relative de
l’origine vibronique comparativement à l’origine électronique. Les
fréquences expérimentales sont tirées des études Raman. ............................. 68 Tableau 4.23 Fréquence de vibration et distorsion suivant le mode normal pour la bande
1
T2du (NEt4)2[NiCl4]. Les paramètres OV représentent l’intensité relative de
l’origine vibronique comparativement à l’origine électronique. Les
fréquences expérimentales sont tirées des études Raman. ............................. 69 Tableau 4.24 Fréquence de vibration et distorsion suivant le mode normal pour la bande
1
E du (NEt4)2[NiBr4]. Les paramètres OV représentent l’intensité relative de
l’origine vibronique comparativement à l’origine électronique. Les
fréquences expérimentales sont tirées des études Raman. ............................. 72 Tableau 4.25 Décalages géométriques calculés pour différentes transitions d’absorption
observées pour les composés (NEt4)2[NiX4] à basse température. Le nombre
d’électrons excités est aussi indiqué. .................................................................. 73 Tableau 4.26 Paramètres géométriques des structures optimisées de l’ion [NiCl4]2obtenues à l’aide de calculs théoriques. La nature des angles Cl-Ni-Cl sont
décrient à la figure 4.2 .......................................................................................... 78 Tableau 4.27 Fréquences calculées pour une structure fixe correspondant à la structure
cristallographique..............................................Error! Bookmark not defined. xii
Tableau 4.28 Fréquences calculées pour les structures optimisées obtenues par calculs
théoriques. ............................................................................................................. 79 Tableau 5.1 Énergie du maximum de l’émission à la température de la pièce et
paramètres de la modélisation de l’émission à basse température................. 84 Tableau 5.2 Variation des fréquences des modes d’étirement CN. L’équation linéaire
suivante est utilisé ν(P) = a + bP où a est en cm-1 et b est en cm-1/kbar. ... 91 Tableau 6.1 Paramètres
géométriques
des
structures
optimisées
de
tétramères
(fonctionnelle : PBEPBE; base : Lanl2dz) ...................................................... 113 Tableau 6.2 Assignation des modes vibrationnels à l’aide de calculs DFT (fonctionnelle :
PBEPBE; base : Lanl2dz). ................................................................................ 113 Tableau 6.3 Distance entre les deux atomes d’or des extrémités de la chaîne Au-Au-AuAu à l’équilibre .................................................................................................... 118 Tableau 7.1 Données cristallographiques des structures des agrégats Y9 dopés en Pr(III),
Dy(III), Tb(III) et Yb(III) ................................................................................. 132 Tableau 7.2 Données cristallographiques des structures des agrégats Y9 dopés en Eu(III)
............................................................................................................................... 133 Tableau 7.3 Longueur de liaisons métal–ligands (en Ǻ) pour la position centrale (Lnc) et
les positions périphériques (Lnp) pour certains des agrégats dopés Y9-xLnx
étudiés. ................................................................................................................. 135 Tableau 7.4 Attribution de certains pics Raman des complexes Ln9 de formule chimique
Ln9(acac)16(μ3-OH)8(μ4-(O,OH))2. Seuls les pics le plus intenses sont
indiqués. ............................................................................................................... 139 Tableau 7.5 Attribution des pics Raman des complexes Ln8 de formule chimique
Ln8(acac(t-Bu)2)10(μ3-OH)12(μ4-O). Seuls les pics le plus intenses sont
indiqués. ............................................................................................................... 141 xiii
Tableau 7.6 Assignation des pics Raman des complexes Ln5 de formule chimique
Ln5(acac(Ph)2)10(μ3-OH)4(μ4-OH). Seuls les pics le plus intenses sont
indiqués. ............................................................................................................... 143 Table 7.7 Multiplicité des transitions de luminescence pour différentes symétries. Le
nombre de transitions permises est inscrit entre paranthèse (dipôle électrique
seulement, dipôle magnétique, les deux simultanement) .............................. 148 Tableau 7.8 Comparaison entre l’énergie de la transition
5
D0→7F0 calculée et
expérimentale pour les différents centres émissifs possible. ........................ 151 xiv
Liste des figures
Figure 2.1 représentations du processus d’absorption infrarouge (A) et de diffusion
Raman (B). ............................................................................................................... 6 Figure 2.2 Représentation des processus d’absorption et d’émission entre deux états
électroniques ainsi que l’origine électronique (E00) et la forme des bandes
correspondantes. ..................................................................................................... 8 Figure 2.3 Schéma des fonctions propres vibrationnelles ν0, ν1 et ν2 (A) ainsi que le
recouvrement entre ν0 et ν1 pour deux puits superposés (B) et deux puits
décalés (C). Dans le dernier cas, l’intégration du recouvrement sera non-nul
puisque la partie positive n’est pas égal à la partie négative. ............................ 9 Figure 2.4 Diagramme des surfaces d’énergie potentielle d’une transition électronique
dans le cas où Δ
0 (A) et Δ
0 (B). Les spectres d’absorption
correspondant à ces situations sont représentés à leurs droites. ..................... 9 Figure 2.5 Le phénomène d’origine vibronique (A) où E00 est interdit alors que E01 est
permis, ainsi que le phénomène de « bandes chaudes » (B) avec la transition
E10 permise. ........................................................................................................... 13 Figure 2.6 Dans un complexe D2d, le couplage spin-orbite scinde l’état 3E en 5
composantes dont une peut coupler avec un état de spin différent. ............ 14 Figure 2.7 Diagramme des orbitales moléculaires d’un complexe de métal de transition
selon la nature des interactions avec les ligands............................................... 15 Figure 2.8 Interactions anti-liante entre une orbitale d du métal et une orbitale p du
ligand selon l’orientation de ce dernier. À des angles non-idéaux, les
interactions sont complexes. ............................................................................... 16 Figure 2.9 Représentation du traitement dépendant du temps pour la modélisation
d’une bande d’absorption. ................................................................................... 18 xv
Figure 4.1 Diagrammes Tanabe-Sugano34 pour les complexes d8 tétraédrique (A) et d8
octaédrique (B) obtenus à l’aide du modèle de recouvrement angulaire (B =
1080 cm-1 et C = 4B). ........................................................................................... 26 Figure 4.2 Représentation de la distorsion tétragonale du complexe [NiCl4]2-. L’axe S4
restant est représenté par la flèche. Les deux angles Cl-Ni-Cl dont les
médiatrices des segments Cl-Cl sont parallèles à l’axe S4 (A) et les quatre
angles dont les médiatrices sont perpendiculaires à l’axe S4 (B). ................... 31 Figure 4.3 Dessin ORTEP de l’anion du composé (NEt4)2[NiBr4] à 230 K montrant la
numérotation adoptée. Les ellipsoïdes sont représentés à 30% de probabilité.
L’axe de rotation 4 est ici vertical. ..................................................................... 32 Figure 4.4 Évolution des paramètres ( axe a≈b;
axe c; β≈90°) et du volume de la
maille lors de la variation de température. Le volume des mailles à basse
température fut divisé par 8 (ZBT/ZHT) pour fin de comparaison (ZHT = 2).
................................................................................................................................. 33 Figure 4.5 Schéma représentant la superstructure (A) et son effet sur les diagrammes de
diffraction des rayons X (B). Correspondance entre une petite maille (≥220
K) et la grande maille pour le composé (NEt4)2[NiBr4] .................................. 34 Figure 4.6 Représentation d’un maclage pseudo-mérohèdrique. Les flèches représentent
le sens de la déformation présente à l’intérieur de la maille. .......................... 34 Figure 4.7 Relation entre le désordre du cation et de l’anion dans la structure du
composé (NEt4)[NiBr3(PPh3)] ............................................................................ 37 Figure 4.8 Dessin ORTEP de l’anion du composé (NEt4)[NiBr3(PPh3)] montrant la
numérotation adoptée. Les ellipsoïdes sont représentés à 30% de probabilité
alors que les hydrogènes sont de tailles arbitraires. L’axe de rotation 3 est ici
vertical .................................................................................................................... 38 xvi
Figure 4.9 Représentation et étiquettes de symétrie des modes vibrationnels d’un
composé XY4 tétraédrique. Les modes ν1 et ν3 sont des étirements X-Y alors
que ν1 et ν3 sont des déformations. ................................................................... 39 Figure 4.10 Spectres Raman des composés (NEt4)2[NiCl4] et (NEt4)2[NiBr4]. L’encadré
représente la région des bas déplacements Raman pour le complexe
(NEt4)2[NiCl4]. Les flèches indiquent les modes vibrationnels les plus
influencés par la substitution des ligands. ......................................................... 40 Figure 4.11 Spectres Raman des composés (NEt4)[NiCl3(PPh3)] et (NEt4)2[NiBr3(PPh3)].
Les flèches indiquent les modes vibrationnels les plus influencés par la
substitution des ligands........................................................................................ 41 Figure 4.12 Spectres des complexes (NEt4)2[NiCl4] et (NEt4)2[NiBr4] en solution
d’acétonitrile. ......................................................................................................... 44 Figure 4.13 Spectres des complexes (NEt4)[NiCl3(PPh3)] et (NEt4)[NiBr3(PPh3)]
en
solution d’acétonitrile........................................................................................... 45 Figure 4.14 Spectres de réflectance diffuse de la région 3T1→3T2 et 3T1→3A2 des
complexes (NEt4)[NiCl3(PPh3)] et (NEt4)[NiBr3(PPh3)] à l’état solide. ........ 46 Figure 4.15 Spectre d’absorption de monocristaux du (NEt4)2[NiCl4] à basse température
(5K) et diagramme Tanabe-Sugano. Les paramètres de Racah ont été
optimisées (B = 787 cm-1 et C = 3545 cm-1) .................................................... 48 Figure 4.16 Déformation tétragonale d’un complexe d8 tétraédrique. L’étirement
tétragonal amène la levée de dégénérescence de l’état fondamental 3T1. ..... 49 Figure 4.17 Variation de l’énergie des états selon la déformation tétragonale dans la
région des singulets de haute énergie. Les énergies des états ont été obtenues
à l’aide du modèle de recouvrement angulaire. ................................................ 52 xvii
Figure 4.18 Variation de l’énergie des états lors de la substitution d’un ligand halogénure
par la triphénylphosphine dans un tétraèdre parfait. Les paramètres B (750
cm-1) et C (2800 cm-1) restent constants. Pour le complexe [NiX4]2-, les
valeurs de eσ et eπ de chacun des ligands sont 4000 cm-1 et 1000 cm-1
respectivement. Afin de représenter la substitution par une phosphine, les
paramètres eσ et eπ d’un seul des ligands tendent vers 5000 cm-1 et -1000
cm-1 respectivement. ............................................................................................ 55 Figure 4.19 Diagramme des états électroniques pour un complexe tétraédrique de type
[NiCl4]2-. Les états similaires aux états provenant d’une transition à deux
électrons [1E = E (A) et 3A2 = T2 (B)] sont mis en évidence. Les lignes
pointillées verticales représentent la valeur de Δtet approximative pour le
composé [NiCl4]2-. ................................................................................................ 58 Figure 4.20 Modélisation à l’aide de la théorie dépendante du temps des différentes
composantes de la transition A1(3T1)→A1 et B1(1E) observée dans le spectre
du composé (NEt4)2[NiCl4] ................................................................................. 64 Figure 4.21 Tentatives de modélisations de la transition 3T1(e4t24)→3A2(e2t26) [ΔQ = 1,4
(A); ΔQ = 1,6 (B)] et comparaison des progressions 00 et 01 (C). ............... 66 Figure 4.22 Modélisation à l’aide de la théorie dépendante du temps des différentes
composantes de la transition A1(3T1)→E et B2(3A2) observée dans le spectre
du composé (NEt4)2[NiCl4] ................................................................................. 67 Figure 4.23 Modélisation à l’aide de la théorie dépendante du temps des différentes
composantes de la transition A1(3T1)→E et B2(1T2) observée dans le spectre
du composé (NEt4)2[NiCl4] ................................................................................. 69 Figure 4.24 Modélisation à l’aide de la théorie dépendante du temps des différentes
composantes de la transition A1(3T1)→A1 et B1(1E) observée dans le spectre
du composé (NEt4)2[NiBr4] ................................................................................ 71 xviii
Figure 4.25 Transitions électroniques d-d et transfert de charge présents dans le
complexe (NEt4)2[NiBr4]. .................................................................................... 72 Figure 4.26 Potentiels diabatiques
et adiabatiques
des états de symétrie A1
(A), E (B) et T2 (C) du composé tétraédrique [NiCl4]2-. Le mode normal
étudié correspond à l’étirement totalement symétrique. ................................. 76 Figure 4.27 Spectres calculées à l’aide de la théorie dépendante du temps pour les
transitions vers les états de différentes symétries et spectre d’absorption
expérimental du composé (NEt4)2[NiCl4] à basse température (5K). ........... 77 Figure 4.28 Schéma des orbitales moléculaires calculées avec la fonctionnelle PBEPBE
et la base 6311++g(3df,3pd) pour la structure cristallographique du [NiCl4]2-.
Les trois orbitales du haut sont les t2 (dxy, dxz et dyz) dans une représentation
Td alors que les deux du bas sont les e (dz2 et dx2-y2). L’enveloppe
correspond à une valeur d’isodensité électronique de 0,02 unité atomique. 79 Figure 5.1 Structures cristallographiques des composés K2[Ru(bipy)(CN)4]·3H2O (A),
Cs2[Ru(bipy)(CN)4]·2H2O
(B),
Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O
(C)
et
Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O (D). Les images sont tirées de la référence 60. ... 82 Figure 5.2 Spectres d’émission (λexc. = 488 nm) des sels de potassium, lithium, césium
et baryum à la température de la pièce (A) et à 80 K (B). Les modélisations
des bandes de luminescence à l’aide de la théorie dépendante du temps sont
représentées par les lignes en pointillées ........................................................... 84 Figure 5.3 Spectres Raman (λexc. = 785 nm) à température de la pièce pour les
composés M2[Ru(bipy)(CN)4]·xH2O (M = ½Ba2+, Cs+, K+ ou Li+). La plage
spectrale des étirements CN est présentée en encadré. .................................. 85 Figure 5.4 Spectre Raman (λexc. = 785 nm) du composé Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O à
différentes températures. ..................................................................................... 86 xix
Figure 5.5 Spectres
Raman
des
composés
K2[Ru(bipy)(CN)4]·3H2O
(A)
et
Cs2[Ru(bipy)(CN)4]·2H2O (B) à différentes pressions (λexc. = 785 nm; T =
293K)...................................................................................................................... 88 Figure 5.6 Spectres
Raman
des
composés
Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O
(A)
et
Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O à différentes pressions (λexc. = 785 nm; T = 293K).
................................................................................................................................. 89 Figure 5.7 Aires relatives des pics caractéristiques de la phase à basse pression ( ) et de
la phase à haute pression ( ) pour les composés K2[Ru(bipy(CN)4]·3H2O
(A),
Cs2[Ru(bipy(CN)4]·2H2O
(B),
Li2[Ru(bipy(CN)4]·6H2O
(C)
et
Ba[Ru(bipy(CN)4]·6H2O (D). Aux figures 5.5 et 5.6, les pics de la phase à
basse pression étaient représentés par les symboles blancs alors que ceux de
la phase à haute pression était représenté par les symboles noires. .............. 90 Figure 5.8 Spectres d’émission des composés K2[Ru(bipy)(CN)4]·3H2O (haut) et
Cs2[Ru(bipy)(CN)4]·2H2O (bas) à différentes pression. Les pics fins à
~14 500 cm-1 proviennent de la luminescence du rubis. Les valeurs de Emax
ont été obtenues à l’aide de formes de Voigt ajustées aux spectres. ............. 92 Figure 5.9 Spectres d’émission des composés Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O (haut) et
Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O (bas) à différentes pression. Les pics fins à
~14 500 cm-1 proviennent de la luminescence du rubis. Les valeurs de Emax
ont été obtenues à l’aide de formes de Voigt ajustées aux spectres. ............. 93 Figure 5.10 Valeurs de l’origine électronique de luminescence déterminé à l’aide de la
théorie dépendante du temps pour les sels de K+ (A) et de Ba2+ (B) ........... 94 Figure 5.11 Configuration électronique de l’état fondamental (A) et de l’état excité
émissif (B). ............................................................................................................. 96 Figure 6.1 Les ligands dithiocarbamates : le diéthyldithiocarbamate (A) et le
pyrolidinedithiocarbamate (B). ........................................................................... 98 xx
Figure 6.2 Représentation du complexe polymérique [Au2(edtc)2]n. Les données
proviennent de la référence 74. Pour une plus grande clarté, les atomes
d’hydrogènes ont été omis. ................................................................................. 99 Figure 6.3 Spectres de luminescence des composés cristallins [Au2(edtc)2] (A) et
[Au2(pdtc)2] (B) à température variable. Les graphiques en encadrés
représentent l’intensité totale de ces bandes. .................................................. 101 Figure 6.4 Variation de la forme des bandes de luminescence selon la température pour
les composés [Au2(edtc)2] (A) et [Au2(pdtc)2] (B). Les valeurs de Emax (formes
de Voigt ajustées aux spectres) et de l’intensité relative des deux
composantes (haute énergie : ; basse énergie : ) sont en encadré. ........... 102 Figure 6.5 Durée de vie de luminescence à 5 K pour le composé [Au2(edtc)2] ainsi que
le spectre de luminescence obtenu à cette température. ............................... 103 Figure 6.6 Spectroscopie Raman (λexc. = 785 nm) des composés [Au2(edtc)2] (A) et
[Au2(pdtc)2] (B) à différentes températures. ................................................... 104 Figure 6.7 Spectres de luminescence des complexes [Au2(edtc)2] (A) et [Au2(pdtc)2] (B)
à différentes pressions (λexc. = 488 nm; T = 293K). Les pics fins à ~14 500
cm-1 proviennent de la luminescence du rubis. .............................................. 106 Figure 6.8 Emax de luminescence des composés [Au2(edtc)2] (A) et [Au2(pdtc)2] (B) en
fonction de la pression. Les courbes en trait plein représentent le
déplacement non-linéaire observé alors que les traits pointillés sont les
régressions linéaires effectuées afin de déterminer leurs pentes.................. 107 Figure 6.9 Spectres Raman (λexc. = 785 nm; T = 293K) des composés [Au2(edtc)2] (A)
et [Au2(pdtc)2] (B) à différentes pressions. L’encadré montre un pic se
dédoublant avec la pression. ............................................................................. 109 Figure 6.10 Spectres d’absorption et de luminescence des complexes [Au2(edtc)2] (A) et
[Au2(pdtc)2] (B) ................................................................................................... 111 xxi
Figure 6.11 Orbitales moléculaires obtenues des calculs DFT (fonctionnelle : PBEPBE;
base : Lanl2dz). (A) Orbitale HOMO, (B) orbitale LUMO de caractère
, (C) orbitale LUMO centrée sur le ligand et (D) orbitale
LUMO de caractère
. L’enveloppe correspond à une valeur
d’isodensité électronique de 0,02 unité atomique. ......................................... 115 Figure 6.12 Modes normaux d’étirement Au-Au de symétrie a1. Le mode à 38 cm-1 (A) et
le mode à 117 cm-1 (B). ...................................................................................... 116 Figure 6.13 Évolution des énergies des états excités de la molécule [Au2(edtc)2]2 lors de la
distorsion le long du mode vibrationnel à 38 cm-1 (A) et 117 cm-1 (B). Les
symboles
(3Γ) et
(1Γ) correspondent aux états excités provenant de la
transition centrée sur les métaux MCinterdière. Le
provenant de la transition MCintradière. Les
représente l’état triplet
correspondent à différents états
singulet et triplet provenant de transitions MLCT. ....................................... 117 Figure 6.14 Puits d’énergie potentielle des différents états du composé [Au2(edtc)2]2.
Selon les modes normaux à 38 cm-1 (A) et 117 cm-1 (B) La signification des
symboles est décrite à la figure 6.13................................................................. 118 Figure 6.15 Diagramme d’orbitales moléculaires de complexes d’or(I) ainsi que de
dimères de conformation périplanaire et orthogonale. La nature de
l’interaction métal-ligand est écrite en noir alors que le caractère métal-métal
est écrit en rouge................................................................................................. 120 Figure 6.16 Diagramme de l’état électroniques fondamental et des états émissifs. Les
énergies d’activation de la transition entre les états émissifs sont représentées
par les accolades. ................................................................................................ 122 Figure 6.17 Effet de la pression sur la distorsion entre deux états selon le mode
vibrationnel d’étirement Au-Au. ...................................................................... 124 xxii
Figure 6.18 Description du phénomène de Raman de résonance induit par la pression.
Déplacement bathochromique de la bande d’absorption vers la longueur
d’onde d’excitation (A) ce qui amène l’augmentation d’intensité de certains
pics Raman (B). ................................................................................................... 125 Figure 7.1 Déprotonation d’un ligand β-dicétone (A) et différents modes de
coordination observés dans les agrégats étudiés (B). Le ligand β-dicétone
peut être substitué (R : Me, t-Bu, Ph) .............................................................. 128 Figure 7.2 Les motifs de base structuraux des agrégats à cinq lanthanides (A) et des
agrégats à neuf lanthanides (B). Les atomes d’oxygènes des ligands hydroxo
sont montrés en rouge alors que les atomes d’oxygènes des ligands βdicétone sont montrés en bleu. Certains atomes sont omis pour une plus
grande clarté. ....................................................................................................... 129 Figure 7.3 Représentation générale des agrégats à neuf centres métalliques. Le
complexe C80H129O46Pr0,43Y8,57 a été choisi pour cette figure. ...................... 134 Figure 7.4 La géométrie de coordination de l’ion lanthanide central (A) et périphérique
(B) des complexes [Ln9(acac)16(µ3-OH)8(µ4-O)(µ4-OH)]. Les ions lanthanides
sont en vert alors que les atomes d’oxygène sont en rouge. Les traits
pointillés représentent les liaisons chimiques alors que les traits pleins
servent à représenter le polyèdre formé. ......................................................... 135 Figure 7.5 Distribution des différents lanthanides dans les agrégats dopés en Pr(III) et
en Yb(III)............................................................................................................. 136 Figure 7.6 Spécificité du dopage dans les composés Y9:Ln ............................................ 137 Figure 7.7 Spectres Raman des complexes Ln9(acac)16(μ3-OH)8(μ4-OH)(μ4-O) (λexc. =
514,5 nm; T = 293K) ......................................................................................... 140 Figure 7.8 Spectres Raman des complexes Ln8(acac(t-Bu)2)10(μ3-OH)12(μ4-O) (λexc. =
514,5 nm; T = 293K) ......................................................................................... 142 xxiii
Figure 7.9 Spectres Raman des complexes Ln5(acac(Ph)2)10(μ3-OH)4(μ4-OH) (λexc. =
514nm; T = 293K) ............................................................................................. 144 Figure 7.10 Schéma des transitions d’émission possibles pour les complexes d’Eu(III)
suivant une excitation laser (488 nm ou 514,5 nm) représentée par la flèche
ascendante. .......................................................................................................... 146 Figure 7.11 Spectre d’émission à basse température des composés de l’ion Eu(III) (λexc.
= 488 nm; T = 85 K) ......................................................................................... 149 Figure 7.12 Effet de la température sur le spectre de luminescence du complexe Eu8
(λexc. = 488 nm) La région spectrale correspondant à la transition 5D0→7F0
est montré en encadré. ....................................................................................... 150 Figure 7.13 Spectres de luminescence à basse température (T = 80 K) des complexes
Y9-xEux (% en ions europium) permettant d’observer la signature spectrale de
l’ion central (flèches). ......................................................................................... 152 Figure 7.14 Comparaison des ratios obtenus par la luminescence et par la
cristallographie. Ic/Ip = (Aire pic)/[(Aire bande 5D0→7Fn)-(Aire pic)]. L’aire
des pics et des bandes ont été obtenus l’aide de formes de Voigt ajustées aux
différents spectres............................................................................................... 153 Figure 7.15 Schéma des états électroniques et transitions de luminescence possible pour
les complexes de Tb(III) suivant une excitation laser (488 nm) représentée
par la flèche ascendante en trait plein. Une longueur d’onde de 514,5 nm,
représentée par la flèche ascendante pointillée, n’est pas suffisante pour
exciter le centre métallique. ............................................................................... 154 Figure 7.16 Spectre d’émission à basse température des composés de l’ion Tb(III) (λexc.
= 488 nm; T = 85 K) ......................................................................................... 155 Figure 7.17 Luminescence du complexe Tb8 à différentes températures. ...................... 156 xxiv
Figure 7.18 Schéma des puits d’énergie potentielle pour les complexes contenant le
ligand acac(Ph)2. La courbe en pointillés représente un état centré sur le
ligand. Les processus de photosensibilisation (A) et de désactivation (B) de
la luminescence des terres rares sont illustrés. ............................................... 157 Figure 7.19 Luminescence des complexes Ln5(acac(Ph)2)10(μ3-OH)4(μ4-OH) (λexc. =
514,5 nm; T = 293K) ......................................................................................... 158 xxv
Liste des Annexes
Annexe 1 Spectres d’absorption des composés de nickel(II) ................ A1
Annexe 2 Calcul Dq d8 tétraédrique ..................................................... A3
Annexe 3 Input AOM pour les différents complexes ........................... A4
Annexe 4 Couplage dans un tétraèdre parfait....................................... A8
Annexe 5 Évolution de la géométrie d’équilibre ................................. A10
Annexe 6 Déformation dans un tétraèdre ............................................ A12
Annexe 7 Structures cristallographiques ............................................. A13
Annexe 8 Structures des agrégats Ln5 et Ln8 .......................................A40
Annexe 9 Distribution dans un agrégat ...............................................A42
xxvi
Liste des Abbréviations
acac :
Acétylacétonate, 1,3-pentanedione
acac(Ph)2 :
1,3-diphenyl-1,3-propanedione
acac(t-Bu)2 :
2,2,6,6-tetraméthyl-3,5-heptanedione
AOM :
Modèle du recouvrement angulaire (Angular Overlap Model)
APC
Anti-Prisme Carré
d-APC
Anti-Prisme Carré distordu
DFT :
Théorie de la fonctionnelle de densité (Density Functional Theory)
edtc :
diéthyl dithiocarbamate
HOMO :
Orbitale moléculaire remplie de plus haute énergie
(Highest Occupied Molecular Orbital)
IR :
Infrarouge
LUMO :
Orbitale moléculaire vide de plus basse énergie
(Lowest Unnocupied Molecular Orbital)
pdtc :
pyrolidine dithiocarbamate
PTBC
Prisme Trigonal BiCapé
PTMC
Prisme Trigonal MonoCapé
TD-DFT
Théorie de la fonctionnelle de densité dépendante du temps
(Time-Dependent Density Functional Theory)
UV :
Ultraviolet
VIS :
Visible
1
Chapitre 1
Introduction
Cette thèse porte sur différents aspects de la structure électronique des composés des
éléments de transition qui sont présentement peu compris. L’utilisation d’une diversité de
méthodes spectroscopiques et l’application de contraintes externes, surtout pression et
température, ont mené à des résultats quantitatifs qui illustrent une gamme de phénomènes.
1.1 Mise en contexte
Le chimiste a souvent imité la nature et dernièrement, un phénomène qui attire beaucoup
de recherche est l’utilisation de photons solaires comme source d’énergie.1,2 Cette énergie
peut être réactionnelle et mener à un processus de photodissociation, de photoréactivité ou
de photocatalyse. Les domaines étudiant ces processus sont la photochimie et la
photophysique.
Un des défis au cœur de ces disciplines est l’utilisation de photons de relativement basse
énergie pour former un état excité assez réactif. Le processus photochimique implique
couramment la promotion d’un électron vers les orbitales antiliantes. Dans certains cas
précis, cette transition est suffisante pour amener la réactivité voulue. Une façon simple
d’améliorer ces procédés serait d’amener deux électrons vers les orbitales antiliantes.
L’utilisation de deux photons pour effectuer ces deux transferts implique habituellement
une très grande concentration de photons, ce qui est difficilement réalisable à l’aide de la
lumière solaire. L’utilisation d’un photon pour exciter deux électrons semble prometteuse,
mais ces transitions sont interdites ce qui mène à de faibles intensités d’absorption. Des
transitions de ce type ont été observées pour plusieurs complexes inorganiques en
particulier chez les composés du nickel(II) qui ont été étudiées à maintes reprises dans le
passé.3,4,5 Ces travaux serviront comme point de départ pour notre analyse.
2
Un second défi consiste à pouvoir moduler l’énergie d’excitation. Cette flexibilité peut à la
fois favoriser des processus de transfert et contrôler précisément l’apport énergétique. Ces
variations de l’énergie d’états excités est facilement modulable par la modification de la
structure d’un composé via la modification de la sphère de coordination. Par contre, une
telle réaction ne permet pas un changement continu et précis des énergies et peut amener la
perte du processus souhaité si la variation structurale est trop importante. L’application
d’une pression externe échappe à cette problématique puisque la nature du composé ne
change pas et la modification structurale, consistant à une variation des distances
interatomiques peut être fait en continu. L’énergie des états excités de composés
polymériques d’or(I) ont montré une grande sensibilité à l’application de pression externe.6,7
Les états excités d’une molécule sont des éléments clés dans tout processus photochimique
ou photophysique. Leurs caractéristiques électroniques et l’interaction entre les états
gouvernent les processus de transfert d’énergie, transfert d’électron, photodissociation et
autres photoréactivités. Malheureusement, les états excités ne peuvent être étudiés
directement et leurs caractéristiques sont souvent déduites indirectement. La spectroscopie
d’absorption et de luminescence sont des outils particulièrement efficaces pour explorer les
états excités des molécules. L’allure, l’intensité ainsi que la position des bandes observées
sont tous des manifestations de la déformation induite par la transition électronique.
Différents modèle théoriques permettent d’en tirer des informations quantitatives sur la
structure de l’état excité.
1.2 Structure de la thèse
Le but de la thèse est d’étudier les influences structurales et électroniques influençant les
transitions vers les états excités. Étant donné que la nature des états excités est propre à
chaque système étudié, plusieurs composés différents ont été analysés. Tel qu’illustré au
tableau 1.1, chaque chapitre correspond à l’étude détaillé d’une famille de complexes
présentant des caractéristiques spectroscopiques et structurales similaire. Un survol des
principes de spectroscopie utilisés est présenté au chapitre 2.
3
Au chapitre 4, des spectres d’absorption détaillés à basse température de composés
tétraédriques de nickel(II) permettront l’étude des transitions d-d amenant la promotion de
deux électrons. L’influence des ligands et de la géométrie sur l’intensité de ces transitions
seront analysés à l’aide de modèles théoriques simulant les bandes d’absorption. De plus,
l’exactitude d’un modèle simple décrivant la distorsion de l’état excité sera évalué.
Le chapitre 5 porte sur les transitions de transfert de charge pour un complexe ionique du
ruthénium(II). L’énergie d’émission du composé [Ru(bipy)(CN)4]2- a la particularité d’être
sensible à son environnement. L’application de pression externe sur différents sels permet
d’évaluer l’influence des contre-ions et des ligands cyano sur cette sensibilité.
Les énergies d’émission des composés dicyano de l’or(I) ont montré une grande sensibilité
vis-à-vis la déformation structurale induite par l’application de pression externe. Une
composé de plus simple structure sera étudié au chapitre 6 afin d’éclaircir la nature de l’état
excité impliqué dans ce phénomène de bathocrhomisme. Des modèles simples, appuyés par
quelques calculs DFT, permettront d’expliquer les observations effectuées pour les
différentes techniques spectroscopiques utilisées
Finalement, le chapitre 7 traite d’agrégats de lanthanides dont la structure est modulée par
les substituants présents sur le ligand β-dicétone. L’analyse cristallographique de différents
agrégats dopés ont montré que les dopages effectués sur ces composés ont la particularité
d’être hautement spécifiques. Cette grande modularité structurale a été étudiée par
spectroscopie de luminescence de centre métallique Eu(III) et Tb(III).
4
Tableau 1.1
Aperçu global de la thèse
Chapitre
Métal
4
Ni(II)
Composés
Configuration
électronique
Type de
transition
Technique
expérimentale
d8
d-d
Absorption
Cristallographie
d6
MLCT
Luminescence
d10
d-s
Absorption
Luminescence
Raman de résonance
fn
f-f
Luminescence
Cristallographie
CN
N
5
Ru(II)
6
Au(I)
7
Ln(III)
N
Ru
CN
CN
CN
Agrégats
5
Chapitre 2
Partie théorique
2.1 Notions de base de spectroscopie
La spectroscopie est l’étude de l’interaction entre la lumière et la matière. Selon la
mécanique quantique, l’énergie des molécules possèdent des valeurs discrètes et la nature de
ces niveaux est caractéristique du système étudié. La lumière, une onde électromagnétique,
peut induire des transitions entre ces différents états. La caractérisation d’une transition se
fait en observant l’écart énergétique entre les deux niveaux ainsi que l’intensité de la
transition. L’intensité est déterminée par le carré de l’intégrale du moment de transition
représenté par l’équation suivante8 :
Ψ
Ψ
(2.1)
I est l’intensité, Ψ et Ψ sont les fonctions d’ondes de l’état initial et de l’état final alors que
représente l’opérateur du moment de transition. En spectroscopie d’absorption ou
d’émission, ce dernier correspond habituellement au moment dipolaire électrique ( ̂ ) alors
que c’est l’opérateur de polarisabilité ( ) qui gouverne l’intensité d’une transition via le
processus de diffusion Raman. La théorie des groupes stipule que l’intensité de la transition
est nulle sauf lorsque le moment de transition est réductible dans la base totalement
symétrique.
Une seconde équation qui sera utilisé dans ce chapitre découle de l’approximation de BornOppenheimer. Cette dernière stipule que la fonction d’onde totale peut être factorisée en un
terme électronique et un terme nucléaire et l’équation résultante est la suivante.
Ψ
χ RN φ RN, r
(2.2)
Où Ψ est la fonction d’onde totale alors que les termes χ et φ représentent les fonctions
d’onde nucléaire (ou vibrationnelle) et électronique respectivement. Les termes R N et r
correspondent aux coordonnées des noyaux et des électrons.
6
2.1.1 Spectroscopies vibrationnelles
La spectroscopie vibrationnelle donne beaucoup d’informations sur la nature et la force de
la coordination autour du métal à l’état fondamental. Les deux techniques principalement
utilisées sont l’absorption de lumière infrarouge et la spectroscopie Raman. Cette dernière a
l’avantage de facilement montrer les transitions à basse fréquences puisqu’elles ne sont pas
cachées par les phonons du NaCl, KBr ou CsI utilisés comme matrice pour la spectroscopie
infrarouge.
Ces deux méthodes diffèrent énormément malgré qu’elles étudient les mêmes transitions.
Tel qu’illustré à la figure 2.1, en spectroscopie infrarouge, l’étude porte sur l’absorption
d’ondes électromagnétiques ayant une énergie correspondant à l’écart énergétique entre
deux niveaux vibrationnels. En spectroscopie Raman, c’est la lumière diffusée par la matière
qui est observée. Par ce processus, l’onde peut perdre de l’énergie correspondant à une
transition vibrationnelle (bandes Stokes) ou la gagner (bandes anti-Stokes). La différence
d’énergie entre la lumière incidente et la lumière diffusée est nommée déplacement Raman.
État virtuel
Figure 2.1
Anti-Stokes
B
Stokes
A
représentations du processus d’absorption infrarouge (A) et de diffusion
Raman (B).
Normalement, l’absorption de photons infrarouges par la matière s’effectue via l’induction
d’un moment dipolaire à la molécule ( ̂ ). Étant donné la parité et la symétrie du moment
7
dipolaire, l’équation 2.1 est non-nulle (l’onde électromagnétique est absorbé) lorsque la
transition implique un mode vibrationnel de même symétrie que le moment dipolaire. Une
équation similaire peut être obtenue pour le processus Raman, où l’opérateur correspondant
est la polarisabilité de la molécule ( ). Ces deux opérateurs sont de symétries différentes et
donc, l’intensité des processus correspondants est différente selon la nature de la transition
étudiée. Une transition active en spectroscopie Raman peut être inactive en spectroscopie
infrarouge, et vice-versa.
2.1.2 Spectroscopies électroniques (absorption et émission)
Outre des transitions vibrationnelles, une onde électromagnétique peut induire un
changement d’état électronique. Ces transitions impliquent habituellement une lumière se
situant dans le spectre visible ou ultraviolet. Comme le montre la figure 2.2, lors de
l’absorption de l’onde, la molécule passe vers un état électronique de plus haute énergie
nommé état excité. Lorsque la molécule est excitée, la transition électronique inverse est
possible et peut se faire par l’émission spontanée de lumière ou via un processus
n’impliquant pas de lumière nommé désactivation non-radiative. Une même transition peut
donc être étudiée à l’aide de deux techniques spectroscopiques différentes.
Dans les deux cas, la lumière absorbée ou émise induit une variation du moment dipolaire
de la molécule. Sachant que le moment dipolaire d’une molécule est la somme du moment
dipolaire des noyaux et des électrons et que les fonctions d’onde électroniques sont
orthogonales, les équations 2.1 et 2.2 peuvent être simplifiées en l’équation suivante.
√
Où le terme
χ χ
φ
φ
(2.3)
correspond à l’opérateur du moment dipolaire des électrons uniquement.
Pour que cette équation soit non-nulle, chacun de ces termes doit être non-nuls. Cette
équation est à la base de la spectroscopie électronique et permet de déduire les règles de
sélection régissant ces transitions.
8
Absorption
Figure 2.2
Émission
Absorption
Origine électronique
Émission
Représentation des processus d’absorption et d’émission entre deux états
électroniques ainsi que l’origine électronique (E00) et la forme des bandes
correspondantes.
La largeur de la bande d’émission et d’absorption provient du terme
de l’équation
2.3. Ce dernier se nomme facteur de Franck-Condon et correspond au recouvrement entre
les deux fonctions d’ondes vibrationnelles. Comme les termes
et
ne proviennent pas
du même état électronique, ils ne sont pas nécessairement perpendiculaires. En première
approximation, nous pouvons considérer que deux états électroniques de géométrie
d’équilibre équivalente (Δ
0) et de fréquences de vibration égales devraient avoir des
fonctions d’ondes vibrationnelles identiques. Tel qu’illustré aux figures 2.3 et 2.4, le
recouvrement sera nul lorsque
. Seule la transition vers le même état vibrationnel
sera permise et donc, les bandes d’absorption et d’émission observées seront
particulièrement étroites. À basse température, seul le niveau vibrationnel le plus bas en
énergie est occupé et la seule bande observée correspond à la transition vers le niveau
vibrationnel le plus bas de l’état final. Cette transition est l’origine vibronique indiqué à la
figure 2.2. Lorsque la géométrie change (Δ
0), le recouvrement entre les états
9
vibrationnels initial et final change aussi et devient non-nul même lorsque
, ce qui
mène à l’élargissement des bande observées. Les nouveaux pics d’absorption sont nommés
progression vibronique puisqu’ils sont séparés d’un quantum de vibration l’un de l’autre.
A
B
C
ν2
Énergie
ν1
ν1
ν1
ν0
ν0
0
Q
Figure 2.3
0
Q
ν0
0
Q
Schéma des fonctions propres vibrationnelles ν0, ν1 et ν2 (A) ainsi que le
recouvrement entre ν0 et ν1 pour deux puits superposés (B) et deux puits
décalés (C). Dans le dernier cas, l’intégration du recouvrement sera non-nul
puisque la partie positive n’est pas égal à la partie négative.
-1
-1
Énergie (cm )
B
Énergie (cm )
A
Coordonée normale Q
Figure 2.4
Coordonée normale Q
Diagramme des surfaces d’énergie potentielle d’une transition électronique
dans le cas où Δ
0 (A) et Δ
0 (B). Les spectres d’absorption
correspondant à ces situations sont représentés à leurs droites.
10
Dans cette thèse, trois règles de sélection sont particulièrement importante et une brève
description de l’origine de celles-ci est proposée. Il est important de comprendre que
l’équation 2.3 est particulièrement complexe et que les différentes règles de sélection
découlent de modèles simples et d’approximations à cette équation. Une transition interdite
par ces règles peut avoir de l’intensité provenant des termes ignorés dans ces modèles.
Règle de Laporte (la parité du moment dipolaire)
Le terme central de l’équation 2.3 est non-totalement symétrique lorsque la transition d’état
électronique n’induit pas de moment dipolaire électrique. Grâce à la théorie des groupes, il
est possible de déterminer si ce terme est symétrique ou antisymétrique à partir de la
symétrie des différents éléments la constituant. Ce terme est totalement symétrique si le
produit direct des symétries de l’état initial, du moment dipolaire et de l’état final donne un
facteur correspondant au mode irréductible totalement symétrique (A1). Ceci peut être
résumé à l’aide de la relation :
Γ
Γ
Γ
(2.4)
Γ et Γ représentent la symétrie de l’état initial et de l’état final dans le groupe de symétrie
étudié. La symétrie du moment de transition est représentée par le terme Γ . La symétrie du
moment dipolaire électronique est identique à celle de la translation (Tx, Ty et Tz).
C’est cette règle de symétrie qui explique la faible intensité des transitions d-d et f-f. Dans la
symétrie sphérique parfaite, le moment dipolaire électrique est de parité antisymétrique
(ungerade). Pour que l’équation 2.4 soit symétrique (gerade), un des termes doit être
symétrique et le second doit être antisymétrique. Étant donné que touts les états
électroniques formé par une configuration dn (ou fn) sont nécessairement de même parité,
l’équation 2.4 ne peut qu’être antisymétrique à moins d’un changement à la configuration
électronique. En spectroscopie atomique cette règle se traduit par
Δ
où Δ
1
(2.5)
est la différence de moment angulaire orbitalaire des états impliqués dans la
transition.
11
Les transitions de spin
La fonction d’onde d’un état n’est pas seulement dictée par la composante orbitalaire, la
composante de spin électronique y joue un rôle important. À l’équation 2.3, cette
composante est incluse dans la fonction d’onde électronique. Lors d’une transition où il y a
un changement de spin, il y a un électron passant de spin α à β (ou vice-versa). Le terme de
devient alors :
φ
φ
φ σ ,α
φ σ ,β
(2.6)
où σ et σ sont les coordonées de spin des états initial et final, σ et σ symbolisent la
composante de spin des électrons non-affectés par la transition électronique et α et β
représentent la composante de l’électron changeant de spin. Puisque le moment dipolaire
électrique n’affecte pas les coordonnées de spin, l’intégrale présentée précédemment sera
toujours nulle puisque α et β sont orthogonaux. L’intensité d’absorption d’une transition
entre deux états de spin différent est donc toujours nulle. Ceci est vrai pour la spectroscopie
atomique ainsi que moléculaire et peut être traduit par l’équation
Δ
0
(2.7)
où Δ est la différence de moment de spin des états impliqué dans la transition.
Transition 2 électrons 1 photon
L’opérateur du moment dipolaire est considéré comme étant un opérateur monoélectronique, c'est-à-dire qu’il est une somme de facteurs ne dépendant que de la position
d’une particule (proton ou électron) à la fois. Selon l’approximation de Born-Oppenheimer,
la transition électronique se fait beaucoup plus rapidement que le mouvement de noyaux
d’une molécule. Pour ce type de transition, nous n’avons donc qu’à considérer le dipôle et la
fonction d’ondes provenant des électrons. De plus, puisque l’opérateur est une somme,
nous pouvons transformer l’équation 2.3 sous la forme suivante :
(2.8)
(2.9)
où
et
alors que
sont les fonctions d’onde électronique de l’état initial et final respectivement
et
sont les facteurs du moment dipolaire dépendant de la position de
12
l’électron 1 et 2. Une seconde approximation est que la fonction d’onde électronique est en
fait le produit des fonctions d’onde de tous les électrons. Si nous prenons le premier terme
de l’équation (2.9), nous pouvons simplifier l’intégrale en séparant les termes affectant le
premier électron de ceux affectant le deuxième.
(2.10)
(2.11)
est non-nul si et seulement si
Dans cette équation, le terme
est identique à
ce qui implique que seul l’électron impliqué dans la modification du moment dipolaire peut
changer de fonction d’onde (orbitale). Une transition impliquant le transfert de deux
électrons est donc interdite.
2.1.3 Phénomènes spectroscopiques étudiés
La plupart des règles de sélection sont des approximations. Les transitions interdites
peuvent donc être observées, mais leurs intensités sont grandement réduites
comparativement aux transitions permises. Les différents phénomènes permettant le gain
d’intensité de ces transitions interdites sont aussi intéressants que l’énergie de ces transitions
puisque souvent, ils proviennent de la force d’interaction entre les différents états de la
molécule.
Origine vibronique et « bandes chaudes »
Le traitement mathématique pour déclarer qu’une transition est interdite selon la règle de
parité, résumé par l’équation 2.4, ne tient pas compte du niveau vibrationnel initial ou final.
Ces modes vibrationnels peuvent influencer la symétrie de la fonction d’onde totale. Un
traitement complet de la symétrie devrait inclure ces quanta vibrationnels comme dans la
relation suivante :
Γé
Où Γ
Γ
Γ
Γé
Γ
contient
(2.13)
correspond à la symétrie de la vibration. Ce phénomène est nommé origine
vibronique lorsque le quantum de vibration changeant la parité en est un de l’état excité.
13
Comme observé à la figure 2.5, l’énergie d’absorption sera alors légèrement plus élevé d’un
quantum vibrationnel que si la transition avait déjà été permise. Similairement, il est nommé
« bande chaude » lorsque le quantum provient de l’état fondamental et l’énergie observée est
ici plus faible. Ce dernier cas dépend de la température puisqu’il implique que l’état
fondamental soit déjà excité sans apport de lumière. L’intensité de ces bandes chaudes
devrait suivre l’équation de Boltzmann et l’intensité de ces bandes devrait être minime
lorsque l’étude est effectuée à très basse température. À la température de l’hélium liquide
(5 K), la population du premier quantum d’un mode vibrationnel ayant pour fréquence
A
E00
-1
Énergie (cm )
25 cm-1 ne représente que 0,08% de la population de l’état vibrationnel fondamental.
B
Coordonée normale Q
Figure 2.5
Le phénomène d’origine vibronique (A) où E00 est interdit alors que E01 est
permis, ainsi que le phénomène de « bandes chaudes » (B) avec la transition
E10 permise.
Couplage spin-orbite
Deux états de même symétrie proches en énergie peuvent coupler ensemble et s’échanger
une partie de leur caractère propre. Il est possible qu’un état menant à une transition
interdite couple avec un état menant à une transition permise. La transition interdite
acquiert une partie du caractère permis de la seconde et y gagne de l’intensité. Ce mélange
ne peut s’effectuer que lorsque la symétrie des deux états est identique.
14
C’est ici qu’entre en jeu le concept de couplage spin-orbite. Ce couplage est l’interaction
entre le mouvement de l’électron dans son orbite (la symétrie de l’état, nombre quantique L)
et le mouvement de l’électron sur lui-même (le spin, nombre quantique S). Ceci a pour effet
de scinder les états d’état de spin élevé en différentes composantes. Tel qu’illustré à la figure
2.6, ces dernières peuvent adopter une symétrie qui leurs permettent de coupler avec des
états de spin différent.
1
A1
3
Figure 2.6
A1
A1
A2
B1
B2
E
E
CSO
Dans un complexe D2d, le couplage spin-orbite scinde l’état 3E en 5
composantes dont une peut coupler avec un état de spin différent.
Raman de résonance
En spectroscopie Raman, la transition entre niveaux vibrationnels provient d’un
changement de polarisabilité de la molécule. L’intégrale de polarisabilité ne dépend pas
seulement des niveaux vibrationnels examinés, mais de tous les niveaux électroniques et
vibrationnels ainsi que de l’énergie de la lumière incidente. Quand la longueur d’onde
d’incidence est suffisante pour amener la molécule dans un état excité, l’intégrale de
polarisabilité9 prend la forme suivante lorsque le principe de Franck-Condon est considéré.
·
E
I
(2.14)
χ , χ et χ représentent les fonctions d’onde des niveaux vibrationnels 0 et 1 de l’état
fondamental ainsi que la fonction d’onde vibrationnel de l’état excité discuté
précédemment, les termes φ et φ représentent les fonctions d’onde électroniques de l’état
fondamental et de l’état excité, le terme ΔE
représente la différence d’énergie entre les
deux états alors que υI représente la longueur d’onde d’excitation. Tel que discuté
15
précédemment, les termes de la forme χ χ
seront non-nulles si l’état fondamental et
excité présente un décalage selon ce mode normal. Cette intégrale gagnera énormément
d’intensité puisque la valeur du dénominateur tend vers 0 lorsque ΔE et υI se rapprochent.
L’effet global est une augmentation d’intensité des pics Raman correspondant à des modes
vibrationnels décalés à l’état excité.
2.2 Modèles théoriques
2.4.1 Modèle du recouvrement angulaire
Dans un complexe métallique, les orbitales de valences (d pour métaux de transition, f pour
lanthanides) interagissent avec les ligands afin de former des orbitales moléculaires liantes et
anti-liantes. Habituellement, les orbitales de valences moléculaires résultantes sont celles
provenant des interactions anti-liantes avec les ligands. Comme montré à la figure 2.7, la
nature et la force de ces interactions déterminent la disposition énergétique des différentes
orbitales moléculaires.
eg
Δoct
σ*
π*
t2g
Octaèdre (Oh)
Figure 2.7
σ*+π*
π*+σ*
Atome libre
Δtet
t2
e
Tétraèdre (Td)
Diagramme des orbitales moléculaires d’un complexe de métal de transition
selon la nature des interactions avec les ligands.
Il est important de connaître cette disposition orbitalaire puisque la nature et l’énergie des
différents états du complexe en découle directement. Pour des composés de symétrie élevée
(tétraèdre et octaèdre), le comportement des états en fonction de la force des ligands est
bien documenté et certaines équations simples permettent d’extraire les paramètres
16
électroniques (répulsion électronique, écart énergétique) assez aisément. Lorsque la symétrie
de la molécule est loin d’être idéale (déformation, disparité des ligands, coordinance 5,
etc…), il est d’habitude plus difficile d’extraire de l’information électronique des spectres.
Il existe différentes méthodes pour calculer les énergies des états électroniques dans ces cas
complexes. Celle qui a été utilisé ici est le modèle du recouvrement angulaire (AOM :
« angular overlap model ») développé par Schäffer.10,11,12,13 Ce modèle tient compte de
l’orientation des ligands et de la force et du type d’interaction (σ, π, δ) que celui-ci exerce
sur le métal. Comme le montre la figure 1.6, ces deux composantes sont essentielles
puisqu’une petite variation de ceux-ci peut grandement affecter l’énergie des orbitales
moléculaire. De plus, ce modèle tient compte de la répulsion électronique et peut même
tenir compte du couplage spin-orbite.
Figure 2.8
Interactions anti-liante entre une orbitale d du métal et une orbitale p du
ligand selon l’orientation de ce dernier. À des angles non-idéaux, les
interactions sont complexes.
2.4.2 Théorie dépendante du temps
L’approche dépendante du temps, avancée par Heller,14,15 permet d’obtenir les mêmes
résultats que l’approche de Franck-Condon. Cette méthode peut sembler plus complexe
que l’analyse classique, mais elle est en fait plus simple lorsque l’on doit étudier plusieurs
états déformés selon différents modes normaux qui présentent du couplage entre eux.
17
Les modélisations de spectres d’absorption et d’émission se fait à l’aide de la fonction
d’autocorrélation
|
. Cette dernière représente l’évolution dynamique de la fonction
d’onde de l’état initial dans un puits d’énergie potentielle correspondant à l’état final.
L’équation fondamentale de ce modèle est :
|
(2.15)
Ici, le paramètre x diffère si l’on considère une transition d’absorption (x = 1) ou d’émission
(x = 3). L’évaluation de la fonction d’autocorrélation est facilitée si l’on suppose (i) que les
puits d’énergie potentiels sont harmoniques et que les constantes de forces sont identiques
pour l’état initial et final, (ii) que le moment de transition dipolaire est constant et (iii) que
les coordonnées normales des deux états sont identiques. Dans ce cas, l’équation
d’autocorrélation prend la forme analytique suivante16 :
|
Γ
∑ Δ 1
(2.16)
Ici, le terme E00 représente l’énergie de l’origine vibronique, Γ est un facteur
phénoménologique reproduisant les interactions moléculaires qui va atténuer la fonction
d’onde au cours du temps. Les termes
et Δn correspondent à la fréquence vibrationnelle
et au décalage le long de la coordonnée Qn des surfaces de potentiels. Le processus complet
est représenté à la figure 2.9.
18
φ(t)
Absorption
-1
Énergie (cm )
φ(t=0)
|‹φ(t=0)|φ(t)›|
Coordonnée normale Q
Transformée
de Fourier
Intensité (u.a.)
|‹φ(t=0)|φ(t)›|
1
0
0
Figure 2.9
1
2
3
-1
Énergie (cm )
temps (ps)
Représentation du traitement dépendant du temps pour la modélisation
d’une bande d’absorption.
2.4.3 Chimie quantique
L’équation de Schrödinger est la base de la plupart des calculs de chimie quantique. Vue sa
nature particulièrement complexe, différentes approximations ont été élaborées et
permettent d’obtenir les énergies des états, les fréquences vibrationnelles et des
représentations des orbitales moléculaires. La plus connue des approximations basées sur
cette équation est la méthode de Hartree-Fock négligeant la corrélation électronique.17,18
L’avènement d’ordinateurs puissants a permis le développement de méthodes plus
complexes qui pallient en parti aux omissions de Hartree-Fock. La méthode de
Møller-Plesset apporte l’effet de la corrélation électronique à l’aide de la théorie de la
perturbation17 alors que la théorie de la fonctionnelle de la densité reformule les fonctions
19
d’ondes pour utilisé la densité électronique comme base de l’équation.18 Ceci permet
d’obtenir une fonctionnelle décrivant l’échange et la corrélation électronique.
20
Chapitre 3
Partie expérimentale
Ce chapitre décrit les différents montages expérimentaux utilisés pour l’acquisition de
données spectroscopiques et les installations permettant de varier les conditions
expérimantales (pression, température). De plus, les divers outils de modélisation employés
sont brièvement présentés.
3.1 Spectroscopie Raman
Deux systèmes de microscopie Raman très similaires (Renishaw 3000 et InVia) ont été
utilisés pour mesurer les spectres Raman. Les deux systèmes sont équipés d’un microscope
Leica permettant de collecter efficacement la lumière diffusée ou émise par l’échantillon.
Différentes longueur d’onde d’excitation des échantillons sont disponibles : 488 nm et;
514,5 nm (laser Ar+), 633 nm (laser He-Ne) et 782 nm (diode laser). Un réseau diffracte la
lumière vers un détecteur CCD (Charge Coupled Device) pouvant détecter la lumière sur une
plage de quelques centaines nombre d’onde. Des filtres bloquant la longueur d’onde des
lasers (notch filter ou edge filter) du signal limite ces études à des déplacements Raman
supérieur à ~150 cm-1. Une installation composée d’un laser à argon ionisé (514,5 nm)
Coherent Innova CR-12, d’un monochromateur Spex 14018, d’un tube photomultiplicateur
R-928 et d’un compteur de photons Spex DPC-2 a été utilisé pour obtenir le spectre à plus
bas déplacement Raman (25-125 cm-1).
3.2 Spectroscopie d’absorption
Tous les spectres d’absorption électronique ont été effectués à l’aide d’un
spectrophotomètre Cary 5E de Varian à double faisceaux. Cet instrument couvre une plage
spectrale allant de 190 à 3500 cm-1. Deux lampes (ultraviolet : deutérium; visible et proche
infrarouge : Tungstène) et deux détecteurs (ultraviolet et visible : tube photomultiplicateur
21
Hamamatsu R-928; proche infrarouge : détecteur photoconducteur de PbS) sont utilisés
pour couvrir cette plage d’énergie. Un système d’atténuation du faisceau de référence
permet de mesurer les signaux extrêmement faibles.
Des cellules en quartz ont été utilisées pour obtenir les spectres des échantillons en solution.
Les échantillons cristallins ont été fixés à l’aide d’une fine couche de graisse
thermoconductrice sur une plaque d’aluminium percée laquelle est fixée au porte
échantillon du cryostat Oxford (vide infra) placé dans la chambre de mesure du
spectrophotomètre. Les spectres de poudre ont été mesuré à l’aide d’un montage de
réflectance diffuse de type mante religieuse (praying mantis) installé dans la chambre de
mesure du spectrophotomètre. Ce dernier est composé de miroirs permettant de focaliser la
lumière incidente sur un porte échantillon horizontal. La lumière réfléchie est alors recueillie
par un miroir concave ramenant la lumière vers les détecteurs.
3.3 Spectroscopie de luminescence
La mesure des spectres de luminescence visibles en continu a été faite avec les deux
systèmes Raman décrits précédemment. La mesure des temps de vie à basse température
ont été obtenu à l’aide du montage suivant. La source d’excitation est un laser pulsé
Nd:YAG (Continuum Minilite) dont la fréquence à été doublée (532 nm). Le faisceau est
dirigé par un ensemble de miroirs plats vers l’échantillon positionné dans le cryostat de la
compagnie Sumitomo Heavy Industries décrit plus loin. La lumière émise est focalisé vers la
fente d’entré d’un monochromateur de cinquante centimètre (Spex 500M) grâce à un miroir
concave. Un filtre passe-bas (Schott) est placé à l’entré du monochromateur afin d’éliminer
la longueur d’onde d’excitation. Le monochromateur utilisé est muni d’un réseau de 600
lignes par millimètre. Le détecteur utilisé est un tube photomultiplicateur Hamamatsu R-928
refroidit à l’aide d’un système Peltier. Ce détecteur est connecté à un amplificateur ultrarapide puis à un compteur de photon et finalement à un oscilloscope. Le signal d’une cellule
photosensible placée proche de la raie laser sert d’interrupteur à la collection. Le contrôle du
spectrophotomètre est effectué par un programme compilé sur le logiciel Labview de
22
National Instrument. L’intensité des spectres effectués sur les différents montages a été
corrigée à l’aide du spectre d’une lampe au tungstène en tant que pseudo corps noir.
3.4 Mesures à température contôlée
Les études spectroscopiques à basse températures ont été effectuées à l’aide de différents
cryostats selon les caractéristiques physiques de ces derniers (température limite, orientation
des fenêtres, taille et poids). Deux cryostat à fenêtre horizontale ont pu être utilisé avec les
systèmes Raman (et de luminescence). Les mesures entre 77 K et 298 K ont été effectuées à
l’aide d’un cryostat à flot continu d’azote (Linkam THMS600). Un cryostat à flot continu
d’hélium liquide spécialement conçu pour le travail de microscopie (Janis ST-500) permet
d’atteindre des basses températures jusqu’à 5 K. Lors des études d’absorption électronique,
un cryostat à flot continu d’hélium muni de fenêtre en quartz (Oxford CF 1204) a été
utilisé. La température à l’échantillon est contrôlée à l’aide d’un thermocouple Rh-Fe relié à
un contrôleur de température externe (Oxford ITC4). Le flot d’hélium est contrôlé par des
valves positionnées sur la ligne de transfert. Les études de durée de vie à basse température
ont été effectuées à l’aide d’un cryostat à circuit fermé d’hélium de la compagnie Sumitomo
Heavy Industries. Ce dernier comprend le cryostat (SDK-205D) et un compresseur (CKW21A) générant l’hélium liquide. La température est contrôlée à l’aide d’un contrôleur de
température (Lakeshore, model 331)
3.5 Mesures à pression variable
Les mesures Raman et de luminescence à haute pression ont été obtenus à l’aide d’une
presse à diamant de la compagnie High Pressure Diamond Optics Inc. positionnée sous les
lentilles du microscope. L’échantillon est placé au dans l’orifice d’une plaque d’acier percée
(200 μm de diamètre) positionnée entre les deux diamants. Du nujol est ajouté afin de
rendre hydrostatique la pression à l’intérieur de la cavité. La pression interne est calibrée à
l’aide des maximums de luminescence de fines particules de rubis additionnés à l’échantillon
et de l’équation suivante.19
23
3808
Où
1
(3.1)
représente la longueur d’onde maximale du principal pic d’émission du rubis et
est la longueur d’onde de l’émission à pression ambiante (~694,2 nm).
3.6 Caractérisation cristallographique
Les études cristallographiques ont été effectuées sur deux appareils différents. Le
diffractomètre CCD 2k de Bruker est situé dans les laboratoires du centre de diffraction de
rayons-X de l’université de Montréal. La source radiation CuKα à tube scellé est couplée à
un monochromateur au graphite. Le traitement des images de diffractions et l’affinement de
la maille ont été effectués à l’aide des logiciels APEX220 et SAINT.21 Une correction
empirique de l’absorption basée sur les multiples mesures de réflexions équivalentes est
appliqués à l’aide du logiciel SADABS.22 Le groupe d’espace a été déterminé par la routine
XPREP23, composante du logiciel SHELXTL.24 La résolution de structure a été effectuée
par la méthode directe et a été raffinée par les technique des moindres carrées sur la matrice
complète et des différences de Fourrier implémentées dans le logiciel SHELX-97.25,26
Le second diffractomètre utilisé est un Nonius Kappa CCD associé à une source au
Molybdène (λ = 0,71073 Å) situé au centre de diffraction Henri LongChambon de
l’université Claude Bernard à Lyon (France). La collection de données a été effectuée à
l’aide du logiciel COLLECT.27 Le traitement des images de diffractions a été effectué à
l’aide du logiciel DENZO27 alors que l’affinement de la maille et la détermination du groupe
d’espace ont été effectué à l’aide du logiciel SCALEPACK.27 Les structures ont été résolues
à l’aide de la méthode directe implémenté dans le logiciel SIR9728 et raffinées par la
technique des différences de Fourrier à l’aide du logiociel CRYSTALS.29 Ces structures
cristallographiques ont été obtenues à l’aide du Dr. Guillaume Pilet de l’université Claude
Bernard à Lyon (France)
Pour les deux diffractomètres, les échantillons monocristallins ont été positionnés en face
du faisceau de rayons-X à l’aide d’un lasso millimétrique et de paratone. Sauf si indiqué
24
différenement, les hydrogènes ont été modélisés en tant qu’atomes chevauchant, fixant ainsi
leurs positions et leurs paramètres thermiques.
3.7 Logiciels de calculs
Les calculs ab initio ont été effectués à l’aide du logiciel Gaussian ’98 (Gaussian inc.).30
L’opérateur MP231,32 (Møller-Plesset, deuxième ordre) et les fonctionnelles de densités
B3LYP33,34,35 et PBEPBE36,37 ont été utilisés. La nature exacte de la base gaussienne
6311++g(3df,3pd)38,39,40,41 ainsi que des pseudo-potentiels relativistes Lanl2dz42,43 et SDD42,44
est disponible dans le manuel d’utilisateur du logiciel. Des calculs TD-DFT45,46,47 ont été
effectués. Ces calculs ont été effectués sur les ordinateurs du groupe du professeur Matthias
Ernzerhof de l’université de Montréal.
Les calculs de champ des ligands par le modèle du recouvrement angulaire (AOM) ont été
effectués à l’aide du logiciel AOMX (Heribert Adamsky, Heinrich-Heine Universität,
Dusseldorf)48 distribué librement
Les modélisations des spectres d’absorption et d’émission ont été effectuées à l’aide d’un
ensemble de logiciels ou routines employant la théorie dépendante du temps en
spectroscopie.15 Des routines de calculs implémentées dans le laboratoire modélisent les
spectres d’absorption et les spectres d’émission entre deux puits harmoniques de même
courbure décalés selon une ou plusieurs coordonnées normales. Ces routines emploient la
formule analytique simple décrite précédemment pour effectuer ces calculs.16 Le logiciel
Friberg développé par le professeur D. Neuhauser et D. Walter permet de calculer les
spectres d’absorption pour un grand nombre d’états électroniques suivant un maximum de
3 coordonnées normales. Ce programme s’appuie sur la théorie dépendante et sur plusieurs
articles publiés sur la diffraction Raman.49,50 La propagation du paquet d’onde s’effectue
numériquement par la méthode de l’opérateur séparé.51
25
Chapitre 4
Déformation d’états excités de complexes de Ni(II)
tétraédrique
Cette partie de la thèse porte sur l’étude spectroscopique et cristallographique de complexes
tétraédrique de Ni(II). La résolution des spectres électroniques permet l’étude détaillée des
géométries des états excités. Une étude de la relation entre la configuration électronique et
la déformation de la molécule est ici présentée.
4.1 Introduction
Lors de l’interaction entre un centre métallique et des ligands, les orbitales de valence du
métal adoptent un caractère métal-ligand anti-liant. Ce caractère est spécifique à chacune
des cinq orbitales d et est modulé par le type d’interaction entre les orbitales du métal et des
ligands. Cette différence de caractère a pour effet de lever la dégénérescence orbitalaire.
Pour un composé octaédrique, les trois orbitales t2g sont de caractère π* alors que les deux
autres (eg) adoptent un caractère σ* et sont à énergie plus élevée. Vu la différence de
caractère de ces orbitales, la disposition des électrons de valence influence grandement la
structure du composé. À titre d’exemple, un composé de Fe(II) dans un état haut-spin aura
des liaisons métal-ligand plus longues que s’il était dans un état bas-spin.52 Cette corrélation
entre la structure et la configuration électronique est indéniable et peut être étudiée par
spectroscopie électronique.
Les complexes de Ni(II) sont des composés idéaux pour étudier cette corrélation entre la
structure électronique et la structure physique d’un composé. En effet, lorsqu’il présente
une haute symétrie (octaédrique ou tétraédrique), le nombre d’états excités provenant d’une
transition d-d est relativement petit tout en présentant plusieurs configurations
électroniques différentes (e4t24, e3t25 et e2t26). Ces caractéristiques diminuent les risques de
métissage des configurations électroniques tout en permettant l’observation de déformation
induite par l’excitation de plus d’un électron.
26
La spectroscopie d’absorption visible proche-infrarouge permet d’observer la déformation
géométrique entre l’état fondamental et les différents états excités. Les diagrammes TanabeSugano,53 présentés à la figure 4.1, montrent que l’état fondamental d’un composé
tétraédrique est 3T1(e4t24) et 3A2(t26e2) pour un composé octaédrique. L’excitation d‘électrons
vers un état de configuration électronique différente, e3t25 ou e2t26 pour un composé
tétraédrique et t25e3 ou t24e4 pour un composé octaédrique, induit une déformation
structurale qui peut être calculée en modélisant les progressions vibroniques à l’aide de la
théorie dépendante du temps décrite au chapitre 2. Cette déformation calculée devrait être
différente si la transition induit la promotion d’un seul ou de deux électrons. Des études
précédentes ont proposé une corrélation linéaire entre le nombre d’électrons excités et la
déformation entre deux états.54,55 Cette étude est l’une des premières à analyser la
déformation d’états excités de configurations électroniques différentes et provenant de la
transition de plus d’un électron.
A
1
1
A1
3
A2
2 6
(e t2 )
E
60
1
E/B
50
S
1
T1
1
T
3 2
T1
40
1
30
A1
T2
3 5
G
3
P
1
D
10
1
3
3
F
0
Figure 4.1
(e t2 )
1
E
T2
4 4
T1 (e t2 )
1
60
50
3
1
B
70
A1
1
3
T2
1
1
E/B
70
4 4
(t2 e )
E
1
S
1
40
3
30
1
1
3
G
3
P
1
D
10
3
T1
T2
T1
A1
5 3
T2 (t2 e )
1
3
F
0
T1
E
6 2
A2 (t2 e )
1
2
3
Dq/B
Dq/B
Diagrammes Tanabe-Sugano53 pour les complexes d8 tétraédrique (A) et d8
1
2
3
octaédrique (B) obtenus à l’aide du modèle de recouvrement angulaire (B =
1080 cm-1 et C = 4B).
27
Dans un complexe octaédrique, les quatre états provenant de la promotion de deux
électrons (1A1, 1T2, 1E et 3T1) couplent avec des états de même spin et de même symétrie.
L’état 3T1 est fortement couplé avec son homologue car ils sont proches en énergie
(croisement évité). Ceci à pour effet de mélanger les configurations électroniques et ainsi,
modifier la déformation induite. Les états 1T2 et 1E sont d’énergie similaire et leurs bandes
d’absorption devraient être superposées, ce qui embrouille l’analyse des spectres. De plus,
même sous l’influence d’un champ cristallin faible, ces états sont présents à relativement
haute énergie et les transitions électroniques vers ceux-ci sont cachées par des bandes
intenses de natures complètement différentes (MLCT, centrés sur le ligand ou transitions ds). Ces phénomènes compromettent l’étude des transitions de deux électrons.
L’état fondamental d’un complexe tétraédrique de Ni(II) est 3T1(e4t24). Ces composés ne
possèdent que trois états de configuration électronique e2t26 provenant de la promotion de
deux électrons (1A1, 1E et 3A2). La force du champ cristallin induit par une géométrie
tétraédrique est relativement faible. Il sera donc possible d’observer les transitions de deux
électrons dans la plage visible sans qu’elles ne soient cachées par des transitions intenses de
natures différentes. L’état fondamental peut coupler avec son homologue, mais leur grande
différence d’énergie réduit l’effet du couplage et, donc, le métissage de sa configuration
électronique. L’état 3A2 est le seul de cette nature et devrait conserver sa configuration
électronique. L’état 1E est relativement isolé et donc la transition vers celui-ci n’est pas
masquée par d’autres bandes plus intenses. L’état 1A1 couple fortement avec son homologue
et il est présent à relativement haute énergie. La transition vers cet état sera probablement
cachée par d’intense transition de nature différente. Vu les caractéristiques de cet état, seul
les transitions vers les états 3A2 et 1E seront ici étudiées.
28
4.2 Partie expérimentale
4.2.1 Synthèse
Les synthèses sont inspirées de littérature56 et légèrement modifiées. Le chlorure de nickel
anhydre (NiCl2), le bromure de Ni(II) anhydre (NiBr2), la triphénylphosphine et les
halogénures de tétraéthylammonium proviennent de chez Sigma-Aldrich et ont été utilisés
tel quel. Le solvant acétonitrile provient aussi de Sigma-Aldrich et fut considéré
suffisamment anhydre pour les synthèses. La caractérisation des produits finaux, montrée
au tableau 4.1, a été faite par la comparaison des spectres Raman à l’état solide et des
spectres d’absorption UV-vis en solution (acétonitrile) avec les résultats présents en
littérature.57,58,59,60,61 De plus, l’étude cristallographique de certains de ces composés a permis
de confirmer la nature de ceux-ci.
(NEt4)2[NiX4]
Un équivalent d’halogénure de Ni(II) est dilué dans un minimum d’acétonitrile bouillant.
Séparément, deux équivalents d’halogénure de tétraéthylammonium sont mis en solution
dans un minimum d’acétonitrile bouillant. Lorsque les deux solutions sont mélangées, une
coloration bleue apparaît rapidement. La solution finale est mise dans un dessiccateur afin
que l’acétonitrile puisse s’évaporer sans que le produit final se dégrade à l’humidité de l’air.
Les cristaux obtenus sont des blocs bleus clairs pour le tétrachloronickel(II) et bleus foncés
pour le tétrabromonickel(II). Ces derniers sont hygroscopiques et doivent être conservés
dans un dessiccateur.
(NEt4)2[NiX3(PPh3)]
Un équivalent d’halogénure de tétraéthylammonium et un équivalent de triphénylphosphine
sont dilués dans un minimum d’acétonitrile. Une solution d’un équivalent d’halogénure de
Ni(II) anhydre dissout dans un minimum d’acétonitrile chaud est alors ajoutée à la solution
29
précédente. La solution est laissée sous agitation pendant une heure avant d’être filtrée. Le
filtrat est concentré à l’aide d’un évaporateur rotatif. La solution concentrée est mise dans
un dessiccateur afin que l’acétonitrile puisse s’évaporer sans que le produit final se dégrade à
l’humidité de l’air. Les cristaux obtenus sont des blocs bleus foncés pour le [NiCl3(PPh3)]alors qu’ils sont vert foncés pour le [NiBr3(PPh3)]-. Ces cristaux semblent assez résistants à
l’humidité de l’air.
Tableau 4.1
Caractérisation spectroscopique des produits de synthèse. Les valeurs
d’absorptivité molaire (cm-1M-1) sont entre parenthèse.
Produit
(NEt4)2[NiCl4]
(NEt4)2[NiBr4]
(NEt4)[NiCl3(PPh3)]
Méthode
Littérature
Ce travail
Ramana
289 cm-1
285 cm-1
UV-visb
7500 cm-1
8000 cm-1 (20)
15 000 cm-1
15 300 cm-1 (120)
Ramana
224 et 231 cm-1
223 et 232 cm-1
UV-visc
7500 cm-1 (33)
8000 cm-1 (30)
14 200 cm-1 (280)
14 700 cm-1 (160)
177, 278 et 308 cm-1
179, 268 et 310 cm-1
Ramand
9600 cm-1 (60)
UV-vis
16 200 cm-1 (160)
(NEt4)[NiBr3(PPh3)]
Ramand
212 et 242 cm-1
216 et 243 cm-1
UV-vise
9500 cm-1
9500 cm-1 (70)
15 000 cm-1
15 300 cm-1 (160)
a : Référence 57
b : Référence 58
d : Référence 60
e : Référence 61
c : Référence 59
30
4.2.2 Structures cristallographiques
Puisque cette étude porte sur les déformations géométriques provenant d’excitations
d’électrons, il est essentiel de bien connaître la structure de l’état fondamental. La méthode
de prédilection pour répondre à ce problème est la diffraction des rayons-X. Cette dernière
permet d’obtenir directement la structure du composé à l’état fondamental.
(NEt4)2[NiX4] (X – : Cl –, Br –)
Un résumé des paramètres cristallographiques importants est présenté au tableau 4.2. Le
groupe d’espace P42/nmc observé pour le complexe chloro est de très haute symétrie. Dans
cette structure, les 4 halogénures sont positionnés sur l’équipoint g de symétrie locale 2
alors que l’ion Ni(II) est positionné sur l’équipoint b de symétrie locale 42 , ce qui confère
une symétrie ponctuelle 42
(D2d) au complexe.62
Tableau 4.2 Paramètres cristallographiques importants pour les structures des composés
(NEt4)2[NiX4].
Composé
(NEt4)2[NiCl4]a
(NEt4)2[NiBr4]b
(NEt4)2[NiBr4]b
Sys. Crist.
Tétragonal
Tétragonal
Monoclinique
P42/nmc (No. 137)
P42/nmc (No. 137)
Cc (No. 9)
a (Å)
9,05(1)
8,8936(5)
24,5647(15)
b (Å)
9,05(1)
8,8936(5)
24,5647(15)
c (Å)
15,01(2)
15,709(2)
16,0181(18)
β (deg)
90
90
90
V (Å3)
1230,6
1242,5(2)
9665,7(14)
2
2
16
Température (K)
TP
230
100
R/Rw [I/σ(Ι)>2]
0,067
0,0574/0,0535
0,1013/0,0581
Photo/Visuel
Diffractomètre
Diffractomètre
Groupe d’espace
Z
Mesure
a : Référence 62
b : Ce travail
31
Cette symétrie correspond à un tétraèdre (Td) légèrement étiré le long d’un des axes S4
(étirement tétragonal). Comme le montre la figure 4.2, cette distorsion ne permet pas de
conserver les 6 angles Cl-Ni-Cl équivalents à 109,47° (tétraèdre parfait). Les deux angles
dont les médiatrices des segments Cl-Cl sont situées le long du seul axe S4 conservé sont de
106,83(14)° alors que les quatre autres angles Cl-Ni-Cl (médiatrices parallèles aux axes C2)
sont de 110,81(7)°. Les 4 distances Ni-Cl restent équivalentes et sont de 2,245(3) Å.62
A
B
Cl
Ni
Cl
Ni
Cl
Cl
Figure 4.2
Cl
Cl
Cl
Cl
Représentation de la distorsion tétragonale du complexe [NiCl4]2-. L’axe S4
restant est représenté par la flèche. Les deux angles Cl-Ni-Cl dont les
médiatrices des segments Cl-Cl sont parallèles à l’axe S4 (A) et les quatre
angles dont les médiatrices sont perpendiculaires à l’axe S4 (B).
À température relativement élevée (≥230 K), le complexe (NEt4)2[NiBr4] est iso-structural
au complexe tétrachloro. Le complexe anionique [NiBr4]2- se situe sur l’équipoint b et
adopte donc la symétrie ponctuelle 42
(D2d) tel que montré à la figure 4.3. Dans ce
complexe, les longueurs des liaisons Ni-Br sont de 2,360(1) Å. Les deux angles Br-Ni-Br
aux médiatrices parallèles à l’axe S4 valent 108,64(7)° alors que les quatre autres angles sont
de 109,89(3)°. La distorsion tétragonale de ce composé est plus petite que pour le composé
tétrachloro puisque ces angles sont proches de la valeur pour les angles d’un tétraèdre
(109,47°).
32
Figure 4.3
Dessin ORTEP de l’anion du composé (NEt4)2[NiBr4] à 230 K montrant la
numérotation adoptée. Les ellipsoïdes sont représentés à 30% de probabilité.
L’axe de rotation 4 est ici vertical.
La figure 4.4 montre que cet arrangement cristallin n’est pas conservé lors de l’abaissement
de la température. À environ 220 K, de nouvelles réflexions apparaissent aux indices
, , ;
,
, . Alors que les paramètres a et b augmentent avec la température
d’environ 2,5 mÅ/K, le paramètre de maille c se contracte de 1,2 mÅ/K. Malgré ces
comportements divergents, le volume occupé par une unité du composé (NEt4)2[NiBr4] se
dilate d’environ 0,21 Å3/K par rapport à la maille à haute température.
Volume (Å )
1220
1240
33
Axes (Å)
3
20
1200
10
100
Figure 4.4
200
Température (K)
100
Évolution des paramètres ( axe a≈b;
200
Température (K)
axe c; β≈90°) et du volume de la
maille lors de la variation de température. Le volume des mailles à basse
température fut divisé par 8 (ZBT/ZHT) pour fin de comparaison (ZHT = 2).
Cette transition de phase, qui semble octupler la taille de la maille, implique une légère
variation de la structure montrée à la figure 4.5. À basse température, le composé
(NEt4)2[NiBr4] adopte une structure ayant Cc comme groupe d’espace. Ceci provient de la
perte des axes 42, 4, 21 et 2, de la majorité des plans de glissement ainsi que des centres
d’inversion. Le seul plan de glissement subsistant à basse température (plan de glissement c
axe b) correspond au plan de glissement c orienté selon le plan 110 observable à haute
température.
34
C
A
d
B
D=2d
1/d
Figure 4.5
1/D=1/2d
Schéma représentant la superstructure (A) et son effet sur les diagrammes de
diffraction des rayons-X (B). Correspondance entre une petite maille (≥220
K) et la grande maille pour le composé (NEt4)2[NiBr4]
La perte de symétrie et l’agrandissement non négligeable de la maille ont pour effet
d’augmenter le nombre de paramètres à affiner et donc, d’indirectement diminuer la qualité
de la structure cristallographique. Une autre complication rend difficile la bonne résolution
de cette structure. La transition de phase ne semble pas uniforme dans tout le cristal.
Comme le montre la figure 4.6, la transformation subie par la maille lors de la transition de
phase peut créer différents domaines aux orientations cristallines identiques, mais ayant des
arrangements internes différents. Ces domaines peuvent être considérés comme des cristaux
maclés dont les patrons de diffraction se superposent l’un à l’autre mais dont l’indexation
d’une réflexion est différente d’une orientation à l’autre. Pour le composé (NEt4)2[NiBr4], la
relation de symétrie reliant les différentes orientations correspond à un axe de rotation 4
perpendiculaire à l’axe c. Puisque cet élément de symétrie n’est pas inclus dans le groupe de
Laue (2/m), le maclage se nomme maclage pseudo-mérohèdrique.
Figure 4.6
Représentation d’un maclage pseudo-mérohèdrique. Les flèches représentent
le sens de la déformation présente à l’intérieur de la maille.
35
Malheureusement, toutes ces particularités structurales (perte symétrie, maclage, etc…)
réduisent considérablement le ratio réflexions paramètres. La structure cristallographique
finale ne peut donc être résolue de façon satisfaisante. Les ellipsoïdes thermiques et les
résultats géométriques obtenus sont instables lors de l’affinement.
À haute température, la structure des anions [NiCl4]2- et [NiBr4]2- est proche du tétraèdre
parfait, l’ion tétrabromo étant le plus proche. Ils sont de symétrie D2d provenant d’un léger
étirement tétragonal de la symétrie Td. Pour le composé contenant le tétrabromonickelate,
l’abaissement de la température a pour effet de diminuer les paramètres de maille orientés
de façon perpendiculaire à l’axe S4 (4) et d’augmenter le paramètre c qui est parallèle à cet
axe. On peut supposer que l’étirement tétragonal augmente légèrement lors de l’abaissement
de la température, mais la structure à basse température ne fut pas concluante.
36
(NEt4)[NiX3(PPh3)] (X – : Cl –, Br –)
Un résumé des paramètres cristallographiques importants est présenté au tableau 4.3. La
structure du composé (NEt4)[NiCl3(PPh3)] est déjà connue. Ces deux composés sont iso3 n’est qu’une orientation différente du groupe
structuraux puisque le groupe d’espace
d’espace
3.
Tableau 4.3 Paramètres cristallographiques importants pour les structures des composés
(NEt4)[NiX3P].
(NEt4)[NiCl3(PPh3)]a
(NEt4)[NiBr3(PPh3)]b
557,58
690,96
Sys. Crist.
Cubique
Cubique
Groupe d’espace
3 (No. 205)
3 (No. 205)
Composé
Masse molaire (g/mole)
a (Å)
17,6676(7)
17,73630(10)
V (Å3)
5514,8(4)
5579,42(5)
8
8
Longueur d’ondes (Å)
0,71073
1,54178
Température (K)
293(2)
100(2)
R/Rw [I/σ(Ι)>2]
ND/0,055
0,0417/0,0362
Z
a : Référence 63
b : Ce travail
Pour le complexe [NiCl3(PPh3)]-, le centre métallique se situe sur l’équipoint c positionné
sur l’axe de rotation 3 ce qui lui donne 3 (C3) comme symétrie ponctuelle. Les trois angles
Cl-Ni-P équivalents sont de 103,65(8)°, la distance Ni-Cl vaut 2,233(2) Å alors que la liaison
Ni-P est de 2,322(4) Å.63
Dans la structure du [NiBr3(PPh3)]-, l’ion Ni(II) adopte pratiquement la même position. Il
est très légèrement décalé de l’axe 3 d’environ 0,15 Å. De plus, les halogénures adoptent
trois positions légèrement différentes provenant probablement des trois possibilités de
positions pour l’ion Ni(II). Le contre-ion tétraéthylammonium est lui aussi situé sur l’axe 3
et est donc désordonné en trois orientations différentes puisqu’il ne peut adopter une
37
conformation présentant un axe 3. La figure 4.7 montre que ces différents désordres
peuvent être reliés via l’interaction entre un éthyle du cation et un ligand bromo du
complexe. Cette interaction pourrait expliquer la présence d’un angle Br-Ni-P plus petit que
les autres (~100° vs. ~107°). Divers groupes d’espace ne présentant pas d’axe 3 (Pbcn et
P1) ont été utilisés afin de résoudre ces désordres en abaissant la symétrie, mais ces
tentatives se sont soldées par un échec.
Br
Ph 3P
Br
Ni
N
Br
Figure 4.7
Relation entre le désordre du cation et de l’anion dans la structure du
composé (NEt4)[NiBr3(PPh3)]
Tableau 4.4 Distances et angles importants pour l’anion complexe des composés
(NEt4)[NiX3(PPh3)]
Composés
(NEt4)[NiCl3(PPh3)]a
(NEt4)[NiBr3(PPh3)]b
2,370(6) Å
Ni-X (X :Cl- ou Br-)
2,233(2) Å
2,372(6) Å
2,369(6) Å
Ni-P
2,322(4) Å
2,3023(18) Å
99,9(6)°
∠P-Ni-X (X :Cl- ou Br-)
103,65(8)°
106,6(6)°
107,5(4)°
a : Référence 63
b : Ce travail
38
Figure 4.8
Dessin ORTEP de l’anion du composé (NEt4)[NiBr3(PPh3)] montrant la
numérotation adoptée. Les ellipsoïdes sont représentés à 30% de probabilité
alors que les hydrogènes sont de tailles arbitraires. L’axe de rotation 3 est ici
vertical
39
4.3 Résultats spectroscopiques
4.3.1 Spectroscopie Raman
La spectroscopie vibrationnelle est sensible à la symétrie du composé, tel que montré au
tableau 4.5, et donne beaucoup d’informations sur la nature et la force de la liaison métalligand à l’état fondamental. Ce sont ces liaisons qui sont principalement affectées lors des
transitions d-d puisque les orbitales d adoptent un caractère anti-liant par rapport aux
liaisons métal-ligand.55
Tableau 4.5 Symétrie des transitions vibrationnelles permises en spectroscopie Raman et
en spectroscopie IR selon la symétrie du complexe.
Raman
Permises
Interdites
A1, E, T2
A2, T1
A1, B1, B2, E
A2
A1, E
A2
Symétrie
Td
D2d
C3v
IR
Permises
T2
B2, E
A1, E
Interdites
A1, A2, E, T1
A1, A2, B1,
A2
Un complexe XY4 de symétrie Td possède quatre modes vibrationnels (présentés à la figure
4.9) qui sont tous permis en spectroscopie Raman. Deux de ces modes sont des étirements
X-Y. Un complexe de symétrie D2d (déformation tétragonale) possède sept modes dont
trois étirements visibles en Raman et un complexe de symétrie C3v (étirement trigonal) a six
modes vibrationnels visible en Raman dont trois correspondent à des étirements X-Y.
Y1
X
Y2
Y4
Y3
ν1 (a1)
Figure 4.9
ν2 (e)
ν3 (t2)
ν4 (t2)
Représentation et étiquettes de symétrie des modes vibrationnels d’un
composé XY4 tétraédrique. Les modes ν1 et ν3 sont des étirements X-Y alors
que ν1 et ν3 sont des déformations.
40
En comparant les spectres des composés (NEt4)2[NiCl4] et (NEt4)2[NiBr4], en figure 4.10, il
est possible d’identifier les pics provenant du complexe anionique. Dans ces spectres, trois
pics provenant des étirements métal-ligand sont clairement visibles, ce qui indique que les
complexes ne sont pas de symétrie parfaitement tétraédrique. Malheureusement, la région
spectrale caractéristique aux déformations (ν < 150 cm-1) n’est pas visible sur ces spectres
puisque le filtre coupant la longueur d’onde du laser élimine la lumière sur une plage
d’environ ±150 cm-1. Le spectre Raman à basse énergie du complexe (NEt4)2[NiCl4] montre
différents pics, mais puisque cette expérience n’a pas pu être refaite avec le complexe
(NEt4)2[NiBr4], il est difficile d’y attribuer les bandes. Les complexes (NEt4)2[NiX4], ont déjà
été étudiés par spectroscopie infrarouge.57 Ces résultats Raman et les informations
vibroniques observées dans nos spectres UV-Vis (vide infra) nous permettent d’identifier les
différents modes vibrationnels pour le complexe (NEt4)2[NiCl4]
Intensité Raman (u.a.)
(NEt4)2[NiBr4]
(NEt4)2[NiCl4]
-1
-1
268 cm
169 cm
-1
223 et 232 cm
50
100
-1
285 et 297 cm
200
Figure 4.10
300
400
-1
Nombre d'ondes (cm )
500
600
Spectres Raman des composés (NEt4)2[NiCl4] et (NEt4)2[NiBr4]. L’encadré
représente la région des bas déplacements Raman pour le complexe
(NEt4)2[NiCl4].64 Les flèches indiquent les modes vibrationnels les plus
influencés par la substitution des ligands.
41
Dans le cas des complexes (NEt4)[NiX3(PPh3)], il est aussi possible de déterminer les pics
provenant de l’unité pseudo-tétraédrique NiX3P en comparant les spectres des composés
chloro et bromo. Comme on peut le voir dans la figure 4.11, dans ce type de complexe, la
variation des déplacements Raman avec la substitution des ligands halogéno semble moins
importante. Ceci vient de la présence d’une phosphine qui a pour effet de réduire la
variation de la masse réduite d’un composé à l’autre, et donc de la fréquence vibrationnelle.
-1
192 cm
243 cm
-1
157 cm
Intensité Raman (u.a.)
(NEt4)[NiBr3(PPh3)]
(NEt4)[NiCl3(PPh3)]
-1
-1
200 cm
-1
-1
179 cm
310 cm
200
Figure 4.11
300
400
-1
Déplacement Raman (cm )
500
600
Spectres Raman des composés (NEt4)[NiCl3(PPh3)] et (NEt4)2[NiBr3(PPh3)].
Les flèches indiquent les modes vibrationnels les plus influencés par la
substitution des ligands.
L’assignation des différents modes vibrationnels est montrée aux tableaux 4.6 et 4.7. Pour
les composés (NEt4)[NiX3(PPh3)], l’assignation du mode vibrationnel ν3 diffère de l’étude
infrarouge effectuée par Bradbury.60 Les pics Raman dont la fréquence variait
significativement avec la substitution des ligands chloro par des ligands bromo ont été
attribués à des vibrations métal-ligand. La fréquence des pics à ~215 cm-1 et ~265 cm-1 varie
très peu avec la substitution et ces derniers peuvent être considérés comme des modes
vibrationnels centrés sur le ligand triphénylphosphine ou sur le cation tétraéthylammonium.
42
Tableau 4.6 Attribution des pics Raman des complexes (NEt4)2[NiCl4] et (NEt4)2[NiBr4]
Symétrie
(NEt4)2[NiCl4]
Td
D2d
Ramana
IRb
b1
50
e
79
ν2
a1
70
b2
107
t2
112
ν4
e
115
a1
268
a1
ν1
e
285
t2
289
ν3
b2
297
a : Ce travail
b : Référence 57
Mode
(NEt4)2[NiBr4]
Ramana
IRb
-
83
-
-
169
223
232
224
231
Tableau 4.7 Attribution des pics Raman des complexes (NEt4)[NiCl3(PPh3)] et
(NEt4)2[NiBr3(PPh3)]
Mode
ν2 ou ν4
ν3
ν1
a : Ce travail
Symétrie
Td
C3v
e
t2
a1
a1
a1
(NEt4)[NiCl3(PPh3)]
Ramana
IRb
119
179
177
200
278
310
308
(NEt4)[NiBr3(PPh3)]
Ramana
IRb
86
157
192
190, 212
243
242
b : Référence 60
Une équation simple permet de déterminer la constante de force de la vibration, ce qui peut
donner un indice sur la force d’une liaison :
(4.1)
où
est la fréquence. Dans le cas des complexes de symétrie D2d, les vibrations de symétrie
a1 n’impliquent que les atomes d’halogènes puisque le nickel ne bouge pas. La masse réduite
de ces vibrations est la masse de l’halogène correspondant. Le centre de masse des
composés de symétrie C3v n’est pas fixé sur le centre métallique. De plus, dans le cas des
composés [NiX3(PPh3)]-, les quatre ligands ne sont pas de même masse. La masse réduite
des modes vibrationnels ne peut donc pas être calculée aisément. Les constantes de force
calculées sont présentées au tableau 4.8.
43
Tableau 4.8 Constantes de force des modes vibrationnels de symétrie a1 pour les
composés (NEt4)2[NiX4]
Composé
(NEt4)2[NiCl4]
(NEt4)2[NiCl4]
(NEt4)2[NiBr4]
a1 (cm-1)
70 (déformation)
268 (étirement)
169 (étirement)
μ (g/mole)
35,4527
35,4527
79,904
k (mdynes*Å-1)
0,10
1,50
1,34
La constante de force est souvent associée, à tort, à la force de la liaison. Malheureusement,
il n’existe pas de relation simple entre cette constante et l’énergie de dissociation de la
liaison. La constante de force représente la courbature (deuxième dérivée) du potentiel alors
que l’énergie de dissociation est la profondeur du puit de potentiel. Il est cependant
intéressant d’observer cette constante pour une même famille de composés où la nature des
liaisons reste similaire. La constante de force aura alors un lien qualitatif avec l’énergie de
dissociation et possiblement avec les paramètres eσ et eπ décrivant l’interaction entre le
métal et les ligands dans le modèle du recouvrement angulaire (vide infra).
On observe que dans nos composés, la liaison Ni-Br est qualitativement plus faible que la
liaison Ni-Cl, ce qui est en accord avec la série spectrochimique. Le ratio des constantes de
force est approximativement 1,12. Un ratio de la force d’interaction (eσ + 2eπ) peut être
obtenu à partir de l’étude visible proche-infrarouge. L’étude complète (déformation +
couplage spin-orbite) propose un ratio de force valant 1,13. Cette corrélation est fort
satisfaisante vu la nature qualitative de cette approximation.
44
4.3.2 Spectroscopie d’absorption visible proche-infrarouge
Les structures des complexes étudiés sont très proches du tétraèdre parfait. Nous pouvons
donc comparer les spectres avec le diagramme Tanabe-Sugano53 pour cette structure
idéalisée, figure 4.1, afin d’avoir une première approximation des paramètres du champ des
ligands.
Du point de vue atomique, les transitions d-d sont interdites par la règle de Laporte. Lors
de la coordination de ligands, les orbitales moléculaires formées perdent une partie de leur
caractère d. Lorsque le complexe synthétisé ne possède pas de centre d’inversion, les
transitions d-d observées peuvent être relativement intenses. La relativement forte
absorptivité molaire des transitions d-d observables dans les spectres de nos complexes
(voir figures 4.12 et 4.13) ainsi que la similitude entre les spectres à l’état solide et en
solution (voir annexe 1) laisse supposer que la symétrie tétraédrique est conservée en
solution.
-2
[NiCl4]
-2
100
-1
-1
ε (cm M )
[NiBr4]
0
10000
Figure 4.12
15000
-1
Nombre d'ondes (cm )
20000
Spectres des complexes (NEt4)2[NiCl4] et (NEt4)2[NiBr4] en solution
d’acétonitrile.
45
200
[NiCl3(PPh3)]
-1
-1
-1
-1
ε (cm M )
[NiBr3(PPh3)]
100
0
10000
Figure 4.13
15000
-1
Nombre d'ondes (cm )
20000
Spectres des complexes (NEt4)[NiCl3(PPh3)] et (NEt4)[NiBr3(PPh3)]
en
solution d’acétonitrile.
Deux bandes sont clairement visibles sur ces spectres en solution : une première dans le
proche infrarouge (~9000 cm-1; ε ≈ 40 cm-1M-1) et une seconde dans le visible (~15 000
cm-1; ε ≈ 150 cm-1M-1). La hausse d’absorptivité observée à haute énergie (E > 25 000 cm-1)
est attribuable à un transfert de charge et elle ne peut donc être décrite à l’aide de la théorie
du champ cristallin. Le diagramme Tanabe-Sugano montre qu’il n’y a que trois états excités
triplets provenant de transitions électroniques d-d. Les trois transitions correspondantes
sont permises selon la règle de Laporte et selon la règle de conservation de spin, mais seules
les transitions 3T1→3T2 et 3T1→3T1 sont totalement permises puisqu’elles représentent un
déplacement d’un seul électron. L’absorptivité molaire de la transition 3T1→3A2 devrait être
plus faible que celle des deux autres, puisqu’elle est interdite par la règle des deux
électrons.65 Des deux transitions d-d observées, c’est celle à plus basse énergie (~9000 cm-1)
qui est la moins intense. Elle peut donc être assignée à la transition 3T1→3A2 alors que la
bande à plus haute énergie correspond à la transition 3T1→3T1. Cette ordre énergétique
implique que, pour ces complexes, les valeurs de Dq/B sont inférieures à 1,4 ce qui est
normal pour un complexe tétraédrique.
46
Les bandes d’absorption 3T1→3A2 des spectres des complexes [NiX3(PPh3)]- présentent un
creux en leur milieu. De plus, elles sont légèrement plus intenses que celles des complexes
[NiX4]2- (ε ≈ 60 cm-1M-1 vs. 25 cm-1M-1). La première observation pourrait provenir
d’interférences destructives entre l’état 3A2 et les états 1E et 1T2 amenant la formation d’un
trou dans la bande.66,67 La deuxième provient vraisemblablement du couplage entre l’état 3A2
et l’état 3T2 présent à plus basse énergie puisque, comme le montre le spectre de réflectance
diffuse (figure 4.14), ces derniers sont proches en énergie. La transition 3T1→3T2 est
totalement permise et, via le couplage des états excités, elle pourrait « donner » de la
permission à la transition 3T1→3A2. Ces potentielles interactions seront discutées plus loin,
Kubelka-Munk (u.a.)
puisque leur interprétation requière des modèles complexes.
(NEt4)[NiBr3(PPh3)]
(NEt4)[NiCl3(PPh3)]
6000
Figure 4.14
8000
10000
-1
Nombre d'ondes (cm )
12000
Spectres de réflectance diffuse de la région 3T1→3T2 et 3T1→3A2 des
complexes (NEt4)[NiCl3(PPh3)] et (NEt4)[NiBr3(PPh3)] à l’état solide.
Une première approximation de la force du champ cristallin, montrée au tableau 4.9, peut
être faite à l’aide de l’énergie des transitions 3T1→3T1 et 3T1→3A2 et des équations déduites à
l’annexe 2.68
(4.2)
2
(4.3)
Où E1 correspond à l’énergie de la transition vers l’état 3A2 alors que E2 correspond à
l’énergie de la transition vers l’état 3T1.
47
Tableau 4.9 Paramètres approximatifs de force des ligands (10Dq) et de répulsion
électronique (B) pour les spectres en solution. La signification de E1 et E2 est
expliquée aux équations 4.2 et 4.3
Paramètres
E1 (cm-1)
E2 (cm-1)
Dq (cm-1)
B (cm-1)
(NEt4)2[NiCl4]
8 000
15 500
430
830
(NEt4)2[NiBr4]
8 000
14 600
430
770
(NEt4)[NiCl3(PPh3)]
9 700
16 100
520
830
(NEt4)[NiBr3(PPh3)]
9 300
15 200
500
780
NiCl6a
634
799
NiBr6a
687
716
Ion libreb
1082
a : Composés Ni2+:CsCdX3 (X :Cl- ou Br-) Référence 69
b : Référence 70
Dq/B
0,52
0,56
0,63
0,65
0,79
0,95
-
Cette approximation propose une petite valeur de Dq/B, ce qui est normal puisque dans un
tétraèdre, l’interaction des ligands avec les orbitales t2 et e est relativement similaire. La
différence d’énergie entre les deux n’y est donc pas aussi grande que pour un octaèdre. Le
ligand triphénylphosphine semble avoir une grande influence sur la valeur de Dq alors que
la nature du ligand halogéno influence peu cette dernière. La valeur de Dq pour le composé
[NiCl3(PPh3)]- est légèrement plus élevée que pour l’analogue bromé. Ces observations sont
en accord avec la série spectrochimique qui stipule qu’un ligand chloro induit une plus
grande levée de dégénérescence des orbitales d qu’un ligand bromo. De plus, le ligand
triphénylphosphine est considéré comme un ligand fort pouvant facilement déplacer des
ligands halogéno et devrait donc créer un champ de ligand plus fort. La nature du ligand
halogéno influence grandement la valeur de B. Cette dernière correspond à la répulsion
électronique et représente la nature covalente de l’interaction métal-ligand. La série
néphélauxétique stipule que le bromo est un ligand mou qui induit de plus faible valeur de B
que le ligand chloro. Ceci correspond aux valeurs de B calculées.
48
4.4 Modèles théoriques
4.4.1 Modèle du recouvrement angulaire
Ce modèle est fort intéressant puisqu’il nous permet de bien assigner les bandes
d’absorption en plus de fournir des informations sur l’effet de la distorsion et du couplage
spin-orbite sur la nature des états. Une première approximation, montrée à la figure 4.15,
peut être faite en utilisant la symétrie Td, en ignorant la distorsion structurale ainsi que le
couplage spin-orbite. Les paramètres obtenus serviront de point de départ pour les modèles
plus complexes tenants compte de la distorsion et du couplage spin-orbite.
1
20x10
E
3
1
A1
T1
1
1
T2
3
-1
Énergie (cm )
T1
1
E
1
T2
10
3
A2
3
T2
3
T1
0
0
Figure 4.15
100
200
300
-1
Dq (cm )
400
Spectre d’absorption de monocristaux du (NEt4)2[NiCl4] à basse température
(5K)64 et diagramme Tanabe-Sugano53. Les paramètres de Racah ont été
optimisées (B = 787 cm-1 et C = 3545 cm-1)
De plus, il est possible d’obtenir une valeur approximative pour Dq (Δ
10
ce qui
nous permet de comparer les différentes approximations comme celle utilisée pour calculer
Dq à partir de l’énergie de deux bandes d’absorption (Annexe 2).
49
10
10
Δ
Δ
3
3
4
4
(4.4)
3
4
(4.5)
Déformations
La déformation d’un complexe peut provenir de différentes sources. L’effet Jahn-Teller
résulte de la levée de dégénérescence de l’état fondamental. L’état fondamental pour un
complexe d8 tétraédrique est 3T1, ce dernier possédant une dégénérescence de trois. Comme
le montre la figure 4.16, l’allongement tétragonal de ce type de complexe amène la levée de
la dégénérescence de cet état (et des orbitales t2 et e). Cette déformation stabilise une
composante de l’état fondamental (3A2) par rapport aux autres composantes (3E).
e
t2
b2
a1
e
b1
Td :
Figure 4.16
état 3T1
D2d :
état 3A2
état 3E
Déformation tétragonale d’un complexe d8 tétraédrique. L’étirement
tétragonal amène la levée de dégénérescence de l’état fondamental 3T1.
Dans des complexes de symétrie cubique (Td, Oh), la déformation tétragonale est l’étirement
ou la compression le long de l’axe S4 (C4 dans le cas de l’octaèdre) alors qu’une déformation
trigonale est un étirement ou une compression le long de l’axe C3 (ou S6 dans le cas de
l’octaèdre). Ces déformations changent la symétrie des complexes (tétragonale : Td → D2d,
Oh → D4h et trigonale : Td → C3v, Oh → D3d). Comme le montre le tableau 4.10, la théorie
des groupes permet de déterminer le nombre ainsi que l’étiquette de symétrie des états
scindés.
50
Tableau 4.10 Variation des étiquettes de symétrie Td selon la déformation subie par le
composé.71
Symétrie Td
Symétrie D2d
Symétrie C3v
A1
A1
A1
A2
B1
A2
E
A1 + B1
E
T1
A2 + E
A2 + E
T2
B2 + E
A1 + E
Comme il est possible de l’observer dans le tableau 4.11, les paramètres eσ et eπ du ligand
bromo du complexe anionique [NiBr4]2- sont systématiquement plus petits que ceux de
composé chloro correspondant. Ces paramètres représentent la force de l’interaction (σ ou
π) entre le métal et ces ligands. Dans nos complexes, les ligands chloro interagissent plus
fortement avec l’ion Ni(II) que les ligands bromo. La série spectrochimique mentionne cette
tendance puisque celle-ci fut observée pour plusieurs autres composés. Ces paramètres sont
comparables, malgré qu’ils soient légèrement plus forts que ceux obtenus pour des
complexes à 6 coordinations [eσ(Cl-) ≈ 3700 cm-1, eπ(Cl-) ≈ 990 cm-1, eσ(Br-) ≈ 3300 cm-1,
eπ(Br-) ≈ 800 cm-1]
66,67
. Le couplage spin-orbite n’est pas pris en compte dans cette
approximation et son effet doit être compensé par le champ de ligand, ce qui explique la
force relative des paramètres observés.
Tableau 4.11 Paramètres AOM pour les ions [NiX4]2- provenant des spectres de cristaux
de (NEt4)2[NiX4] à basse température (5 K). Le terme ∠X-Ni-X représente
les deux angles dont les médiatrices des segments X-X sont parallèles à l’axe
S4. Ces angles sont représentés à la figure 4.2
Complexe
∠X-Ni-X
B (cm-1)
C (cm-1)
eσ (cm-1)
eπ (cm-1)
Dq (cm-1)
Dq/B
[NiCl4]2106,83º (D2d)
109,47º (Td)
787
771
3545
3500
4374
4281
1050
1040
396,5
386,0
0,504
0,501
[NiBr4]2109,47º (Td)
108,64º (D2d)
728
729
3320
3291
4194
4148
991
981
383,1
379,5
0,526
0,520
Les paramètres de Racah décrivant la répulsion électronique sont plus petits pour le
[NiBr4]2- que pour le complexe tétrachloro. Ces paramètres sont systématiquement plus
petit que ceux de l’ion libre (B0 = 1082 cm-1)70. Dans un complexe, les orbitales d du nickel
51
sont délocalisées sur les atomes des ligands ce qui entraîne une diminution de l’interaction
entre deux électrons dans une même orbitale, et donc du paramètre de Racah B. Puisque les
orbitales atomiques du brome sont légèrement plus diffuses que celles du chlore, l’effet y est
encore plus important pour le complexe tétrabromo. Ce phénomène est connu sous le nom
de la série néphélauxétique. Ces paramètres sont comparables à ceux des complexes
hexacoordonnés [B(Cl-) ≈ 800 cm-1, C(Cl-) ≈ 3140 cm-1, B(Br-) ≈ 720 cm-1,
C(Br-) ≈ 2850 cm-1]69. Les paramètres ainsi que l’approximation de la valeur de Dq/B
(Cl- : 0,52, Br- : 0,56) obtenus à l’aide de la première approximation sont comparables à ceux
trouvés ici.
Comme le montre la figure 4.17, l’étirement tétragonal présent dans les complexes
(NEt4)2[NiX4] (où X = Cl- ou Br-) amène la formation d’états de même symétrie et de même
spin proche en énergie alors qu’ils étaient de symétries différentes avant la déformation.
Parmi les deux états 1A1 présents sur la plage spectrale montrée, un conduit à une transition
permise par la règle des deux électrons (1A1 e3t25) alors que la transition vers le second est
interdite selon cette même règle (1E e2t26). La déformation, en permettant le couplage entre
ces deux états, peut donc changer l’intensité des transitions vers ces états. Différemment,
l’état 3A2 (qui devient 3B1) reste toujours le seul triplet adoptant sa symétrie. Sa configuration
électronique reste donc pure e2t26 si on ne considère pas le couplage spin-orbite.
52
22x10
3
1
A1
1
1
-1
Énergie (cm )
B1
20
1
A2
1
A1
E
1
A1
1
1
E
T1
1
B2
1
1
T2
Structure
RX
18
Tétraèdre
E
106
Figure 4.17
108
110
Angle Cl-Ni-Cl (deg.)
Variation de l’énergie des états selon la déformation tétragonale dans la
région des singulets de haute énergie. Les énergies des états ont été obtenues
à l’aide du modèle de recouvrement angulaire.
Le modèle du recouvrement angulaire nous permet de calculer la configuration électronique
des différents états. Le tableau 4.12 montre que, comme prévu, la configuration
électronique de l’état 3A2(e2t26) est exactement e2t26 même après la déformation tétragonale.
L’état 1E(e2t26) couple avec l’état 1E(e4t24) ce qui altère sa configuration électronique. Après
la déformation tétragonale, la configuration électronique des deux composantes de cet état
reste similaire (~e2,2t25,8) à ce qui a été calculé avec l’approximation tétraédrique, mais la
configuration électronique de la composante 1A1 est légèrement plus contaminée puisque
cet état peut coupler avec l’état 1A1(e3t25) proche en énergie. L’observation la plus
intéressante de ce calcul est la configuration électronique de l’état fondamental 3T1(e4t24).
Celle-ci, en interagissant avec l’état 3T1(e3t25), change quelque peu et affecte le caractère
« deux électrons » des transitions 3T1(e4t24)→Γ(e2t26).
53
Tableau 4.12 Configurations électroniques de l’état fondamental et des états provenant
d’excitation de deux électrons dans les composés [NiX4]2-. Le terme
∠X-Ni-X représente les deux angles dont les médiatrices des segments X-X
sont parallèles à l’axe S4. Ces angles sont représentés à la figure 4.2
[NiCl4]2106,83º (D2d)a
109,47º (Td)
e3,89t24,11
3
T1 (e4t24)
e3,88t24,12
e3,88t24,12
3
A2 (e2t26)
e2,00t26,00
e2,00t26,00
e2,19t25,81
1
E (e2t26)
e2,20t25,80
e2,23t25,77
3
a : 3T1 = 3A2 + 3E respectivement
A2 = 3B1
Complexe
∠X-Ni-X
[NiBr4]2109,47º (Td)
108,64º (D2d)a
e3,89t24,11
e3,88t24,12
e3,88t24,12
e2,00t26,00
e2,00t26,00
e2,19t25,81
e2,19t25,81
e2,20t25,80
1
E = 1B1 + 1A1 respectivement
La déformation des complexes anioniques pseudo-tétraédriques [NiX3(PPh3)]- est
légèrement différente. Elle ne provient pas simplement d’une petite différence d’angle, mais
de la substitution d’un ligand. Alors que les trois ligands halogénures sont donneur σ et
donneur π, le ligand triphénylphosphine est reconnu comme étant un fort donneur σ et un
accepteur π.61,72 Une étude spectroscopique72 sur les complexes du type NiX2(PPh3)2
propose des valeurs de eσ et eπ pour le ligand triphénylphosphine [eσ(PPh3) ≈ 4500 cm-1 et
eπ(PPh3) ≈ -2500 cm-1] qui peuvent servir de point de départ. Cette valeur de eσ, plus grande
que celle d’un ligand halogéno, est satisfaisante, mais la force de eπ semble grande. Dans
leur approximation, ils utilisaient 2000 cm-1 pour modéliser la donation π des différents
ligands chloro ce qui est surévalué. Avec une équation similaire à 4.5 et en considérant 1000
cm-1 comme étant une valeur acceptable de eπ pour les ligands chloro, il est possible
d’estimer une valeur de eπ pour le ligand triphénylphosphine qui conserverait le Dq observé
par les auteurs. Ce calcul donne -1500 cm-1 comme estimation de eπ pour le ligand
phosphine.
Les valeurs pour les différents paramètres eσ et eπ obtenues avec cette approximation et
présentées au tableau 4.13, sont satisfaisantes. Les eσ(X) sont plus petits que prévu et les
valeurs optimisées pour eσ(PPh3) sont plus grandes. Le caractère fort donneur σ et
accepteur π du ligand triphénylphosphine est conservé lors de cette optimisation. Cette
54
divergence des paramètres eσ et eπ peut être expliquée par la quantité de paramètres et le
peu d’informations spectroscopiques précises. De plus, l’énergie des états 3A2(e2t26) et
1
T2(e4t24) doivent être grandement affecté par le couplage spin-orbite qui n’est pas pris en
compte ici. La substitution d’un ligand halogéno par la phosphine affecte les paramètres de
Racah et indique une grande délocalisation des orbitales du métal sur ce ligand.
Tableau 4.13 Paramètres AOM optimisés pour les ions [NiX3(PPh3)]1-.
Complexe
∠P-Ni-X
B (cm-1)
C (cm-1)
eσ(X-) (cm-1)
eπ(X-) (cm-1)
eσ(PPh3) (cm-1)
eπ(PPh3) (cm-1)
Dq (cm-1)
Dq/B
[NiCl3(PPh3)]1109,47°
103,65°
717
692
2576
2476
3383
3122
1197
1001
5549
5479
-1377
-1174
424,8
413,6
0,592
0,597
[NiBr3(PPh3)]1109,47°
104,7°
659
638
2193
2049
3133
3187
972
949
5624
5442
-1395
-1267
433,2
429,9
0,658
0,674
Malgré les différences entre les valeurs de Dq et de B déterminées à l’aide de
l’approximation tétraédrique et de celles trouvées ici, l’estimation de la valeur de Dq/B (Cl- :
0,63, Br- : 0,65) obtenue précédemment est comparable à celle trouvée ici. Comme observé
à la figure 4.18, la déformation trigonale observée a un grand effet sur l’énergie des
transitions 3T1→3A2(e2t26) et 3T1→3T1(e3t25) qui servent dans cette approximation.
55
1
1
1
A2
E
3
3
3
A1
A2
E
3
-1
Énergie (cm )
20x10
A1
1
10
1
3
1
T2
E
A1
3
A2
A2
0
NiX4
Figure 4.18
Substitution du ligand
NiX3P
Variation de l’énergie des états lors de la substitution d’un ligand halogénure
par la triphénylphosphine dans un tétraèdre parfait. Les paramètres B (750
cm-1) et C (2800 cm-1) restent constants. Pour le complexe [NiX4]2-, les
valeurs de eσ et eπ de chacun des ligands sont 4000 cm-1 et 1000 cm-1
respectivement. Afin de représenter la substitution par une phosphine, les
paramètres eσ et eπ d’un seul des ligands tendent vers 5000 cm-1 et
-1000 cm-1 respectivement.
56
L’effet de la déformation trigonale observée ici est beaucoup plus important que ce qui a été
vu pour l’étirement tétragonal des complexes (NEt4)2[NiX4] (X=Cl-, Br-). La symétrie
actuelle (C3v) a pour effet de scinder les états 3T1(e4t24 et e3t25) en leurs composantes 3E et
3
A2. Ces dernières peuvent alors coupler avec l’état 3A2(e2t26) et ainsi altérer sa configuration
électronique. Cette perte du caractère « deux électrons » de la transition 3T1(e4t24)→3A2(e2t26)
est flagrante et, comme le montre le tableau 4.14, devrait être considérée comme une
transition « un électron » totalement permise. De plus, la déformation trigonale a pour effet
d’amener l’état 3A2(e2t26) à proximité des états 1A1(e4t24) et 1E(e4t24) ce qui aura beaucoup
d’importance lorsque le couplage spin-orbite sera considéré.
Tableau 4.14 Configurations électroniques de l’état fondamental et des états provenant
d’excitation de deux électrons dans les composés [NiX3(PPh3)]1-.
Complexe
∠P-Ni-X
3
T1 (e4t24)
A2 (e2t26)
E (e2t26)
3
T1 = 3E + 3A2
3
1
[NiCl3(PPh3)]1109,47°
103,65°
3,96 4,04
e t2
e3,98t24,02
3,01 4,99
e t2
e3,05t24,95
e2,94t25,06
e3,10t24,90
2,20 5,80
e t2
e2,13t25,87
3
A2 = 3A2
[NiBr3(PPh3)]1109,47°
104,7°
3,97 4,03
e t2
e3,98t24,02
3,02 4,98
e t2
e3,07t24,93
e3,04t24,96
e3,14t24,86
2,17 5,83
e t2
e2,12t25,88
1
E = 1E
La déformation de l’angle P-Ni-X semble avoir un grand effet sur la configuration
électronique de l’état 3A2(e2t26) mais affecte relativement peu celle des états 1E(e2t26) et de la
composante 3E (plus basse en énergie) de l’état fondamental, qui restent proches de ce qui a
été trouvé pour l’approximation tétraédrique.
Couplage Spin-Orbite
Comme vu dans l’introduction, cette interaction implique le couplage entre le moment
orbitalaire et le moment de spin électronique. Dans notre cas précis, cela permet
l’interaction entre deux états ayant différents moments orbitalaires et spins si ces états
possèdent des composantes de même symétrie (tableau 4.15).
57
Tableau 4.15 Étiquettes de symétrie des états résultants du couplage spin-orbite
Γ
A1
3
A2
3
E
3
T1
3
T2
3
3
Tétraédrique (Td)
Γ ⊗ T1
T1
T2
T1+T2
A1+E+T1+T2
A2+E+T1+T2
Γ
A1
3
A2
3
B1
3
B2
3
E
3
3
Tétragonale (D2d)
Γ ⊗ (A2 + E)
A2+E
A1 +E
B2+E
B1+E
A1+A2+B1+B2+E
Γ
A1
3
A2
3
E
3
3
Trigonale (C3v)
Γ ⊗ (A2 + E)
A2+E
A1+E
A1+A2+2E
-
Comme vu précédemment, l’effet de la déformation tétragonale sur l’énergie des états des
complexes [NiX4]2- est relativement faible. Il est donc possible d’étudier les effets du
couplage spin-orbite sur un complexe théorique tétraédrique et d’utiliser les paramètres
obtenus comme première approximation d’une étude complète (déformation + couplage
spin-orbite). La constante de couplage spin-orbite utilisée ici (550 cm-1) représente une
valeur couramment utilisée pour ce type de complexe.66,73
Tableau 4.16 Paramètres AOM pour les ions [NiX4]2- provenant des spectres de cristaux
de (NEt4)2[NiX4] à basse température (5 K). Le terme ∠X-Ni-X représente
les deux angles dont les médiatrices des segments X-X sont parallèles à l’axe
S4. Ces angles sont représentés à la figure 4.2
Complexe
∠X-Ni-X
ζ (cm-1)
B (cm-1)
C (cm-1)
eσ (cm-1)
eπ (cm-1)
Dq (cm-1)
Dq/B
[NiCl4]2109,47º (Td)
106,83º (D2d)
0
550
550
787
743
743
3545
3552
3447
4374
3773
4031
1050
858
1070
396,5
350,5
347,2
0,504
0,472
0,467
[NiBr4]2109,47º (Td)
108,64º (D2d)
0
550
550
728
696
697
3320
3309
3312
4194
3722
3709
991
888
884
383,1
338,4
337,2
0,526
0,486
0,484
Les paramètres eσ, eπ des ligands halogéno et les paramètres de Racah montrés au tableau
4.16, diminuent beaucoup lorsque le couplage spin-orbite est pris en compte. Cette baisse
des paramètres peut être expliquée par les effets du couplage spin-orbite sur l’énergie des
transitions, qui n’ont plus à être compensées par le champ cristallin et la répulsion
électronique. Les observations précédemment faites portant sur la différence entre le ligand
58
chloro et bromo restent valides lorsque la distorsion et le couplage spin-orbite sont pris en
compte. Comme expliqué précédemment, l’effet principal du couplage spin-orbite sur les
transitions à deux électrons est la perte de leur pureté en favorisant le mélange entre
différents états de natures bien différentes. La figure 4.19 montre les différents états E et T2
(approximation tétraédrique) qui pourraient potentiellement coupler avec les états 1E(e2t26)
et 3A2(e2t26).
A
-1
Énergie (cm )
20x10
B
3
10
0
4000
Figure 4.19
2000
-1
Δtet (cm )
2000
4000
Diagramme des états électroniques pour un complexe tétraédrique de type
[NiCl4]2-. Les états similaires aux états provenant d’une transition à deux
électrons [1E = E (A) et 3A2 = T2 (B)] sont mis en évidence. Les lignes
pointillées verticales représentent la valeur de Δtet approximative pour le
composé [NiCl4]2-.
Selon l’approximation tétraédrique, lorsque le couplage spin-orbite est considéré, l’état 3A2
devient de symétrie T2 ce qui lui permet d’interagir avec les différents états ayant un état
résultant de symétrie T2 (1T2, 3A2 3E, 3T1 et 3T2). Malgré la grande quantité d’états T2, seul
quelques-uns affectent directement l’état T2 (3A2). Il ne couple qu’avec la composante T2 des
états 3T2 (e3t25) et 1T2 (e3t25) (voir annexe 4)74. De plus, ces interactions sont relativement
59
faibles puisque la différence d’énergie entre ces états est beaucoup plus grande que la
constante de couplage entre ceux-ci. Malgré tout, la configuration électronique de cet état
(tableau 4.17) est légèrement altérée mais reste très proche d’une configuration e2t26 pure.
Tableau 4.17 Configurations électroniques de l’état fondamental et des états provenant
d’excitation de deux électrons dans les composés [NiX4]2-. Le terme
∠X-Ni-X représente les deux angles dont les médiatrices des segments X-X
sont parallèles à l’axe S4. Ces angles sont représentés à la figure 4.2
[NiCl4]2106,83º (D2d)
109,47º (Td)
a
0
550
550b
e3,88t24,12 e3,88t24,12
e3,87t24,13
e2,05t25,95
3
A2 (e2t26)
e2,00t26,00 e2,05t25,95
e2,06t25,94
e2,17t25,83
1
E (e2t26)
e2,20t25,80 e2,18t25,82
e2,22t25,78
3
a : 3T1 = A1 + autres non indiqués
A2 = T2
Complexe
∠X-Ni-X
ζ (cm-1)
3
T1 (e4t24)
b : 3T1 = A1 + autres non indiqués
3
[NiBr4]2109,47º (Td)
108,64º (D2d)
a
0
550
550b
e3,88t24,12 e3,87t24,13
e3,87t24,13
e2,05t25,95
e2,00t26,00 e2,06t25,94
e2,06t25,94
e2,21t25,79
e2,19t25,81 e2,21t25,79
e2,22t25,78
1
E=E
A2 = B2 + E
1
E = B1 + A1
Malgré la grande quantité d’états ayant une composante E (1E, 3T1, 3T2), le couplage spinorbite a peu d’effets directs sur l’état 1E(e2t26) puisque les autres états E sont relativement
loin énergétiquement. Avant de considérer le couplage spin-orbite, l’état 1E(e2t26) couplait
déjà fortement avec l’état 1E(e4t24) puisqu’ils sont de même spin et de même symétrie et, par
sa nature, cette interaction est beaucoup plus forte que le couplage spin-orbite. La nature de
l’état 1E(e2t26) est donc fortement influencée par la l’intensité de l’interaction avec l’autre état
1
E ainsi que la nature de ce dernier. Un effet indirect du couplage pourrait être observé,
puisque l’état 3T1(e3t25) est relativement proche en énergie de l’état 1E(e4t24). Si la nature de
ce dernier est grandement affectée, cet effet pourrait être transmis via le couplage orbitalaire
à l’état 1E(e2t26). Selon l’approximation tétraédrique, la configuration électronique de ce
dernier change peu lors de l’application du couplage spin-orbite (~e2,2t25,8). La légère baisse
peut être expliquée par les effets directs et indirects précédemment décrits.
L’effet du couplage spin-orbite sur l’état fondamental 3T1(e4t24) est subtil. Ce dernier se
scinde en quatre composantes (A1, E, T1 et T2) qui peuvent alors coupler avec les états de
60
même symétrie proches en énergie. L’état 3T2(e3t25), second en énergie, se scinde en quatre
composantes (A2, E, T1 et T2) et l’état 3A2(e2t26) devient T2. La nature de trois des
composantes (E, T1 et T2) de l’état fondamental est grandement affectée par le couplage
spin-orbite, alors que la composante A1 n’est presque pas influencée par ce couplage. C’est
cette dernière composante qui est la plus basse en énergie et qui incarne l’état de départ des
transitions électroniques à basse température.
Selon le modèle complet, la transition 3T1(e4t24)→3A2(e2t26) est une superposition de deux
bandes très proches en énergie [Cl- : ∆
= 7 cm-1 Br- : ∆
= 6 cm-1] dont la structure
à l’équilibre doit être très similaire puisque les configurations électroniques de ces états sont
très proches. Comparativement, la transition 3T1(e4t24)→1E(e2t26) est aussi formée de deux
bandes, mais avec des écarts plus importants [Cl- : ∆
= 114 cm-1 Br- : ∆
=
93 cm-1] ainsi que des géométries à l’équilibre assez différentes.
Une des complications dans le système [NiX3(PPh3)]- est l’interprétation du creux
d’interférence observé autour de 9500 cm-1, dénotant l’interaction d’une transition permise
et d’une transition interdite proches en énergie.75 La transition permise est facilement
attribuable à 3T1→3A2 puisque c’est la seule transition permise dans cette région.
L’attribution de la transition interdite impliquée est plus compliquée puisqu’il y a plusieurs
transitions interdites présentes à cette énergie, 3T1→1T2 et 3T1→1E. De plus, l’état 1T2(e4t24)
est scindé en deux par la symétrie (1A1 et 1E) ce qui complique encore plus l’attribution de la
transition interdite. Lorsque nous considérons le couplage spin-orbite, l’état 3A2 se
transforme en états A1 et E. La substitution d’un ligand halogéno par la triphénylphosphine,
représentée à la figure 2.16, élève l’énergie de l’état 1E(e4t24) et 3A2(e2t26), alors qu’elle affecte
relativement peu l’énergie des deux composantes de l’état 1T2(e4t24). L’effet global est donc
le rapprochement de l’état 3A2(e2t26) et de l’état 1T2(e4t24), et donc, le creux d’interférence
doit être l’interaction entre les composantes A1 ou E de ces états.
L’effet du couplage spin-orbite sur les paramètres de recouvrement angulaire et les
paramètres de Racah observés lors de l’étude des complexes [NiX4]2- (X=Cl-, Br-) est
observé ici aussi (tableau 4.18). Les paramètres eσ des ligands halogéno de l’étude complète
61
des complexes du type [NiX3(PPh3)]- (X=Cl-, Br-) sont plus petits que ceux observés pour
les complexes du type [NiX4]2-.
Tableau 4.18 Paramètres AOM optimisés pour les ions [NiX3(PPh3)]1-.
Complexe
∠P-Ni-X
ζ (cm-1)
B (cm-1)
C (cm-1)
eσ(X-) (cm-1)
eπ(X-) (cm-1)
eσ(PPh3) (cm-1)
eπ(PPh3) (cm-1)
Dq (cm-1)
Dq/B
[NiCl3(PPh3)]1109,47°
0
550
717
685
2576
2576
3383
3403
1197
1202
5549
5339
-1377
-1224
424,8
412,3
0,592
0,602
103,65°
550
677
2413
3069
1046
5076
-1229
391,3
0,578
[NiBr3(PPh3)]1109,47°
0
550
659
651
2193
2181
3133
3012
972
956
5624
5400
-1395
-1149
433,2
404,8
0,658
0,622
104,7°
550
634
2076
2960
938
5200
-1083
392,4
0,619
Comme observé précédemment, la substitution d’un ligand halogéno par la
triphénylphosphine a pour effet de rapprocher les 3A2(e2t26) et 1T2(e4t24), mais ce n’est
qu’après avoir considéré le couplage spin-orbite qu’ils peuvent interagir. Comparativement
au complexe de distorsion tétragonale ([NiX4]2- X=Cl-, Br-), la configuration électronique
ainsi que l’énergie des deux composantes de l’état 3A2(e2t26) sont vraiment différentes. La
composante A1 adopte une configuration électronique, montrée au tableau 4.19, quasiment
e4t24 ce qui amène un changement radical du caractère de la transition 3T1(e4t24)→3A2(e2t26).
Par contre, le caractère de la seconde transition à deux électrons, 3T1(e4t24)→1E(e2t26) est peu
affecté par la substitution d’un des ligands. La déformation trigonale n’amène pas de
scission de l’état et sa configuration électronique reste très similaire à ce qui a été observé
pour un complexe parfaitement tétraédrique (e2,2t25,8).
62
Tableau 4.19 Configurations électroniques de l’état fondamental et des états provenant
d’excitation de deux électrons dans les composés [NiX3(PPh3)]1-.
[NiCl3(PPh3)]1109,47°
103,65°
550b
550b
0a
e3,97t24,03
e3,96t24,04
3
T1 (e4t24)
e3,96t24,04
e3,97t24,03
e3,98t24,02
3,74 4,26
e3,75t24,25
e t2
3
A2 (e2t26)
e2,94t25,06
3,04 4,96
e t2
e3,19t24,81
1
E (e2t26)
e2,20t25,80
e2,21t25,79
e2,14t25,86
3
a : 3T1 = 3E + autres non indiqués
A2 = 3A2
Complexe
∠P-Ni-X
ζ (cm-1)
b : 3T1 = A2 + A1 + autres non indiqués
3
A2 = A1 + E
[NiBr3(PPh3)]1109,47°
0a
550b
e3,96t24,04
e3,97t24,03
e3,97t24,03
e3,83t24,17
e3,02t25,06
e3,63t24,37
e2,17t25,83
e2,18t25,82
1
E = 1E
1
E=E
104,7°
550b
e3,98t24,02
e3,98t24,02
e3,77t24,23
e3,51t24,47
e2,12t25,88
63
4.4.2 Théorie dépendante du temps
Seule la spectroscopie sur les complexes du type [NiX4]2- (X=Cl- ou Br-) a montré des
transitions exhibant des progressions vibroniques claires. L’étude portera uniquement sur
ces complexes.
Modélisation de plusieurs modes normaux
L’équation analytique décrite précédemment (équation 2.16) permet de modéliser une seule
bande à la fois mais en considérant les décalages géométriques selon différents modes de
vibration.
Pour bien modéliser les états, il est nécessaire de connaître les modes normaux qui mènent à
des progressions vibroniques et les modes produisant des origines vibroniques. Comme vu
précédemment, seuls les modes conservant l’équation 1.12 non-nulle seront considérés pour
les progressions vibroniques. La théorie dépendante du temps permet de modéliser ce
phénomène. Pour modéliser les origines vibroniques, un second spectre sera calculé ayant
comme origine E00 additionné d’un quanta vibrationnel. La théorie des groupes nous
permet de déterminer la symétrie de ces modes et le phénomène qui s’y rattache. Cette
étude est montrée au tableau 4.20. Le spectre Raman à basse température de ces complexes
offre une approximation de la fréquence du mode vibrationnel de l’état excité.66,67
Tableau 4.20 Symétrie des modes vibrationnels permettant les phénomènes de
progressions et d’origines vibroniques. Les deux rangées (B2 et E)
correspondent à la symétrie de la lumière interagissant avec un composé de
symétrie D2d.
B2
E
Orig.
Prog.
Orig.
Prog.
A1 (3T1)→ B2 + E (états 3A2 et 1T2)
B2
E
Permis
e
a1
a1 + a2 + b1 + b2
e
Permis
a1
a1 + a2 + b1 + b2
A1 (3T1)→ A1 + B1 (état 1E)
A1
B1
b2
a2
a1
a1
e
e
a1
a1
64
La modélisation de la transition 3T1(e4t24)→1E(e2t26) du complexe (NEt4)2[NiCl4] montrée à
la figure 4.20 est en bon accord avec le spectre expérimental. Les origines pures des
transitions vers les deux composantes spin-orbite (B1 et A1) sont faibles mais visibles et
offrent un point de départ pour la compréhension des différents décalages vibrationnels
ainsi que l’assignation des bandes selon les origines vibroniques observées.
Spectre expérimental (NEt4)2[NiCl4] à 5K
Calcul état B1
Calcul état A1
Somme B1 + A1
-1
-1
ε (cm mol )
1.0
0.5
0.0
22000
Figure 4.20
22500
23000
-1
Nombre d'ondes (cm )
Modélisation à l’aide de la théorie dépendante du temps des différentes
composantes de la transition A1(3T1)→A1 et B1(1E) observée dans le spectre
du composé (NEt4)2[NiCl4]
Les origines, les décalages géométriques, ainsi que les intensités relatives des origines
vibroniques des différentes transitions sont montrées au tableau 4.21. La composante A1 est
à plus haute énergie et la différence d’énergie entre les deux états est de 138 cm-1 ce qui est
proche de ce qui a été trouvé à l’aide du modèle du recouvrement angulaire (∆
=
114 cm-1). De plus, la distorsion géométrique de l’état A1 est plus petite que celle de l’état B1.
Cette observation a été prédite par les configurations électroniques déterminées
précédemment. Cet effet provient du couplage de l’état A1 avec des états de même symétrie
65
proches en énergie. Les fréquences vibrationnelles utilisées pour ce calcul correspondent
assez bien aux fréquences de l’état fondamental déterminées par spectroscopie Raman.
L’intensité de ces bandes provient principalement des différentes origines vibroniques
présentes.
Tableau 4.21 Fréquence de vibration et distorsion suivant le mode normal pour la bande
1
E du (NEt4)2[NiCl4]. Les paramètres OV représentent l’intensité relative de
l’origine vibronique comparativement à l’origine électronique. Les
fréquences expérimentales sont tirées des études Raman.
A1
22 167 cm-1
E00
Symétrie
a1
b2
E
a1
E
b2
Exp.
70
107
115
268
285
297
νsim (cm-1)
70
93
113
268
279
308
ΔQ
0,65
0,95
-
B1
22 029 cm-1
OV
18x
25x
53x
50x
νsim (cm-1)
70
108
268
278
-
ΔQ
0,85
1,20
-
OV
18x
20x
-
La modélisation de la transition 3T1(e4t24)→3A2(e2t26) du complexe (NEt4)2[NiCl4], montré à
la figure 4.21, est plus complexe. Le modèle du recouvrement angulaire stipule que la
différence d’énergie entre les deux composantes spin-orbite de l’état 3A2(e2t26) doit être
faible (~7 cm-1) et l’état B2 doit être à plus basse énergie. De plus, la symétrie de la transition
vers la composante E permet l’apparition de plusieurs progressions vibroniques selon
différents modes normaux. En plus d’avoir une grande quantité de progressions
vibroniques, cette bande montre un phénomène de bande chaude.
Une première constatation est que la déformation géométrique selon le mode vibrationnel
a1 à ~270 cm-1 semble beaucoup plus importante que pour l’état 1E puisque la progression
vibronique correspondante y est très importante. Mais, comme le montre la figure 4.21,
cette progression n’épouse pas parfaitement une progression vibronique théorique. Soit que
le ratio I01/I00 est bien représenté, mais que les autres ratios I0x/I00 sont trop faibles ou que
les ratios I0x/I00 sont acceptables, mais que le ratio I01/I00 est surestimé. Une comparaison
attentionnée des bandes 00 et 01 montre que la seconde n’est pas uniquement le résultat
66
d’un décalage selon un seul mode normal. L’accoudement à basse énergie ainsi que la
largeur relative des bandes sont des indices que la géométrie est décalée selon au minimum
deux modes normaux de fréquences similaires à l’état excité (entre 245 et 295 cm-1). Cette
plage de fréquence correspond aux différentes élongations Ni-Cl symétriques et
antisymétriques. Les symétries de ces trois modes vibrationnels sont a1, e et b2. Comme le
montre le tableau 4.20, les transitions électroniques sont permises selon tous ces modes,
pour la transition A1→E ou pour la transition A1→B2. Le pic 01 correspond donc à 5 pics
d’énergies légèrement différentes provenant de progressions vibroniques ou d’origines
vibroniques (A1→E + a1, e ou b2 ainsi que A1→B2 + a1 ou e).
01
A
B
C
A (u.a.)
A (u.a.)
00
7000
7500
8000
8500
7000
7500
-1
Nombre d'ondes (cm )
Figure 4.21
8000
8500
6900
6950 7150
7200
-1
Nombre d'ondes (cm )
Tentatives de modélisations de la transition 3T1(e4t24)→3A2(e2t26) [ΔQ = 1,4
(A); ΔQ = 1,6 (B)] et comparaison des progressions 00 et 01 (C).
La meilleure modélisation, présentée à la figure 4.22, montre la grande complexité de la
transition A1→E. La plupart des pics qui correspoendent à une progression (ou origine)
vibronique de moins de 260 cm-1 lui sont imputables. La somme des deux transitions
semble modéliser assez bien le spectre théorique. Non seulement le patron d’intensité
particulier des progressions à ~270 cm-1 est bien modélisée, mais les autres progressions le
sont aussi.
La petite bande située à 50 cm-1 sous l’apparente origine (~6925 cm-1) est attribuée à une
bande chaude provenant du mode vibrationnel b1. Ce quanta vibrationnel de l’état
67
fondamental ne change pas l’intensité de la transition vers l’état E, mais rend interdite la
transition vers l’état B2. La bande chaude vers ce dernier peut alors prendre de l’intensité via
des origines vibroniques selon des modes normaux b1 et e. L’intensité de cette bande
chaude ne représente qu’environ 3% de l’intensité totale observée.
Spectre expérimental (NEt4)2[NiCl4] à 5K
Calcul état E
Calcul état B2
Somme E + B2
-1
-1
ε (cm mol )
20
10
0
7000
Figure 4.22
7500
8000
8500
-1
Nombre d'ondes (cm )
Modélisation à l’aide de la théorie dépendante du temps des différentes
composantes de la transition A1(3T1)→E et B2(3A2) observée dans le spectre
du composé (NEt4)2[NiCl4]
Un indice indirect de la présence de deux transitions de symétrie différente mais très proche
en énergie est l’évolution de l’intensité des progressions des modes d’étirement (~270 cm-1)
purs comparativement à ceux contenant un quanta de déformation (eg. ~100 cm-1 +
n*270 cm-1). La progression de ces derniers chute plus rapidement que la progression des
premiers. Puisque, comme expliqué précédemment, les progressions de déformations sont
principalement dues à la transition vers l’état E, ces progressions sont un indice de ce que la
progression provenant des étirements doit être pour cette transition. L’excès d’intensité des
progressions provenant d’étirements proviendrait de la transition vers l’état B2.
68
Comme le montre le tableau 4.22, les fréquences des différents modes vibrationnels sont
plus petites qu’à l’état fondamental. Ceci est en accord avec l’idée que la transition affaiblit
grandement les liaisons suite à l’occupation d’orbitales anti-liantes. Il est à noter que, les
origines vibroniques sont ici beaucoup moins importantes pour l’intensité globale de la
bande que dans l’étude de la transition vers l’état 1E(e2t26).
Tableau 4.22 Fréquence de vibration et distorsion suivant le mode normal pour la bande
3
A2du (NEt4)2[NiCl4]. Les paramètres OV représentent l’intensité relative de
l’origine vibronique comparativement à l’origine électronique. Les
fréquences expérimentales sont tirées des études Raman.
E
6927 cm-1
E00
Symétrie
b1
a1
b2
e
a1
e
b2
Exp.
70
107
115
268
285
297
νsim
27
60
105
90
265
275
260
ΔQ
0,75
0,85
1,1
1,1
1,2
-
B2
6923 cm-1
OV
40%
25%
νsim
70
115
268
278
-
ΔQ
0,85
1,2
-
OV
40%
50%
-
Les progressions vibroniques observées pour la bande d’absorption 3T1(e4t24)→1T2(e3t25) du
composé (NEt4)2[NiCl4] peuvent être modélisées. Comme pour l’état 3A2, la levée de
dégénérescence scinde cet état en deux composantes spin-orbite de symétrie E et B2. Le
manque de résolution force l’utilisation de quelques approximations. Les fréquences des
modes vibrationnels ainsi que la déformation de ceux-ci ont été considérées comme égales.
La modélisation, illustrée à la figure 4.23, met l’état B2 à plus haute énergie que l’état E de
140 cm-1. Ceci est très proche de ce qui a été calculé à l’aide du modèle de recouvrement
angulaire (~130 cm-1). Contrairement à l’état 3A2, la première composante des progressions
vibroniques selon les étirements métal-ligands (~280 cm-1) est de plus faible intensité que
l’origine électronique indiquant un relativement faible décalage selon ces modes. De plus,
comme le montre le tableau 4.23, leurs fréquences sont plus proches de ce qui a été observé
par spectroscopie Raman pour l’état fondamental.
69
Absorbance (u.a.)
Spectre expérimental
Calcul état E
Calcul état B2
Somme B2 + E
18000
18500
19000
-1
Nombre d'ondes (cm )
Figure 4.23
19500
Modélisation à l’aide de la théorie dépendante du temps des différentes
composantes de la transition A1(3T1)→E et B2(1T2) observée dans le spectre
du composé (NEt4)2[NiCl4]
Tableau 4.23 Fréquence de vibration et distorsion suivant le mode normal pour la bande
1
T2du (NEt4)2[NiCl4]. Les paramètres OV représentent l’intensité relative de
l’origine vibronique comparativement à l’origine électronique. Les
fréquences expérimentales sont tirées des études Raman.
E
18 180 cm-1
E00
Symétrie
b1
a1
b2
e
a1
e
b2
Exp.
70
107
115
268
285
297
νsim
35
85
110
115
275
285
290
ΔQ
1,25
1
0,4
0,65
0,65
-
B2
18 320 cm-1
OV
40%
50%
νsim
85
115
275
290
-
ΔQ
1
0,65
-
OV
100%
150%
-
70
La spectroscopie du complexe (NEt4)2[NiBr4] à l’état solide et à basse température montre
une bande relativement bien résolue pour la transition 3T1(e4t24)→1E(e2t26), mais la transition
vers l’état 3A2(e2t26) n’a jamais montré de résolution malgré les multiples tentatives. Dans ce
complexe, les vibrations sont à plus faibles fréquences, ce qui a pour effet d’amalgamer les
différentes progressions vibroniques.
Selon le modèle du recouvrement angulaire, la différence d’énergie entre les états A1 et B1
provenant de l’état 1E(e2t26) doit être relativement faible (~90 cm-1) et c’est l’état B1 qui doit
être à plus basse énergie. Comme le montre la modélisation, figure 4.24, l’ordre énergétique
n’est pas respecté et l’écart entre les deux états est beaucoup plus grand que ce qui a été
prévu (~440 cm-1). Une preuve indirecte de ce changement d’ordre énergétique est que le
motif vibrationnel des sommets à 20 570 cm-1, 20 635 cm-1 et 20 665 cm-1 n’est
reproductible qu’en utilisant deux origines vibroniques correspondant à des déformations,
ce qui est caractéristique de l’état A1. Le recouvrement entre les différents modes à basse
fréquence rend particulièrement ardu l’analyse des progressions présentes.
71
Absorbance (u.a.)
Spectre expérimental (NEt4)2[NiBr4] à 5K
Calcul état B1
Calcul état A1
Somme B1 + A1
20500
Figure 4.24
21000
21500
-1
Nombre d'ondes (cm )
Modélisation à l’aide de la théorie dépendante du temps des différentes
composantes de la transition A1(3T1)→A1 et B1(1E) observée dans le spectre
du composé (NEt4)2[NiBr4]
La première constatation est que la transition vers l’état A1 est généralement plus intense
que celle vers l’état B1. Ce phénomène a été observé pour le complexe (NEt4)2[NiCl4]. Une
seconde constatation est que la fréquence vibrationnelle ainsi que les décalages des modes
normaux d’étirements, montrés au tableau 4.24, ne sont pas identiques pour les deux états.
Ces différences indiquent que les structures d’équilibres de chacun des deux états sont bien
différentes l’une de l’autre. Tous ces effets, y compris l’ordre énergétique, ne peuvent être
expliqués par une simple diminution de la force des ligands.
72
Tableau 4.24 Fréquence de vibration et distorsion suivant le mode normal pour la bande
1
E du (NEt4)2[NiBr4]. Les paramètres OV représentent l’intensité relative de
l’origine vibronique comparativement à l’origine électronique. Les
fréquences expérimentales sont tirées des études Raman.
A1
20 570 cm-1
E00
Symétrie
a1
b2
e
a1
e
b2
Exp.
169
223
232
νsim
34
65
95
155
195
242
ΔQ
1,0
B1
21 130 cm-1
OV
175%
100%
1,3
125%
25%
νsim
34
95
168
220
-
ΔQ
1,4
-
OV
12x
0,8
4x
-
Une des différences entre le (NEt4)2[NiCl4] et le (NEt4)2[NiBr4] est la présence d’une bande
d’absorption de transfert de charge métal-ligand à basse énergie, montrée à la figure 4.25.
C’est le couplage avec cette transition intense qui affecte l’état A1 et qui lui donne de
Abs (u.a.)
l’intensité.
Transfert de charge
21000
Figure 4.25
22000
-1
Nombre d'ondes (cm )
23000
Transitions électroniques d-d et transfert de charge présents dans le
complexe (NEt4)2[NiBr4].
Pour l’élongation totalement symétrique, il est possible de convertir le décalage géométrique
déterminé en valeurs correspondant à l’élongation de la liaison chimique. Les équations
suivantes nous permettent donc d’évaluer l’importance relative de la déformation.
73
∆
∆
Où ∆ est le décalage sans unité et
terme ∆
√2
0,17222
∆ /
(4.6)
µ
(4.7)
est le facteur de Huang-Rhys décrivant le décalage. Le
représente le décalage géométrique en Ångstrøm,
est la fréquence en nombre
d’onde du mode vibrationel et µ est la masse réduite du mode normal en g/mol. L’annexe
6 montre comment évaluer l’élongation des liaisons à partir de ces valeurs.
Les décalages, montrés au tableau 4.25, sont petits comparativement aux distances Ni-X
(Ni-Cl = 2,245(3) Å et Ni-Br = 2,3600(10) Å) et les variations relatives sont d’environ 0,4%
à 0,6%. Pour le composé (NEt4)2[NiCl4], le décalage de l’état excité 1T2 (e3t25) provenant de
la promotion d’un électron est significativement plus faible que le décalage des états
provenant de la transition de deux électrons. Contrairement à ce qui était attendu,54,55 le
décalage n’est pas proportionnel au nombre d’électrons excités.
Tableau 4.25 Décalages géométriques calculés pour différentes transitions d’absorption
observées pour les composés (NEt4)2[NiX4] à basse température. Le nombre
d’électrons excités est aussi indiqué.
2-
[NiCl4]
2-
[NiBr4]
n. é
S
Δq
ΔQ (Å)
ΔrNi-X (Å)
→E (1T2)
1
0,65
1,14
0,068
0,010
→B2 (1T2)
1
0,65
1,14
0,068
0,010
→E (3A2)
2
1,1
1,48
0,088
0,013
→B2 (3A2)
2
1,2
1,55
0,092
0,013
→A1 (1E)
2
0,95
1,38
0,082
0,012
→B1 (1E)
2
1,2
1,55
0,092
0,013
→A1 (1E)
2
1,3
1,61
0,081
0,012
→B1 (1E)
2
0,8
1,27
0,063
0,009
74
Modélisation de plusieurs états couplés
La théorie dépendante du temps peut être appliquée à un modèle comportant plusieurs états
et présentant du couplage entre ces différents états. Ceci permet d’observer l’effet du
couplage sur la déformation et l’intensité des différentes transitions électroniques. Vu la
complexité des équations utilisées, il est difficile de traiter de plus d’un décalage
géométrique à la fois.
Afin d’obtenir un temps de calcul acceptable, il fut nécessaire d’appliquer l’approximation
tétraédrique comme point de départ. La variation de dipôle des transitions permises sera
fixée à 1, alors que celle des transitions interdites sera fixée à 0. Le décalage de tous les états
de même configuration électronique sera identique. Les matrices montrées à l’annexe 474
donnent le couplage entre tous les états ainsi que l’énergie verticale de ceux-ci. Les états
sont modélisés par un puits d’énergie potentiel harmonique. Les paramètres Dq, B, C et ζ
utilisés pour créer les matrices proviennent des calculs de recouvrement angulaire effectués
précédemment. Les décalages approximatifs proviennent de l’approximation linéaire54,55
(voir annexe 5) des calculs de théorie dépendante du temps effectués précédemment ainsi
que des configurations électroniques calculées par la théorie du recouvrement angulaire. La
fonction d’onde de l’état fondamental est calculée à partir du modèle complet des états A1
et en tenant compte de tous les couplages présents. C’est cette fonction d’onde qui sera
propagée sur les potentiels de tous les états.
Comme montré précédemment, la variation de la géométrie est très petite et l’équation
suivante, détaillé à l’annexe 5, peut donc être utilisée.
Δ
Δé
(4.8)
De plus, comme vu précédemment, et démontré à l’annexe 6, l’équation suivante est vraie
pour le cas de l’étirement totalement symétrique :
Δ
Δ
Δ
(4.9)
Δé
(4.10)
Le modèle du recouvrement angulaire stipule que la différence d’électrons entre les états
3
T1(e4t24) et 3A2(e2t26) est d’environ 1,8 électrons alors que la théorie dépendante du temps
nous a donné Δ
pour cette transition. Il est donc possible d’extrapoler une valeur de
75
décalage pour les états théoriques provenant d’une transition d’un électron et de deux
électrons. Ces décalages (ΔQ0é = 0 Å; ΔQ1é = 0,049 Å; ΔQ2é = 0,098 Å) seront utilisés
comme première approximation.
Les potentiels calculés, montrés à la figure 4.26, permettent de comprendre l’effet des
différents couplages sur l’intensité des transitions. En premier lieu, l’état fondamental 3T1
(e4t24) se scinde en plusieurs composantes spin-orbite. Celle de plus basse énergie est de
symétrie A1. Cette dernière couple fortement avec la composante A1 de l’état 3T1 (e3t25) ce
qui modifie son énergie, sa configuration électronique, ainsi que la position de son
minimum selon la coordonnée ΔQ (0,0064 Å vs. 0 Å). De plus, elle couple faiblement avec
les états 1A1 présents à plus haute énergie ce qui modifie légèrement la nature de son spin.
Ces différentes modifications de la nature de l’état fondamental a comme conséquence de
réduire l’effet des règles de sélection de spin et du nombre d’électron sur la permissivité des
transitions d’absorption.
L’état 1E (e2t26) est affecté par les composantes E provenant de l’état 1E (e4t24) et des
différents états 3T1 et 3T2. Son décalage est alors réduit à 0,0854 Å. Malgré les multiples
composantes de symétrie T2, l’état 3A2 (e2t26) est peu affecté par la présence des autres états.
Le faible couplage avec ces voisins est induit par le couplage spin-orbite. Le puits de
potentiel résultant est superposé à celui du modèle initial (diabatique) et son décalage est de
0,0953 Å.
76
A
B
C
1
20
Γfond(e4t24)
Figure 4.26
0.0
Q (Å)
10
0
0
-0.5
20x10
0.5
3
1
T2(e3t25)
-1
-1
Énergie (cm )
20x10
E(e2t26)
Énergie (cm )
3
-1
Énergie (cm )
40x10
3
10
3
A2(e2t26)
0
-0.5
Potentiels diabatiques
0.0
Q (Å)
0.5
et adiabatiques
-0.5
0.0
Q (Å)
0.5
des états de symétrie A1
(A), E (B) et T2 (C) du composé tétraédrique [NiCl4]2-. Le mode normal
étudié correspond à l’étirement totalement symétrique.
Ces calculs permettent de déterminer l’intensité relative de chaque transition électronique de
même symétrie. En symétrie tétraédrique, la symétrie du dipôle de la lumière implique que
seul les transitions d’absorption A1(3T1)→T2 sont permises. Les transitions vers les états de
symétrie différente peuvent acquérir de l’intensité à partir d’origines vibroniques ou de
« bandes chaudes ». L’intensité acquise grâce à ces phénomènes est difficilement prévisible.
Les intensités d’absorption relatives calculées, illustrées à la figure 4.27, ne peuvent donc
être comparées d’une symétrie à l’autre. L’intensité de référence utilisée est celle de la
transition 3T1→3T1 (~15 000 cm-1) qui est à la fois permise par la symétrie, le spin ainsi que
le nombre d’électron promus.
La question est de savoir si la théorie dépendante du temps peut bien reproduire les
intensités relatives d’absorption pour des bandes dont la transition est interdite par diverses
raisons (spin ou promotion de 2 électrons).
77
Un premier constat est que l’intensité calculée est principalement distribuée sur la transition
vers les composantes résultant de la scission spin-orbite de l’état 3T1. Ces transitions sont les
seules sur la plage d’énergie observée qui ont été considérées comme permises.
Deuxièmement, l’intensité relative calculée pour la transition vers les composantes T2
provenant des états 3A2 et 1T2(1G) est beaucoup plus faible que ce qui a été observé
expérimentalement. Ce problème de redistribution d’intensité provient de la trop grande
simplification du modèle. La modélisation des déformations selon les 4 modes normaux
présents en symétrie tétraédrique pourrait augmenter ce transfert d’intensité en créant de
nouvelles voies de couplage.
75
-1
ε (cm M )
Intensité calculée (u.a.)
50
T2
0
T1
E
8000
Figure 4.27
-1
25
10000
A2
A1
12000 14000 16000 18000
-1
Nombre d'ondes (cm )
20000
22000
Spectres calculées à l’aide de la théorie dépendante du temps pour les
transitions vers les états de différentes symétries et spectre d’absorption
expérimental du composé (NEt4)2[NiCl4] à basse température (5K).
78
4.4.3 Calculs théoriques
Différents calculs ont été réalisés sur le complexe ionique [NiCl4]2-afin de mieux
comprendre la nature des transitions observées ainsi que pour obtenir les énergies
vibrationnelles, facilitant l’attribution de son spectre vibrationnel. Les fonctionnelles de
densité B3LYP et PBEPBE ainsi que la méthode ab initio MP2 ont été utilisées. Les bases
furent le pseudo-potentiel Lanl2dz et la représentation gaussienne 6311++g(3df,3pd)
offertes par le programme Gaussian98.30 Les structures optimisées ont été décrites à l’aide
d’une matrice forçant la conservation de la symétrie D2d.
Les structures optimisées, décrites au tableau 4.26, sont légèrement différentes de la
structure déterminée par cristallographie. La longueur de la liaison Ni-Cl et la déformation
tétragonale sont systématiquement plus grandes. Sans être immenses, ces différences sont
significatives et peuvent influencer l’analyse vibrationnelle effectuée sur ce système. Ces
différences proviennent de la difficulté de modéliser un état fondamental hautement
dégénéré (3T1 pour un tétraèdre). De plus, le couplage spin-orbite et l’environnement
cristallin n’ont pas été tenus en compte.
Tableau 4.26 Paramètres géométriques des structures optimisées de l’ion [NiCl4]2-
obtenues à l’aide de calculs théoriques. La nature des angles Cl-Ni-Cl sont
décrient à la figure 4.2
Théorie
Basis Set
GTOa
B3LYP
Lanl2dz
PBEPBE
Lanl2dz
MP2
Lanl2dz
Cristallographie
a : 6311++g(3df,3pd)
d Ni-Cl (Å)
2,3359
2,3819
2,3760
2,4050
2,245(3)
b : Figure 4.2 A
∠ Cl-Ni-Cl (deg.)b
100,41
101,26
99,75
103,58
106,83(14)
∠ Cl-Ni-Cl (deg.)c
114,18
113,73
114,54
112,49
110,81(7)°
c : Figure 4.2 B
Les constantes de force ont été déterminées pour ces structures optimisées ainsi que pour la
structure cristallographique. Les fréquences obtenues pour les différents modes normaux
sont montrées au tableau 4.27. Ces calculs ont permis d’identifier sans ambigüité la symétrie
des modes observés en spectroscopie d’absorption et en spectroscopie Raman.
79
Tableau 4.27 Fréquences calculées pour les structures optimisées obtenues par calculs
théoriques.
Symétrie
Exp.
B3LYP
a
b1
50
a1
70
b2
107
e
115
a1
268
e
285
b2
297
a : 6311++g(3df,3pd)
GTO
59,6
97,9
125,5
123,5
235,4
234,2
271,0
Lanl2dz
63,0
96,5
123,1
124,4
238,7
262,9
292,7
PBEPBE
Lanl2dz
56,6
93,0
116,6
120,7
229,4
251,9
284,6
MP2
Lanl2dz
71,9
98,0
133,6
128,4
250,4
285,0
302,9
Les orbitales moléculaires calculées, illustrées à la figure 4.28, correspondent bien à ce qui
est attendu pour un composé de géométrie proche du tétraèdre.
Figure 4.28
Schéma des orbitales moléculaires calculées avec la fonctionnelle PBEPBE
et la base 6311++g(3df,3pd) pour la structure cristallographique du [NiCl4]2-.
Les trois orbitales du haut sont les t2 (dxy, dxz et dyz) dans une représentation
Td alors que les deux du bas sont les e (dz2 et dx2-y2). L’enveloppe correspond
à une valeur d’isodensité électronique de 0,02 unité atomique.
80
4.5 Conclusion
Différents modèles théoriques ont été utilisés afin de modéliser les transitions interdites
selon la règle de deux électrons. La déformation induite par ces transitions a pu être
déterminée grâce à la théorie dépendante du temps. Il a été montré qu’une analyse trop
simpliste des progressions vibroniques observées peut mener à des informations erronées.
Un modèle plus complet, tenant compte des origines vibroniques doit être utilisé afin de
pouvoir comparer la déformation des différents états. Une première approximation stipulait
que la déformation d’états issus de la promotion de deux électrons devrait être plus grande
que celle d’états issus de la promotion d’un seul électron. Cette tendance a été observée,
mais l’approximation linéaire semble trop simple.
La spectroscopie des transitions vers les états 3A2(e2t26) et 1E(e2t26) devait être faible
puisqu’elle est interdite par la règle des deux électrons. Pourtant, la transition vers l’état 3A2
est relativement intense. Les méthodes employées pour modéliser cette intensité n’ont pas
été concluantes et un modèle plus complet tenant compte de tous les modes normaux ainsi
que de la déformation tétragonale devra probablement être effectué.
81
Chapitre 5
Spectroscopie de luminescence et transitions de phases de
complexes [Ru(II)(bipy)(CN)4]2La luminescence des complexes tétracyano ruthénium(II) bipyridine montre une grande
sensibilité à l’environnement des chromophores. Le solvatochromisme de ces composés a
montré que cette sensibilité provient de l’interaction des molécules de solvants avec les
ligands cyano.76 À l’état solide, des interactions intermoléculaires impliquant ces ligands sont
aussi présentes. Ce chapitre porte sur l’étude des variations de ces interactions induites par
une pression externe.
5.1 Introduction
La spectroscopie des composés bipyridine du ruthénium est un domaine qui ne cesse de
grandir.77,78 Des recherches portant sur les transferts photo-induits d’énergie ou d’électrons,
les cellules solaires ou sur les senseurs luminescent ont utilisé différents dérivés de l’ion
[Ru(bipy)3]2+ comme chromophore. La transition électronique d’intérêt, la plus basse en
énergie, implique un état excité 3MLCT. Celle-ci correspond à la promotion d’un électron d
du métal vers l’orbitale π* du ligand menant à la formation de Ru(III) et du ligand réduit
bipy-1. Cette transition est particulièrement apprécié pour son énergie d’absorption dans le
visible, sa très longue durée de vie d’émission ainsi que ses forts potentiels d’oxydation et de
réduction à l’état excité.79
Récemment, il a été démontré que les composés cyanurés du type [Ru(bipy)2(CN)2] ou
[Ri(bipy)(CN)4]2- possèdent plusieurs des désirables caractéristiques spectroscopiques de
[Ru(bipy)3]2+, tout en augmentant la sensibilité à l’environnement. Le phénomène de
solvatochromisme76 de la transition 3MLCT provient de la variation de la force des ligands
cyano lorsque ces derniers interagissent avec le solvant (interactions dipolaires, pont
hydrogène). À l’état solide, des interactions similaires sont présentes et peuvent être
modulées par l’imposition d’une pression externe.
82
Les composés étudiés sont différents sels de l’ion [Ru(bipy)(CN)4]2- et ont été synthétisés80
et fournis par le professeur Michael D. Ward de l’Université de Sheffield (GrandeBretagne). Tel qu’illustré à la figure 5.1, ces sels cristallisent sous différentes forment
dépendamment du contre-ion et du nombre de molécules d’eau présentes. Deux modes
d’interaction des contre-ions avec les ligands cyano sont observés. Un premier, observé
pour tous les composés, est une interaction du contre-ion avec l’atome d’azote où l’angle
M···N−C (M = K+, Li+, Cs+, Ba2+) est approximativement linéaire. Le second mode est
observé pour les sels de potassium et de césium. Il implique une interaction avec les atomes
de carbone et d’azote et l’angle M···N−C est proche de 90º. De plus, le sel de baryum
présente des ponts hydrogène entre des molécules d’eau et un ligand cyano.
C
A
B
D
Figure 5.1
Structures cristallographiques des composés K2[Ru(bipy)(CN)4]·3H2O (A),
Cs2[Ru(bipy)(CN)4]·2H2O
(B),
Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O
(C)
Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O (D). Les images sont tirées de la référence 80.
et
83
5.2 Résultats spectroscopiques
La luminescence de l’ion [Ru(bipy)(CN)4]2- est influencée par l’interaction de
l’environnement sur les ligands cyanures. Une étude de la luminescence des différents
composés permet d’observer l’influence des interactions présentes à l’état solide sur la
structure électronique de ces composés. La spectroscopie Raman permet d’obtenir des
indices sur ces interactions ainsi que sur d’éventuelles transitions de phase.
5.2.1 Spectroscopie d’émission
Comme le montre la figure 5.2, le spectre d’émission du complexe ionique [Ru(bipy)(CN)4]2varie selon le sel étudié. L’énergie des maxima d’émission sont rapportées au tableau 5.1. À
basse température, la bande d’émission est bien résolue et une modélisation à l’aide de la
théorie dépendante du temps peut être faite afin d’obtenir une valeur pour E00 et pour la
déformation induite par la transition électronique (ΔQ). La luminescence du sel de lithium
est la plus basse en énergie et c’est le composé qui présente le moins d’interactions avec les
ligands cyanures. Une relation qualitative de proportionnalité peut donc être considérée
entre l’importance des interactions à l’état solide et l’énergie d’émission. Cette relation suit la
tendance observée pour le phénomène de solvatochromisme.76
Une seconde différence, particulièrement notable pour le spectre du sel de lithium, est une
modification de la forme de la bande du composé de lithium. La progression observée est
de légèrement plus basse fréquence et mène à une valeur de ΔQ légèrement plus élevée. Vu
la résolution spectrale, cette progression ne correspond pas à un décalage selon un seul
mode normal mais à une somme pondérée de différentes distorsions selon plusieurs modes
vibrationnels. L’identification de ces modes est ici impossible.
84
A
B
+
+
12000
14000 16000 18000
-1
Nombre d'onde (cm )
Figure 5.2
Ba
+
Cs
+
K
+
Li
Intensité de luminescence (u.a.)
Intensité de luminescence (u.a.)
Ba
+
Cs
+
K
+
Li
20000
12000
14000 16000 18000
-1
Énergie (cm )
20000
Spectres d’émission (λexc. = 488 nm) des sels de potassium, lithium, césium
et baryum à la température de la pièce (A) et à 80 K (B). Les modélisations
des bandes de luminescence à l’aide de la théorie dépendante du temps sont
représentées par les lignes en pointillées
Tableau 5.1
Énergie du maximum de l’émission à la température de la pièce et
paramètres de la modélisation de l’émission à basse température.
T pièce
80 K
Emax (cm-1)
E00 (cm-1)
ν (cm-1)
ΔQ
Ba2+
17 410
18 240
1350
1,5
+
17 290
18 300
1350
1,5
+
17 600
18 560
1370
1,5
+
17 070
17 950
1150
1,6
Cs
K
Li
85
5.2.2 Spectroscopie Raman
Les spectres Raman, montrés à la figure 5.3, sont complexes et l’identification des différents
modes est extrêmement difficile. Seuls les modes correspondant à l’étirement CN peuvent
être identifiés sans ambigüité puisqu’ils sont les seuls dans leur plage de fréquences (20002200 cm-1). De plus, ils sont de bons indices sur la nature de la liaison Ru-CN puisque
l’intensité de la rétrodonation des ligands cyanures est inversement proportionnelle à la
fréquence de ces étirements. L’ion [Ru(bipy)(CN)4]2- est de symétrie C2v et donc, 4 modes
normaux sont observables en spectroscopie Raman (a1, a1, b1, b2,). Ces quatre pics sont
observés pour les composés de lithium, potassium et de césium, mais 8 pics correspondant
à des étirements CN sont présents dans le spectre du composé de baryum. Ce nombre
implique la présence de deux ions[Ru(bipy)(CN)4]2- différents, contrairement à ce qui a été
déterminé par cristallographie.80
Intensité Raman (u.a.)
+
Ba
+
Cs
+
K
+
Li
2000
500
Figure 5.3
2050
1000
1500
-1
Déplacement Raman (cm )
2100
2150
2000
Spectres Raman (λexc. = 785 nm) à température de la pièce pour les
composés M2[Ru(bipy)(CN)4]·xH2O (M = ½Ba2+, Cs+, K+ ou Li+). La plage
spectrale des étirements CN est présentée en encadré.
86
Une étude du spectre Raman à température variable du sel de baryum est présentée à la
figure 5.4. À température similaire à celle de la pièce, une variation subite des fréquences de
vibration se produit. Ce phénomène indique une transition de phase. Il est a noter qu’à 290
K et à 296 K, seul 4 pics correspondant à des étirements CN sont observables. Une
seconde variation notable de cette transition de phase est l’apparition d’un pic intense à 930
Intensité Raman (u.a.)
Intensité Raman (u.a.)
cm-1 correspondant à une vibration centré sur le ligand bipyridine.
600
800
Déplacement Raman (u.a.)
Figure 5.4
1000 2000
296 K
293 K
290 K
90 K
2050
2100
Déplacement Raman (u.a.)
Spectre Raman (λexc. = 785 nm) du composé Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O à
différentes températures.
87
5.2.3 Variation de la pression
L’application d’une pression externe sur un solide a pour effet de réduire les distances
interatomiques. Cet effet est plus important pour les liaisons et interactions faibles tel que
les interactions des contre-ions avec les ligands cyanures.19 Les fréquences vibrationnelles
des étirements CN obtenus par spectroscopie Raman sont montrées aux figures 5.5 et 5.6.
Des transitions de phase induites par la pression ont été observées chez tous les composés.
Pour le sel de potassium, la transition s’effectue subitement aux alentours de 5 kbar. La
différence de géométrie et d’interaction semble minime vue la faible variation de fréquence
des 4 pics Raman correspondant aux étirements CN ainsi que des pics Raman des modes
vibrationnels du ligand bipyridine. La transition de phase du sel de césium s’effectue sur une
grande gamme de pression. Comme le montre la figure 5.7, des pics apparaissent à ~10
kbar et augmentent tranquillement en intensité. À 30 kbar, cette transition ne semble pas
être terminée. Les transitions de phase induites par la pression des composés
Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O et Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O sont relativement complexes. Dans
les deux cas, l’intensité relative des pics apparaissant à haute pression (figure 5.7) changent
relativement rapidement (12 kbar et 15 kbar respectivement) pour se stabiliser à haute
pression. Le nombre de pics résultant (8) correspond à deux ions [Ru(bipy)(CN)4]2différents desquels une série de 4 pics est similaire à ce qui est observé à pression ambiante.
Ces transitions correspondent donc à la variation majeure d’un centre sur deux et d’une
variation mineure de la seconde molécule. Pour le composé Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O, un
pic à ~930 cm-1 apparait dans le spectre Raman pour la phase à haute pression. Ce dernier à
été observé pour la phase à basse température.
Les paramètres des régressions linéaires effectuées sont rapportés au tableau 5.2. Les pentes
de tous les modes vibrationnels sont positives et sont de l’ordre de 0,5 cm-1/kbar. Pour le
sel de lithium, la variation de fréquence des modes d’étirement CN est systématiquement
plus faible pour la phase à haute pression.
88
Intensité Raman (u.a.)
-1
Déplacement Raman (cm )
2050
2100
A
23 kbar
21 kbar
18 kbar
14 kbar
12 kbar
9 kbar
6kbar
5 kbar
1 bar
0
2050
2100
-1
Déplacement Raman (cm )
10
20
Pression (kbar)
Intensité Raman (u.a.)
-1
Déplacement Raman (cm )
2050
2100
B
30 kbar
26 kbar
22 kbar
17 kbar
14 kbar
8 kbar
1 bar
2050
2100
-1
Déplacement Raman (cm )
Figure 5.5
Spectres Raman des
0
composés
10
20
Pression (kbar)
K2[Ru(bipy)(CN)4]·3H2O
30
(A)
et
Cs2[Ru(bipy)(CN)4]·2H2O (B) à différentes pressions (λexc. = 785 nm; T =
293K).
89
Intensité Raman (u.a.)
-1
19 kbar
Déplacmement Raman (cm )
2050
2100
A
16 kbar
14 kbar
11 kbar
8 kbar
6 kbar
3 kbar
1 bar
0
2050
2100
-1
Déplacement Raman (cm )
10
20
Pression (kbar)
Intensité Raman (u.a.)
-1
Déplacement Raman (cm )
2050
2100
B
2000
2100
-1
Déplacement Raman (cm )
Figure 5.6
Spectres Raman des
0
composés
20
40
Pression (kbar)
Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O
(A)
et
Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O à différentes pressions (λexc. = 785 nm; T = 293K).
90
A
B
1
Aires relatives
Intensités relatives
1
0
0
0
10
20
0
Pression (kbar)
5
10
15
20
25
30
Pression (kbar)
C
D
Aires relatives
1
Aires relatives
1
0
0
0
Figure 5.7
10
20
0
20
40
Pression (kbar)
Pression (kbar)
Aires relatives des pics caractéristiques de la phase à basse pression ( ) et de
la phase à haute pression ( ) pour les composés K2[Ru(bipy(CN)4]·3H2O
(A),
Cs2[Ru(bipy(CN)4]·2H2O
(B),
Li2[Ru(bipy(CN)4]·6H2O
(C)
et
Ba[Ru(bipy(CN)4]·6H2O (D). Aux figures 5.5 et 5.6, les pics de la phase à
basse pression étaient représentés par les symboles blancs alors que ceux de
la phase à haute pression était représenté par les symboles noires.
91
Tableau 5.2 Variation des fréquences des modes d’étirement CN. L’équation linéaire
suivante est utilisé ν(P) = a + bP où a est en cm-1 et b est en cm-1/kbar.
Basse Pression
Li+
a = 2091,7 ± 0,6; b = 0,45 ± 0,13
a = 2059,3 ± 0,2; b = 0,23 ± 0,04
a = 2050,4 ± 0,2; b = 0,50 ± 0,05
a = 2033,4 ± 0,1; b = 0,91 ± 0,03
a = 2094,3 ± 0,7; b = 0,63 ± 0,03
a = 2058,0 ± 0,7; b = 0,87 ± 0,08
a = 2050,8 ± 0,4; b = 0,38 ± 0,02
a = 2027,8 ± 0,3; b = 0,56 ± 0,02
a = 2115,8 ± 0,4; b = 0,81 ± 0,07
a = 2099,1 ± 0,3; b,= 0,92 ± 0,04
a = 2062,9 ± 0,3; b = 0,83 ± 0,04
a = 2044,5 ± 0,2; b = 0,69 ± 0,04
Ba2+
a = 2092,2 ± 0,4; b = 0,54 ± 0,04
a = 2056,3 ± 0,3; b = 0,46 ± 0,04
a = 2049,6 ± 0,5; b = 0,38 ± 0,05
a = 2036,7 ± 0,3; b = 0,56 ± 0,02
K+
Cs+
Haute Pression
a = 2087,0 ± 0,6; b = 0,53 ± 0,04
a = 2053,6 ± 0,5; b = 0,62 ± 0,04
a = 2049,1 ± 0,6; b = 0,47 ± 0,04
a = 2038,2 ± 0,4; b = 0,58 ± 0,03
a = 2089,9 ± 0,4; b = 0,34 ± 0,03
a = 2054,7 ± 0,6; b = 0,64 ± 0,02
a = 2023 ± 1; b = 0,59 ± 0,06
a = 2021 ± 2; b = 0,16 ± 0,07
a = 2113 ± 1; b = 0,47 ± 0,09
a = 2106 ± 2; b = 0,31 ± 0,11
a = 2071 ± 2; b = 0,28 ± 0,12
a = 2045 ± 2; b = 0,28 ± 0,09
a = 2086 ± 2; b = 0,67 ± 0,14
a = 2078 ± 2; b = 0,50 ± 0,15
a = 2059 ± 2; b = 0,27 ± 0,13
a = 2028 ± 1; b = 0,61 ± 0,06
a = 2087 ± 2; b = 0,55 ± 0,05
a = 2053 ± 2; b = 0,62 ± 0,05
a = 2043 ± 3; b = 0,74 ± 0,07
a = 2030 ± 2; b = 0,44 ± 0,05
a = 2101,6 ± 0,8; b = 0,61 ± 0,03
a = 2064 ± 1; b= 0,53 ± 0,04
a = 2042 ± 1; b = 0,51 ± 0,04
a = 2022 ± 1; b = 0,48 ± 0,04
L’effet de la pression sur les bandes de luminescence est subtil. Ces spectres sont montrés à
la figure 5.8 et 5.9. Il a été montré que l’énergie de la bande d’émission était sensible aux
interactions avec les cyanures. Les spectres des matériaux Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O et
K2[Ru(bipy)(CN)4]·3H2O ont pu être modélisés à l’aide de la théorie dépendante du temps.
Les valeurs de l’énergie des origines électroniques sont illustrées à la figure 5.10. La
résolution spectrale des bandes d’émission des composés Cs2[Ru(bipy)(CN)4]·2H2O et
Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O ne permet pas d’identifier l’origine électronique de celle-ci et
donc, la valeur de l’énergie du maximum de la bande est utilisée comme indice de cette
sensibilité.
Intensité de Luminescence (u.a.)
92
23 kbar
21 kbar
16 kbar
14 kbar
11 kbar
9 kbar
5 kbar
1 bar
14000
16000
-1
Nombre d'ondes (cm )
18000
20000
Intensité de luminescence (u.a.)
-1
Emax (cm )
16600 16800 17000
12000
-1
-5 cm /kbar
0
10
20
Pression (kbar)
30
30 kbar
24 kbar
17 kbar
14 kbar
8 kbar
1 bar
12000
Figure 5.8
14000
16000
18000
20000
-1
Nombre d'ondes (cm )
Spectres d’émission des composés K2[Ru(bipy)(CN)4]·3H2O (haut) et
Cs2[Ru(bipy)(CN)4]·2H2O (bas) à différentes pressions. Les pics fins à
~14 500 cm-1 proviennent de la luminescence du rubis. Les valeurs de Emax
ont été obtenues à l’aide de formes de Voigt ajustées aux spectres.
Intensité de luminescence (u.a.)
-1
Émax (cm )
16800 17000
93
-1
-1
-20 cm /kbar
+33 cm /kbar
0
10
Pression (kbar)
20
19 kbar
15 kbar
13 kbar
10 kbar
8 kbar
6 kbar
4 kbar
1 bar
Intensité de luminescence (u.a.)
12000
14000
16000
-1
Nombre d'ondes (cm )
18000
20000
51 kbar
40 kbar
32 kbar
27 kbar
22 kbar
20 kbar
14 kbar
8 kbar
1 bar
12000
Figure 5.9
14000
16000
18000
20000
-1
Nombre d'ondes (cm )
Spectres d’émission des composés Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O (haut) et
Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O (bas) à différentes pressions. Les pics fins à
~14 500 cm-1 proviennent de la luminescence du rubis. Les valeurs de Emax
ont été obtenues à l’aide de formes de Voigt ajustées aux spectres.
94
B
19000
-1
18500
-1
E00 (cm )
+32 cm /kbar
-1
E00 (cm )
A
-1
+7 cm /kbar
18500
-1
+28 cm /kbar
18000
18000
0
Figure 5.10
10
20
0
20
40
Pression (kbar)
Pression (kbar)
Valeurs de l’origine électronique de luminescence déterminé à l’aide de la
théorie dépendante du temps pour les sels de K+ (A) et de Ba2+ (B)
L’application de pression externe sur le sel de potassium mène à un important déplacement
hypsochromique de l’origine d’émission de +32 cm-1/kbar. Des déplacements similaires
sont observés pour l’origine des spectres d’émission du sel de baryum. À des pressions
inférieures à 20 kbar, ce déplacement est de +28 cm-1/kbar alors qu’il est plus faible (+7 cm1
/kbar) au dessus de 20 kbar. Cette pression correspond au seuil de la transition de phase
observé en spectroscopie Raman. Pour ces deux composés, la forme de la bande d’émission
varie légèrement en fonction de la pression. Dans les deux cas, les progressions vibroniques
apparentes augment en fréquence et en décalage occasionnant un élargissement de la bande
d’émission.
Le maximum d’émission du sel de césium varie très peu et présente un déplacement
bathochromique de -5 cm-1/kbar. Les spectres Raman de ce composé montrent une lente
transition de phase sur la plage de pression étudiée. Cette valeur de déplacement ne peut
donc pas être attribuée à un effet électronique mais un phénomène de superposition de
deux bandes d’émission d’intensité variable. Les spectres de luminescence montrent un
changement de dépendance aux alentours de 10 kbar. À plus basse pression, un
déplacement hypsochromique de la bande de luminescence est observé (+33 cm-1/kbar),
alors qu’à plus haute pression, le maximum d’émission se déplace vers les basses énergies de
-20 cm-1/kbar. De plus, tel qu’illustré à la figure 5.9, la forme de la bande change
drastiquement
autour
de
10
kbar.
Les
spectres
Raman
du
composé
95
Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O montrent une transition de phase à cette pression et les
phénomènes observés peuvent être attribués à une transition structurale.
5.3 Discussion
L’étude de luminescence sous pression effectuée précédemment sur le composé
[Ru(bipy)3](PF6)2 montrait un très léger déplacement bathochromique de la luminescence.81
Pour expliquer les déplacements hypsochromiques observés, le diagramme des orbitales
moléculaires présenté à la figure 5.11 doit être expliqué en détail. Les composés de
ruthénium(II) bipyridine sont de configuration électronique d6 et la force des ligands mène à
la formation de composé spin-bas. L’orbitale HOMO correspond donc à une des trois
orbitales d de symétrie t2g. Dans les composés étudiés, les ligands cyanures font de la
rétrodonation avec le métal ce qui confère un caractère liant πM-CN à ces orbitales HOMO.
L’orbitale LUMO est une orbitale de type π* centrée sur le ligand bipyridine. La transition
électronique s’effectuant entre ces orbitales amène la transfert d’un électron du centre
métallique vers le ligand, d’où le nom MLCT (Metal to Ligand Charge Transfert) utilisé pour la
décrire.
Ces deux orbitales sont affectées lors de l’application d’une pression externe. Le
raccourcissement des liaisons métal-ligand a pour effet d’accroitre le caractère π liant de
l’orbitale HOMO. Cette dernière est donc stabilisée par la pression. L’orbitale LUMO,
centrée sur le ligand, est moins affecté par la pression puisque les liaisons présentes à
l’intérieur du ligand sont relativement forte comparativement aux liaisons métal-ligand. Vu
le caractère π* de cette orbitale, elle est légèrement déstabilisée par la pression. La résultante
est une augmentation de l’écart HOMO-LUMO et donc de l’énergie de luminescence.
96
Figure 5.11
eg (σ*M-L)
eg (σ*M-L)
π*bipyridine
π*bipyridine
t2g (πM-L)
t2g (πM-L)
Configuration électronique de l’état fondamental (A) et de l’état excité
émissif (B).
5.4 Conclusion
Différentes transition de phases ont été observées. Alors que pour le composé
K2[Ru(bipy)(CN)4]·3H2O, cette transition est relativement subite, elle est beaucoup plus
lente pour le sel de césium. Les transitions observées pour les composés
Li2[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O et Ba[Ru(bipy)(CN)4]·6H2O semblent amener la formation de
deux molécules distinctes à l’intérieur du même cristal.
97
Chapitre 6
Sensibilité de l’état excité des polymères d’or(I)
L’intérêt de ce chapitre réside dans la détermination de la structure électronique de
composés d’or(I) qui présentent des bandes d’émission particulièrement complexes. Cette
transition d’émission est parfois attribuée à une transition centrée sur les métaux,82,83,84 à un
transfert de charge métal-ligand84,85 ou même à une transition centrée sur le ligand.86 De
déterminer les motifs structuraux influençant cette transition via différentes expériences
spectroscopiques, permettra de déterminer la nature de celle-ci. Une étude de la
déformation de l’état excité ainsi que des modes normaux affectés est présentée ici. De plus,
des variations de pression et de température ont été utilisées afin d’induire des changements
structuraux modulant l’émission. L’effet de ces modifications structurales sur la
luminescence donne des indices sur la nature des états impliqués dans la transition.
6.1 Introduction
L’or(I) est de configuration électronique d10. Ses complexes présentent habituellement une
géométrie linéaire où deux ligands sont présents de part et d’autre du centre métallique.
L’angle L-Au-L de 180º ainsi que le faible nombre de coordination laissent libre accès au
métal pour que ce dernier puisse interagir avec son voisinage. L’interaction entre différents
complexes est habituellement de type aurophile,87,88 créant une liaison Au-Au entre deux ou
plusieurs complexes. Si l’on tient compte de ces liaisons métal-métal, les complexes ne sont
plus de simples composés linéaires, mais des oligomères ou même des polymères
métalliques.
Cette interaction aurophile s’effectue entre deux centres métalliques n’ayant aucun électron
non-pairé pouvant interagir. Elle a donc été décrite comme étant une force de van der
Waals particulièrement forte ayant une énergie d’interaction de l’ordre du pont hydrogène
(7-12 kcal/mol).89,90 Vu la faiblesse de cette interaction, les polymères polymétalliques n’ont
été observés qu’à l’état solide. En solution, les monomères dominent avec une
98
oligomérisation partielle à haute concentration. Récemment, des études théoriques91,92 ont
montré l’importance du phénomène de corrélation électronique. De plus, les énergies
d’interaction ne peuvent être reproduites par calculs théoriques sans y inclure les effets
relativistes,93 qui sont particulièrement forts pour l’atome d’or.
6.2 Partie expérimentale
Les composés étudiés sont les complexes polymériques formés par la coordination des
ligands diéthyldithiocarbamate (edtc) et pyrolidinedithiocarbamate (pdtc) (voir la figure 6.1).
Dans ces complexes, les ligands adoptent un mode de coordination pontant formant des
dimères du type [Au2(edtc)2]. Ces derniers peuvent, à l’état solide, se polymériser via des
interactions aurophiles interdimères.
A
Figure 6.1
B
Les ligands dithiocarbamates : le diéthyldithiocarbamate (A) et le
pyrolidinedithiocarbamate (B).
La structure du composé [Au2(edtc)2]n a déjà été déterminée par le groupe de Fackler.94 Elle
montre la géométrie de coordination linéaire des centres d’or(I) avec des angles S-Au-S
presque linéaires (~177º). Les interactions aurophiles présentes dans ce composé amènent
la formation de deux liaisons Au-Au de longueurs différentes. L’interaction intradimère
(2,782 Å) est une des plus courtes de la littérature alors que la liaison interdimère (3,004 Å)
est de longueur plus commune.95 La figure 6.2 montre que les chaînes formées sont
pratiquement linéaires (Au-Au-Au = ~174º). La structure du composé [Au2(pdtc)2] n’a pu
être déterminée, mais la grande similitude des données spectroscopiques (vide infra) ainsi que
les études cristallographiques effectuées sur des composés similaires96,97 indiquent que
[Au2(pdtc)2] cristallise avec une structure similaire à celle du composé [Au2(edtc)2]n.
99
Figure 6.2
Représentation du complexe polymérique [Au2(edtc)2]n. Les données
proviennent de la référence 94. Pour une plus grande clarté, les atomes
d’hydrogènes ont été omis. Le code de couleur de atomes est le suivant : gris
= carbone; bleu = azote; jaune pâle = soufre; doré = or.
6.2.1 Synthèse
La synthèse de ces composés est similaire à une procédure de la littérature.94 Une mmol de
[Au(SMe2)Cl] est solubilisé dans un minimum d’acétonitrile. Une seconde solution est
préparée contenant 1 mmol de sel du ligand (Na(edtc) ou NH4(pdtc)) dans l’acétonitrile. Les
deux solutions incolores sont mélangées et un précipité orangé est rapidement formé. Le
précipité formé est filtré et puis rincé à l’acétonitrile. Le composé [Au2(edtc)2]n peut être
recristallisé par évaporation lente d’une solution de chloroforme (solution incolore).
Analyse élémentaire
[Au2(edtc)2] : (C10H20N2S4Au2) Calculé C = 17,39%; H = 2,92%; N = 4,06%; S = 18,57%
Trouvé C = 17,46%; H = 2,81%; N = 3,77%; S = 18,37%
100
6.3 Résultats spectroscopiques
La luminescence de beaucoup de composés d’or(I) a déjà été étudiée et une vaste gamme de
propriétés ont été publiées7,96,98. De plus, l’influence de l’interaction aurophile sur la
luminescence a aussi été observée.99,100 Notre but est de mieux comprendre l’influence des
effets structuraux, et particulièrement les interactions Au-Au, sur la luminescence.
6.3.1 Variation de la température
La diminution de la température a pour effet de réduire considérablement le processus de
désactivation non-radiative, ce qui augmente l’intensité de luminescence observée. De plus,
la réduction des amplitudes de vibration et une contraction des liaisons ont pour effet de
réduire la largeur des bandes, d’augmenter la résolution tout en modifiant généralement
légèrement l’énergie d’émission. La figure 6.3 montre que les bandes de luminescence des
composés [Au2(edtc)2] et [Au2(pdtc)2] perdent beaucoup d’intensité avec l’augmentation de
la température. À basse température, les bandes sont particulièrement étroites, avec une
largeur à mi-hauteur de l’ordre de 800 cm-1. Lors de la diminution de température, la
luminescence effectue un déplacement bathochromique d’environ 1000 cm-1. L’intensité de
luminescence du composé [Au2(pdtc)2] augmente de façon continue lors de la réduction de
la température. Par contre, l’intensité de luminescence du complexe [Au2(edtc)2] augmente
rapidement entre 250 K et 50 K et diminue ensuite légèrement lorsque la température
descend en bas de 50 K. Cette variation ne peut être expliquée simplement et un nouveau
processus de désactivation, présent à basse température, doit être pris en compte.
101
Température (K)
150 K
230 K
200
0
100
200
100
100 K
0
0
Intensité de luminescence (u.a.)
6K
B
1
0
Intensité (u.a.)
A
Intensité de luminescence (u.a.)
5K
Intensité (u.a.)
1
45 K
Température (K)
80 K
230 K
16000
18000
20000
16000
18000
20000 14000
-1
-1
Nombre d'ondes (cm )
Nombre d'ondes (cm )
Figure 6.3
Spectres de luminescence des composés cristallins [Au2(edtc)2] (A) et
14000
[Au2(pdtc)2] (B) à température variable. Les graphiques en encadrés
représentent l’intensité totale de ces bandes.
La figure 6.4 montre les spectres de luminescence normalisés où chaque spectre possède la
même intensité. Le déplacement bathochromique observé n’est pas continu et semble
s’effectuer subitement aux alentours de 200 K. À haute température, une bande à haute
énergie (~18 000 cm-1) disparait progressivement lors de l’abaissement de température et
laisse place à une bande à énergie légèrement plus basse. Pour les deux composés, la
différence d’énergie entre les deux bandes d’émission est relativement faible
([Au2(edtc)2] :~1200 cm-1 et [Au2(pdtc)2] :~800 cm-1). Ces bandes de luminescence sont
minces et présentent des largeurs à mi-hauteur très similaires d’environ ~800 cm-1. Pour le
complexe [Au2(pdtc)2], la bande à basse énergie montre un léger épaulement correspondant
probablement à une progression vibronique selon un mode vibrationnel d’une relativement
haute fréquence d’approximativement ~1150 cm-1 alors que la bande à haute énergie n’en
présente pas du tout. Dans le cas du composé [Au2(edtc)2], la bande à plus haute énergie
semble reprendre de l’intensité à très basse température.
102
300
1
190 K
125 K
I / Itot
100 K
75 K
60 K
30 K 45 K
6 K 15 K
300
20000
200
16000
18000
-1
Nombre d'ondes (cm )
100
0
0
150 K
200
0
Température (K)
230 K
210 K
100
17
300 K
14000
Température (K)
18
3
-1
Emax (10 x cm )
B
300 K
300
200
100
0
17
Température (K)
230 K
1
180 K
130 K
I / Itot
5K
12000
Figure 6.4
14000
16000
18000
-1
Nombre d'ondes (cm )
20000
300
0
200
30 K
100
80 K
0
Intensité de luminescence normalisée (u.a.)
18
3
-1
Emax (10 x cm )
Intensité de luminescence normalisée (u.a.)
A
Température (K)
Variation de la forme des bandes de luminescence selon la température pour
les composés [Au2(edtc)2] (A) et [Au2(pdtc)2] (B). Les valeurs de Emax (formes
de Voigt ajustées aux spectres) et de l’intensité relative des deux
composantes (haute énergie : ; basse énergie : ) sont en encadré.
103
Pour le composé [Au2(edtc)2], une étude des durées de vie de luminescence à basse
température, résultats illustrés à la figure 6.5, montre clairement que la bande apparaissant
aux alentours de 18 000 cm-1 aux températures inférieures à 50 K et la bande de
luminescence la plus intense avec un maximum à ~17 000 cm-1 sont deux transitions
différentes. La durée de vie de la bande à basse énergie est de ~4,3 μs en moyenne et de
~500 ns pour la transition à haute énergie. Cette différence marquée indique clairement que
ces deux bandes ne proviennent pas du même état émissif.
5
Durée de vie (μs)
Intensité de luminescence (u.a.)
4
3
2
1
0
16000
17000
18000
-1
Figure 6.5
Nombre d'ondes (cm )
Durée de vie de luminescence à 5 K pour le composé [Au2(edtc)2] ainsi que
le spectre de luminescence obtenu à cette température.
Ces grandes modifications de la transition électronique pourraient provenir d’une transition
de phase induite par la variation de la température. Afin d’étudier cette possibilité, les
spectres Raman de ces composés ont été mesurés. La figure 6.6 montre qu’il n’y a pas de
variation brusque des fréquences des pics Raman. La présence d’une transition de phase
aurait créée une brisure nette dans la variation de certains pics des spectres vibrationnels.
104
Intensité Raman (u.a.)
A
200
300
400
500
300 K
265 K
230 K
200 K
140 K 120 K
80 K
500
1000
-1
Déplacement Raman (cm )
1500
Intensité Raman (u.a.)
B
200
300
400
500
300 K
280 K
230 K
180 K
160 K
130 K
110 K
80 K
500
Figure 6.6
1000
-1
Déplacement Raman (cm )
1500
Spectroscopie Raman (λexc. = 785 nm) des composés [Au2(edtc)2] (A) et
[Au2(pdtc)2] (B) à différentes températures.
105
6.3.2 Variation de pression
L’application d’une pression sur un solide mène à une diminution des distances
interatomiques. L’effet structural est grand lorsque l’interaction est faible. D’habitude, les
distances intermoléculaires sont modifiées plus fortement que les longueurs de liaison. Nos
systèmes sont des cas particuliers où une interaction aurophile faible est présente à
l’intérieur même de la molécule (intramoléculaire) et entre les molécules (intermoléculaire).
Comme le montre la figure 6.7, l’application de pression a pour effet de grandement
modifier l’énergie de luminescence ainsi que la forme du spectre de luminescence. Pour les
deux composés, le spectre de luminescence traverse la plage du spectre visible, passant
d’une émission verdâtre (~18 000 cm-1 à pression ambiante) à une émission située dans le
rouge (~14 500 cm-1 à 40 kbar). Cette évolution de l’énergie du maximum de la bande est
constante et ne s’accompagne pas de saut brusque.
Outre le déplacement bathochromique, une seconde variation notable est observée. La
forme de la bande d’émission change à haute pression. À pression ambiante, celle-ci est
relativement étroite (largeur à mi-hauteur ~800 cm-1) mais, lors de l’application de pression,
un épaulement large apparait (largeur à mi-hauteur ~2500 cm-1). Dans le cas du composé
[Au2(edtc)2], cette bande large devient la bande émissive de plus forte intensité lorsque la
pression dépasse 30 kbar.
Intensité de luminescence normalisée (u.a.)
106
41 kbar
33 kbar
26 kbar
20 kbar
17 kbar
15 kbar
13 kbar
12000
Intensité de luminescence normalisée (u.a.)
8 kbar
5 kbar
2 kbar
1 bar
A
B
14000
16000
-1
Nombre d'ondes (cm )
18000
13 kbar
10 kbar
8 kbar
37 kbar
29 kbar
20000
1 bar
24 kbar
23 kbar
12000
Figure 6.7
14000
16000
-1
Nombre d'ondes (cm )
18000
20000
Spectres de luminescence des complexes [Au2(edtc)2] (A) et [Au2(pdtc)2] (B)
à différentes pressions (λexc. = 488 nm; T = 293K). Les pics fins à ~14 500
cm-1 proviennent de la luminescence du rubis.
107
18x10
A
3
18x10
B
3
-1
-1
-95 cm /kbar
-1
Emax (cm )
-1
Emax (cm )
-117 cm /kbar
16
16
-1
-17 cm /kbar
14
14
0
10
20
30
Pression (kbar)
Figure 6.8
40
0
10
20
30
40
Pression (kbar)
Emax de luminescence des composés [Au2(edtc)2] (A) et [Au2(pdtc)2] (B) en
fonction de la pression. Les courbes en trait plein représentent le
déplacement non-linéaire observé alors que les traits pointillés sont les
régressions linéaires effectuées afin de déterminer leurs pentes.
Il est important de quantifier ce déplacement bathochromique. Dans les deux cas, il est
considérable, -117 cm-1/kbar pour [Au2(edtc)2] et -95 cm-1/kbar pour [Au2(pdtc)2]. Ces
déplacements sont du même ordre de grandeur que ceux observés pour les composés
M[Au(CN)2] (où M = Na+, K+, Cs+), qui présentent des déplacements bathochromiques se
situant entre -120 et -200 cm-1/kbar.6 La variation de Emax illustrée à la figure 6.8 n’est pas
parfaitement linéaire car le déplacement bathochromique diminue avec la pression. Pour le
composé [Au2(edtc)2], il a été possible de déterminer la variation de Emax pour la bande large
qui domine le spectre à haute pression. Son déplacement de -17 cm-1/kbar est inférieur de
presque un ordre de grandeur à ceux des bandes minces observées entre la pression
ambiante et 20 kbar.
108
Cette bande large, déjà apparente aux alentours de 15 kbar pour les deux composés,
pourrait provenir d’une transition de phase. Afin de vérifier cette possibilité, les spectres
Raman ont été mesurés à différentes pressions. Ces spectres, montrés à la figure 6.9, ne
montrent pas de variation brusque du déplacement des bandes et donc, aucune transition de
phase n’est observée sur la gamme de pression étudiée.
109
Intensité Raman (u.a.)
A
21 kbar
19 kbar
16 kbar
13 kbar
11 kbar
9 kbar
7 kbar
4 kbar
1 bar
400
500
-1
Déplacement Raman (cm )
600
Intensité Raman (u.a.)
B
675
700
29 kbar
23 kbar
14 kbar
725
750
25 kbar
18 kbar
11 kbar
7 kbar
1 bar 4 kbar
400
Figure 6.9
425
450
-1
Déplacement Raman (cm )
475
500
Spectres Raman (λexc. = 785 nm; T = 293K) des composés [Au2(edtc)2] (A)
et [Au2(pdtc)2] (B) à différentes pressions. L’encadré montre un pic se
dédoublant avec la pression.
110
Habituellement, les fréquences des différents modes vibrationnels augmentent avec la
pression. Les variations observées sont de l’ordre de 0 à 1 cm-1/kbar. Ces différents
déplacements permettent parfois de séparer des pics qui sont masqués à pression ambiante.
Malgré l’élargissement des pics, une intensité relative de ces derniers peut être mesurée.
Celle-ci reste approximativement constante pour tous les modes vibrationnels du composé
[Au2(pdtc)2]. Pour le composé [Au2(edtc)2] l’intensité relative du pic à ~610 cm-1 augmente
beaucoup plus que les autres, tel qu’illustré à la figure 6.9a.
6.3.3 Spectroscopie d’absorption
L’étude de luminescence peut être conjuguée à une étude d’absorption. Les états excités des
composés d’or(I) sont grandement affectés par les interactions aurophiles.99,100 Ces
interactions peuvent être présentes en solution, mais c’est principalement à l’état solide
qu’elles sont importantes.
La figure 6.10 montre que le spectre d’absorption à l’état solide du composé [Au2(edtc)2]
correspond bien à la luminescence de ce dernier. Les bandes de luminescence et
d’absorption ont des énergies similaires. De plus, la forme des bandes est symétrique. Le
spectre d’absorption effectué sur le monocristal permet même d’observer une transition à
plus basse énergie correspondant à l’épaulement constaté à la température de la pièce. La
bande d’absorption du complexe [Au2(pdtc)2] correspond approximativement à l’image
miroir de la bande de luminescence à basse température. Étant donné la largeur relative de
la bande d’absorption, elle pourrait provenir de transitions vers les deux états émissifs
(basse température et température pièce).
111
A
10000
Absorption et luminescence (u.a.)
Absorption et luminescence (u.a.)
Réflectance diffuse
Luminescence
Solution
20000
30000
-1
Nombre d'ondes (cm )
Luminescence
Cristal
10000
15000
20000
-1
Nombre d'ondes (cm )
Absorption et luminescence (u.a.)
B
Réflectance diffuse
Luminescence 5K
Luminescence TP
15000
Figure 6.10
20000
-1
Nombre d'ondes (cm )
25000
Spectres d’absorption et de luminescence des complexes [Au2(edtc)2] (A) et
[Au2(pdtc)2] (B)
112
6.4 Calculs théoriques
Différents calculs DFT ont été effectués afin de mieux comprendre la nature des états
électroniques de ces matériaux ainsi que pour analyser leurs spectres vibrationnels. Les
fonctionnelles de densité utilisées sont B3LYP et PBEPBE alors que les bases furent
Lanl2dz et SDD offertes par le programme Gaussian98.30 Ces bases sont des pseudopotentiels permettant de tenir compte de certains effets relativistes. L’option TD-DFT fut
utilisée pour déterminer l’énergie des états excités.
6.4.1 Étude structurale et vibrationnelle
Les modèles utilisés sont plus simples que la structure déterminée par cristallographie. Une
première approximation est l’élimination de la polymérisation via l’interaction aurophile.
Afin de conserver un nombre de paramètres acceptables, l’étude fut effectuée sur des
dimères sans interaction interdimères et sur des tétramères (deux dimères). Une seconde
approximation est l’angle Au-Au-Au. Afin de conserver une relativement haute symétrie, cet
angle a été fixé à 180º, même si la structure expérimentale montre que l’angle Au-Au-Au est
de 174º.
Comme le montre le tableau 6.1, les motifs structuraux obtenus par l’optimisation de
géométrie sont relativement proches de la structure cristallographique du composé
[Au2(edtc)2].
113
Tableau 6.1
Paramètres
géométriques
des
structures
optimisées
de
tétramères
(fonctionnelle : PBEPBE; base : Lanl2dz)
[Au2(edtc)2]2
[Au2(pdtc)2]2
Calculs
Cristallographiea
Calculs
Au-Au intradimère (Å)
2,847
2,782 (1)
2,857
Au-Au interdimère (Å)
2,952
3,004 (1)
2,964
Au-S (Å)
2,433
2,293 (3)
2,440
C=S (Å)
1,801
1,72 (1)
1,797
S-Au-Au-S (deg.)
34,7
-
32,8
Motifs structuraux
a : Composé [Au2(edtc)2]n Référence 94
Une attribution des modes vibrationnels de ce type de composé peut être compliquée. Les
calculs DFT ont été utilisés afin de déterminer la nature des pics Raman observés. Ces
calculs ont été effectués sur un seul dimère. Cette approximation peut affecter les
fréquences et les intensités calculées, en particulier pour les vibrations reliées aux centres
métalliques. L’attribution effectuée de certains pics Raman de la figure 6.6 est montrée au
tableau 6.2.
Tableau 6.2 Assignation des modes vibrationnels à l’aide de calculs DFT (fonctionnelle :
PBEPBE; base : Lanl2dz).
Mode vibrationnel
[Au2(edtc)2]
[Au2(pdtc)2]
calculé
observé
calculé
observé
νAu-Au
108
-
103
-
νAu-S
177
203
154
177
νS=C=S+ νAu-S
377
408
365
394
νC=S + νS-Au-S
393
452
423
459
νdtc
585
606
-
-
La fréquence de la vibration d’étirement Au-Au est en dessous de la limite expérimentale.
Les différents modes impliquent beaucoup d’atomes et les indices du tableau 4.1 sont
114
simplifiés. Selon ces calculs, le pic Raman augmentant en intensité lors de l’étude sous
pression, montré à la figure 4.9a, correspond à une déformation hors-plan centrée sur le
motif S2CN des ligands dithiocarbamates.
6.4.2 Étude TD-DFT
La nature même des transitions électroniques est complexe à déterminer. Les calculs
théoriques peuvent aider à définir certaines caractéristiques particulières des états excités.
Une première caractéristique intéressante se découvre par l’étude des orbitales et des
configurations électroniques impliquées dans les transitions.
Comme le montre la figure 6.11, l’orbitale HOMO semble présenter un fort caractère
et
. Elle correspond aux orbitales dx2-y2 des différents centres métalliques
interagissant de façon anti-liante l’une avec l’autre. L’orbitale LUMO, tant qu’à elle,
correspond à un mélange des orbitales 6s et des orbitales 5d des centres métalliques. La
nature de l’interaction Au-Au est différente d’une liaison à l’autre. Alors que l’orbitale
présente un caractère anti-liant au niveau de l’interaction aurophile intradimère, elle présente
un caractère liant au niveau de la liaison Au-Au interdimère. À plus haute énergie, une
seconde orbitale ayant une forte densité au niveau de l’interaction Au-Au est présente. Elle
présente un caractère inverse de la première, soit liante intradimère et non-liante ou antiliante au niveau de l’interaction interdimère. La transition électronique entre l’orbitale
HOMO et ces dernières peut être considérée comme une transition centrée sur les métaux
(MC). La transition vers l’orbitale LUMO renforcera principalement la liaison
intermoléculaire et sera donc nommée MCinterdimère. La transition vers l’autre orbitale
favorisera l’interaction Au-Au intradimère et sera nommée MCintradimère.
L’ordre énergétique de ces deux orbitales est particulier. Un modèle simple prévoit que
l’orbitale présentant le plus de caractère liant doit être à plus basse énergie. Pourtant, dans le
cas présent, l’orbitale à plus basse énergie présente deux interactions anti-liantes et une
interaction liante comparativement à la seconde, qui présente deux interactions liantes.
Outre la nature des interactions Au-Au, une seconde différence est notable. Vu la parité des
115
orbitales centrées sur les atomes d’or(I) du dimère, la délocalisation sur les ligands pontants
ne se fait pas par les mêmes orbitales des diéthyldithiocarbamate. La nature de cette
délocalisation affecte l’énergie de l’orbitale moléculaire et peut expliquer l’inversion
énergétique observée. À la même énergie que les différentes orbitales inoccupées discutées
précédemment, se trouvent des orbitales localisée en majeure partie sur les ligands. Une
transition électronique entre l’orbitale HOMO et ces dernières est un transfert de charge
métal-ligand (MLCT).
A
B
C
Figure 6.11
D
Orbitales moléculaires obtenues des calculs DFT (fonctionnelle : PBEPBE;
base : Lanl2dz). (A) Orbitale HOMO, (B) orbitale LUMO de caractère
, (C) orbitale LUMO centrée sur le ligand et (D) orbitale LUMO
de caractère
. L’enveloppe correspond à une valeur d’isodensité
électronique de 0,02 unité atomique.
116
Toutes déformations peuvent être modélisées comme étant des combinaisons de
déformations le long de modes normaux. Comme expliqué précédemment, la pression
induit une déformation le long des liaisons faibles amenant une diminution du volume de la
maille cristalline et donc des molécules. Vu ces caractéristiques, la variation de pression a été
modélisée à l’aide de déformations le long des modes normaux de symétrie a1
correspondant aux étirements Au-Au. Une déformation selon un mode non totalement
symétrique amène peu ou pas de variation du volume de la molécule. La figure 6.12 montre
ces deux modes. Le mode calculé à 117 cm-1 correspond à une forte contraction des liaisons
intradimère et une dilatation de la liaison interdimère alors que pour le mode à 38 cm-1,
toute les liaisons Au-Au se contractent ensemble. Pour ce dernier mode, la variation de la
distance Au-Au interdimère est plus importante que pour la liaison Au-Au intradimère. La
pression amène une contraction de ces modes et la distance entre les deux atomes d’or aux
extrémités de la chaîne Au-Au-Au-Au peut être considérée comme étant une représentation
qualitative de la pression.
A
Figure 6.12
B
Modes normaux d’étirement Au-Au de symétrie a1. Le mode à 38 cm-1 (A) et
le mode à 117 cm-1 (B).
La variation énergétique des états est montrée à la figure 6.13. La contraction selon le mode
à 38 cm-1 amène l’abaissement de l’énergie des états MLCT et de l’état MCinterdimère, mais une
augmentation de l’énergie de l’état MCintradimère. Pour la déformation selon le mode à 117 cm-1
tous les états baissent en énergie, particulièrement l’état MCintradimère. La pression n’est pas
spécifique à un mode vibrationnel. L’effet de celle-ci sur l’énergie de l’état MCintradimère
provient d’une contribution de ces deux déformations ainsi que de modes non étudiés et
peut donc être considéré comme globalement bathochromique vu l’amplitude de la
variation induite par la déformation à 117cm-1.
Vu les différentes approximations utilisées, les observations effectuées doivent être
considérées comme qualitatives. Malgré tout, les déplacements bathochromiques décrits ici
correspondent bien à ce qui a été observé en luminescence.
117
24x10
3
24x10
3
A
B
22
Énergie (cm )
20
-1
-1
Énergie (cm )
22
20
18
18
16
14
16
12
8.4
8.6
dAu-Au extrémités (Å)
Figure 6.13
8.2
8.4
8.6
dAu-Au extrémités (Å)
Évolution des énergies des états excités de la molécule [Au2(edtc)2]2 lors de la
distorsion le long du mode vibrationnel à 38 cm-1 (A) et 117 cm-1 (B). Les
symboles
(3Γ) et
(1Γ) correspondent aux états excités provenant de la
transition centrée sur les métaux MCinterdière. Le
provenant de la transition MCintradière. Les
représente l’état triplet
correspondent à différents états
singulet et triplet provenant de transitions MLCT.
Cette étude peut être étendue afin de visualiser les puits d’énergie potentielle selon ces
mêmes coordonnées normales. La géométrie d’équilibre des états excités peut être
déterminée à partir des puits montrés à la figure 6.14. À l’état fondamental, la distance AuAu intramoléculaire d’équilibre est de 2,847 Å et la distance entre les deux atomes d’or aux
extrémités de la chaîne Au-Au-Au-Au est de 8,647 Å. Tel que montré au tableau 6.3, le sens
de la déformation des états excités centrés sur les métaux ne se suivent pas. Selon la
coordonnée normale à 38 cm-1, l’excitation vers l’état MCinterdimère favorise une contraction de
la chaîne Au-Au-Au-Au alors que la transition vers l’état MCintradimère implique une dilatation
de cette même chaîne. Par contre, l’étude de la déformation selon la coordonnée normale à
118
117 cm-1 montre que l’excitation vers l’état MCinterdimère amène une légère dilatation alors
qu’une transition vers l’état MCintradimère favorise une contraction.
B
3
-1
Énergie (cm )
30x10
-1
Énergie (cm )
30x10
A
3
20
20
10
10
0
0
8.4
Figure 6.14
8.4
8.6
8.8
dAu-Au extrémités(Å)
8.6
8.8
dAu-Au extrémités (Å)
9.0
Puits d’énergie potentielle des différents états du composé [Au2(edtc)2]2.
Selon les modes normaux à 38 cm-1 (A) et 117 cm-1 (B) La signification des
symboles est décrite à la figure 6.13.
Tableau 6.3 Distance entre les deux atomes d’or des extrémités de la chaîne
Au-Au-Au-Au à l’équilibre
Modes
38 cm-1
117 cm-1
État fondamental
8,647 Å
8,647 Å
MCinterdimère
8,642 Å
8,664 Å
MCintradimère
8,660 Å
8,607 Å
119
6.5 Discussion
Dans ce chapitre, différents phénomènes électroniques ont été observés. La variation de la
température a pour effet de moduler la luminescence selon deux transitions différentes. La
pression induit un important déplacement bathochromique ainsi qu’une variation de la
forme de la bande de luminescence. Ces deux caractéristiques seront expliquées ici.
6.5.1 Déplacement bathochromique
Il est important de décrire les états impliqués dans les transitions observées. Pour ce faire, le
diagramme d’orbitales moléculaires, montré à la figure 6.15, est très utile. Si les interactions
aurophiles sont ignorées, le complexe formé est de géométrie linéaire ayant deux ligands
donneur σ et donneur π. Les ligands dithiocarbamate présentent une asymétrie de
l’interaction π qui ne sera pas développé ici. La configuration des orbitales d montre que,
pour un complexe de configuration électronique d10, le caractère de l’orbitale HOMO est
alors que l’orbitale LUMO correspond à l’orbitale 6s vide et son caractère
d’interaction métal-ligand est anti-liant selon les calculs DFT. Lors de l’interaction entre
deux centres métalliques, les deux orbitales dx2-y2 (précédemment HOMO) interagissent afin
de donner aux dimères une orbitale HOMO ayant comme caractère
nouvelle orbitale LUMO présente un caractère
alors que la
. Il est important de noter que
ces caractères ne changent pas avec l’angle d’interaction.
Vu la nature
de l’orbitale HOMO et la nature
de l’orbitale LUMO, nous
pouvons prédire que l’état excité provenant de la promotion d’un électron entre ces deux
orbitales doit présenter une interaction métal-métal plus importante. Cette information est
primordiale dans la compréhension des phénomènes spectroscopiques observés, le
déplacement bathochromique en particulier.
Lors de la compression, les liaisons les plus faibles sont favorablement comprimées et dans
nos complexes, la liaison Au-Au est la liaison chimique la plus faible. Puisque l’orbitale
120
HOMO a un caractère
, elle augmentera en énergie lorsque l’interaction entre les
centres métalliques augmente. Différemment, l’énergie de l’orbitale LUMO diminuera
puisque le caractère de cette dernière est
. Le résultat est la réduction de l’écart
HOMO-LUMO lors de la compression. Ceci entraine une diminution de l’énergie du
premier état excité, et donc de la transition électronique correspondante.
σ*
0
σ* ; σ*
σ* ; σ*
σ* ; σ
σ* ; σ
σ*; σ*
σ*; σ*
σ*; σ
σ*; σ
6s
σ*
π*
n.l.
5d10
Au
Figure 6.15
AuL2
π*; π∗
π* n.l.
π* π
n.l. π∗
n.l. n.l.
n.l. π
[AuL2]2 ║
(n.l.+π*) π∗
π* n.l.
n.l. n.l.
(n.l.+π*) π
[AuL2]2 ⊥
Diagramme d’orbitales moléculaires de complexes d’or(I) ainsi que de
dimères de conformation périplanaire et orthogonale. La nature de
l’interaction métal-ligand est écrite en noir alors que le caractère métal-métal
est écrit en rouge.
Ce modèle simple n’explique pas la présence des différents états émissifs ainsi que
l’élargissement de la bande d’émission.
121
6.5.2 Les différents états émissifs.
Alors que la nature de l’orbitale HOMO est relativement simple, la nature même des
différentes orbitales LUMO est plus complexe. Les calculs DFT ont montré que ces
dernières sont influencées par la nature du ligand dithiocarbamate pontant. Dans ces
composés polymériques, une orbitales ayant un caractère
è
stabilisée par l’interaction avec une orbitale du ligand respectant le caractère
è
est
è
.
C’est cette dernière qui est la LUMO calculée. Une autre orbitale proche en énergie présente
un caractère
caractère
è
è
è
è
. La transition d’un électron de l’orbitale HOMO de
vers l’une ou l’autre de ces orbitales forment deux états
excités qui présentent une interaction métal-métal globalement plus forte qu’à l’état
fondamental. Dans l’un des cas, c’est la liaison intradimère qui est favorisée alors que c’est la
liaison interdimère qui est plus stabilisée. Comme montré à la figure 6.16, le sens de la
déformation des deux états excités ainsi formés est différent selon le mode normal AuAu···Au-Au antisymétrique. Ce décalage a pour effet de créer deux états excités
potentiellement émissifs.
-1
Énergie (cm )
122
QAu-Au (anti-symétrique)
Figure 6.16
Diagramme de l’état électroniques fondamental et des états émissifs. Les
énergies d’activation de la transition entre les états émissifs sont représentées
par les accolades.
Dans le cas du complexe [Au2(edtc)2], l’émission à partir des deux états est observée à très
basse température. La faible barrière énergétique entre les deux états prévient l’excitation de
changer d’état. Lorsque la température augmente (~50 K), la faible barrière énergétique
peut être franchie par le peuplement de niveaux vibrationnels. Le processus de désactivation
de l’état excité de plus haute énergie vers l’état excité à plus basse énergie est alors permis,
ce qui amène la disparition progressive de la bande d’émission provenant de l’état excité à
plus haute énergie. Au fur et à mesure que la température continue à augmenter, deux
processus interviennent : la désactivation non-radiative des différents états excités et la
rééquilibration de la population de ces deux états. Comme il a déjà été observé, les durées
de vie des deux transitions sont légèrement différentes. La transition à plus haute énergie est
plus rapide que celle à basse énergie. Vu sa courte durée de vie, la transition à plus haute
énergie est moins affectée par le phénomène de désactivation non-radiative. Ceci explique la
réapparition de cette bande à haute température. Elle devient même majoritaire à la
température de la pièce. Pour le composé [Au2(pdtc)2], seul le phénomène de réapparition
123
de la bande à haute énergie est observable. Ceci provient du plus faible écart énergétique
entre les deux états excités (~700 cm-1 vs. 1100 cm-1 pour [Au2(edtc)2]) favorisant la
rééquilibration thermique.
6.5.3 Largeur de la bande
La largeur d’une bande de luminescence provient des changements structuraux entre l’état
fondamental et l’état excité émissif. Selon le modèle simple impliquant une transition
centrée sur les métaux, seul les modes normaux provenant de l’interaction aurophile et de
l’interaction métal-ligand devraient être affectés par la transition. La fréquence
vibrationnelle de l’étirement Au-Au est de l’ordre de 100 cm-1 et les fréquences des
différents modes Au-S sont aussi relativement basses. Une distorsion de l’état excité selon
ces modes mène à la formation d’une bande mince. Ce modèle simple répond à la bande
mince qui est observée ici mais pas pour plusieurs spectres de luminescence rapportés85,86
présentant de larges bandes qui doivent impliquer des modes vibrationnels du ligand.
L’élargissement de la bande à haute pression peut provenir de différents phénomènes. Le
premier implique l’augmentation du décalage selon les modes normaux à faibles fréquences
et le second est la déformation selon un mode à haute fréquence qui ne présentait pas de
décalage à pression ambiante.
La pression externe a pour conséquence de raccourcir, et donc de renforcer, les liaisons les
plus faibles. L’excitation d’un électron d’une orbitale de caractère
caractère
vers une orbitale de
a pour effet de renforcer cette liaison. Tel qu’illustré à la figure 6.17, l’état
excité, ayant une liaison Au-Au plus forte, sera moins affecté par la pression que l’état
fondamental. La déformation selon la coordonnée normale Au-Au a donc tendance à
diminuer au lieu d’augmenter. Cette diminution a pour conséquence de réduire la largeur de
la bande d’émission. Ce comportement ne correspond pas au phénomène observé et le
modèle est donc trop simple.
124
-1
Énergie (cm )
Pression
Pression
QAu-Au
Figure 6.17
Effet de la pression sur la distorsion entre deux états selon le mode
vibrationnel d’étirement Au-Au.
Le modèle proposant une nouvelle distorsion selon un mode vibrationnel non décalé à
pression ambiante a l’avantage d’expliquer l’élargissement de la bande d’émission. Par
contre, la provenance de cet effet est plus difficile à expliquer et implique une distorsion
selon des modes normaux centrés sur les ligands. Les spectres Raman ne montrent pas de
transition de phase induite par la pression et les spectres d’émission montrent l’apparition
d’une bande large à haute pression, l’effet doit donc provenir d’une modification des états
excités. Cette déformation pourrait même impliquer la formation d’excimères via
l’interaction entre les différentes chaînes polymériques amenée par la pression. Les spectres
Raman étudiés en fonction de la pression donnent de précieux renseignement sur les modes
normaux décalés. Tel qu’illustré à la figure 4.9a, pour le composé [Au2(edtc)2], l’intensité du
mode vibrationnel à ~610 cm-1 augmente beaucoup avec la pression. Cette évolution
provient d’un phénomène de Raman de résonance9,101 induit par la pression. Comme le
démontre la figure 6.18, lorsque la pression augmente, l’énergie des états excités diminue.
Lorsque l’énergie de la bande d’absorption s’approche de celle du laser d’excitation,
l’intensité Raman des modes normaux décalés à l’état excité augmente. Le mode normal à
125
~610 cm-1 correspond à une vibration centrée sur le ligand (déformation hors-plan du motif
S2CN).
Absorbance (u.a.)
Intensité Raman (u.a.)
Pression
-1
Énergie (cm )
Figure 6.18
-1
Déplacement Raman (cm )
Description du phénomène de Raman de résonance induit par la pression.
Déplacement bathochromique de la bande d’absorption vers la longueur
d’onde d’excitation (A) ce qui amène l’augmentation d’intensité de certains
pics Raman (B).
6.6 Conclusion
Différentes méthodes spectroscopiques couplées à des procédés permettant de moduler la
structure ainsi que des modèles théoriques ont permis d’améliorer la compréhension de la
structure électronique des composés polymériques d’or(I). La luminescence en fonction de
la température a montré clairement la multitude d’états émissifs et la finesse des bandes
d’émission. Cette faible largeur implique que les états émissifs soient décalés selon des
coordonnées normales de relativement basses fréquences. L’étude de ces mêmes bandes,
mais en fonction de la pression, fut surprenante puisque deux phénomènes intéressants y
126
ont été observés. Un important bathochromisme implique que la nature de la bande
d’émission est fortement dépendante de la distance Au-Au. De plus, une bande large
apparait à haute pression. L’état excité de cette transition large a pu être étudié à l’aide du
phénomène de Raman de résonance induite par la pression. Le décalage selon un mode
normal correspondant à une vibration du ligand a pu être démontré. La nature des bandes
de luminescence de ces polymères d’or(I) correspond donc à une transition centrée sur les
métaux, mais ayant une composante du ligand non négligeable.
127
Chapitre 7
Spectroscopie de luminescence de nouveaux agrégats de
lanthanides
7.1 Introduction
La chimie des terres rares est présentement en effervescence dû aux récentes recherches sur
l’auto-assemblage et sur le magnétisme moléculaire. Les aimants moléculaires ont comme
aspect en commun des dimensions à l’échelle du nanomètre et plusieurs centres métalliques
qui interagissent afin d’obtenir les propriétés magnétiques désirées. Ces matériaux montrent
aussi des propriétés optiques intéressantes et différentes de celles observées pour un
complexe à un seul centre métallique ou pour un matériau étendu. Les sels simples des
lanthanides sont souvent étudiés pour leurs caractéristiques optiques, en vue d’applications
pour l’illumination fluorescente,102,103 ou même comme laser à faible débit d’énergie.104
Différentes complications surviennent lors de l’analyse de ces matériaux étendus. Ils
présentent un grand nombre d’interactions importantes qui influencent les processus de
transfert d’énergie et les imperfections structurales mènent à des faibles rendements de
luminescence. Dans les matériaux qui contiennent des ions métalliques différents, la
répartition des différents ions sur les sites de coordination ne peut être contrôlée. Les
agrégats moléculaires étudiés ici nous donnent accès à un contrôle de la distribution des
différents ions lanthanides de degré d’oxydation identique.
La chimie de coordination d’agrégats polymétalliques est une approche de chimie douce qui
offre l’avantage de pouvoir définir les systèmes tout en limitant la quantité d’imperfections
structurales. Des recherches récentes utilisent des ligands organiques complexes afin de
moduler la nucléarité, la structure et les caractéristiques optiques d’agrégats
polymétalliques.105,106 Malgré toutes ces études sur l’élaboration de nouveaux ligands
toujours plus compliqués, différents facteurs nous ramènent à la chimie des ligands βdicétone comme ligand modulant les caractéristiques des agrégats. Des recherches récentes
ont montrées que la substitution du ligand β-dicétone affecte de façon importante l’auto-
128
assemblage d’agrégats de lanthanides.
107
Comme montré à la figure 7.1, ce ligand
monoanionique et bidentate peut être substitué permettant d’insérer des chromophores ou
des groupements structurants à proximité des centres métalliques. Un substituant à faible
encombrement stérique (R : Me) permet de former des composés de haute nucléarité alors
que l’utilisation de groupements plus encombrants (R : Ph ou t-Bu) favorise la formation de
d’agrégats de plus faible nucléarité.
A
Figure 7.1
B
Déprotonation d’un ligand β-dicétone (A) et différents modes de
coordination observés dans les agrégats étudiés (B). Le ligand β-dicétone
peut être substitué (R : Me, t-Bu, Ph)
Plusieurs composés polymétalliques de différentes nucléarités et structures peuvent être
synthétisés à l’aide de ces ligands. Comme illustré à la figure 7.2, la structure des motifs de
base polymétalliques de ces complexes comporte différents sites de coordination, par
exemple au sommet ou à la base de la pyramide. L’application de différentes techniques
spectroscopiques est envisagée pour explorer ces différents sites structuraux.. De plus, les
caractéristiques structurales des différents sites peuvent être exploitées afin de créer des
molécules exhibant des dopages discriminatifs.
129
A
Figure 7.2
B
Les motifs de base structuraux des agrégats à cinq lanthanides (A) et des
agrégats à neuf lanthanides (B). Les atomes d’oxygènes des ligands hydroxo
sont montrés en rouge alors que les atomes d’oxygènes des ligands βdicétone sont montrés en bleu. Certains atomes sont omis pour une plus
grande clarté.
7.2 Partie expérimentale
7.2.1 Synthèses
La liaison lanthanide-ligand est faible. Cette caractéristique cause beaucoup de problèmes
(coordination du solvant, instabilité du produit, grande sensibilité aux conditions
réactionnels), mais offre aussi la possibilité de synthétiser des complexes par autoassemblage. Des agrégats contenant deux lanthanides différents ont été synthétisés. La
différence des rayons ioniques mène à une répartition non-statistique sur les différents sites
du cluster. Ces synthèses ont été effectuées en collaboration avec Sarah Petit (équipe du
professeur D. Luneau) à l’Université Claude Bernard Lyon I. L’ion Y(III) n’est pas un
lanthanide, mais sa chimie y est très similaire. Il sera, pour les besoins de ce projet,
considéré comme un lanthanide.
130
Ln9 : Ln9(acac)16(μ3-OH)8(μ4-OH)(μ4-O)
1 mmol de LnCl3·6H2O (Ln = Y, Eu, Gd, Tb ou Dy) est solubilisé dans 5 ml de méthanol.
Lorsque la solution est parfaitement limpide, 0,2 ml (2 mmol) de 2,4-pentanedione (acac)
ainsi que 0,4 ml (2,9 mmol) de triéthylamine y est ajouté. La solution est laissée sous
agitation pendant 5 minutes avant d’être transférée dans une bouteille étanche et réfrigérée.
Des cristaux cubiques incolores ou faiblement colorés (selon le lanthanide utilisé) se
forment après 3 jours.
Y9-xLnx : Y9-xLnx(acac)16(μ3-OH)8(μ4-OH)(μ4-O)
La synthèse des agrégats dopés peut être modifiée pour obtenir des matériaux présentant
différentes concentrations d’ion dopant. Ici, le ratio de produit de départ mènera à la
formation de composés contenant approximativement 11% d’ion dopant. 0,88 mmol de
YCl3·6H2O ainsi que 0,11 mmol de LnCl3·6H2O (Ln’ = Pr, Eu, Gd, Tb, Dy, Yb) sont
solubilisés dans 5 ml de méthanol. Lorsque la solution est parfaitement limpide, 0,2 ml (2
mmol) de 2,4-pentanedione (acac) ainsi que 0,4 ml (2,9 mmol) de triéthylamine y est ajouté.
La solution est laissée sous agitation pendant 5 minutes avant d’être transférée dans une
bouteille étanche et réfrigérée. Des cristaux cubiques incolores ou faiblement colorés (selon
le lanthanide utilisé) se forment après 3 jours.
Ln8 : Ln8(acac(t-Bu)2)10(μ3-OH)12(μ4-O)
Dans une bouteille en verre, 0,66 mmol de LnCl3·6H2O (Ln = Y, Eu, Gd, Tb, Dy) ainsi que
0,25 ml (1,2 mmol) de 2,2,6,6-tetraméthyl-3,5-heptanedione (acac(t-Bu)2) sont solubilisés
dans 10 ml de méthanol. Lorsque la solution est parfaitement limpide, 0,35 ml (2,5 mmol)
de triéthylamine y sont ajoutés. La bouteille est alors bouchée et la solution est laissée sous
agitation pendant 18 heures. Le précipité formé est récupéré et redissout dans un minimum
de dichlorométhane. La solution résultante est filtrée pour éliminer toutes impuretés
insolubles. Des cristaux incolores ou faiblement colorés (selon le lanthanide utilisé) se
forment lors de la diffusion lente d’hexane dans la solution de dichlorométhane. Lors d’une
131
tentative d’optimisation de cette synthèse et de la recristallisation, des cristaux d’un produit
ont été obtenus. La formule chimique de ce produit est Eu(acac(t-Bu)3(MeOH)2. L’étude
cristallographique ainsi que la synthèse complète sont rapportés à l’annexe 7.
Ln5: Ln5(acac(Ph)2)10(μ3-OH)4(μ4-OH)
La synthèse de ces composés est une variation de méthodes tirées de la littérature. 108,109
Dans une bouteille en verre, 0,66 mmol de LnCl3·6H2O (Ln = Y, Eu, Gd, Tb, Dy) ainsi que
280 mg (1,25 mmol) de 1,3-diphenyl-1,3-propanedione (acac(Ph)2) sont solubilisés dans 10
ml de méthanol. Lorsque la solution légèrement jaunâtre est parfaitement limpide, 0,35 ml
(2,5 mmol) de triéthylamine y est ajouté. La bouteille est alors bouchée et la solution est
laissée sous agitation pendant 18 heures. Le précipité formé est récupéré et redissout dans
un minimum de dichlorométhane. La solution résultante est filtrée pour éliminer toutes
impuretés insolubles. Des cristaux jaunes se forment lors de la diffusion lente d’hexane dans
la solution de dichlorométhane
7.2.2 Structures cristallographiques des agrégats dopés
Une étude cristallographique sur certains complexes dopés du type Y9-xLnx(acac)16(μ3OH)8(μ4-OH)(μ4-O) a été effectuée afin de déterminer la position préférentielle du
lanthanide dopant. Les structures des composés Ln5 et Ln8 ont été effectuées par Sarah
Petit de l’Université Claude Bernard Lyon I et seront brièvement discutées à l’annexe 8.
Toutes les mesures ont été effectuées sur le diffractomètre Nonius Kappa CCD du centre
de diffraction Henri LongChambon de l’Université Claude Bernard Lyon I. Afin de
déterminer le ratio de lanthanides, deux ions différents (majoritaire et dopant) ont été
positionnés sur chaque site de l’agrégat. Leurs occupations ont été affinées alors que la
somme de leurs occupations a été fixée à 1. L’ion dopant a été enlevé des sites lorsque
l’occupation de ce dernier approchait de zéro. Un résumé des différentes informations
cristallographiques est fourni aux tableaux 7.1 et 7.2.
132
Tableau 7.1
Données cristallographiques des structures des agrégats Y9 dopés en Pr(III),
Dy(III), Tb(III) et Yb(III)
Formule affinée
Y:Ln affinée
Masses mol. (g mol-1)
Syst. cristallographique
Groupe d’espace
Température (K)
Z
a (Å)
c (Å)
V (Å3)
Réfls ind.
Rint
Couleur du cristal
Forme cristalline
Dims du cristal (mm3)
Densité (g cm-3)
μ (mm-1)
R / Rw (I/σ(I) > 3)
S
Δρmax / Δρmin (e- Å-3)
N° réfls utilisées
N° de params / cont.
Corr. d’abs.
C80H129O46Ln9
Pr0,43 :Y8,57
2649,4
tétragonale
P4/n (No. 85)
150
2
19,0060 (4)
15,5001 (3)
5559,1 (2)
6907
0,041
incolore
cube
0,1 × 0,1 × 0,1
1.537
4,468
0,0433 / 0,0466
1,10
1,79 / -1,00
3071
C80H122O42,5Ln9
Dy1,98 :Y7,02
2709,7
tétragonale
P4/n (No. 85)
290
2
19,251 (3)
15,556 (3)
5765 (2)
7073
0,040
incolore
cube
0,17 × 0,20 × 0,21
1,561
4,829
0,0359 / 0,0414
1,01
1,81 / -1,71
4051
C80H121O42Ln9
Tb1,95 :Y7,05
2691,5
tétragonale
P4/n (No. 85)
290
2
19,1463 (2)
15,5273 (2)
5692,0 (1)
6777
0,032
incolore
cube
0,23 × 0,27 × 0,28
1,570
4,818
0,0356 / 0,0404
1,11
2,35 / -1,80
3936
C80H121O42Ln9
Yb1,66 :Y7,34
2694,6
tétragonale
P4/n (No. 85)
290
2
19,1633 (3)
15,4901 (4)
5688,5 (2)
6684
0,046
incolore
cube
0,68 × 0,75 × 0,77
1,573
5,120
0,0751 / 0,0765
1,01
2,61 / -2.32
3695
321 / 4
310 / 10
308 / 10
259 / 10
-
-
-
-
P4/n (N.85)
19,1041 (3)
15,5149 (4)
5662,4 (2)
2
0,71073
incolore
cubique
0,02 × 0,02 × 0,02
5579
0,036
290
1,540
4,668
0,1233/0,1204
1,08
3,32/-3,09
3535
288/13
P4/n (N.85)
19,151 (2)
15,525 (2)
5694 (1)
2
0,71073
incolore
cubique
0,02 × 0,02 × 0,02
7005
0,068
290
1,501
4,605
0,0350/0,0364
1,10
0,98/-0,63
3232
300/0
Groupe d’espace
c (Å)
V (Å3)
Longueur d’onde (Å)
Couleur du cristal
Forme du cristal
Nbre de réfl. ind.
Rint
Température (K)
Densité (g/cm3)
μ (mm-1)
Correction d’absorption
N° param. aff./Cont.
N° Réf. utilisées
Δρmax/ Δρmin (e-/Å3)
S
R/Rw [I/σ(I)>3]
Dim. du cristal (mm)
Z
a (Å)
-
tétragonale
tétragonale
Syst. cristallographique
-
2625,8
2573,0
Masse molaire (g/mol)
Analytique
288/10
2506
1,04/-0,54
1,15
0,0508/0,0462
4,541
1,490
290
0,128
6787
0,51 × 0,54 × 0,59
cubique
incolore
0,71073
2
5793,1 (4)
15,5604 (6)
P4/n (N.85)
19,2950 (9)
tétragonale
2598,4
Y8,6 : Eu0,4
Y8,02 : Eu0,98
Y9
Y:Eu affinée
C80H122O42,5Ln9
C80H123O43Y9
C80H123O43Ln9
Formule affinée
Analytique
325/0
3168
0,66/-0,75
1,20
0,0414/0,0584
4,760
1,662
290
0,093
6867
0,10 × 0,11 × 0,12
cubique
incolore
0,71073
2
5709,8 (3)
15,4407 (6)
P4/n (N.85)
19,2299 (6)
tétragonale
2853,9
Y4,64 : Eu4,35
C80H122O42,5Ln9
Tableau 7.2 Données cristallographiques des structures des agrégats Y9 dopés en Eu(III)
Analytique
300/0
2514
2,18/-1,21
1,13
0,0522/0,0566
4,929
1,824
290
0,046
6798
0,07 × 0,13 × 0,13
cubique
jaune pâle
0,71073
2
5721,2 (4)
15,5661 (6)
P4/n (N.85)
19,1714 (7)
tétragonale
3140,5
Eu9
C80H123O43Eu9
133
134
Figure 7.3
Représentation générale des agrégats à neuf centres métalliques. Le
complexe C80H129O46Pr0,43Y8,57 a été choisi pour cette figure.
Tel qu’illustré à la figure 7.3, tous les complexes étudiés adoptent une géométrie similaire à
celle observée pour les complexes non-dopés107 ainsi que pour les cations [Ln9(acac)16(μ3OH)8(μ4-OH)2]+ (Ln = Sm, Eu, Gd, Dy, Yb)110,111,112. L’absence de contre-ions dans la
structure cristalline prouve la neutralité du composé et le désordre μ4-(O,OH) est nécessaire
pour conserver cette neutralité. Comme montré à la figure 7.4, les agrégats comportent
deux sites pour les ions lanthanides. L’ion central est ceinturé de 8 ligands hydroxo et la
symétrie locale est très proche à D4d (anti-prisme carré) alors que les 8 ions lanthanides
périphériques sont coordonnés à 3 ligands acac (2 η2 et 1 η1) ainsi que 2 ligands μ3-hydroxo
et un ligand μ4-oxo ou μ4-hydroxo. Ces dernières positions, contrairement au site central,
n’ont qu’une faible symétrie locale (prisme trigonal bicapé distordu, ~C2v). Ces symétries
locales sont confirmées par la méthode de Haigh.113
135
A
Figure 7.4
B
La géométrie de coordination de l’ion lanthanide central (A) et périphérique
(B) des complexes [Ln9(acac)16(µ3-OH)8(µ4-O)(µ4-OH)]. Les ions lanthanides
sont en vert alors que les atomes d’oxygène sont en rouge. Les traits
pointillés représentent les liaisons chimiques alors que les traits pleins
servent à représenter le polyèdre formé.
Différentes longueurs de liaisons métal-ligand sont résumées au tableau 7.3. La distance
moyenne entre les ligands μ4-(O,OH) et le métal est systématiquement plus longue (~2,57
Å) que les autres liaisons (Lnc–(μ3-OH) : ~2,43 Å, Lnp–(μ3-OH) : ~2,31 Å, Lnp–acac(μ1) :
~2,32 Å et Lnp–acac(μ2) : ~2,43 Å). Les différences observées pour les distances entre les
ligands μ3-OH et les ions lanthanides (central vs. périphérique) mènent à un volume de la
sphère de coordination pour le site central différent de celui des sites périphériques.
Tableau 7.3 Longueur de liaisons métal–ligands (en Ǻ) pour la position centrale (Lnc) et
les positions périphériques (Lnp) pour certains des agrégats dopés Y9-xLnx
étudiés.
Ln = Pr
Ln = Dy
Ln = Tb
Ln = Yb
Lnc–(μ3-OH)
2,427(4); 2,446(4)
2,429(3); 2,445(3)
2,423(3); 2,439(3)
2,396(6); 2,416(6)
Lnp–(μ3-OH)
2,279(4); 2,285(4)
2,302(4); 2,316(4)
2,5296(8); 2,5603(9)
2,299(3); 2,311(3)
2,318(3); 2,336(3)
2,5601(7); 2,5845(8)
2,266(4); 2,302(4)
2,316(4); 2,322(4)
2,324(4); 2,325(4)
2,392(4); 2,415(4)
2,425(4); 2.430(4)
2,288(4); 2,319(4)
2,325(3); 2,331(4)
2,342(4); 2,345(4)
2,420(4); 2,435(3)
2,444(4); 2,452(3)
Lnp–(μ4-O,OH)
Lnp–acac(μ1)
Lnp–acac(μ2)
2,285(3); 2,301(3)
2,269(6); 2,269(6)
2,315(3); 2,334(3)
2,276(6); 2,301(6)
2,5501(6); 2,5755(6) 2,5242(13); 2,5480(14)
2,271(4); 2,302(4)
2,318(3); 2,321(4)
2,328(4); 2,333(3)
2,406(3); 2,425(3)
2,433(3); 2,440(3)
2,265(7); 2,288(7)
2,300(7); 2,307(7)
2,310(7); 2,314(8)
2,392(7); 2,4080(4)
2,4225(2); 2,432(7)
136
Il est intéressant d’observer la longueur des liaisons C=O du ligand acac car elle est
influencée par la nature de l’équilibre céto-énolique. La moitié des ligands acac offre un
oxygène pontant entre deux lanthanides. La liaison C=O correspondante (μ2) est plus
longue (~0,03 Å) que toutes les autres liaisons C=O acac suggérant un plus grand caractère
énolate dû à la charge positive environnante provenant de la double coordination.
Les rayons ioniques des ions dopants114 (Pr = 1,126 Å; Eu = 1,066 Å; Tb = 1,040 Å; Dy =
1,027 Å; Yb = 0,985 Å) sont différents de celui de l’yttrium(III) (1,019 Å). Cette différence
marquée permet aux lanthanides de doper le complexe d’yttrium de façon très spécifique.
De plus, la grande différence d’électrons entre l’yttrium et les ions dopants permet de bien
différencier les sites riches en électrons, donc dopés en ions lanthanides. Comme montré à
la figure 7.5, dans le complexe dopé en praséodyme, l’ion Pr(III) occupe spécifiquement la
position centrale alors que dans l’agrégat dopé en Yb(III), le dopant occupe les trois
positions, avec une préférence pour les sites périphériques.
Figure 7.5
Distribution des différents lanthanides dans les agrégats dopés en Pr(III) et
en Yb(III).
La nature de ce dopage n’est pas aléatoire et, tel qu’illustré à la figure 7.6, la spécificité de ce
dopage dépend du rayon ionique. Les ions dopants plus gros que l’yttrium préfèrent la
cavité la plus grande (site central) alors que l’ion plus petit (ytterbium) occupe
137
principalement le site périphérique plus petit. L’étude des composés dopés en Pr(III),
Eu(III) et Tb(III) montre que cette spécificité est proportionnelle à la différence de rayons
ioniques. Il est possible de déterminer un ratio entre les ions positionnés sur le site central et
positionnés sur les sites périphériques. Cette courbe montre clairement que la population
relative des ions Eu(III) centraux est plus importante lorsque le dopage diminue. Cette
observation est importante et sera utilisée lors de l’étude de luminescence de ces composés
(vide infra).
1
Pr(III)
Eu(III)
Tb(III)
Yb(III)
Non-spécifique
ncentrale/npéripherique
nLn(III) position centrale
0.6
0
0.4
0.2
0.0
0
Figure 7.6
3
6
nLn(III) par agrégat
9
Spécificité du dopage dans les composés Y9:Ln
0
3
6
9
nEu(III) per cluster
138
7.3 Résultats spectroscopiques
7.3.1 Spectroscopie Raman
Les molécules étudiées comportent une multitude de modes vibrationnels différents. Vu la
faible interaction covalente entre les centres métalliques et les ligands, les modes centrés sur
les ligands acac devraient montrer des fréquences vibrationnelles proches des fréquences
observées et assignées pour les sels d’alcalins du ligand. Dans certains cas, la luminescence
de l’agrégat peut masquer les bandes Raman.
Complexe Ln9
Tel qu’illustrés à la figure 7.7, les spectres Raman des différents complexes sont très
similaires. Une analyse détaillée de ces spectres permet d’observer l’influence du rayon
ionique du lanthanide sur la fréquence des modes vibrationnels. Une assignation complète
est particulièrement ardue en vue de la très grande complexité de ces composés, mais il est
quand même possible d’assigner certains pics grâce à des analyses vibrationnelles de la
littérature portant sur d’autres complexes acac.115,116,117 Certaines fréquences centrées sur ce
ligand nous permettent d’évaluer la force de l’interaction entre le métal et le ligand. Les
modes vibrationnels des liaisons C=O et C=C montrent l’influence de l’interaction π métalligand. La donation π du ligand se faisant grâce aux électrons présents dans les orbitales π
C=O et C=C délocalisées, une diminution de ces fréquences indique une donation nonnégligeable. Ces fréquences, montrées au tableau 7.4, sont très similaires à celles observées
pour les sels alcalins d’acac (ν(C=O) = 1610 cm-1 et ν(C=C) = 1519 cm-1).116 Cette faible
différence de fréquence suppose que l’interaction π dans nos complexes est faible. La
fréquence de ces modes varie légèrement avec la diminution du rayon ionique. Ceci peut
être expliqué par différentes caractéristiques de la structure sans qu’il soit possible d’en
identifier une cause exacte.
139
Tableau 7.4 Attribution de certains pics Raman des complexes Ln9 de formule chimique
Ln9(acac)16(μ3-OH)8(μ4-(O,OH))2. Seuls les pics le plus intenses sont
indiqués.
Eu(acac)3a
Eu9
Gd9
Tb9
Dy9
Y9
r. ionique
-
1,066
1,053
1,040
1,027
1,019
ν(O-H)
-
-
3340
-
3340
3340
νs(C=O)
1600
1580
1583
1586
1586
1588
νas(C=C)
1515
1514
1514
1515
1512
1516
νas(C=O)
1460
1454
1453
1454
1454
1454
νs(C=C)
1260
1268
1269
1270
1271
1272
b
a : Référence 118
b : Référence 114
L’identification des pics Raman correspondant au vibrations métal-oxygène est beaucoup
plus compliquée puisqu’il existe différentes liaisons de ce type (métal-oxo, métal-hydroxo μ4
vs. μ3 et métal-acac μ2 vs μ1). La fréquence des modes vibrationnels métal-ligand doit très
peu changer d’un complexe à l’autre. Certains des pics situés à basse énergie (<450 cm-1)
sont des modes vibrationnels métal-ligand, mais une attribution détaillée nous est
impossible.
Intensité Raman (u.a.)
140
Eu(III)
Gd(III)
Tb(III)
Dy(III)
Y(III)
C-H
C=O
M-O
O-H
Intensité Raman (u.a.)
500
1500
2000
2500
-1
Déplacement Raman (cm )
3000
3500
Eu(III)
Gd(III)
Tb(III)
Dy(III)
Y(III)
250
Figure 7.7
1000
Spectres
500
750
-1
Déplacement Raman (cm )
Raman
des
complexes
(λexc. = 514,5 nm; T = 293K)
1000
Ln9(acac)16(μ3-OH)8(μ4-OH)(μ4-O)
141
Complexe Ln8
Les spectres Raman des différents complexes, illustrés à la figure 7.8, sont très similaires.
Comme dans le cas des complexes Ln9(acac)16(μ3-OH)8(μ4-OH)(μ4-O), une attribution
complète des pics Raman est plutôt complexe en vue du grand nombre de modes
vibrationnels de ces complexes. Une comparaison des spectres Raman avec l’assignation
effectuée pour les composés Ln9 ainsi que les composés Ln(acac(t-Bu)2)3 et 4119 permet de
faire une assignation de certains pics Raman, résumé au tableau 7.5. Pour certains de ces
composés, le pic caractéristique à la vibration νas(C=C) n’a pu être détecté étant donné la faible
résolution de ces spectres. Le seul pic intense à basse fréquence ne peut être assigné sans
ambiguïté à une vibration métal-ligand à cause de la grande variété de modes vibrationnels à
ces fréquences.
Tableau 7.5 Attribution des pics Raman des complexes Ln8 de formule chimique
Ln8(acac(t-Bu)2)10(μ3-OH)12(μ4-O). Seuls les pics le plus intenses sont
indiqués.
YL3a
r. ionique
Eu8
Gd8
Dy8
Y8
1,066
1,053
1,027
1,019
νs(C=O)
1597
1601
1607
1601
1603
νas(C=C)
1508
1501
-
-
-
νas(C=O)
1389
1395
1399
1400
1407
νs(C=C)
1290
1286
1287
1286
1287
a : Complexe Y(acac(t-Bu)2)3 référence 119
142
Intensité Raman (u.a.)
Eu(III)
Gd(III)
Dy(III)
Y(III)
500
1000
1500
2000
2500
-1
Déplacement Raman (cm )
3000
3500
Intensité Raman (u.a.)
Eu(III)
Gd(III)
Dy(III)
Y(III)
250
Figure 7.8
500
750
-1
Déplacement Raman (cm )
1000
Spectres Raman des complexes Ln8(acac(t-Bu)2)10(μ3-OH)12(μ4-O) (λexc. =
514,5 nm; T = 293K)
143
Complexe Ln5
Les spectres Raman, montrés à la figure 7.9, sont similaires pour tous ces composés.
L’intense ligne de base du composé Y5 est attribuable à la luminescence du ligand (vide infra).
L’attribution des vibrations centrées sur les ligands peut être effectuée par la comparaison
avec les spectres de composés similaires.118 Cette interprétation est résumée au tableau 7.6.
Tableau 7.6 Assignation des pics Raman des complexes Ln5 de formule chimique
Ln5(acac(Ph)2)10(μ3-OH)4(μ4-OH). Seuls les pics le plus intenses sont
indiqués.
(pip)[EuL4]a
Eu5
Tb5
Dy5
Y5
-
1,066
1,040
1,027
1,019
νs(C=O)
1590
1597
1597
1598
1597
νas(C=C)
1510
1512
1511
1512
1514
νas(C=O)
1450
1442
1443
1444
1443
νs(C=C)
1275
1283
1285
1284
1286
r. ionique
a : Complexe (Piperidinium)[Eu(acac(Ph)2)4] référence 118
Intensité Raman (u.a.)
144
Eu(III)
Tb(III)
Dy(III)
Y(III)
500
1000
1500
2000
2500
-1
Déplacement Raman (cm )
3000
3500
Intensité Raman (u.a.)
Eu(III)
Tb(III)
Dy(III)
Y(III)
250
Figure 7.9
500
750
-1
Déplacement Raman (cm )
1000
Spectres Raman des complexes Ln5(acac(Ph)2)10(μ3-OH)4(μ4-OH) (λexc. =
514nm; T = 293K)
145
7.3.2 Luminescence
La spectroscopie de luminescence des complexes des lanthanides a été explorée depuis
longtemps.120 Les spectres montrent des pics très fins à énergie constante d’un complexe à
l’autre. Ceci est dû à la très faible interaction entre les ligands et les orbitales f du centre
métallique et les transitions observées sont attribuées aux bandes f-f. La spectroscopie
électronique de ces composés peut donc être considérée comme une spectroscopie quasiatomique.
Europium(III)
La luminescence des complexes d’europium provient de la transition du premier état excité
(5D) vers l’état fondamental (7F) (environ 17 000 cm-1). La dégénérescence de ces derniers
est levée par le couplage spin-orbite en différents groupes nommés 5DJ (où J = 0-4) et 7FJ
(où J = 0-6) respectivement, menant à des séparations d’environ 5000 cm-1. De plus, chaque
état est légèrement affectée par le champ cristallin, ce qui a pour conséquence de lever la
dégénérescence encore plus. Ces effets sont d’environ 300 cm-1. 121 La figure 7.10 montre les
différentes transitions observables pour les complexes d’Eu(III).
…
146
5
2
D
1
0
6
7
F
4
2
0
Figure 7.10
Schéma des transitions d’émission possibles pour les complexes d’Eu(III)
suivant une excitation laser (488 nm ou 514,5 nm) représentée par la flèche
ascendante.
Malgré qu’il soit possible de peupler les états excités supérieurs (5D1, 5D2, etc…), seul le plus
bas de ces états spin-orbite émet (5D0) puisqu’il y a une rapide relaxation entre les différents
états excités 5DJ. Une information que l’on peut déterminer directement des spectres
d’émission (figure 7.11) est le nombre d’ions émissifs différents. La transition 5D0→7F0
(~580 nm) est un singulet pour chacun de ces centres métalliques. Les spectres des
complexes montrent clairement deux pics correspondants à des transitions 5D0→7F0 ce qui
indique la présence de deux patrons d’émission provenant de sites différents. En sachant
que l’énergie des bandes de luminescence change très peu en fonction du champ cristallin,
on peut comparer nos spectres avec ceux de travaux déjà effectués120 et ainsi attribuer nos
bandes.
Les complexes étudiés montrent différents sites de coordination de différente symétrie. Le
quasi-parfait recouvrement entre les états électroniques des centres métalliques mène à un
transfert d’énergie efficace entre les ions europium. La luminescence observée provient
principalement du lanthanide servant de piège à énergie d’excitation dans ces agrégats.
147
Dû à l’effet bloquant des orbitales 5s et 5p pleines, la participation des orbitales 4f dans la
liaison chimique est relativement faible. Cette caractéristique donne une nature quasiatomique aux transitions f-f observées pour les complexes des lanthanides. La sensibilité de
la luminescence par rapport au champ des ligands provient de la nature (dipôle électrique ou
magnétique) des différentes transitions f-f et à l’interaction entre les configuration 4fn et 4fn1
5(d,g).122 Pour les composés d’europium(III), il a été montré que la force d’oscillateur de la
transition 5D0→7F1 considéré comme magnétiquement permise est relativement peu
affectée par l’environnement du métal, mais l’intensité de la transition 5D0→7F2 permise
électroniquement est grandement affectée par la symétrie du site de coordination10,123,124 et
par le faible caractère covalent de la liaison métal-ligand.125,126,127 Cette dernière transition est
considérée comme hypersensible et le ratio I(5D0→7F2)/I(5D0→7F1) est un atout pour
l’assignement de la bande de luminescence.
La multiplicité des bandes de luminescence donne aussi de l’information sur la symétrie
locale du site émissif. Le champ des ligands scinde les composantes spin-orbite SLJ en 2J+1
états différents. Un phénomène de dégénérescence peut survenir pour les sites de
coordinations hautement symétriques. Les structures cristallines de ces composés montrent
que les ions lanthanides de chaque agrégats occupent deux ou trois sites de coordination. La
symétrie locale de ces emplacements peut être obtenue par la méthode de Haigh113 (Ln5 =
4xPTBC + d-APC; Ln8 = 4xPTBC + 4xPTMC; Ln9 = 4xPTBC(μ4-OH) + 4xPTBC(μ4-O)
+ 1xAPC) ce qui permet alors de déterminer la multiplicité attendu (tableau 7.7). Toutes ces
caractéristiques de luminescence sont de précieux outils pour l’identification du centre
métallique émissif.
148
Table 7.7
Multiplicité des transitions de luminescence pour différentes symétries. Le
nombre de transitions permises est inscrit entre paranthèse (dipôle électrique
seulement, dipôle magnétique, les deux simultanement)
APCa
d-APCa
PTBCa
PTMCa
CN
8
8
8
7
Sym.
D4d
C4v
C2v
C2v
5
D0→7F0
1 (0/0/0)
1 (1/0/0)
1 (1/0/0)
1 (1/0/0)
5
D0→7F1
2 (2/0/0)
2 (0/1/1)
3 (0/1/2)
3 (0/1/2)
5
D0→7F2
3 (1/0/0)
4 (1/0/1)
5 (2/1/2)
5 (2/1/2)
5
D0→7F3
5
5
5
4 (2/1/0)
5 (0/1/2)
7 (1/2/4)
7 (1/2/4)
7
6 (1/2/0)
7 (2/1/2)
9 (3/2/4)
9 (3/2/4)
7
7 (3/2/0)
8 (1/2/3)
11 (2/3/6)
11 (2/3/6)
7
8 (0/4/0)
10 (2/1/3)
13 (4/3/6)
13 (4/3/6)
D0→ F4
D0→ F5
D0→ F6
a: APC = anti-prisme carré; d-APC = anti-prisme carré distordu; PTBC = prisme trigonal
bicapé; PTMC = prisme trigonal monocapé
Les spectres de luminescence à basse température des agrégats polymétalliques
[Eu9(acac)16(µ3-OH)8(µ4-O)(µ4-OH)] (Eu9), [Eu8((t-Bu)2acac)10(µ4-O)1(µ3-OH)12] (Eu8) ainsi
que [Eu5(Ph2-acac)10(μ4-O)(μ3-OH)4] (Eu5) sont montrés à la figure 7.11. Les complexes Eu5
et Eu9 montrent de relativement intenses transitions 5D0→7F2 et 5D0→7F4. L’intensité
relative de la transition 5D0→7F0 est plus grande pour l’agrégat Eu8 que pour les deux autres
composés. Pour tout les complexes, la transition hypersensible est la plus intense avec des
ratios I(5D0→7F2)/I(5D0→7F1) (Eu5: 11.4; Eu8: 11.1; Eu9: 8.9) suggérant que la luminescence
provient d’un site de basse symétrie.
Intensité de luminescence (u.a.)
149
12000
Figure 7.11
Eu5
Eu8
Eu9
14000
16000
-1
Nombre d'onde (cm )
Spectre d’émission à basse température des composés de l’ion Eu(III)
(λexc. = 488 nm; T = 85 K)
Les spectres de luminescence des agrégats Eu5 et Eu9 sont peu affectés par l’augmentation
de la température. Quant à elle, la luminescence du composé Eu8, montrée à la figure 7.12,
change drastiquement. La variation du patron de luminescence s’effectue entre 210 K et 310
K. L’évolution de l’énergie de la transition 5D0→7F0 n’est pas graduelle et ne peut donc être
attribuée à une simple élongation des liaisons métal-ligand. Cette différence ne peut être due
à une transition de phase puisqu’aucune variation majeure du spectre Raman n’est observée
sur cette même plage de température. Une autre possibilité rejetée est un phénomène de
« bande chaude » provenant de la population thermique de niveaux vibroniques de l’état
excité menant à des bandes de luminescence à plus haute énergie contrairement à ce qui est
observé ici. L’hypothèse retenue implique une légère distorsion de la sphère de coordination
amenant un accroissement de la force d’oscillateur de l’ion europium(III) émettant à plus
basse énergie. Même si la résolution du spectre à haute température n’est pas parfaite,
l’intensité de la transition hypersensible est observable (5D0→7F2/5D0→7F1 = 6.1) et suggère
que la symétrie locale de l’ion émissif est basse.
Intensité de luminescence (u.a.)
150
17250
320K
310K
285K
17300
290K
273K
255K
210K
170K
90K
12000
Figure 7.12
14000
-1 16000
Nombre d'onde (cm )
Effet de la température sur le spectre de luminescence du complexe Eu8
(λexc. = 488 nm) La région spectrale correspondant à la transition 5D0→7F0
est montré en encadré.
La transition 5D0→7F0 devrait être un singulet pour tous les centres métalliques et, la
multiplicité observée de cette transition nous donne le nombre de centres émissifs
différents. Les spectres de luminescence observés pour les composés Eu9 et Eu5 montrent
deux pics dans la plage spectrale de la transition 5D0→7F0 (17 230 – 17 280 cm-1) qui sont à
approximativement la même énergie (ΔE ≈ 5 cm-1 et 8 cm-1 respectivement) alors que le
spectre de l’agrégat Eu8 montre deux pics bien séparés l’un de l’autre (ΔE ≈ 30 cm-1)
correspondant aux centres émissifs à basse et haute énergie. Seul deux transitions ont été
observées pour le complexe Eu9 même si trois sites différents sont présent (PTBC(μ4-OH),
PTBC(μ4-O) et APC) parce que la transition 5D0→7F0 est formellement interdite pour le
centre anti-prisme carré hautement symétrique. Récemment, il a été démontré qu’une
corrélation existe entre l’énergie de cette dernière transition et les paramètres
néphélauxétique des atomes coordonnants.128 Ces paramètres proviennent de la nature et de
151
la charge des ligands. Ces calculs, montrés au tableau 7.8, donnent des indices
complémentaires à l’étude de la transition hypersensible pour l’attribution du centre émissif.
Tableau 7.8 Comparaison entre l’énergie de la transition
5
D0→7F0 calculée et
expérimentale pour les différents centres émissifs possible.
Eu9
Eu8
Eu5
Site
Ecalc. (cm-1)
Eobs. (cm-1)
APC
17 270
-
PTBC(μ4-OH)
17 257
17 250
PTBC(μ4-O)
17 255a
17 247
PTBC
17 263a
17 281
PTMC
17 243
17 251
d-APC
17 260
17 274
PTBC
17 257
17 263
a : Le paramètre néphélauxétique utilisé pour le ligand oxo est de -13,6 cm-1 et correspond à
une progression logique des paramètres reportés pour l’oxygène de l’eau (-11,0 cm-1) et pour
l’oxygène hydroxyle (-12,3 cm-1) pour les complexes ayant huit ligands.
Intensité de Luminescence (u.a.)
152
16700
16800
16900
x = 1,1 (12%)
x = 2,4 (30%)
x = 4,5 (50%)
x = 7,2 (80%)
x = 9 (100%)
14000
Figure 7.13
14500
15000
15500
Spectres de luminescence à basse température (T = 80 K) des complexes
Y9-xEux (% en ions europium) permettant d’observer la signature spectrale de
l’ion central (flèches).
La figure 7.13 montre la luminescence de complexes dopés en fonction du dopage. Le
dopage occasionne une légère variation de l’énergie de luminescence des différentes
transitions. Ces déplacements proviennent de la déformation de l’aggrégat dû à la
déformation occasionnée par la substitution de petits ions Y(III) par de plus gros ions
Eu(III). De plus, puisque ce dopage est discriminatif, le ratio des intensités de luminescence
du site central vs le site périphérique varie. Ceci est observable par la forte intensité relative
de certains pics à faible dopage comparativement au spectre du complexe Eu9. Ces pics sont
relativement peu nombreux et sont présents aux transitions 5D0→7F1, 5D0→7F3 et 5D0→7F4.
L’assignation de ces pics à des transitions provenant de l’ion central est confirmée par ces
observations puisqu’elles sont en accord avec les règles de sélection résumée au tableau 7.7.
Tel qu’illustré à la figure 7.14, l’intensité de ces pics est approximativement proportionnelle
au ratio de la population des sites déterminé par cristallographie. Une légère inflexion est
observée pour les composés à faible concentration (ncentrale/npériphérique élevé). À cette
153
concentration, l’isomère principal ne contient qu’un seul ion d’europium(III) qui se
positionne préférentiellement (mais pas exclusivement) sur le site central. Les absorptivités
des transitions f-f de cet isomère doivent être très faibles en vue de la haute symétrie de ce
site. Cette diminution provient donc de la difficulté à exciter ce dernier isomère, et non pas
Ic/Ip (Eu9 = 1)
d’une variation du ratio.
5
7
4
7
7
3
7
F0-› F1
7
F0-› F3
7
F0-› F4
2
1
0
0
Figure 7.14
1
2
3
4
8 x ncentral/npéripherique
5
Comparaison des ratios obtenus par la luminescence et par la
cristallographie. Ic/Ip = (Aire pic)/[(Aire bande 5D0→7Fn)-(Aire pic)]. L’aire
des pics et des bandes ont été obtenus l’aide de formes de Voigt ajustées aux
différents spectres.
154
Terbium(III)
La spectroscopie de l’ion Tb(III) ressemble beaucoup à celle de l’ion Eu(III). Ils ont le
même état fondamental (7F) et premier état excité (5D), la différence majeure est l’effet du
couplage spin-orbite sur ces états. Comme le montre la figure 7.15, les états hautement
dégénérés (5D4 et 7F6) sont les plus stabilisés. Le champ cristallin scinde ces derniers en
2J+1 composantes. Étant donné le grand nombre d’états excités proches en énergie (5D4 =
9 états), plusieurs transitions sont présentes à approximativement les mêmes énergies. Cette
…
multiplication de pics d’émission complexifie l’interprétation qualitative des spectres.
5
D
2
3
4
0
2
7
F
4
6
Figure 7.15
Schéma des états électroniques et transitions de luminescence possible pour
les complexes de Tb(III) suivant une excitation laser (488 nm) représentée
par la flèche ascendante en trait plein. Une longueur d’onde de 514,5 nm,
représentée par la flèche ascendante pointillée, n’est pas suffisante pour
exciter le centre métallique.
Grâce aux études spectroscopiques antérieures,120 il est possible d’identifier les bandes de
luminescence. Comme le montre la figure 7.16, la transition 5D4→7F6 n’est visible qu’en
155
partie car son énergie est comparable au filtre du laser utilisé sur le spectromètre. Lorsque la
longueur d’onde d’excitation est 488 nm, les pics de luminescence caractéristiques à l’ion
terbium du complexe Tb5 ne sont que faiblement visible et une bande large est présente
sous ces pics. Lorsque la longueur d’onde d’excitation est 514,5 nm, seul la bande large est
visible. L’énergie de cette dernière n’est pas suffisante pour exciter les ions Tb(III). Cette
14000
Figure 7.16
7
5
D4 -› F5
7
5
D4 -› F4
7
D4 -› F3
5
7
5
D4 -› F2
7
5
D4 -› F1
Raman
7
D4 -› F0
Tb5
Tb8
Tb9
5
Intensité de luminescence (u.a.)
bande doit donc être assignée à une transition centré sur le ligand acac(Ph)2 (vide infra).
16000
18000
-1
Nombre d'onde (cm )
20000
Spectre d’émission à basse température des composés de l’ion Tb(III) (λexc.
= 488 nm; T = 85 K)
Tel qu’illustré à la figure 7.17, la variation de température affecte la résolution des spectres
de luminescence ainsi que l’intensité relative de certains pics précis. Ces variations
proviennent de la diminution des processus de peuplement thermique d’état excité de plus
haute énergie. La grande variation des bandes de luminescence induite par la température
observée pour le composé Eu8 n’est pas observée pour le composé Tb8.
Intensité de luminescence (u.a.)
156
14500
15000
15500
18000
18500
333 K
290 K 313 K
205 K 273 K
150 K
80 K
14000
Figure 7.17
16000
18000
-1
Nombre d'onde (cm )
Luminescence du complexe Tb8 à différentes températures.
20000
Complexes du ligand acac(Ph)2
Dans ces complexes la luminescence n’est plus nécessairement centrée sur le métal car le
ligand acac(Ph)2 possède des états relativement bas en énergie. Comme le montre la figure
7.18, si ces états sont plus bas en énergie que les états de l’ion lanthanide, il se produit un
phénomène de désactivation qui a pour effet de réduire l’intensité de la luminescence
typique de l’ion pour ne présenter qu’une luminescence provenant de la présence du ligand.
Si les états du lanthanide sont plus bas en énergie, il se produit un phénomène de
photosensibilisation.102 La grande absorptivité de la transition vers un état ligand permet
d’exciter facilement un grand nombre de molécules et donc l’intensité de la luminescence
centrée sur le métal est grandement augmentée.
157
Absorption
Luminescence
Absorption
Q
Figure 7.18
Luminescence
-1
Énergie (cm )
B
-1
Énergie (cm )
A
Q
Schéma des puits d’énergie potentielle pour les complexes contenant le
ligand acac(Ph)2. La courbe en pointillés représente un état centré sur le
ligand. Les processus de photosensibilisation (A) et de désactivation (B) de
la luminescence des terres rares sont illustrés.
Tel que montré à la figure 7.19, des différents lanthanides étudiés, seul l’europium(III)
présente encore sa luminescence caractéristique. Pour les autres, une bande large ayant une
origine électronique aux alentours de 525 nm apparaît clairement. La faible intensité de ses
bandes est due aux processus de désactivation non-radiative efficaces à la température de la
pièce. Cette bande large correspond bien à celles déjà été observées pour des complexes
similaires.129
Intensité de luminescence (u.a.)
158
Tb(III)
Dy(III)
Y(III)
Eu(III)
12000
Figure 7.19
Raman
14000
16000
-1
Nombre d'onde (cm )
18000
Luminescence des complexes Ln5(acac(Ph)2)10(μ3-OH)4(μ4-OH) (λexc. =
514,5 nm; T = 293K)
7.4 Conclusion
Malgré la complexité de ces matériaux, de nombreuses observations ont été obtenues quant
à la nature des transitions de luminescence observables dans ces agrégats. La comparaison
détaillée des spectres des complexes purs a permis d’identifier l’influence du ligand sur la
nature de la luminescence. Ces ligands n’agissent pas seulement sur la nucléarité du
composé, mais peuvent aussi favoriser ou désactiver la luminescence. Une étude
cristallographique détaillée a permis de démontrer l’influence du rayon ionique des centres
métalliques sur la chimie de ceux-ci.
De plus, l’étude des composés dopés a permis
d’identifier les bandes de luminescence provenant des différents sites de coordination. Ces
composés ont pu être dopés de façon spécifique ce qui en fait des systèmes modulables
polyvalents. De plus, ces agrégats polymétalliques sont des matériaux fort intéressant pour
159
l’étude des migrations d’énergie puisqu’ils sont relativement restreint (comparativement aux
systèmes étendus) tout en présentant plusieurs centres métalliques proches l’un de l’autre.
160
Chapitre 8
Conclusions
8.1 Contribution à l’avancement des sciences
Les études effectuées au cours de cette thèse ont permis de démontrer l’importance des
techniques spectroscopiques pour la caractérisation de la relation entre les structures
électroniques et moléculaires des composés de métaux de transition. Plusieurs systèmes
différents ont été étudiés en profondeur afin d’obtenir des informations quantitatives sur
leurs états électroniques. Dans le chapitre 4, l’analyse du spectre résolu des complexes
(NEt4)2[NiX4] (où X = Cl- ou Br-) nous a permis d’évaluer avec soin la distorsion induite par
l’excitation d’un seul ou de deux électrons. Une étude comparative de cette qualité fut
possible grâce à des modélisations basées sur des articles récents. L’analyse à l’aide du
modèle de recouvrement angulaire et de la théorie dépendante du temps a montré que le
couplage affectait l’intensité des transitions interdites par le spin ou par la règle des deux
électrons. Une analyse théorique basée sur un modèle tétraédrique a montré l’importance du
couplage sur la structure moléculaire des états. Ces résultats nous ont motivé à continuer
notre analyse sur les composés (NEt4)[NiX3(PPh3)].
Les spectres de luminescence effectués sur les différents sels du complexe anionique
[Ru(bipy)(CN)4]2- ont montré l’influence des interactions intermoléculaires sur l’énergie et la
forme de la transition 3MLCT. L’application de pression externe a permis de modifier la
géométrie moléculaire et les interactions intermoléculaires ce qui mène à un déplacement
hypsochrome de la bande de luminescence. La nature de ce déplacement provient des
caractères πM-L de l’orbitale HOMO et π* de l’orbitale LUMO. L’étude des spectres Raman
sous pression a montré une multitude de transitions de phase pour ces différents composés.
Les dimères [Au2(edtc)2] et [Au2(pdtc)2] polymérisent à l’état solide et forment des chaînes
unidimensionnelles d’interactions aurophiles. La spectroscopie d’absorption a montré que
l’énergie des états excités est grandement influencée par ces interactions. La présence de
161
plusieurs états excités proches en énergie mène à l’observation de plusieurs pics d’émission
dont l’intensité relative varie avec la température. Ces différentes bandes ont comme point
commun d’être relativement minces, indiquant une faible distorsion selon les modes
normaux centrés sur les ligands. Les calculs de structures électroniques montrent l’influence
du ligand pontant sur l’énergie des orbitales 6s inoccupées des centres métalliques.
L’application de pression externe mène à un déplacement bathochrome de la bande de
luminescence et à l’apparition d’une nouvelle bande plus large. Ce phénomène de variation
de la largeur de la bande est nouveau. La nature et l’importance du déplacement indique que
la transition a un fort caractère σ*Au-Au-σAu-Au. La bande large a pu être étudiée à l’aide de
spectroscopie Raman de résonance induite par la pression. La transition observée amène la
distorsion d’un mode vibrationnel du ligand impliquant une variation de la densité
électronique situé sur le ligand.
La dernière partie de la thèse consiste à la caractérisation d’agrégats de lanthanides
provenant de la chimie des ligands β-dicétones. La nature des composés formés est
extrêmement sensible à l’encombrement stérique des substituants du ligand. Le dopage de
ces composés a montré une sélectivité provenant de la différence de rayon ionique entre les
métaux principal et dopant. En sélectionnant ces ions, il fut possible de déterminer
l’occupation. Cette occupation a pu être déterminée à l’aide de la cristallographie et de la
spectroscopie de luminescence.
162
8.2 Travaux futurs
1. Étude des creux d’interférence présent à 9500 cm-1 sur les spectres d’absorption des
complexes du type [NiX3(PPh3)]- (où X = Cl- ou Br-) afin d’explorer la nature exacte
de l’interaction entre les deux transitions. Une de ces transitions est interdite par la
règle de sélection de spin et la seconde est interdite par la règle des deux électrons.
Pourtant, le résultat final est une bande relativement intense. Ce système permettrait
d’analyser avec précision l’influence du couplage entre les états excités
correspondant puisque une simple substitution des ligands halogéno module
l’énergétique.
2. La technique de spectroscopie Raman de résonance devrait permettre d’analyser
avec soin la déformation de l’état excité du complexe [Ru(bipy)(CN)4]2-. Elle
pourrait obtenir des informations sur l’évolution de la structure de l’état excité lors
de l’application de pression
3. Étude cristallographique sous pression des composés polymériques d’or(I) afin
d’observer l’évolution des différentes liaisons. Le changement des distances
Au-Auintradimère et Au-Auinterdimère n’est pas identique et pourrait expliquer la variation
de la pente du déplacement bathochrome observé. La large bande de luminescence
observée à haute pression implique un décalage selon un mode vibrationnel du
ligand qui peut être étudié par cette technique.
4. L’étude des durées de vie de luminescence des différents pics d’émission des centres
métalliques permettrait d’obtenir de l’information quantitative sur les phénomènes
de migration énergétique présents dans les agrégats étudiés. Une deutération des
différents groupements hydroxyles mènerait à une augmentation de la durée de vie
des états excités. De tels systèmes pourront alors être considérés pour l’étude de
phénomènes électroniques tels que les processus de up-conversion ou de scission
d’énergie.
163
Remerciements
Je voudrais remercier mon directeur de thèse, le professeur Christian Reber pour la
recherche, les discussions, les multiples stages et les conférences auxquels j’ai eu droit.
Merci au professeur Dominique Luneau de l’Université Claude Bernard Lyon 1 (France)
pour m’avoir acceuilli au sein de son groupe dans le cadre du projet portant sur les agrégats
de lanthanides. Merci au professeur Michael D. Ward de l’Université de Sheffield (GrandeBretagne) pour les échantillons de sels de [Ru(bipy)(CN)4]2- étudiés dans cette thèse.
Merci beaucoup à Michel Simard, Francine Bélanger Gariépy et Guillaume Pilet (Université
Claude Bernard Lyon 1) pour l’aide que vous m’avez apporté lors des études
cristallographiques.
Je tiens enfin à remercier les personnes avec lesquelles j’ai travaillé : Emmanuel González,
Remi Beaulac, John K. Grey, Étienne Lanthier, Karine Le Bris, Geneviève LevasseurThériault, Gwenaël Malbec, Carmen Prala, Alexandre Rodrigue-Witchel et Valérie Baslon.
164
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