Organisation moléculaire à l'état solide à l'aide des interactions à trou sigma : exploration de l'effet de l'environnement cristallin

Molecular organization in solid-state using sigma-hole interactions : Exploring the effect of crystalline environment

• Auteur / Autrice : Vishnu Vijayakumar Syamala
• Direction : Enrique Espinosa, Emmanuel Aubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Cristallographie, Résonance Magnétique et Modélisation (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Marc Fourmigué
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Enrique Espinosa, Emmanuel Aubert, Deepak Chopra, Michael R. Probert, Ie-Rang Jeon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Deepak Chopra, Michael R. Probert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrons -- Distribution

Dynamique moléculaire

Effets des hautes pressions

Cristallographie

Rayons X -- Diffraction

Cocristaux

Liaisons chimiques

Mots clés libres

Interactions sigma-Trou

Co-Cristaux

Diffraction des rayons X sur monocristal

Cristallographie à haute pression

Modélisation moléculaire

Analyse de la densité électronique

Sigma-Hole interactions

Co-Crystals

Single-Crystal X-Ray diffraction

High-Pressure crystallography

Molecular modelling

Electron density analysis

Résumé

Comprendre la formation et la stabilisation des interactions non-covalentes est de grande importance dans le domaine de l'ingénierie cristalline. Dans cette perspective, les travaux réalisés se focalisent sur l’étude d'une sous-classe d'interactions non-covalentes connues sous le nom d'interactions à trou-sigma. Ces interactions sont définies comme celles impliquant des sites électrophiles appelés trou-sigma, qui sont associés à un atome lié de manière covalente et appartenant soit au bloc p (groupes 13-18) soit au bloc d (groupes 8, 11 et 12) du tableau périodique, et des sites nucléophiles provenant soit de la même molécule soit d'une molécule différente. Selon le groupe de l'atome sur lequel se trouve le trou-sigma, l'interaction peut être classée en plusieurs sous-classes. Parmi celles-ci, nous nous sommes concentrés sur les cas d'interactions de type liaison halogène (HaB) et liaison chalcogène (ChB). Comparé au cas bien établi des liaisons hydrogène (HB), la formation et la stabilisation des interactions HaB et ChB sont encore peu explorées. Cette thèse vise précisément à fournir des informations approfondies sur les caractéristiques de ce type d’interactions, principalement à travers de l’analyse de la distribution de la densité électronique entre la paire d'atomes en interaction et comment celle-ci influence l'organisation moléculaire à l'état solide. Deux thèmes principaux de la cristallographie sont couverts au cours de cette thèse : (i) les études de diffraction des rayons X sur monocristal à haute pression et (ii) l'analyse de la distribution de charge électronique. Les recherches structurelles et électroniques sont effectuées sur la base des données dérivées des expériences de diffraction des rayons X sur monocristal (SCXRD) réalisées dans des conditions ambiantes ou extrêmes. Les structures cristallines ainsi obtenues ont été utilisées pour obtenir la distribution de la densité électronique dans les phases périodiques. Les distributions électroniques des systèmes moléculaires extraits de leurs environnements cristallins ont été utilisées pour calculer le potentiel électrostatique dans les surfaces moléculaires et pour effectuer les analyses topologiques de la densité électronique et de sa fonction laplacienne dans le cadre de la Théorie Quantique des Atomes dans les Molécules (QTAIM). L'effet de l'environnement cristallin dans les propriétés d’interaction associées aux trous-sigma a été exploré également en détail. Les informations recueillies à partir de ces analyses sont non seulement utiles pour mieux comprendre les molécules avec lesquelles nous avons travaillé, mais aussi pour concevoir de nouveaux modèles moléculaires dans le but de viser le contrôle de la relation structure-propriétés dans les cristaux moléculaires issus de cette approche.

Understanding the fundamentals of the formation and stabilization of non-covalent interactions is of paramount importance in the field of crystal engineering. In this direction, this thesis reports the crystallographic investigation of a sub-class of non-covalent interactions known as sigma-hole interactions. sigma-hole interactions are defined as those involving electrophilic sites (also called sigma-holes) associated to a covalently bonded atom belonging to either p-block (groups 13-18) or d-block (groups 8,11 and 12) of the periodic table, and nucleophilic sites coming from either the same or a different molecule. Depending upon the group of the atom on which the sigma-hole is present, the interaction can be further classified into various sub-classes. Out of these, we have focused on the cases of halogen bond (HaB) and chalcogen bond (ChB) interactions. As compared to the well-established case of hydrogen bonds (HB), the rationale behind the formation and stabilization of HaB and ChB are still less explored. This thesis is aimed exactly in such a direction, to provide a deeper insight into the characteristics of HaB and ChB interactions, mainly by understanding how the electron density is distributed among the interacting pair of atoms and how it eventually influences the molecular organization in solid-state. Two main stream topics of crystallography are covered during the course of this thesis: (i) high-pressure X-ray diffraction studies and (ii) charge density analysis. Structural and electronic investigations are carried out based on the data derived from single-crystal X-ray diffraction (SCXRD) experiments performed either at ambient or extreme conditions. The so-obtained crystal structures were used to derive the electron density distribution in the periodic phases. The electron distributions of the molecular systems extracted from their crystalline environments were used to calculate the electrostatic potential in molecular surfaces and to carry out the topological analyses of the electron density and its laplacian function within the framework of the Quantum Theory of Atoms in Molecules (QTAIM) methodology. The effect of crystalline environments in tuning the properties of sigma-hole interactions is also explored in detail. The information gathered from such analyses is not only helpful to better understand the molecules in hands, but also to design new molecular patterns with the aim to control the structure-properties relationship in molecular crystals.