Pierre FrereChimie - UMR CNRS - MOLTECH ANJOU / Chimie - UMR CNRS - MOLTECH ANJOU

UFR SCIENCES
Départements d'Enseignement SCIENCES - DEP ENS SCIENCES Chimie
Chimie - UMR CNRS - MOLTECH ANJOU
2 Boulevard de Lavoisier - 49045 - ANGERS CEDEX 01
Chimie - UMR CNRS - MOLTECH ANJOU

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Structure Fédérative de Recherche Matériaux : SFR MATRIX
Structure Fédérative de Recherche Matériaux : SFR MATRIX - Moltech ANJOU
Chimie - UMR CNRS - MOLTECH ANJOU
K113
0241735063
2 Boulevard de Lavoisier - 49045 - ANGERS CEDEX 01
Reponsable Master 2 Sciences et Ingénierie de l'Environnement 'SIE)
K113

Discipline

Chimie

Thèmes de recherche

Les recherches que je mène à l'Université d'Angers (Laboratoire MOLTECH-Anjou, UMR CNRS 6200) portent sur les matériaux organiques à propriétés électroniques ou optoélectroniques spécifiques.

Ma thématique est orientée vers le développement de nouveaux systèmes linéaires conjugués (SCL). Le but recherché étant d’élaborer des semi-conducteurs organiques qui sont au cœur du développement de l’électronique plastique. Les SCL peuvent être utilisés comme matériaux actifs pour la conversion d'énergie ou dans des composants électroniques ou optoélectroniques organiques comme les transistors à effet de champ, les cellules photovoltaïques ou les diodes électroluminescentes. Ces différentes applications requièrent la conception de systèmes conjugués présentant des propriétés électroniques spécifiques telle qu'une délocalisation optimale des électrons , correspondant à un faible gap HOMO-LUMO, ou un spectre d'absorption ou d'émission contrôlé.

Un travail de fond sur les relations structure-propriétés d’oligothiophènes incluant des motifs 3,4-ethylènedioxythiophène (EDOT) ou 3,4-ethylènedithiothiophène (EDTT) a permis de mettre en évidence l’importance des atomes d’oxygène et de soufre pour créer des interactions non covalentes avec le soufre d’un thiophène adjacent et ainsi de rigidifier le système conjugué (Thèse de Mathieu Turbiez). Prenant partie de ces interactions intramoléculaires de nouvelles briques moléculaires associant l’auto-rigidification par des liaisons non covalentes avec une rigidification intrinsèque de systèmes condensés comme des dialcoxythiénothiophènes ou alcoxythiénofuranes ont été développé (Thèse de Noémie Hergué).

Le contrôle du gap d’un système conjugué peut être effectué en utilisant le concept de donneur/accepteur. L'idée principale est qu'une alternance régulière donneur/accepteur le long d'une chaîne conjuguée entraîne un rapprochement de la HOMO et de la LUMO qui conduit à un polymère à faible gap. La diminution du gap doit être d’autant plus efficace que la différence entre les caractères donneur et accepteur des groupements est marquée. En général les groupements donneurs et accepteurs utilisés sont greffés sur des motifs différents. Ce type de structure génère une ségrégation donneur/accepteur associée à une inhomogénéité de la distribution électronique le long de la chaîne conjuguée, qui peut limiter les propriétés de transport du matériau correspondant. Une nouvelle approche pour homogénéiser au maximum la densité électronique sur les unités thiophènes consiste à greffer le donneur et l'accepteur d'électrons sur le même motif thiophène. De nouveaux systèmes conjugués (oligomères et polymères) basés sur le motif 3-alcoxy-4-cyanothiophène ont été développés. Une alternance donneur – accepteur est recherchée dans la construction du block conjugué et d’autre part une rigidification du système conjuguée par le biais d’interactions S---O intramoléculaires qui maintient une bonne planéité du système est observée (Thèse de Noémie Hergué et post-doc de Gurunathan Savitha).

Plus récemment et suite à mon investissement en enseignement sur la chimie verte je m’intéresse à la synthèse de systèmes conjugués en utilisant des principes de chimie verte selon deux approches développées indépendamment dans un premier temps:

- Utilisation de matières premières renouvelables issues de la biomasse.

- Utilisation pour la construction des systèmes conjugués de réactions qui

évitent la formation de sous-produits toxiques.

Une première approche consiste à concevoir de nouveaux systèmes conjugués à partir de cycles furanes comme l’hydroxyméthylfurfural ou le 2,5-diformylfurane, accessibles en assez grande quantité par transformation de sucres naturels ou dégradation de déchets végétaux. La diminution de l’aromaticité du furane par rapport aux autres cycles aromatiques constitue un atout en permettant une meilleure délocalisation des électrons pi le long de la chaîne conjuguée. (Thèse de Charlotte Mallet). Des oligomères de type furylène-vinylène ou des systèmes hybrides associant le furane avec des unités thiophène et benzofurane ont été synthétisés. L’étude des propriétés électroniques des différents systèmes a révélé que l’insertion d’unités furane dans les systèmes conjugués provoquait un léger décalage vers le bleu des bandes d’absorption une forte augmentation de la fluorescence et une diminution du potentiel. Enfin il a été montré que si les composés tout furane ne permettent pas d’obtenir des transistors par contre les composés hybrides thiophène-furane ont permis d’atteindre des mobilités analogues aux systèmes tout thiophène. D’autre part il a été observé que la tendance des cycles furanes à s’ouvrir par photo-oxydation est fortement diminuée voire supprimée par l’introduction dans le système conjugué de groupement accepteur comme des unités perfluorophényles ou des groupements nitriles. En outre l’association d’unités acrylonitriles et furanes permettaient d’obtenir des composés stables hautement fluorescent à l’état solide. (Thèse de Chady Moussallem).

La deuxième approche consiste à ne pas utiliser des réactions de type couplages organométalliques pour la synthèse des systèmes conjugués en utilisant des réactions de condensations qui ne produisent que de l’eau comme sous- produit. Une première série de composés associant des unités benzodifuranes connectés à des cycles furanes ou thiophènes par des liaisons imines, obtenus en deux étapes dans des conditions vertes (température ambiante, éthanol et lactate d’éthyle comme solvant) a été développée. Il a été démontré que ces composés, isolés simplement par précipitation et purifiés par recristallisation dans l’acétate d’éthyle, pouvaient être utilisés comme matériaux donneurs dans des cellules photovoltaïques organiques (Thèse de Chady Moussalem).

L’utilisation des concepts de la chimie verte pour élaborer des matériaux pi conjugués pour l’électronique plastique fait l’objet d’un pari scientifique (Région Pays de la Loire) intitulé Green-SCO qui a débuté en janvier 2013. Il est prévu d’exploiter, via une collaboration avec le laboratoire CEISAM de Nantes, des couplages de Stille à l’aide d’organo-stanniques greffés sur polymères ou liquides ioniques pour construire des briques moléculaires conjugués. Le greffage permet d’éviter le relargage de l’étain et ainsi de faciliter la purification des matériaux obtenus. En outre il est attendu de pouvoir recycler les dérivés stanniques en effectuant plusieurs cycles de couplage de Stille avec le même polymère ou liquide ionique greffé (Thèse d’Alexandre Faurie).

Toujours pour limiter l’impact sur l’environnement lors de la synthèse des systèmes conjugués, des réactions de couplages directs sans organométallique sont aussi développé en collaboration avec le Dr Stéphanie Legoupy de MOLTECH-Anjou (Thèse de Jérémie Grolleau).

Courriel : pierre.frere @ univ-angers.fr (pierre.frere @ univ-angers.fr)