CARBOXYLATION OF SILVER NANOPARTICLES FOR THE IMMOBILIZATION OF β-GALACTOSIDASE AND ITS EFFICACY IN GALACTO-OLIGOSACCHARIDES PRODUCTION

The present study investigated the carboxylation of silver nanoparticles (AgNPs) by 1:3 nitric acid-sulfuric acid mixtures for immobilizing Aspergillus oryzae β-galactosidase. Carboxylated AgNPs retained 93% enzyme upon immobilization and the enzyme did not leach out appreciably from the modified nanosupport in the presence of 100 mmol L-1 NaCl. Atomic force micrograph revealed the binding of β-galactosidase on the modified AgNPs. The optimal pH for soluble and carboxylated AgNPs adsorbed β-galactosidase (IβG) was observed at pH 4.5 while the optimal operating temperature was broadened from 50 ºC to 60 ºC for IβG. Michaelis constant, Km was increased two and a half fold for IβG while Vmax decreases slightly as compared to soluble enzyme. β-galactosidase immobilized on surface functionalized AgNPs retained 70% biocatalytic activity even at 4% galactose concentration as compared to enzyme in solution. Our study showed that IβG produces greater amount of galacto-oligosaccharides at higher temperatures (50 ºC and 60 ºC) from 0.1 mol L-1 lactose solution at pH 4.5 as compared to previous reports.

OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAL HÍBRIDO ENTRE SÍLICA E CICLODEXTRINAS

The obtention of silica and cyclodextrin hybrid materials was accomplished by refluxing them in xylol using citric acid as a binding agent. The materials were characterized by infrared spectroscopy, X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy, and elemental analysis. Evidence for the docking of cyclodextrins α and γ was substantiated based on the variation in band intensity for groups such as ≡Si-OH. Additional docking evidence includes the displacement of some of the bands that are related to cyclodextrin such as the deformation of the C-H axial bond. The α and γ-CDSi materials were characterized as amorphous compounds. The products obtained in the synthesis showed changes in the decomposition temperatures of their isolated constituents, in which the mass of α and γ-CD docked to the silica surface gave the estimated values of 41% and 47%, respectively. The elemental constituents were shown to be consistent and close to their relative theoretical values. ​Thermogravimetric analysis showed that a reduction in the percentage of the hybrids was proportional to the amount of lost mass. This new material is an improvement over synthesized organosilane materials because the operator and the environment benefit from a less toxic methodology. In addition, the material has several potential applications in complexation systems with cyclodextrin.

Lethal weapons : novel approaches for receptor-targeted cancer cell elimination

The currently used forms of cancer therapy are associated with drug resistance and toxicity to healthy tissues. Thus, more efficient methods are needed for cancer-specific induction of growth arrest and programmed cell death, also known as apoptosis. Therapeutic forms of tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) are investigated in clinical trials due to the capability of TRAIL to trigger apoptosis specifically in cancer cells by activation of cell surface death receptors. Many tumors, however, have acquired resistance to TRAIL-induced apoptosis and sensitizing drugs for combinatorial treatments are, therefore, in high demand. This study demonstrates that lignans, natural polyphenols enriched in seeds and cereal, have a remarkable sensitizing effect on TRAIL-induced cell death at non-toxic lignan concentrations. In TRAIL-resistant and androgen-dependent prostate cancer cells we observe that lignans repress receptor tyrosine kinase (RTK) activity and downregulate cell survival signaling via the Akt pathway, which leads to increased TRAIL sensitivity. A structure-activity relationship analysis reveals that the γ-butyrolactone ring of the dibenzylbutyrolactone lignans is essential for the rapidly reversible TRAIL-sensitizing activity of these compounds. Furthermore, the lignan nortrachelogenin (NTG) is identified as the most efficient of the 27 tested lignans and norlignans in sensitization of androgen-deprived prostate cancer cells to TRAIL-induced apoptosis. While this combinatorial anticancer approach may leave normal cells unharmed, several efficient cancer drugs are too toxic, insoluble or unstable to be used in systemic therapy. To enable use of such drugs and to protect normal cells from cytotoxic effects, cancer-targeted drug delivery vehicles of nanometer scale have recently been generated. The newly developed nanoparticle system that we tested in vitro for cancer cell targeting combines the efficient drug-loading capacity of mesoporous silica to the versatile particle surface functionalization of hyperbranched poly(ethylene imine), PEI. The mesoporous hybrid silica nanoparticles (MSNs) were functionalized with folic acid to promote targeted internalization by folate receptor overexpressing cancer cells. The presented results demonstrate that the developed carrier system can be employed in vitro for cancer selective delivery of adsorbed or covalently conjugated molecules and furthermore, for selective induction of apoptotic cell death in folate receptor expressing cancer cells. The tested carrier system displays potential for simultaneous delivery of several anticancer agents specifically to cancer cells also in vivo.

Upconverting Phosphor Technology: Exceptional Photoluminescent Properties Light Up Homogeneous Bioanalytical Assays

The aim of the present study was to demonstrate the wide applicability of the novel photoluminescent labels called upconverting phosphors (UCPs) in proximity-based bioanalytical assays. The exceptional features of the lanthanide-doped inorganic UCP compounds stem from their capability for photon upconversion resulting in anti-Stokes photoluminescence at visible wavelengths under near-infrared (NIR) excitation. Major limitations related to conventional photoluminescent labels are avoided, rendering the UCPs a competitive next-generation label technology. First, the background luminescence is minimized due to total elimination of autofluorescence. Consequently, improvements in detectability are expected. Second, at the long wavelengths (>600 nm) used for exciting and detecting the UCPs, the transmittance of sample matrixes is significantly greater in comparison with shorter wavelengths. Colored samples are no longer an obstacle to the luminescence measurement, and more flexibility is allowed even in homogeneous assay concepts, where the sample matrix remains present during the entire analysis procedure, including label detection. To transform a UCP particle into a biocompatible label suitable for bioanalytical assays, it must be colloidal in an aqueous environment and covered with biomolecules capable of recognizing the analyte molecule. At the beginning of this study, only UCP bulk material was available, and it was necessary to process the material to submicrometer-sized particles prior to use. Later, the ground UCPs, with irregular shape, wide size-distribution and heterogeneous luminescence properties, were substituted by a smaller-sized spherical UCP material. The surface functionalization of the UCPs was realized by producing a thin hydrophilic coating. Polymer adsorption on the UCP surface is a simple way to introduce functional groups for bioconjugation purposes, but possible stability issues encouraged us to optimize an optional silica-encapsulation method which produces a coating that is not detached in storage or assay conditions. An extremely thin monolayer around the UCPs was pursued due to their intended use as short-distance energy donors, and much attention was paid to controlling the thickness of the coating. The performance of the UCP technology was evaluated in three different homogeneous resonance energy transfer-based bioanalytical assays: a competitive ligand binding assay, a hybridization assay for nucleic acid detection and an enzyme activity assay. To complete the list, a competitive immunoassay has been published previously. Our systematic investigation showed that a nonradiative energy transfer mechanism is indeed involved, when a UCP and an acceptor fluorophore are brought into close proximity in aqueous suspension. This process is the basis for the above-mentioned homogeneous assays, in which the distance between the fluorescent species depends on a specific biomolecular binding event. According to the studies, the submicrometer-sized UCP labels allow versatile proximity-based bioanalysis with low detection limits (a low-nanomolar concentration for biotin, 0.01 U for benzonase enzyme, 0.35 nM for target DNA sequence).

Regioselective modification of galactose-containing polysaccharides in aqueous media

Biorefining is defined as sustainable conversion of biomass into marketable products and energy. Forests cover almost one third of earth’s land area, and account for approximately 40% of the total annual biomass production. In forest biorefining, the wood components are, in addition to the traditional paper and board products, converted into chemicals and biofuels. The major components in wood are cellulose, hemicelluloses, and lignin. The main hemicellulose in softwoods, which are of interest especially for the Nordic forest industry, is O-acetyl galactoglucomannan (GGM). GGM can be isolated in industrial scale from the waste waters of the mechanical pulping process, but is not yet today industrially utilized. In order to attain desired properties of GGM for specific end-uses, chemical and enzymatic modifications can be performed. Regioselective modifications of GGM, and other galactose-containing polysaccharides were done by oxidations, and by combining oxidations with subsequent derivatizations of the formed carbonyl or carboxyl groups. Two different pathways were investigated: activation of the C-6 positions in different sugar units by TEMPO-mediated oxidation, and activation of C-6 position in only galactose-units by oxidation catalyzed by the enzyme galactose oxidase. The activated sites were further selectively derivatized; TEMPO-oxidized GGM by a carbodiimide-mediated reaction forming amides, and GO-oxidized GGM by indium-mediated allylation introducing double or triple bonds to the molecule. In order to better understand the reaction, and to develop a MALDI-TOF-MS method for characterization of regioselectively allylated GGM, α-D-galactopyranoside and raffinose were used as model compounds. All reactions were done in aqueous media. To investigate the applicability of the modified polysaccharides for, e.g., cellulose surface functionalization, their sorption onto pulp fibres was studied. Carboxylation affects the sorption tendency significantly; a higher degree of oxidation leads to lower sorption. By controlling the degree of oxidation of the polysaccharides and the ionic strength of the sorption media, high degrees of sorption of carboxylated polysaccharides onto cellulose could, however, be obtained. Anionic polysaccharides were used as templates during laccase-catalyzed polymerization of aniline, offering a green, chemo-enzymatic route for synthesis of conducting polyaniline (PANI) composite materials. Different polysaccharide templates, such as, native GGM, TEMPO-oxidized GGM, naturally anionic κ-carrageenan, and nanofibrillated cellulose produced by TEMPO-oxidation, were assessed. The conductivity of the synthesized polysaccharide/PANI biocomposites varies depending on the polysaccharide template; κ-CGN, the anionic polysaccharide with the lowest pKa value, produces the polysaccharide/PANI biocomposites with the highest conductivity. The presented derivatization, sorption, and polymerization procedures open new application windows for polysaccharides, such as spruce GGM. The modified polysaccharides and the conducting biocomposites produced provide potential applications in biosensors, electronic devices, and tissue engineering.

Synthesis, characterization and chemical sensor application of conducting polymers

Polymeric materials that conduct electricity are highly interesting for fundamental studies and beneficial for modern applications in e.g. solar cells, organic field effect transistors (OFETs) as well as in chemical and bio‐sensing. Therefore, it is important to characterize this class of materials with a wide variety of methods. This work summarizes the use of electrochemistry also in combination with spectroscopic methods in synthesis and characterization of electrically conducting polymers and other π‐conjugated systems. The materials studied in this work are intended for organic electronic devices and chemical sensors. Additionally, an important part of the presented work, concerns rational approaches to the development of water‐based inks containing conducting particles. Electrochemical synthesis and electroactivity of conducting polymers can be greatly enhanced in room temperature ionic liquids (RTILs) in comparison to conventional electrolytes. Therefore, poly(para‐phyenylene) (PPP) was electrochemically synthesized in the two representative RTILs: bmimPF6 and bmiTf2N (imidazolium and pyrrolidinium‐based salts, respectively). It was found that the electrochemical synthesis of PPP was significantly enhanced in bmimPF6. Additionally, the results from doping studies of PPP films indicate improved electroactivity in bmimPF6 during oxidation (p‐doping) and in bmiTf2N in the case of reduction (n‐doping). These findings were supported by in situ infrared spectroscopy studies. Conducting poly(benzimidazobenzophenanthroline) (BBL) is a material which can provide relatively high field‐effect mobility of charge carriers in OFET devices. The main disadvantage of this n‐type semiconductor is its limited processability. Therefore in this work BBL was functionalized with poly(ethylene oxide) PEO, varying the length of side chains enabling water dispersions of the studied polymer. It was found that functionalization did not distract the electrochemical activity of the BBL backbone while the processability was improved significantly in comparison to conventional BBL. Another objective was to study highly processable poly(3,4‐ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) water‐based inks for controlled patterning scaled‐down to nearly a nanodomain with the intention to fabricate various chemical sensors. Developed PEDOT:PSS inks greatly improved printing of nanoarrays and with further modification with quaternary ammonium cations enabled fabrication of PEDOT:PSS‐based chemical sensors for lead (II) ions with enhanced adhesion and stability in aqueous environments. This opens new possibilities for development of PEDOT:PSS films that can be used in bio‐related applications. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a broad group of π‐conjugated materials consisting of aromatic rings in the range from naphthalene to even hundred rings in one molecule. The research on this type of materials is intriguing, due to their interesting optical properties and resemblance of graphene. The objective was to use electrochemical synthesis to yield relatively large PAHs and fabricate electroactive films that could be used as template material in chemical sensors. Spectroscopic, electrochemical and electrical investigations evidence formation of highly stable films with fast redox response, consisting of molecules with 40 to 60 carbon atoms. Additionally, this approach in synthesis, starting from relatively small PAH molecules was successfully used in chemical sensor for lead (II).

Magnetic properties of defective graphene

In this thesis, the influence of the functionalization of graphene and graphite on their magnetic properties was investigated. The functionalization was performed by covalent attaching of a phenyl groups with three different radicals (4-bromoaniline, 4-chloroaniline and 4-nitroaniline). Magnetic properties were measured by SQUID magnetometer. Both pristine graphite and graphene showed strong diamagnetic behavior. For good quality graphite, diamagnetism was found to be temperature-dependent. All samples demonstrated noticeable paramagnetic contribution below 50 K. According to fitting experimental results with Brillouin function and Curie law, it was shown that paramagnetism is provided by small clusters of spins (superparamagnetic behavior). Moreover, the clusters size and spin concentrations were calculated. For the samples functionalized with nitroaniline the antiferromagnetic transition around 120 K was observed. To explain this behavior, a simple model was proposed. Additional analysis of the graphene quality, structure and composition of the samples was carried out by HRTEM, EDS mapping, Raman spectroscopy and X-ray diffraction techniques.

Metal oxides prepared through the nanocasting approach-mechanistic study, surface interactions and applications in separation

Mesoporous metal oxides are nowadays widely used in various technological applications, for instance in catalysis, biomolecular separations and drug delivery. A popular technique used to synthesize mesoporous metal oxides is the nanocasting process. Mesoporous metal oxide replicas are obtained from the impregnation of a porous template with a metal oxide precursor followed by thermal treatment and removal of the template by etching in NaOH or HF solutions. In a similar manner to the traditional casting wherein the product inherits the features of the mold, the metal oxide replicas are supposed to have an inverse structure of the starting porous template. This is however not the case, as broken or deformed particles and other structural defects have all been experienced during nanocasting experiments. Although the nanocasting technique is widely used, not all the processing steps are well understood. Questions over the fidelity of replication and morphology control are yet to be adequately answered. This work therefore attempts to answer some of these questions by elucidating the nanocasting process, pin pointing the crucial steps involved and how to harness this knowledge in making wholesome replicas which are a true replication of the starting templates. The rich surface chemistry of mesoporous metal oxides is an important reason why they are widely used in applications such as catalysis, biomolecular separation, etc. At times the surface is modified or functionalized with organic species for stability or for a particular application. In this work, nanocast metal oxides (TiO2, ZrO2 and SnO2) and SiO2 were modified with amino-containing molecules using four different approaches, namely (a) covalent bonding of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES), (b) adsorption of 2-aminoethyl dihydrogen phosphate (AEDP), (c) surface polymerization of aziridine and (d) adsorption of poly(ethylenimine) (PEI) through electrostatic interactions. Afterwards, the hydrolytic stability of each functionalization was investigated at pH 2 and 10 by zeta potential measurements. The modifications were successful except for the AEDP approach which was unable to produce efficient amino-modification on any of the metal oxides used. The APTES, aziridine and PEI amino-modifications were fairly stable at pH 10 for all the metal oxides tested while only AZ and PEI modified-SnO2 were stable at pH 2 after 40 h. Furthermore, the functionalized metal oxides (SiO2, Mn2O3, ZrO2 and SnO2) were packed into columns for capillary liquid chromatography (CLC) and capillary electrochromatography (CEC). Among the functionalized metal oxides, aziridinefunctionalized SiO2, (SiO2-AZ) showed good chemical stability, and was the most useful packing material in both CLC and CEC. Lastly, nanocast metal oxides were synthesized for phosphopeptide enrichment which is a technique used to enrich phosphorylated proteins in biological samples prior to mass spectrometry analysis. By using the nanocasting technique to prepare the metal oxides, the surface area was controlled within a range of 42-75 m2/g thereby enabling an objective comparison of the metal oxides. The binding characteristics of these metal oxides were compared by using samples with different levels of complexity such as synthetic peptides and cell lysates. The results show that nanocast TiO2, ZrO2, Fe2O3 and In2O3 have comparable binding characteristics. Furthermore, In2O3 which is a novel material in phosphopeptide enrichment applications performed comparably with standard TiO2 which is the benchmark for such phosphopeptide enrichment procedures. The performance of the metal oxides was explained by ranking the metal oxides according to their isoelectric points and acidity. Overall, the clarification of the nanocasting process provided in this work will aid the synthesis of metal oxides with true fidelity of replication. Also, the different applications of the metal oxides based on their surface interactions and binding characteristics show the versatility of metal oxide materials. Some of these results can form the basis from which further applications and protocols can be developed.

Synthèse diastéréosélective et énantiosélective de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitués à l’aide de carbénoïdes gem-dizinciques

Les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés sont des composés intéressants dans de nombreux domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse, tout d’abord diastéréosélective puis énantiosélective de ces composés. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’utilisation de la zinciocyclopropanation pour l’obtention de ces dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés. Cette méthode consiste en l’utilisation d’un carbénoïde gem-dizincique pour effectuer une réaction de type Simmons-Smith. Cette stratégie a l’avantage d’être diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur qu’est l’oxygène allylique basique. Lors de cette réaction, l’existence d’une réaction compétitive avec un réactif monozincique diminuait l’utilité de la zinciocyclopropanation. L’issue de la réaction s’est avérée dépendre fortement de la nature du carbénoïde utilisé, de la température réactionnelle et de la présence de ZnI2 dans le milieu. L’étude par GCMS de nombreuses conditions pour la formation des différents carbénoïdes a permis d’identifier les paramètres clés conduisant à la zinciocyclopropanation. Ces découvertes ont notamment permis d’étendre la réaction de zinciocyclopropanation aux alcools allyliques portant un seul groupement directeur (ie. non dérivé du 1,4-buténediol). Dans ces conditions, la réaction s’est avérée extrêmement diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur. Afin de fonctionnaliser les zinciocyclopropanes ainsi obtenus, plusieurs réactions de fonctionnalisation in situ ont été développées. Chacune de ces méthodes a montré une conservation totale de la diastéréosélectivité obtenue lors de la réaction de zinciocyclopropanation. La versatilité de la zinciocyclopropanation a donc été démontrée. Avec une méthode diastéréosélective efficace pour la formation de zinciocyclopropanes à partir d’alcools allyliques ne portant qu’un seul groupement directeur, il est devenu possible d’envisager le développement énantiosélectif de la réaction. L’utilisation d’un dioxaborolane énantiopur a permis la zinciocyclopropanation avec de très bons excès énantiomères de divers alcools allyliques chiraux. La présence sur la même molécule d’un lien C–Zn nucléophile est d’un atome de bore électrophile a conduit à un échange bore-zinc in situ, formant un cyclopropylborinate énantioenrichi. La formation de ce composé bicyclique a permis d’obtenir une diastéréosélectivité parfaite. De nombreux alcools allyliques ont pu ainsi être convertis en cyclopropylborinates. Une réaction de Suzuki subséquente a permis la formation de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-trisubstitués avec de très bons excès énantiomères et une excellente diastéréosélectivité. Les cyclopropylborinates obtenus à l’issue de la zinciocyclopropanation énantiosélective se sont avérés être des unités très versatiles puisque de nombreuses méthodes ont pu être développés pour leur fonctionnalisation.

Fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone : propriétés, réversibilité et applications dans le domaine de l'électronique

Le sujet général de cette thèse est l’étude de la fonctionnalisation covalente des nanotubes de carbone (CNT) et son application en électronique. Premièrement, une introduction au sujet est présentée. Elle discute des propriétés des CNT, des différentes sortes de fonctionnalisation covalente ainsi que des principales techniques de caractérisation utilisées au cours de la thèse. Deuxièmement, les répercussions de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés des nanotubes de carbone monoparoi (SWNT) sont étudiées. Deux types de fonctionnalisation sont regardés, soit le greffage de groupements phényles et le greffage de groupements dichlorométhylènes. Une diminution de l’absorption optique des SWNT dans le domaine du visible-proche infrarouge est observée ainsi qu’une modification de leur spectre Raman. De plus, pour les dérivés phényles, une importante diminution de la conductance des nanotubes est enregistrée. Troisièmement, la réversibilité de ces deux fonctionnalisations est examinée. Il est montré qu’un recuit permet de résorber les modifications structurales et retrouver, en majorité, les propriétés originales des SWNT. La température de défonctionnalisation varie selon le type de greffons, mais ne semble pas affectée par le diamètre des nanotubes (diamètre examinés : dérivés phényles, Ømoyen= 0,81 nm, 0,93 nm et 1,3 nm; dérivés dichlorométhylènes, Ømoyen = 0,81 nm et 0,93 nm). Quatrièmement, la polyvalence et la réversibilité de la fonctionnalisation covalente par des unités phényles sont exploitées afin de développer une méthode d’assemblage de réseaux de SWNT. Celle-ci, basée sur l’établissement de forces électrostatiques entre les greffons des SWNT et le substrat, est à la fois efficace et sélective quant à l’emplacement des SWNT sur le substrat. Son application à la fabrication de dispositifs électroniques est réalisée. Finalement, la fonctionnalisation covalente par des groupements phényles est appliquée aux nanotubes de carbone à double paroi (DWNT). Une étude spectroscopique montre que cette dernière s’effectue exclusivement sur la paroi externe. De plus, il est démontré que la signature électrique des DWNT avant et après la fonctionnalisation par des groupements phényles est caractéristique de l’agencement nanotube interne@ nanotube externe.

Synthèse de motifs biarylés : fonctionnalisation directe catalysée par des métaux de transition d’espèces aromatiques non activées

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire.

Étude ab initio des nanotubes de carbone

Le sujet de ce mémoire est l’étude ab initio des nanotubes de carbone. Premièrement, une introduction du sujet est présentée. Elle porte sur l’historique, la structure géométrique et électronique et les applications possibles des nanotubes de carbone. En deuxième lieu, la stabilité énergétique des nanotubes de carbones double parois ainsi que leur structure électronique sont étudiées. On trouve entre autres que le changement d’hybridation provoque une chute de l’énergie du dernier niveau occupé pour les petits nanotubes. Troisièmement, nous présenterons une étude sur la dépendance en diamètre et en métallicité du greffage d’unité bromophényle sur la surface des nanotubes. La principale conclusion est qu’il est plus facile de fonctionnaliser les nanotubes de petit diamètre puisque ceux-ci ont déjà une partie d’hybridation sp3 dans leur structure électronique. Finalement, le dernier chapitre aborde la combustion des nanotubes par le dioxyde de carbone. On constate que cette combustion ne peut pas débuter sur une surface intacte, ni par un pontage d’oxygène dû à la grande quantité d’énergie requise. La réaction privilégiée est alors la combustion par les extrémités du nanotube. Nous proposons une dynamique de réaction qui contient une sélectivité en diamètre.

Development and characterization of polymeric nanoparticles(NPs) made from functionalized poly (D,L- lactide) (PLA)polymers

Les nanoparticules polymériques biodégradable (NPs) sont apparues ces dernières années comme des systèmes prometteurs pour le ciblage et la libération contrôlée de médicaments. La première partie de cette étude visait à développer des NPs biodégradables préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de l’acide lactique (poly (D,L)lactide ou PLA). Les polymères ont été étudiés comme systèmes de libération de médicaments dans le but d'améliorer les performances des NPs de PLA conventionnelles. L'effet de la fonctionnalisation du PLA par insertion de groupements chimiques dans la chaîne du polymère sur les propriétés physico-chimiques des NPs a été étudié. En outre, l'effet de l'architecture du polymère (mode d'organisation des chaînes de polymère dans le copolymère obtenu) sur divers aspects de l’administration de médicament a également été étudié. Pour atteindre ces objectifs, divers copolymères à base de PLA ont été synthétisés. Plus précisément il s’agit de 1) copolymères du poly (éthylène glycol) (PEG) greffées sur la chaîne de PLA à 2.5% et 7% mol. / mol. de monomères d'acide lactique (PEG2.5%-g-PLA et PEG7%-g-PLA, respectivement), 2) des groupements d’acide palmitique greffés sur le squelette de PLA à une densité de greffage de 2,5% (palmitique acid2.5%-g-PLA), 3) de copolymère « multibloc » de PLA et de PEG, (PLA-PEG-PLA)n. Dans la deuxième partie, l'effet des différentes densités de greffage sur les propriétés des NPs de PEG-g-PLA (propriétés physico-chimiques et biologiques) a été étudié pour déterminer la densité optimale de greffage PEG nécessaire pour développer la furtivité (« long circulating NPs »). Enfin, les copolymères de PLA fonctionnalisé avec du PEG ayant montré les résultats les plus satisfaisants en regard des divers aspects d’administration de médicaments, (tels que taille et de distribution de taille, charge de surface, chargement de drogue, libération contrôlée de médicaments) ont été sélectionnés pour l'encapsulation de l'itraconazole (ITZ). Le but est dans ce cas d’améliorer sa solubilité dans l'eau, sa biodisponibilité et donc son activité antifongique. Les NPs ont d'abord été préparées à partir de copolymères fonctionnalisés de PLA, puis ensuite analysés pour leurs paramètres physico-chimiques majeurs tels que l'efficacité d'encapsulation, la taille et distribution de taille, la charge de surface, les propriétés thermiques, la chimie de surface, le pourcentage de poly (alcool vinylique) (PVA) adsorbé à la surface, et le profil de libération de médicament. L'analyse de la chimie de surface par la spectroscopie de photoélectrons rayon X (XPS) et la microscopie à force atomique (AFM) ont été utilisés pour étudier l'organisation des chaînes de copolymère dans la formulation des NPs. De manière générale, les copolymères de PLA fonctionnalisés avec le PEG ont montré une amélioration du comportement de libération de médicaments en termes de taille et distribution de taille étroite, d’amélioration de l'efficacité de chargement, de diminution de l'adsorption des protéines plasmatiques sur leurs surfaces, de diminution de l’internalisation par les cellules de type macrophages, et enfin une meilleure activité antifongique des NPs chargées avec ITZ. En ce qui concerne l'analyse de la chimie de surface, l'imagerie de phase en AFM et les résultats de l’XPS ont montré la possibilité de la présence de davantage de chaînes de PEG à la surface des NPs faites de PEG-g-PLA que de NPS faites à partie de (PLA-PEG-PLA)n. Nos résultats démontrent que les propriétés des NPs peuvent être modifiées à la fois par le choix approprié de la composition en polymère mais aussi par l'architecture de ceux-ci. Les résultats suggèrent également que les copolymères de PEG-g-PLA pourraient être utilisés efficacement pour préparer des transporteurs nanométriques améliorant les propriétés de certains médicaments,notamment la solubilité, la stabilité et la biodisponibilité.

Monohalogénocyclopropanations stéréosélectives à l'aide de carbénoïdes de zinc, couplages croisés de cyclopropylsilanols, cyclisations d'iodures d'alkyle catalysées par le nickel

Les cyclopropanes sont des unités qui sont très importantes en raison de leur présence dans de nombreux produits naturels, dans certaines molécules synthétiques ayant une activité biologique, ainsi que dans plusieurs intermédiaires synthétiques. Les travaux décrits dans cet ouvrage portent sur l’halogénocyclopropanation stéréosélective d’alcools allyliques en présence d’un ligand chiral stœchiométrique de type dioxaborolane et de carbénoïdes de zinc substitués dérivés de composés organozinciques et d’haloformes. Nous avons ainsi développé des conditions pour l’iodo-, la chloro- et la fluorocyclopropanation stéréosélective. Une étude mécanistique portant sur la nature des carbénoïdes alpha-chlorés et alpha-bromés a révélé qu’il y a un échange des halogènes portés par ces carbénoïdes. Lors de la chlorocyclopropanation, le carbénoïde le plus réactif (alpha-chloré) réagit de façon prédominante en vertu du principe de Curtin-Hammet. Les iodocyclopropanes énantioenrichis ont pu être fonctionnalisés via une réaction d’échange lithium-iode suivie du traitement avec des électrophiles, ou via une réaction de transmétallation au zinc suivie d’un couplage de Negishi. Ainsi, toute une gamme de cyclopropanes 1,2,3-substitués énantioenrichis a pu être synthétisée. Dans l’optique de développer de nouvelles méthodologies de fonctionnalisation des cyclopropanes, nous nous sommes par la suite tournés vers le couplage croisé de type Hiyama-Denmark des cyclopropylsilanols. Dans cette voie synthétique, le groupement silanol a deux fonctions : il sert de groupement proximal basique lors de la cyclopropanation de Simmons-Smith et il subit la transmétallation au cours du couplage croisé. Dans l’étape du couplage croisé, la nature des ligands liés à l’atome de silicium s’est avérée cruciale au bon déroulement de la réaction. Ainsi, l’échange de ligands avec le diéthyl éthérate de trifluoroborane générant le cyclopropyltrifluorosilane in situ est requis pour obtenir de bons rendements. Le dernier volet de cet ouvrage porte sur la cyclisation d’iodures d’alkyle par substitution aromatique par voie homolytique catalysée par le nickel. Une série de composés de type tétrahydronaphtalène et thiochromane ont été préparés selon cette méthode. Une étude mécanistique a confirmé la nature radicalaire de cette réaction et suggère fortement l’action catalytique du nickel. De plus, des études de spectrométrie RMN DOSY ont montré une association entre le complexe de nickel et le substrat ainsi que la base employés dans cette réaction.

Formation et propriétés des cristaux colloïdaux issus de l’auto-assemblage de microsphères de polymère

Le besoin pour des biocapteurs à haute sensibilité mais simples à préparer et à utiliser est en constante augmentation, notamment dans le domaine biomédical. Les cristaux colloïdaux formés par des microsphères de polymère ont déjà prouvé leur fort potentiel en tant que biocapteurs grâce à l’association des propriétés des polymères et à la diffraction de la lumière visible de la structure périodique. Toutefois, une meilleure compréhension du comportement de ces structures est primordiale avant de pouvoir développer des capteurs efficaces et polyvalents. Ce travail propose d’étudier la formation et les propriétés des cristaux colloïdaux résultant de l’auto-assemblage de microsphères de polymère en milieu aqueux. Dans ce but, des particules avec différentes caractéristiques ont été synthétisées et caractérisées afin de corréler les propriétés des particules et le comportement de la structure cristalline. Dans un premier temps, des microsphères réticulées de polystyrène anioniques et cationiques ont été préparées par polymérisation en émulsion sans tensioactif. En variant la quantité de comonomère chargé, le chlorure de vinylbenzyltriméthylammonium ou le sulfonate styrène de sodium, des particules de différentes tailles, formes, polydispersités et charges surfaciques ont été obtenues. En effet, une augmentation de la quantité du comonomère ionique permet de stabiliser de façon électrostatique une plus grande surface et de diminuer ainsi la taille des particules. Cependant, au-dessus d’une certaine concentration, la polymérisation du comonomère en solution devient non négligeable, provoquant un élargissement de la distribution de taille. Quand la polydispersité est faible, ces microsphères chargées, même celles non parfaitement sphériques, peuvent s’auto-assembler et former des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible. Il semble que les répulsions électrostatiques créées par les charges surfaciques favorisent la formation de la structure périodique sur un grand domaine de concentrations et améliorent leur stabilité en présence de sel. Dans un deuxième temps, le besoin d’un constituant stimulable nous a orientés vers les structures cœur-écorce. Ces microsphères, synthétisées en deux étapes par polymérisation en émulsion sans tensioactif, sont formées d’un cœur de polystyrène et d’une écorce d’hydrogel. Différents hydrogels ont été utilisés afin d’obtenir des propriétés différentes : le poly(acide acrylique) pour sa sensibilité au pH, le poly(N-isopropylacrylamide) pour sa thermosensibilité, et, enfin, le copolymère poly(N-isopropylacrylamide-co-acide acrylique) donnant une double sensibilité. Ces microsphères forment des cristaux colloïdaux diffractant la lumière visible à partir d’une certaine concentration critique et pour un large domaine de concentrations. D’après les changements observés dans les spectres de diffraction, les stimuli ont un impact sur la structure cristalline mais l’amplitude de cet effet varie avec la concentration. Ce comportement semble être le résultat des changements induits par la transition de phase volumique sur les interactions entre particules plutôt qu’une conséquence du changement de taille. Les interactions attractives de van der Waals et les répulsions stériques sont clairement affectées par la transition de phase volumique de l’écorce de poly(N-isopropylacrylamide). Dans le cas des microsphères sensibles au pH, les interactions électrostatiques sont aussi à considérer. L’effet de la concentration peut alors être mis en relation avec la portée de ces interactions. Finalement, dans l’objectif futur de développer des biocapteurs de glucose, les microsphères cœur-écorce ont été fonctionnalisées avec l’acide 3-aminophénylboronique afin de les rendre sensibles au glucose. Les effets de la fonctionnalisation et de la complexation avec le glucose sur les particules et leur empilement périodique ont été examinés. La structure cristalline est visiblement affectée par la présence de glucose, même si le mécanisme impliqué reste à élucider.