Synthesis and evaluation of polystyrene based soluble polymeric supports for organic synthesis

Several copolymers of linear polystyrene were prepared for evaluation as soluble polymeric supports for organic synthesis. These polymers were utilized for the synthesis of ?2-isoxazoline compounds. The target compounds were synthesized via 1,3-dipolar cycloaddition reactions between polymer bound alkenes and nitrile oxides generated in situ from their corresponding aldoximes. The cleaved ?2-isoxazoline compounds were tested for biological activity against Mycobacterium fortuitum. To compare the success of these linear polystyrene copolymers, some of the ?2-isoxazoline compounds synthesized on soluble polymeric supports were also prepared via traditional crosslinked polymer supports. The polymer-bound ?2-isoxazolines were also tested for antimicrobial activity. In addition attempts were made to prepare polymers containing the ?2-isoxazolines but anchored by non-hydrolysable bonds. Although the copolymers of polystyrene gave good loading capacity in mmol/g, and being soluble in chlorinated solvents it was possible to monitor the reactions by 1H NMR spectroscopy, the cleavage of the polymer bound products proved to be quite troublesome. Product purification was not as straightforward as it was anticipated. Isolation of the cleaved target compounds proved to be time consuming and laborious when compared to the traditional organic synthesis and solid phase organic synthesis (SPOS). Polymer-bound ?2-isoxazolines close to the polymer backbone exhibited some biological activity against Staphylococcus aureus. Polymers with substitution at the para-position of the aryl substituent at position 3 of isoxazoline ring showed antimicrobial activity.

Dynamic behaviour of rotary mechanical seals

This thesis covers both experimental and computer investigations into the dynamic behaviour of mechanical seals. The literature survey shows no investigations on the effect of vibration on mechanical seals of the type common in the various process industries. Typical seal designs are discussed. A form of Reynolds' equation has been developed that permits the calculation of stiffnesses and damping coefficients for the fluid film. The dynamics of the mechanical seal floating ring have been investigated using approximate formulae, and it has been shown that the floating ring will behave as a rigid body. Some elements, such as the radial damping due to the fluid film, are small and may be neglected. The equations of motion of the floating ring have been developed utilising the significant elements, and a solution technique described. The stiffness and damping coefficients of nitrile rubber o-rings have been obtained. These show a wide variation, with a constant stiffness up to 60 Hz. The importance of the effect of temperature on the properties is discussed. An unsuccessful test rig is described in the appendices. The dynamic behaviour of a mechanical seal has been investigated experimentally, including the effect of changes of speed, sealed pressure and seal geometry. The results, as expected, show that high vibration levels result in both high leakage and seal temperatures. Computer programs have been developed to solve Reynolds' Equation and the equations of motion. Two solution techniques for this latter program were developed, the unsuccesful technique is described in the appendices. Some stability problems were encountered, but despite these the solution shows good agreement with some of the experimental conditions. Possible reasons for the discrepancies are discussed. Various suggestions for future work in this field are given. These include the combining of the programs and more extensive experimental and computer modelling.

Nanoengineering heterogeneous catalysts for the selective hydrogenation of key agrochemical derivatives

Rapidly rising world populations have sparked growing concerns over global food production to meet this increasing demand. Figures released by The World Bank suggest that a 50 % increase in worldwide cereal production is required by 2030. Primary amines are important intermediates in the synthesis of a wide variety of fine chemicals utilised within the agrochemical industry, and hence new 'greener' routes to their low cost manufacture from sustainable resources would permit significantly enhanced crop yields. Early synthetic pathways to primary amines employed stoichiometric (and often toxic) reagents via multi-step protocols, resulting in a large number of by-products and correspondingly high Environmental factors of 50-100 (compared with 1-5 for typical bulk chemicals syntheses). Alternative catalytic routes to primary amines have proven fruitful, however new issues relating to selectivity and deactivation have slowed commercialisation. The potential of heterogeneous catalysts for nitrile hydrogenation to amines has been demonstrated in a simplified reaction framework under benign conditions, but further work is required to improve the atom economy and energy efficiency through developing fundamental insight into nature of the active species and origin of on-stream deactivation. Supported palladium nanoparticles have been investigated for the hydrogenation of crotononitrile to butylamine (Figure 1) under favourable conditions, and the impact of reaction temperature, hydrogen pressure, support and loading upon activity and selectivity to C=C versus CºN activation assessed.

Degradation of Biofumigant Isothiocyanates and Allyl Glucosinolate in Soil and Their Effects on the Microbial Community Composition

Brassicales species rich in glucosinolates are used for biofumigation, a process based on releasing enzymatically toxic isothiocyanates into the soil. These hydrolysis products are volatile and often reactive compounds. Moreover, glucosinolates can be degraded also without the presence of the hydrolytic enzyme myrosinase which might contribute to bioactive effects. Thus, in the present study the stability of Brassicaceae plant-derived and pure glucosinolates hydrolysis products was studied using three different soils ( model biofumigation). In addition, the degradation of pure 2-propenyl glucosinolate was investigated with special regard to the formation of volatile breakdown products. Finally, the influence of pure glucosinolate degradation on the bacterial community composition was evaluated using denaturing gradient gel electrophoresis of 16S rRNA gene amplified from total community DNA. The model biofumigation study revealed that the structure of the hydrolysis products had a significant impact on their stability in the soil but not the soil type. Following the degradation of pure 2-propenyl glucosinolate in the soils, the nitrile as well as the isothiocyanate can be the main degradation products, depending on the soil type. Furthermore, the degradation was shown to be both chemically as well as biologically mediated as autoclaving reduced degradation. The nitrile was the major product of the chemical degradation and its formation increased with iron content of the soil. Additionally, the bacterial community composition was significantly affected by adding pure 2-propenyl glucosinolate, the effect being more pronounced than in treatments with myrosinase added to the glucosinolate. Therefore, glucosinolates can have a greater effect on soil bacterial community composition than their hydrolysis products.

Degradación bacteriana de cianuro y compuestos nitrogenados tóxicos

La ruta de asimilación de cianuro en P. pseudoalcaligenes CECT5344 transcurre a través de un nitrilo formado por la reacción química del cianuro con el oxalacetato, siendo este último acumulado como consecuencia de la acción conjunta de una malato:quinona oxidoreductasa (MQO) y la oxidasa terminal resistente a cianuro (CioAB) (Luque-Almagro et al., 2011b). Los nitrilos pueden ser convertidos en amonio por la acción de una nitrilasa o un sistema nitrilo hidratasa/amidasa. Con el objetivo de elucidar la ruta de asimilación de cianuro en P. pseudoalcalígenes CECT5344, se ha analizado el proteoma de este microorganismo en condiciones cianotróficas frente a nitrato como fuente de nitrógeno como control. En este estudio se identificaron proteínas relacionadas con la ruta de asimilación de cianuro en la estirpe CECT5344, que aparecían inducidas por cianuro, como NitB y NitG, cuyos genes se encuentran localizados en la agrupación génica nit1C. Además de NitB y NitG, de función desconocida, la agrupación génica nit1C codifica un regulador transcripcional del tipo Fis dependiente de σ54 (NitA), una nitrilasa (NitC), una proteína que pertenece a la superfamilia S-adenosilmetionina (NitD), un miembro de la superfamilia N-aciltransferasa (NitE), un polipéptido de la familia AIRS/GARS (NitF) y una oxidorreductasa dependiente de NADH (NitH). Un análisis transcripcional mediante RT-PCR determinó que los genes nitBCDEFGH se cotranscriben, mientras que el gen regulador nitA se transcribe de forma divergente. Además, resultados obtenidos por RT-PCR confirman que la expresión de los genes nitBCDEFGH está inducida por cianuro y reprimida por amonio. La relación entre el cianuro y el grupo de genes nit1C queda patente por el fenotipo de los mutantes deficientes nitA, nitB y nitC, incapaces de usar complejos cianuro-metálicos o 2-hidroxinitrilos como única fuente de nitrógeno. Todos estos datos indican que la nitrilasa NitC, junto con la proteína NitB, utilizan de forma específica determinados nitrilos alifáticos como sustrato, entre los que se encuentran el formado durante la asimilación de cianuro (Estepa et al., 2012). Además, entre las proteínas inducidas por cianuro se identificaron una dihidropicolinato sintasa (DapA), una fosfoserina transaminasa (SerC) y una proteína de función desconocida (Orf1), las tres codificadas por genes del operón cio, una cianasa (CynS), la proteína S6 de la subunidad ribosomal 30S (RpsF), una superóxido dismutasa (SodB), la ferritina (Dps), una oxidorreductasa (Fpr) y un factor de elongación P (EF-P). Una vez identificadas, estas proteínas se han analizado funcionalmente y se han localizado en el genoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 los genes correspondientes, así como los genes adyacentes. La inducción de estas proteínas en condiciones cianotróficas sugiere que el metabolismo del cianuro incluye, además de la resistencia y asimilación de este tóxico, otros procesos biológicos relacionados con el metabolismo del cianato y de algunos aminoácidos, el estrés oxidativo y la homeostasis de hierro, entre otros. Por otra parte, el conocimiento en profundidad y la interpretación de la secuencia génica de P. pseudoalcaligenes CECT5344, así como el análisis comparativo frente a organismos no cianotrofos ha permitido entender algunos de los mecanismos implicados en la resistencia y asimilación de cianuro, lo que permitiría conducir a la posterior mejora del proceso de biodegradación de cianuro. Además, el estudio del genoma de la estirpe CECT5344 permitirá explorar la capacidad de este organismo para ser utilizado en procesos de biorremediación de residuos cianurados en los que se encuentran metales y otros tóxicos (Luque-Almagro et al., 2013; Wibberg et al., 2014). En este trabajo se muestran y discuten los resultados de la secuenciación del genoma de P. pseudoalcaligenes, así como el estudio del análisis filogenético y evolutivo de la cepa, estableciéndose de esta manera relaciones con otras especies en base a los genomas secuenciados de las mismas, entre las que destaca P. mendocina ymp relacionada con P. pseudoalcaligenes CECT5344. El estudio de las características del genoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 ha sido completado con un análisis comparativo frente a los genomas de otras especies de Pseudomonas, encontrándose así semejanzas y diferencias en cuanto a la distribución génica funcional. Por último, se muestra un análisis del genoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 en relación con los genes implicados probablemente en los procesos de asimilación de cianuro y residuos cianurados, tales como los codificantes de nitrilasas y aquellos implicados en la resistencia a cianuro como los constituyentes del operón cio que codifican la oxidasa terminal insensible a cianuro. Finalmente, se discute la presencia de genes implicados posiblemente en otros procesos con una alto potencial biotecnológico, tales como la producción de bioplásticos y la biodegradación de diversos contaminantes.

Remote Substituent Effects on the Stereoselectivity and Organocatalytic Activity of Densely Substituted Unnatural Proline Esters in Aldol Reactions

The organocatalytic activities of highly substituted proline esters obtained through asymmetric [3+2] cycloadditions of azomethine ylides derived from glycine iminoesters have been analyzed by 19F NMR and through kinetic isotope effects. Kinetic rate constants have been determined for unnatural proline esters incorporating different substituents. It has been found that exo-L and endo-L unnatural proline methyl esters yield opposite enantiomers in aldol reactions between cyclic ketones and aromatic aldehydes. The combined results reported in this study show subtle and remote effects that determine the organocatalytic behavior of these synthetic but readily available amino acid derivatives. These data can be used as design criteria for the development of new pyrrolidine-based organocatalysts.

Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.

Complexes cationiques POCOP de nickel : synthèse, caractérisation, réactivité et étude catalytique

Ce mémoire traite de la chimie des complexes pinceurs de nickel (II) cationiques ayant un ligand de type POCOP. Elle se divise en deux parties. La première traite de la synthèse, de la caractérisation et de la réactivité des complexes cationiques pinceurs de Ni(II) de type POCOP (POCOP = 1,3-bis(phosphinitobenzene), où C fait partie d’un cycle benzénique et est lié au métal, et P est un ligand phosphoré aussi lié au métal). Ces complexes ont un ligand acétonitrile coordonné au centre métallique et sont du type [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3], où R est un substituant du cycle benzénique et R’ est un substituant sur le ligand phosphoré (R’ = iPr: R = H (1), p-Me(2), p-OMe(3), p-CO2Me(4), p-Br(5), m,m-tBu2(6), m-OMe(7), m-CO2Me(8); R’ = t-Bu : R = H (9), p-CO2Me(10)). Les complexes cationiques sont préparés en faisant réagir le dérivé Ni(II) neutre correspondant R-(POCOPR’)Ni-Br avec Ag(OSO2CF3¬) dans l’acétonitrile à température ambiante. L’impact des groupements R et R’ du ligand POCOP sur la structure et sur les propriétées électroniques du complexe a été étudié par spectroscopies RMN, UV-VIS et IR, analyse électrochimique, et diffraction des rayons X. Les valeurs de fréquence du lien C≡N (ν(C≡N)) augmentent avec le caractère électroattracteur du complexe, dans l’ordre 7 < 3 ~ 2 ~ 6 < 1 < 5 ~ 8 < 4 et 9 < 10. Ces résultats sont en accord avec le fait qu’une augmentation du caractère électrophile du centre métallique devrait résulter en une augmentation de la donation σ MeCN→Ni. De plus, les complexes cationiques montrent tous un potentiel d’oxydation Ni(II)/Ni(III) plus élevé que leurs analogues neutres Ni-Br. Ensuite, une étude d’équilibre entre un complexe neutre (R-POCOPR’)NiBr et un complexe cationique [(R-POCOPR’)Ni(NCMe)][OSO2CF3] démontre l’échange facile des ligands MeCN et Br. La deuxième partie de ce mémoire consiste en deux chapitres. Le premier (Chapitre 3) est une étude structurelle permettant une meilleure compréhension du mécanisme d’hydroamination des oléfines activées promue par les complexes présentés au chapitre 1, suivi de tentatives de synthèse de nouveaux composés POCOP cationiques comportant un ligand amine et nitrile, et de déplacement du groupement amine par un groupement nitrile. Le deuxième chapitre (4) décrit la réactivité et la cinétique de la réaction d’hydroamination et d’hydroalkoxylation d’oléfines activées, qui permet ainsi de mieux comprendre l’impact des différentes variables du système (groupements R et R’, température, substrats, solvent, etc.) sur la réactivité catalytique.