Regio- and stereo-selective dioxygenase-catalysed cis-dihydroxylation of fjord-region polycyclic arenes

Bacterial dioxygenase-catalysed cis-dihydroxylation of the tetracyclic arenes benzo[c]phenanthrene 2, and the isosteric compounds benzo[b]naphtho[1,2-d]furan 8, and benzo[b]naphtho[1,2-d]thiophene 9, has been found to occur exclusively at fjord-region bonds. The resulting cis-dihydrodiols 7, 10 and 11 were found to be enantiopure and of similar absolute configuration. cis-Dihydroxylation was also observed in the pseudo-fjord region of the 8,9,10,11-tetrahydro-precursors (12 and 13) of benzo[b]naphtho[1,2-d]furan 8, and benzo[b]naphtho[1,2-d]thiophene 9, to yield the corresponding enantiopure hexahydro cis-diols 14 and 15. A novel tandem cis-dihydroxylation and bis-desaturation of the tetrahydro-substrate, tetrahydrobenzo[b]naphtho[1,2-d]thiophene 13, catalysed by biphenyl dioxygenase, was found to yield the fjord-region cis-dihydrodiol 17 of benzo[b]naphtho[1,2-d]thiophene 9.

Bacterial dioxygenase- and monooxygenase-catalysed sulfoxidation of benzo[b]thiophenes

Asymmetric heteroatom oxidation of benzo[b]thiophenes to yield the corresponding sulfoxides was catalysed by toluene dioxygenase (TDO), naphthalene dioxygenase (NDO) and styrene monooxygenase (SMO) enzymes present in P. putida mutant and E. coli recombinant whole cells. TDO-catalysed oxidation yielded the relatively unstable benzo[b] thiophene sulfoxide; its dimerization, followed by dehydrogenation, resulted in the isolation of stable tetracyclic sulfoxides as minor products with cis-dihydrodiols being the dominant metabolites. SMO mainly catalysed the formation of enantioenriched benzo[b] thiophene sulfoxide and 2-methyl benzo[b] thiophene sulfoxides which racemized at ambient temperature. The barriers to pyramidal sulfur inversion of 2- and 3-methyl benzo[b] thiophene sulfoxide metabolites, obtained using TDO and NDO as biocatalysts, were found to be ca.: 25-27 kcal mol(-1). The absolute configurations of the benzo[b] thiophene sulfoxides were determined by ECD spectroscopy, X-ray crystallography and stereochemical correlation. A site-directed mutant E. coli strain containing an engineered form of NDO, was found to change the regioselectivity toward preferential oxidation of the thiophene ring rather than the benzene ring.

bis-cis-dihydrodiols: A new class of metabolites resulting from biphenyl dioxygenase-catalyzed sequential asymmetric cis-dihydroxylation of polycyclic arenes and heteroarenes

The biphenyl dioxygenase-catalyzed asymmetric mono-cis-dihydroxylation of the tetracyclic arenes chrysene 1A, benzo[c]phenanthridine 1B, and benzo[b]naphtho[2,1-d]thiophene 1C, has been observed to occur exclusively at the bay or pseudo-bay region using the bacterium Sphingomonas yanoikuyae B8/36. The mono-cis-dihydrodiol derivatives 2A and 2C, obtained from chrysene 1A by oxidation at the 3,4-bond (2A) and benzo[b]naphtho[2,1-d]thiophene 1C by oxidation at the 1,2-bond (2C), respectively, have been observed to undergo a further dioxygenase-catalyzed asymmetric cis-dihydroxylation at a second bay or pseudo-bay region bond to yield the corresponding bis-cis-dihydrodiols (cis-tetraols) 4A and 4C, the first members of a new class of microbial metabolites in the polycyclic arene series. The enantiopurities and absolute configurations of the new mono-cis-dihydrodiols 2B, 2C, and 3B were determined by H-1 NMR analyses of the corresponding (R)- and (S)-2-(1-methoxyethyl)benzeneboronate (MPBA) ester derivatives. The structure and absolute configurations of the bis-cis-dihydrodiols 4A and 4C were unambiguously determined by spectral analyses, stereochemical correlations, and, for the metabolite 4C, X-ray crystallographic analysis of the bis-acetonide derivative 7C. These results illustrate the marked preference of biphenyl dioxygenase for the cis-di- and tetra-hydroxylations of polycyclic arenes, at the more hindered bay or pseudo-bay regions, by exclusive addition from the same (si:si) face, to yield single enantiomers containing two and four chiral centers.

Chemisorption and decomposition of pyrrole on Pd{111}

XPS, TPD and HREEL results indicate that molecular pyrrole is a fragile adsorbate on clean Pd{111}. At 200 K and for low coverages, the molecule remains intact and adopts an almost flat-lying geometry. With increasing coverage, pyrrole molecules tilt away from the surface and undergo N-H bond cleavage to form strongly tilted pyrrolyl (C4H4N) species. In addition, a weakly bound, strongly tilted form of molecular pyrrole is observed at coverages approaching saturation. Heating pyrrole monolayers results in desorption of similar to 15% of the overlayer as molecular pyrrole and N-a+ C4H4Na recombination with formation of hat-lying pyrrole molecules. This strongly bound species undergoes decomposition to adsorbed CN, CHx and H, leading ultimately to desorption of HCN and H-2. The implications of these results for the production of pyrrole by a heterogeneously catalysed route are discussed.

Chemisorption and reactivity of furan on Pd{111}

XPS, HREELS, ARUPS and Delta phi data show that furan chemisorbs non-dissociatively on Pd{111} at 175 K, the molecular plane being significantly tilted with respect to the surface normal. Bonding involves both the oxygen lone pair and significant a interaction with the substrate. The degree of decomposition that accompanies molecular desorption is a strong function of coverage: similar to 40% of the adsorbate desorbs molecularly from the saturated monolayer. Decomposition occurs via decarbonylation to yield COa and H-a followed by desorption rate limited loss of H-2 and CO. It seems probable that an adsorbed C3H3 species formed during this process undergoes subsequent stepwise dehydrogenation ultimately yielding H-2 and C-a.

Plasma polymerization of 2-iodothiophene

Continuous wave rf plasma polymerization of 2-iodothiophene has been studied using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption near-edge spectroscopy (XANES), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The variation in plasma polymer stoichiometry and the extent of monomer fragmentation are found to be critically dependent upon the electrical discharge power.

Enzyme-catalysed oxidation of 1,2-disulfides to yield chiral thiosulfinate, sulfoxide and cis-dihydrodiol metabolites

Enantioenriched and enantiopure thiosulfinates were obtained by asymmetric sulfoxidation of cyclic 1,2-disulfides, using chemical and enzymatic (peroxidase, monooxygenase, dioxygenase) oxidation methods and chiral stationary phase HPLC resolution of racemic thiosulfinates. Enantiomeric excess values, absolute configurations and configurational stabilities of chiral thiosulfinates were determined. Methyl phenyl sulfoxide, benzo[c]thiophene cis-4,5-dihydrodiol and 1,3-dihydrobenzo[c]thiophene derivatives were among unexpected types of metabolites isolated, when acyclic and cyclic 1,2-disulfide were used as substrates for Pseudomonas putida strains. Possible biosynthetic pathways are presented for the production of metabolites from 1,4-dihydrobenzo-2,3-dithiane, including a novel cis-dihydrodiol metabolite that was also derived from benzo[c]thiophene and 1,3-dihydrobenzo[c]thiophene.

Novos métodos de síntese de 4-quinolonas e benzo[b]acridonas

As 4-quinolonas e as acridonas são duas importantes famílias de compostos heterocíclicos azotados naturais que apresentam uma variedade de importantes aplicações biológicas. As 4-quinolonas têm sido objecto de extensos estudos devido às suas potenciais aplicações como fortes agentes citotóxicos, antimitóticos e anti-plaquetários e como protectores cardiovasculares, mas o seu uso é principalmente como antibióticos de largo espectro. As acridonas são conhecidas por apresentarem importante actividade antiviral, antiparasitária, contra a leishmania e a malária, e anticancerígena. A variedade de importantes aplicações biológicas das 4-quinolonas e das acridonas e a contínua procura pela comunidade científica de novas substâncias com actividades biológicas atractivas destaca estes compostos como alvos interessantes para a preparação de novos derivados e/ou para o desenvolvimento de novos métodos de síntese destas duas famílias de compostos. No primeiro capítulo desta dissertação descreve-se a síntese dos compostos de partida que tiveram de ser previamente preparados para o desenvolvimento das novas rotas de síntese apresentadas nos capítulos seguintes. A 4-cloro-3- formilquinolina foi obtida através da reacção de Vilsmeier-Haack da 2’-aminoacetofenona enquanto que a 3-formilquinolin-4(1H)-ona foi facilmente preparada por hidrólise ácida da anterior. Foi necessário proteger o grupo amina da quinolin-4(1H)-ona para evitar reacções secundárias e foram descritas as reacções de protecção com o grupo metilo, etoxicarbonilo e ptoluenossulfonilo. Os 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofeno, necessários para o estudo das reacções de Diels-Alder, não se encontram disponíveis comercialmente e a sua síntese é também descrita. No segundo capítulo reporta-se uma nova e eficiente rota de síntese de (Z)- e (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas a partir da reacção de Wittig da 4-cloro-3- formilquinolina e de 3-formilquinolin-4(1H)-onas com benzilidenotrifenilfosforanos. As (Z)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram obtidas com elevada diastereoselectividade a partir da reacção das 3-formilquinolin- 4(1H)-onas N-protegidas enquanto que as (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram preparadas através da reacção de Wittig da 4-cloro-3-formilquinolina seguida da hidrólise ácida das respectivas (Z)- e (E)-4-cloro-3-estirilquinolinas obtidas. Ambas as rotas sintéticas são eficientes, independentemente dos substituintes dos benzilidenotrifenilfosforanos. No terceiro capítulo, descreve-se um novo método de síntese de novas benzo[b]acridonas a partir da reacção de Diels-Alder de 3-formilquinolin-4(1H)- onas N-protegidas, que actuam como dienófilos, com dienos altamente reactivos, os orto-benzoquinodimetanos, preparados in situ através da extrusão térmica do dióxido de enxofre dos respectivos 2,2-dióxidos de 1,3-dihidrobenzo[ c]tiofeno. A reacção de cicloadição das 3-formilquinolin-4(1H)-onas N-protegidas com orto-benzoquinodimetanos origina as benzo[b]-1,6,6a,12atetra- hidroacridin-12(7H)-onas esperadas, que são o resultado da referida cicloadição seguida de desformilação in situ, e mostrou ser eficiente apenas quando o grupo amina está derivatizado com um grupo sacador de electrões. A desidrogenação destas benzo[b]-1,6,6a,12a-tetra-hidroacridin-12(7H)-onas em dimetilsulfóxido utilizando uma quantidade catalítica de iodo foi também descrita e originou como produto principal as benzo[b]acridin-12(7H)-onas N-desprotegidas. Todos os compostos novos sintetizados foram caracterizados por diversas técnicas analíticas, especialmente por estudos espectroscópicos de ressonância magnética nuclear (RMN), incluindo espectros de 1H e 13C, bidimensionais de correlação espectroscópica homonuclear e heteronuclear e de efeito nuclear de Overhauser (NOESY). Foram também efectuados, sempre que possível, espectros de massa (EM) e análises elementares ou espectros de massa de alta resolução (EMAR) para todos os compostos novos sintetizados. O tautomerismo da 3-formil- e 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e as isomerizações (E) (Z) e rotacional das 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e das 4-cloro-3-estirilquinolinas foram estudados através de ressonância magnética nuclear experimental (RMN 1H e 13C) e teórica [B3LYP/6-311++G(d,p)].

A computational study of ionic liquids used in the production of fuels and biofuels

For the past decades it has been a worldwide concern to reduce the emission of harmful gases released during the combustion of fossil fuels. This goal has been addressed through the reduction of sulfur-containing compounds, and the replacement of fossil fuels by biofuels, such as bioethanol, produced in large scale from biomass. For this purpose, a new class of solvents, the Ionic Liquids (ILs), has been applied, aiming at developing new processes and replacing common organic solvents in the current processes. ILs can be composed by a large number of different combinations of cations and anions, which confer unique but desired properties to ILs. The ability of fine-tuning the properties of ILs to meet the requirements of a specific application range by mixing different cations and anions arises as the most relevant aspect for rendering ILs so attractive to researchers. Nonetheless, due to the huge number of possible combinations between the ions it is required the use of cheap predictive approaches for anticipating how they will act in a given situation. Molecular dynamics (MD) simulation is a statistical mechanics computational approach, based on Newton’s equations of motion, which can be used to study macroscopic systems at the atomic level, through the prediction of their properties, and other structural information. In the case of ILs, MD simulations have been extensively applied. The slow dynamics associated to ILs constitutes a challenge for their correct description that requires improvements and developments of existent force fields, as well as larger computational efforts (longer times of simulation). The present document reports studies based on MD simulations devoted to disclose the mechanisms of interaction established by ILs in systems representative of fuel and biofuels streams, and at biomass pre-treatment process. Hence, MD simulations were used to evaluate different systems composed of ILs and thiophene, benzene, water, ethanol and also glucose molecules. For the latter molecules, it was carried out a study aiming to ascertain the performance of a recently proposed force field (GROMOS 56ACARBO) to reproduce the dynamic behavior of such molecules in aqueous solution. The results here reported reveal that the interactions established by ILs are dependent on the individual characteristics of each IL. Generally, the polar character of ILs is deterministic in their propensity to interact with the other molecules. Although it is unquestionable the advantage of using MD simulations, it is necessary to recognize the need for improvements and developments of force fields, not only for a successful description of ILs, but also for other relevant compounds such as the carbohydrates.

Novos compostos orgânicos reticuláveis para aplicações em células fotovoltaicas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Química e Biológica

Synthèse de nouveaux matériaux conducteurs comportant des unités aromatiques conjuguées et analyse de leurs propriétés physico-chimiques

Les matériaux conjugués ont fait l’objet de beaucoup de recherches durant les dernières années. Les nouveaux matériaux présentent des propriétés intéressantes que ce soit au niveau optique, électrique, mécanique ou même les trois en même temps. La synthèse reste la difficulté principale dans la fabrication de dispositifs électroniques. Les méthodes utilisées pour y parvenir sont l’électropolymérisation, le couplage de Suzuki ou de Wittig. Ces techniques comportent encore de nombreuses contraintes et s’avèrent difficilement réalisables à grande échelle. Les thiophènes, les pyrroles et les furanes ont démontré une bonne conductibilité et une bande de conduction basse due à une conjugaison accrue. L’objectif ici est de synthétiser des oligomères principalement composés de thiophènes dans le but d’en caractériser les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de conduction. La synthèse est souvent l’étape délicate de la fabrication de matériaux conjugués. Nous présentons ici une méthode de synthèse simple par modules avec des unités hétérocycliques. Les modules complémentaires sont attachés par condensation entre un aldéhyde et une amine menant à la formation d’un lien robuste, l’azomethine. Les résultats des propriétés photophysiques et électrochimiques de ces matériaux conjugués seront présentés. En ayant recours à différents groupes électrodonneurs et électroaccepteurs, en variant le degré de conjugaison ou en utilisant différents hétérocycles, les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de bande de conduction peuvent être adaptées à volonté, ce qui en fait des matériaux aux propriétés modelables. Ces nouvelles molécules seront analysées pour en déceler les propriétés recherchées dans la fabrication d’OLED. Nous explorerons les domaines de l’oxidation electrochimique réversible et de la polymérisation menant à la fabrication de quelques prototypes simples.

Synthèse, caractérisation et étude de complexes à réactivité multiélectronique

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Synthèse et caractérisation photophysique et électrochimique d'une nouvelle classe de composés à base de fluorène et 2-thiophène

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Préparation, étude de l’orientation et caractérisation physico-chimique de films polymères comportant des fluorophores

Les propriétés intrinsèques, photophysiques, électrochimiques et cristallographiques des molécules fluorescentes 4,4'-bis(2-benzoxazolyle)stilbène (BBS) et 2,5-bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyle)thiophène (BBT) ont été étudiées en solution et dans les polymères semi-cristallins : poly(butylène succinate) (PBS) et polylactide (PLA). Les deux fluorophores sont caractérisés par de hauts rendements quantiques absolus de fluorescence. Toutefois, une désactivation de la fluorescence peut se produire par croisement intersystème vers l'état triplet pour le BBT, et par photoisomérisation trans-cis pour le BBS. La cinétique de ce dernier processus dépend de la concentration, résultant en un pur isomère cis photo-induit à faibles concentrations, qui est accompagné à des concentrations élevées par l'apparition d'un composé acide après photo-clivage suivi d'une oxydation. Cette étude a révélé des changements spectroscopiques prononcés suite à l’augmentation de la concentration des fluorophores, en particulier à l'état solide, spécifiques à l'agrégation des molécules à l'état fondamental pour le BBT et à la formation d’excimères pour le BBS, permettant ainsi de corréler les propriétés fluorescentes avec les caractéristiques du monocristal pour chaque fluorophore. En outre, le passage d’une dispersion moléculaire à une séparation de phases dans le cas du BBS est accompagné d'un changement de couleur du bleu au vert, qui est sensible à la déformation, à la température et au temps, affectant les rendements quantiques absolus de fluorescence et fournissant une large opportunité à la création d'une grande variété de polymères intelligents indicateurs capables d'auto-évaluation. D’autre part, la solubilité élevée du BBT dans les solvants courants, combinée à ses propriétés optoélectroniques élevées, en font un candidat en tant que référence universelle de fluorescence et matériau intelligent à la fois pour les études de polymères et en solution. Similairement aux mélanges comprenant des polymères miscibles, l'orientation du PBS augmente après ajout d'une molécule fluorescente, dont les monomères ont tendance à être orientés dans des films étirés, contrairement aux excimères ou agrégats.

Développement de composés conjugués en étoile de première génération incluant des liens azométhines et études électrochimiques et photophysiques

Les matériaux conjugués sont de nos jours très utilisés dans de nombreuses applications ainsi qu’en recherche. L’enchainement des liaisons π-σ-π permet la délocalisation des électrons et d’obtenir différentes propriétés comme la conduction, la fluorescence, la chélation, etc. Ainsi, de nombreux dispositifs utilisent ces caractéristiques en vue d’obtenir de nouveaux matériaux révolutionnaires comme les cellules solaires, les transistors à effet de champs, les dispositifs électrochromiques, etc.. Les dispositifs électrochromiques font partie des dispositifs en vogue. Ils sont capables de changer de couleur selon le potentiel électrique appliqué. Ils se distinguent par la simplicité du mode de conception et ils ne nécessitent pas de fonctionner dans des conditions drastiques comme une atmosphère contrôlée. Ces dispositifs sont actuellement utilisés et commercialisés comme fenêtre intelligente, camouflage, papier électronique et carte de visite personnalisée pour n’en nommer que quelques-uns. Deux propriétés sont essentielles pour que des composés puissent être utilisés dans ces familles de dispositifs : la réversibilité à l’oxydation et la stabilité à l’air et à la lumière. Dans le groupe de recherche du professeur W.G. Skene, l’axe principal de recherche est basé sur la conception de nouveaux matériaux conducteurs comportant des liaisons azométhines. Les principaux matériaux étudiés sont des dérivés de thiophènes et de fluorènes. De précédents résultats ont montré que plusieurs produits issus de la réaction de condensation entre les dérivés du 2,5-diaminothiophène et de thiophènes diformylés menaient à des produits possédant d’excellentes propriétés photophysiques et électrochimiques. C’est en partant de ces résultats encourageants qu’il a été choisi de synthétiser une nouvelle famille de produits avec un nouveau substrat fonctionnalisé. Ce dernier possède d’excellentes propriétés électrochimiques et photophysiques : la triphénylamine. Deux familles de produits ont été synthétisées qui possèdent toutes comme cœur une triphénylamine. Cette dernière a été modifiée de façon à créer une, deux ou trois liaisons azométhines avec différents thiophènes. Deux dérivés du thiophène ont été choisis afin d’étudier l’influence des groupements donneurs et accepteurs sur ces nouveaux types de composés encore jamais étudiés. Les résultats des différentes synthèses et analyses ont été effectués par RMN, spectrométrie de masse, spectrométrie d’absorbance UV-Visible, fluorescence et voltampérométrie cyclique sont rapportées dans le présent recueil.