Vertical fluxes and atmospheric cycling of methanol, acetaldehyde, and acetone in a coastal environment

We present here vertical fluxes of methanol, acetaldehyde, and acetone measured directly with eddy covariance (EC) during March to July 2012 near the southwest coast of the UK. The performance of the proton-transfer reaction mass spectrometer (PTR-MS) for flux measurement is characterized, with additional considerations given to the homogeneity and stationarity assumptions required by EC. Concentrations and fluxes of these compounds vary significantly with time of day and wind direction. Higher values of acetaldehyde and acetone are usually observed in the daytime and from the direction of a forested park, most likely due to light-driven emissions from terrestrial plants. Methanol concentration and flux do not demonstrate clear diel variability, suggesting sources in addition to plants. We estimate air–sea exchange and photochemical rates of these compounds, which are compared to measured vertical fluxes. For acetaldehyde, the mean (1�) concentration of 0.13 (0.02) ppb at night may be maintained by oceanic emission, while photochemical destruction outpaces production during the day. Air-sea exchange and photochemistry are probably net sinks of methanol and acetone in this region. Their nighttime concentrations of 0.46 (0.20) and 0.39 (0.08) ppb appear to be affected more by terrestrial emissions and long distance transport, respectively.

Catalytic Water Formation on Platinum: A First-Principles Study

The study of catalytic behavior begins with one seemingly simple process, namely the hydrogenation of O to H2O on platinum. Despite the apparent simplicity its mechanism has been much debated. We have used density functional theory with,gradient corrections to examine microscopic reaction pathways for several elementary steps implicated in this fundamental catalytic process. We find that H2O formation from chemisorbed O and H atoms is a highly activated process. The largest barrier along this route, with a value of similar to1 eV, is the addition of the first H to O to produce OH. Once formed, however, OH groups are easily hydrogenated to H2O with a barrier of similar to0.2 eV. Disproportionation reactions with 1:1 and 2:1 stoichiometries of H2O and O have been examined as alternative routes for OH formation. Both stoichiometries of reaction produce OH groups with barriers that are much lower than that associated with the O + H reaction. H2O, therefore, acts as an autocatalyst in the overall H O formation process. Disproportionation with a 2:1 stoichiometry is thermodynamically and kinetically favored over disproportionation with a l:I stoichiometry. This highlights an additional (promotional) role of the second H2O molecule in this process. In support of our previous suggestion that the key intermediate in the low-temperature H2O formation reaction is a mixed OH and H2O overlayer we find that then is a very large barrier for the dissociation of the second H2O molecule in the 2:1 disproportionation process. We suggest that the proposed intermediate is then hydrogenated to H2O through a very facile proton transfer mechanism.

Solvation Structure and Transport of Acidic Protons in Ionic Liquids: A First-principles Simulation Study

Ab initio simulations of a single molecule of HCl in liquid dimethyl imidazolium chloride [dmim][Cl] show that the acidic proton exists as a symmetric, linear ClHCl- species. Details of the solvation structure around this molecule are given. The proton-transfer process was investigated by applying a force along the antisymmetric stretch coordinate until the molecule broke. Changes in the free energy and local solvation structure during this process were investigated. In the reaction mechanism identified, a free chloride approaches the proton from the side. As the original ClHCl- distorts and the incoming chloride forms a new bond to the proton, one of the original chlorine atoms is expelled and a new linear molecule is formed.

Protic ionic liquids based on the dimeric and oligomeric anions: [(AcO)(x)Hx-1](-)

We describe a fluidity and conductivity study as a function of composition in N-methylpyrrolidine-acetic acid mixtures. The simple 1 : 1 acid-base mixture appears to form an ionic liquid, but its degree of ionicity is quite low and such liquids are better thought of as poorly dissociated mixtures of acid and base. The composition consisting of 3 moles acetic acid and 1 mole N-methylpyrrolidine is shown to form the highest ionicity mixture in this binary due to the presence of oligomeric anionic species [(AcO)(x)Hx-1](-) stabilised by hydrogen bonds. These oligomeric species, being weaker bases than the acetate anion, shift the proton transfer equilibrium towards formation of ionic species, thus generating a higher degree of ionicity than is present at the 1 : 1 composition. A Walden plot analysis, thermogravimetric behaviour and proton NMR data, as well as ab initio calculations of the oligomeric species, all support this conclusion.

Organic synthesis in the interstellar medium by low-energy carbon irradiation

We present a first principles molecular dynamics (FPMD) study of the interaction of low-energy neutral carbon projectiles with amorphous solid water clusters at 30 K. Reactions involving the carbon atom at an initial energy of 11 and 1.7 eV with 30-molecule clusters have been investigated. Simulations indicate that the formation of hydroxymethylene, an intermediate in formaldehyde production, dominates at the higher energy. The reaction proceeds by fragmenting a water molecule, binding the carbon to the OH radical, and saturating the C valence with a hydrogen atom that can arise from the originally dissociated water molecule, or through a chain of proton transfer events. We identified several possible pathways for the formation of HCOH. When the initial collision occurs at the periphery of the cluster, we observe the formation of CO and the evaporation of water molecules. At the lower energy water fragmentation is not favorable, thus leading to the formation of weakly bound carbon-water complexes. © 2013 American Chemical Society.

New insights into dihydrogenphosphate recognition with dirhenium(I) tricarbonyl complexes bridged by a thiourea moiety

Three thiourea bridged 2,2’-bipyridine ligands bearing either a single thiourea group (L1), or two units separated by either a para (L2) or meta-substituted (L3) aromatic spacer, along with the corresponding bis(fac-tricarbonylrhenium(I)) complexes are reported. The three ligands all show the anticipated binding to acetate. However 1H NMR titrations reveal an unusual cooperative binding to, and selectivity for, two dihydrogenphosphate ions. The rhenium(I) complexes similarly demonstrate unusual sigmoidal titration curves, and in the case of {Re(CO)3Br}2(-L1) a surprisingly strong interaction to two anions. These were further exemplified in the emissive behaviour leading to the conclusion that there is an unusual interaction with dihydrogenphosphate, giving an initial increase in the emission, followed by a decrease and a blue shift in wavelength possibly as a result of partial deprotonation. It appears that dihydrogenphosphate binds cooperatively, with the addition of a second anion enhancing the interaction of the first, probably by proton transfer; this could explain the remarkable selectivity for phosphate seen with many reported anion receptors.

Ultrafast Non-Radiative Decay of Gas-Phase Nucleosides

The ultrafast photo-physical properties of DNA are crucial in providing a stable basis for life. Although the DNA bases efficiently absorb ultraviolet (UV) radiation, this energy can be dissipated to the surrounding environment by the rapid conversion of electronic energy to vibrational energy within about a picosecond. The intrinsic nature of this internal conversion process has previously been demonstrated through gas phase experiments on the bases, supported by theoretical calculations. De-excitation rates appear to be accelerated when individual bases are hydrogen bonded to solvent molecules or their complementary Watson-Crick pair. In this paper, the first gas-phase measurements of electronic relaxation in DNA nucleosides following UV excitation are reported. Using a pump-probe ionization scheme, the lifetimes for internal conversion to the ground state following excitation at 267 nm are found to be reduced by around a factor of two for adenosine, cytidine and thymidine compared with the isolated bases. These results are discussed in terms of a recent proposition that a charge transfer state provides an additional internal conversion pathway mediated by proton transfer through a sugar to base hydrogen bond.

Carbapenemases of Serratia fonticola UTAD54

As carbapenemases, serínicas e metalo-β-lactamases (MBLs), formam um grupo cada vez mais importante de β-lactamases capazes de tornar as bactérias resistentes a antibióticos β-lactâmicos, incluindo carbapenemos utilizados como antibióticos de último recurso no tratamento de infecções causadas por bactérias multirresistentes. De modo a compreender melhor a relação estrutura-função deste grupo de enzimas, prosseguimos com a caracterização bioquímica e estrutural das carbapenemases SFC-1 e Sfh-I específicas de Serratia fonticola UTAD54, uma estirpe ambiental isolada previamente de águas de consumo não tratadas no Nordeste de Portugal. Ambas as β-lactamases foram sobre-expressas em Escherichia coli e purificadas por cromatografia líquida. A SFC-1 recombinante, uma carbapenemase serínica, hidrolisa eficientemente antibióticos β-lactâmicos de todas as classes e exibe, comparativamente a enzimas relacionadas (ex. KPC), uma maior eficiência contra a ceftazidima e uma menor susceptibilidade aos inibidores convencionais das β-lactamases. As estruturas do cristal da SFC-1 nativa e de complexos de mutantes, obtidos por mutagénese dirigida, com o meropenemo não hidrolisado e na forma de acetilenzima foram determinados por substituição molecular utilizando cristalografia de raios-X. A estrutura da SFC-1 contém todas as características conservadas do centro activo das carbapenemases de classe A. Nas estruturas dos mutantes o meropenemo aparece orientado no centro activo por Thr236 e Thr238, posicionando-o próximo da Ser130 para a transferência do protão. Nas enzimas de classe A inibidas por carbapenemos, a interacção com a Arg244 impõe uma orientação diferente do meropenemo ligado, prejudicando a transferência do protão. Estas constituem as primeiras estruturas de uma carbapenemase de classe A com um carbapenemo no centro activo e revelam que estas enzimas alteram a orientação do meropenemo ligado para promover a catálise, sem alteração significativa da estrutura geral. A Sfh-I, tal como as outras MBLs da subclasse B2, apresenta um perfil de substratos reduzido, que inclui maioritariamente os carbapenemos. A Sfh-I hidrolisa imipenemo e meropenemo com um kcat de 51 e 109 s-1 e um KM de 79 e 215 μM, respectivamente. A Sfh-I liga um equivalente de zinco, como demonstrado por espectrometria de massa. Contrariamente a enzimas da subclasse B2 previamente caracterizadas, a Sfh-I hidrolisa a cefepima, mostrando que a Sfh-I é uma MBL da subclasse B2 com propriedades únicas. Por espectroscopia de fluorescência mostrou-se que a Sfh-I é capaz de ligar até 3 equivalentes de zinco (Kd2 = 95 μM; Kd3 = 2.3 mM). A estrutura do cristal da Sfh-I, determinada por substituição molecular utilizando a CphA como modelo, é a primeira para uma MBL da subclasse B2 não ligada. Esta estrutura revela a disposição das moléculas de água no centro activo corroborando um mecanismo catalítico para as MBLs da subclasse B2 no qual a His118, em vez do Asp120 proposto anteriormente, activa a molécula de água nucleofílica.

Structure d'une tagatose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : étude d'une apparente perte de stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase de classe I qui fait montre d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-biphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-biphosphate (FBP), du sorbose-1,6-biphosphate et du psicose-1,6-biphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution de la structure native et en complexe avec le DHAP, a respectivement 1.87 et 1.92 Å de résolution. Ces mêmes structures ont permis de se représenter plus clairement le site actif de l'enzyme en général, et les résidus catalytiques en particulier. Le trempage des cristaux de TBP aldolase dans une solution saturante de DHAP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire iminium, ainsi que sa géométrie particulière en atteste. Des expériences d'échange de proton, entreprises afin d'évaluer le stéréoisomérisme du transfert de proton catalytique, ont également permis de faire une intéressante découverte : la TBP aldolase ne peut déprotoner le coté pro-R du C3 du DHAP, mais peut le protonner. Ce résultat, ainsi que la comparaison de la structure du complexe TBP aldolase-DHAP avec la structure du complexe FBP aldolase de muscle de lapin- DHAP, pointe vers un isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP. De plus, la résolution de ces deux structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Étude structure-fonction des fructose-1,6-bisphosphate aldolases métallo-dépendantes : mécanisme catalytique et développement d’antimicrobiens

Les fructose-1,6-bisphosphate aldolases (FBPA) sont des enzymes glycolytiques (EC 4.1.2.13) qui catalysent la transformation réversible du fructose-1,6-bisphosphate (FBP) en deux trioses-phosphates, le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et le dihydroxyacétone phosphate (DHAP). Il existe deux classes de FBPA qui diffèrent au niveau de leur mécanisme catalytique. Les classes I passent par la formation d’un intermédiaire covalent de type iminium alors que les classes II, métallodépendantes, utilisent généralement un zinc catalytique. Contrairement au mécanisme des classes I qui a été très étudié, de nombreuses interrogations subsistent au sujet de celui des classes II. Nous avons donc entrepris une analyse détaillée de leur mécanisme réactionnel en nous basant principalement sur la résolution de structures cristallographiques. De nombreux complexes à haute résolution furent obtenus et ont permis de détailler le rôle de plusieurs résidus du site actif de l’enzyme. Nous avons ainsi corrigé l’identification du résidu responsable de l’abstraction du proton de l’O4 du FBP, une étape cruciale du mécanisme. Ce rôle, faussement attribué à l’Asp82 (chez Helicobacter pylori), est en fait rempli par l’His180, un des résidus coordonant le zinc. L’Asp82 n’en demeure pas moins essentiel car il oriente, active et stabilise les substrats. Enfin, notre étude met en évidence le caractère dynamique de notre enzyme dont la catalyse nécessite la relocalisation du zinc et de nombreux résidus. La dynamique de la protéine ne permet pas d’étudier tous les aspects du mécanisme uniquement par l’approche cristallographique. En particulier, le résidu effectuant le transfert stéréospécifique du proton pro(S) sur le carbone 3 (C3) du DHAP est situé sur une boucle qui n’est visible dans aucune de nos structures. Nous avons donc développé un protocole de dynamique moléculaire afin d’étudier sa dynamique. Validé par l’étude d’inhibiteurs de la classe I, l’application de notre protocole aux FBPA de classe II a confirmé l’identification du résidu responsable de cette abstraction chez Escherichia coli (Glu182) mais pointe vers un résidu diffèrent chez H. pylori (Glu149 au lieu de Glu142). Nos validations expérimentales confirment ces observations et seront consolidées dans le futur. Les FBPA de classe II sont absentes du protéome humain mais sont retrouvées chez de nombreux pathogènes, pouvant même s'y révéler essentielles. Elles apparaissent donc comme étant une cible idéale pour le développement de nouveaux agents anti-microbiens. L’obtention de nouveaux analogues des substrats pour ces enzymes a donc un double intérêt, obtenir de nouveaux outils d’étude du mécanisme mais aussi développer des molécules à visée pharmacologique. En collaboration avec un groupe de chimistes, nous avons optimisé le seul inhibiteur connu des FBPA de classe II. Les composés obtenus, à la fois plus spécifiques et plus puissants, permettent d’envisager une utilisation pharmacologique. En somme, c’est par l’utilisation de techniques complémentaires que de nouveaux détails moléculaires de la catalyse des FBPA de classe II ont pu être étudiés. Ces techniques permettront d’approfondir la compréhension fine du mécanisme catalytique de l’enzyme et offrent aussi de nouvelles perspectives thérapeutiques.

Multifonctionnalité de l'aldolase glycolytique : mécanisme catalytique et interaction avec un peptide de la protéine du syndrome Wiskott-Aldrich

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.

Aerosol properties, in-canopy gradients, turbulent fluxes and VOC concentrations at a pristine forest site in Amazonia

Aerosol physical and chemical properties were measured in a forest site in central Amazonia (Cuieiras reservation, 2.61S; 60.21W) during the dry season of 2004 (Aug-Oct). Aerosol light scattering and absorption, mass concentration, elemental composition and size distributions were measured at three tower levels (Ground: 2 m; Canopy: 28 m, and Top: 40 m). For the first time, simultaneous eddy covariance fluxes of fine mode particles and volatile organic compounds (VOC) were measured above the Amazonian forest canopy. Aerosol fluxes were measured by eddy covariance using a Condensation Particle Counter (CPC) and a sonic anemometer. VOC fluxes were measured by disjunct eddy covariance using a Proton Transfer Reaction Mass Spectrometer (PTR-MS). At nighttime, a strong vertical gradient of phosphorus and potassium in the aerosol coarse mode was observed, with higher concentrations at Ground level. This suggests a source of primary biogenic particles below the canopy. Equivalent black carbon measurements indicate the presence of light-absorbing aerosols from biogenic origin. Aerosol number size distributions typically consisted of superimposed Aitken (76 nm) and accumulation modes (144 nm), without clear events of new particle formation. Isoprene and monoterpene fluxes reached respectively 7.4 and 0.82 mg m(-2) s(-1) around noon. An average fine particle flux of 0.05 +/- 0.10 10(6) m(-2) s(-1) was calculated, denoting an equilibrium between emission and deposition fluxes of fine mode particles at daytime. No significant correlations were found between VOC and fine mode aerosol concentrations or fluxes. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

L-(2-Quinolyl)-2-naphthol: A new intra-intermolecular photoacid-photobase molecule

Photochemical and photophysical properties of 1-(2-quinolyl)-2-naphthol (2QN) in water and organic solvents, as well in glassy media were studied to investigate the occurrence of intramolecular excited state prototropic reactions between the naphthol and quinoline rings. Spectral data show the two chromophores apparently behaving independently. However, in acid aqueous media or in low polarity solvents a new electronic transition red shifted band with respect to that of the parent compounds assigned to an intramolecular H-bond and to a quinoid form, respectively, shows up. Model calculations and R-X data lend support to a minimum energy conformer having a dihedral angle of similar to 39 degrees between the two groups. Singlet excited state properties (S-1) show a high suppressive effect of one ring over the other, resulting in very low emission yields at room temperature. The occurrence of excited state intramolecular proton transfer is observed in water (zwitter ion form) and in low polarity media (quinoid form) and originates from a previously CT H-bonded state. Phosphorescence data allowed a reasonable description of the electronic states of 2QN. In addition two new derivatives were prepared having the N atom blocked by methylation and both the N and O groups blocked by a CH2 bridge. The spectral data of these two compounds confirmed the attributions made for 2QN. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

On the use of 2,1,3-benzothiadiazole derivatives as selective live cell fluorescence imaging probes

Newly designed 2,1,3-benzothiadiazole-containing fluorescent probes with four excited state intramolecular proton transfer (ESIPT) sites were successfully tested in live cell-imaging assays using a confluent monolayer of human stem-cells (tissue). All tested dyes were compared with the commercially available DAPI and gave far better results. (c) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.