Nuclear magnetic resonance spectroscopic and computational investigations of chloroperoxidase catalyzed regio- and enantio-selective transformations

Chloroperoxidase (CPO) is the most versatile heme-containing enzyme that catalyzes a broad spectrum of reactions. The remarkable feature of this enzyme is the high regio- and enantio-selectivity exhibited in CPO-catalyzed oxidation reactions. The aim of this dissertation is to elucidate the structural basis for regio- and enantio-selective transformations and investigate the application of CPO in biodegradation of synthetic dyes. ^ To unravel the mechanism of CPO-catalyzed regioselective oxidation of indole, the dissertation explored the structure of CPO-indole complex using paramagnetic relaxation and molecular modeling. The distances between the protons of indole and the heme iron revealed that the pyrrole ring of indole is oriented toward the heme with its 2-H pointing directly at the heme iron. This provides the first experimental and theoretical explanation for the "unexpected" regioselectivity of CPO-catalyzed indole oxidation. Furthermore, the residues including Leu 70, Phe 103, Ile 179, Val 182, Glu 183, and Phe 186 were found essential to the substrate binding to CPO. These results will serve as a lighthouse in guiding the design of CPO mutants with tailor-made activities for biotechnological applications. ^ To understand the origin of the enantioselectivity of CPO-catalyzed oxidation reactions, the interactions of CPO with substrates such as 2-(methylthio)thiophene were investigated by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and computational techniques. In particular, the enantioselectivity is partly explained by the binding orientation of substrates. In third facet of this dissertation, a green and efficient system for degradation of synthetic dyes was developed. Several commercial dyes such as orange G were tested in the CPO-H2O 2-Cl- system, where degradation of these dyes was found very efficient. The presence of halide ions and acidic pH were found necessary to the decomposition of dyes. Significantly, the results revealed that this degradation of azo dyes involves a ferric hypochlorite intermediate of CPO (Fe-OCl), compound X.^

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

Organic geochemistry of sediments from sapropel 94 of ODP Hole 161-974C

Analysis of the molecular composition of the organic matter (OM) from whole sediment samples can avoid analytical bias that might result from isolation of components from the sediment matrix, but has its own analytical challenges. We evaluated the use of GC * GC-ToFMS to analyze the pyrolysis products of six whole sediment samples obtained from above, within and below a 1 million year old OM-rich Mediterranean sapropel layer. We found differences in pyrolysis products pyrroles, probably derived from chlorophyll, in pyrolysates of the sapropels but not in those of the marls suggests that higher marine productivity and greater OM preservation accompanied deposition of the sapropels. Detection of tetramethyl benzenes considered to be pyrolysis products of isorenieratene in the sapropel samples is evidence that nitrogen-fixing green sulfur bacteria contributed to the high productivity. Greater abundances of shorter chain aliphatic hydrocarbons, pyrroles, furans and alkyl aromatics in the pyrolysates of sapropel samples relative to the marls confirm better preservation of marine OM in the sapropels. In addition, the presence of greater amounts of thiophenes in the sapropels than in the marls is consistent with the existence of euxinic conditions during sapropel deposition. The combination of whole sediment pyrolysis and GC × GC-ToFMS is promising, but the procedure requires careful selection of its multiple analytical variables, particularly the pyrolysis temperature and the operational features of the GC columns.

Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.

Green synthesis of polypyrrole-supported metal catalysts: application to nitrate removal in water

Pt and Pt/Sn catalysts supported on polypyrrole (PPy) have been prepared using Ar plasma to reduce the metal precursors dispersed on the polymer. The PPy support was synthesized by chemical polymerization of pyrrole with FeCl3·6H2O, this leading to the conducting form of the polymer (conductimetric measurements). The Ar plasma treatment produced a partial reduction of platinum ions, anchored as platinum chloro-complexes to the PPy chain, into metallic platinum. A homogeneous distribution of Pt and Sn nanoparticles was observed by TEM. Activity of the PPy-supported catalysts was evaluated in the reduction of aqueous nitrate with H2 at room temperature. Nitrate concentration in water below the maximum acceptable level of 50 mg L−1 was achieved with all catalysts. However, considering not only efficiency in nitrate reduction, but also minimized concentrations of undesired nitrite and ammonium, the monometallic Pt catalyst seems to be the most promising one.

Fabrication of graphene foam supported carbon nanotube/polyaniline hybrids for high-performance supercapacitor applications

A large-scale, high-powered energy storage system is crucial for addressing the energy problem. The development of high-performance materials is a key issue in realizing the grid-scale applications of energy-storage devices. In this work, we describe a simple and scalable method for fabricating hybrids (graphenepyrrole/ carbon nanotube-polyaniline (GPCP)) using graphene foam as the supporting template. Graphene-pyrrole (G-Py) aerogels are prepared via a green hydrothermal route from two-dimensional materials such as graphene sheets, while a carbon nanotube/polyaniline (CNT/PANI) composite dispersion is obtained via the in situ polymerization method. The functional nanohybrid materials of GPCP can be assembled by simply dipping the prepared G-py aerogels into the CNT/PANI dispersion. The morphology of the obtained GPCP is investigated by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), which revealed that the CNT/PANI was uniformly deposited onto the surfaces of the graphene. The as-synthesized GPCP maintains its original three-dimensional hierarchical porous architecture, which favors the diffusion of the electrolyte ions into the inner region of the active materials. Such hybrid materials exhibit significant specific capacitance of up to 350 F g^-1, making them promising in large-scale energy-storage device applications.

A non-fullerene electron acceptor based on central carbazole and terminal diketopyrrolopyrrole functionalities for efficient, reproducible and solution-processable bulk-heterojunction devices

A novel, solution-processable non-fullerene electron acceptor, 6,6′-((9-(heptadecan-9-yl)-9H-carbazole-2,7-diyl)bis(thiophene-5,2-diyl))bis(2,5-bis(2-ethylhexyl)-3-(thiophen-2-yl)-2,5-dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione) (coded as N7), based on central carbazole and terminal diketopyrrolopyrrole building blocks was designed, synthesized and characterized. N7 displayed excellent solubility, thanks to its design allowing incorporation of numerous lipophilic chains, thermal stability, and afforded a 2.30% power conversion efficiency with a high open-circuit voltage (1.17 V) when tested with the conventional donor polymer poly(3-hexylthiophene) in solution-processable bulk-heterojunction devices. To our knowledge, not only is N7 the first reported chromophore based on carbazole and diketopyrrolopyrrole functionalities but the open-circuit voltage reported here is among the highest values for a single junction bulk-heterojunction device that has been fabricated using a simple device architecture, with reproducible outcomes and with no special treatment.

The Photooxidation of Domoic Acid

Domoic acid (DA) is a naturally occurring cyanotoxin, which upon ingestion, is responsible for amnesic shellfish poisoning (ASP) in both humans and animals. Produced by the marine diatom, Pseudonitzschia, DA is accumulated by a number of marine organisms including shellfish, clams and mussels which upon consumption can lead to headaches, nausea and seizures. Possessing a variety of functional groups the structure of DA contains three carboxyl groups, a pyrrole ring and a potent conjugated diene region allowing for binding to glutamate receptors in the dorsal hippocampus of the brain causing the described detrimental effects. Although limitations have been placed regarding the amount of DA that may be contained in seafood no limitations have been placed on the amount present in drinking water. Natural degradation of the toxin may occur through reactive oxygen species such as the hydroxyl radical and singlet oxygen at the conjugated diene region. In this work the photooxidation of DA via singlet oxygen has been studied using sorbic acid as a model compound. The three major reaction pathways observed during the photooxdiation process for both acids include 2 + 4 cycloaddition to produce endoperoxides , 2 + 2 reaction to afford aldehydes and ketones or an ene reaction to generate hydroperoxides. Under similar reaction conditions for SA and DA, the endoperoxide has been seen to be the major product for photoxidation of SA while the hydroperoxide has been seen to be the dominant product during photooxidation of DA.

Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopic and Computational Investigations of Chloroperoxidase Catalyzed Regio- and Enantio-Selective Transformations

Chloroperoxidase (CPO) is the most versatile heme-containing enzyme that catalyzes a broad spectrum of reactions. The remarkable feature of this enzyme is the high regio- and enantio-selectivity exhibited in CPO-catalyzed oxidation reactions. The aim of this dissertation is to elucidate the structural basis for regio- and enantio-selective transformations and investigate the application of CPO in biodegradation of synthetic dyes. To unravel the mechanism of CPO-catalyzed regioselective oxidation of indole, the dissertation explored the structure of CPO-indole complex using paramagnetic relaxation and molecular modeling. The distances between the protons of indole and the heme iron revealed that the pyrrole ring of indole is oriented toward the heme with its 2-H pointing directly at the heme iron. This provides the first experimental and theoretical explanation for the "unexpected" regioselectivity of CPO-catalyzed indole oxidation. Furthermore, the residues including Leu 70, Phe 103, Ile 179, Val 182, Glu 183, and Phe 186 were found essential to the substrate binding to CPO. These results will serve as a lighthouse in guiding the design of CPO mutants with tailor-made activities for biotechnological applications. To understand the origin of the enantioselectivity of CPO-catalyzed oxidation reactions, the interactions of CPO with substrates such as 2-(methylthio)thiophene were investigated by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and computational techniques. In particular, the enantioselectivity is partly explained by the binding orientation of substrates. In third facet of this dissertation, a green and efficient system for degradation of synthetic dyes was developed. Several commercial dyes such as orange G were tested in the CPO-H2O2-Cl- system, where degradation of these dyes was found very efficient. The presence of halide ions and acidic pH were found necessary to the decomposition of dyes. Significantly, the results revealed that this degradation of azo dyes involves a ferric hypochlorite intermediate of CPO (Fe-OCl), compound X.