Direct catalytic macrolactonization and application of the phase separation strategy in complex molecule synthesis

Les macrolactones sont des squelettes structuraux importants dans de nombreuses sphères de l’industrie chimique, en particulier dans les marchés pharmaceutiques et cosmétiques. Toutefois, la stratégie traditionnelle pour la préparation de macrolactones demeure incommode en requérant notamment l’ajout (super)stœchiométrique d’agents activateurs. Conséquemment, des quantités stœchiométriques de sous-produits sont générées; ils sont souvent toxiques, dommageables pour l’environnement et nécessitent des méthodes de purification fastidieuses afin de les éliminer. La présente thèse décrit le développement d’une macrolactonisation efficace catalysée au hafnium directement à partir de précurseurs portant un acide carboxylique et un alcool primaire, ne générant que de l’eau comme sous-produit et ne nécessitant pas de techniques d’addition lente et/ou azéotropique. Le protocole a également été adapté à la synthèse directe de macrodiolides à partir de mélanges équimolaires de diols et de diacides carboxyliques et à la synthèse de dimères tête-à-queue de seco acides. Des muscs macrocycliques ainsi que des macrolactones pertinentes à la chimie médicinale ont pu être synthétisés avec l’approche développée. Un protocole pour l’estérification directe catalysée au hafnium entre des acides carboxyliques et des alcools primaires a aussi été développé. Différentes méthodes pour la macrolactonisation catalytique directe entre des alcools secondaires et des acides carboxyliques ont été étudiées. En outre, la stratégie de séparation de phase en macrocyclisation en débit continu a été appliquée lors de la synthèse totale formelle de la macrolactone ivorenolide A. Les étapes-clés de la synthèse incluent une macrocyclisation par le couplage d’alcynes de Glaser-Hay et une réaction de métathèse d’alcènes Z-sélective.

Ecological effects of flow and temperature regimes on fish communities in temperate rivers

Les organismes aquatiques sont adaptés à une grande variabilité hydrique et thermique des rivières. Malgré ceci, la régulation des eaux suscite des changements aux débits qui peuvent provoquer des impacts négatifs sur la biodiversité et les processus écologiques en rivière. Celle-ci peut aussi causer des modifications au niveau des régimes thermiques et des caractéristiques de l’habitat du poisson. Des données environnementales et biologiques décrivant l’habitat du poisson existent, mais elles sont incomplètes pour plusieurs rivières au Canada et de faible qualité, limitant les relations quantitatives débit-température-poissons à un petit nombre de rivières ou à une région étudiée. La recherche menée dans le cadre de mon doctorat concerne les impacts de la génération d'hydroélectricité sur les rivières; soit les changements aux régimes hydriques et thermiques reliés à la régulation des eaux sur la variation des communautés ichtyologiques qui habitent les rivières régulées et naturelles au Canada. Suite à une comparaison d’échantillonnage de pêche, une méthode constante pour obtenir des bons estimés de poisson (richesse, densité et biomasse des espèces) a été établie pour évaluer la structure de la communauté de poissons pour l’ensemble des rivières ciblées par l’étude. Afin de mieux comprendre ces changements environnementaux, les principales composantes décrivant ces régimes ont été identifiées et l’altération des régimes hydriques pour certaines rivières régulées a été quantifiée. Ces résultats ont servi à établir la relation significative entre le degré de changement biotique et le degré de changement hydrique pour illustrer les différences entre les régimes de régulation. Pour faire un complément aux indices biotiques déjà calculés pour l’ensemble des communautés de poissons (diversité, densité et biomasse des espèces par rivière), les différences au niveau des guildes de poissons ont été quantifiées pour expliquer les divers effets écologiques dus aux changements de régimes hydriques et thermiques provenant de la gestion des barrages. Ces derniers résultats servent à prédire pour quels traits écologiques ou groupes d’espèces de poissons les composantes hydriques et thermiques sont importantes. De plus, ces derniers résultats ont servi à mettre en valeur les variables décrivant les régimes thermiques qui ne sont pas toujours inclues dans les études hydro-écologiques. L’ensemble des résultats de cette thèse ont des retombées importantes sur la gestion des rivières en évaluant, de façon cohérente, l’impact de la régulation des rivières sur les communautés de poissons et en développant des outils de prévision pour la restauration des écosystèmes riverains.

Direct catalytic macrolactonization and application of the phase separation strategy in complex molecule synthesis

Les macrolactones sont des squelettes structuraux importants dans de nombreuses sphères de l’industrie chimique, en particulier dans les marchés pharmaceutiques et cosmétiques. Toutefois, la stratégie traditionnelle pour la préparation de macrolactones demeure incommode en requérant notamment l’ajout (super)stœchiométrique d’agents activateurs. Conséquemment, des quantités stœchiométriques de sous-produits sont générées; ils sont souvent toxiques, dommageables pour l’environnement et nécessitent des méthodes de purification fastidieuses afin de les éliminer. La présente thèse décrit le développement d’une macrolactonisation efficace catalysée au hafnium directement à partir de précurseurs portant un acide carboxylique et un alcool primaire, ne générant que de l’eau comme sous-produit et ne nécessitant pas de techniques d’addition lente et/ou azéotropique. Le protocole a également été adapté à la synthèse directe de macrodiolides à partir de mélanges équimolaires de diols et de diacides carboxyliques et à la synthèse de dimères tête-à-queue de seco acides. Des muscs macrocycliques ainsi que des macrolactones pertinentes à la chimie médicinale ont pu être synthétisés avec l’approche développée. Un protocole pour l’estérification directe catalysée au hafnium entre des acides carboxyliques et des alcools primaires a aussi été développé. Différentes méthodes pour la macrolactonisation catalytique directe entre des alcools secondaires et des acides carboxyliques ont été étudiées. En outre, la stratégie de séparation de phase en macrocyclisation en débit continu a été appliquée lors de la synthèse totale formelle de la macrolactone ivorenolide A. Les étapes-clés de la synthèse incluent une macrocyclisation par le couplage d’alcynes de Glaser-Hay et une réaction de métathèse d’alcènes Z-sélective.

Flow around a hemisphere-cylinder at high angle of attack and low Reynolds number. Part II: POD and DMD applied to reduced domains

Three-dimensional direct numerical simulations (DNS) have been performed on a finite-size hemispherecylinder model at angle of attack AoA = 20◦ and Reynolds numbers Re = 350 and 1000. Under these conditions, massive separation exists on the nose and lee-side of the cylinder, and at both Reynolds numbers the flow is found to be unsteady. Proper orthogonal decomposition (POD) and dynamic mode decomposition (DMD) are employed in order to study the primary instability that triggers unsteadiness at Re = 350. The dominant coherent flow structures identified at the lower Reynolds number are also found to exist at Re = 1000; the question is then posed whether the flow oscillations and structures found at the two Reynolds numbers are related. POD and DMD computations are performed using different subdomains of the DNS computational domain. Besides reducing the computational cost of the analyses, this also permits to isolate spatially localized oscillatory structures from other, more energetic structures present in the flow. It is found that POD and DMD are in general sensitive to domain truncation and noneducated choices of the subdomain may lead to inconsistent results. Analyses at Re = 350 show that the primary instability is related to the counter rotating vortex pair conforming the three-dimensional afterbody wake, and characterized by the frequency St ≈ 0.11, in line with results in the literature. At Re = 1000, vortex-shedding is present in the wake with an associated broadband spectrum centered around the same frequency. The horn/leeward vortices at the cylinder lee-side, upstream of the cylinder base, also present finite amplitude oscillations at the higher Reynolds number. The spatial structure of these oscillations, described by the POD modes, is easily differentiated from that of the wake oscillations. Additionally, the frequency spectra associated with the lee-side vortices presents well defined peaks, corresponding to St ≈ 0.11 and its few harmonics, as opposed to the broadband spectrum found at the wake.

Geochemical Assessment and Separation of Source Waters in the Upper Boulder River Watershed Near Boulder, MT

Environmental samples were collected at three surface water sites between 5/21/2011 and 11/21/2014 along the Upper Boulder River near Boulder Montana. The sites were located at Bernice (within the mountain block), near the High Ore drainage (near the mountain block/basin transition), and at the USGS Gauging Station near Boulder, Montana (within the basin). The parameters measured in the field were SC, temperature, and alkalinity with occasional pH measurements. We collected samples for anions, cations, and stable isotopes in the catchment. We identified endmembers by sampling snow and groundwater and determined from available data an approximate endmember for rain, snow, and groundwater. We used temporal and spatial variations of water chemistry and isotopes to generate an endmember mixing model. Groundwater was found to always be an important contributor to river flow and could increase by nearly an order of magnitude during large snowmelt events. This resulted in groundwater comprising ~20% of total river flow during snowmelt at all sites. At peak snowmelt we observed that near surface water contributions to the river were from a mixture of rain and snow. Soil water, though not sampled, was hypothesized to be an important part of the hydrologic story. If so, the endmember contributions determined in this study may be different. Groundwater may have the highest variation depending on water chemistry of shallow soil water.

Acoustic manipulation and alignment of particles for applications in separation, micro-templating and device fabrication

This dissertation studies the manipulation of particles using acoustic stimulation for applications in microfluidics and templating of devices. The term particle is used here to denote any solid, liquid or gaseous material that has properties, which are distinct from the fluid in which it is suspended. Manipulation means to take over the movements of the particles and to position them in specified locations. ^ Using devices, microfabricated out of silicon, the behavior of particles under the acoustic stimulation was studied with the main purpose of aligning the particles at either low-pressure zones, known as the nodes or high-pressure zones, known as anti-nodes. By aligning particles at the nodes in a flow system, these particles can be focused at the center or walls of a microchannel in order to ultimately separate them. These separations are of high scientific importance, especially in the biomedical domain, since acoustopheresis provides a unique approach to separate based on density and compressibility, unparalleled by other techniques. The study of controlling and aligning the particles in various geometries and configurations was successfully achieved by controlling the acoustic waves. ^ Apart from their use in flow systems, a stationary suspended-particle device was developed to provide controllable light transmittance based on acoustic stimuli. Using a glass compartment and a carbon-particle suspension in an organic solvent, the device responded to acoustic stimulation by aligning the particles. The alignment of light-absorbing carbon particles afforded an increase in visible light transmittance as high as 84.5%, and it was controlled by adjusting the frequency and amplitude of the acoustic wave. The device also demonstrated alignment memory rendering it energy-efficient. A similar device for suspended-particles in a monomer enabled the development of electrically conductive films. These films were based on networks of conductive particles. Elastomers doped with conductive metal particles were rendered surface conductive at particle loadings as low as 1% by weight using acoustic focusing. The resulting films were flexible and had transparencies exceeding 80% in the visible spectrum (400-800 nm) These films had electrical bulk conductivities exceeding 50 S/cm. ^

Micropolar flow in a porous channel with high mass transfer

Two dimensional flow of a micropolar fluid in a porous channel is investigated. The flow is driven by suction or injection at the channel walls, and the micropolar model due to Eringen is used to describe the working fluid. An extension of Berman's similarity transform is used to reduce the governing equations to a set of non-linear coupled ordinary differential equations. The latter are solved for large mass transfer via a perturbation analysis where the inverse of the cross-flow Reynolds number is used as the perturbing parameter. Complementary numerical solutions for strong injection are also obtained using a quasilinearisation scheme, and good agreement is observed between the solutions obtained from the perturbation analysis and the computations.

Effect of surface conditions on flow of a micropolar fluid driven by a porous stretching sheet

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