Antioxidant properties of hydroxycinnamic acids: a review of structure- activity relationships

Hydroxycinnamic acids (HCAs) are important phytochemicals possessing significant biological properties. Several investigators have studied in vitro antioxidant activity of HCAs in detail. In this review, we have gathered the studies focused on the structure-activity relationships (SARs) of these compounds that have used medicinal chemistry to generate more potent antioxidant molecules. Most of the reports indicated that the presence of an unsaturated bond on the side chain of HCAs is vital to their activity. The structural features that were reported to be of importance to the antioxidant activity were categorized as follows: modifications of the aromatic ring, which include alterations in the number and position of hydroxy groups and insertion of electron donating or withdrawing moieties as well as modifications of the carboxylic function that include esterification and amidation process. Furthermore, reports that have addressed the influence of physicochemical properties including redox potential, lipid solubility and dissociation constant on the antioxidant activity were also summarized. Finally, the pro-oxidant effect of HCAs in some test systems was addressed. Most of the investigations concluded that the presence of ortho-dihydroxy phenyl group (catechol moiety) is of significant importance to the antioxidant activity, while, the presence of three hydroxy groups does not necessarily improve the activity. Optimization of the structure of molecular leads is an important task of modern medicinal chemistry and its accomplishment relies on the careful assessment of SARs. SAR studies on HCAs can identify the most successful antioxidants that could be useful for management of oxidative stress-related diseases.

Biodegradação enzimática de aminas aromáticas tóxicas

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

Investigations into phosphorus removal by constructed wetlands : root bed media modifications /

A study has been conducted focusing on how the phosphorus renrx)val efficiency of a constructed wetland (CW) can be optimized through the selective enrichment of the substratum. Activated alumina and powdered iron were examined as possible enrichment compounds. Using packed glass column trials it was found that alumina was not suitable for the renx)val of ortho-phosphate from solution, while mixtures of powdered iron and quartz sand proved to be very efficient. The evaluation of iron/sand mixtures in CWs planted with cattails was performed in three stages; first using an indoor lab scale wetland, then an outdoor lab scale wetland, and finally in a small scale pilot project. For the lab scale tests, three basic configurations were evaluated: using the iron/sand as a pre-filter, in the root bed. and as a post filter. Primary lagoon effluent was applied to the test cells to simulate actual CW conditions, and the total phosphorus and iron concentrations of the influent and effluent were nfK)nitored. The pilot scale trials were limited to using only a post filter design, due to in-progress research at the pilot site. The lab scale tests achieved average renrK>val efficiencies greater than 91% for all indoor configurations, and greater than 97% for all outdoor configurations. The pilot scale tests had an average renK)val efficiency of 60%. This relatively low efficiency in the pilot scale can be attributed to the post filters being only one tenth the size of the lab scale test in terms of hydraulic loading (6 cm/day vs. 60 cm/day).

A dimensional analysis of the benzylic hydroxylase active site in mortierella isabellina

The spatial limits of the active site in the benzylic hydroxylase enzyme of the fungus Mortierella isabellina were investigated. Several molecular probes were used in incubation experiments to determine the acceptability of each compound by this enzyme. The yields of benzylic alcohols provided information on the acceptability of the particular compound into the active site, and the enantiomeric excess values provided information on the "fit" of acceptable substrates. Measurements of the molecular models were made using Cambridge Scientific Computing Inc. CSC Chem 3D Plus modeling program. i The dimensional limits of the aromatic binding pocket of the benzylic hydroxylase were tested using suitably substituted ethyl benzenes. Both the depth (para substituted substrates) and width (ortho and meta substituted substrates) of this region were investigated, with results demonstrating absolute spatial limits in both directions in the plane of the aromatic ring of 7.3 Angstroms for the depth and 7.1 Angstroms for the width. A minimum requirement for the height of this region has also been established at 6.2 Angstroms. The region containing the active oxygen species was also investigated, using a series of alkylphenylmethanes and fused ring systems in indan, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene and benzocycloheptene substrates. A maximum distance of 6.9 Angstroms (including the 1.5 Angstroms from the phenyl substituent to the active center of the heme prosthetic group of the enzyme) has been established extending directly in ii front of the aromatic binding pocket. The other dimensions in this region of the benzylic hydroxylase active site will require further investigation to establish maximum allowable values. An explanation of the stereochemical distributions in the obtained products has also been put forth that correlates well with the experimental observations.

Study of the application of the high performance liquid chromatography-particle beam interface-mass spectrometry technique on some pesiticides and the reduction phenomena in the system

This work includes two major parts. The first part of the work concentrated on the studies of the application of the highperfonnance liquid chromatography-particle beam interface-mass spectrometry system of some pesticides. Factors that have effects on the detection sensitivity were studied. The linearity ranges and detection limits of ten pesticides are also given in this work. The second part of the work concentrated on the studies of the reduction phenomena of nitro compounds in the HPLC-PB-MS system. Direct probe mass spectrometry and gas chromatography-mass spectrometry techniques were also used in the work. Factors that have effects on the reduction of the nitro compounds were studied, and the possible explanation is proposed. The final part of this work included the studies of reduction behavior of some other compounds in the HPLC-PB-MS system, included in them are: quinones, sulfoxides, and sulfones.

Synthesis and spectral studies of methyl heterocylic systems

2-Carboxy-2?-methyldiphenyl sulfide was prepared by the Ullmann reaction and cyclodehydrated by sulfuric acid to afford 4-methylthioxanthone. 1-Methylthioxanthone was separated from the reaction mixture obtained upon cyclodehydration of 2-carboxy-3f-methyldiphenyl sulfide. In addition, 1-, 2-, 3- and 4-methylthioxanthone 10,10-dioxides were synthesized by oxidation of the corresponding thioxanthones. o-, m- and p-N-Tolylanthranilic acids were prepared by the Ullmann reaction and used as precursors for the preparation of 1-, 2- and 4- methyl-9-chloroacridine and finally 1-, 2-, 3- and 4-methylacridone. High resolution, 60 MHz PMR spectra were obtained on the four monomethyl isomers of xanthone, thioxanthone, thioxanthone 10,10-dioxide and acridone, and on 1-, 2- and 4-methyl-9-chloroacridine. For some compounds, coupling of all three different aromatic protons to the methyl was observed, two of the couplings typically being smaller than the third. With the large (ortho) coupling being on the order of 0.5 to 1.0 Hz, it was necessary to decouple the aromatic part of the spectrum. The magnitude of the ortho benzylic constant may be related to an incomplete Tr-bond delocalization in the molecules.

Orientation of Non-Native 2-Monosubstituted and 2,3-Disubstituted 1,4-Naphthoquinones in the A1 binding site of PSI and the effect on the rate of electron transfer : an electron paramagnetic resonance spectroscopy study

The proce-ss ofoxygenic photosynthesis is vital to life on Earth. the central event in photosynthesis is light induced electron transfer that converts light into energy for growth. Ofparticular significance is the membrane bound multisubunit protein known as Photosystem I (PSI). PSI is a reaction centre that is responsible for the transfer of electrons across the membrane to reduce NADP+ to NADPH. The recent publication ofa high resolution X-ray structure of PSI has shown new information about the structure, in particular the electron transfer cofactors, which allows us to study it in more detail. In PSI, the secondary acceptor is crucial for forward electron transfer. In this thesis, the effect of removing the native acceptor phylloquinone and replacing it with a series of structurally related quinones was investigated via transient electron paramagnetic resonance (EPR) experiments. The orientation of non native quinones in the binding site and their ability to function in the electron transfer process was determined. It was found that PSI will readily accept alkyl naphthoquinones and anthraquinone. Q band EPR experiments revealed that the non-native quinones are incorporated into the binding site with the same orientation of the headgroup as in the native system. X band EPR spectra and deuteration experiments indicate that monosubstituted naphthoquinones are bound to the Al site with their side group in the position occupied by the methyl group in native PSI (meta to the hydrogen bonded carbonyl oxygen). X band EPR experiments show that 2, 3- disubstituted methyl naphthoquinones are also incorporated into the Al site in the same orientation as phylloquinone, even with the presence of a halogen- or sulfur-containing side chain in the position normally occupied by the phytyl tail ofphylloquinone. The exception to this is 2-bromo-3-methyl --.- _. -. - -- - - 4 _._ _ _ - _ _ naphthoquinone which has a poorly resolved spectrum, making determination of the orientation difficuh. All of the non-native quinones studied act as efficient electron acceptors. However, forward electron transfer past the quinone could only be demonstrated for anthraquinone, which has a more negative midpoint potential than phylloquinone. In the case of anthraquinone, an increased rate of forward electron transfer compared to native PSI was found. From these results we can conclude that the rate ofelectron transfer from Al to Fx in native PSI lies in the normal region ofthe Marcus Curve.

Asymmetric hydrogenation of alkenes with cationic iridium(I) complexes of 2-phosphino-1-aminoferrocene ligands

Iridium complexes with bidentate P,N ligands represent a class of catalysts that significantly expand the application range of asymmetric hydrogenation. New substrate classes, for which there have previously been no suitable catalysts, can now be efficiently hydrogenated in high conversion and enantioselectivity. These substrates are often of synthetic importance, thus iridium catalysis represents a significant advance in the field of asymmetric catalysis. Planar chiral ferrocenyl aminophosphine ligands in which both heteroatoms were directly bound to the cyclopentadienyl ring were prepared by BF3-activated lithiationsubstitution in the presence of a chiral diamine in 49-59% yield and 75-85% enantiomeric excess. Some of these ligands were recrystallized to enantiomeric purity via ammonium fluoroborate salt formation of the phosphine sulfide. A crystal structure of one of these compounds was obtained and features an intramolecular hydrogen bond between the nitrogen, hydrogen, and sulfur atoms. Neutralization, followed by desulfurization, provided the free ligands in enantiomeric purity. Iridium complexes with these ligands were formed via reaction with [Ir(COD)Clh followed by anion exchange with NaBArF. These complexes were successfully applied in homogeneous hydrogenation of several prochiral substrates, providing products in up to 92% enantiomeric excess. Variation of the dimethyl amino group to a pyrrolidine group had a negative effect on the selectivity of hydrogenation. Variation of the substituents on phosphorus to bulkier ortho-tolyl groups had a positive effect, while variation to the more electron rich dicyclohexyl phosphine had a negative effect on selectivity.

A DFT Guided/Experimental Approach to Asymmetric Allylation and Phase-Transfer Catalysis

The Dudding group is interested in the application of Density Functional Theory (DFT) in developing asymmetric methodologies, and thus the focus of this dissertation will be on the integration of these approaches. Several interrelated subsets of computer aided design and implementation in catalysis have been addressed during the course of these studies. The first of the aims rested upon the advancement of methodologies for the synthesis of biological active C(1)-chiral 3-methylene-indan-1-ols, which in practice lead to the use of a sequential asymmetric Yamamoto-Sakurai-Hosomi allylation/Mizoroki Heck reaction sequence. An important aspect of this work was the utilization of ortho-substituted arylaldehyde reagents which are known to be a problematic class of substrates for existing asymmetric allylation approaches. The second phase of my research program lead to the further development of asymmetric allylation methods using o-arylaldehyde substrates for synthesis of chiral C(3)-substituted phthalides. Apart from the de novo design of these chemistries in silico, which notably utilized water-tolerant, inexpensive, and relatively environmental benign indium metal, this work represented the first computational study of a stereoselective indium-mediated process. Following from these discoveries was the advent of a related, yet catalytic, Ag(I)-catalyzed approach for preparing C(3)-substituted phthalides that from a practical standpoint was complementary in many ways. Not only did this new methodology build upon my earlier work with the integrated (experimental/computational) use of the Ag(I)-catalyzed asymmetric methods in synthesis, it provided fundamental insight arrived at through DFT calculations, regarding the Yamamoto-Sakurai-Hosomi allylation. The development of ligands for unprecedented asymmetric Lewis base catalysis, especially asymmetric allylations using silver and indium metals, followed as a natural extension from these earlier discoveries. To this end, forthcoming as well was the advancement of a family of disubstituted (N-cyclopropenium guanidine/N-imidazoliumyl substituted cyclopropenylimine) nitrogen adducts that has provided fundamental insight into chemical bonding and offered an unprecedented class of phase transfer catalysts (PTC) having far-reaching potential. Salient features of these disubstituted nitrogen species is unprecedented finding of a cyclopropenium based C-H•••πaryl interaction, as well, the presence of a highly dissociated anion projected them to serve as a catalyst promoting fluorination reactions. Attracted by the timely development of these disubstituted nitrogen adducts my last studies as a PhD scholar has addressed the utility of one of the synthesized disubstituted nitrogen adducts as a valuable catalyst for benzylation of the Schiff base N-diphenyl methylene glycine ethyl ester. Additionally, the catalyst was applied for benzylic fluorination, emerging from this exploration was successful fluorination of benzyl bromide and its derivatives in high yields. A notable feature of this protocol is column-free purification of the product and recovery of the catalyst to use in a further reaction sequence.

Approach to the Synthesis of Aza-Analogues of Narciclasine through an Intramolecular Heck Reaction

This thesis describes work towards the total synthesis of a 7-aza analogue of the Amaryllidaceae alkaloid narciclasine, a potent anticancer compound which suffers from a poor solubility profile. A key strategy in the formation of the C-ring is the biotransformation of bromobenzene by E.coli JM109. The densely substituted heterocyclic A-ring is obtained by sequential directed ortho-metalation and the fragment union accomplished with an amide coupling and subsequent intramolecular Heck reaction.

Synthèse de motifs biarylés : fonctionnalisation directe catalysée par des métaux de transition d’espèces aromatiques non activées

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire.

POCN-type Pincer Complexes of NiII and NiIII : synthesis, reactivities, catalytic activities and physical properties

Cette thèse décrit la synthèse, la caractérisation, les réactivités, et les propriétés physiques de complexes divalents et trivalents de Ni formés à partir de nouveaux ligands «pincer» de type POCN. Les ligands POCN de type amine sont préparés d’une façon simple et efficace via l’amination réductrice de 3-hydroxybenzaldéhyde avec NaBH4 et plusieurs amines, suivie par la phosphination de l’amino alcool résultant pour installer la fonction phosphinite (OPR2); le ligand POCN de type imine 1,3-(i-Pr)2PC6H4C(H)=N(CH2Ph) est préparé de façon similaire en faisant usage de PhCH2NH2 en l’absence de NaBH4. La réaction de ces ligands «pincer» de type POCN avec NiBr2(CH3CN)x en présence d’une base résulte en un bon rendement de la cyclométalation du lien C-H situé en ortho aux fonctions amine et phosphinite. Il fut découvert que la base est essentielle pour la propreté et le haut rendement de la formation des complexes «pincer» désirés. Nous avons préparé des complexes «pincer» plan- carrés de type POCN, (POCNRR΄)NiBr, possédant des fonctions amines secondaires et tertiaires qui démontrent des réactivités différentes selon les substituants R et R΄. Par exemple, les complexes possédant des fonctions amines tertiaires ArCH2NR2 (NR2= NMe2, NEt2, and morpholinyl) démontrent des propriétés rédox intéressantes et pourraient être convertis en leurs analogues trivalents (POCNR2)NiBr2 lorsque réagis avec Br2 ou N-bromosuccinimide (NBS). Les complexes trivalents paramagnétiques à 17 électrons adoptent une géométrie de type plan-carré déformée, les atomes de Br occupant les positions axiale et équatoriale. Les analyses «DSC» et «TGA» des ces composés ont démontré qu’ils sont thermiquement stables jusqu’à ~170 °C; tandis que la spectroscopie d’absorption en solution a démontré qu’ils se décomposent thermiquement à beaucoup plus basse température pour regénérer les complexes divalents ne possédant qu’un seul Br; l’encombrement stérique des substitutants amines accélère cette route de décomposition de façon significative. Les analogues NMe2 et N(morpholinyl) de ces espèces de NiIII sont actifs pour catalyser la réaction d’addition de Kharasch, de CX4 à des oléfines telles que le styrène, tandis qu’il fut découvert que l’analogue le moins thermiquement stable (POCNEt2)Ni est complètement inerte pour catalyser cette réaction. Les complexes (POCNRH)NiBr possédant des fonctions amines secondaires permettent l’accès à des fonctions amines substituées de façon non symétrique via leur réaction avec des halogénures d’alkyle. Un autre avantage important de ces complexes réside dans la possibilité de déprotonation pour préparer des complexes POCN de type amide. De telles tentatives pour déprotoner les fonctions NRH nous ont permis de préparer des espèces dimériques possédant des ligands amides pontants. La nature dimérique des ces complexes [P,C,N,N-(2,6-(i-Pr)2PC6H3CH2NR)Ni]2 (R= PhCH2 et Ph) fut établie par des études de diffraction des rayons-X qui ont démontré différentes géométries pour les cœurs Ni2N2 selon le substituant N : l’analogue (PhCH2)N possède une orientation syn des substitutants benzyles et un arrangement ressemblant à celui du cyclobutane du Ni et des atomes d’azote, tandis que l’analogue PhN adopte un arrangement de type diamant quasi-planaire des atomes du Ni et des atomes d’azote et une orientation anti des substituants phényles. Les espèces dimériques ne se dissocient pas en présence d’alcools, mais elles promouvoient l’alcoolyse catalytique de l’acrylonitrile. De façon intéressante, les rendements de ces réactions sont plus élevés avec les alcools possédant des fonctions O-H plus acides, avec un nombre de «turnover» catalytique pouvant atteindre 2000 dans le cas de m-cresol. Nous croyons que ces réactions d’alcoolyse procèdent par activation hétérolytique de l’alcool par l’espèce dimérique via des liaisons hydrogènes avec une ou deux des fonctions amides du dimère. Les espèces dimériques de Ni (II) s’oxydent facilement électrochimiquement et par reaction avec NBS ou Br2. De façon surprenante, l’oxydation chimique mène à l’isolation de nouveaux produits monomériques dans lesquels le centre métallique et le ligand sont oxydés. Le mécanisme d’oxydation fut aussi investigué par RMN, «UV-vis-NIR», «DFT» et spectroélectrochimie.

Développement d’un microréacteur à base d’enzyme microencapsulée en vue d’un couplage en ligne à un système d’électrophorèse capillaire

Réalisé en codirection avec Karen C. Waldron et Dominic Rochefort.

Suivi des changements des utilisations/occupations du sol en milieu urbain par imagerie satellitale de résolution spatiale moyenne : le cas de la région métropolitaine de Montréal

De nos jours les cartes d’utilisation/occupation du sol (USOS) à une échelle régionale sont habituellement générées à partir d’images satellitales de résolution modérée (entre 10 m et 30 m). Le National Land Cover Database aux États-Unis et le programme CORINE (Coordination of information on the environment) Land Cover en Europe, tous deux fondés sur les images LANDSAT, en sont des exemples représentatifs. Cependant ces cartes deviennent rapidement obsolètes, spécialement en environnement dynamique comme les megacités et les territoires métropolitains. Pour nombre d’applications, une mise à jour de ces cartes sur une base annuelle est requise. Depuis 2007, le USGS donne accès gratuitement à des images LANDSAT ortho-rectifiées. Des images archivées (depuis 1984) et des images acquises récemment sont disponibles. Sans aucun doute, une telle disponibilité d’images stimulera la recherche sur des méthodes et techniques rapides et efficaces pour un monitoring continue des changements des USOS à partir d’images à résolution moyenne. Cette recherche visait à évaluer le potentiel de telles images satellitales de résolution moyenne pour obtenir de l’information sur les changements des USOS à une échelle régionale dans le cas de la Communauté Métropolitaine de Montréal (CMM), une métropole nord-américaine typique. Les études précédentes ont démontré que les résultats de détection automatique des changements dépendent de plusieurs facteurs tels : 1) les caractéristiques des images (résolution spatiale, bandes spectrales, etc.); 2) la méthode même utilisée pour la détection automatique des changements; et 3) la complexité du milieu étudié. Dans le cas du milieu étudié, à l’exception du centre-ville et des artères commerciales, les utilisations du sol (industriel, commercial, résidentiel, etc.) sont bien délimitées. Ainsi cette étude s’est concentrée aux autres facteurs pouvant affecter les résultats, nommément, les caractéristiques des images et les méthodes de détection des changements. Nous avons utilisé des images TM/ETM+ de LANDSAT à 30 m de résolution spatiale et avec six bandes spectrales ainsi que des images VNIR-ASTER à 15 m de résolution spatiale et avec trois bandes spectrales afin d’évaluer l’impact des caractéristiques des images sur les résultats de détection des changements. En ce qui a trait à la méthode de détection des changements, nous avons décidé de comparer deux types de techniques automatiques : (1) techniques fournissant des informations principalement sur la localisation des changements et (2)techniques fournissant des informations à la fois sur la localisation des changements et sur les types de changement (classes « de-à »). Les principales conclusions de cette recherche sont les suivantes : Les techniques de détection de changement telles les différences d’image ou l’analyse des vecteurs de changements appliqués aux images multi-temporelles LANDSAT fournissent une image exacte des lieux où un changement est survenu d’une façon rapide et efficace. Elles peuvent donc être intégrées dans un système de monitoring continu à des fins d’évaluation rapide du volume des changements. Les cartes des changements peuvent aussi servir de guide pour l’acquisition d’images de haute résolution spatiale si l’identification détaillée du type de changement est nécessaire. Les techniques de détection de changement telles l’analyse en composantes principales et la comparaison post-classification appliquées aux images multi-temporelles LANDSAT fournissent une image relativement exacte de classes “de-à” mais à un niveau thématique très général (par exemple, bâti à espace vert et vice-versa, boisés à sol nu et vice-versa, etc.). Les images ASTER-VNIR avec une meilleure résolution spatiale mais avec moins de bandes spectrales que LANDSAT n’offrent pas un niveau thématique plus détaillé (par exemple, boisés à espace commercial ou industriel). Les résultats indiquent que la recherche future sur la détection des changements en milieu urbain devrait se concentrer aux changements du couvert végétal puisque les images à résolution moyenne sont très sensibles aux changements de ce type de couvert. Les cartes indiquant la localisation et le type des changements du couvert végétal sont en soi très utiles pour des applications comme le monitoring environnemental ou l’hydrologie urbaine. Elles peuvent aussi servir comme des indicateurs des changements de l’utilisation du sol. De techniques telles l’analyse des vecteurs de changement ou les indices de végétation son employées à cette fin.