Kinetic and mechanistic studies for the molybdenum- catalyzed oxidation of organic sulfides and olefins by t- DuO2H

This research was focussed on the effects of light, solvent and substituents in the molybdenum-catalyzed oxidation of phenylmethyl sulfides with t-Bu02H and on the effect of light in the molybdenum-catalyzed epoxidation of l-octene with t-Bu02H. It was shown that the Mo(CO)6-catalyzed oxidation of phenylmethyl sulfide with t-Bu02H~ at 35°C, proceeds 278 times faster underUV light than under laboratory lighting, whereas the Mo02(acac)2-catalyzed oxidation proceeds only 1.7 times faster under UV light than under normal laboratory lighting. The difference between the activities of both catalysts was explained by the formation of the catalytically active species, Mo(VI). The formation of the Mo(VI) species, from Mo(CO)6 was observed from the IR spectrum of Mo(CO)6 in the carbonyl region. The Mo(CO)6-catalyzed epoxidation of l-octene with t-Bu02H showed that the reaction proceeded 4.6 times faster under UV light than in the dark or under normal laboratory lighting; the rates of epoxidations were found to be the same in the dark and under normal laboratory lighting. The kinetics of the epoxidations of l-octene with t-Bu02H, catalyzed by Mo02(acac)2 were found to be complicated; after fast initial rates, the epoxidation rates decreased with time. The effect of phenylmethyl sulfide on the Mo(CO)6-catalyzed epoxidation of l-octene waS studied. It was shown that instead of phenylmethyl sulfide, phenylmethyl sulfone, which formed rapidly at 85°C, lowered the reaction rate. The epoxidation of l-octene was found to be 2.5 times faster in benzene than in ethanol. The substituent effect on the Mo02(acac)2-catalyzed oxidations of p-OH, p-CHgO, P-CH3' p-H, p-Cl, p-Br, p-CHgCO, p-HCO and P-N02 substituted phenylmethyl sulfides were studied. The oxidations followed second order kinetics for each case; first order dependency on catalyst concentration was also observed in the oxidation of p-CHgOPhSMeand PhSMe. It was found that electron-donating groups on the para position of phenylmethyl sulfide increased the rate of reaction, while electronwithdrawing groups caused the reaction rate to decrease. The reaction constants 0 were determined by using 0, 0- and 0* constants. The rate effects were paralleled by the activation energies for oxidation. The decomposition of t-Bu02H in the presence of M.o (CO)6, Mo02 (acac)2 and VO(acac)2 was studied. The rates of decomposition were found to be very small compared to the oxidation rates at high concentration of catalysis. The relative rates of the Mo02(acac)2-catalyzed oxidation of p-N02PhSMe by t-Bu02H in the presence of either p-CH30PhSMe or PhSMe clearly show that PhSMe and p-CHgOPhSMe act as co-catalysts in the oxidation of p-N02PhSMe. Benzene, mesity1ene and cyclohexane were used to determine the effect of solvent in the Mo02 (acac)2 and Mo(CO)6-catalyzed oxidation of phenylmethyl sulfide. The results showed that in the absence of hydroxylic solvent, a second molecule of t-Bu02H was involved in the transition state. The complexation of the solvent with the catalyst could not be explained.The oxidations of diphenyl sulfoxide catalyzed by VO(acac)2, Mo(CO)6 and Mo02(acac)2 showed that VO(acac)2 catalyzed the oxidation faster than Mo(CO)6 and Mo02 (acac)2_ Moreover, the Mo(CO)6-catalyzed oxidation of diphenyl sulfoxide proceeded under UV light at 35°C.

Molecular mechanics calculations on some phosphine oxide metal complexes in aqueous and organic solvents

Molecular mechanics calculations were done on tetrahedral phosphine oxide zinc complexes in simulated water, benzene and hexane phases using the DREIDING II force field in the BIOGRAF molecular modeling program. The SUN workstation computer (SUN_ 4c, with SPARK station 1 processor) was used for the calculations. Experimental structural information used in the parameterization was obtained from the September 1989 version of the Cambridge Structural Database. 2 Steric and solvation energies were calculated for complexes of the type ZnCl2 (RlO)2' The calculations were done with and without inclusion of electrostatic interactions. More reliable simulation results were obtained without inclusion of charges. In the simulated gas phase, the steric energies increase regularly with number of carbons in the alkyl group, whereas they go through a maximum when solvent shells are included in the calculation. Simulated distribution ratios vary with chain length and type of chain branching and the complexes are found to be more favourable for extraction by benzene than by hexane, in accord with experimental data. Also, in line with what would be expected for a favorable extraction, calculations without electrostatics predict that the complexes are better solvated by the organic solvents than by water.

Reactions of polyhalogenated aromatic compounds and related ethers with metal/ammonia solutions

This work contains the results of a series of reduction studies on polyhalogenated aromatic compounds and related ethers using alkali metals in liquid ammonia. In general, polychlorobenzenes were reduced to t he parent aromatic hydrocarbon or to 1 ,4-cyc1ohexadiene, and dipheny1ethers were cleaved to the aroma tic hydrocarbon and a phenol. Chlorinated dipheny1ethers were r eductive1y dechlorinated in the process. For example, 4-chlorodipheny1- ether gave benzene and phenol. Pentach1orobenzene and certain tetrachlorobenzenes disproportionated to a fair degree during the reduction process if no added proton source was present. The disproportionation was attributed to a build-up of amide ion. Addition of ethanol completely suppressed the formation of any disproportionation products. In the reductions of certain dipheny1ethers , the reduction of one or both of the dipheny1ether rings occurred, along with the normal cleavage. This was more prevalent when lithium was the metal used . As a Sidelight, certain chloropheno1s were readily dechlorinated. In light of these results, the reductive detoxification of the chlorinated dibenzo-1,4-dioxins seems possible with alkali metals in l iquid ammonia.

Reactions of some non-enolisable chloroketones with amide ion and a new synthesis of acridones /|nGuo-shyoung John Chen. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

This research was directed mainly towards the investigation of the reacti.ons of· substituted chlorobenziophenones under strongly basi,c conditions. The work 'can be divided into two main sections. The Introduction deals mainly with historical studies on aryne chemistry and the Haller-Bauer reaction. Secti.on I i.s concerned with syntheses of 2-benzamido-2'chlorobenzophenone and 2-benzamido~3'-chlorobenzophenone,and with thei,r respective reactions wi.th potassium amide in ammonia. o-Chlorophenylacetic acid was converted to the acid chloride and then by Friedel-Craftsreaction with benzene to w-(o-chlorophenyl)acetophenone. Reaction wi.th phenylhydrazine and Fischer cyclization gave 3- (0chlorophenyl)- 2-phenylindole, which was ozonized to 2-benzamido-2'chlorobenzophenone. The isomeric 3' -chlor,..o ke: tone was similarly synthesised from m-chlorophenylacetic acid. Both the 2'- and 3' -ch.loroketones gave N-benzoylacridone on treatment with potassium amide in ammonia; an aryne mechanism is involved for the 3'-chloroketone but aryne and nucleophilic substitution mechanisms are possible for the 2'-chloroketone. Hydrolysis of the 2'- and 3'-chloroketones gave 2-amino-2'chlorobenzophenone and 2-amino-3'-chlorobenzophenone respectively. A second new acridone synthesis is given in the Appendix involving reactions of these two ketones with potassium t-butoxide in t-butylbenzene. i Section 2 deals with the investigation of the reaction of some tricyclic ch1orobenzophenones with potassium amide in liquid ammonia. These were 1-ch1orof1uorenone; which was pr~pared in several steps from f1uoranthene, and 1- and 2-ch1oroanthraquinones. 1-Ch1orof1uorenone gave 1-aminof1uorenone ; 1-ch1oroanthraquinone gave 1- and 2-aminoanthraquinones; 2-ch1oroanthraquinone was largely recovered from the attempted reaction.

Studies on the insecticide - nematicide-oxamyl and its quantitative determination by gas chromatographic method

Ox amyl , an insecticide/nematicide with the chemical name; methyl ~'. ~·-dimethyl-~-(methylcarbamoyl)oxy-l-thiooxamimidate, and its major degradation compound; oxime or oximino compound, methyl ~',~'-dimethyl-~-hydroxy-l-thiooxamimidate were studied in this work. NMR and mass spectrometry were utilized in the structural studies. An attempt was made to explain the fragmentation patterns of some major peaks in the mass spectra of oxamyl and oxime. A new gas chromatographic method for the detection and determination of submicrogram levels of intact oxamyl using a electron-capture detector was developed. The principle of this method is to produce a derivative which is highly sensitive to an electron-capture detector. The derivative described is dinitrophenyl methylamine( DNPMA ) • Experimental conditions such as pH , reaction temperature , reaction time, the amount of reagent ( Dinitrofluaro benzene) etc. were thoroughly investigated and optimized. This method was successfully applied to the determination of oxamyl residues in tobacco leaves and soil. Throughout this J9D:oject , thin layer chromatography was also used in the separation:and clean up of oxamyl and oxime samples.

The electronic spectra and the determination of the excited state geometry of 3A" propynal /|nby Chhiu-Tsu Lin. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

Impurity free eluission spectra of HCCCHO and DCCCHO have been rephotographed using the electronic-energy-exchange method with benzene as a carrier gas. The near ultraviolet spectra of ReeCHO and DCCCHO were photographed in a sorption under conditions of high resolution with absorption path lengths up to 100 meters. The emission and absorption spectra of Propynal resulting from 3 n 1 t 1\ - A excitation has been reanalyzed in som.e detail. Botrl of the eH out-of-plane wagging modes were found to have negative anharmonicity. A barrier height of 56.8/0.0 cm- 1 and a nonplanar oft , , equilibrium angle of 17 3 /30 are calculated for the V 10/ lJ 11 modes. The in-plane and out-of-plane v1. brational modes in the 3A." and 1a~. ' elec ronic states of Propynal were subjected to a normal coordinate treatment in the approximat :on of tIle Urey-Bradley force field. From the relative oscillator strengths of the trans1·t1·0ns connect i ng t he v ibrat1•0n1ess lA' , state and t,he V1· bron1·C 3· if levels of the A state, the differences in equilibrium configuration were evaluated from an approximate Franck-Condon analysis based on the ground state normal coordinates. As this treatment gave 512 possible geometrical structures for the upper state, it 4 was necessary to resort to a comparison of the observed and calculated moments of inertia along with chemical intuition to isolate the structure. A test of the correctness of the calculated structure change and the vibrational assignment was raade by evaluating the intensities of the inplane and out-oi-plane fundarnental, sequence, and cross sequellce transitions y the exact Franck-Condon method.

The kinetics and mechanism of the thermal decomposition of sec-Butyl peroxide in liquid phase /|nby Sandor Szilagyi. -- 260 St. Catharines, Ont. : [s. n.],

Re~tes artd pJ~oducts of tllerma]. d,ecom.position of sec-butyl peroxide at 110 - 150°C i.n four solvents h,ave been determined. The d,ecompos i tion vJas sb.o\'\Tn to be tlnlmolecl.llar wi tho energies of activation in toluene, benzene, and cyclohexane of 36 .7-+ 1.0, 33.2 +- 1..0, 33.t~) +.. 1.0 I'(:cal/mol respectively. The activation energy of thermal decomposition for the d,et.1terated peroxide was found to be 37.2 4:- 1.0 KC8:1/1TIol in toluene. A.bo1J.t 70 - 80/~ ol~ tJJ.e' pl~od.1..1CtS could, be explained by kn01rJ11 reactions of free allcoxy raclicals J and very littJ...e, i.f allY, disPl"Opox~tiol'lation of tll10 sec-butoxy radica.ls in t116 solvent cage could be detected. The oth,er 20 - 30% of the peroxide yielded H2 and metb.:'ll etb..yl 1{etol1e. Tl1.e yield. o:f H2 "'lIas unafJ:'ected by the nature or the viscosity of the solvent, but H2 was not formed when s-t1U202 lrJaS phctolyzed. in tolttene at 35°C nor 'tl!Jrl.en the peroxide 1;'JaS tl1.ermally o..ecoJnposed. in the gas p11ase. ~pC-Dideutero-~-butYlperoxide was prepared and decomposed in toluene at 110 - 150°C. The yield of D2 was about ·•e1ne same 248 the yield. of I{2 from s-Bu202, bU.t th.e rate of decomposition (at 135°C) 1iJas only 1/1.55 as fast. Ivlecl1.anisms fOl') J:1ydrogen produ.ction are discussed, but none satisfactorily explains all the evidence.

Investigations into the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorinated biphenyls (PCBs) by capillary gas chromatography

Factors involved in the determination of PAHs (16 priority PAHs as an example) and PCBs (10 PCB congeners, representing 10 isomeric groups) by capillary gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS, for PAHs) and electron capture detection (GC/ECD , for PCBs) were studied, with emphasis on the effect of solvent. Having various volatilities and different polarities, solvent studied included dichloromethane, acetonitrile, hexan e, cyclohexane, isooctane, octane, nonane, dodecane, benzene, toluene, p-xylene, o-xylene, and mesitylene. Temperatures of the capillary column, the injection port, the GC/MS interface, the flow rates of carrier gas and make-up gas, and the injection volume were optimized by one factor at a time method or simplex optimization method. Under the optimized conditions, both peak height and peak area of 16 PAHs, especially the late-eluting PAHs, were significantly enhanced (1 to 500 times) by using relatively higher boiling point solvents such as p-xylene and nonane, compared with commonly used solvents like benzene and isooctane. With the improved sensitivity, detection limits of between 4.4 pg for naphthalene and 30.8 pg for benzo[g,h,i]perylene were obtained when p-xylene was used as an injection solvent. Effect of solvent on peak shape and peak intensity were found to be greatly dependent on temperature parameters, especially the initial temperature of the capillary column. The relationship between initial temperature and shape of peaks from 16 PAHs and 10 PCBs were studied and compared when toluene, p-xylene, isooctane, and nonane were used as injection solvents. If a too low initial temperature was used, fronting or split of peaks was observed. On the other hand, peak tailing occurred at a too high initial column temperature. The optimum initial temperature, at which both peak fronting and tailing were avoided and symmetrical peaks were obtained, depended on both solvents and the stationary phase of the column used. On a methyl silicone column, the alkane solvents provided wider optimum ranges of initial temperature than aromatic solvents did, for achieving well-shaped symmetrical GC peaks. On a 5% diphenyl: 1% vinyl: 94% dimethyl polysiloxane column, when the aromatic solvents were used, the optimum initial temperature ranges for solutes to form symmetrical peaks were improved to a similar degree as those when the alkanes were used as injection solvents. A mechanism, based on the properties of and possible interactions among the analyte, the injection solvent, and the stationary phase of the capillary column, was proposed to explain these observations. The effect of initial temperature on peak height and peak area of the 16 PAHs and the 10 PCBs was also studied. The optimum initial temperature was found to be dependent on the physical properties of the solvent used and the amount of the solvent injected. Generally, from the boiling point of the solvent to 10 0C above its boiling point was an optimum range of initial temperature at which cthe highest peak height and peak area were obtained.

Half-sandwich Complexes of Ruthenium; Synthesis and Application to Catalysis

This thesis describes syntheses and catalytic reactivity of several half-sandwich complexes of ruthenium. The neutral ruthenium trihydride complex, Cp(PPri3)RuH3(1), can efficiently catalyse the H/D exchange reaction between various organic substrates and deuterium sources, such as benzene-d6. Moreover, the H/D exchange reactions of polar substrates were also observed in D2O, which is the most attractive deuterium source due to its low cost and low toxicity. Importantly, the H/D exchange under catalytic conditions was achieved not only in aromatic compounds but also in substituted liphatic compounds. Interestingly, in the case of alkanes and alkyl chains, highly selective deuterium incorporation in the terminal methyl positions was observed. It was discovered that the methylene units are engaged in exchange only if the molecule contains a donating functional group, such as O-and N-donors, C=C double bonds, arenes and CH3. The cationic half-sandwich ruthenium complex [Cp(PPri3)Ru(CH3CN)2]+(2) catalyses the chemoselective mono-addition of HSiMe2Ph to pyridine derivatives to selectively give the 1,4-regiospecific, N-silylated products. An ionic hydrosilylation mechanismis suggested based on the experiments. To support this mechanistic proposal, kinetic studies under catalytic conditions were performed. Also, the 1,4-regioselective mono-hydrosilylation of nitrogen containing compounds such as phenanthroline, quinoline and acridine can be achieved with the related Cp*complex [Cp*(phen)Ru(CH3CN)]+(3) (phen = 1,10-phenanthroline) and HSiMe2Ph under mild conditions. The cationic ruthenium complex 2 can also be used as an efficient catalyst for transfer hydrogenation of various organic substrates including carbonyls, imines, nitriles and esters. Secondary alcohols, amines, N-isopropylidene amines and ether compounds can be obtained in moderate to high yields. In addition, other ruthenium complexes, 1,3 and [Cp*(PPri3)Ru(CH3CN)2]+(4), can catalyse transfer hydrogenation of carbonyls although the reactions were sluggish compared to the ones of 2. The possible intermediate, Cp(PPri3)Ru(CH3CN)(H), was characterized by NMR at low temperature and the kinetic studies for the transfer hydrogenation of acetophenone were performed. Recently, chemoselective reduction of acid chlorides to aldehydes catalysed by the complex 2 was reported. To extend the catalytic reactivity of 2, reduction of iminoyl chlorides, which can be readily obtained from secondary amides, to the corresponding imines and aldehydes was investigated. Various substituted iminoyl chlorides were converted into the imines and aldehydes under mild conditions and several products were isolated with moderate yields.

Développement de méthodes d’analyse directe de polluants organiques volatils à l’état de traces dans l’air et les biogaz

Il est reconnu que le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les isomères du xylène, composés organiques volatils (COVs) communément désignés BTEX, produisent des effets nocifs sur la santé humaine et sur les végétaux dépendamment de la durée et des niveaux d’exposition. Le benzène en particulier est classé cancérogène et une exposition à des concentrations supérieures à 64 g/m3 de benzène peut être fatale en 5–10 minutes. Par conséquent, la mesure en temps réel des BTEX dans l’air ambiant est essentielle pour détecter rapidement un danger associé à leur émission dans l’air et pour estimer les risques potentiels pour les êtres vivants et pour l’environnement. Dans cette thèse, une méthode d’analyse en temps réel des BTEX dans l’air ambiant a été développée et validée. La méthode est basée sur la technique d’échantillonnage direct de l’air couplée avec la spectrométrie de masse en tandem utilisant une source d’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI-MS/MS directe). La validation analytique a démontré la sensibilité (limite de détection LDM 1–2 μg/m3), la précision (coefficient de variation CV < 10%), l’exactitude (exactitude > 95%) et la sélectivité de la méthode. Des échantillons d’air ambiant provenant d’un site d’enfouissement de déchets industriels et de divers garages d’entretien automobile ont été analysés par la méthode développée. La comparaison des résultats avec ceux obtenus par la technique de chromatographie gazeuse on-line couplée avec un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) a donné des résultats similaires. La capacité de la méthode pour l’évaluation rapide des risques potentiels associés à une exposition aux BTEX a été prouvée à travers une étude de terrain avec analyse de risque pour la santé des travailleurs dans trois garages d’entretien automobile et par des expériences sous atmosphères simulées. Les concentrations mesurées dans l’air ambiant des garages étaient de 8,9–25 µg/m3 pour le benzène, 119–1156 µg/m3 pour le toluène, 9–70 µg/m3 pour l’éthylbenzène et 45–347 µg/m3 pour les xylènes. Une dose quotidienne environnementale totale entre 1,46 10-3 et 2,52 10-3 mg/kg/jour a été déterminée pour le benzène. Le risque de cancer lié à l’exposition environnementale totale au benzène estimé pour les travailleurs étudiés se situait entre 1,1 10-5 et 1,8 10-5. Une nouvelle méthode APCI-MS/MS a été également développée et validée pour l’analyse directe de l’octaméthylcyclotétrasiloxane (D4) et le décaméthylcyclopentasiloxane (D5) dans l’air et les biogaz. Le D4 et le D5 sont des siloxanes cycliques volatils largement utilisés comme solvants dans les processus industriels et les produits de consommation à la place des COVs précurseurs d’ozone troposphérique tels que les BTEX. Leur présence ubiquitaire dans les échantillons d’air ambiant, due à l’utilisation massive, suscite un besoin d’études de toxicité. De telles études requièrent des analyses qualitatives et quantitatives de traces de ces composés. Par ailleurs, la présence de traces de ces substances dans un biogaz entrave son utilisation comme source d’énergie renouvelable en causant des dommages coûteux à l’équipement. L’analyse des siloxanes dans un biogaz s’avère donc essentielle pour déterminer si le biogaz nécessite une purification avant son utilisation pour la production d’énergie. La méthode développée dans cette étude possède une bonne sensibilité (LDM 4–6 μg/m3), une bonne précision (CV < 10%), une bonne exactitude (> 93%) et une grande sélectivité. Il a été également démontré qu’en utilisant cette méthode avec l’hexaméthyl-d18-disiloxane comme étalon interne, la détection et la quantification du D4 et du D5 dans des échantillons réels de biogaz peuvent être accomplies avec une meilleure sensibilité (LDM ~ 2 μg/m3), une grande précision (CV < 5%) et une grande exactitude (> 97%). Une variété d’échantillons de biogaz prélevés au site d’enfouissement sanitaire du Complexe Environnemental de Saint-Michel à Montréal a été analysée avec succès par cette nouvelle méthode. Les concentrations mesurées étaient de 131–1275 µg/m3 pour le D4 et 250–6226 µg/m3 pour le D5. Ces résultats représentent les premières données rapportées dans la littérature sur la concentration des siloxanes D4 et D5 dans les biogaz d’enfouissement en fonction de l’âge des déchets.

Électrofilage de fibres à partir de mélanges polystyrène/poly(vinyl méthyl éther)

L’électrofilage est un procédé permettant de préparer des fibres possédant un diamètre de l’ordre du micromètre ou de quelques centaines de nanomètres. Son utilisation est toutefois limitée par le manque de contrôle sur la structure et les propriétés des fibres ainsi produites. Dans ce travail, des fibres électrofilées à partir de mélanges de polystyrène (PS) et de poly(vinyl méthyl éther) (PVME) ont été caractérisées. La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a montré que les fibres du mélange PS/PVME sont miscibles (une seule transition vitreuse) lorsque préparées dans le benzène, alors qu'une séparation de phases a lieu lorsque le chloroforme est utilisé. Les fibres immiscibles sont néanmoins malléables, contrairement à un film préparé par évaporation du chloroforme qui a des propriétés mécaniques médiocres. Des clichés en microscopies optique et électronique à balayage (MEB) ont permis d’étudier l'effet de la composition et du solvant sur le diamètre et la morphologie des fibres. Des mesures d’angles de contact ont permis d’évaluer l’hydrophobicité des fibres, qui diminue avec l’ajout de PVME (hydrophile); les valeurs sont de 60° supérieures à celles des films de composition équivalente. Un retrait sélectif du PVME a été réalisé par l’immersion des fibres dans l’eau. La spectroscopie infrarouge a montré que la composition passe de 70 à 95% de PS pour une fibre immiscible mais seulement à 75% pour une fibre miscible. Ces résultats indiquent que la phase riche en PVME se situe presque uniquement à la surface des fibres immiscibles, ce qui a été confirmé par microscopie à force atomique (AFM) et MEB. Finalement, l’effet du mélange des deux solvants, lors de l’électrofilage du mélange PS/PVME, a été étudié. La présence du chloroforme, même en quantité réduite, provoque une séparation de phases similaire à celle observée avec ce solvant pur.

Direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes

L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés.

Étude de l’association supramoléculaire bi- et tridimensionnelle d’oximes et d’hydrazones trigonales

Les concepts de la chimie supramoléculaire peuvent être exploités avantageusement pour contrôler la structure et les propriétés des matériaux moléculaires. Dans une approche productive, les composantes moléculaires du matériau peuvent être choisies pour pouvoir s'engager dans des interactions fortes et prévisibles avec leurs voisins. Cette stratégie, appelée la tectonique moléculaire, est caractérisée par la préparation de molécules particulières appelées tectons (du grec tectos, qui signifie constructeur) qui, par design rationnel, s’associent de manière prévisible via de multiples interactions non-covalentes afin de générer l’architecture désirée. Ce processus est réversible et guidé par la présence de fonctions chimiques complémentaires, appelées groupements de reconnaissance, qui sont orientées de manière à conférer un aspect directionnel aux interactions intermoléculaires. Ceci permet de positionner les molécules voisines de façon prédéterminée. Les contraintes imposées par les interactions s’opposent souvent à la tendance naturelle des molécules à former une structure compacte et permettent donc à d'autres molécules invitées d’occuper un volume appréciable dans le matériau, sans toutefois contribuer directement à l'architecture principale. Appliquée à la cristallisation, cette approche peut générer des cristaux poreux, analogues aux zéolites. Les ponts hydrogène offrent une interaction non-covalente de choix dans cette stratégie car ils sont forts et directionnels. L’exploration d’une multitude de fonctions chimiques connues pour pouvoir participer à la formation de ponts hydrogène a permis de créer une grande diversité de nouveaux matériaux lors de l’évolution du domaine du génie cristallin. Une molécule classique, qui illustre bien la stratégie tectonique et qui a eu un fort impact dans le domaine de la chimie supramoléculaire, est l’acide 1,3,5-benzènetricarboxylique, communément appelé acide trimésique. L’acide trimésique donne une orientation trigonale à trois groupements carboxyles, favorisant ainsi la formation d'un réseau hexagonal retenu par ponts hydrogène. Nous avons visé une modification dans laquelle les groupements -COOH de l'acide trimésique sont remplacés par deux autres groupements de reconnaissance, jusqu’ici peu exploités en chimie supramoléculaire, l’oxime et l’hydrazone. Nous rapportons la synthèse et la cristallisation de différentes trioximes et trihydrazones analogues à l'acide trimésique. Les cristaux obtenus ont été analysés par diffraction des rayons-X et leurs structures ont été déterminées. L’auto-assemblage de différentes trioximes et trihydrazones en 2D par adsorption sur graphite a également été étudié en utilisant la microscopie à balayage à effet tunnel. Nos résultats nous permettent de comparer l'organisation en 2D et en 3D de différents analogues de l'acide trimésique.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.

Caractérisation du rôle de l’amyline (IAPP) dans le diabète de type 2 : études de dérivés peptidiques et de composés inhibiteurs de la formation d’amyloïde

L’amyloïdose, une maladie progressive et incurable, implique une vaste panoplie de pathologies et de pathogénèses, qui est expliquée par la grande variabilité biologique et structurale des protéines responsables de la formation des dépôts d’amyloïde. L’amyline (polypeptide amyloïde des îlots pancréatiques, IAPP) est une protéine très susceptible de subir des changements de conformation impliquant les feuillets bêta et conférant aussi des propriétés physicochimiques distinctes. Cette protéine prend alors une forme fibrillaire et se dépose dans les îlots de Langerhans chez les humains atteints de diabète de type 2 ou d’insulinome. Ces dépôts d’amyloïde pancréatique (AIAPP) ont été décrits chez certaines espèces animales telles que les félins domestiques, les grands félins, le raton laveur et les primates non humains. La formation de dépôts d’amyloïde contribue à la pathogénèse du diabète de type 2, mais les mécanismes qui induisent la conversion de l’amyline (IAPP) en amyloïde (AIAPP) ne sont pas complètement compris. Les hypothèses du projet sont que certaines variations présentes dans les séquences peptidiques de l’IAPP provenant de différentes espèces animales jouent un rôle critique pour la formation de fibrilles et que plusieurs composés chimiques aromatiques/phénoliques sont capables d’abroger la formation de dépôts d’amyloïde. Le projet de recherche consiste donc à caractériser la propension des différentes isoformes animales d’IAPP à former de l’amyloïde in vitro afin d’identifier les acides aminés jouant un rôle clé dans cette transformation structurale et ultimement d’inhiber la formation d’amyloïde pancréatique. Le projet se divise en deux volets principaux. Le premier consiste à identifier les différentes séquences peptidiques de l’IAPP retrouvées chez les espèces animales. L’objectif est d’identifier les acides aminés jouant un rôle clé dans la formation d’amyloïde. Le gène de l’IAPP a été séquencé chez plus d’une quarantaine d’espèces. Le potentiel d’agrégation des séquences obtenues a été simulé à l’aide d’outils bioinformatique. Une librairie de 23 peptides a été commandée afin de procéder à des analyses physicochimiques in vitro permettant d’évaluer le potentiel amyloïdogénique (test fluorimétrique à la thioflavine T, essai de liaison au rouge Congo, dichroïsme circulaire, microscopie électronique à transmission) et cytotoxique (sur une lignée cellulaire provenant d’insulinome : INS-1). Les analyses effectuées à partir de la librairie constituée de 23 peptides ont permis d’identifier trois séquences ne formant pas d’amyloïde et qui proviennent des espèces animales suivantes : le tamarin lion doré (Leontopithecus rosalia), le grand dauphin (Tursiops truncatus) et l’alpaga (Vicugna pacos). Un site potentiellement critique est le segment 8-20 présentant le motif NFLVH qui ne forme plus d’amyloïde lorsqu’il est remplacé par le motif DFLGR ou KFLIR. Les acides aminés 29P, 14K et 18R sont également impliqués dans l’inhibition de la transformation structurale en fibrille. La dernière partie du projet consiste à inhiber la formation de l’amyloïde en utilisant des composés chimiques commercialisés (hypoglycémiants, anti-inflammatoires non stéroïdiens) ou nouvellement synthétisés dans notre laboratoire (les aryles éthyles urées). Un criblage d’une soixantaine de composés chimiques a été conduit dans cette étude. Leur efficacité a été testée sur l’IAPP humaine, qui possède un fort potentiel amyloïdogénique. Les techniques utilisées sont les mêmes que celles exploitées précédemment. L’essai de liaison croisée photo-induite ("photo-induced cross-linking of unmodified proteins", PICUP) a été réalisé afin d’étudier les formes intermédiaires (monomères, oligomères). Un total de 11 composés chimiques a démontré un potentiel à inhiber l’agrégation des fibrilles. Pour la classe des hypoglycémiants, le glyburide, le répaglinide et la troglitazone ont montré l’activité thérapeutique la plus élevée pour retarder et réduire la formation de fibrilles. Les anti-inflammatoires antiamyloïdogènes actifs incluaient le diclofenac, le méloxicam, le phénylbutazone, le sulindac et le ténoxicam. Les aryles étyles urées les plus intéressantes étaient la EU-362 et la EU-418. Tous ces composés ont conféré une protection cellulaire contre l’activité cytotoxique des fibrilles. Les molécules actives possèdent des éléments structuraux communs tels des substituants donneurs d’électrons (alcool, amine, halogène) sur un noyau benzène. En conclusion, ce projet de recherche a permis de caractériser l’IAPP chez diverses espèces animales, dont plusieurs chez lesquelles elle n’avait pas encore été décrite, de déterminer les sites jouant un rôle clé dans sa transformation en amyloïde et, ultimement, de tester le potentiel thérapeutique de nouveaux agents antiamyloïdogènes dans le diabète de type 2. Nous espérons que ce projet ouvrira ainsi la porte à de nouvelles stratégies de traitement.