Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Molecular Networks Created by Charge-Assisted Hydrogen Bonds Between Bis(aminidinium) Cations and Carboxylates, Sulfonates, Phosphonates and Phosphates

L'objectif de cette étude est d'apprendre à créer de nouveaux matériaux moléculaires par design. À l'heure actuelle, il n'existe aucune méthode générale pour la prédiction des structures et des propriétés, mais des progrès importants ont été accomplis, en particulier dans la fabrication de matériaux moléculaires ordonnés tels que des cristaux. En ces matériaux, l'organisation peut être contrôlée efficacement par la stratégie de la tectonique moléculaire. Cette approche utilise des molécules appelées “tectons”, qui peuvent s’associer de manière dirigée par des interactions non covalentes prévisibles. De cette façon, la position de chaque molécule par rapport à ses voisins peut être programmée avec un degré élevé de fiabilité pour créer des cristaux et d'autres matériaux organisés avec des caractéristiques et des propriétés structurelles souhaitables. Le travail que nous allons décrire est axé sur l'utilisation de l'association des cations bis(aminidinium) avec des carboxylates, sulfonates, phosphonates et phosphates, afin de créer des réseaux moléculaires prévisibles. Ces réseaux promettent d'être particulièrement robuste, car ils sont maintenus ensemble par de multiples liaisons hydrogène assistées par des interactions électrostatiques.

Intramolecular Direct Functionalization of Cyclopropanes via Silver-Mediated, Palladium Catalysis

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la fonctionnalisation directe des liens C–H a connu un intérêt croissant, en raison de la demande de processus chimiques moins dispendieux, plus efficaces et plus écologiques. . Les cyclopropanes représentent un motif structural souvent retrouvé dans des agents biologiquement actifs importants et dans des intermédiaires de synthèse permettant l'accès à des architectures complexes. Malgré leur valeur intrinsèque, la fonctionnalisation directe des cyclopropanes n’a pas été largement explorée. Ce mémoire traitera de deux méthodologies liées, mais tout aussi différentes, impliquant la fonctionnalisation directe des liens C–H cyclopropaniques impliquant des réactions intramoléculaires catalysées par un complex de palladium et assistées par l’argent. Le premier chapitre présentera d’abord un bref survol de la littérature sur les fondements de la fonctionnalisation directe ainsi que les contributions majeures réalisées dans ce domaine. L’accent sera notamment mis sur la fonctionnalisation des centres sp3 et sera souligné par des exemples pertinents. Les découvertes clés concernant le mécanisme et les cycles catalytiques de ces processus seront discutées. Le second chapitre décrira comment les 2-bromoanilides peuvent être utilisés pour accéder à des motifs particuliers de type spiro 3,3’ oxindoles cyclopropyliques. L'optimisation et l’étendue de la réaction seront abordés, suivis par des études mécanistiques réfutant l’hypothèse de la formation d’un intermédiaire palladium-énolate. Ces études mécanistiques comprennent une étude cinétique de l'effet isotopique ainsi que des études sur épimérisation; celles-ci ont confirmé que la réaction se produit par arylation directe. Sur la base des résultats obtenus dans le deuxième chapitre, nous aborderons ensuite la fonctionnalisation directe des benzamides cyclopropyliques lesquels, après une ouverture de cycle, donneront de nouveaux produits benzo [c] azépine-1-ones (chapitre trois). Après avoir présenté une brève optimisation et l’étendue de la réaction, nous discuterons des études mécanistiques impliquées à déduire l'ordre des événements dans le cycle catalytique et à déterminer le rôle des réactifs. Celles-ci permetteront de conclure que la fonctionnalisation de l’unité cyclopropyle se produit avant l’ouverture de cycle et que l'acétate est responsable de la déprotonation-métalation concertée. Le dernier chapitre (chapitre quatre) traitera en rétrospective de ce qui a été appris à partir de deux méthodologies divergentes et connexes et de comment ces résultats peuvent être exploités pour explorer d’autres types de fonctionnalisations directes sur des cyclopropanes.

Carbon-carbon bond formation : from transition metal catalysis to base-promoted homolytic aromatic substitution

Cette thèse de doctorat porte sur la catalyse à partir de métaux de transition et sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base visant à former de nouvelles liaisons C–C, et à ainsi concevoir de nouvelles structures chimiques. Au cours des vingt dernières années, des nombreux efforts ont été réalisés afin de développer des méthodologies pour la fonctionnalisation de liens C–H, qui soient efficaces et sélectives, et ce à faible coût et en produisant le minimum de déchets. Le chapitre d'introduction donnera un aperçu de la fonctionnalisation directe de liens C–H sur des centres sp2 et sp3. Il sera également discuté dans cette partie de certains aspects de la chimie radicalaire reliés a ce sujet. Les travaux sur la fonctionnalisation d’imidazo[1,5-a]pyridines catalysée par des compleces de ruthénium seront présentés dans le chapitre 2. Malgré l'intérêt des imidazo[1,5-a]azines en chimie médicinale, ces composés n’ont reçu que peu d'attention dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C–H. L'étendue de la réaction et l'influence des effets stériques et électroniques seront détaillés. Les cyclopropanes représentent les 10ème cycles carbonés les plus rencontrés dans les petites molécules d’intérêt pharmacologique. Ce sont aussi des intermédiaires de synthèse de choix pour la création de complexité chimique. Malgré de grands progrès dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C(sp3)–H, l'étude des cyclopropanes comme substrats dans les transformations directes est relativement nouvelle. Le chapitre trois présentera l'arylation intramoléculaire directe de cyclopropanes. Cette réaction est réalisée en présence de palladium, en quantité catalytique, en combinaison avec des sels d’argent. Des études mécanistiques ont réfuté la formation d'un énolate de palladium et suggéreraient plutôt une étape de métallation - déprotonation concertée. En outre, les cycles de type benzoazepinone à sept chaînons ont été synthétisés par l'intermédiaire d'une séquence d'activation de cyclopropane/ouverture/cyclisation. Une arylation directe intermoléculaire des cyclopropanes a été réalisée en présence d'un auxiliaire de type picolinamide (Chapitre 4). Les deux derniers chapitres de ce mémoire de thèse décriront nos études sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base. Le mécanisme de la réaction de cyclisation intramoléculaire d'halogénures d'aryle, réalisée en présence de tert-butylate de potassium, a été élucidé et se produit via une voie radicalaire (Chapitre 5). La transformation, exempte de métaux de transition, ne nécessite que la présence d’une base et de pyridine comme solvant. Cette réaction radicalaire a été étendue à la cyclisation d'iodures d'alkyle non activés en présence d'un catalyseur à base de nickel et de bis(trimethylsilyl)amidure de sodium comme base (Chapitre 6). Des études de RMN DOSY ont démontré une association entre le catalyseur, la base et le matériel de départ.

Synthesis of transition metal N-heterocyclic carbene complexes and applications in catalysis

Les ligands de carbènes N-hétérocycliques (NHC) qui possèdent une symétrie C1 attirent beaucoup l’attention dans la littérature. Le présent projet de recherche propose de synthétiser une nouvelle série de ligands NHC C1-symétriques avec deux groupements N-alkyles qui exploitent un relais chiral. Un protocole modulaire et efficace pour la synthèse des sels d’imidazolium chiraux qui servent comme préligands pour les NHC a été développé. Quelques-uns de ces nouveaux ligands ont été installés sur le cuivre et de l’or, créant de nouveaux complexes chiraux. Les nouveaux complexes à base de cuivre ont été évalués comme catalyseurs pour le couplage oxydatif de 2-naphthols. Les ligands C1-symmétriques ont fourni des meilleurs rendements que les ligands C2-symmétriques. Au cours de l’optimisation, des additifs ont été évalués; les additifs à base de pyridine ont fourni des énantiosélectivités modérées tandis que les additifs à base de malonate ont donné des meilleurs rendements de la réaction de couplage oxydatif. Ultérieurement, les additifs à base de malonate ont été appliqués envers l’hétérocouplage de 2-naphthols. Le partenaire de couplage qui est riche en électrons est normalement en grand excès à cause de sa tendance à dégrader. Avec le bénéfice de l’additif, les deux partenaires de couplage peuvent être utilisés dans des quantités équivalentes. La découverte de l’effet des additifs a permis le développement d’un protocole général pour l’hétérocouplage de 2-naphthols.

Studies on Catalysis by Vanadia Supported On Metal Oxides

Catalysis is an essential technology in manufacturing industries. The investigation based on supported vanadia catalysts and it’s sulfated analogues. Vanadia is a transition metal oxide and is used in oxidation reactions in chemical industry. It is more active and selective catalysts on suitable supports. The work deals with preparation of vanadia incorporated tin oxide and zirconia systems by wet impregnation. Physico-chemical characterization using instrumental techniques like BET etc. The surface acidic properties were determined by the ammonia TPD studies, Perylene absorption studies and Cumene conversion reaction. The catalytic activities of the prepared systems are tested by Friedel-Crafts benzylation of arenes and Bechmann rearrangement of Cyclohexanol oxime. Here the rector reactions are relatively rare. So to test the application of the catalyst systems for the selective oxidation of cyclohexanol to cyclohexanone and finally evaluate the catalytic activity of the systems for the vapour phase oxidative dehydrogenation of Ethylbenzene, which leads to the formation of Industrially important compound ‘styrene’ is another objective of this work

Zeolite-encapsulated Co(II), Ni(II) and Cu(II) complexes as catalysts for partial oxidation of benzyl alcohol and ethylbenzene

Co(II), Ni(II) and Cu(II) complexes of dimethylglyoxime and N,N-ethylenebis(7-methylsalicylideneamine) have been synthesized in situ in Y zeolite by the reaction of ion-exchanged metal ions with the flexible ligand molecules that had diffused into the cavities. The hybrid materials obtained have been characterized by elemental analysis, SEM, XRD, surface area, pore volume, magnetic moment, FTIR, UV-Vis and EPR techniques. Analysis of data indicates the formation of complexes in the pores without affecting the zeolite framework structure, the absence of any extraneous species and the geometry of encapsulated complexes. The catalytic activities for hydrogen peroxide decomposition and oxidation of benzyl alcohol and ethylbenzene of zeolite complexes are reported. Zeolite Cu(II) complexes were found to be more active than the corresponding Co(II) and Ni(II) complexes for oxidation reactions. The catalytic properties of the complexes are influenced by their geometry and by the steric environment of the active sites. Zeolite complexes are stable enough to be reused and are suitable to be utilized as partial oxidation catalysts.

Ni(II) and Ru(II) Schiff base complexes as catalysts for the reduction of benzene

Two new complexes, [MII(L)(Cl)(H2O)2]·H2O (where M=Ni or Ru and L = heterocyclic Schiff base, 3- hydroxyquinoxaline-2-carboxalidene-4-aminoantipyrine), have been synthesized and characterized by elemental analysis, FT-IR, UV–vis diffuse reflectance spectroscopy, FAB-MASS, TG–DTA, AAS, cyclic voltammetry, conductance and magnetic susceptibility measurements. The complexes have a distorted octahedral structure andwere found to be effective catalysts for the hydrogenation of benzene. The influence of several reaction parameters such as reaction time, temperature, hydrogen pressure, concentration of the catalyst and concentration of benzenewas tested. A turnover frequency of 5372 h−1 has been found in the case of ruthenium complex for the reduction of benzene at 80 ◦C with 3.64×10−6 mol catalyst, 0.34 mol benzene and at a hydrogen pressure of 50 bar. In the case of the nickel complex, a turnover frequency of 1718 h−1 has been found for the same reaction with 3.95×10−6 mol catalyst under similar experimental conditions. The nickel complex shows more selectivity for the formation of cyclohexene while the ruthenium complex is more selective for the formation of cyclohexane

Catalysis by sulphated tin oxide modified with some transition metal oxides

In the present work, we have tried to evaluate systematically the surface properties of sulphated tin oxide systems modified with three different transition metal oxides viz. iron oxide, tungsten oxide and molybdenum oxide. The catalytic activities of these systems are checked and compared by carrying out some industrially important reactions such as oxidative dehydrogenation of ethylbenzene and Friedel-Crafts reactions.

Catalysis of C-alkylation of phenol using V2O5-La2O3 system

Vapour phase methylation of phenol is carried out over La2O3 supported vanadia systems of various composition. The structural features and physico chemical characterisation of the catalysts are investigated. Orthovanadates are formed in addition to surface vanadyl species on the metal oxide support. No V2O5 crystallites are detected. The acid base properties of the oxides are studied by Hammett indicator method and decomposition of cyclohexanol.The data are correlated with the catalytic activity and selectivity of the products. Ring alkylation is found to be predominant over these catalysts.

Catalysis by some metal oxides modified with phosphate ions

Surface acidity of phosphate modified La2O3,CeO2 and SnO2 has been estimated by titrimetric Method using Hammett Indicators.Mixed Oxides of tin and lanthanum have also been prepared and subjected to phosphate modification.Surface characterizartion of the samples has been carried out using XRD, surface area,thermal analysis and IR spectroscopy. Phosphate content in the samples has been chemically estimated. The catalytic activity for benzylation and esterification reaction has also been investigated.

Catalysis By Some Pillared Montmorillonites

In the present study, we have prepared and evaluated the physical and chemical properties and catalytic activities of various single, mixed and modified pillared montmorillonites. The single oxide pillared clays include AI-, Fe- and Cr-pillared montmorillonites. The mixed oxide pillared montmorillonites such as Fe-AI and Cr-AI pillared systems with various Fe(Cr)/Al ratios are also prepared. Modification of iron-pillared system is done by vanadia impregnation. Characterisation using various physico-chemical techniques and a detailed study of acidic properties are also carried out. Major part of our work is oriented to evaluate the catalytic activity of the pillared systems towards certain important catalytic reactions. Our samples are found to be excellent catalysts for the reactions namely Friedel-Crafts benzylation and benzoylation, methylation of aniline and catalytic wet peroxide oxidation of phenol.

Studies on catalysis by transition metal promoted sulphated zirconia

The present project was a systematic investigation of the physico-chemical properties and catalytic activity of some transition metal promoted sulphated zirconia systems. The characterisation and catalytic activity results were compared with that of pure Zr02 and simple sulphated zirconia systems. Sulphated zirconia samples were prepared by a controlled impregnation technique. In the case of metal incorporated systems, a single step impregnation was carried out using required amounts of sulphuric acid and metal salt solutions. As a preliminary step, optimisation of calcination temperature and sulphate content was achieved. For further studies, the optimised sulphate loading of 10 ml per gram of hydrous zirconium oxide and a calcination temperature of 700°C was employed. Metal incorporation had a positive influence on the physico-chemical properties. Vapour phase cumene conversion served as a test reaction for acidity. Some industrially important reactions like Friedel-Crafts reaction, phenol hydroxylation, nitration, etc. were selected to test the catalytic activity of the prepared systems.

Electrical conductivity, dielectric constant and phase transitions in pure and doped diammonium hydrogen phosphate

DC and AC electrical conductivity measurements in single crystals of diammonium hydrogen phosphate along the c axis show anomalous variations at 174, 246 and 416 K. The low-frequency dielectric constant also exhibits peaks exactly at these temperatures with a thermal hysteresis of 13 degrees C for the peak at 416 K. These specific features of the electrical properties are in agreement with earlier NMR second-moment data and can be identified with three distinct phase transitions that occur in the crystal. The electrical conductivity values have been found to increase linearly with impurity concentration in specimens doped with a specific amount of SO42- ions. The mechanisms of the phase transition and of the electrical conduction process are discussed in detail.