Préparation, caractérisation et étude de réactivité de complexes de nickel comportant un ligand de type "pincer"

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Fabrication, caractérisation et étude électrochimique de microcapsules conductrices à base de dérivés carbazole aminés pour la conception de biopiles enzymatiques

L’objectif général de cette thèse est de développer une plateforme d’immobilisation d’enzymes efficace pour application en biopile. Grâce à la microencapsulation ainsi qu’au choix judicieux des matériaux polymériques pour la fabrication de la plateforme d’immobilisation, l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode serait amélioré. Du même coup, les biopiles employant cette plateforme d’immobilisation d’enzymes pourrait voir leur puissance délivrée être grandement augmentée et atteindre les niveaux nécessaires à l’alimentation d’implants artificiels pouvant remplacer des organes telque le pancréas, les reins, le sphincter urinaire et le coeur. Dans un premier temps, le p-phénylènediamine a été employé comme substrat pour la caractérisation de la laccase encapsulée dans des microcapsules de poly(éthylèneimine). La diffusion de ce substrat à travers les microcapsules a été étudiée sous diverses conditions par l’entremise de son oxidation électrochimique et enzymatique afin d’en évaluer sa réversibilité et sa stabilité. La voltampérométrie cyclique, l’électrode à disque tournante (rotating disk electrode - RDE) et l’électrode à O2 ont été les techniques employées pour cette étude. Par la suite, la famille des poly(aminocarbazoles) et leurs dérivés a été identifée pour remplacer le poly(éthylèneimine) dans la conception de microcapsules. Ces polymères possèdent sur leurs unités de répétition (mono- ou diamino) des amines primaires qui seraient disponibles lors de la polymérisation interfaciale avec un agent réticulant tel qu’un chlorure de diacide. De plus, le 1,8-diaminocarbazole (unité de répétition) possède, une fois polymérisé, les propriétés électrochimiques recherchées pour un transfert d’électrons efficace entre l’enzyme et l’électrode. Il a toutefois été nécessaire de développer une route de synthèse afin d’obtenir le 1,8-diaminocarbazole puisque le protocole de synthèse disponible dans la littérature a été jugé non viable pour être utilisé à grande échelle. De plus, aucun protocole de synthèse pour obtenir du poly(1,8-diaminocarbazole) directement n’a été trouvé. Ainsi, deux isomères de structure (1,6 et 1,8-diaminocarbazole) ont pu être synthétisés en deux étapes. La première étape consistait en une substitution électrophile du 3,6-dibromocarbazole en positions 1,8 et/ou 1,6 par des groupements nitro. Par la suite, une réaction de déhalogénation réductive à été réalisée en utilisant le Et3N et 10% Pd/C comme catalyseur dans le méthanol sous atmosphère d’hydrogène. De plus, lors de la première étape de synthèse, le composé 3,6-dibromo-1-nitro-carbazole a été obtenu; un monomère clé pour la synthèse du copolymère conducteur employé. Finalement, la fabrication de microcapsules conductrices a été réalisée en incorporant le copolymère poly[(9H-octylcarbazol-3,6-diyl)-alt-co-(2-amino-9H-carbazol-3,6-diyl)] au PEI. Ce copolymère a pu être synthétisé en grande quantité pour en permettre son utilisation lors de la fabrication de microcapsules. Son comportement électrochimique s’apparentait à celui du poly(1,8-diaminocarbazole). Ces microcapsules, avec laccase encapsulée, sont suffisamment perméables au PPD pour permettre une activité enzymatique détectable par électrode à O2. Par la suite, la modification de la surface d’une électrode de platine a pu être réalisée en utilisant ces microcapsules pour l’obtention d’une bioélectrode. Ainsi, la validité de cette plateforme d’immobilisation d’enzymes développée, au cours de cette thèse, a été démontrée par le biais de l’augmentation de l’efficacité du transfert électronique entre l’enzyme encapsulée et l’électrode.

Quantifying diffusion in biofilms : from model hydrogels to living biofilms

Les biofilms sont des communautés de microorganismes incorporés dans une matrice exo-polymérique complexe. Ils sont reconnus pour jouer un rôle important comme barrière de diffusion dans les systèmes environnementaux et la santé humaine, donnant lieu à une résistance accrue aux antibiotiques et aux désinfectants. Comme le transfert de masse dans un biofilm est principalement dû à la diffusion moléculaire, il est primordial de comprendre les principaux paramètres influençant les flux de diffusion. Dans ce travail, nous avons étudié un biofilm de Pseudomonas fluorescens et deux hydrogels modèles (agarose et alginate) pour lesquels l’autodiffusion (mouvement Brownien) et les coefficients de diffusion mutuels ont été quantifiés. La spectroscopie par corrélation de fluorescence a été utilisée pour mesurer les coefficients d'autodiffusion dans une volume confocal de ca. 1 m3 dans les gels ou les biofilms, tandis que les mesures de diffusion mutuelle ont été faites par cellule de diffusion. En outre, la voltamétrie sur microélectrode a été utilisée pour évaluer le potentiel de Donnan des gels afin de déterminer son impact sur la diffusion. Pour l'hydrogel d'agarose, les observations combinées d'une diminution du coefficient d’autodiffusion et de l’augmentation de la diffusion mutuelle pour une force ionique décroissante ont été attribuées au potentiel de Donnan du gel. Des mesures de l'effet Donnan (différence de -30 mV entre des forces ioniques de 10-4 et 10-1 M) et l'accumulation correspondante d’ions dans l'hydrogel (augmentation d’un facteur de 13 par rapport à la solution) ont indiqué que les interactions électrostatiques peuvent fortement influencer le flux de diffusion de cations, même dans un hydrogel faiblement chargé tel que l'agarose. Curieusement, pour un gel plus chargé comme l'alginate de calcium, la variation de la force ionique et du pH n'a donné lieu qu'à de légères variations de la diffusion de sondes chargées dans l'hydrogel. Ces résultats suggèrent qu’en influençant la diffusion du soluté, l'effet direct des cations sur la structure du gel (compression et/ou gonflement induits) était beaucoup plus efficace que l'effet Donnan. De même, pour un biofilm bactérien, les coefficients d'autodiffusion étaient pratiquement constants sur toute une gamme de force ionique (10-4-10-1 M), aussi bien pour des petits solutés chargés négativement ou positivement (le rapport du coefficient d’autodiffusion dans biofilm sur celui dans la solution, Db/Dw ≈ 85 %) que pour des nanoparticules (Db/Dw≈ 50 %), suggérant que l'effet d'obstruction des biofilms l’emporte sur l'effet de charge. Les résultats de cette étude ont montré que parmi les divers facteurs majeurs qui affectent la diffusion dans un biofilm environnemental oligotrophe (exclusion stérique, interactions électrostatiques et hydrophobes), les effets d'obstruction semblent être les plus importants lorsque l'on tente de comprendre la diffusion du soluté. Alors que les effets de charge ne semblaient pas être importants pour l'autodiffusion de substrats chargés dans l'hydrogel d'alginate ou dans le biofilm bactérien, ils ont joué un rôle clé dans la compréhension de la diffusion à travers l’agarose. L’ensemble de ces résultats devraient être très utiles pour l'évaluation de la biodisponibilité des contaminants traces et des nanoparticules dans l'environnement.

Polymères de coordination et éponge cristalline : de nouveaux matériaux pour la conversion de l’énergie solaire et la résolution de la structure cristalline de composés huileux.

Le premier volet de ce travail portera sur l’expérience acquise lors d’un stage d’étude à Tokyo, au Japon, dans le groupe de recherche du Pr. Makoto Fujita, une sommité d’envergure internationale dans le domaine de l’auto-assemblage. En continuité avec les plus récents travaux du Pr. Fujita, des systèmes poreux auto-assemblés présentant des cavités fonctionnalisées ont été développés dans le but d’encapsuler des acides gras afin d’en déterminer la structure cristalline. Ces éponges ont été caractérisées par des techniques courantes telles que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire 1H, 13C{1H} et Cosy, la spectrométrie de masse, l’analyse élémentaire, la microscopie optique infrarouge ainsi que la diffraction des rayons X. Une autre approche employée pour obtenir de meilleures propriétés spectroscopiques fut la synthèse de dendrimères métalliques de génération 0. Un nouveau ligand de type 1,3,5-triazine a été synthétisé par une réaction typique de cyclisation de nitrile en présence catalytique d’hydrure de sodium. Des espèces mono-, bis- et trinucléaire de Ru(II) furent synthétisés ainsi que deux espèces hétérométalliques de Ru(II)/Pt(II) et de Ru(II)/Os(II). Tous les complexes obtenus furent caractérisés par spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution et par analyse élémentaire. La génération de dihydrogène à partir de l’espèce hétérométallique a été étudiée. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage. Finalement, dans le but d’améliorer les propriétés spectroscopiques d’absorption de complexes métalliques, nous avons synthétisé une série de polymères homo- et hétérométalliques, intégrant des ligands de type bis(2,2’:6,2’’-terpyridine). Les complexes générés furent caractérisés par diverses techniques tel que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution ainsi que par analyse élémentaire. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage.

L’impact de l’unité centrale sur les propriétés optoélectroniques d’imino-thiophènes électrochromes : s ynthèse et caractérisation

De nouvelles molécules électrochromes à base de thiophène et comportant des liaisons azométhine ont été synthétisées et caractérisées afin d’étudier les relations entre leur structure et leurs propriétés. Le but premier de cette étude a été d’obtenir plus d’information pouvant guider le développement de nouvelles molécules électrochromes performantes à l’aide d’une meilleure compréhension de ce qui influence leurs caractéristiques. La synthèse a été réalisée en évitant l’emploi de conditions réactionnelles difficiles et les quantités d’éléments de transition ont été minimisées. Les nouvelles structures ont permis de vérifier l’effet de la variation de l’unité centrale sur les propriétés finales. Les modifications ont principalement porté sur la longueur effective de conjugaison par l’ajout d’unités de thiophène, ainsi que l’incorporation d’une liaison vinylique. L’effet de la présence de chaînes alkyles sur les positions C3 et C4 des thiophènes du coeur de chaque molécule a également été étudié. Les propriétés telles le potentiel d’oxydation, le nombre d’électrons échangés, la réversibilité des phénomènes d’oxydoréduction, l’absorbance, ainsi que l’électrochromisme chimique et électrochimique ont été étudiées, principalement par voltampérométrie cyclique et spectrométrie UV-visible en solution. De plus, des calculs théoriques ont été effectués afin d’appuyer les résultats obtenus expérimentalement. La modification du coeur de la molécule par ajout de thiophènes voisins n’a pas entraîné de grand déplacement bathochrome du λAbs, et dans le cas des thiophènes dialkylés, un déplacement hypsochrome d’au moins 66 nm a eu lieu causé par la torsion du squelette. L’étude des structures à l’état solide a même révélé l’obtention d’un nouveau composé possédant des propriétés vapochromiques prononcées. Les nouveaux composés électrochromes possèdent des valeurs de λAbs allant de 431 à 513 nm, et des potentiels d’oxydation de 0,8 à 1,2 V.

Agrégation de tensioactifs anioniques à une interface solide-aqueux induite par l'oxydation d'une monocouche auto-assemblée de ferrocenylalkanethiolates

L'oxydoréduction des monocouches auto-assemblées («Self-assembled monolayers ou SAMs) de ferrocenyldodecanethiolates sur une surface d'or (Fc(CH2)12SAu) dans des solutions aqueuses de n-alkyle sulfate de sodium (6, 8, 10 et 12 atomes de carbone) est étudiée par spectroscopie de résonance des plasmons de surface («Surface Plasmons Resonance ou SPR) couplée avec de la voltampérométrie cyclique (VC). La technique SPR est utilisée pour suivre en temps réel l'adsorption des tensioactifs en fonction du potentiel appliqué. Elle permet de quantifier l'épaisseur et le recouvrement des molécules adsorbées pour déterminer l'organisation des tensioactifs anioniques sur la SAM. La VC est utilisée afin de caractériser l'oxydation du groupement ferrocène en présence des n-alkyle sulfate de sodium qui s'associent à la SAM grâce à l'appariement entre le ferrocénium et le groupement sulfate. Des mélanges binaires d'alkylesulfates de différentes compositions sont utilisés dans le but de déterminer l'organisation induite par une réaction d'oxydoréduction. L'effet de la longueur de la chaîne d'hydrocarbures sur la quantité de tensioactifs anioniques adsorbés ainsi que les affinités relatives d'appariement des anions alkyle sulfate aux ferrocéniums sont rapportés dans ce mémoire. Ces surfaces électrosensibles permettront la détection de molécules amphiphiles et la compréhension du comportement de mélanges binaires de tensioactifs. Ainsi, ces travaux apporteront une avancée sur la modulation électrochimique de l'organisation de matériaux sur des substrats solides basée sur l'appariement d'ions.

A novel fluorescent bisazomethine dye derived from 3-hydroxyquinoxaline-2- carboxaldehyde and 2,3-diaminomaleonitrile

A novel bisazomethine Schiff base was synthesised by the condensation of 3-hydroxyquinoxaline-2- carboxaldehyde and 2,3-diaminomaleonitrile. 1H NMR, 13C NMR, HPLC and FT-IR studies revealed that the compound exists in two major tautomeric forms. The Schiff base exhibits positive absorption and fluorescent solvatochromism and displays dual fluorescence with large stoke shifts. Cyclic voltammetric analysis of the compound in 1:1 methanol–THF was influenced by scan rate. Thermal analysis of the compound was undertaken using TG–DTA and DSC

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

Electroactive Dipyrromethene-Cu(II) Monolayers Deposited onto Gold Electrodes for Voltammetric Determination of Paracetamol

Dipyrromethene-Cu(II) derivatives possessing two dodecane alkyl chains have been used for the modification of gold electrodes. Electroactive host molecules have been incorporated into a lipophilic dodecanethiol SAM deposited onto gold electrodes through hydrophobic and van der Waals interactions (embedment technique). The presence of dipyrromethene-Cu(II) redox centers on the electrode surface was proved by cyclic voltammetry and Osteryoung square-wave voltammetry. The Au electrodes incorporating redox active Cu(II)-dipyrromethene SAMs were used for the direct voltammetric determination of paracetamol in human plasma.

Electrochemical Reduction and Voltammetric Determination of Metronidazole Benzoate at Modified Carbon Paste Electrode

A metalloporphyrin incorporated carbon paste sensor has been developed for the determination of metronidazole benzoate (MTZB). Zn(II) complex of 5,10,15,20-tetrakis (3-methoxy-4-hydroxy phenyl) porphyrin (TMHPP) was used as the active material. The MTZB gave a well-defined reduction peak at - 0.713V in 0.1 mol l -1 phosphate buffer solution of pH around 7. Compared with bare carbon paste electrode (CPE), the TMHPP Zn(II) modified electrode significantly enhanced the reduction peak current of MTZB as well as lowered its reduction potential. Under optimum conditions the reduction peak current was proportional to MTZB concentration over the range 1×10-3 mol1-1 to 1×10-5mol1-1. The detection limit was found to be 4.36×10-6mol1-1 . This sensor has been successfully applied for the determination of MTZB in pharmaceutical formulations and urine samples.

Photophysical and Electrochemical Investigations on Photoconducting Poly(6-tert-butyl-3,4-dihydro-2H- 1,3-benzoxazine)

Poly(6-tert-butyl-3,4-dihydro-2H-1,3-benzoxazine) was synthesized by thermally activated cationic ring opening polymerization. The structure of the polymer was confirmed by spectral and thermal studies. The highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) were estimated using cyclic voltammetry and optical absorption. Modulated photocurrent measurement technique was employed to study the spectral and field dependence of photocurrent. Photocurrent of the order of 1.5 micro A/m2 was obtained for polymer at a biasing electric field of 40 V/mico m.

DNA Interaction and Catalytic Activity Studies of Some New Transition Metal Complexes of Schiff Bases Derived from Quinoxaline

In this thesis we report the synthsis and characterisation of new transition metal complexes of Pd(II),Cu(II),Ru(II) and Ir(III) of Schiff bases derived from quinoxaline-2-carboxaldehyde/3-hydroxyquinoxaline-2-carboxaldehyde and 5-aminoindazole.6-aminoindazole or 8-aminoquinoline.The complexes have been characterised by spectral and analytical data.Pd(II) and Cu(II) form square planar complexes and Ru(III) and Ir(III) form ctahedral complexes with these Schiff bases.The DNA binding properties of theses synthesised complexes have been studied by various methods including electronic absoption spectroscopy,cyclic voltammetry,different pulse voltammetry and circular dichroism spectra were used.Gel electrophoresis experiments were also performed to investigate the DNA cleavage of theses complexes.Furthermore Ru(III) and Ir(III) complexes find application as oxidation and hydogenation catalsts. The studies on catalytic activities has been presented.The metal complexes presented in this thesis assure significance as they contribute to the development of new DNA binding agents and antibacterial and anticancer drugs.

Chelating behavior of acylhydrazones towards transition metals:Spectral and structural aspects

The current work deals with the synthesis and characterization of metal complexes derived from some substituted acylhydrazones. The hydrazones under investigation were characterized by IR, UV, NMR spectral studies and the molecular structure of one of the hydrazones was solved by single crystal XRD studies. In the present work dioxovanadium(V), manganese(II), cobalt(II/III), nickel(II), copper(II), zinc(II) and cadmium(II) complexes were synthesized and characterized by various spectroscopic techniques, molar conductance measurements, magnetic susceptibility measurements and cyclic voltammetry. Single crystals of some of the complexes were isolated and characterized by single crystal X-ray diffraction.The thesis is divided into eight chapters. Chapter 1 gives an introduction on hydrazones, diversity in their chelating behavior and their application in various fields. This chapter also describes different analytical techniques employed for the characterization of hydrazones and their metal complexes. Chapter 2 includes the synthesis and characterization of two substituted acylhydrazones. This chapter also discusses how the coordination behavior of hydrazones under investigation is interesting. Chapters 3-8 discuss the synthesis and characterization of some transition metal complexes derived from the acylhydrazones under study.The hydrazones synthesized were found to exist in the amido form. Various characterization techniques were carried out to explore the structure of the synthesized complexes. The results indicate that both the hydrazones coordinate through the pyridyl and azomethine nitrogens and amide oxygen either in enolate or neutral form. Out of synthesized complexes V(V), Zn/Cd(II) and one of the cobalt complex was found to diamagnetic. We could isolate single crystals of some of the complexes and most of the complexes crystallized were found to have a distorted octahedral geometry. Thus X-ray crystallographic study which was used as major tool in the structure determination revealed that the hydrazones undergo a rotation about the azomethine bond on complexation. We hope the work presented in the thesis would be helpful for those who are working in the field of metal complexes and can further they can be utilized for various applications.

Electrochemical studies on Metal phthalocyanines

The primary aim of these investigations was to probe the elecnuchemical and material science aspects of some selected metal phthalocyanines(MPcs).Metal phthalocyanines are characterised by a unique planar molecular structure. As a single class of compounds they have been the subject of ever increasing number of physicochemical and technological investigations. During the last two decades the literature on these compounds was flooded by an outpour of original publications and patents. Almost every branch of materials science has benefited by their application-swface coating, printing, electrophotography, photoelectrochemistry, electronics and medicine to name a few.The present study was confined to the electrical and electrochemical properties of cobalt, nickel, zinc. iron and copper phthalocyanines. The use of soluble Pes as corrosion inhibitor for aluminium was also investigated.In the introductory section of the thesis, the work done so far on MPcs is reviewed. In this review emphasis is given to their general methods of synthesis and the physicochemical properties.In phthalocyanine chemistry one of the formidable tasks is the isolation of singular species. In the second chapter the methods of synthesis and purification are presented with necessary experimental details.The studies on plasma modified films of CoPe, FePc, ZnPc. NiPc and CuPc are also presented.Modification of electron transfer process by such films for reversible redox systems is taken as the criterion to establish enhanced electrocatalytic activity.Metal phthalocyanines are p- type semiconductors and the conductivity is enhanced by doping with iodine. The effect of doping on the activation energy of the conduction process is evaluated by measuring the temperature dependent variation of conductivity. Effect of thennal treatment on iodine doped CoPc is investigated by DSC,magnetic susceptibility, IR, ESR and electronic spectra. The elecnucatalytic activity of such doped materials was probed by cyclic voltammetry.The electron transfer mediation characteristics of MPc films depend on the film thickness. The influence of reducing the effective thickness of the MPc film by dispersing it into a conductive polymeric matrix was investigated. Tetrasulphonated cobalt phthalocyanine (CoTSP) was electrostatically immobilised into polyaniline and poly(o-toluidine) under varied conditions.The studies on corrosion inhibition of aluminium by CoTSP and CuTSP and By virtue of their anionic character they are soluble in water and are strongly adsorbed on aluminium. Hence they can act as corrosion inhibitors. CoTSP is also known to catalyze the reduction of dioxygen.This reaction can accelerate the anodic dissolution of metal as a complementary reaction. The influence of these conflicting properties of CoTSP on the corrosion of aluminium was studied and compared with those of CuTSP.In the course of these investigations a number of gadgets like cell for measuring the electrical conductivity of solids under non-isothermal conditions, low power rf oscillator and a rotating disc electrode were fabricated.

Characterization of CNTs and CNTs/MnO2 composite for supercapacitor application

Màster en Nanociència i Nanotecnologia