Electronic properties of transition metal atoms on Cu2N/Cu(100)

We study the nature of spin excitations of individual transition metal atoms (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni) deposited on a Cu2N/Cu(100) surface using both spin-polarized density functional theory (DFT) and exact diagonalization of an Anderson model derived from DFT. We use DFT to compare the structural, electronic, and magnetic properties of different transition metal adatoms on the surface. We find that the average occupation of the transition metal d shell, main contributor to the magnetic moment, is not quantized, in contrast with the quantized spin in the model Hamiltonians that successfully describe spin excitations in this system. In order to reconcile these two pictures, we build a zero bandwidth multi-orbital Anderson Hamiltonian for the d shell of the transition metal hybridized with the p orbitals of the adjacent nitrogen atoms, by means of maximally localized Wannier function representation of the DFT Hamiltonian. The exact solutions of this model have quantized total spin, without quantized charge at the d shell. We propose that the quantized spin of the models actually belongs to many-body states with two different charge configurations in the d shell, hybridized with the p orbital of the adjacent nitrogen atoms. This scenario implies that the measured spin excitations are not fully localized at the transition metal.

Catalytic wet peroxide oxidation: a route towards the application of hybrid magnetic carbon nanocomposites for the degradation of organic pollutants. A review

Several motivations have prompted the scientific community towards the application of hybrid magnetic carbon nanocomposites in catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) processes. The most relevant literature on this topic is reviewed, with a special focus on the synergies that can arise from the combination of highly active and magnetically separable iron species with the easily tuned properties of carbon-based materials. These are mainly ascribed to increased adsorptive interactions, to good structural stability and low leaching levels of the metal species, and to increased regeneration and dispersion of the active sites, which are promoted by the presence of the carbon-based materials in the composites. The most significant features of carbon materials that may be further explored in the design of improved hybrid magnetic catalysts are also addressed, taking into consideration the experimental knowledge gathered by the authors in their studies and development of carbon-based catalysts for CWPO. The presence of stable metal impurities, basic active sites and sulphur-containing functionalities, as well as high specific surface area, adequate porous texture, adsorptive interactions and structural defects, are shown to increase the activity of carbon materials when applied in CWPO, while the presence of acidic oxygen-containing functionalities has the opposite effect.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

(Table 2) Trace metal ratios of various benthic foraminifera shells

Benthic foraminiferal d13C and Cd/Ca studies suggest that deep Atlantic circulation during the Last Glacial Maximum was very different from today, with high-nutrient (low d13C, high Cd) deep Southern Ocean Water (SOW) penetrating far into the North Atlantic. However, if some glacial d13C values are biased by productivity artifacts and/or air-sea exchange processes, then the existing d13C data may be consistent with the continual dominance of North Atlantic Deep Water (NADW). Cibicidoides wuellerstorfi Cd/Ca results presented here indicate that the glacial North Atlantic was strongly enriched in dissolved Cd below ~2500 m depth. If NADW formation was still vigorous relative to SOW formation, these data could be explained by either increased preformed nutrient levels in the high-latitude North Atlantic or by increased organic matter remineralization within lower NADW. High glacial Zn/Ca values in the same samples, however, are best explained by a substantially increased mixing with Zn-rich SOW. The cause was most likely a partial replacement of NADW by less dense Glacial North Atlantic Intermediate Water. This reorganization also lowered deep North Atlantic [CO3]2- concentrations by perhaps 10 to 15 µmol/kg.

Layer description, carbon and nitrogen content and stable isotope record of bulk sedimentary organic matter from Laguna Potrok Aike

An investigation of stable isotope (d13C TOC and d15N TN) and elemental parameters (TOC, TN contents and TOC/TN ratios) of bulk organic matter (<200 µm) from sediment cores recovered from the Patagonian lake Laguna Potrok Aike (Argentina) in the framework of the ICDP deep drilling project PASADO provided insights into past changes in lake primary productivity and environmental conditions in South Patagonia throughout the last Glacial-Interglacial transition. Stratigraphically constrained cluster analyses of all proxy parameters suggest four main phases. From ca 26,100 to 17,300 cal. years BP, lacustrine phytoplankton was presumably the predominant organic matter source in an aquatic environment with low primary productivity rates. At around 17,300 cal. years BP, abrupt and distinct shifts of isotopic and elemental values indicate that the lacustrine system underwent a rapid reorganization. Lake primary productivity (phytoplankton and aquatic macrophytes) shows higher levels albeit with large variations during most of the deglaciation until 13,000 cal. years BP. The main causes for this development can be seen in improved growing conditions for primary producers because of deglacial warming in combination with expedient availability of nutrients and likely calm wind conditions. After 13,000 cal. years BP, decreased d13C TOC values, TOC, TN contents and TOC/TN ratios indicate that the lake approached a new state with reduced primary productivity probably induced by unfavourable growing conditions for primary producers like strengthened winds and reduced nutrient availability. The steady increase in d15N TN values presumably suggests limitation of nitrate supply for growth of primary producers resulting from a nutrient shortage after the preceding phase with high productivity. Nitrate limitation and consequent decreased lacustrine primary productivity continued into the early Holocene (10,970-8400 cal. years BP) as reflected by isotopic and elemental values.

Dynamical properties of a strongly correlated model for quarter-filled layered organic molecular crystals

The dynamical properties of an extended Hubbard model, which is relevant to quarter-filled layered organic molecular crystals, are analyzed. We have computed the dynamical charge correlation function, spectral density, and optical conductivity using Lanczos diagonalization and large-N techniques. As the ratio of the nearest-neighbor Coulomb repulsion, V, to the hopping integral, t, increases there is a transition from a metallic phase to a charge-ordered phase. Dynamical properties close to the ordering transition are found to differ from the ones expected in a conventional metal. Large-N calculations display an enhancement of spectral weight at low frequencies as the system is driven closer to the charge-ordering transition in agreement with Lanczos calculations. As V is increased the charge correlation function displays a collective mode which, for wave vectors close to (pi,pi), increases in amplitude and softens as the charge-ordering transition is approached. We propose that inelastic x-ray scattering be used to detect this mode. Large-N calculations predict superconductivity with d(xy) symmetry close to the ordering transition. We find that this is consistent with Lanczos diagonalization calculations, on lattices of 20 sites, which find that the binding energy of two holes becomes negative close to the charge-ordering transition.

Tuning the metal-to-metal charge transfer energy of cyano-bridged dinuclear complexes

The metal-to-metal charge transfer (MMCT) transitions of a series of Class II mixed valence dinuclear complexes bearing cyano bridging ligands may be varied systematically by variations to either the hexacyanometallate(II) donor or Co-III acceptor moieties. Specifically, the new dinuclear species trans-[(LCoNCFe)-Co-14S(CN)(5)](-) (L-14S = 6-methyl-1,11-diaza-4,8-dithia- cyclotetradecane-6-amine) and trans-[(LCoNCRu)-Co-14(CN)(5)]-(L-14 = 6-methyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-6-amine) have been prepared and their spectroscopic and electrochemical properties are compared with the relative trans-[(LCoNCFe)-Co-14(CN)(5)](-). The crystal structures of Na{trans-[(LCoNCFe)-Co-14S(CN)(5)]}.51/2H(2)O.1/2EtOH, Na{trans-[(LCoNCRu)-Co-14(CN)(5)]}.3H(2)O and Na{trans-[(LCoNCRu)-Co-14(CN)(5)]}.8H(2)O are also reported. The ensuing changes to the MMCT energy have been examined within the framework of Hush theory, and it was found that the free energy change between the redox isomers was the dominant effect in altering the energy of the MMCT transition.

Asymmetric Bragg mirrors for the reduction of emission wavelength dependence on the viewing angle in organic microcavity light emitting diodes

Organic microcavity light emitting diodes typically exhibit a blue shift of the emitting wavelength with increasing viewing angle. While the wavelength shift can be reduced with the appropriate choice of organic materials and metal mirrors, for further reduction of the emission wavelength shift it is necessary to consider a mirror whose phase shift can partly compensate the effect of the change of optical path within the cavity. In this work, we used a genetic algorithm (GA) to design an asymmetric Bragg mirror in order to minimize the emission wavelength shift with viewing angle. Based on simulation results, the use of asymmetric Bragg mirrors represents a promising way to reduce the emission wavelength shift. Detailed comparison between GA optimized and conventional Bragg mirrors in terms of resonant wavelength dependence on the viewing angle, spectral narrowing, and brightness enhancement is given. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Synthesis and stabilization of nanocrystalline zirconia with MSU mesostructure

In the presence of nonionic block-copolymer surfactant, nanocrystalline zirconia particles with MSU mesostrucmre were synthesized by a novel solid-state reaction route. The zirconia particles possess a nanocrystalline pore wall, which renders higher thermal stability compared to an amorphous framework. To further enhance its stability, laponite, a synthetic clay, was introduced. Laponite acts as an inhibitor to crystal a growth and also as a hard template for the mesostructure. High surface area and ordered pore structure were observed in the stabilized zirconia. The results show that the formation of the MSU structure is attributed to reverse hexagonal micelles, which are the products of the cooperative self-assembly of organic and inorganic species in the solid-state synthesis system with crystalline water and hygroscopic water present.

Metal Clips Induce Folding of a Short Unstructured Peptide into an a-Helix via Turn Conformations in Water. Kinetic versus Thermodynamic Products

Short peptides corresponding to two to four a-helical turns of proteins are not thermodynamically stable helices in water. Unstructured octapeptide Ac-His1*-Ala2-Ala3-His4*-His5*-Glu6-Leu7-His8*-NH2 (1) reacts with two [Pd ((NH2)-N-15(CH2)(2) (NH2)-N-15)(NO3)(2)] in water to form a kinetically stable intermediate, [{Pden}(2)-{(1,4)(5,8)-peptide}](2), in which two 19-membered metallocyclic rings stabilize two peptide turns. Slow subsequent folding to a thermodynamically more stable two-turn a-helix drives the equilibrium to [{Pden}(2)-{(1,5)(4,8)-peptide}] (3), featuring two 22-membered rings. This transformation from unstructured peptide via turns to an a-helix suggests that metal clips might be useful probes for investigating peptide folding.

Hydrothermal control on organic matter alteration and illite precipitation, Mt Isa Basin, Australia

Abundant illite precipitation, in Proterozoic rocks from Northern Lawn Hill Platform, Mt Isa Basin, Australia, occurred in organic matter-rich black shales rather than in sandstones, siltstones and organic matter-poor shales. Sandstones and siltstones acted as impermeable rocks, as early diagenetic quartz and carbonate minerals reduced the porosity-permeability. Scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM) studies indicate a relation between creation of microporosity-permeability and organic matter alteration, suitable for subsequent mineral precipitation. K-Ar data indicate that organic matter alteration and the subsequent illite precipitation within the organic matter occurred during the regional hydrothermal event at 1172 +/- 150 (2sigma) Ma. Hot circulating fluids are considered to be responsible for organic matter alteration, migration and removal of volatile hydrocarbon, and consequently porosity-permeability creation. Those rocks lacking sufficient porosity-permeability, such as sandstones, siltstones and organic matter poor shales, may not have been affected by fluid movement. In hydrothermal systems, shales and mudstones may not be impermeable as usually assumed because of hydrocarbons being rapidly removed by fluid, even with relatively low total organic carbon.

Effect of metal chlorides on the sintering and densification of hydroxyapatite adsorbent

This work is part of a series of studies dealing with the evaluation of the effects of major elements of solid waste, especially metallic oxides, nitrates, sulfates, and chlorides, on the sintering and the densification of calcium hydroxyapatite (Ca-HAP) adsorbent. The effects of chloride salts of potassium (KCl) and zinc (ZnCl2) on sintering and densification of Ca-HAP were studied using surface area reduction and shrinkage measurements. The addition of KCl (2% w/w) activated the sintering process by bringing a swift reduction in surface area and lowering the densification temperature. However, a low final densification was achieved. Increasing the amount of this additive to 10% w/w further lowered the final densification and lowered the densification temperature of hydroxyapatite by 150 degrees C. On the other hand, the addition of 2 wt % of ZnCl2 deactivated the sintering process by slowing down the densification process and raising the densification temperature. However, the reduction of surface area was comparable to that of Ca-HAP. The densification rate contained two or more rate maxima indicating the additives (salts) bring multiple speeds in the densification process.