Analysis of Cosmogenic Impurities in Tellurium and Development of Tellurium Loading for the SNO+ Experiment

For the SNO+ neutrinoless double beta decay search, various backgrounds, ranging from impurities present naturally to those produced cosmogenically, must be understood and reduced. Cosmogenic backgrounds are particularly difficult to reduce as they are continually regenerated while exposed to high energy cosmic rays. To reduce these cosmogenics as much as possible the tellurium used for the neutrinoless double beta decay search will be purified underground. An analysis of the purification factors achievable for insoluble cosmogenic impurities found a reduction factor of $>$20.4 at 50\% C.L.. During the purification process the tellurium will come into contact with ultra pure water and nitric acid. These liquids both carry some cosmogenic impurities with them that could be potentially transferred to the tellurium. A conservative limit is set at $<$18 events in the SNO+ region of interest (ROI) per year as a result of contaminants from these liquids. In addition to cosmogenics brought underground, muons can produce radioactive isotopes while the tellurium is stored underground. A study on the rate at which muons produce these backgrounds finds an additional 1 event per year. In order to load the tellurium into the detector, it will be combined with 1,2-butanediol to form an organometallic complex. The complex was found to have minimal effect on the SNO+ acrylic vessel for 154 years.

Nucleophilic addition of Nitrones to Electron deficient acetylenes and related studies

Nitrones or azomethine-N-oxides are important precursors for the synthesis of several heterocyclic systems. They belong to the allyl anion type 1,3-dipoles and possess unique structural features which make them extraordinarily useful synthons. They behave as 1,3-dipoles in 1,3-dipolar cycloaddition reactions and as electrophiles in reactions with organometallic reagents. These are the two basic reactions given by nitrones. Nitrones also act as ‘spin traps’ in which they react with short-lived radicals to furnish stable nitroxide radicals which can be detected and identified by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Recently SmI2 catalysed reductive cross-coupling reactions of nitrones have gained significant interest in which the reactions are initiated by single electron transfer (SET) to nitrones. Apart from these reactions, nitrones are also known to participate in reactions which are initiated by the nucleophilic attack of nitrone-oxygen. In our group, we have also explored the nucleophilic character of nitrones through various reactions. The results obtained enabled us to develop a novel two-step one-pot strategy for quinolines and indoles - the heterocycles renowned for their pharmacological applications, from nitrones and electron deficient acetylenes. Using dibenzoylacetylene and phenylbenzoylacetylene as dipolarophiles, we could introduce a desired functional group at a predetermined position of the quinolines or indoles to be synthesised. In this context, the thesis entitled “NUCLEOPHILIC ADDITION OF NITRONES TO ELECTRON DEFICIENT ACETYLENES AND RELATED STUDIES” portrays our attempt to expand the scope of our x novel synthetic protocol using ester functionalised acetylenes: dimethyl acetylenedicarboxylate (DMAD) and methyl propiolate. The thesis is organised in to five chapters. The first chapter briefly describes the different classes of reactions that nitrone functionality can tolerate. The research problem is defined at the end of this chapter. The second chapter describes the synthesis of different nitrones used for the present study. The optimisation and expansion of scope of the novel strategy towards quinoline synthesis is discussed in the third chapter. The fourth chapter portrays the synthesis of indole-3-carboxylates using the novel strategy. In the fifth chapter, the reaction of N-(2,6-dimethylphenyl) and N-(2,4,6-trimethylphenyl)nitrones are discussed. Here we also discuss the mechanistic reinvestigation of Baldwin’s proposal in the isoxazoline-oxazoline rearrangement. The major outcome of the work is given at the end of the thesis. The structural formulae, schemes, tables and figures are numbered chapter-wise since each chapter of the thesis is organized as an independent unit. All new compounds (except two compounds reported in fourth chapter) are fully characterised on the basis of spectral and analytical data and single crystal X-ray analysis on representative examples. Relevant references are included at the end of individual chapters.

Sintesi e Caratterizzazione di Elettrodi Modificati Chimicamente con nuovi complessi Carbenici del Ferro

The Chemically Modified Electrodes (CME) are widely used in electroanalytical chemistry as chemical sensors. The interest in the covalent anchoring of a redox mediator on the electrode surface is increasing, because it allows the sensibility and the selectivity of this kind of systems to improve. My work is situated in this field of research and involves the synthesis of new Iron(0) complexes that contain cyclopentadienone, N-heterocyclic carbene (NHC) and carbonyl ancillary ligands. These complexes have shown electrochemical properties similar to those of ferrocene (organometallic compound widely used as electrochemical sensor). These complexes have been properly functionalized with a EDOT group in the NHC ligand side chain that it was after used for the realization of Electrochemically Modified PEDOT thanks to copolymerization reaction between the functionalized complex and the EDOT in different amounts. All the synthetic steps were assisted by suitable characterizations (NMR, IR, ESI-MS, cyclic voltammetry and X-ray for the monomeric compound as imidazolium salt and NHC functionalized complexes; cyclic voltammetry, IR e SEM for the copolymers). The properties of the polymer as a selective sensor was preliminarily investigated for dopamine and 2-propanol.

Incapsulamento di complessi organometallici e lantanoidei con silice e sviluppo come traccianti di supporti ceramici

Lo scopo di questo lavoro di tesi sperimentale consiste nell’ideazione e nell’ottimizzazione di nuove forme d’ingegnerizzazione di sistemi nano e micrometrici di silice (SiO2) in cui sono stati incorporati complessi di metalli di transizione e lantanoidei. Lo studio è scaturito dalla prospettiva di poter trasferire le caratteristiche di luminescenza dei complessi dalla scala molecolare di sintesi a quella macroscopica, attraverso l’utilizzo di una opportuna matrice veicolante. Dopo una intensa sessione di lavoro dedicata all’ottimizzazione della sintesi e delle caratteristiche di stabilità e resistenza dei sistemi, dalla fase sol fino ai micronizzati, si è sviluppata una possibile applicazione industriale come substrato tessile dotato di funzioni eventualmente antibatteriche. This experimental work is aimed at exploiting and optimizing new and convenient ways to incorporate organometallic and lanthanoid complexes into silica-based colloid matrices. Following a similar approach, the luminescent properties of both organometallic and lanthanoid complexes could be kept unaltered on passing from the molecular to nanometric scale (sol), ending up to micrometer sized systems (micro-powders). The subsequent optimization of the processes led to systems that were loaded onto the surface of fabric, which were successively studied for their light-induced antimicrobial abilities.

Kinetics and coverage dependent reaction mechanisms of the copper atomic layer deposition from copper dimethylamino-2-propoxide and diethylzinc

Atomic layer deposition (ALD) has been recognized as a promising method to deposit conformal and uniform thin film of copper for future electronic devices. However, many aspects of the reaction mechanism and the surface chemistry of copper ALD remain unclear. In this paper, we employ plane wave density functional theory (DFT) to study the transmetalation ALD reaction of copper dimethylamino-2-propoxide [Cu(dmap)2] and diethylzinc [Et2Zn] that was realized experimentally by Lee et al. [ Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 4536−4539]. We find that the Cu(dmap)2 molecule adsorbs and dissociates through the scission of one or two Cu–O bonds into surface-bound dmap and Cu(dmap) fragments during the copper pulse. As Et2Zn adsorbs on the surface covered with Cu(dmap) and dmap fragments, butane formation and desorption was found to be facilitated by the surrounding ligands, which leads to one reaction mechanism, while the migration of ethyl groups to the surface leads to another reaction mechanism. During both reaction mechanisms, ligand diffusion and reordering are generally endothermic processes, which may result in residual ligands blocking the surface sites at the end of the Et2Zn pulse, and in residual Zn being reduced and incorporated as an impurity. We also find that the nearby ligands play a cooperative role in lowering the activation energy for formation and desorption of byproducts, which explains the advantage of using organometallic precursors and reducing agents in Cu ALD. The ALD growth rate estimated for the mechanism is consistent with the experimental value of 0.2 Å/cycle. The proposed reaction mechanisms provide insight into ALD processes for copper and other transition metals.

Développement de la polymérisation par (hétéro)arylation directe pour l’électronique organique

L’électronique organique suscite un intérêt grandissant en recherche grâce aux nouvelles possibilités qu’elle offre pour faciliter l’intégration de dispositifs électroniques dans nos vies. Grâce à elle, il est possible d’envisager des produits légers, flexibles et peu coûteux à produire. Les classes majeures de dispositifs étudiées sont les cellules photovoltaïques organiques (CPO) et les transistors organiques à effet de champ (TOEC). Dans les dernières années, une attention particulière a été portée sur les méthodes de polymérisation des matériaux organiques entrant dans la fabrication de ces dispositifs. La polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) catalysée au Pd offre une synthèse sans dérivé organométallique utilisant simplement un lien C-H aromatique, ce qui facilite la purification, diminue le nombre d’étapes et rend possible la production de matériaux à plus faible coût. De plus, la PHAD permet la préparation de matériaux qui était difficile, voire impossible, à obtenir auparavant. Cependant, l’inconvénient majeur de la PHAD reste sa limitation à certaines classes de polymères possédant des monomères ayant des positions bloquées favorisant qu’une seule paire de liaisons C-H. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, l’objectif général est d’étudier la polymérisation par PHAD afin d’accéder à des classes de monomères qui n’étaient pas envisageables auparavant et à étendre l’application de cet outil dans le domaine des polymères conjugués. Plus spécifiquement, nous avons étudié l’utilisation de groupements protecteurs et partants sur des unités de benzodithiophènes et de bithiophène-silylés. Suivant ces résultats, nos travaux ont porté sur la polymérisation de dérivés de bithiophènes avec des bromo(aryle)s, une classe de polymères fréquemment utilisée en électronique organique mais qui était jugée impossible à polymériser par PHAD auparavant. Cette étude a montré l’importance de contrôler la PHAD afin d’obtenir le polymère souhaité. Finalement, nous avons étudié l’effet du système catalytique sur le taux de β−ramifications lors de la synthèse de polymères à base de thiophènes. Dans cette dernière étude, nous avons démontré l’importance d’utiliser des outils de caractérisation adéquats afin de confirmer la qualité des polymères obtenus.

Growth and Characterization of III-V Semiconductor Materials for MOCVD Reactor Qualification and Process Control

Metalorganic chemical vapor deposition is examined as a technique for growing compound semiconductor structures. Material analysis techniques for characterizing the quality and properties of compound semiconductor material are explained and data from recent commissioning work on a newly installed reactor at the University of Illinois is presented.

Synthesis, characterization and chemical vapor deposition of transition metal di(tert-butyl)amido compounds

Although the transition metal chemistry of many dialkylamido ligands has been well studied, the chemistry of the bulky di(tert-butyl)amido ligand has been largely overlooked. The di(tert-butyl)amido ligand is well suited for synthesizing transition metal compounds with low coordination numbers; such compounds may exhibit interesting structural, physical, and chemical properties. Di(tert-butyl)amido complexes of transition metals are expected to exhibit high volatilities and low decomposition temperatures, thus making them well suited for the chemical vapor deposition of metals and metal nitrides. Treatment of MnBr₂(THF)₂, FeI₂, CoBr₂(DME), or NiBr₂(DME) with two equivalents of LiN(t-Bu)2 in benzene affords the two-coordinate complex M[N(t-Bu)₂]₂, where M is Mn, Fe, Co, or Ni. Crystallographic studies show that the M-N distances decrease across the series: 1.9365 (Mn), 1.8790 (Fe), 1.845 (Co), 1.798 Å (Ni). The N-M- N angles are very close to linear for Mn and Fe (179.30 and 179.45°, respectively), but bent for Co and Ni (159.2 and 160.90°, respectively). As expected, the d⁵ Mn complex has a magnetic moment of 5.53 μΒ that is very close to the spin only value. The EPR spectrum is nearly axial with a low E/D ratio of 0.014. The d⁶ Fe compound has a room temperature magnetic moment of 5.55 μΒ indicative of a large orbital angular momentum contribution. It does not exhibit a Jahn-Teller distortion despite the expected doubly degenerate ground state. Applied field Mössbauer spectroscopy shows that the effective internal hyperfine field is unusually large, Hint = 105 T. The magnetic moments of Co[N(t-Bu)₂]₂ and Ni[N(t-Bu)₂]₂ are 5.24 and 3.02 μΒ respectively. Both are EPR silent at 4.2 K. Treatment of TiCl₄ with three equivalents of LiN(t-Bu)2 in pentane affords the briding imido compound Ti₂[μ-N(t-Bu)]₂Cl₂[N(t-Bu)₂]₂ via a dealkylation reaction. Rotation around the bis(tert-butyl)amido groups is hindered, with activation parameters of ΔH‡ = 12.8 ± 0.6 kcal mol-1 and ΔS‡ = -8 ± 2 cal K-1 ·mol-1, as evidenced by variable temperature 1H NMR spectroscopy. Treatment of TiCl₄ with two equivalents of HN(t-Bu)₂ affords Ti₂Cl₆[N(t-Bu)₂]₂. This complex shows a close-contact of 2.634(3) Å between Ti and the carbon atom of one of the CH₃ substituents on the tert-butyl groups. Theoretical considerations and detailed structural comparisons suggest this interaction is not agostic in nature, but rather is a consequence of interligand repulsions. Treatment of NiI₂(PPh3)₂ and PdCl₂(PPh₃)₂ with LiN(t-Bu)₂in benzene affords Ni[N(t-Bu)₂](PPh₃)I and Pd₃(μ₂-NBut₂)2(μ₂-PPh₂)Ph(PPh₃) respectively. The compound Ni[N(t-Bu)₂](PPh₃)I has distorted T-shape in geometry, whereas Pd₃(μ₂-NBut₂)₂(μ₂-PPh₂)Ph(PPh₃) contains a triangular palladium core. Manganese nitride films were grown from Mn[N(t-Bu)₂]₂ in the presence of anhydrous ammonia. The growth rate was several nanometers per minute even at the remarkably low temperature of 80⁰C. As grown, the films are carbon- and oxygen-free, and have a columnar morphology. The spacings between the columns become smaller and the films become smoother as the growth temperature is increased. The composition of the films is consistent with a stoichiometry of Mn₅N₂.

Targeting and treatment of glioblastomas with human mesenchymal stem cells carrying ferrociphenol lipid nanocapsules

International audience

A comparative study of hydroxyl- and carboxylate-functionalized imidazolium and benzimidazolium salts as precursors for N-heterocyclic carbene ligands

The preparation of imidazolium and benzimidazolium salts with hydroxyl or carboxylate functions has been achieved using straightforward synthetic pathways. These salts in combination with palladium(II) acetate give active catalytic systems for Suzuki reaction. A comparative study has been performed, which has revealed that both the heterocycle and the functional group are important for the catalytic activity and stability of the catalyst.

Bimetallic PtSn/C catalysts obtained via SOMC/M for glycerol steam reforming

A detailed study on the preparation of bimetallic PtSn/C catalysts using surface-controlled synthesis methods, and on their catalytic performance in the glycerol steam reforming reaction has been carried out. In order to obtain these well-defined bimetallic phases, techniques derived from Surface Organometallic Chemistry on Metals (SOMC/M) were used. The preparation process involved the reaction between an organometallic compound ((C4H9)4Sn) and a supported transition metal (Pt) in a H2 atmosphere. Catalysts with Sn/Pt atomic ratios of 0.2, 0.3, 0.5, and 0.7 were obtained, and characterized using several techniques: ICP, H2 chemisorption, TEM and XPS. These systems were tested in the glycerol steam reforming varying the reaction conditions (glycerol concentration and reaction temperature). The best performance was observed for the catalysts with the lowest tin contents (PtSn0.2/C and PtSn0.3/C). It was observed that the presence of tin increased the catalysts’ stability when working under more severe reaction conditions.

Catalytic asymmetric transfer hydrogenation of ketones: recent advances

In this review, we consider the main processes for the asymmetric transfer hydrogenation of ketones from 2008 up today. The most effective organometallic compounds (derived from Ru, Rh, Ir, Fe, Os, Ni, Co, and Re) and chiral ligands (derived from amino alcohols, diamines, sulfur- and phosphorus-containing compounds, as well as heterocyclic systems) will be shown paying special attention to functionalized substrates, tandem reactions, processes under non-conventional conditions, supported catalysts, dynamic kinetic resolutions, the use of water as a green solvent, theoretical and experimental studies on reaction mechanisms, enzymatic processes, and finally applications to the total synthesis of biologically active organic molecules.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.